遥感原理与应用-第1章电磁波及遥感物理基础课件

第一章电磁波及遥感物理基础

本次演讲内容提纲包含四个部分。首先是概述，介绍电磁波遥感的基本概念及原理，这是后续内容的基础；接着阐述物体的发射辐射，让我们了解物体辐射特性；再讲解地物的反射辐射，明确地物对电磁波的反射情况；最后是地物波谱特性的测定，为遥感应用提供数据支撑。

在遥感领域，可用于遥感的媒介有多种，像电磁波、机械波（例如声波）、重力场以及地磁场等。不过，通常所说的RS，也就是遥感，主要指的是电磁波遥感。

为何我们能依据收集到的电磁波去判断地物目标和自然现象呢？这是因为世间的一切物体，由于其本身的种类不同，具有的特征各异，所处的环境条件也千差万别，所以它们具有完全不同的电磁波反射或发射辐射特征。

每一种物体都如同一个独特的“电磁波密码箱”，有着自己独一无二的电磁波特征。比如森林、沙漠、湖泊，它们反射和发射的电磁波就各不相同。我们通过遥感技术收集这些电磁波信息，就好比拿到了解开物体“身份之谜”的钥匙，从而能够对不同的地物目标和自然现象进行准确的判断和识别。所以说，电磁波的这种特性是遥感技术得以实现的关键基础。

在探讨电磁波相关内容时，不得不提及麦克斯韦电磁场理论。这一理论堪称经典电磁学的基石，它将电、磁和光统一起来，具有划时代的意义。麦克斯韦通过严密的数学推导和科学假设，预言了电磁波的存在，为后来的无线电通信等众多领域的发展奠定了理论基础。可以说，没有麦克斯韦电磁场理论，就没有现代的无线通信技术，我们的生活也不会如此便捷。

而电磁波作为一种横波，其振动方向与传播方向垂直。这种特性使得电磁波在传播过程中具有独特的表现。与纵波不同，横波在传播时会产生偏振现象，这一特性在遥感技术中有着重要的应用。例如，遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就充分利用了电磁波的偏振特性。通过对偏振信息的分析，能够获取更多关于地物目标的细节和特征，从而提高遥感图像的质量和判读的准确性。因此，了解电磁波是横波这一特性，对于深入理解遥感技术的原理和应用至关重要。

电磁波具有几个重要性质。单色波能够用波函数来描述，它属于时空周期性函数，包含振幅、相位、波长等要素。在成像方面，一般成像仅记录振幅，而全息成像则能够记录振幅和相位。这一区别使得全息成像可以呈现出更丰富、更立体的信息，就如同普通照片和三维立体影像的差异。

干涉是电磁波的另一重要性质，凡是单色波都是相干波。微波遥感中的雷达应用干涉原理成像，影像会出现颗粒状或斑点状特征，这是一般非相干的可见光影像所没有的，对微波遥感的判读意义重大。此外，INSAR也利用干涉原理成像。

衍射指光通过有限大小的障碍物时偏离直线路径的现象。研究电磁波的衍射现象，对设计遥感传感器和提高遥感图像的几何分辨率具有重要意义，有助于获取更清晰、更准确的遥感图像。

偏振是横波在垂直于波的传播方向上，其振动矢量偏于某些方向的现象。在微波技术中，偏振称为“极化”，一般有四种极化方式。遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就利用了电磁波的偏振特性，为遥感探测提供了更多的手段和信息。

干涉是电磁波的重要性质之一，凡是单色波都是相干波。这一特性在微波遥感领域有重要应用，雷达利用干涉原理成像，其影像会出现颗粒状或斑点状特征。这种特征是一般非相干的可见光影像所没有的，对微波遥感的判读意义重大。通过分析这些特征，能获取更多地物信息，为遥感应用提供支持。INSAR同样利用干涉原理成像。这种成像方式可以提供高精度的地形信息和地表形变监测数据，在地质灾害预警、地形测绘等领域发挥重要作用。干涉原理的应用拓展了遥感技术的能力边界，让我们能更深入地了解地球表面的各种现象和变化。

在电磁波的众多特性中，衍射是一个不可忽视的重要现象。光通过有限大小的障碍物时偏离直线路径，这种现象就是光的衍射。这听起来或许有些抽象，但其实在我们生活中也有类似体现，比如光透过树叶缝隙洒下的光影，就蕴含着衍射的原理。

而研究电磁波的衍射现象，在遥感领域意义非凡。在设计遥感传感器时，了解衍射规律能够帮助我们优化传感器的结构和性能。因为衍射会影响电磁波在传感器中的传播和接收，只有掌握了衍射现象，才能让传感器更精准地收集地物的电磁波信息。同时，对于提高遥感图像的几何分辨率而言，衍射研究同样关键。图像分辨率越高，我们获取的地物信息就越详细、越准确，这对于地质勘探、环境监测等诸多领域都有着极大的推动作用。可以说，衍射现象的研究为遥感技术的发展和应用奠定了坚实的基础。

在电磁波的特性中，偏振是一个重要且独特的现象。它指的是横波在垂直于传播方向上，振动矢量偏向某些特定方向的现象。这种现象在微波技术里被称作“极化”，并且一般存在四种极化方式。

