加载中…[转载]大气对电磁辐射传输的影响
(2012-04-20 09:27:10)
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辐射光谱特性杂谈 |
分类： 遥感 |
原文地址：http://blog.sina.com.cn/s/blog_6d2c02730100u9oz.html
http://wenku.baidu.com/view/139443bdf121dd36a32d82b6
http://www2.sjzue.edu.cn/sjyjpk/遥感地质学/jiaoan1.htm
大气对电磁辐射传输的影响
一、大气成分和结构
太阳辐射入射到地球表层，需经过大气层（即要经过大气外层、热层、中气层、平流层和对流层等）。而地物对太阳辐射的反射，会又一次经过大气层后，然后被遥感传感器所接收。
当太阳辐射途径大气层时，将受到大气层中的气体、云、雾、雨、尘埃、冰粒、盐粒等成分的吸收、散射和透射，使其能量受到衰减和重新分配。
大气对通过的电磁波产生吸收、散射和透射的特性，称为大气传输特性。这种特性除了取决于电磁波的波长（即随波长不同而不同），还决定于大气成分和环境的变化。
（一）大气成分
地球的大气是由多种气体、固态及液态的悬浮微粒组成的。
大气中的主要气体包括N2，O2，H2O，CO，CO2，N2O，CH4和O3。
固态和液态的微粒有尘埃、冰晶、盐晶、烟灰、水滴等，它们形成霾、雾、云等。弥散在大气中成为悬浮的状态，统称为气溶胶。其中霾是弥散在大气溶胶中的细小微粒，半径小于0.5，由细小的盐晶，烟灰等组成。雾是指悬浮尘埃、盐晶形成的水蒸气的凝聚核。当核增大到半径大于1的水滴或冰晶时，就形成雾。云和雾的成因相同。
地面以上80km左右的大气中，除H2O，O3等少数可变气体外，各种气体均匀混合，所占比例几乎不变，所以把80km以下的大气层称为均匀层。在该层中大气物质与太阳辐射相互作用，是使太阳辐射衰减的主要原因。
（二）大气成分与太阳辐射的相互作用
太阳辐射经过大气层后，约有30%的能量被云层和其它大气成分反射回宇宙空间；17%被大气吸收；22%被大气散射；仅有30%的能量辐射到地面。
（1）大气的散射作用
电磁波通过不均匀物质时，传播方向发生改变的现象称为散射。对遥感来说，散射使部分辐射能由于改变辐射方向，干扰了传感器的接收，降低了遥感数据的质量，造成影像的模糊，影响遥感资料的判读。
大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区。（大气散射作用的实质是指电磁波穿过大气层时，遇到各种微粒所发生的一种衍射现象。）散射的强弱可由散射系数 表示，散射系数与电磁波波长有下列关系：
—波长指数，由大气微粒直径 的大小决定。
根据辐射的波长与散射微粒的大小之间的关系，散射作用可分为三种：
1）瑞利散射（Rayleigh Scattering）
由较小的大气分子引起的。当微粒直径 比辐射波长 小得多时，即 ，所引起的散射称瑞利散射。
一般地
它主要由大气分子对可见光的散射引起的，所以也叫分子散射。当波长大于1 时，瑞利散射可不予考虑，故红外线和微波可以不考虑瑞利散射的影响。但在可见光中由于波长愈短，瑞利散射的影响愈大，如晴空呈兰色，由于大气中的气体分子把波长较短的兰光散射到天空中的缘故。
2）米氏散射（Mie Scattering）
当微粒直径与波长相差不大，即 时，所引起的散射。
=2；
