遥感原理第二章 遥感物理基础

这是一篇关于遥感原理第二章 遥感物理基础的思维导图，包含电磁波谱与电磁辐射、光与色觉、物体发射辐射特性、大气对太阳辐射的影响等。

遥感原理第二章 遥感物理基础

1.电磁波谱与电磁辐射

电磁波

波的概念：波是振动在空间的传播。

RS指的是电磁波遥感

电磁波是一种横波

不需要媒质也能传播

在以光速传播

波粒二象性——波长越短粒子特征明显反之，亦然

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。

电磁波谱

按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。

依次为：γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。

电磁辐射的度量

辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J。

辐射通量（Φ ）：单位时间内通过某一面积的辐射能量,单位: W 。

辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量，单位： W/ m2

辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，单位：W/m2

辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，单位：W/m2 。

太阳常数 1367±7 W/m2

辐射亮度（L）：辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量，单位W/(sr• m2 )

光与色觉

消色物体：对各波段的吸收或反射没有差异的物体。

彩色物体 彩色物体对入射的白光有分解能力，呈选择性吸收和反射。这时的反射光与入射光相比，不仅在强度上减弱，而且光谱成分也改变了，即反射光变成了与入射光各波段辐射强度比例不同的色光，结果使物体呈现出色彩。

彩色的特性

色别

也叫色调，指彩色的类别．是彩色彼此相互区分的特性。

物体的色调则取决于光源的光谱组成及其强度，物体表面所反射或透射的各波长辐射的比例及其主波长对人眼所产生的感觉。

饱和度

饱和度是指彩色的纯洁性，它表示一种彩色的浓谈程度

一般来讲，色彩越鲜艳，饱和度越大；反之，饱和度低。可见光谱中各种光谱色是最饱和的彩色。饱和度的变化是随光谱色中混入白光的比例多少而定的，光谱色中掺入的白光越多，就愈不饱和

明度

明度是指颜色的明暗程度，它决定于发光体的辐射强度或物体表面对光反射率的高低。反射率愈高，它的明度就愈高。

非彩色只有明度的差别，没有色调和饱和度这两种特征

颜色合成的基本原理

三基色的选择条件是三个基色中的任何一个不能由其余两个相加混合出来；用它们合成颜色方法简单、稳定，合成的颜色较多。 红色（R）——0.7um 绿色（G）——0.5461um 蓝色（B）——0.4358um

物体发射辐射特性

黑体辐射

绝对黑体

物体在任何温度下对任何波长的电磁辐射全部吸收（即吸收系数恒等于1)。

黑体辐射规律--普朗克公式

物体辐射是波长和温度的连续函数

黑体辐射规律--斯忒藩—波尔兹曼定律

物体温度愈高，其辐射能力愈强。

黑体辐射规律--维恩位移定律

黑体的温度越高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。其辐射最强部分的波长(max) 就越短.

推论

物体的温度愈高，辐射能量最大值的波长愈短，随着物体温度不断增高，最大辐射波长由长向短位移。

太阳辐射是短波辐射，人、地面和大气辐射是长波辐射。

辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。

温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。

随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移。

实际物体的发射辐射

太阳辐射

太阳光谱与5777K的黑体辐射最为接近（6000K）

太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38 ～ 0.76 µm的可见光能量占太阳辐射总能量的46%，最大辐射强度位于波长0.47 µm左右；

到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 ～ 3.0 µm波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；

各波段的衰减是不均衡的。

经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；

地球辐射

地球辐射相当于接近300K的黑体辐射

人工辐射源

大气对太阳辐射的影响

大气作用

大气的层次与成分

对流层：7～12 km,温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。

平流层：12～50 km，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。

电离层：50～1 000 km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。

大气外层：800～35000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。

大气成分

气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3常定成分（ N2，O2 ，CO2）、可变成分（水汽，气溶胶）

大气吸收

氧气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内（ <0.2um ）。

臭氧对小于0.3um的电磁波具有极强的吸收能力（ <0.3um）

二氧化碳：2.8，4.3，14.5um强吸收带

水汽：主要集中在红外和微波波段

大气散射

散射的概念：电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来的传播方向的一种现象。

不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。

大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。

对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。

散射主要发生在可见光区。

瑞利散射(分子散射) ：d <<λ

瑞利散射：由于气体分子的尺度远小于光波的波长时发生的散射，属小颗粒散射。

瑞利散射的典型特征：散射光强度与波长4次方成反比。

米氏散射（气溶胶散射）：d ≈λ

米氏散射：大气中的气溶胶颗粒，云滴，雨云滴等的直径与入射光的波长可以比拟或大于入射光的波长时发生的散射。

米氏散射的特征

电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒的内部

主要由空气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等。

米氏散射比瑞利散射对波长较长的电磁波影响更大。

为什么天空是蓝色的

太阳光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成的。这七种颜色的光波长是不一样的。大气中的尘埃以及其他微粒散射蓝光的能力大于散射其他波长较长的光子的能力。

可见光的波长范围是380nm（蓝紫光）到760nm（红光），红光端波长是蓝紫光波长的1.75倍，因此蓝紫光散射强度接近红光散射强度的10倍，又因为人眼对紫光不太敏感，所我们看到的天空就是蓝色的。

为什么朝霞和晚霞是红色的

大气散射的特点

群体散射强度是个体散射强度的线性和。

大气散射系数与高度的关系

大气散射系数由分子散射和气溶胶散射两部分组成。

气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减。

就平均状况而言，4km以下的气溶胶米氏散射占优势，4km以上的分子散射占相对优势

大气窗口

概念：太阳辐射经过大气传输时，反射，吸收和散射共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。

太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。

电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的，透射率较高的波段称为大气窗口。（对地遥感要用的部分）

大气透射的定量分析

在可见光和近红外波段，太阳辐射30％被云或其它粒子反射，22％被散射，17％被吸收，到达地面能量31％。

物体的反射辐射特性

反射率

到达地面太阳辐射与地表的相互作用P0 反射Pρ 吸收Pa 透射Pt P0= Pρ+Pa+Pt

反射率 ρ= Pρ/ P0×100%

反射波谱

微波的散射特性