第2章　電磁輻射與地物光譜特征

1在真空中，電磁波速為3×10⁸m／s。

（1）可見光譜的波長范圍從約3.8×10^－7m的紫色光到約7.6×10^－7m的紅色光，其對應的頻率范圍為多少？

（2）X射線的波長范圍約5×10^－9～1.0×10^－11m，其對應的頻率范圍又是多少？

（3）短波無線電的頻率范圍約為1.5 MHz～300MHz，其對應的波長范圍是多少？

答：利用公式f＝c/λ計算得到：

（1）可見光的頻率范圍為3.947×10¹⁴～7.895×10¹⁴HZ；

（2）X射線的頻率范圍為6×10¹⁶～3×10¹⁹HZ；

（3）短波無線電的波長范圍為1～200m。

2闡述輻照度I，輻射出射度M和輻射亮度L的物理意義，并說明其共同點和區別是什么？

答：（1）輻照度（I）

輻照度是指被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量，I＝dФ／dS，單位為W／m²，其中S為面積。

（2）輻射出射度（M）

輻射出射度是指輻射源物體表面單位面積上的輻射通量，dФ／dS，單位為W／m²，S為面積。

（3）輻射亮度（L）

假定有一輻射源呈面狀，向外輻射的強度隨輻射方向而不同，則輻射亮度L定義為輻射源在某一方向上單位投影表面單位立體角內的輻射通量。

（4）異同點

輻照度（I）與輻射出射度（M）都是輻射通量密度，都與波長λ有關。但是I為物體接收的輻射，M為物體發出的輻射。輻射亮度（L）是單位立體角內的輻射通量，與θ角有關。

3在地球上測得太陽的平均輻照度I＝1.4×10³W／m²，設太陽到地球的平均距離約為R＝1.5×10¹¹ m。試求太陽的總輻射能量。

答：由于太陽輻射出的能量在任一時刻總的來看是一個球面，而地球接收到平均輻照度是指球面上一平方米面積接收到的輻射功率，則太陽輻射總功率為：W＝4πR²×I＝4×10²⁶W。

4假定恒星表面的輻射與太陽表面輻射一樣都遵循黑體輻射規律。如果測得到太陽輻射波譜的λ_太max＝0.51μm，北極星的λ_北max＝0.35μm，試計算太陽和北極星的表面溫度及每單位表面積上所發射出的功率是多少？

答：（1）根據維恩位移定律λ_max·T＝b可得：

太陽表面溫度為：

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

北極星表面溫度為：

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

（2）根據斯忒藩－玻爾茲曼定律M=σT⁴可得：

太陽每單位表面積上所發射出的功率為：

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

北極星每單位表面積上所發射出的功率為：

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

5已知日地平均距離為一個天文單位，1天文單位≈1.496×10¹¹m，太陽的線半徑約為6.96×10⁵km。

（1）通過太陽常數I_⊙，計算太陽的總輻射通量E；

（2）由太陽的總輻射通量E，計算太陽的輻射出射度M。

答：（1）已知日地平均距離，則太陽的總輻射通量為：

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

（2）由太陽的線半徑算出面積S后，得太陽的輻射出射度為：

M＝E／4π（6.96×10⁸m）²＝6.28×10⁷ W／m²

6大氣的散射現象有幾種類型？根據不同散射類型的特點分析可見光遙感與微波遙感的區別，說明為什么微波具有穿云透霧能力而可見光不能。

答：（1）大氣散射現象的類型

①瑞利散射

瑞利散射是指當大氣中粒子的直徑比波長小得多時發生的散射。

②米氏散射

米氏散射是指當大氣中粒子的直徑與輻射的波長相當時發生的散射。

③無選擇性散射

無選擇性散射是指當大氣中粒子的直徑比波長大得多時發生的散射。

（2）微波具有穿云透霧能力而可見光不能的原因

大氣散射類型是根據大氣中分子或其他微粒的直徑小于或相當于輻射波長時才發生。大氣云層中，小雨滴的直徑相對其他微粒最大，對可見光只有無選擇性散射發生，云層越厚，散射越強，而對微波來說，微波波長比粒子的直徑大很多，則又屬于瑞利散射的類型，散射強度與波長四次方成反比，波長越長散射強度越小，所以微波才有可能有最小散射，最大透射，而被稱為具有穿云透霧的能力。

