第一章電磁波及遙感物理基礎(chǔ)

本次演講內(nèi)容提綱包含四個(gè)部分。首先是概述，介紹電磁波遙感的基本概念及原理，這是后續(xù)內(nèi)容的基礎(chǔ)；接著闡述物體的發(fā)射輻射，讓我們了解物體輻射特性；再講解地物的反射輻射，明確地物對(duì)電磁波的反射情況；最后是地物波譜特性的測(cè)定，為遙感應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

在遙感領(lǐng)域，可用于遙感的媒介有多種，像電磁波、機(jī)械波（例如聲波）、重力場(chǎng)以及地磁場(chǎng)等。不過(guò)，通常所說(shuō)的RS，也就是遙感，主要指的是電磁波遙感。

為何我們能依據(jù)收集到的電磁波去判斷地物目標(biāo)和自然現(xiàn)象呢？這是因?yàn)槭篱g的一切物體，由于其本身的種類不同，具有的特征各異，所處的環(huán)境條件也千差萬(wàn)別，所以它們具有完全不同的電磁波反射或發(fā)射輻射特征。

每一種物體都如同一個(gè)獨(dú)特的“電磁波密碼箱”，有著自己獨(dú)一無(wú)二的電磁波特征。比如森林、沙漠、湖泊，它們反射和發(fā)射的電磁波就各不相同。我們通過(guò)遙感技術(shù)收集這些電磁波信息，就好比拿到了解開(kāi)物體“身份之謎”的鑰匙，從而能夠?qū)Σ煌牡匚锬繕?biāo)和自然現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷和識(shí)別。所以說(shuō)，電磁波的這種特性是遙感技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

在探討電磁波相關(guān)內(nèi)容時(shí)，不得不提及麥克斯韋電磁場(chǎng)理論。這一理論堪稱經(jīng)典電磁學(xué)的基石，它將電、磁和光統(tǒng)一起來(lái)，具有劃時(shí)代的意義。麥克斯韋通過(guò)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和科學(xué)假設(shè)，預(yù)言了電磁波的存在，為后來(lái)的無(wú)線電通信等眾多領(lǐng)域的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，就沒(méi)有現(xiàn)代的無(wú)線通信技術(shù)，我們的生活也不會(huì)如此便捷。

而電磁波作為一種橫波，其振動(dòng)方向與傳播方向垂直。這種特性使得電磁波在傳播過(guò)程中具有獨(dú)特的表現(xiàn)。與縱波不同，橫波在傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏振現(xiàn)象，這一特性在遙感技術(shù)中有著重要的應(yīng)用。例如，遙感技術(shù)中的偏振攝影和雷達(dá)成像就充分利用了電磁波的偏振特性。通過(guò)對(duì)偏振信息的分析，能夠獲取更多關(guān)于地物目標(biāo)的細(xì)節(jié)和特征，從而提高遙感圖像的質(zhì)量和判讀的準(zhǔn)確性。因此，了解電磁波是橫波這一特性，對(duì)于深入理解遙感技術(shù)的原理和應(yīng)用至關(guān)重要。

電磁波具有幾個(gè)重要性質(zhì)。單色波能夠用波函數(shù)來(lái)描述，它屬于時(shí)空周期性函數(shù)，包含振幅、相位、波長(zhǎng)等要素。在成像方面，一般成像僅記錄振幅，而全息成像則能夠記錄振幅和相位。這一區(qū)別使得全息成像可以呈現(xiàn)出更豐富、更立體的信息，就如同普通照片和三維立體影像的差異。

干涉是電磁波的另一重要性質(zhì)，凡是單色波都是相干波。微波遙感中的雷達(dá)應(yīng)用干涉原理成像，影像會(huì)出現(xiàn)顆粒狀或斑點(diǎn)狀特征，這是一般非相干的可見(jiàn)光影像所沒(méi)有的，對(duì)微波遙感的判讀意義重大。此外，INSAR也利用干涉原理成像。

衍射指光通過(guò)有限大小的障礙物時(shí)偏離直線路徑的現(xiàn)象。研究電磁波的衍射現(xiàn)象，對(duì)設(shè)計(jì)遙感傳感器和提高遙感圖像的幾何分辨率具有重要意義，有助于獲取更清晰、更準(zhǔn)確的遙感圖像。

偏振是橫波在垂直于波的傳播方向上，其振動(dòng)矢量偏于某些方向的現(xiàn)象。在微波技術(shù)中，偏振稱為“極化”，一般有四種極化方式。遙感技術(shù)中的偏振攝影和雷達(dá)成像就利用了電磁波的偏振特性，為遙感探測(cè)提供了更多的手段和信息。

干涉是電磁波的重要性質(zhì)之一，凡是單色波都是相干波。這一特性在微波遙感領(lǐng)域有重要應(yīng)用，雷達(dá)利用干涉原理成像，其影像會(huì)出現(xiàn)顆粒狀或斑點(diǎn)狀特征。這種特征是一般非相干的可見(jiàn)光影像所沒(méi)有的，對(duì)微波遙感的判讀意義重大。通過(guò)分析這些特征，能獲取更多地物信息，為遙感應(yīng)用提供支持。INSAR同樣利用干涉原理成像。這種成像方式可以提供高精度的地形信息和地表形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、地形測(cè)繪等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。干涉原理的應(yīng)用拓展了遙感技術(shù)的能力邊界，讓我們能更深入地了解地球表面的各種現(xiàn)象和變化。

在電磁波的眾多特性中，衍射是一個(gè)不可忽視的重要現(xiàn)象。光通過(guò)有限大小的障礙物時(shí)偏離直線路徑，這種現(xiàn)象就是光的衍射。這聽(tīng)起來(lái)或許有些抽象，但其實(shí)在我們生活中也有類似體現(xiàn)，比如光透過(guò)樹(shù)葉縫隙灑下的光影，就蘊(yùn)含著衍射的原理。

而研究電磁波的衍射現(xiàn)象，在遙感領(lǐng)域意義非凡。在設(shè)計(jì)遙感傳感器時(shí)，了解衍射規(guī)律能夠幫助我們優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)和性能。因?yàn)檠苌鋾?huì)影響電磁波在傳感器中的傳播和接收，只有掌握了衍射現(xiàn)象，才能讓傳感器更精準(zhǔn)地收集地物的電磁波信息。同時(shí)，對(duì)于提高遙感圖像的幾何分辨率而言，衍射研究同樣關(guān)鍵。圖像分辨率越高，我們獲取的地物信息就越詳細(xì)、越準(zhǔn)確，這對(duì)于地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域都有著極大的推動(dòng)作用?？梢哉f(shuō)，衍射現(xiàn)象的研究為遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在電磁波的特性中，偏振是一個(gè)重要且獨(dú)特的現(xiàn)象。它指的是橫波在垂直于傳播方向上，振動(dòng)矢量偏向某些特定方向的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在微波技術(shù)里被稱作“極化”，并且一般存在四種極化方式。

偏振現(xiàn)象看似抽象，卻在遙感技術(shù)中有著廣泛且關(guān)鍵的應(yīng)用。以偏振攝影和雷達(dá)成像為例，它們巧妙地利用了電磁波的偏振特性。在偏振攝影中，通過(guò)捕捉特定偏振方向的光線，能夠減少反射光的干擾，使圖像更加清晰，凸顯地物的特征和細(xì)節(jié)。而雷達(dá)成像利用偏振特性，可以獲取更多關(guān)于目標(biāo)物體的信息，比如物體的形狀、材質(zhì)和表面結(jié)構(gòu)等，這對(duì)于準(zhǔn)確識(shí)別和判斷地物目標(biāo)意義重大。

