遥感的物理基础

内容概要

遥感的原理

地物的电磁波波谱信息是RS的基础

遥感的知识体系

学会信息提取是关键；

学习流程

电磁波谱与电磁辐射

电磁波谱

波（Wave）

振动的传播 = 波；

波是过程量；

电磁波

电磁振动传播就是电磁波；

• 电磁波的传播过程就是不断地磁生电电生磁；

拓展：Maxwell方程；

能量的传播

• 振动方向和传播方向垂直 = 横波
• 振动方向和传播方向一致 = 纵波

1. 电磁波是横波；
2. 存在不止一个传播方向符合传播方向和振动方向垂直；

电磁波谱

电磁波谱图

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各种波段电磁波的应用

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电磁波的性质

1. 种类： 横波；
2. 在真空中以光速传播；
3. 具有波粒二象性；

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4. 满足以下公式：

波相关公式

电磁波辐射的度量

辐射源

• 事实：任何物体都是辐射源；（黑体辐射原理）

太阳和地球，自然界最大的两个辐射源；
太阳主要是可见光和近红外（反射红外），地球主要是远红外（热红外）；

• 利用：遥感就是探测电磁波辐射的能量；

辐射测量

• 辐射能量（W）
• 辐射通量（Φ）
  • 就是单位时间内通过一定面积的辐射能量。辐射能量对时间求导；
• 辐射通量密度（E）
  • 单位时间内通过单位面积的辐射能量。辐射通量对面积求导；
  • 辐照度（I）就是辐射出的能量的密度；
  • 辐射出射度（M）就是吸收辐射的能量的密度；
• 辐射亮度（L）就是辐射强度和角度的关系；（类比光照在生活中的亮暗）
  • 和角度没有关系的辐射源被称为朗博源；

黑体辐射

绝对黑体

吸收所有波长的电磁波，吸收率100%；

黑体辐射规律

• 普遍适用：普朗克公式

普朗克公式

• 黑体温度越高，曲线顶峰就越往左偏；

蓝色星球温度大于红色星球

斯特藩-玻尔兹曼定律

温度越大，辐射密度越大；

维恩位移定律

注意：有效温度只理想化的黑体的温度，比如太阳
温度越高，b为常数，波长向短波方向移动；

实际物体的辐射

基尔霍夫定律

就是理想和现实；

三大辐射源

太阳辐射及大气对辐射的影响

太阳是被动遥感最主要的辐射源；

太阳常数

1.360 kW/m²

太阳发射光谱

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大气的吸收、散射、反射、透射

大气与电磁辐射之间的关系：① 吸收 ② 散射 ③ 反射 ④ 透射；

大气的层次与成分

• 层次：

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• 分子：

99%的氮气氧气

大气对辐射的反射作用

发生部分：云层顶部
决定因素：云量和云雾

若不是专门研究云层，要避免在多云天气下观测；

大气对辐射的吸收作用

某些分子对某波段的电磁波有吸收转化为分子内能的能力；

对比太阳辐射和穿过云层到海平面上的辐射图

• 可以看出sea level上的radiation曲线有许多下降的部分
• 遥感时为了减少大气对遥感探测的影响，一般选择吸收率低的波段(大气窗口）进行探测；

大气对辐射的散射作用

• 散射会改变传播方向，且会加入漫入射的成分，会改变波的成分，增加信号中的噪声成分；
• 发生条件：大气中分子直径相当于或小于波长时；

瑞利散射

• 发生条件： 直径比波长小得多时；
• 特点：瑞利散射的强度与波长四次方成反比；

1. 天空为什么时蓝色的，因为蓝光波长短，散射强度大；
2. 晚霞为什么时红色，因为太阳斜射，云层厚度大，蓝光散射没了，只剩红光；

米氏散射

• 发生条件： 波长相当于直径；
• 特点：米氏散射的强度与波长二次方成反比；

无选择性散射

• 发生条件： 直径远超波长；
• 特点：散射强度和波长无关，所以一般看起来是白色；

地球的辐射

人工辐射源

地物的波谱特性

地物反射波谱的特性与地物反射波谱曲线

当太阳的辐射能量入射到地面的时候，对应三种情况：

地物的反射率（定量描述反射）

反射类型

地物的反射波谱曲线

反射率和波长的关系；

雪的反射波谱曲线

沙漠的反射波谱曲线

小麦和湿地的反射波谱曲线

岩石的反射波谱曲线

水体的反射波谱曲线

土壤的反射波谱曲线

植物的反射波谱曲线

观察植物和小麦的反射波谱曲线，可以看出相似部分；

地物的发射波谱特性与地物的发射波谱曲线

黑体辐射

地物的辐射通常是类比黑体辐射来研究的。

黑体辐射的规律最早是由普朗克发现，以下为黑体辐射的三大定律：

普朗克定律

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• 波长一定，温度越高，辐射通量密度越大；

• 不同温度的曲线是不相交的；

斯特藩-玻尔兹曼定律

一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量（称为物体的辐射度或能量通量密度）j*与黑体本身的热力学温度T（又称绝对温度）的四次方成正比；

因为是温度的四次方，所以温度稍稍变化，辐射通量密度就会发生很大的变化；

维恩位移公式

黑体辐射

表象规律：由此图可以看出，温度越高，曲线顶峰就往左移动；

实质：黑体电磁辐射光谱辐射度的峰值波长与自身温度之间反比关系的定律；

维恩位移公式

T 为黑体的绝对温度（单位开尔文）；
b 为比例常数，称为维恩位移常数；

维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）。

应用： 测物体最强辐射所对应的波长推物体的温度；

实际物体辐射

上面三个定律只适用于黑体辐射，但是黑体是理想化模型，自然界几乎不存在；

基尔霍夫定律

一般研究辐射时采用的黑体模型由于其吸收比等于1（α=1），而实际物体的吸收比则小于1（1>α>0）。基尔霍夫热辐射定律则给出了实际物体的辐射出射度与吸收比之间的关系。

M为实际物体的辐射出射度，Mb为相同温度下黑体的辐射出射度。

发射率的定义：

所以有ε=α。

根据能量守恒定律：物体的光谱发射率 + 反射率 + 透射率 = 1

地物发射波谱

地物的发射率随波长的变化的规律叫做地物的发射波谱；

由此，可将地物分为三种类型：

① 绝对黑体

发射率为1，不随波长变化；

② 灰体

发射率小于1（因吸收率小于1），且为常数，不随波长变化；

③ 选择性辐射体

发射率小于1，且随波长的变化而变化；

一般金属为灰体；