7對照書內衛星傳感器表中所列波段區間和大氣窗口的波段區間，理解大氣窗口對于遙感探測的重要意義。

答：（1）大氣窗口的概念

大氣窗口是指電磁波通過大氣層時較少被反射、吸收或散射的，透過率較高的波段。

（2）大氣窗口的光譜段

①0.3～1.3μm

該光譜段即紫外、可見光、近紅外波段。這一波段是攝影成像的最佳波段，也是許多衛星傳感器掃描成像的常用波段，如Landsat衛星的TM1～4波段，SPOT衛星的HRV波段。

②1.5～1.8μm和2.0～3.5μm

該光譜段即近、中紅外波段。這一波段是白天日照條件好時掃描成像的常用波段，如TM的5、7波段等，用以探測植物含水量以及云、雪，或用于地質制圖等。

③3.5～5.5μm

該光譜段即中紅外波段。這一波段的特點在于，除了反射外，地面物體也可以自身發射熱輻射能量，如NOAA衛星的AVHRR傳感器用3.55～3.93μm波段探測海面溫度，獲得晝夜云圖。

④8～14μm

該光譜段即遠紅外波段。這一波段主要通透來自地物熱輻射的能量，適于夜間成像。

⑤0.8～2.5cm

該光譜段即微波波段。由于微波穿云透霧能力強，這一區間可以全天候觀測，而且是主動遙感方式，如側視雷達。Radarsat的衛星雷達影像也在這一區間，常用的波段為0.8cm，3cm，5cm，10cm，甚至可將該窗口擴展至0.05～300cm。

8綜合論述太陽輻射傳播到地球表面又返回到遙感傳感器這整個過程中所發生的物理現象。

答：太陽輻射傳播到地球表面又返回到遙感傳感器這整個過程中所發生的物理現象有：

（1）從太陽輻射經過大氣層時，由于大氣的作用，會發生折射現象，使太陽輻射傳播方向發生變化，路徑是一條曲線，不是直線；

（2）接著會發生反射現象，使部分太陽輻射沒有達到地面，減少部分輻射能量；

（3）再發生吸收和散射現象，使部分能量轉換為大氣分子或原子內能，從而使到達地面的能量減少；剩余部分太陽輻射透過大氣層，到達地面；

（4）達到地面的太陽輻射由于地面吸收，減少了被反射回去的能量；

（5）接著太陽輻射第二次經過大氣層，同樣會發生反射、折射、吸收和散射現象，剩余的能量達到傳感器。

9從地球輻射的分段特性說明為什么對于衛星影像解譯必須了解地物反射波譜特性。

答：當太陽輻射到達地表后，就短波而言，地表反射的太陽輻射成為地表的主要輻射來源，而來自地球本身的輻射，幾乎可以忽略不計。地球自身的輻射主要集中在長波，即6μm以上的熱紅外區段，該區段太陽輻射的影響幾乎可以忽略不計，因此只考慮地表物體自身的熱輻射。兩峰交叉之處是兩種輻射共同其作用的部分，在2.5～6μm，即中紅外波段，地球對太陽輻照比輻射率（發射率）波譜特性曲線的形態特征可以反映地面物體本身的特性，包括物體本身的組成、溫度、表面粗糙度等物理特性。特別是曲線形態特殊時可以用發射率曲線來識別地面物體，尤其在夜間，太陽輻射消失后，地面發出的能量已發射光譜為主，單側起紅外輻射及微波輻射并與同樣溫度條件下的比輻射率（發射率）曲線比較，是識別地物的重要方法之一。地物反射波普曲線除隨不同地物（反射率）不同外，同種地物在不同內部結構和外部條件下形態表現（發射率）也不同。一般說，地物發射率隨波長變化有規律可循，從而為遙感影像的判讀提供依據。

10列舉幾種可見光與近紅外波段植被、土壤、水體、巖石的地物反射波譜曲線實例。

答：植被、土壤、水體、巖石地物反射波譜曲線依次見下圖：

（a）植被　

（b）土壤

（c）水體

（d）巖石

圖2－3　地物的反射波譜曲線