偏振现象看似抽象，却在遥感技术中有着广泛且关键的应用。以偏振摄影和雷达成像为例，它们巧妙地利用了电磁波的偏振特性。在偏振摄影中，通过捕捉特定偏振方向的光线，能够减少反射光的干扰，使图像更加清晰，凸显地物的特征和细节。而雷达成像利用偏振特性，可以获取更多关于目标物体的信息，比如物体的形状、材质和表面结构等，这对于准确识别和判断地物目标意义重大。

可以说，偏振特性为遥感技术的发展和应用开辟了新的途径，让我们能够从不同的角度去感知和理解世界，为我们探索自然现象和解决实际问题提供了有力的工具。

现在我们来探讨电磁波波谱相关内容。遥感信息获取，本质上是收集、探测和记录地物的电磁波特征，也就是地物发射、辐射或反射电磁波的特性。由于电磁波传播的是能量，所以这一过程实际上也是在记录辐射能量。这就好比我们通过捕捉不同的信号来了解地物的“秘密”。

电磁波具有不同的频率和波长，这就决定了它们具有不同的特性。就像不同的乐器，发出的声音频率和波长不同，音色也就各异。这里展示了Gamma射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等不同的电磁波类型。

可见光部分又包含了蓝、绿、黄、红等颜色，这些颜色对应着不同的波长范围。不同的电磁波在遥感领域有着不同的应用。例如，不同的地物对不同波段的电磁波吸收、反射情况不同，我们可以利用这些特性，根据感兴趣的地物的波谱特性，选择相应的电磁波段，通过传感器探测不同的电磁波谱的发射或反射能量来成像，从而更好地了解地物的特征和状态。

在上一页，我们了解到了电磁波波谱对于遥感信息获取的重要性，知道了不同频率和波长的电磁波具有不同特性。接下来，我们要聚焦到“遥感应用的光谱范围”这一关键内容。“遥感应用的光谱范围”可是遥感领域的核心内容之一。电磁波谱范围极宽，从波长最短的γ射线到最长的无线电波，波长之比高达10的22次方，而遥感采用的电磁波段可以从紫外线一直到微波波段。我们就是根据感兴趣的地物的波谱特性，选择相应的电磁波段，通过传感器探测不同的电磁波谱的发射或反射能量而成像的。

了解这些光谱范围的名称和特点，能让我们更精准地选择合适的遥感手段，为后续的地物探测和研究打下坚实基础。下面，我就为大家详细介绍一下这些具体的光谱范围。

电磁波谱的范围极其宽广，从波长最短的γ射线到最长的无线电波，波长之比达到了惊人的10的22次方。如此巨大的跨度，意味着电磁波蕴含着丰富多样的特性和应用潜力。

在遥感领域，采用的电磁波段覆盖了从紫外线到微波的范围。这一选择并非偶然，而是经过深思熟虑的。不同的电磁波段具有不同的物理性质，能够与地物产生不同的相互作用。

遥感的工作原理是依据感兴趣地物的波谱特性，精心挑选相应的电磁波段。这就好比医生根据病人的症状选择合适的检查方法。通过传感器探测不同电磁波谱的发射或反射能量，最终实现成像。这种成像方式能够为我们提供地物的详细信息，帮助我们更好地了解地球表面的各种现象和过程。

可以说，电磁波谱的广泛范围为遥感技术提供了丰富的工具库，而根据地物波谱特性选择合适的波段则是遥感技术精准成像的关键。

现在开始探讨物体的发射辐射相关内容，这主要包含四个方面。首先是黑体辐射，1860年基尔霍夫提出好的吸收体也是好的辐射体，绝对黑体能吸收任何波长的电磁辐射，其光谱吸收率为1，反射率为0。普朗克定律给出了黑体辐射通量密度与温度、波长的关系，通过对其积分还能得到斯忒藩－玻耳兹曼公式，用于推算物体总辐射能量或绝对温度，热红外遥感就利用了这一原理。

其次是太阳辐射，太阳是地球表面最主要的辐射源，其辐射对地球的气候、生态等有着至关重要的影响，为地球带来了光和热。

再者是大气对辐射的影响，大气中的各种成分，如气体分子、气溶胶等，会对辐射产生吸收、散射和反射等作用，从而改变辐射的传播和分布，这对遥感探测等有着重要影响。

最后是一般物体的发射辐射，一般物体的辐射特性与黑体有所不同，但我们可以利用相关公式对其辐射能量等进行概略推算。了解这四个方面，有助于我们更好地理解物体的发射辐射现象及其在遥感等领域的应用。1860年，基尔霍夫提出一个重要观点：好的吸收体也是好的辐射体。这一观点为我们理解黑体辐射奠定了基础。

所谓绝对黑体，是一种理想化的物体，它能够将任何波长的电磁辐射全部吸收。对于不透明物体而言，它对入射的电磁波只有光谱吸收率α(λ,T)和光谱反射率ρ(λ,T)，且二者之和恒等于1。这就意味着，吸收率和反射率是此消彼长的关系。

当α(λ,T)=1，ρ(λ,T)=0时，这个物体就是绝对黑体，它只吸收电磁波，不反射电磁波。而当α(λ,T)=0，ρ(λ,T)=1时，就是绝对白体，它只反射电磁波，不吸收电磁波。

虽然绝对黑体和绝对白体在现实中并不存在，但这两个概念在理论研究中非常重要，它们帮助我们更好地理解物体对电磁波的吸收和辐射特性，为遥感技术等领域的发展提供了理论支持。1900年，普朗克凭借量子理论推导出了普朗克定律，这一成果在黑体辐射研究领域具有里程碑式的意义。普朗克定律揭示了黑体辐射通量密度与温度、波长之间的内在联系。