可以說(shuō)，偏振特性為遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用開(kāi)辟了新的途徑，讓我們能夠從不同的角度去感知和理解世界，為我們探索自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題提供了有力的工具。

現(xiàn)在我們來(lái)探討電磁波波譜相關(guān)內(nèi)容。遙感信息獲取，本質(zhì)上是收集、探測(cè)和記錄地物的電磁波特征，也就是地物發(fā)射、輻射或反射電磁波的特性。由于電磁波傳播的是能量，所以這一過(guò)程實(shí)際上也是在記錄輻射能量。這就好比我們通過(guò)捕捉不同的信號(hào)來(lái)了解地物的“秘密”。

電磁波具有不同的頻率和波長(zhǎng)，這就決定了它們具有不同的特性。就像不同的樂(lè)器，發(fā)出的聲音頻率和波長(zhǎng)不同，音色也就各異。這里展示了Gamma射線、X射線、紫外線、可見(jiàn)光、紅外線、微波、無(wú)線電波等不同的電磁波類型。

可見(jiàn)光部分又包含了藍(lán)、綠、黃、紅等顏色，這些顏色對(duì)應(yīng)著不同的波長(zhǎng)范圍。不同的電磁波在遙感領(lǐng)域有著不同的應(yīng)用。例如，不同的地物對(duì)不同波段的電磁波吸收、反射情況不同，我們可以利用這些特性，根據(jù)感興趣的地物的波譜特性，選擇相應(yīng)的電磁波段，通過(guò)傳感器探測(cè)不同的電磁波譜的發(fā)射或反射能量來(lái)成像，從而更好地了解地物的特征和狀態(tài)。

在上一頁(yè)，我們了解到了電磁波波譜對(duì)于遙感信息獲取的重要性，知道了不同頻率和波長(zhǎng)的電磁波具有不同特性。接下來(lái)，我們要聚焦到“遙感應(yīng)用的光譜范圍”這一關(guān)鍵內(nèi)容?！斑b感應(yīng)用的光譜范圍”可是遙感領(lǐng)域的核心內(nèi)容之一。電磁波譜范圍極寬，從波長(zhǎng)最短的γ射線到最長(zhǎng)的無(wú)線電波，波長(zhǎng)之比高達(dá)10的22次方，而遙感采用的電磁波段可以從紫外線一直到微波波段。我們就是根據(jù)感興趣的地物的波譜特性，選擇相應(yīng)的電磁波段，通過(guò)傳感器探測(cè)不同的電磁波譜的發(fā)射或反射能量而成像的。

了解這些光譜范圍的名稱和特點(diǎn)，能讓我們更精準(zhǔn)地選擇合適的遙感手段，為后續(xù)的地物探測(cè)和研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。下面，我就為大家詳細(xì)介紹一下這些具體的光譜范圍。

電磁波譜的范圍極其寬廣，從波長(zhǎng)最短的γ射線到最長(zhǎng)的無(wú)線電波，波長(zhǎng)之比達(dá)到了驚人的10的22次方。如此巨大的跨度，意味著電磁波蘊(yùn)含著豐富多樣的特性和應(yīng)用潛力。

在遙感領(lǐng)域，采用的電磁波段覆蓋了從紫外線到微波的范圍。這一選擇并非偶然，而是經(jīng)過(guò)深思熟慮的。不同的電磁波段具有不同的物理性質(zhì)，能夠與地物產(chǎn)生不同的相互作用。

遙感的工作原理是依據(jù)感興趣地物的波譜特性，精心挑選相應(yīng)的電磁波段。這就好比醫(yī)生根據(jù)病人的癥狀選擇合適的檢查方法。通過(guò)傳感器探測(cè)不同電磁波譜的發(fā)射或反射能量，最終實(shí)現(xiàn)成像。這種成像方式能夠?yàn)槲覀兲峁┑匚锏脑敿?xì)信息，幫助我們更好地了解地球表面的各種現(xiàn)象和過(guò)程。

可以說(shuō)，電磁波譜的廣泛范圍為遙感技術(shù)提供了豐富的工具庫(kù)，而根據(jù)地物波譜特性選擇合適的波段則是遙感技術(shù)精準(zhǔn)成像的關(guān)鍵。

現(xiàn)在開(kāi)始探討物體的發(fā)射輻射相關(guān)內(nèi)容，這主要包含四個(gè)方面。首先是黑體輻射，1860年基爾霍夫提出好的吸收體也是好的輻射體，絕對(duì)黑體能吸收任何波長(zhǎng)的電磁輻射，其光譜吸收率為1，反射率為0。普朗克定律給出了黑體輻射通量密度與溫度、波長(zhǎng)的關(guān)系，通過(guò)對(duì)其積分還能得到斯忒藩－玻耳茲曼公式，用于推算物體總輻射能量或絕對(duì)溫度，熱紅外遙感就利用了這一原理。

其次是太陽(yáng)輻射，太陽(yáng)是地球表面最主要的輻射源，其輻射對(duì)地球的氣候、生態(tài)等有著至關(guān)重要的影響，為地球帶來(lái)了光和熱。

再者是大氣對(duì)輻射的影響，大氣中的各種成分，如氣體分子、氣溶膠等，會(huì)對(duì)輻射產(chǎn)生吸收、散射和反射等作用，從而改變輻射的傳播和分布，這對(duì)遙感探測(cè)等有著重要影響。

最后是一般物體的發(fā)射輻射，一般物體的輻射特性與黑體有所不同，但我們可以利用相關(guān)公式對(duì)其輻射能量等進(jìn)行概略推算。了解這四個(gè)方面，有助于我們更好地理解物體的發(fā)射輻射現(xiàn)象及其在遙感等領(lǐng)域的應(yīng)用。1860年，基爾霍夫提出一個(gè)重要觀點(diǎn)：好的吸收體也是好的輻射體。這一觀點(diǎn)為我們理解黑體輻射奠定了基礎(chǔ)。

所謂絕對(duì)黑體，是一種理想化的物體，它能夠?qū)⑷魏尾ㄩL(zhǎng)的電磁輻射全部吸收。對(duì)于不透明物體而言，它對(duì)入射的電磁波只有光譜吸收率α(λ,T)和光譜反射率ρ(λ,T)，且二者之和恒等于1。這就意味著，吸收率和反射率是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。

當(dāng)α(λ,T)=1，ρ(λ,T)=0時(shí)，這個(gè)物體就是絕對(duì)黑體，它只吸收電磁波，不反射電磁波。而當(dāng)α(λ,T)=0，ρ(λ,T)=1時(shí)，就是絕對(duì)白體，它只反射電磁波，不吸收電磁波。

雖然絕對(duì)黑體和絕對(duì)白體在現(xiàn)實(shí)中并不存在，但這兩個(gè)概念在理論研究中非常重要，它們幫助我們更好地理解物體對(duì)電磁波的吸收和輻射特性，為遙感技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展提供了理論支持。1900年，普朗克憑借量子理論推導(dǎo)出了普朗克定律，這一成果在黑體輻射研究領(lǐng)域具有里程碑式的意義。普朗克定律揭示了黑體輻射通量密度與溫度、波長(zhǎng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。