米氏散射主要由大气中的气溶胶所引起的。由于大气中的云、雾等悬浮粒子的大小与0.76~15 的红外线的波长相近，因此云、雾对红外线的米氏散射有影响。
瑞利散射和米氏散射都属于选择性散射。即波长越短，散射越强烈。如对波长为0.3 的紫外线，瑞利散射是波长为0.7 的红光的30倍。
|
颜色 |
红 |
橙黄 |
黄 |
绿 |
兰 |
紫 |
紫外线 |
|
波长（ ） |
0.7 |
0.62 |
0.57 |
0.53 |
0.47 |
0.44 |
0.30 |
|
|
1 |
1.6 |
2.2 |
3.3 |
4.9 |
6.4 |
30.0 |
3）非选择性散射
当微粒的直径比波长大得多时，即 时，所发生的散射称为非选择性散射。
当 时， ， 为一常数，散射强度与波长无关，即任何波长的散射强度相同。因此大气中的水滴、雾、烟尘等气溶胶对太阳辐射常常出现这种散射。常见的云或雾均由大水滴组成，即 ，对各种波长的可见光散射均相同，呈白色。这种散射将使传感器接收到的数据受到严重影响。
综上所述，太阳辐射的衰减主要是由于散射造成的。散射衰减的类型与强弱主要与波长密切相关。在可见光和近红外波段，瑞利散射是主要的。由于瑞利散射的缘故，紫外线在地面极弱，也很难作为遥感可用的波段。当波长超过1 时，瑞利散射的影响可忽略不计，但在波长大于0.5 时，米氏散射超过了瑞利散射的影响。在微波波段，由于波长比云中小水滴的直径还要大，所以小雨滴对微波波段是属于瑞利散射，因此微波有较强的穿透云层的能力。（ ， 很大， 很小）。
（2）大气的吸收作用
太阳辐射通过大气层时，大气层中某些成分对太阳辐射产生选择性吸收，即把部分太阳辐射能转换为本身内能，使温度升高。由于各种气体及固体杂质对太阳辐射波长的特性不同，使有些波段通过大气层到达地面，而另一些波段则全部吸收不能到达地面，因此造成了不同波段的大气吸收带。
对照图2-3（P19页）进行解释。P35页
（三）大气厚度和太阳角对太阳辐射的影响
大气厚度是指太阳辐射透过大气的路径。大气厚度越大，即太阳辐射途径的路径越长，太阳辐射能量衰减就越大。
令太阳辐射透过地球大气的辐射能（辐照度）为 ，与入射大气层的太阳辐射能（用 表示），其比值称之为太阳辐射通过地球大气的透射率，用下列式子来描述：
式中： 为透射率。
该公式表明：（1） 增大， 减小。
另外，大气厚度的大小与太阳高度角 有关。
太阳高度角是指太阳光线与地平线之间的夹角，如图所示。
当太阳位于天顶时，太阳高度角近90℃，这时太阳直射地面，太阳的厚度最小，即
太阳辐射透过地球大气的路径最短（即 最小），则此时透射率较大。
随着太阳高度角逐渐变小，太阳辐射穿过大气的路径随之增大（即 增大），透射率也相应变小。这也是太阳的颜色在早上、中午和晚上变化的原因。当中午太阳当头时，透过地球大气的路径小，选择性散射相对少，使较多的短波波长光得以通过，于是人们看到的太阳是白色的。而早晚太阳光斜射，透过大气的路径较中午时大，选择性散射相对较大，较短波长的光被散射掉，因此人们看到的太阳是红色的。
由此可见，太阳辐射通过大气层后，总能量及各种波长的能量都会衰减，通过大气层愈长愈厚，能量减少越多，并且短波部分的损耗比长波部分更大。
二、大气窗口
因此，若要从空中遥感地面目标时，传感器的工作波段应选在大气窗口处才能更多地接收到地面目标的电磁波信息。
目前，已知的大气窗口有：P37页
可摄影窗口：0.3 ~1.3 ，全部反射光谱，90%透过。
包括：部分紫外波段，0.30 ~0.40 ，70%透过。
近红外窗口：1.5 ~2.4 ，90%透过，可区分蚀变岩石。