我们先来认识一下公式里的各个参数。W(λ)代表分谱辐射通量密度，它反映了在特定波长下，单位面积、单位波长间隔内的辐射通量，单位是W／（cm²·μm）。λ表示波长，单位是μm，波长的不同决定了电磁波的不同特性。h是普朗克常数，其值为6.6256×10⁻³⁴J·s，这是一个非常重要的物理常数，在量子物理中频繁出现。c是光速，为3×10¹⁰cm/s，它是宇宙中物质运动速度的上限。k是玻耳兹曼常数，值为1.38×10⁻²³J／K，它建立了宏观物理量与微观物理量之间的联系。T是绝对温度，单位是K，绝对温度与物体的热运动状态密切相关。

普朗克定律的提出，为我们研究黑体辐射提供了精确的理论依据。通过这个定律，我们能够深入了解黑体在不同温度和波长下的辐射特性，进而为热红外遥感等领域的发展奠定了坚实基础。

黑体辐射特性的第一个方面，与曲线下面积成正比的总辐射通量密度W，会随温度T的增加而迅速增加，并且其可涵盖从零到无穷大的波长范围。对普朗克公式进行积分，能得到从1cm²面积的黑体辐射到半球空间里的总辐射通量密度表达式。

从这个表达式可知，绝对黑体表面上单位面积发出的总辐射能与绝对温度的四次方成正比，这就是斯忒藩－玻耳兹曼公式。这一公式意义重大，对于一般物体，当传感器检测到它的辐射能后，就可以利用该公式大致推算出物体的总辐射能量或绝对温度。

热红外遥感正是巧妙利用了这一原理来探测和识别目标物。这意味着在实际的遥感应用中，我们可以借助黑体辐射的这一特性，通过检测物体辐射能，进而了解物体的温度等重要信息，为我们对目标物的研究和识别提供有力支持。

我们正在探讨的是黑体辐射特性中的维恩位移定律。该定律揭示了一个重要规律，即当黑体的绝对温度升高时，其最大辐射本领会朝着短波方向移动。这意味着分谱辐射能量密度的峰值波长会随着温度的升高而向短波方向偏移。

从原理上来说，我们可以通过对普朗克公式进行微分并求极值，来得到这一特性。这一特性在实际应用中具有极大的价值。在遥感技术领域，我们可以依据物体的温度推算出它所辐射的波段。

举例而言，如果我们知道某目标物的温度，就能利用维恩位移定律，精准地选择合适的遥感器，并且确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。如此一来，能够提高遥感探测的效率和准确性，使得我们可以更清晰、更全面地获取目标物的信息。总之，维恩位移定律在遥感技术的发展和应用中，发挥着不可忽视的重要作用。

黑体辐射具有独特的性质，第三个特性包含几个关键要点。其一，每根代表不同温度的黑体辐射曲线彼此不相交，这意味着温度越高，在所有波长上的波谱辐射通量密度就越大。这就好比不同功率的灯泡，功率越大，它在各个频率的光辐射上就越亮。

其二，在波长大于1mm的微波波段，存在hv<<kT的情况，由此能近似得出一个重要结论。在微波波段，黑体的微波辐射亮度与温度的一次方成正比。这一特性在实际应用中十分关键，例如在微波遥感领域，通过测量黑体的微波辐射亮度，就能较为准确地推算出其温度。这使得我们在探测一些难以直接测量温度的物体时，有了一种有效的间接测量手段。而且，这种特性也为我们选择合适的遥感器和确定最佳的遥感波段提供了理论依据，有助于我们更精准地获取目标物体的信息。

在遥感领域，太阳扮演着至关重要的角色，是被动遥感最主要的辐射源。被动遥感的工作模式是，遥感传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波，而这些电磁波追根溯源，大多来自太阳。可以说，地球系统的能量绝大多数，超过99％，都来源于太阳。这充分体现了太阳辐射对于地球以及遥感技术的重要性。

具体来看太阳辐射的构成，它主要分为三部分。紫外线占比5%，虽然占比小，但它具有较高的能量，在一些特定的遥感应用中也有着独特的作用。可见光占比45%，这是我们人类肉眼可以直接感知的部分，在遥感中是重要的信息来源，许多遥感影像就是基于可见光波段获取的。红外线占比50%，红外线携带了物体的热信息，在热红外遥感等领域发挥着关键作用。通过了解太阳辐射的这种构成比例，我们能够更好地利用不同波段的电磁波进行遥感探测，为资源勘探、环境监测等多个领域提供有力的支持。

辐射源主要分为自然辐射源和人工辐射源。自然辐射源方面，太阳辐射是可见光和近红外的主要辐射源，常用5900K的黑体辐射来模拟。不过，太阳辐射在到达地球的过程中，会受到大气层的吸收、反射和散射影响。而地球的电磁辐射近似300K的黑体辐射，不同波长范围的能量来源有所不同，小于3μm的波长主要是太阳辐射的能量，大于6μm的波长主要是地物本身的热辐射，3-6μm之间则需要同时考虑太阳和地球的热辐射。

人工辐射源包括微波辐射源和激光辐射源。微波辐射源的波长范围在0.8-30cm，激光辐射源常用于激光雷达，可用于测定卫星的位置、高度、速度以及测量地形等。了解这些不同的辐射源及其特性，对于遥感技术等领域至关重要。不同的辐射源在不同的波段发挥着不同的作用，这有助于我们选择合适的遥感器和确定最佳的遥感波段，从而更有效地探测和识别目标物。