我們先來(lái)認(rèn)識(shí)一下公式里的各個(gè)參數(shù)。W(λ)代表分譜輻射通量密度，它反映了在特定波長(zhǎng)下，單位面積、單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射通量，單位是W／（cm2·μm）。λ表示波長(zhǎng)，單位是μm，波長(zhǎng)的不同決定了電磁波的不同特性。h是普朗克常數(shù)，其值為6.6256×10?3?J·s，這是一個(gè)非常重要的物理常數(shù)，在量子物理中頻繁出現(xiàn)。c是光速，為3×101?cm/s，它是宇宙中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度的上限。k是玻耳茲曼常數(shù)，值為1.38×10?23J／K，它建立了宏觀物理量與微觀物理量之間的聯(lián)系。T是絕對(duì)溫度，單位是K，絕對(duì)溫度與物體的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。

普朗克定律的提出，為我們研究黑體輻射提供了精確的理論依據(jù)。通過(guò)這個(gè)定律，我們能夠深入了解黑體在不同溫度和波長(zhǎng)下的輻射特性，進(jìn)而為熱紅外遙感等領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

黑體輻射特性的第一個(gè)方面，與曲線下面積成正比的總輻射通量密度W，會(huì)隨溫度T的增加而迅速增加，并且其可涵蓋從零到無(wú)窮大的波長(zhǎng)范圍。對(duì)普朗克公式進(jìn)行積分，能得到從1cm2面積的黑體輻射到半球空間里的總輻射通量密度表達(dá)式。

從這個(gè)表達(dá)式可知，絕對(duì)黑體表面上單位面積發(fā)出的總輻射能與絕對(duì)溫度的四次方成正比，這就是斯忒藩－玻耳茲曼公式。這一公式意義重大，對(duì)于一般物體，當(dāng)傳感器檢測(cè)到它的輻射能后，就可以利用該公式大致推算出物體的總輻射能量或絕對(duì)溫度。

熱紅外遙感正是巧妙利用了這一原理來(lái)探測(cè)和識(shí)別目標(biāo)物。這意味著在實(shí)際的遙感應(yīng)用中，我們可以借助黑體輻射的這一特性，通過(guò)檢測(cè)物體輻射能，進(jìn)而了解物體的溫度等重要信息，為我們對(duì)目標(biāo)物的研究和識(shí)別提供有力支持。

我們正在探討的是黑體輻射特性中的維恩位移定律。該定律揭示了一個(gè)重要規(guī)律，即當(dāng)黑體的絕對(duì)溫度升高時(shí)，其最大輻射本領(lǐng)會(huì)朝著短波方向移動(dòng)。這意味著分譜輻射能量密度的峰值波長(zhǎng)會(huì)隨著溫度的升高而向短波方向偏移。

從原理上來(lái)說(shuō)，我們可以通過(guò)對(duì)普朗克公式進(jìn)行微分并求極值，來(lái)得到這一特性。這一特性在實(shí)際應(yīng)用中具有極大的價(jià)值。在遙感技術(shù)領(lǐng)域，我們可以依據(jù)物體的溫度推算出它所輻射的波段。

舉例而言，如果我們知道某目標(biāo)物的溫度，就能利用維恩位移定律，精準(zhǔn)地選擇合適的遙感器，并且確定對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行熱紅外遙感的最佳波段。如此一來(lái)，能夠提高遙感探測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，使得我們可以更清晰、更全面地獲取目標(biāo)物的信息?？傊?，維恩位移定律在遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用中，發(fā)揮著不可忽視的重要作用。

黑體輻射具有獨(dú)特的性質(zhì)，第三個(gè)特性包含幾個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)。其一，每根代表不同溫度的黑體輻射曲線彼此不相交，這意味著溫度越高，在所有波長(zhǎng)上的波譜輻射通量密度就越大。這就好比不同功率的燈泡，功率越大，它在各個(gè)頻率的光輻射上就越亮。

其二，在波長(zhǎng)大于1mm的微波波段，存在hv<<kT的情況，由此能近似得出一個(gè)重要結(jié)論。在微波波段，黑體的微波輻射亮度與溫度的一次方成正比。這一特性在實(shí)際應(yīng)用中十分關(guān)鍵，例如在微波遙感領(lǐng)域，通過(guò)測(cè)量黑體的微波輻射亮度，就能較為準(zhǔn)確地推算出其溫度。這使得我們?cè)谔綔y(cè)一些難以直接測(cè)量溫度的物體時(shí)，有了一種有效的間接測(cè)量手段。而且，這種特性也為我們選擇合適的遙感器和確定最佳的遙感波段提供了理論依據(jù)，有助于我們更精準(zhǔn)地獲取目標(biāo)物體的信息。

在遙感領(lǐng)域，太陽(yáng)扮演著至關(guān)重要的角色，是被動(dòng)遙感最主要的輻射源。被動(dòng)遙感的工作模式是，遙感傳感器從空中或空間接收地物反射的電磁波，而這些電磁波追根溯源，大多來(lái)自太陽(yáng)。可以說(shuō)，地球系統(tǒng)的能量絕大多數(shù)，超過(guò)99％，都來(lái)源于太陽(yáng)。這充分體現(xiàn)了太陽(yáng)輻射對(duì)于地球以及遙感技術(shù)的重要性。

具體來(lái)看太陽(yáng)輻射的構(gòu)成，它主要分為三部分。紫外線占比5%，雖然占比小，但它具有較高的能量，在一些特定的遙感應(yīng)用中也有著獨(dú)特的作用?？梢?jiàn)光占比45%，這是我們?nèi)祟惾庋劭梢灾苯痈兄牟糠郑谶b感中是重要的信息來(lái)源，許多遙感影像就是基于可見(jiàn)光波段獲取的。紅外線占比50%，紅外線攜帶了物體的熱信息，在熱紅外遙感等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過(guò)了解太陽(yáng)輻射的這種構(gòu)成比例，我們能夠更好地利用不同波段的電磁波進(jìn)行遙感探測(cè)，為資源勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域提供有力的支持。

輻射源主要分為自然輻射源和人工輻射源。自然輻射源方面，太陽(yáng)輻射是可見(jiàn)光和近紅外的主要輻射源，常用5900K的黑體輻射來(lái)模擬。不過(guò)，太陽(yáng)輻射在到達(dá)地球的過(guò)程中，會(huì)受到大氣層的吸收、反射和散射影響。而地球的電磁輻射近似300K的黑體輻射，不同波長(zhǎng)范圍的能量來(lái)源有所不同，小于3μm的波長(zhǎng)主要是太陽(yáng)輻射的能量，大于6μm的波長(zhǎng)主要是地物本身的熱輻射，3-6μm之間則需要同時(shí)考慮太陽(yáng)和地球的熱輻射。

人工輻射源包括微波輻射源和激光輻射源。微波輻射源的波長(zhǎng)范圍在0.8-30cm，激光輻射源常用于激光雷達(dá)，可用于測(cè)定衛(wèi)星的位置、高度、速度以及測(cè)量地形等。了解這些不同的輻射源及其特性，對(duì)于遙感技術(shù)等領(lǐng)域至關(guān)重要。不同的輻射源在不同的波段發(fā)揮著不同的作用，這有助于我們選擇合適的遙感器和確定最佳的遙感波段，從而更有效地探測(cè)和識(shí)別目標(biāo)物。

