第二章 遥感物理基础

散射的类型
dp << l dp =l Rayleigh scattering Sr 瑞利散射 Mie scattering Sm 米氏散射
Non-selective scattering Sn dp >> l 非选择性散射
1 瑞利（Rayleigh） 散射
质点的直径 d << λ(电磁波波长)时，一般认为
电磁波的传输满足：
v c

1 ， 1
其中，ε为物质的介电常数，μ为物质的磁导率。
E=h*f
其中h为普朗克常数
2.1.1.2 电磁波的性质
1） 不需要传播介质 2） 横波：质点振动方向与波的传播方向垂直 3） 波动性：电磁波传播到气体、液体、固体介质时，会 发生反射、折射、吸收、透射等现象 4） 粒子性：传播过程中，若碰到会发生散射现象， 从而引起电磁波的强度、方向等发生改变。 5） 叠加原理（干涉Interference和衍射Diffraction）： 两列以上的波在同一空间传播时，空间质点的振动表 现为各单列波质点振动的矢量合成。 6） 偏振(Polarization)（遥感器的几何图象分辨率，波 长越长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）
透射率（τλ） ：入射光透过物体的能量与入射总能 量之比。 举例：
1）水体在蓝绿波段，混水1-2米，一般水体10-20米。
2）微波对地物具有明显的透射能力，由入射波的波长 决定。
3 地物的反射光谱

反射率：物体反射的辐射能量占总入射能 量的百分比 地物反射光谱曲线：是指地物的反射率随 波长的变化而变化的曲线图。通常用平面 坐标曲线表示，横坐标表示波长λ，纵坐 标表示反射率ρ。
当质点直径大于电磁波波长时（d >λ）, 散射率

X
10-6m 1nm 0.38m 0.76m 3m 6m 15m 1mm 1m
紫可近中远超微无
射射 外 见 红 红 红 远 波线
线线 线 光 外 外 外 红
电
外
波
1mm=1000 m；1m=1000nm
电磁波谱的划分
紫外波段 可见光波段
紫色光 蓝色光 青色光 绿色光 黄色光 橙 色光 红色光 近红外（摄影红外）波段 近红外（反射红外）波段 中红外波段（热红外）
❖ 灰体：0< α <1，α不随波长而变 化。
❖ 选择性辐射体： 0< α <1，α随 波长而变化。
概念——辐射度量
❖ 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,Φ=dW/dt，单位W。辐射通量是波长 的函数，总辐射通量是各谱段辐射通量之和或 辐射通量的积分值。 ❖ 辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面 积的辐射能量，E=dΦ/dS，单位W/M2，S为面 积。
普朗克公式表示出了黑体辐射通量密度与温 度的关系及按波长分布的情况。反映黑体 辐射的三个特性：
E0
6000K 3000K
❖ 辐射通量密度随波长连续变化，温度一定 时，辐射通量密度随波长变化的曲线只有 一个最大值
1000K 200K
❖ 温度越高，辐射通量密度也越大，不同温
度下的曲线不相交。
❖ 随着温度的升高，辐射最大值所对应的波 长向短波方向移动。
由上式可见（在遥感技术上的意义）： ❖ 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，对于一般物体, 可用上式概略推算出总辐射能与绝对温度的 关系。 ❖ 黑体总辐射通量密度与温度的四次方成正比， 因而随温度的增加迅速增大——红外测温的 理论依据。

☆ 辐射亮度（L）：面辐射源在单位时间内通过垂直面元法线方向上单位面、 单位立体角的辐射能。
四、黑体辐射
绝对黑体(简称黑体）：对于任何波长
的电磁辐射都全部吸收的物体。
绝对黑体的特性：
α（λ，T）≡1 ; ρ（λ，T）≡ 0
任何物体： α（λ，T）+ ρ（λ，T） ≡ 1 绝对白体： α（λ，T）≡0 ρ（λ，T）≡ 1
得到：
= 1- ρ
根据能量守恒定律，入射到地表的辐射功率E等于 吸收功率E吸、透射功率E透、反射功率E反三个分量 之和。即：
E=E吸+ E透+ E反 由上式得到：
1=α+τ+ρ
式中α—吸收率，τ—透射率，ρ—反射率 对于不透射电磁波的物体：
1=α+ρ
即有：α= 1- ρ
由第一节的基尔霍夫定律推导得到：

由于有：1=α+ρ
尘埃
吸收量很小
Absorption of EM energy by the atmosphere
大气的散射作用
散射：辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播 方向改变，并向各个方向散开的物理现象，称 为散射。 散射作用：大气中的粒子与细小微粒如烟、尘 埃、雾霭、小水滴及气溶胶等对大气具有散射 作用。散射的作用使在原传播方向上的辐射强 度减弱，增加了向其他各个方向的辐射。 散射作用的结果是降低了遥感数据的质量、使 影像模糊，从而影响判读。

电磁波是横波 在真空中以光速传播 满足方程：f λ=c , E=h f 电磁波具有波粒二象性 波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的， 因此具有波动性。 粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐 射的实质是光子微粒的有规律的运动。电磁波的 粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性。

折射现象：电磁波传过大气层时出现传播方向的改变，大气密度越大，折射率越大。
01
反射现象：电磁波在传播过程中，通过两种介质的交界面时会出现反射现象，反射现象出要出现在云顶（云造成的噪声）。
02
大气窗口
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。
由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得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。
了解地球辐射的分段特性的意义
可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特性。 中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射的信息，也有地球自身的热辐射的信息。 热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐射特性。
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地物波谱的特性 地物波谱
01
03
02
STEP3
STEP2
STEP1
可见光和近红外波段：主要表现地物反射作用和地物的吸收作用。（树叶苍翠欲滴、水下温度）
热红外波段：主要表现地物热辐射作用。（热红外灵敏遥感器夜间成像河流为亮色条带，但热红外白天成像河流为暗色条带）
微波波段：主动遥感利用地物后向散射；被动遥感利用地物微波辐射。
不同电磁波段中地物波谱特性
地物反射
可见光和近红外波段地物波谱特征——地物反射波谱特征
太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即： 到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量。 一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0. 45~0. 56μm的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达10～20 m，清澈水体可达100 m的深度。 地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。