我们来深入了解太阳辐射的相关特性。太阳常数是一个重要概念，它指的是在不受大气影响的情况下，于距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射方向的单位面积、单位时间里，黑体所接收的太阳辐射能量，其数值为135.3mW/m²。这一常数为我们衡量太阳辐射能量提供了一个稳定的标准。

从光谱角度来看，太阳辐射的光谱是连续的，并且其辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本一致。这意味着我们可以借助黑体辐射的相关理论，去更好地理解和分析太阳辐射。

在被动遥感领域，主要利用的是可见光、红外等稳定辐射。由于这些辐射相对稳定，所以太阳的活动对遥感的影响较小，基本可以忽略不计。这使得我们在进行遥感工作时，能够更专注于目标地物反射或发射的电磁波信息，而不必过多担忧太阳活动带来的干扰。

综合这些特性，太阳常数的存在为我们研究太阳辐射提供了量化依据，光谱的连续性和与黑体辐射特性的一致性为理论分析奠定基础，而稳定辐射在遥感中的应用则为实际工作带来了便利。

太阳辐射具有诸多显著特点。其一，太阳光谱是连续的，这意味着其辐射的电磁波波长分布是连贯不间断的，为地球提供了丰富且稳定的能量来源。其二，太阳的辐射特性与黑体基本一致，这使得我们可以运用成熟的黑体辐射理论来研究和理解太阳辐射。

从能量分布来看，太阳在紫外到中红外波段区间能量集中且稳定。这种能量分布特性十分关键，因为地球上的众多自然过程，如光合作用、气候形成等，都依赖于这一波段的能量。也正因如此，被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射进行探测工作。

不过，太阳辐射在到达海平面时发生了显著变化。海平面处的太阳辐射照度分布曲线与大气层外的曲线有很大不同，这主要是地球大气层对太阳辐射的吸收和散射造成的。大气层中的各种成分，如氧气、臭氧、水、二氧化碳等，会吸收特定波长的太阳辐射，而大气分子和气溶胶微粒则会对太阳辐射进行散射。这些作用不仅改变了太阳辐射的能量分布，还对遥感影像的质量产生了影响。

前面我们了解了太阳辐射的相关知识，包括辐射源、太阳常数、辐射特点等。而接下来我们要探讨的“大气对辐射的影响”至关重要。大气就像一个过滤器，会对辐射产生诸多作用。之后我们会看到大气的垂直分布、对太阳辐射的吸收和散射等具体影响。

前面我们了解了太阳辐射的相关知识，包括其特点、辐射源等。接下来，我们要关注大气对辐射的影响。首先就来看大气的垂直分布，它是理解大气对太阳辐射产生各种作用的基础。之后我们还会探讨大气对太阳辐射的吸收、散射等内容。

大气对太阳辐射存在吸收作用，在紫外、红外与微波区，大气吸收是导致电磁波衰减的主要原因。氧气、臭氧、水以及二氧化碳是吸收太阳辐射的主要成分。

大气吸收对遥感影像产生了显著影响，会造成遥感影像暗淡。这是因为大气吸收了部分太阳辐射能量，使得到达传感器的能量减少，进而影响了影像的亮度和清晰度。

值得一提的是，大气对紫外线具有很强的吸收作用。由于这种强大的吸收，紫外线波段的能量在到达传感器之前就被大量消耗，导致现阶段很少使用紫外线波段进行遥感探测。这也促使科研人员将更多的精力放在其他受大气吸收影响较小的波段上，以获取更清晰、准确

在可见光波段范围内，大气对太阳辐射的影响主要体现为散射引发的衰减，而大气分子吸收的影响相对较小。当太阳辐射到达地面，再反射至传感器的过程中，会两次通过大气。在这一过程中，传感器接收到的能量不仅包含反射光，还增加了散射光。这种双重影响使得信号中的噪声部分增多，进而导致遥感影像的质量下降。

散射的方式并非单一固定，而是会随着电磁波波长与大气分子直径、气溶胶微粒大小之间的相对关系而发生变化。具体而言，主要存在米氏（Mie）散射、均匀散射、瑞利（Rayleigh）散射等多种类型。不同的散射类型对太阳辐射的影响各有特点，也会在不同程度上影响遥感影像的质量。因此，在进行遥感相关研究和应用时，必须充分考虑大气散射这一重要因素，以提高遥感影像的质量和数据的准确性。

气溶胶在大气环境中扮演着重要角色。它是悬浮于大气中的固体或液体粒子，直径范围在千分之一微米到一百微米之间。这些粒子的来源丰富多样，主要源于自然环境，像海洋、土壤、生物园以及火山活动等。

从分布上看，气溶胶大多集中在底层大气0-4km的范围内。这是因为受到地球重力作用，气溶胶颗粒密度会随高度呈指数衰减。这一分布特征也使得气溶胶与我们的日常生活更为贴近，对近地面的环境和气候产生影响。

值得一提的是，气溶胶对光的散射作用属于米氏散射。这是由于其颗粒尺度与可见光波长相当。米氏散射在大气光学现象中有着独特的表现，它会影响大气的能见度，也会对遥感影像的质量产生作用。了解气溶胶的这些特性，对于我们研究大气环境、气候以及遥感技术等都有着重要的意义。

