遥感知识集锦--电磁辐射与地球的光谱特征

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遥感知识集锦--电磁辐射与地球的光谱特征

1. 电磁波谱与电磁辐射
（1）基本概念
1）波：振动的传播。如：水波、声波、地震波等。
2）机械波：振动的是弹性介质中的位移矢量。
3）电磁波：电磁振源产生的电磁振荡在空间中的传播。
4）电磁波的特点
   ①不需要传播介质
   ②电磁波是横波，在真空中以光速传播
   ③满足波粒二象性
   ④波长与频率成反比，且两者之积为光速：f×λ=c。
   ⑤传播遇到气体、固体、液体介质时，会发生反射、投射、折射、吸收等现象。
5）电磁波谱：按照电磁波波长的长短，依次排列成的图表称为电磁波谱。
（2）电磁辐射的量度
1）辐射源：任何物体都是辐射源，既能吸收其它物体的辐射，也能向外辐射电磁波。
2）辐射能量：电磁辐射的能量，单位：J（焦耳）。
3）辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能量，单位：W。
4）辐射通量密度：单位时间内通过表面单位面积上的辐射通量。
5）辐照度：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量。
6）辐射出射度：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量。
7）辐射亮度：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。
8）黑体辐射定律
   ①普朗克公式：描述黑体辐射出射度与温度、波长等的关系
   ②斯蒂芬－玻尔兹曼定律
   ③维恩位移定律  
9）实际物体的辐射
   物体的发射率是温度和波长的函数，且与种类、物理状况（如粗糙度、颜色等）等有关。
按照发射率和波长的关系，辐射源可分为：
   ①黑体：ελ = ε=1
   ②灰体：ελ =ε=常数<1
   ③选择性辐射体：ελ <1,且随波长而变
基尔霍夫定律：即物体的发射率等于该物体的吸收率
2. 太阳辐射及大气对辐射的影响
1）太阳辐射源：太阳是太阳系唯一的恒星，它集中了太阳系99.865%的质量。太阳是一个炽热的气体星球，没有固体的星体或核心。太阳能量的99%是由中心的核反应区的热核反应产生的。太阳中心的密度和温度极高。太阳大气的主要成分是氢（质量约占71%）与氦（质量约占27%）。
2）大气成分组成：①永久气体：氮气、氧气、CO2、惰性气体、氢气、甲烷等。
                 ②浓度可变的气体：水蒸气、臭氧、SO2、氨气等。
                 ③固体和液体微粒。
3）大气垂直分层(大气结构)：电离层：距地面85km直到几百千米的范围均为热电离层，温度范围为500K到2000K
平流层：在平流层最下面直到20km的高度之内，温度几乎为常数
对流层：厚约为10km，温度随高度的增加而降低
4）大气辐射衰弱的原因：反射、吸收、散射。
   大气吸收17％， 散射22％，反射30％，其余31％太阳辐射到达地面。
5）散射：①瑞利（Rayleigh） 散射：当大气中粒子的直径比辐射波长小得多时发生的散射；散射强度与波长的四次方成反比。
        ②米氏散射：当大气中粒子的直径与波长相当时发生的散射；散射强度与波长的二次方成反比。
        ③非选择性散射：当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射；散射强度与波长无关
6）吸收作用：大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧
7）反射作用：云量越多、云层越厚， 反射越强
8）折射作用：折射率与大气密度有关，密度越大折射率越大。
3. 地球的辐射与地物波谱特征
1）太阳辐射与地表的相互作用
①温度为300K的黑体，其电磁辐射的波长范围是：2.5~50μｍ(0.3-2.5um)。
②地球表面的发射辐射能量集中于近红外波段和热红外波段；在热红外波段，地球的发射辐
射能量远远大于太阳的电磁辐射能量，通常称地球的发射辐射为热辐射
③地球表面的热辐射（能量）与自身的发射率、波长、温度有关
2）地物波谱特征
   在可见光与近红外波段，地表物体自身的热辐射几乎等于零。所以地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。
   到达地面的太阳辐射能量=反射能量+吸收能量+透射能量
①反射率：物体反射的辐射能量 占总入射能量 的百分比
②物体的反射：镜面反射、漫反射和实际物体的反射。

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