中红外窗口：3.5 ~5.5 ，反射和发射并存。
包括两个小窗口（反射和发射混合光谱）：3.5 ~4.2
远红外窗口：8 ~14 ，发射电磁波，热辐射。
微波窗口：0.5cm~300cm
其中的窗口很多，如P37页表2-7所示，有W、V、Q……，其中K波段（1.13~1.67cm）和X波段（2.75~5.2cm）在地学中普遍应用。各波段的代码是早期雷达中军事保密所用的代码，如K、X、L等。（通常小于3cm的雷达波会受到恶劣天气的影响，而大于3cm的雷达波，大气的影响可忽略不计）。
第三节
自然界中的任何地物都具有发射、反射和吸收电磁波的特性。少数地物还具有透射电磁波的特性。这些特性称为地物的光谱特性。
研究地物的光谱特性是选择传感器工作波段和正确分析遥感数据的依据，也是遥感图象处理和分类的参考标准，因此它是遥感技术的重要理论基础。
一、地物的反射光谱特性
（一）电磁辐射与地物的相互作用
电磁辐射与地物相互作用时，部分能量被地物反射；部分能量被地物吸收，成为地物本身的内能或部分再发射出来，还有一部分能量被地物透射。按能量守恒与转换定律，物体反射、吸收、透射电磁辐射的能力，可用物体反射能量、吸收能量和透射能量占入射能量的比例系数（或百分率）来表示。即：
E入射/ E入射= E反射/ E入射+ E吸收/ E入射+E透射/ E入射=1
也可以写成：
1=
式中： —反射率
对于不透明的物体而言， =0，因此（1）式可写成：
地物的反射率可以用仪器测定，而吸收率可通过（2）式求出。
上式表明，地物反射率越高，其吸收率越低；吸收率高的物体，其反射率就低。自然界中不同的地物反射率是不同的，表现为不同的光谱特性，即使同一地物由于表面情况不同，其光谱特性也会发生变化。
（二）电磁辐射中反射的类型
当电磁辐射从较稀的空气介质中入射到较紧密的地物表面时，在物质界面上会产生反射。按界面的平滑程度，反射的方向和强弱，表现为三种类型：
（1）镜面反射：电磁波投射在光滑的平面上，其反射方向遵循反射定律，即入射角等于反射角，具高度方向性。
（2）漫反射：又称散射，朗伯反射。电磁波投射在较粗糙的表面上，反射方向朝向四面八方，且强度相近。如一束光照在白纸上，人们能看清白纸的细节，原因就是由于强度相同，各向皆有的漫反射。
（3）混合反射
这是介于镜面反射与漫反射两者之间的一种反射。电磁波投射在不大光滑的表面上时，在波的入射方向和镜面反射方向上都产生反射波，其它方向很弱。如光在水面和沙漠面上的反射。反射辐射亮度随电磁辐射的入射方向和观察方向的不同而不同，在航空遥感中具有重要意义。
至于如何确定表面光滑、粗糙，通常按瑞利准则。有关这一问题在介绍微波遥感时再述。
（三）反射率和亮度系数
1.反射率
地物反射电磁波能力的大小，一般用反射率 表示。地物的反射率 是地物的反射能量与入射能量之比，其数值用百分率表示。即：
= E反射/ E入射×100%
式中：E反射—反射电磁波的能量。
E入射—入射电磁波的能量。
地物的反射率大小与入射电磁波的波长、入射角的大小以及地物表面的颜色和粗糙度等有关。在一般情况下，当入射电磁波波长一定时，反射能力强的地物，反射率大，传感器记录的亮度值也大，在黑白遥感图象上色调就浅。反之，反射入射光能力弱的地物，反射率小，传感器记录的亮度值就小，在黑白遥感图象上色调就深。这些色调的差异就是遥感图象目视判读的基本出发点。
2.亮度系数
航空遥感技术中常用亮度系数 表示地物反射电磁波的能力的大小。其含义是指在相同照度条件下，物体表面的亮度 与理想的纯白色全反射表面的亮度 之比，即：