前面我们介绍了气溶胶的相关概念，包括其定义、自然来源、分布范围以及散射类型等内容。现在我们看到的这张气溶胶图，它是对气溶胶情况的直观呈现。

通过这张图，我们能更清晰地了解气溶胶在大气中的分布状况。比如，我们可以看到气溶胶在底层大气0-4km范围内大多集中的具体表现，能直观感受其密度随高度呈指数衰减的趋势。这有助于我们进一步理解气溶胶对光的散射作用，因为其颗粒尺度与可见光波长相当，主要发生米氏散射，而图能让我们从空间分布的角度去思考这种散射现象产生的原因和影响。

而且，结合之前所说的大气对太阳辐射的散射、吸收和反射等知识，这张气溶胶图能帮助我们更系统地认识大气中各种物质和现象是如何相互作用、共同影响太阳辐射到达地面的过程的。它为我们后续研究大气窗口等内容奠定了更直观的基础。

在大气对太阳辐射的散射过程中，散射类型与介质中不均匀颗粒的直径和入射波长的关系密切。当介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长λ处于同数量级时，就会发生米氏散射。这种散射在实际中较为常见，比如大气中的气溶胶颗粒对光的散射就属于米氏散射。气溶胶大多集中在底层大气0-4km范围内，其颗粒尺度与可见光波长相当，所以会发生米氏散射。

当介质中不均匀颗粒的直径a远远大于入射波长λ时，会发生均匀散射。这种散射情况相对比较特殊，在特定的环境和条件下才会出现。

而当介质中不均匀颗粒的直径a小于入射波长λ的十分之一时，就会发生瑞利散射。我们日常看到的天空呈现蓝色，就是因为蓝光波长短，更容易发生瑞利散射，使得天空看起来是蓝色的。

了解不同的散射类型及其发生条件，对于我们研究大气对太阳辐射的散射作用至关重要。这有助于我们更好地理解遥感影像质量下降的原因，以及在遥感技术中如何选择合适的电磁波波段来获取更准确的信息。

在研究大气对太阳辐射的散射现象时，散射强度与波长的关系是一个关键要点。这里给出了一个关于散射强度的表达式，虽然公式看起来有些复杂，但它清晰地揭示了散射强度与波长之间的紧密联系。

从这个公式我们能知道，散射强度和波长的四次方成反比。这就意味着波长越短，散射强度越强；波长越长，散射强度越弱。

以蓝光和红光为例，蓝光的波长相对较短，所以蓝光散射较强；而红光的波长相对较长，因此红光散射较弱。这种差异在日常生活中也有很多体现，比如晴朗的天空呈现蓝色，就是因为蓝光更容易被大气散射，使得整个天空充满了蓝色的散射光。

理解散射强度与波长的关系，对于我们研究大气对太阳辐射的影响至关重要。它能帮助我们更好地解释一些自然现象，也为遥感技术等领域的发展提供理论支持。因为在这些领域中，我们需要了解不同波长的电磁波在大气中的传播情况，从而更准确地获取信息。

大气对太阳辐射存在反射作用，这一现象主要源于大气中的云层。当电磁波传播至云层时，如同遇到其他物体界面，必然会产生反射，并且严格遵循反射定律。

这种反射对不同波段的电磁波影响程度各异，导致到达地面的电磁波能量被削弱。可以想象，云层就像一面巨大的镜子，将部分电磁波反射回太空，使得地面接收到的能量减少。这对于遥感信号的接收极为不利，因为被削弱的电磁波会降低遥感影像的质量，干扰我们获取准确的地面信息。

基于此，在进行遥感信号接收工作时，应尽量挑选无云的天气。无云的天气意味着减少了大气反射的干扰，能让更多的电磁波顺利到达地面并被传感器接收，从而提高遥感数据的准确性和可靠性。这是提高遥感工作效率和质量的关键环节，必须予以重视。

太阳辐射在抵达地面之前，必然要穿过大气层。在这个过程中，大气折射仅改变太阳辐射的方向，并不影响其强度。然而，大气反射、吸收和散射共同作用，会衰减辐射强度，剩余部分才是透射部分。

不同电磁波段在穿过大气后，衰减程度存在显著差异。这就导致遥感能够使用的电磁波是有限的。不过，有些波段的电磁辐射在通过大气后，衰减较小，透过率较高，对遥感十分有利，这些波段被称为“大气窗口”。

大气窗口的存在对于遥感技术至关重要。研究和选择有利的大气窗口，能够最大限度地接收有用信息，这也是遥感技术的重要课题之一。只有充分利用大气窗口，才能让遥感技术更精准地获取数据，为科研、监测等工作提供有力支持。

在遥感技术领域，大气窗口是至关重要的概念。不同波段的大气窗口有着各自独特的优势和应用价值。0.30-1.15μm大气窗口，涵盖了全部可见光波段、部分紫外波段和部分近红外波段，这使其成为遥感技术应用最主要的窗口之一。可见光波段能让我们获取丰富的地物色彩信息，就像为我们打开了一扇看清地球表面多彩世界的窗户；紫外和近红外波段则能提供更多关于地物特性的额外信息，进一步拓展了我们对地球的认知。1.3-2.5μm大气窗口属于近红外波段，在监测植被生长状况、土壤湿度等方面具有重要作用。近红外波段对植被的反射特性非常敏感，通过分析这个波段的遥感数据，我们可以了解植被的健康程度和生长态势。3.5-5.0μm大气窗口处于中红外波段，在监测高温物体、火灾等方面有独特优势。中红外波段能够捕捉到高温物体发出的热辐射，帮助我们及时发现火灾隐患并进行监测。8-14μm热红外窗口，透射率约为80%，属于地物的发射波谱。它可以用于监测地物的温度变化，在城市热岛效应研究、农业作物病虫害监测等方面发挥着重要作用。1.0mm-1m微波窗口，具有穿透云雾、植被和一定深度土壤的能力，不受天气和光照条件的影响。这使得它在全天候、全天时的遥感监测中具有不可替代的作用，比如在海洋监测、地质勘探等领域有着广泛的应用。

