页数：38页文件大小：1.11 MB来源： 遥感物理ppt课件
本课件为遥感物理课程的第一章基本概念部分，从遥感的定义入手，依次给出辐射能量、辐射通量、辐射通量密度、辐射强度与辐射亮度等表征电磁辐射的物理量，进而讨论电磁波在介质中的散射与吸收、反射率与地物反射光谱特性，最后展开镜面反射、漫反射与方向反射三种反射形式，并引出双向反射率分布函数（BRDF）、双向反射率因子（BRF）与半球反射率等定量描述工具。
遥感是从远离地面的不同工作平台上（气球、飞机、人造卫星、航天飞机），通过传感器获取地球表面的电磁波信息，并经信息的传输、处理和判读分析，对地球的资源和环境进行监测的综合性技术。
第一章 基本概念 · 第一节 基本定义
辐射能量 Q：电磁辐射是具有能量的，它表现在：
辐射能量（Q）的单位是焦耳（J）。
辐射通量（radiant flux）Φ：在单位时间内通过的辐射能量称为辐射通量。
Φ = ∂Q/∂t
辐射通量（Φ）的单位是瓦特，即焦耳/秒（W = J/s）。
辐射通量密度：单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度。
辐射通量密度的单位是瓦/米²（W/m²），面积取法向面积。
辐射强度（radiant intensity）I：辐射强度是描述点辐射源辐射特性的量，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量。
I = ∂Φ/∂Ω
辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）。其中立体角 Ω = A/R²，各向同性源对应 2π 或 4π 的积分。
分谱辐射通量：辐射通量是波长 λ 的函数，单位波长间隔内的辐射通量称为分谱辐射通量。
Φλ = ∂Φ/∂λ
分谱辐射通量的单位是瓦/微米（W/μm）。λ1—λ2 间隔内的分谱辐射通量积分即该波段的总辐射通量。
对应前面各辐射量，均可定义其分谱形式：
在不引起歧义时，「分谱」两字可以忽略。
辐射亮度（radiance）L：单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度。
L = ∂³Φ / ∂A∂λ∂Ω
辐射亮度（L）的单位是瓦/米²·微米·球面度（W/m²·μm·Sr）。辐射亮度是描述面辐射源的核心量，θ 为出射方向与法线的夹角。
辐射度量一览表：下表汇总本章已定义的六个基本辐射量。
| 辐射量 | 符号 | 定义 | 单位 |
|---|---|---|---|
| 辐射能量 | Q | — | 焦耳（J） |
| 辐射通量 | Φ | ∂Q/∂t | 瓦（W） |
| 辐照度 | E | ∂Φ/∂A | 瓦/米²（W/m²） |
| 辐射出射度 | M | ∂Φ/∂A | 瓦/米²（W/m²） |
| 辐射强度 | I | ∂Φ/∂Ω | 瓦/球面度（W/Sr） |
| 辐射亮度 | L | ∂³Φ/∂A∂Ω（∂λ） | 瓦/米²·球面度（W/m²·Sr） |
太阳辐射：太阳发射的电磁辐射在地球大气顶层随波长的分布称为太阳光谱。
太阳光谱上叠加了大量暗线，即夫琅和费（Fraunhofer）吸收线，由大气与太阳大气中的气体吸收形成。
太阳常数：在日地平均距离处，通过与太阳光束垂直的单位面积上的太阳辐射通量称为太阳常数。
F0 = 1353（±21）W/m²（1976，NASA）
太阳常数是对太阳光谱的积分。太阳对地球的张角很小（<9″），因此太阳光可以认为是平行光束。
大气顶的通量密度为 F = F0(dm/d)²cosθ0，其中 0.9674 < (dm/d)² < 1.0344。
太阳常数与太阳辐射亮度
太阳在光学波段可以看作各向同性辐射，因此太阳常数与太阳辐射亮度的关系为 F0 = πL0，即辐射亮度的法向分量对整个球面立体角积分的结果。
对于各向同性辐射，分谱辐照度 Fλ = πLλ。
基本辐射量总结
第一章 基本概念 · 第一节 基本定义
电磁波的散射和吸收：当电磁波在介质中传播时，会发生散射（scattering）和吸收（absorption），其中散射又分为反射（reflection）和透射（transmission）。
反射率 ρ：以比例形式表征的反射辐射强度，反射率为反射辐射（亮度）与入射辐射（亮度）之比。
ρ = Lr / Li
同理可定义透射率 τ 与吸收率 α。三者之间满足 ρ + τ + α = 1。
光谱反射率 ρλ：由于物体自身成分和结构特点，对于不同波长的电磁波有选择性的反射。