也反映地物反射电磁波能力的大小。在自然界中物体的亮度系数变化较大，如雪的亮度系数最大，可接近于1.0；黑土的亮度系数仅为0.02—0.08；粗糙表面比光滑表面的亮度系数小；干的表面比湿的表面亮度系数大。
（四）几种典型地物的反射光谱
地物的反射率随入射波长变化的规律，叫做地物的反射光谱。按地物的反射率与波长之间的关系绘成的曲线（横坐标为波长值，纵坐标为反射率）称为地物的反射光谱曲线。
不同的地物具有不同的反射光谱曲线形态，而同一地物在不同波段的反射率也是不同的，因而不同波段上同一地物的图象特征呈现明显的差异，这是遥感技术用于识别和区分地物的主要依据。
下面就几种典型地物的反射光谱特性介绍如下：
1.水体的反射光谱特性。
水体的反射率，除镜面反射方向外，在各个波段内都较低，一般在3%左右。清水的反射率一般在可见光部分为4~5%，在0.6 （橙光）处下降至2~3%，到0.75 以后的近红外波段，水成了吸收体。混浊水的反射波谱曲线随着悬浮泥沙浓度的增加而增高。教材P136页图6-4（新教材P237图7.15）是清澈湖水和混浊泥水的反射光谱特性曲线。
2.植被的反射光谱特性。
（1）植被是地面分布最广的地物之一，植物对自然环境的依赖性又大，所有植物由于叶绿素含量和植物细胞结构的不同，各自具有特殊的光谱效应，因而植被在遥感图象上较易识别，并且成为指示自然环境（如气候，水分等）的最好标志。
教材P24页图2-6是几种不同植物光谱曲线比较图。图中表明，尽管植物种类不同，但仍有相似的反射波谱曲线。植物的基本波谱特征是：
1）可见光绿波段0.55 附近有10~20%的反射峰。
2）近红外波段0.74~1.3 ；0.8~1.0 ；0.7~1.4 间具有50~60%的强反射峰。
3）1.35~2.5 ；1~3 部分是一个衰减曲线。在0.45 和0.65 ，近红外波段1.5 、1.9 和2.6~2.7 附近具有强烈吸收。究其原因，可见光波段中（0.7 ）的吸收是由叶绿素吸收引起的。近红外波段的吸收是由细胞液和细胞膜中的水分子造成的。
1978年高斯曼（Gausman）发现多汁植物和非汁植物在三个水吸收带之间的两个反射峰（1.65 和2.2 ）上差别非常明显。这就是说，随着绿色植物种类、结构的不同，它们的反射波谱的光量也有所不同，不同类型植物之间响应曲线的这些差异可以用来鉴别不同的植物类别。叶片组织结构不同，使它们在反射率和透射率上有较大差异。
阔叶树的叶片中有海绵薄壁组织，能反射红外光，并使部分红外光透过表皮和栅状组织；针叶树的叶片中没有海绵组织，因此对红外光反射较差。禾本科草本植物的叶片组织比较均一，没有栅状组织和海绵组织的区别，而细胞壁的角质化和含有硅质等原因，透光性较阔叶树差。另外叶片的形状、排列、密度、枝叶的比例等，对红外光的第二反射、透射也有很大影响，使植物的反射总量，因品种不同而异。阔叶树反射最强，草本植物次之，针叶林最弱。当植物老化或受到伤害时，反射率则明显降低。
即使是同一种植物，随着叶子的新老，稀密，季节，土壤水分（植物含水量）和无机质含量的差异或者受到大气污染和病虫害等的影响，它们在各个波段的反射率也是不同的。有时在可见光波段反映不明显，而在近红外波段却能清楚地观察到这种变化。教材P24页图2-7是不同长势松树的反射光谱曲线。
健康的松树在可见光波长范围内反射率在叶绿素吸收带低于有病害的松树，而在近红外波段健康松树的反射率明显高于有病害松树，病害愈重，反射率愈低，故可将两者区别开来。
（2）影响植被光谱特征的因素