我們來(lái)深入了解太陽(yáng)輻射的相關(guān)特性。太陽(yáng)常數(shù)是一個(gè)重要概念，它指的是在不受大氣影響的情況下，于距離太陽(yáng)一個(gè)天文單位內(nèi)，垂直于太陽(yáng)光輻射方向的單位面積、單位時(shí)間里，黑體所接收的太陽(yáng)輻射能量，其數(shù)值為135.3mW/m2。這一常數(shù)為我們衡量太陽(yáng)輻射能量提供了一個(gè)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。

從光譜角度來(lái)看，太陽(yáng)輻射的光譜是連續(xù)的，并且其輻射特性與絕對(duì)黑體的輻射特性基本一致。這意味著我們可以借助黑體輻射的相關(guān)理論，去更好地理解和分析太陽(yáng)輻射。

在被動(dòng)遙感領(lǐng)域，主要利用的是可見(jiàn)光、紅外等穩(wěn)定輻射。由于這些輻射相對(duì)穩(wěn)定，所以太陽(yáng)的活動(dòng)對(duì)遙感的影響較小，基本可以忽略不計(jì)。這使得我們?cè)谶M(jìn)行遙感工作時(shí)，能夠更專注于目標(biāo)地物反射或發(fā)射的電磁波信息，而不必過(guò)多擔(dān)憂太陽(yáng)活動(dòng)帶來(lái)的干擾。

綜合這些特性，太陽(yáng)常數(shù)的存在為我們研究太陽(yáng)輻射提供了量化依據(jù)，光譜的連續(xù)性和與黑體輻射特性的一致性為理論分析奠定基礎(chǔ)，而穩(wěn)定輻射在遙感中的應(yīng)用則為實(shí)際工作帶來(lái)了便利。

太陽(yáng)輻射具有諸多顯著特點(diǎn)。其一，太陽(yáng)光譜是連續(xù)的，這意味著其輻射的電磁波波長(zhǎng)分布是連貫不間斷的，為地球提供了豐富且穩(wěn)定的能量來(lái)源。其二，太陽(yáng)的輻射特性與黑體基本一致，這使得我們可以運(yùn)用成熟的黑體輻射理論來(lái)研究和理解太陽(yáng)輻射。

從能量分布來(lái)看，太陽(yáng)在紫外到中紅外波段區(qū)間能量集中且穩(wěn)定。這種能量分布特性十分關(guān)鍵，因?yàn)榈厍蛏系谋姸嘧匀贿^(guò)程，如光合作用、氣候形成等，都依賴于這一波段的能量。也正因如此，被動(dòng)遙感主要利用可見(jiàn)光、紅外等穩(wěn)定輻射進(jìn)行探測(cè)工作。

不過(guò)，太陽(yáng)輻射在到達(dá)海平面時(shí)發(fā)生了顯著變化。海平面處的太陽(yáng)輻射照度分布曲線與大氣層外的曲線有很大不同，這主要是地球大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和散射造成的。大氣層中的各種成分，如氧氣、臭氧、水、二氧化碳等，會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的太陽(yáng)輻射，而大氣分子和氣溶膠微粒則會(huì)對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行散射。這些作用不僅改變了太陽(yáng)輻射的能量分布，還對(duì)遙感影像的質(zhì)量產(chǎn)生了影響。

前面我們了解了太陽(yáng)輻射的相關(guān)知識(shí)，包括輻射源、太陽(yáng)常數(shù)、輻射特點(diǎn)等。而接下來(lái)我們要探討的“大氣對(duì)輻射的影響”至關(guān)重要。大氣就像一個(gè)過(guò)濾器，會(huì)對(duì)輻射產(chǎn)生諸多作用。之后我們會(huì)看到大氣的垂直分布、對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和散射等具體影響。

前面我們了解了太陽(yáng)輻射的相關(guān)知識(shí)，包括其特點(diǎn)、輻射源等。接下來(lái)，我們要關(guān)注大氣對(duì)輻射的影響。首先就來(lái)看大氣的垂直分布，它是理解大氣對(duì)太陽(yáng)輻射產(chǎn)生各種作用的基礎(chǔ)。之后我們還會(huì)探討大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、散射等內(nèi)容。

大氣對(duì)太陽(yáng)輻射存在吸收作用，在紫外、紅外與微波區(qū)，大氣吸收是導(dǎo)致電磁波衰減的主要原因。氧氣、臭氧、水以及二氧化碳是吸收太陽(yáng)輻射的主要成分。

大氣吸收對(duì)遙感影像產(chǎn)生了顯著影響，會(huì)造成遙感影像暗淡。這是因?yàn)榇髿馕樟瞬糠痔?yáng)輻射能量，使得到達(dá)傳感器的能量減少，進(jìn)而影響了影像的亮度和清晰度。

值得一提的是，大氣對(duì)紫外線具有很強(qiáng)的吸收作用。由于這種強(qiáng)大的吸收，紫外線波段的能量在到達(dá)傳感器之前就被大量消耗，導(dǎo)致現(xiàn)階段很少使用紫外線波段進(jìn)行遙感探測(cè)。這也促使科研人員將更多的精力放在其他受大氣吸收影響較小的波段上，以獲取更清晰、準(zhǔn)確

在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)，大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響主要體現(xiàn)為散射引發(fā)的衰減，而大氣分子吸收的影響相對(duì)較小。當(dāng)太陽(yáng)輻射到達(dá)地面，再反射至傳感器的過(guò)程中，會(huì)兩次通過(guò)大氣。在這一過(guò)程中，傳感器接收到的能量不僅包含反射光，還增加了散射光。這種雙重影響使得信號(hào)中的噪聲部分增多，進(jìn)而導(dǎo)致遙感影像的質(zhì)量下降。

散射的方式并非單一固定，而是會(huì)隨著電磁波波長(zhǎng)與大氣分子直徑、氣溶膠微粒大小之間的相對(duì)關(guān)系而發(fā)生變化。具體而言，主要存在米氏（Mie）散射、均勻散射、瑞利（Rayleigh）散射等多種類型。不同的散射類型對(duì)太陽(yáng)輻射的影響各有特點(diǎn)，也會(huì)在不同程度上影響遙感影像的質(zhì)量。因此，在進(jìn)行遙感相關(guān)研究和應(yīng)用時(shí)，必須充分考慮大氣散射這一重要因素，以提高遙感影像的質(zhì)量和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

氣溶膠在大氣環(huán)境中扮演著重要角色。它是懸浮于大氣中的固體或液體粒子，直徑范圍在千分之一微米到一百微米之間。這些粒子的來(lái)源豐富多樣，主要源于自然環(huán)境，像海洋、土壤、生物園以及火山活動(dòng)等。

從分布上看，氣溶膠大多集中在底層大氣0-4km的范圍內(nèi)。這是因?yàn)槭艿降厍蛑亓ψ饔?，氣溶膠顆粒密度會(huì)隨高度呈指數(shù)衰減。這一分布特征也使得氣溶膠與我們的日常生活更為貼近，對(duì)近地面的環(huán)境和氣候產(chǎn)生影響。

值得一提的是，氣溶膠對(duì)光的散射作用屬于米氏散射。這是由于其顆粒尺度與可見(jiàn)光波長(zhǎng)相當(dāng)。米氏散射在大氣光學(xué)現(xiàn)象中有著獨(dú)特的表現(xiàn)，它會(huì)影響大氣的能見(jiàn)度，也會(huì)對(duì)遙感影像的質(zhì)量產(chǎn)生作用。了解氣溶膠的這些特性，對(duì)于我們研究大氣環(huán)境、氣候以及遙感技術(shù)等都有著重要的意義。

