1、 第二章第二章 遥感物理基础遥感物理基础第一节第一节 电磁波电磁波 的一般特征的一般特征 根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场能够在根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场能够在它周围引起变化的磁场，这一变化的磁场又在较远它周围引起变化的磁场，这一变化的磁场又在较远的区域内引起新的变化电场，并在更远的区域内引的区域内引起新的变化电场，并在更远的区域内引起新的变化磁场。这种变化的电场和磁场交替产生，起新的变化磁场。这种变化的电场和磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。磁波。射线、射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、射线、紫外线、可见
2、光、红外线、微波、无线电波等都是电磁波。电磁波是一种横波，微波、无线电波等都是电磁波。电磁波是一种横波，这些电磁波有的可以被感受到，有些可以被仪器测这些电磁波有的可以被感受到，有些可以被仪器测量到。量到。.一 电磁辐射电磁辐射的基本特征的基本特征 （一）电磁波电磁波 的传播的传播 电磁波电磁波 的传播是能量存在的一种形式，在传播过程的传播是能量存在的一种形式，在传播过程中与其它物质发生作用，可产生反射、折射、吸收、中与其它物质发生作用，可产生反射、折射、吸收、散射、偏振等现象，从尔使得描述散射、偏振等现象，从尔使得描述电磁波电磁波 的四个物理的四个物理量：波长（频率）、强度、传播方向和偏振面发
3、生变量：波长（频率）、强度、传播方向和偏振面发生变化。从尔带来各种信息，如波长的变化产生颜色的变化。从尔带来各种信息，如波长的变化产生颜色的变化，试想若无散射天空的颜色。化，试想若无散射天空的颜色。.（二）（二）电磁波电磁波 的的叠加和相干叠加和相干 由两个（或两个以上）频率、振动方向相同、相由两个（或两个以上）频率、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅的矢量和。因此会出现交叠波振幅为各个波的振幅的矢量和。因此会出现交叠区某些地方振动加强，某些地方振动减弱或完全抵区某些地方振动加强，某些地方振动减弱或完全抵
4、消的现象。这种现象称为干涉。结果使得探测器在消的现象。这种现象称为干涉。结果使得探测器在某一位置接受到更多的能量，产生亮的效果，而在某一位置接受到更多的能量，产生亮的效果，而在另一位置接受到更少的能量，产生暗的效果，另一位置接受到更少的能量，产生暗的效果，.（三）（三）电磁波电磁波 的的衍射衍射 光通过有限大小的障碍物时偏离直线路径的现光通过有限大小的障碍物时偏离直线路径的现象称为光的衍射。从夫朗和费衍射装置的单缝衍射象称为光的衍射。从夫朗和费衍射装置的单缝衍射实验中可以看到：在入射光垂直于单缝平面时的单实验中可以看到：在入射光垂直于单缝平面时的单缝衍射实验图样中，中间有特别明亮的亮纹，两侧缝
5、衍射实验图样中，中间有特别明亮的亮纹，两侧对称地排列着一些强度逐渐减弱的亮纹。如果单缝对称地排列着一些强度逐渐减弱的亮纹。如果单缝变成小孔，由于小孔衍射，在屏幕上就有一个亮斑，变成小孔，由于小孔衍射，在屏幕上就有一个亮斑，它周围还有逐渐减弱的明暗相间的条纹。它周围还有逐渐减弱的明暗相间的条纹。.（四）（四）电磁波电磁波 的的偏振偏振 电磁波有偏振、部分偏振和非偏振波，许多散电磁波有偏振、部分偏振和非偏振波，许多散射光、反射光、透射光是部分偏振光。偏振在微射光、反射光、透射光是部分偏振光。偏振在微波技术中称为波技术中称为“极化极化”。遥感技术中的偏振摄影。遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就利用了电
6、磁波的偏振这一特性。和雷达成像就利用了电磁波的偏振这一特性。偏振可以影响地物的反射率。偏振可以影响地物的反射率。生活中的偏振如立体电影、偏光显微镜。生活中的偏振如立体电影、偏光显微镜。.（五）（五）电磁波电磁波 的多普勒效应的多普勒效应 由观测者和辐射源的相对运动引起由观测者和辐射源的相对运动引起电磁波电磁波频率的改频率的改变。如声波的改变，天文学中的红移现象形成大爆炸变。如声波的改变，天文学中的红移现象形成大爆炸理论的基础。理论的基础。遥感中运载工具与观测物之间的相对运动也会引起遥感中运载工具与观测物之间的相对运动也会引起电磁波电磁波频率的改变，但飞行速度与光速相差很大。频率的改变，但飞行速
7、度与光速相差很大。多多普勒效应不明显。普勒效应不明显。.（六）（六）电磁波电磁波 的波粒二象性的波粒二象性 电磁波具有波动性和粒子性两方面特性（似乎矛盾）电磁波具有波动性和粒子性两方面特性（似乎矛盾）波动性可由波动性可由波长、频率、速度、周期、波长、频率、速度、周期、相干、衍射、相干、衍射、偏振、偏振、多普勒效应来表征。多普勒效应来表征。粒子性可由光电效应粒子性可由光电效应来表征。来表征。不同波长的不同波长的电磁波波动性和粒子性表现的程度电磁波波动性和粒子性表现的程度不同，不同，短波长的短波长的电磁波主要表现为粒子性，而电磁波主要表现为粒子性，而长波长的长波长的电磁电磁波主要表现为波动性。波主
8、要表现为波动性。.二二 电磁波谱电磁波谱 不同的电磁波由不同的波源产生。不同的电磁波由不同的波源产生。射线、射线、X X射线、射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等都属于电紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等都属于电磁波。如果我们按电磁波在真空中传播的波长或频率递磁波。如果我们按电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减顺序排列，就能得到电磁波谱图。增或递减顺序排列，就能得到电磁波谱图。电磁波波长范围非常宽电磁波波长范围非常宽无线电波无线电波:长波长波:大于大于30003000m m 中波和短波中波和短波:10-3000:10-3000m m 超短波超短波:1-10:1-10m m.