a.植物的疏密程度。
b.物候期的影响。
c.下垫面的影响。
d.病虫害的影响。
3.岩石的反射光谱特性
大多数岩石是一种以上矿物的集合体，岩石在可见光波段和近红外波段的波谱特性十分复杂，难于直接用它来鉴别岩石。但岩石的波谱特征却能反映它的基本物质成分和结构特点，是识别和区分岩类的重要依据。
a.岩浆岩的波谱特性和色调
超基性、基性、中性和酸性岩的波谱特征有明显的规律，即随SiO2含量的减少，反射率逐渐减少。因此，超基性、基性岩浆岩的反射系数低，在航片上色调呈深灰色至黑色；中性岩浆岩反射系数中等，在像片上呈灰色调；酸性岩浆岩反射系数偏高，在航片上呈浅灰至灰白色调。随着化学成分、矿物成分和结构构造的变化，其反射系数也有所不同。P148页图6-15为华北某地几种岩浆岩的反射率。
b. 沉积岩的波谱特性和色调
沉积岩的反射率都不高，反射率随岩石本色的加深而降低，而岩石本色主要与杂质成分（Fe2+，Fe3+，C有机质等）的含量有关。由于沉积岩的反射光谱特性曲线形态比较相似，缺乏具有鉴别意义的明显特征，仅在红光波段有相对显著的差异，因此根据沉积岩的波谱特性区分不同沉积岩较为困难。因此对沉积岩进行判读时，通常还要靠其它标志。P144页图6-12是几种沉积岩的反射光谱曲线图。
c. 变质岩的波谱特性和色调
一般情况下，正变质岩（岩浆岩变质形成）的波谱特性和色调与岩浆岩相近，副变质岩（沉积岩变质形成）的波谱特性和色调与沉积岩相近。但决定变质岩波谱特性的主要是矿物成分。由浅色矿物组成的岩石，如石英岩，大理岩，混合花岗岩等，反射率偏高，在航片上色调较浅；暗色矿物含量较高的岩石如黑云母片麻岩，斜长角闪片岩，反射率偏低，在航片上色调较深。
影响岩石的波谱特性和色调的因素很多，除岩石的化学成分、矿物成分外，岩石的结构构造，物理化学特征（颜色、可溶性、粗糙度、岩石的湿度等）都会对波谱特性和色调产生影响。P149页图6-16是几种变质岩的反射光谱特性曲线。
4.土壤的波谱特征
不同质地的土壤，其波谱反射率是不同的。如图所示（P161页）：
a.粉砂的反射波谱曲线整体都高。
b.腐植土最低，反射率在0.1（10%）左右。
c.基岩上风化残积物因颗粒较细，反射波谱特征与基岩相似，干燥的残积物的反射率要比基岩高；较湿润的残积物，其反射率比湿润的基岩还要低，说明反射率与含水分的多少密切相关。
d.土壤中波谱的亮度系数还与土壤的理化参数（盐分类型、含量、碱化度等）有关。
在0.4~1.05 间波谱曲线在总体轮廓上是上升的，盐渍土反射率要比非盐渍土高得多，并随着盐渍程度得加重，曲线向上平移。
影响土壤反射率的因素如下：P161~P165页
（1）有机质含量增加，反射率呈非线性下降，有机质含量5%的土壤常呈深褐色或黑色，有机质含量最低的土壤通常呈浅褐色或灰色。
（2）土壤中氧化铁含量增加5%，反射率下降约20%，氧化铁含量增加10%，反射率下降约40%，而近红外波段反射率变化较小。
（3）土壤中的含水量增加，反射率随之减少。
总之，土壤的反射波谱特性影响因素很多，主要有（有机）腐植和氧化铁的含量，湿度（含水量）、粒度大小（指土壤质地）、矿物成分、盐分和表土结构等。
5.城市地物的波谱特性
城市地物主要有水体、植被、各种人工建筑物等。水体和植被前已论述，此处仅讨论建筑物和道路的波谱特征。
a.建筑物
由于遥感图象反映的是一个俯视平面图象，因此图象上见到的建筑物只是它的屋顶。如下图所示：屋顶的材料不同，其波谱特征有差异。
（1）灰白色的石棉瓦反射率最高。
（2）沥青沙石反射率略高于灰色的水泥平顶。
