第一章 电磁波及遥感物理基础
一、电磁波与电磁波谱 二、物体的电磁波特性 三、地物波谱特性的测定
教学ppt
1
一、电磁波与电磁波谱
电磁波的来源
电磁辐射产生于各种形式的能量 （机械能、化学能、热能、电能、磁能、核能）
凡是温度高于绝对零度（-273.16摄氏度)的物体都发射电磁波， 波长由物质内部状态的变化决定
0
黑体是一种理想的模型， 在自然界里则很难找到。
自然界里有些物质的性质 接近黑体，如黑色的烟煤、恒 星和太阳等。
教学ppt
6
黑体辐射定律
（1）普朗克定律：
W
2hc2 5
1
ch
ekT 1
其中：h为普朗克恒量 6.6 31 034J.s
K为波耳兹曼常数 1.3 81023J/K
普朗克定律表明：黑体的单色辐射度是温度和波长的函数。
➢大气上层臭氧的存在，对小于 0.3m的电磁波具
有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐射
中，很少存在波长小于 0.3m 的短波辐射。
➢对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量的 气体，其中作用最为显著的有臭氧、二氧化碳、甲 烷和水汽。
教学ppt
19
大气在0~15 m波长的吸收
教学ppt
20
• 散射作用 —主要是气体分子和气溶胶的散射
是气态分子的散射
当气体分子的尺度远小于光波的波长时会 发生Rayleigh散射。
Rayleigh散射属于小颗粒散射。
散射光强度与波长的4次方成反比，由此可 以解释天空为什么呈蓝色。
教学ppt
22
Mie 散射
云滴、气溶胶的散射。
当颗粒的直径与入射光的波长相当时，往往发生Mie散射。
Mie散射是强烈的前向散射。
物体的反射辐射
➢ 地物的反射波谱 ——可见光和近红外遥感的理论基础
物体的微波后向散射辐射
➢ 地物的后向散射波谱 ——微波遥感的理论基础
教学ppt
4
物体的发射辐射
1、黑体辐射 2、实际地物的发射辐射
教学ppt
5
黑体辐射
黑体是一种理想的辐射体。 能够完全吸收任何波长入 射能量的物体，称为黑体。
1
15
大气层对太阳辐射的作用
✓大气层次结构与成分
✓大气层对太阳辐射的作用
射作用
教学ppt
16
✓大气层次结构与成分
大气物理状况的物理量一般有气压、大气温度和大气 湿度。它们在垂直方向上的变化远远大于水平方向上的 梯度，所以在研究大气效应问题时可以假定大气具有水 平均一、垂直的分层结构。
外大气层（1000KM以外的大气层）， 大气厚度一般认为约1000KM。
教学ppt
17
大气成分
大气是由多种气 体及气溶胶所组成 的混合物
大气的气体成份可 分为常定成份和可 变成份两部分
教学ppt
18
✓大气层对太阳辐射的作用
• 吸收作用 ——主要是气态分子的吸收。可使电磁辐射的能量衰减。
➢大气中含量最高的氮气对电磁波的作用都在紫外光 以外的范围。
大气中云、粒子的散射。
当颗粒的直径远大于入射波的波长时， 会发生无选择性 散射。由此可解释雾为什 么呈现白色。
散射强度与波长无关。
教学ppt
24
大气散射的特点；
（4）瑞利-琴斯定律：当波长大于1mm时，普朗克定律 可以近似为：
L 2kT 2
1
黑体的微波辐射亮度 与温度的一次方成正比。
（5）维恩位移定律：
maxT b
m a x 为分谱辐射通量密度曲线的峰值所对应波长；
b为常数2898m.k 。
教学ppt
10
实际地物的发射辐射
发射率 太阳辐射与大气窗口 地球辐射 地物的辐射波谱特性
对流层：（0~12KM）温度、密度、气压随高度的增加而降低，空气明 显垂直对流，上界随季节和温度而变化。
平流层：（12~80KM），空气密度继续随高度增加而降低，几乎没有对 流和天气现象。其中25~30KM处，臭氧含量较大，为臭氧层。
电离层：（80~1000KM），空气稀薄，分子被太阳辐射作用而电离成离 子和自由电子状态。该层对无线电波可全反射。
➢ 散射是由于电磁辐射与物质相互作用导致部 分能量再辐射到其他 方向而引起的，散射使入射波束的能量有所衰减。
➢ 与吸收作用不同的是，散射并未引起能量的损失，而只是导致能量 在其他方向上重新分配。
➢ 三种散射：
• Rayleigh 散射
• Mie 散射
• Nonselective 散射
教学ppt
21
Rayleigh散射
属于大颗粒散射。大颗粒散射的特征：
• 电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒内部。
• 由于颗粒的尺寸与波长相当，所以颗粒的不同部位往往处在不 同的电场强度下，导致诱发电流的产生，一方面这种高度电流会 产生高变的磁场，另一方面电流的存在意味着焦耳热损耗的出
现——电磁波的吸收。
教学ppt
23
Nonselective 散射
电磁波的特性
电磁波是横波 电磁波具有波粒二象性
教学ppt
2
电磁波谱
把各种电磁波（包括无线电波、微波、红外波、可见光、紫外线、x射 线、伽玛射线等）按照波长或频率的大小依次排列，就形成了电磁波谱。
遥感中所用的电磁波段：微波、红外波、可见光
教学ppt
3
物体的电磁波特性
物体的发射辐射
➢ 地物的辐射波谱 ——热红外遥感的理论基础
教学ppt
7
黑体的辐射度曲线
教学ppt
8
（2）斯忒藩-波耳兹曼定律：
对普朗克公式积分得
W02h52cec/hk1 T1dT4
-斯忒藩-波耳兹曼常数：5.6 7 11 0(2 W /c2 m .k4) （3）基尔霍夫定律：好的吸收体一定是好的辐射体。
W(,T) a(,T)
Wb(,T)
教学ppt
9
教学ppt
11
（1）发射率
(,T) M(,T) Mb(,T)
(,T) 为无量纲纯数
根据发射率可将实际地 物分为三类：
（1）黑体 (,T)1 （2）灰体 (,T)01
（3）选择性辐射体 发射率随波长 变化而
变化。
教学ppt
12
（2）太阳辐射与大气窗口
太阳辐射 大气层对太阳辐射的作用 大气窗口 大气透射的定量分析
教学ppt
13
太阳辐射
➢被动遥感最主要的辐射源
➢太阳辐射接近6000K的黑体辐射，能量集中在0.3~2.5 微米的波段之间。
➢太阳常数：不受大气影响， 距太阳一个天文单位，垂 直太阳光入射方向上，单位时间单位面积黑体所接受的
太阳辐射能量。I☉ 13.35 mW /m2
➢太阳光谱
教学ppt
14
教学ppt