第2章　电磁辐射与地物光谱特征

1在真空中，电磁波速为3×10⁸m／s。

（1）可见光谱的波长范围从约3.8×10^－7m的紫色光到约7.6×10^－7m的红色光，其对应的频率范围为多少？

（2）X射线的波长范围约5×10^－9～1.0×10^－11m，其对应的频率范围又是多少？

（3）短波无线电的频率范围约为1.5 MHz～300MHz，其对应的波长范围是多少？

答：利用公式f＝c/λ计算得到：

（1）可见光的频率范围为3.947×10¹⁴～7.895×10¹⁴HZ；

（2）X射线的频率范围为6×10¹⁶～3×10¹⁹HZ；

（3）短波无线电的波长范围为1～200m。

2阐述辐照度I，辐射出射度M和辐射亮度L的物理意义，并说明其共同点和区别是什么？

答：（1）辐照度（I）

辐照度是指被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，I＝dФ／dS，单位为W／m²，其中S为面积。

（2）辐射出射度（M）

辐射出射度是指辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，dФ／dS，单位为W／m²，S为面积。

（3）辐射亮度（L）

假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度随辐射方向而不同，则辐射亮度L定义为辐射源在某一方向上单位投影表面单位立体角内的辐射通量。

（4）异同点

辐照度（I）与辐射出射度（M）都是辐射通量密度，都与波长λ有关。但是I为物体接收的辐射，M为物体发出的辐射。辐射亮度（L）是单位立体角内的辐射通量，与θ角有关。

3在地球上测得太阳的平均辐照度I＝1.4×10³W／m²，设太阳到地球的平均距离约为R＝1.5×10¹¹ m。试求太阳的总辐射能量。

答：由于太阳辐射出的能量在任一时刻总的来看是一个球面，而地球接收到平均辐照度是指球面上一平方米面积接收到的辐射功率，则太阳辐射总功率为：W＝4πR²×I＝4×10²⁶W。

4假定恒星表面的辐射与太阳表面辐射一样都遵循黑体辐射规律。如果测得到太阳辐射波谱的λ_太max＝0.51μm，北极星的λ_北max＝0.35μm，试计算太阳和北极星的表面温度及每单位表面积上所发射出的功率是多少？

答：（1）根据维恩位移定律λ_max·T＝b可得：

太阳表面温度为：

T＝b/λ_max＝2.898×10^－3/（0.51×10^－6）＝5680 K

北极星表面温度为：

T＝b/λ_max＝2.898×10^－3/（0.35×10^－6）＝8280 K

（2）根据斯忒藩－玻尔兹曼定律M=σT⁴可得：

太阳每单位表面积上所发射出的功率为：

M＝5.67×10^－8W·m^－2·K^－4×（5680）⁴ K⁴＝5.9×10⁷ W·m^－2

北极星每单位表面积上所发射出的功率为：

M＝5.67×10^－8W·m^－2·K^－4×（8280）⁴ K⁴＝2.7×10⁸ W·m^－2

5已知日地平均距离为一个天文单位，1天文单位≈1.496×10¹¹m，太阳的线半径约为6.96×10⁵km。

（1）通过太阳常数I_⊙，计算太阳的总辐射通量E；

（2）由太阳的总辐射通量E，计算太阳的辐射出射度M。

答：（1）已知日地平均距离，则太阳的总辐射通量为：

E＝I_⊙×S＝1.360×10³W/m²×4π（1.496×10¹¹m）²＝3.8×10²⁶ W

（2）由太阳的线半径算出面积S后，得太阳的辐射出射度为：

M＝E／4π（6.96×10⁸m）²＝6.28×10⁷ W／m²

6大气的散射现象有几种类型？根据不同散射类型的特点分析可见光遥感与微波遥感的区别，说明为什么微波具有穿云透雾能力而可见光不能。

答：（1）大气散射现象的类型

①瑞利散射

瑞利散射是指当大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射。

②米氏散射

米氏散射是指当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射。

③无选择性散射

无选择性散射是指当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射。

（2）微波具有穿云透雾能力而可见光不能的原因

大气散射类型是根据大气中分子或其他微粒的直径小于或相当于辐射波长时才发生。大气云层中，小雨滴的直径相对其他微粒最大，对可见光只有无选择性散射发生，云层越厚，散射越强，而对微波来说，微波波长比粒子的直径大很多，则又属于瑞利散射的类型，散射强度与波长四次方成反比，波长越长散射强度越小，所以微波才有可能有最小散射，最大透射，而被称为具有穿云透雾的能力。