（3）铁皮屋顶表面灰黑色，反射率低而平坦。
（4）绿色塑料顶棚的波谱曲线在绿波段有一反射峰，它与植被相似，但它没有植被在0.68 的吸收峰和近红外波段的强反射峰。
书上P166页图6-37是几种建材的光谱特性图。
解释：（1）水泥预制板在可见光区域的反射率高于其它材料。
b.道路
因道路的物质材料不同可分为水泥路、沥青路和土路等，波谱曲线形状大体相似。0.4~0.6 缓慢上升，0.6 后转向平缓变化。
水泥路呈灰白色，反射率最高，依次为土路、沥青路。
作业：
请画出水、植被、土壤、岩石、城市等五种地物的反射光谱曲线图，并对其反射光谱特征作出解释说明。
二、地物的发射光谱特征
自然界中的任何物体，只要其温度在绝对温度0K以上，都具有向周围空间发射热辐射的能力，同时也有吸收外来热辐射的能力。
通常地物发射热辐射的能力是用发射率为衡量标准。发射率是指地物的辐射出射度（即地物单位面积发出的辐射总通量）W与同温度下的黑体的辐射出射度（即黑体单位面积发出的辐射总通量）W黑的比值，用 表示，即
=W/W黑
（一）黑体辐射和基尔霍夫定律
1. 黑体辐射
黑体是绝对黑体的简称。这一概念是由基尔霍夫1860年提出的。它的含义是指在任何温度下，对于任何波长的电磁辐射能量完全吸收并具有最大的发射系数的物体。即对任何波长的电磁波其吸收系数恒等于1。
按照这一概念，黑体的吸收系数 等于1，发射系数也等于1，而且与波长没有关系。所以黑体不是指物体的颜色，而是一个理想的辐射体。实际上自然界中并不存在这样的物体，但是人工可以制作一个近似于黑体的模型，主要是为了参照计算一般物体的热辐射而设计的。
这个人工模型是一个不透明的封闭的空腔，在其壁上开一个足够小的小孔，当外界的辐射入射穿入小孔后，在孔腔内经多次反射而几乎全部被吸收（即几乎没有反射能量从小孔中穿过来），如图所示，即其吸收系数趋近于1。若将空腔加热，其全部能量只能从小孔中发射出来，其发射系数 也趋近于1。所以可将这一模型视为理想的黑体。（显然黑体的反射率 ，透射率 =0）。
不同温度的黑体辐射，可由理论计算得到。与黑体同温度的一般物体的热辐射能量，可以黑体作为参照求得。
前已述及，地物发射热辐射的能力通常用发射系数为测量标准，而实践中通常是用物体的光谱吸收率的测量来代替光谱发射率的测量，那么地物的发射率 与吸收率 之间存在什么关系呢？
2. 基尔霍夫定律
基尔霍夫在研究密闭的真空容器内，物体间只能通过辐射形式交换能量的实验中发现：在同一温度下，各个不同的物体在单位时间内从单位面积上辐（发）射出的能量W与吸收率 之比值，对于任何地物都是一个常数。该比值与物体本身的性质无关，只等于该温度下同面积黑体辐射能量W黑。它的数学表达式为：
W/ =W黑
也可写成：
由前式
（二）黑体热辐射定律
有关黑体热辐射定律由普朗克定律、维恩位移定律和斯蒂芬—玻尔兹曼定律组成。后两个定律可以从普朗克定律推导出来的。
1. Plank（普朗克）定律
德国学者Plank.M.于1900年冲破经典热物理学的桎梏，提出了能量力假说，推导出黑体辐射定律，即Plank公式：
式中： 为光谱辐射通量密度。即黑体在单位面积上，单位时间内，单位波长区间辐射出的能量，单位（W ）。
为波长，单位 。
为Plank常数， =（6.6256±0.0005）×10-34W
为光速， =3×1010 cm/s
为绝对温度，单位K。
为玻耳兹曼常数， =（1.38054±0.00018）×10-23W
为自然对数的底。 =2.718。