前面我們介紹了氣溶膠的相關(guān)概念，包括其定義、自然來(lái)源、分布范圍以及散射類型等內(nèi)容。現(xiàn)在我們看到的這張氣溶膠圖，它是對(duì)氣溶膠情況的直觀呈現(xiàn)。

通過(guò)這張圖，我們能更清晰地了解氣溶膠在大氣中的分布狀況。比如，我們可以看到氣溶膠在底層大氣0-4km范圍內(nèi)大多集中的具體表現(xiàn)，能直觀感受其密度隨高度呈指數(shù)衰減的趨勢(shì)。這有助于我們進(jìn)一步理解氣溶膠對(duì)光的散射作用，因?yàn)槠漕w粒尺度與可見(jiàn)光波長(zhǎng)相當(dāng)，主要發(fā)生米氏散射，而圖能讓我們從空間分布的角度去思考這種散射現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和影響。

而且，結(jié)合之前所說(shuō)的大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射、吸收和反射等知識(shí)，這張氣溶膠圖能幫助我們更系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)大氣中各種物質(zhì)和現(xiàn)象是如何相互作用、共同影響太陽(yáng)輻射到達(dá)地面的過(guò)程的。它為我們后續(xù)研究大氣窗口等內(nèi)容奠定了更直觀的基礎(chǔ)。

在大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射過(guò)程中，散射類型與介質(zhì)中不均勻顆粒的直徑和入射波長(zhǎng)的關(guān)系密切。當(dāng)介質(zhì)中不均勻顆粒的直徑a與入射波長(zhǎng)λ處于同數(shù)量級(jí)時(shí)，就會(huì)發(fā)生米氏散射。這種散射在實(shí)際中較為常見(jiàn)，比如大氣中的氣溶膠顆粒對(duì)光的散射就屬于米氏散射。氣溶膠大多集中在底層大氣0-4km范圍內(nèi)，其顆粒尺度與可見(jiàn)光波長(zhǎng)相當(dāng)，所以會(huì)發(fā)生米氏散射。

當(dāng)介質(zhì)中不均勻顆粒的直徑a遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射波長(zhǎng)λ時(shí)，會(huì)發(fā)生均勻散射。這種散射情況相對(duì)比較特殊，在特定的環(huán)境和條件下才會(huì)出現(xiàn)。

而當(dāng)介質(zhì)中不均勻顆粒的直徑a小于入射波長(zhǎng)λ的十分之一時(shí)，就會(huì)發(fā)生瑞利散射。我們?nèi)粘？吹降奶炜粘尸F(xiàn)藍(lán)色，就是因?yàn)樗{(lán)光波長(zhǎng)短，更容易發(fā)生瑞利散射，使得天空看起來(lái)是藍(lán)色的。

了解不同的散射類型及其發(fā)生條件，對(duì)于我們研究大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射作用至關(guān)重要。這有助于我們更好地理解遙感影像質(zhì)量下降的原因，以及在遙感技術(shù)中如何選擇合適的電磁波波段來(lái)獲取更準(zhǔn)確的信息。

在研究大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射現(xiàn)象時(shí)，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系是一個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)。這里給出了一個(gè)關(guān)于散射強(qiáng)度的表達(dá)式，雖然公式看起來(lái)有些復(fù)雜，但它清晰地揭示了散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)之間的緊密聯(lián)系。

從這個(gè)公式我們能知道，散射強(qiáng)度和波長(zhǎng)的四次方成反比。這就意味著波長(zhǎng)越短，散射強(qiáng)度越強(qiáng)；波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射強(qiáng)度越弱。

以藍(lán)光和紅光為例，藍(lán)光的波長(zhǎng)相對(duì)較短，所以藍(lán)光散射較強(qiáng)；而紅光的波長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)，因此紅光散射較弱。這種差異在日常生活中也有很多體現(xiàn)，比如晴朗的天空呈現(xiàn)藍(lán)色，就是因?yàn)樗{(lán)光更容易被大氣散射，使得整個(gè)天空充滿了藍(lán)色的散射光。

理解散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系，對(duì)于我們研究大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響至關(guān)重要。它能幫助我們更好地解釋一些自然現(xiàn)象，也為遙感技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展提供理論支持。因?yàn)樵谶@些領(lǐng)域中，我們需要了解不同波長(zhǎng)的電磁波在大氣中的傳播情況，從而更準(zhǔn)確地獲取信息。

大氣對(duì)太陽(yáng)輻射存在反射作用，這一現(xiàn)象主要源于大氣中的云層。當(dāng)電磁波傳播至云層時(shí)，如同遇到其他物體界面，必然會(huì)產(chǎn)生反射，并且嚴(yán)格遵循反射定律。

這種反射對(duì)不同波段的電磁波影響程度各異，導(dǎo)致到達(dá)地面的電磁波能量被削弱?？梢韵胂?，云層就像一面巨大的鏡子，將部分電磁波反射回太空，使得地面接收到的能量減少。這對(duì)于遙感信號(hào)的接收極為不利，因?yàn)楸幌魅醯碾姶挪〞?huì)降低遙感影像的質(zhì)量，干擾我們獲取準(zhǔn)確的地面信息。

基于此，在進(jìn)行遙感信號(hào)接收工作時(shí)，應(yīng)盡量挑選無(wú)云的天氣。無(wú)云的天氣意味著減少了大氣反射的干擾，能讓更多的電磁波順利到達(dá)地面并被傳感器接收，從而提高遙感數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。這是提高遙感工作效率和質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，必須予以重視。

太陽(yáng)輻射在抵達(dá)地面之前，必然要穿過(guò)大氣層。在這個(gè)過(guò)程中，大氣折射僅改變太陽(yáng)輻射的方向，并不影響其強(qiáng)度。然而，大氣反射、吸收和散射共同作用，會(huì)衰減輻射強(qiáng)度，剩余部分才是透射部分。

不同電磁波段在穿過(guò)大氣后，衰減程度存在顯著差異。這就導(dǎo)致遙感能夠使用的電磁波是有限的。不過(guò)，有些波段的電磁輻射在通過(guò)大氣后，衰減較小，透過(guò)率較高，對(duì)遙感十分有利，這些波段被稱為“大氣窗口”。

大氣窗口的存在對(duì)于遙感技術(shù)至關(guān)重要。研究和選擇有利的大氣窗口，能夠最大限度地接收有用信息，這也是遙感技術(shù)的重要課題之一。只有充分利用大氣窗口，才能讓遙感技術(shù)更精準(zhǔn)地獲取數(shù)據(jù)，為科研、監(jiān)測(cè)等工作提供有力支持。