研究和利用这些不同的大气窗口，能够让我们最大限度地接收有用信息，从而推动遥感技术在各个领域的深入应用。

在遥感领域，传感器从高空探测地面物体时，接收到的电磁波能量来源复杂。其中，太阳经大气衰减后照射地面，地物反射的能量在经过大气第二次衰减后进入传感器，这部分能量经历了两次大气的“筛选”，是传感器接收能量的重要组成部分。

地面物体本身辐射的能量经大气后进入传感器，这体现了地面物体自身的特性，不同的地面物体辐射的能量不同，携带了丰富的地物信息。

此外，大气散射和辐射的能量等也会进入传感器，这部分能量反映了大气自身的状态和特性。

对这些能量来源的分析，是辐射传输方程研究的重要基础。通过了解传感器接收到的各种能量的来源和构成，我们能够更好地理解电磁波辐射与大气相互作用的过程，为遥感技术的应用提供更准确的理论支持。内容提纲

概述

物体的发射辐射

地物的反射辐射

地物波谱特性的测定1.1概述•电磁波、机械波（声波）、重力场、地磁场等都可以用作遥感，但一般而言，RS指的是电磁波遥感。•

遥感之所以能够根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象，是因为一切物体，由于其种类、特征和环境条件的不同，而具有完全不同的电磁波反射或发射辐射特征。1.1.1

电磁波•麦克斯韦电磁场理论•

电磁波是一种横波几个重要性质•

单色波可以用波函数来描述，是一个时空周期性函数，振幅、相位、波长

一般成像：记录振幅

全息成像：记录振幅和相位•干涉•

衍射•

偏振干涉•凡是单色波都是相干波。•

微波遥感中的雷达也是应用了干涉原理成像的,其影像上会出现颗粒状或斑点状的特征，这是一般非相干的可见光影像所没有的，对微波遥感的判读意义重大。•

INSAR利用干涉原理成像。衍射•

光通过有限大小的障碍物时偏离直线路径的现象称为光的衍射。•

研究电磁波的衍射现象对设计遥感传感器和提高遥感图像的几何分辨率具有重要意义。偏振•

横波在垂直于波的传播方向上，其振动矢量偏于某些方向的现象。•

偏振在微波技术中称为“极化”

，一般有四种极化方式。•

遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就利用了电磁波的偏振这一特性。1.1.2

电磁波波谱•

遥感信息获取，一般指收集、探测、记录地物的电磁波特征，即地物的发射、辐射或反射电磁波特性。由于电磁波传播的是能量，实际上也是记录辐射能量的过程。•电磁波具有不同的频率和波长，因而具有不同的特性。Gamma可见光

红外线

微

波

无线波频率波长蓝

绿

黄

红X射线

紫外线Y

射线紫名称波长范围紫外线0.001—0.4μm紫

0.38—0.43μm可见光0.4—0.7μm蓝

0.43—0.47μm红外线近红外0.76—3.0μm青

0.47—0.50μm中红外3—6μm绿

0.50—0.56μm远红外6—15μm黄

0.56—0.60μm超远红外15—1000μm橙

0.60—0.63μm微波毫米波1—10mm红

0.63—0.76μm厘米波1—10cm分米波10cm—1m遥感应用的光谱范围遥感应用的光谱范围•

电磁波谱的范围非常宽，从波长最短的

γ射线到最长的无线电波，波长之比高达10的22次方•遥感采用的电磁波段可以从紫外线一直到微波波段•遥感就是根据感兴趣的地物的波谱特性，选择相应的电磁波段，通过传感器探测不同的电磁波谱的发射或反射能量而成像的。1.2物体的发射辐射

黑体辐射

太阳辐射

大气对辐射的影响

一般物体的发射辐射1.2.1

黑体辐射•

1860年基尔霍夫：好的吸收体也是好的辐射体•绝对黑体——任何波长的电磁辐射全部吸收•一个不透明的物体，对入射到它上面的电磁波只有光谱吸收率

α

(λ,T)和光谱反射率

ρ

(

λ,T)，二者之和恒等于1。•

绝对黑体：

α

(λ,T)=1，

ρ

(

λ,T)=0•

绝对白体：

α

(

λ,T)=0，

ρ

(λ,T)=1普朗克定律•

1900年普朗克用量子理论推导出普朗克定律•黑体辐射通量密度与温度、波长的关系满足普朗克定律：W(λ)——

分谱辐射通量密度，单位W／（cm2·μm）；λ——波长，单位是μm；h——

普朗克常数(6.6256×10-34J·s)；c——

光速(3×1010cm/s)；k——玻耳兹曼常数(1.38×10-23J／K)；T——

绝对温度，单位是K。•

与曲线下的面积成正比的总辐射通量密度W是随温度T的增加而迅速增加。总辐射通量密度W可在从零到无穷大的波长范围内。•

对普朗克公式进行积分，可得到从1cm2面积的黑体辐射到半球空间里的总辐射通量密度的表达式为：

σ为斯忒藩——玻耳兹曼常数，T为绝对黑体的绝对温度（

K）。从上式可以看出：绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能与绝对温度的四次方成正比，称为斯忒藩－玻耳兹曼公式。对于一般物体来讲，传感器检测到它的辐射能后就可以用此公式概略推算出物体的总辐射能量或绝对温度（T）。热红外遥感就是利用这一原理探测和识别目标物的。黑体辐射特性（