Plank公式指出了黑体在不同的温度下光谱发射能量随波长变化的规律。即表示了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按温度、波长分布的情况。Plank公式与实验求出的各种温度（从200K到6000K）下的黑体辐射的波谱曲线相吻合。如P26页图（新教材图2.7）所示。
2. 维恩（Wien）位移定律
由图可以看出，黑体辐射的三个特性：
（1）黑体在不同温度下具有不同的发射光谱。
（2）在每一给定的温度下，黑体的光谱辐射通量都有一个极大值。
（3）随着温度的升高，其辐射通量迅速增高，对应的峰值波长向短波方向移动。
极大值的波长 可由维恩位移定律给出，即对Plank公式：
求波长的偏导，可得： =
式中： 为绝对温度。
P27页表2-4（新教材表2.2）给出了不同温度时黑体辐射的峰值波长。
上述讨论的是黑体辐射，自然界中一般物体不是黑体，但在某一确定温度 时，物体的最强辐射所对应的波长 ，也可以用维恩位移公式计算出近似值。如人体表面温度平均为37℃（即310 ），其发射到空间的电磁辐射的峰值波长为 = ≈9.34 ，即人体辐射的峰值波长位于热红外波段。
维恩位移定律证明了当绝对黑体的温度增高时，最大光谱辐射能量峰值向短波方向移动外，还说明了黑体的辐射能量只与温度有关。即黑体辐射能量的峰值波长与其绝对温度成反比。
3.斯蒂芬（Stefen）—玻尔兹曼定律
该定律证明了黑体单位面积在单位时间内向半球空间辐射的总能量 （即黑体总辐射通量密度，单位为 ）与绝对温度 的四次方成正比。
式中 为斯蒂芬（Stefen）—玻尔兹曼常数。
=（5.6697±0.0029）×10-2W
该定律只适用于绝对黑体，对于一般物体则需加以修正后才能适用。根据基尔霍夫定律和斯蒂芬（Stefen）—玻尔兹曼定律可以导出一般物体发射热辐射的能量为：
上式表明，一般地物的热辐射能量与该地物的绝对温度的四次方及该地物的发射率成正比，所以只要地物有微小的温度差异，就会引起较显著的变化。只要地物的发射率不同，温度相同的两种地物也会表现出不同的辐射特性。因而上述地物热辐射特性构成了热红外遥感的理论基础。
（三）灰体和亮度温度
1. 灰体
根据Plank定律，任何地物在一定的温度条件下，不仅发射热辐射，而且还向外发射微波辐射。地物的微波辐射，亦符合热辐射定律。
黑体的发射率 =1，但是一般地物都不是黑体，其发射系数 均在0~1之间，即都达不到黑体。通常把具有这种辐射特征的物体称为灰体，自然界中的地物都属于灰体。
2. 亮度温度
在测量地物热辐射能量时，习惯上常用亮度温度（亦称辉度温度）来表示地物的特征。所谓亮度温度是指由辐射计把接收到的来自地物的辐射能量转换而来的温度。它可由下式表达：
式中： 为地物的亮度温度。
1- 为地物的反射率。
由于辐射计从高空探测，从上式可以看出：
在可见光波段： =0， ；
即主要由太阳光的反射光来决定 。
在红外波段： 一般趋近于1，
即可用红外辐射计探测地物的表面温度。
在微波波段：由于 ，所以地物的亮度温度除了反映地物的表面温度外，还反映不同地物的不同微波发射率。而微波发射率与地物本身的电学性质（导电率、电磁率）有关。因此，微波辐射计记录下来的等效温度不是观察地区的真实温度，而是受到各种因素影响的结果，因而使得对微波遥感图象的判读更加困难。
（四）地物的发射光谱
地物的发射率随波长变化的规律，称为地物的发射光谱。
（1）若要测定地物的发射光谱，应首先测量地物的发射率，然后根据地物的发射率与波长的对应关系可画出地物的发射光谱曲线。（横坐标为波长，纵坐标为发射率）。