在遙感技術(shù)領(lǐng)域，大氣窗口是至關(guān)重要的概念。不同波段的大氣窗口有著各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值。0.30-1.15μm大氣窗口，涵蓋了全部可見(jiàn)光波段、部分紫外波段和部分近紅外波段，這使其成為遙感技術(shù)應(yīng)用最主要的窗口之一。可見(jiàn)光波段能讓我們獲取豐富的地物色彩信息，就像為我們打開(kāi)了一扇看清地球表面多彩世界的窗戶；紫外和近紅外波段則能提供更多關(guān)于地物特性的額外信息，進(jìn)一步拓展了我們對(duì)地球的認(rèn)知。1.3-2.5μm大氣窗口屬于近紅外波段，在監(jiān)測(cè)植被生長(zhǎng)狀況、土壤濕度等方面具有重要作用。近紅外波段對(duì)植被的反射特性非常敏感，通過(guò)分析這個(gè)波段的遙感數(shù)據(jù)，我們可以了解植被的健康程度和生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。3.5-5.0μm大氣窗口處于中紅外波段，在監(jiān)測(cè)高溫物體、火災(zāi)等方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。中紅外波段能夠捕捉到高溫物體發(fā)出的熱輻射，幫助我們及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患并進(jìn)行監(jiān)測(cè)。8-14μm熱紅外窗口，透射率約為80%，屬于地物的發(fā)射波譜。它可以用于監(jiān)測(cè)地物的溫度變化，在城市熱島效應(yīng)研究、農(nóng)業(yè)作物病蟲害監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮著重要作用。1.0mm-1m微波窗口，具有穿透云霧、植被和一定深度土壤的能力，不受天氣和光照條件的影響。這使得它在全天候、全天時(shí)的遙感監(jiān)測(cè)中具有不可替代的作用，比如在海洋監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

研究和利用這些不同的大氣窗口，能夠讓我們最大限度地接收有用信息，從而推動(dòng)遙感技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的深入應(yīng)用。

在遙感領(lǐng)域，傳感器從高空探測(cè)地面物體時(shí)，接收到的電磁波能量來(lái)源復(fù)雜。其中，太陽(yáng)經(jīng)大氣衰減后照射地面，地物反射的能量在經(jīng)過(guò)大氣第二次衰減后進(jìn)入傳感器，這部分能量經(jīng)歷了兩次大氣的“篩選”，是傳感器接收能量的重要組成部分。

地面物體本身輻射的能量經(jīng)大氣后進(jìn)入傳感器，這體現(xiàn)了地面物體自身的特性，不同的地面物體輻射的能量不同，攜帶了豐富的地物信息。

此外，大氣散射和輻射的能量等也會(huì)進(jìn)入傳感器，這部分能量反映了大氣自身的狀態(tài)和特性。

對(duì)這些能量來(lái)源的分析，是輻射傳輸方程研究的重要基礎(chǔ)。通過(guò)了解傳感器接收到的各種能量的來(lái)源和構(gòu)成，我們能夠更好地理解電磁波輻射與大氣相互作用的過(guò)程，為遙感技術(shù)的應(yīng)用提供更準(zhǔn)確的理論支持。內(nèi)容提綱

概述

物體的發(fā)射輻射

地物的反射輻射

地物波譜特性的測(cè)定1.1概述?電磁波、機(jī)械波（聲波）、重力場(chǎng)、地磁場(chǎng)等都可以用作遙感，但一般而言，RS指的是電磁波遙感。?

遙感之所以能夠根據(jù)收集到的電磁波來(lái)判斷地物目標(biāo)和自然現(xiàn)象，是因?yàn)橐磺形矬w，由于其種類、特征和環(huán)境條件的不同，而具有完全不同的電磁波反射或發(fā)射輻射特征。1.1.1

電磁波?麥克斯韋電磁場(chǎng)理論?

電磁波是一種橫波幾個(gè)重要性質(zhì)?

單色波可以用波函數(shù)來(lái)描述，是一個(gè)時(shí)空周期性函數(shù)，振幅、相位、波長(zhǎng)

一般成像：記錄振幅

全息成像：記錄振幅和相位?干涉?

衍射?

偏振干涉?凡是單色波都是相干波。?

微波遙感中的雷達(dá)也是應(yīng)用了干涉原理成像的,其影像上會(huì)出現(xiàn)顆粒狀或斑點(diǎn)狀的特征，這是一般非相干的可見(jiàn)光影像所沒(méi)有的，對(duì)微波遙感的判讀意義重大。?

INSAR利用干涉原理成像。衍射?

光通過(guò)有限大小的障礙物時(shí)偏離直線路徑的現(xiàn)象稱為光的衍射。?

研究電磁波的衍射現(xiàn)象對(duì)設(shè)計(jì)遙感傳感器和提高遙感圖像的幾何分辨率具有重要意義。偏振?

橫波在垂直于波的傳播方向上，其振動(dòng)矢量偏于某些方向的現(xiàn)象。?

偏振在微波技術(shù)中稱為“極化”

，一般有四種極化方式。?

遙感技術(shù)中的偏振攝影和雷達(dá)成像就利用了電磁波的偏振這一特性。1.1.2

電磁波波譜?

遙感信息獲取，一般指收集、探測(cè)、記錄地物的電磁波特征，即地物的發(fā)射、輻射或反射電磁波特性。由于電磁波傳播的是能量，實(shí)際上也是記錄輻射能量的過(guò)程。?電磁波具有不同的頻率和波長(zhǎng)，因而具有不同的特性。Gamma可見(jiàn)光

紅外線

微

波

無(wú)線波頻率波長(zhǎng)藍(lán)

綠

黃

紅X射線

紫外線Y

射線紫名稱波長(zhǎng)范圍紫外線0.001—0.4μm紫

0.38—0.43μm可見(jiàn)光0.4—0.7μm藍(lán)

0.43—0.47μm紅外線近紅外0.76—3.0μm青

0.47—0.50μm中紅外3—6μm綠

0.50—0.56μm遠(yuǎn)紅外6—15μm黃

0.56—0.60μm超遠(yuǎn)紅外15—1000μm橙

0.60—0.63μm微波毫米波1—10mm紅

0.63—0.76μm厘米波1—10cm分米波10cm—1m遙感應(yīng)用的光譜范圍遙感應(yīng)用的光譜范圍?

電磁波譜的范圍非常寬，從波長(zhǎng)最短的

γ射線到最長(zhǎng)的無(wú)線電波，波長(zhǎng)之比高達(dá)10的22次方?遙感采用的電磁波段可以從紫外線一直到微波波段?遙感就是根據(jù)感興趣的地物的波譜特性，選擇相應(yīng)的電磁波段，通過(guò)傳感器探測(cè)不同的電磁波譜的發(fā)射或反射能量而成像的。1.2物體的發(fā)射輻射

黑體輻射

太陽(yáng)輻射

大氣對(duì)輻射的影響

一般物體的發(fā)射輻射1.2.1

黑體輻射?

1860年基爾霍夫：好的吸收體也是好的輻射體?絕對(duì)黑體——任何波長(zhǎng)的電磁輻射全部吸收?一個(gè)不透明的物體，對(duì)入射到它上面的電磁波只有光譜吸收率

α

(λ,T)和光譜反射率

ρ

(

λ,T)，二者之和恒等于1。?

絕對(duì)黑體：

α

(λ,T)=1，

ρ

(

λ,T)=0?

絕對(duì)白體：

α

(

λ,T)=0，

ρ

(λ,T)=1普朗克定律?

1900年普朗克用量子理論推導(dǎo)出普朗克定律?黑體輻射通量密度與溫度、波長(zhǎng)的關(guān)系滿足普朗克定律：W(λ)——

分譜輻射通量密度，單位W／（cm2·μm）；λ——波長(zhǎng)，單位是μm；h——

普朗克常數(shù)(6.6256×10-34J·s)；c——

光速(3×1010cm/s)；k——玻耳茲曼常數(shù)(1.38×10-23J／K)；T——

絕對(duì)溫度，單位是K。?