1）称维恩位移定律。它表明：黑体的绝对温度增高时，它的最大辐射本领向短波方向位移。若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的波段。在遥感技术上，常用这种方法选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。•

分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动。可微分普朗克公式，并求极值。黑体辐射特性（

2）•每根曲线彼此不相交，故温度T越高所有波长上的波谱辐射通量密度也越大。•在波长大于1mm的微波波段，

hv<<kT,近似得出：•在微波波段，黑体的微波辐射亮度与温度的一次方成正比。黑体辐射特性（

3）1.2.2

太阳辐射•太阳是被动遥感最主要的辐射源，遥感传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波。•地球系统的能量绝大多数（>99％

）来源于太阳•太阳辐射:–

5%

紫外线–45%可见光–50%

红外线辐射源•

自然辐射源：–太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；–常用5900K的黑体辐射来模拟。–大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。–

地球的电磁辐射：近似300K的黑体辐射。小于3

μm的

波长主要是太阳辐射的能量；大于6

μm的波长主要是

地物本身的热辐射；3-6

μm之间，太阳和地球的热辐

射都要考虑。•

人工辐射源：–

微波辐射源：0.8-30cm–

激光辐射源：激光雷达(测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等)。•太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量：

I⊙=135.3

mW/m2•太阳辐射的光谱是连续的，它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本一致。•被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射，因而太阳的活动对遥感的影响没有太大影响可以忽略。太阳辐射照度分布曲线太阳辐射的特点•

太阳光谱是连续的。•辐射特性与黑体基本一致。•紫外到中红外波段区间能量集中、稳定。•主要利用可见光、红外波段等稳定辐射。•海平面处的太阳辐射照度分布曲线与大气层外的曲线有很大不同，这主要是地球大气层对太阳辐射的吸收和散射造成的。1.2.3

大气对辐射的影响(1)大气的垂直分布(2)大气对太阳辐射的吸收•

在紫外、红外与微波区，电磁波衰减的主要原因是大气吸收•

主要成分：氧气、臭氧、水、二氧化碳•

大气吸收的影响主要是造成遥感影像暗淡。•

大气对紫外线有很强的吸收作用，因此，现阶段中很少使用紫外线波段。(2)大气对太阳辐射的散射•在可见光波段范围内，大气分子吸收的影响很小，主要是散射引起的衰减。•太阳辐照到地面又反射到传感器的过程中，二次通过大气，传感器所接收到的能量除了反射光还增加了散射光。这二次影响增加了信号中的噪声部分，造成遥感影像质量的下降。•散射的方式随电磁波波长与大气分子直径、气溶胶微粒大小之间的相对关系而变,

主要有米氏(Mie)散射、均匀散射、瑞利（

Ray

leigh）散射等。气溶胶•

气溶胶粒子是指悬浮在大气中的直径千分之一微米到一百微米的固体、液体位子。•

大气中的气溶胶粒子的自然来源主要是海洋、土壤和生物园以及火山等。•气溶胶大多集中在底层大气0-4km范围内。•

由于地球重力作用，气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减，气溶胶颗粒尺度与可见光波长相当，故它对光的散射作用属于米氏散射。气溶胶图散射类型•

介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长λ

同数量级时，发生米氏散射•

介质中不均匀颗粒的直径a>>入射波长λ

时，发生均匀散射•

介质中不均匀颗粒的直径a小于入射波长λ的十分之一时，发生瑞利散射散射强度与波长的关系I

∞

E

'2

∞

sin

2

θ

s

λ4蓝光散射较强红光散射较弱•由于大气中有云层，当电磁波到达云层时，就象到达其他物体界面一样，不可避免的要产生反射现象，这种反

射同样满足反射定律。•

各波段受到不同程度的影响，削弱了电磁波到达地面

的程度。因此应尽量选择无

云的天气接收遥感信号。四川省江油市(2)大气对太阳辐射的反射(3)大气窗口•

太阳辐射在到达地面之前穿过大气层，大气折射只是改变太阳辐射的方向，并不改变辐射的强度。但是大气反射、吸收和散射的共同影响却衰减了辐射强度，剩余部分才为透射部分。•

不同电磁波段通过大气后衰减的程度是不一样的，因•反之，有些波段的电磁辐射通过大气后衰减较小，透过率较高，对遥感十分有利，这些波段通常称为“

大气窗口”。•研究和选择有利的大气窗口、最大限度地接收有用信息是遥感技术的重要课题之一。而遥感所能够使用的电磁波是有限的。有些大气中电磁波透过率很小，甚至完全无法透过电磁波。这些区域就难于或不能被遥感所使用，称为“