最简单的测量地物发射率的方法是测量地物的反射率（指近红外），然后按 来推求地物的发射率。
（2）P31页图2-12（新教材图2.22）是若干种岩浆岩的发射光谱曲线。图中可见造岩硅酸盐矿物的吸收峰主要出现在9-11 波段。岩石中 的含量对发射光谱的特性有直接影响，其规律是随着 含量的减少，发射率的最低值（吸收最大值）向长波方向迁移。这种岩石的发射光谱正是岩石热红外遥感探测波段的选择依据。美国陆地卫星4号和5号专题制图仪TM6（10.4 -12.5 ），即是针对区分岩石类型，检测岩石硅化蚀变程度而设置的，以弥补可见光，近红外波段在岩石分类方面的不足。
（3）影响地物发射光谱的因素有很多，主要有：
1）加热地物的能量来源
主要来源于太阳的电磁辐射，太阳供给的能量存在着周期性变化。
a.四季太阳光强的变化
这种变化比较缓慢，对地物表面温度的影响在短时间内不明显。
b.昼夜间的温度变化
这种变化对地物表面温度的变化影响极大，导致了地物热辐射能量也发生明显的变化。
2）地物的物理热学性质
不同的地物具有不同的物理热学性质，在受到太阳同等程度的加热条件下，其表面温度的变化各不相同，这些物理热学性质主要有以下几种：
a.反射系数
地物反射系数的大小，直接影响吸收太阳能的多少，也就影响地物的温度。例如：冰雪反射系数很高，吸收系数很低，吸收的太阳能就少，故其温度就低。
b.比热
比热是指物质储存热的能力。即1g物质，温度升高1℃所需热量大小（单位J/（g℃））。地物的比热越大，使其升温所需的热量越大。在其它相同条件下，白天被太阳加温时，比热大的地物表面温度上升较慢，上升幅度也小，到了夜间放热降温时，比热大的地物表面温度下降较慢，下降幅度也较小。所以比热大的地物表面温度周日变化小，反之，地物表面温度的周日变化大。
c.热惯量
它是度量物质热惰性大小的物理量，即表征物质对外界温度变化的热反应的灵敏性，单位为J/（ ℃）。物质热惯量大，对外界温度变化的热反应越迟钝，其地物表面温度周日变化越小。例如：白云岩、砂岩、玄武岩等具有较大的热惯量，它们白天表面温度相对较低，夜间表面相对较高；而页岩、凝灰岩、沙土等热惯量较小，它们白天的表面温度相对较高，夜间的表面温度相对较低，又如水体P27页。
此外地物的热传导率，热扩散率等物理热学性质都有不同程度的影响。
3）其它
主要表现为地形和气候对地物表面的温度也有一定的影响。例如地形阴坡和阳坡的地面温度有明显差异；气候影响地面的温度，地面风的存在与否也会使地表温度明显不同。
三、地物的透射光谱特性
有些地物（如水体和冰），具有透射一定波长电磁波的能力，通常把这些地物叫做透明地物。地物的透射能力一般用透射率表示。透射率即为入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比，用 表示。地物的透射率随着波长和地物的性质不同而不同。例如水体对0.45～0.56 的兰绿光具有一定的透射能力，较混浊的水体的透射深度为1～2m。一般水体的透射深度可达10～20m。又如波长大于1mm的微波对冰体具有透射能力。
一般情况下，绝大多数地物对可见光都没有透射能力。红外线只对具有半导体特征的地物，才有一定的透射能力。微波对地物具有明显的透射能力，主要由入射波的波长而定。因此，在遥感技术中，可根据它们的特性，选择适当的传感器来探测水下、冰下某些地物的信息。
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