以绿色植物的叶子为例：叶片由上表皮、叶绿素颗粒组成的栅栏组织和多孔薄壁细胞（海绵）组织构成。入射的太阳辐射透过上表皮，蓝、红辐射能被叶绿素吸收进行光合作用；绿光也吸收了一大部分，但仍能反射一部分，所以叶子呈绿色；而近红外辐射可以穿透叶绿素，被多孔薄壁细胞组织所反射，因此在近红外波段形成强反射。
地物反射光谱特性：物体反射率随波长而改变的特性称为地物反射光谱特性。
把反射率随波长的变化绘成曲线即得地物反射光谱曲线，不同地物因成分与结构不同，曲线的吸收谷与反射峰位置各异，这是遥感识别地物的物理基础。
电磁波与介质的相互作用总结
第一章 基本概念 · 第一节 基本定义
物体表面的反射辐射：物体表面对电磁波的反射有三种形式。
图中给出镜面反射、漫反射与方向反射三种情形，θi 为入射角，θr 为反射角。
L. Rayleigh 提出表面为光滑或粗糙的判据：当界面粗糙度远小于波长时为光滑表面，反之为粗糙表面。
镜面反射：θi 为入射角，θr 为反射角，θt 为折射角。
折射定律（斯涅耳 Snell 定律）表征了入射角与折射角的关系：
n1sinθi = n2sinθt
其中 n 为折射系数。如果界面相对入射波长 λ 而言非常光滑（λ 远大于界面粗糙度），则反射是镜面的。
漫反射：实际上多数自然表面对辐射的波长而言都是粗糙表面。当目标物的表面足够粗糙，以致于它对太阳短波辐射的反射辐射亮度在以目标物为中心的 2π 空间中呈常数，即反射辐射亮度不随观测角度而变，我们称该物体为漫反射体，亦称朗伯体。
漫反射又称朗伯（Lambert）反射，也称各向同性反射。严格讲自然界中只存在近似意义下的朗伯体，只有黑体才是真正的朗伯体。
回忆辐射亮度：L = ∂³Φ / ∂A∂λ∂Ω。
关于天顶角 θ 在表述辐射中的作用：若辐射亮度为 L0 的辐射，以入射角 θ0 辐射到物体表面，则入射辐射亮度 Li 为：
Li = L0cosθ0
设朗伯体反射率为 ρ，则可进一步讨论出射辐射亮度 Lr 与 L0 的关系，以及辐射出射度 Mr 与 L0 的关系。
方向反射：介于漫反射和镜面反射之间的反射称为方向反射，也称非朗伯反射。
地物波谱特征与方向谱特征：对非朗伯体而言，它对太阳短波辐射的反射、散射能力不仅随波长而变，同时亦随空间方向而变。
双向反射率分布函数（BRDF）：设波长为 λ，空间具有 δ 分布函数的入射辐射，从（θ0，φ0）方向以辐射亮度 L0(θ0，φ0，λ) 投射向点目标，造成该点目标的辐照度增量为 dE(θ0，φ0，λ) = L0(θ0，φ0，λ) cosθ0dΩ。
传感器从方向（θ，φ）观察目标物，接收到来自目标物对外来辐射 dE 的反射辐射，其亮度值为 dL(θ，φ，λ)。由此定义双向反射率分布函数 f 为 dL 与 dE 之比。
双向反射率分布函数（BRDF）的物理意义：来自某方向地表辐照度的微增量与其所引起的方向上反射辐射亮度增量之间的比值。
这样定义的 BRDF 为什么可以恰当地表达地物的非朗伯体特性？
在现实世界中，投射到地物表面上的辐射能量往往由两部分组成，即来自太阳的直射辐射与天空散射辐射；传感器在方向上测得的辐射亮度是空间入射辐射场的综合效应，它不仅与该点地物的反射特性有关，而且与辐射环境（入射辐射亮度的空间分布函数）有关。
为了摆脱辐射环境的影响，采取两个措施：其一，设定入射辐射场为 δ 分布函数；其二，采用比值形式。
这样定义的 f 有如下三个特点：
双向反射率因子（BRF）：在相同的辐照度条件下，地物向（θ，φ）方向的反射辐射亮度与一个理想的漫反射体在该方向上的反射辐射亮度之比值，称为双向反射率因子 R。
图中 dLT 为待测目标的反射亮度，dLP 为标准参考板的反射亮度。
对于双向反射率因子（R）的性质，应注意到：
半球反射率（albedo）：目标物的出射度与入射度之比值称为半球反射率，通常用符号 ρ 表示。
在某些问题中我们并不需要知道辐射亮度值及其空间分布，而只需要知道辐射通量密度值，比如在求解辐射热平衡问题中，或者在讨论作物光合作用强度问题时都是如此。
严格讲要求解出射度（M），必须对 2π 空间的 L 值进行积分，这几乎是不可能的。因为从个别方向的 BRDF 测值中，我们无法判断目标物在 2π 空间中的反射辐射行为，因此也无法由积分求得半球反射率。
目前流行的目标物半球反射率测量方法，实际上只是视角取天底角条件下的 BRF。如果用此值代替严格意义下的半球反射率，其误差有时可以高达 45%。
反射特性总结
第一章 基本概念 · 第一节 基本定义
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