與曲線下的面積成正比的總輻射通量密度W是隨溫度T的增加而迅速增加?？傒椛渫棵芏萕可在從零到無(wú)窮大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。?

對(duì)普朗克公式進(jìn)行積分，可得到從1cm2面積的黑體輻射到半球空間里的總輻射通量密度的表達(dá)式為：

σ為斯忒藩——玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)黑體的絕對(duì)溫度（

K）。從上式可以看出：絕對(duì)黑體表面上，單位面積發(fā)出的總輻射能與絕對(duì)溫度的四次方成正比，稱為斯忒藩－玻耳茲曼公式。對(duì)于一般物體來(lái)講，傳感器檢測(cè)到它的輻射能后就可以用此公式概略推算出物體的總輻射能量或絕對(duì)溫度（T）。熱紅外遙感就是利用這一原理探測(cè)和識(shí)別目標(biāo)物的。黑體輻射特性（

1）稱維恩位移定律。它表明：黑體的絕對(duì)溫度增高時(shí)，它的最大輻射本領(lǐng)向短波方向位移。若知道了某物體溫度，就可以推算出它所輻射的波段。在遙感技術(shù)上，常用這種方法選擇遙感器和確定對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行熱紅外遙感的最佳波段。?

分譜輻射能量密度的峰值波長(zhǎng)隨溫度的增加向短波方向移動(dòng)?？晌⒎制绽士斯?，并求極值。黑體輻射特性（

2）?每根曲線彼此不相交，故溫度T越高所有波長(zhǎng)上的波譜輻射通量密度也越大。?在波長(zhǎng)大于1mm的微波波段，

hv<<kT,近似得出：?在微波波段，黑體的微波輻射亮度與溫度的一次方成正比。黑體輻射特性（

3）1.2.2

太陽(yáng)輻射?太陽(yáng)是被動(dòng)遙感最主要的輻射源，遙感傳感器從空中或空間接收地物反射的電磁波。?地球系統(tǒng)的能量絕大多數(shù)（>99％

）來(lái)源于太陽(yáng)?太陽(yáng)輻射:–

5%

紫外線–45%可見(jiàn)光–50%

紅外線輻射源?

自然輻射源：–太陽(yáng)輻射：是可見(jiàn)光和近紅外的主要輻射源；–常用5900K的黑體輻射來(lái)模擬。–大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、反射和散射。–

地球的電磁輻射：近似300K的黑體輻射。小于3

μm的

波長(zhǎng)主要是太陽(yáng)輻射的能量；大于6

μm的波長(zhǎng)主要是

地物本身的熱輻射；3-6

μm之間，太陽(yáng)和地球的熱輻

射都要考慮。?

人工輻射源：–

微波輻射源：0.8-30cm–

激光輻射源：激光雷達(dá)(測(cè)定衛(wèi)星的位置、高度、速度、測(cè)量地形等)。?太陽(yáng)常數(shù)：指不受大氣影響，在距離太陽(yáng)一個(gè)天文單位內(nèi)，垂直于太陽(yáng)光輻射的方向上，單位面積單位時(shí)間黑體所接收的太陽(yáng)輻射能量：

I⊙=135.3

mW/m2?太陽(yáng)輻射的光譜是連續(xù)的，它的輻射特性與絕對(duì)黑體的輻射特性基本一致。?被動(dòng)遙感主要利用可見(jiàn)光、紅外等穩(wěn)定輻射，因而太陽(yáng)的活動(dòng)對(duì)遙感的影響沒(méi)有太大影響可以忽略。太陽(yáng)輻射照度分布曲線太陽(yáng)輻射的特點(diǎn)?

太陽(yáng)光譜是連續(xù)的。?輻射特性與黑體基本一致。?紫外到中紅外波段區(qū)間能量集中、穩(wěn)定。?主要利用可見(jiàn)光、紅外波段等穩(wěn)定輻射。?海平面處的太陽(yáng)輻射照度分布曲線與大氣層外的曲線有很大不同，這主要是地球大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和散射造成的。1.2.3

大氣對(duì)輻射的影響(1)大氣的垂直分布(2)大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收?

在紫外、紅外與微波區(qū)，電磁波衰減的主要原因是大氣吸收?

主要成分：氧氣、臭氧、水、二氧化碳?

大氣吸收的影響主要是造成遙感影像暗淡。?

大氣對(duì)紫外線有很強(qiáng)的吸收作用，因此，現(xiàn)階段中很少使用紫外線波段。(2)大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射?在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)，大氣分子吸收的影響很小，主要是散射引起的衰減。?太陽(yáng)輻照到地面又反射到傳感器的過(guò)程中，二次通過(guò)大氣，傳感器所接收到的能量除了反射光還增加了散射光。這二次影響增加了信號(hào)中的噪聲部分，造成遙感影像質(zhì)量的下降。?散射的方式隨電磁波波長(zhǎng)與大氣分子直徑、氣溶膠微粒大小之間的相對(duì)關(guān)系而變,

主要有米氏(Mie)散射、均勻散射、瑞利（

Ray

leigh）散射等。氣溶膠?

氣溶膠粒子是指懸浮在大氣中的直徑千分之一微米到一百微米的固體、液體位子。?

大氣中的氣溶膠粒子的自然來(lái)源主要是海洋、土壤和生物園以及火山等。?氣溶膠大多集中在底層大氣0-4km范圍內(nèi)。?

由于地球重力作用，氣溶膠顆粒密度隨高度呈指數(shù)衰減，氣溶膠顆粒尺度與可見(jiàn)光波長(zhǎng)相當(dāng)，故它對(duì)光的散射作用屬于米氏散射。氣溶膠圖散射類型?

介質(zhì)中不均勻顆粒的直徑a與入射波長(zhǎng)λ

同數(shù)量級(jí)時(shí)，發(fā)生米氏散射?

介質(zhì)中不均勻顆粒的直徑a>>入射波長(zhǎng)λ

時(shí)，發(fā)生均勻散射?

介質(zhì)中不均勻顆粒的直徑a小于入射波長(zhǎng)λ的十分之一時(shí)，發(fā)生瑞利散射散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系I

∞

E

'2

∞

sin

2

θ

s

λ4藍(lán)光散射較強(qiáng)紅光散射較弱?由于大氣中有云層，當(dāng)電磁波到達(dá)云層時(shí)，就象到達(dá)其他物體界面一樣，不可避免的要產(chǎn)生反射現(xiàn)象，這種反

射同樣滿足反射定律。?

各波段受到不同程度的影響，削弱了電磁波到達(dá)地面

的程度。因此應(yīng)盡量選擇無(wú)

云的天氣接收遙感信號(hào)。四川省江油市(2)大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的反射(3)大氣窗口?

太陽(yáng)輻射在到達(dá)地面之前穿過(guò)大氣層，大氣折射只是改變太陽(yáng)輻射的方向，并不改變輻射的強(qiáng)度。但是大氣反射、吸收和散射的共同影響卻衰減了輻射強(qiáng)度，剩余部分才為透射部分。?