7对照书内卫星传感器表中所列波段区间和大气窗口的波段区间，理解大气窗口对于遥感探测的重要意义。

答：（1）大气窗口的概念

大气窗口是指电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高的波段。

（2）大气窗口的光谱段

①0.3～1.3μm

该光谱段即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段，如Landsat卫星的TM1～4波段，SPOT卫星的HRV波段。

②1.5～1.8μm和2.0～3.5μm

该光谱段即近、中红外波段。这一波段是白天日照条件好时扫描成像的常用波段，如TM的5、7波段等，用以探测植物含水量以及云、雪，或用于地质制图等。

③3.5～5.5μm

该光谱段即中红外波段。这一波段的特点在于，除了反射外，地面物体也可以自身发射热辐射能量，如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.55～3.93μm波段探测海面温度，获得昼夜云图。

④8～14μm

该光谱段即远红外波段。这一波段主要通透来自地物热辐射的能量，适于夜间成像。

⑤0.8～2.5cm

该光谱段即微波波段。由于微波穿云透雾能力强，这一区间可以全天候观测，而且是主动遥感方式，如侧视雷达。Radarsat的卫星雷达影像也在这一区间，常用的波段为0.8cm，3cm，5cm，10cm，甚至可将该窗口扩展至0.05～300cm。

8综合论述太阳辐射传播到地球表面又返回到遥感传感器这整个过程中所发生的物理现象。

答：太阳辐射传播到地球表面又返回到遥感传感器这整个过程中所发生的物理现象有：

（1）从太阳辐射经过大气层时，由于大气的作用，会发生折射现象，使太阳辐射传播方向发生变化，路径是一条曲线，不是直线；

（2）接着会发生反射现象，使部分太阳辐射没有达到地面，减少部分辐射能量；

（3）再发生吸收和散射现象，使部分能量转换为大气分子或原子内能，从而使到达地面的能量减少；剩余部分太阳辐射透过大气层，到达地面；

（4）达到地面的太阳辐射由于地面吸收，减少了被反射回去的能量；

（5）接着太阳辐射第二次经过大气层，同样会发生反射、折射、吸收和散射现象，剩余的能量达到传感器。

9从地球辐射的分段特性说明为什么对于卫星影像解译必须了解地物反射波谱特性。

答：当太阳辐射到达地表后，就短波而言，地表反射的太阳辐射成为地表的主要辐射来源，而来自地球本身的辐射，几乎可以忽略不计。地球自身的辐射主要集中在长波，即6μm以上的热红外区段，该区段太阳辐射的影响几乎可以忽略不计，因此只考虑地表物体自身的热辐射。两峰交叉之处是两种辐射共同其作用的部分，在2.5～6μm，即中红外波段，地球对太阳辐照比辐射率（发射率）波谱特性曲线的形态特征可以反映地面物体本身的特性，包括物体本身的组成、温度、表面粗糙度等物理特性。特别是曲线形态特殊时可以用发射率曲线来识别地面物体，尤其在夜间，太阳辐射消失后，地面发出的能量已发射光谱为主，单侧起红外辐射及微波辐射并与同样温度条件下的比辐射率（发射率）曲线比较，是识别地物的重要方法之一。地物反射波普曲线除随不同地物（反射率）不同外，同种地物在不同内部结构和外部条件下形态表现（发射率）也不同。一般说，地物发射率随波长变化有规律可循，从而为遥感影像的判读提供依据。

10列举几种可见光与近红外波段植被、土壤、水体、岩石的地物反射波谱曲线实例。

答：植被、土壤、水体、岩石地物反射波谱曲线依次见下图：

（a）植被　

（b）土壤

（c）水体

（d）岩石

图2－3　地物的反射波谱曲线