大气屏障”；•0.30

~

1.15

μm大气窗口：这个窗口包括全部可见光波段、部分紫外波段和部分近红外波段，是遥感技术应用最主要的窗口之一。•1.3~2.5

μm大气窗口：属于近红外波段。•3.5~5.0

μm大气窗口：属于中红外波段。•8~14

μm热红外窗口：热红外窗口，透射率为80%左右，属于地物的发射波谱。•1.0mm~1m微波窗口。可以用作遥感的大气窗口•传感器从高空探测地面物体时，所接收到的电磁波能量包括：–

太阳经大气衰减后照射地面，经地物反射后，又经大气第二次衰减进入传感器的能量–

地面物体本身辐射的能量经大气后进入传感器–

大气散射和辐射的能量等(4)辐射传输方程(4)辐射传输方程•电磁波辐射与大气相互作用的复杂性，从遥感应用角度需要简化•

假设1：

忽略大气折射、湍流和偏振•

假设2：天空为均匀朗伯体，各向同性辐射；地表为均质朗伯体，各向同性反射。(4)辐射传输方程传感器入瞳辐射亮度地面辐射亮度向上大气光谱辐射亮度Lsλ

=

Lgλ

exp(-δλsecθV

)+

Ldλ

↑=

{(pgλ

p

)[E0(λ)cosθ2

exp(-δλsecθ2)+

Edλ

↓

]}exp(-δλsecθV

)+

Ldλ↑地表反射率

大气层外太阳辐射照度

太阳天顶角大气透过率

大气向地面散射辐射照度光学厚度（介质厚度和折射率的乘积

）=

Lgλt

λ

+

Ldλ

↑传感器观测角1.2.4一般物体的发射辐射•

自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量都比相同条件下绝对黑体的要低。•不仅依赖于波长和温度，还与构成物体的材料、表面状况等因素有关。•

我们用发射率

ε来表示它们之间的关系：

ε=

W′/

W。发射率

ε就是实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比。发射率•按照发射率与波长的关系，把地物分为：–

黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。–

灰体：发射率小于1，常数。–

选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。–

理想反射体：反射率等于0。•影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、温度（

比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物一般发射率大，反之发射率就小。主要地物发射率•实际测定物体的光谱辐射通量密度曲线并不像描绘的黑体光谱辐射通量密度曲线那么光滑•常常用一个最接近灰体辐射曲线的黑体辐射曲线作为参照，这时的黑体辐射温度称为等效黑体辐射温度（或称等效辐射温度）W

,=εW

=εσT

4

T等效

T

,等效黑体温度基尔霍夫定律•

在任一给定温度下，辐射通量密度与吸收率之比对任何材料都是一个常数，并等于该温度下黑体的辐射通量密度。

a

任何材料的发射率等于其吸收率基尔霍夫定律•

根据能量守恒定理，入射在地表面的辐射功率等于吸收功率、透射功率和反射功率三个分量之和。E

=E

+E+Ea

t

Pa

+

t

+

P

=1•

对于不透射电磁波的物体a

=ε

=1

-

Pt

=

01.3地物的反射辐射

地物的反射类别

光谱反射率以及地物的反射光谱特性

影响地物光谱反射率变化的因素1.3.1地物的反射类型•

镜面反射：是指物体的反射满足反射定律。

当发生镜面反射时，对于不透明物体，其反射能量等于入射能量减去物体吸收的能量。

自然界中真正的镜面很少，非常平静的水面可以近似认为是镜面。•

漫反射：如果入射电磁波波长λ不变，表面粗糙度h逐渐增加，直到h与

λ

同数量级，这时整个表面均匀反射入射电磁波，入射到此表面的电磁辐射按照朗伯余弦定律反射。•

方向反射：

实际地物表面由于地形起伏，在某个方向上反射最强烈，这种现象称为方向反射。是镜面反射和漫反射的结合。它发生在地物粗糙度继续增大的情况下，这种反射没有规律可寻。•从空间对地面观察时，对于平面地区，并且地面物体均匀分布，可以看成漫反射；对于地形起伏和地面结构复杂的地区，为方向反射。1.3.2光谱反射率以及地物反射光谱特性•

光谱反射率–反射率是物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比，这个反射率是在理想漫反射体的情况下，整个电磁波长的反射率。P

=

EP

/E•

实际上由于物体固有的结构特点，对于不同波长的电磁波有选择的反射，例如绿色植物的叶子由于表皮、叶绿素颗粒组成的栅栏组织和多孔薄壁细胞组织构成，入射到叶子上的太阳辐射透过上表皮，蓝、红光辐射能被叶绿素吸收进行光合作用；绿光也吸收了一大部分，但仍反射一部分，所以叶子呈现绿色；而近红外线可以穿透叶绿素，被多孔薄壁细胞组织所反射。

因此，在近红外波段上形成强反射。P

λ

=

EPλ

/E反射波谱•

反射波谱是某物体的反射率（或反射辐射能）随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的曲线即称为该物体的反射波谱特性曲线。•

物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红外，尤其是后两个波段。•

正因为不同地物在不同波段有不同的反射率这一特性，物体的反射特性曲线才作为判读和分类的物理基础，广泛地应用于遥感影像的分析和评价中。反射波谱特性曲线InfraredB&W:can

clearly

seedeciduousbecausehigherreflectanceinthose

wavelengthsPanchromatic

B&W:Can,t

telldeciduous

（落叶林）fromconifer（针叶林）不同植被光谱反射特性反射波谱特性曲线•同一地物的反射波谱特性–

时间效应