不同電磁波段通過(guò)大氣后衰減的程度是不一樣的，因?反之，有些波段的電磁輻射通過(guò)大氣后衰減較小，透過(guò)率較高，對(duì)遙感十分有利，這些波段通常稱為“

大氣窗口”。?研究和選擇有利的大氣窗口、最大限度地接收有用信息是遙感技術(shù)的重要課題之一。而遙感所能夠使用的電磁波是有限的。有些大氣中電磁波透過(guò)率很小，甚至完全無(wú)法透過(guò)電磁波。這些區(qū)域就難于或不能被遙感所使用，稱為“

大氣屏障”；?0.30

~

1.15

μm大氣窗口：這個(gè)窗口包括全部可見(jiàn)光波段、部分紫外波段和部分近紅外波段，是遙感技術(shù)應(yīng)用最主要的窗口之一。?1.3~2.5

μm大氣窗口：屬于近紅外波段。?3.5~5.0

μm大氣窗口：屬于中紅外波段。?8~14

μm熱紅外窗口：熱紅外窗口，透射率為80%左右，屬于地物的發(fā)射波譜。?1.0mm~1m微波窗口。可以用作遙感的大氣窗口?傳感器從高空探測(cè)地面物體時(shí)，所接收到的電磁波能量包括：–

太陽(yáng)經(jīng)大氣衰減后照射地面，經(jīng)地物反射后，又經(jīng)大氣第二次衰減進(jìn)入傳感器的能量–

地面物體本身輻射的能量經(jīng)大氣后進(jìn)入傳感器–

大氣散射和輻射的能量等(4)輻射傳輸方程(4)輻射傳輸方程?電磁波輻射與大氣相互作用的復(fù)雜性，從遙感應(yīng)用角度需要簡(jiǎn)化?

假設(shè)1：

忽略大氣折射、湍流和偏振?

假設(shè)2：天空為均勻朗伯體，各向同性輻射；地表為均質(zhì)朗伯體，各向同性反射。(4)輻射傳輸方程傳感器入瞳輻射亮度地面輻射亮度向上大氣光譜輻射亮度Lsλ

=

Lgλ

exp(-δλsecθV

)+

Ldλ

↑=

{(pgλ

p

)[E0(λ)cosθ2

exp(-δλsecθ2)+

Edλ

↓

]}exp(-δλsecθV

)+

Ldλ↑地表反射率

大氣層外太陽(yáng)輻射照度

太陽(yáng)天頂角大氣透過(guò)率

大氣向地面散射輻射照度光學(xué)厚度（介質(zhì)厚度和折射率的乘積

）=

Lgλt

λ

+

Ldλ

↑傳感器觀測(cè)角1.2.4一般物體的發(fā)射輻射?

自然界中實(shí)際物體的發(fā)射和吸收的輻射量都比相同條件下絕對(duì)黑體的要低。?不僅依賴于波長(zhǎng)和溫度，還與構(gòu)成物體的材料、表面狀況等因素有關(guān)。?

我們用發(fā)射率

ε來(lái)表示它們之間的關(guān)系：

ε=

W′/

W。發(fā)射率

ε就是實(shí)際物體與同溫度的黑體在相同條件下輻射功率之比。發(fā)射率?按照發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，把地物分為：–

黑體或絕對(duì)黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)。–

灰體：發(fā)射率小于1，常數(shù)。–

選擇性輻射體：反射率小于1，且隨波長(zhǎng)而變化。–

理想反射體：反射率等于0。?影響地物發(fā)射率的因素：地物的性質(zhì)、表面狀況、溫度（

比熱、熱慣量）：比熱大、熱慣量大，以及具有保溫作用的地物一般發(fā)射率大，反之發(fā)射率就小。主要地物發(fā)射率?實(shí)際測(cè)定物體的光譜輻射通量密度曲線并不像描繪的黑體光譜輻射通量密度曲線那么光滑?常常用一個(gè)最接近灰體輻射曲線的黑體輻射曲線作為參照，這時(shí)的黑體輻射溫度稱為等效黑體輻射溫度（或稱等效輻射溫度）W

,=εW

=εσT

4

T等效

T

,等效黑體溫度基爾霍夫定律?

在任一給定溫度下，輻射通量密度與吸收率之比對(duì)任何材料都是一個(gè)常數(shù)，并等于該溫度下黑體的輻射通量密度。

a

任何材料的發(fā)射率等于其吸收率基爾霍夫定律?

根據(jù)能量守恒定理，入射在地表面的輻射功率等于吸收功率、透射功率和反射功率三個(gè)分量之和。E

=E

+E+Ea

t

Pa

+

t

+

P

=1?

對(duì)于不透射電磁波的物體a

=ε

=1

-

Pt

=

01.3地物的反射輻射

地物的反射類別

光譜反射率以及地物的反射光譜特性

影響地物光譜反射率變化的因素1.3.1地物的反射類型?

鏡面反射：是指物體的反射滿足反射定律。

當(dāng)發(fā)生鏡面反射時(shí)，對(duì)于不透明物體，其反射能量等于入射能量減去物體吸收的能量。

自然界中真正的鏡面很少，非常平靜的水面可以近似認(rèn)為是鏡面。?

漫反射：如果入射電磁波波長(zhǎng)λ不變，表面粗糙度h逐漸增加，直到h與

λ

同數(shù)量級(jí)，這時(shí)整個(gè)表面均勻反射入射電磁波，入射到此表面的電磁輻射按照朗伯余弦定律反射。?

方向反射：

實(shí)際地物表面由于地形起伏，在某個(gè)方向上反射最強(qiáng)烈，這種現(xiàn)象稱為方向反射。是鏡面反射和漫反射的結(jié)合。它發(fā)生在地物粗糙度繼續(xù)增大的情況下，這種反射沒(méi)有規(guī)律可尋。?從空間對(duì)地面觀察時(shí)，對(duì)于平面地區(qū)，并且地面物體均勻分布，可以看成漫反射；對(duì)于地形起伏和地面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地區(qū)，為方向反射。1.3.2光譜反射率以及地物反射光譜特性?

光譜反射率–反射率是物體的反射輻射通量與入射輻射通量之比，這個(gè)反射率是在理想漫反射體的情況下，整個(gè)電磁波長(zhǎng)的反射率。P

=

EP

/E?

實(shí)際上由于物體固有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于不同波長(zhǎng)的電磁波有選擇的反射，例如綠色植物的葉子由于表皮、葉綠素顆粒組成的柵欄組織和多孔薄壁細(xì)胞組織構(gòu)成，入射到葉子上的太陽(yáng)輻射透過(guò)上表皮，藍(lán)、紅光輻射能被葉綠素吸收進(jìn)行光合作用；綠光也吸收了一大部分，但仍反射一部分，所以葉子呈現(xiàn)綠色；而近紅外線可以穿透葉綠素，被多孔薄壁細(xì)胞組織所反射。

因此，在近紅外波段上形成強(qiáng)反射。P

λ

=

EPλ

/E反射波譜?

反射波譜是某物體的反射率（或反射輻射能）隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律，以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，反射率為縱坐標(biāo)所得的曲線即稱為該物體的反射波譜特性曲線。?

物體的反射波譜限于紫外、可見(jiàn)光和近紅外，尤其是后兩個(gè)波段。?

正因?yàn)椴煌匚镌诓煌ǘ斡胁煌姆瓷渎蔬@一特性，物體的反射特性曲線才作為判讀和分類的物理基礎(chǔ)，廣泛地應(yīng)用于遙感影像的分析和評(píng)價(jià)中。反射波譜特性曲線InfraredB&W:can

clearly

seedeciduousbecausehigherreflectanceinthose

wavelengthsPanchromatic

B&W:Can,t

telldeciduous

（落葉林）fromconifer（針葉林）不同植被光譜反射特性反射波譜特性曲線?同一地物的反射波譜特性–

時(shí)間效應(yīng)