9、微波微波:1 1mm-1m mm-1m（能进行全天候全天时的遥感探测。微波能进行全天候全天时的遥感探测。微波遥感可以采用主动或被动方式成像，另外，微波对某些物质遥感可以采用主动或被动方式成像，另外，微波对某些物质具有一定的穿透能具有一定的穿透能 力，能直接透过植被、冰雪、土壤等表层力，能直接透过植被、冰雪、土壤等表层覆盖物。覆盖物。）可分为：可分为：毫米波毫米波:1:1mm-10mmmm-10mm、厘米波厘米波:1:1cm cm 10cm 10cm:分米波分米波:1 1dm dm 10dm 10dm 红外波段红外波段:0.76-10000.76-1000m m（范围宽，为遥感主要范围宽，为遥感
10、主要 波段，波段，白天夜间均可成像）白天夜间均可成像）其中其中 近红外；近红外；0.76-3 0.76-3m m 中红外：中红外：3-6 3-6m m 远红外：远红外：6-15 6-15m m 超远红外：超远红外：15-1000 15-1000m m（也有其它划分）也有其它划分）.可见光：可见光：0.38 0.76m（范围窄，遥感主要波段）范围窄，遥感主要波段）其中其中 紫紫：0.38 0.43m 蓝蓝：0.43 0.47m 青青：0.47 0.50m 绿绿：0.50 0.56m 黄黄；0.56 0.59m 橙橙；0.59 0.62m 红红；0.62 0.76m 紫外线紫外线：0.001 0.
11、38 m（紫外线在通过大气层时，波长小于紫外线在通过大气层时，波长小于0.30.3mm的紫外线几乎都被吸收，只有的紫外线几乎都被吸收，只有0.30.30.40.4mm波长的紫外线部波长的紫外线部分能分能 穿过大气层到达地面，且能量很少。紫外波段从空中可探测穿过大气层到达地面，且能量很少。紫外波段从空中可探测的的 高度大致在高度大致在20002000m m以下，对高空遥感不宜采用。）以下，对高空遥感不宜采用。）X射线射线：10-6 10-3m 射线射线：小于小于10-6m.特点特点电磁波波长范围非常宽。电磁波波长范围非常宽。射线到射线到-无线电波的波长之比高达无线电波的波长之比高达1022倍以上
12、。倍以上。遥感波段：紫外遥感波段：紫外-微波。微波。传感器通过探测或感测不同波段电磁波谱的传感器通过探测或感测不同波段电磁波谱的发射、反射辐射而成像，电磁波的存在是获取发射、反射辐射而成像，电磁波的存在是获取图像的物理前提。根据不同的目的选择不同的图像的物理前提。根据不同的目的选择不同的波谱段。波谱段。.第二节第二节 电磁辐射源电磁辐射源一一 电磁辐射的有关概念电磁辐射的有关概念 1 1 辐射能量（辐射能量（Q）：）：电磁波辐射的能量。电磁波辐射的能量。单位：焦耳（单位：焦耳（J）2 2 辐射通量（辐射功率，辐射通量（辐射功率，）：）：单位时间内通过单位时间内通过某一表面的辐射能量。某一表面的
13、辐射能量。单位：瓦（单位：瓦（W，焦耳焦耳/秒）。秒）。=dQ/dt=dQ/dt 3 3 辐射出射度（辐射通量密度辐射出射度（辐射通量密度W）：）：面辐射源面辐射源在单位时间内，从单位面积上辐射出的辐射能量。即物在单位时间内，从单位面积上辐射出的辐射能量。即物体单位面积上发出的辐射通量。体单位面积上发出的辐射通量。单位：瓦单位：瓦/米米2。W=d/dAd/dA.4 4 辐射照度（辐射照度（E）：）：面辐射源在单位时间内，从单位面辐射源在单位时间内，从单位面积上接收的辐射能量。即照射到物体单位面积上的辐射面积上接收的辐射能量。即照射到物体单位面积上的辐射通量。通量。单位：瓦单位：瓦/米米2。M=
14、d/dAd/dA 5 5 辐射强度（辐射强度（I）：）：点辐射源在单位立体角、单位时点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐射能量。即点辐射源在单位立间内，向某一方向发出的辐射能量。即点辐射源在单位立体角内发出的辐射通量。体角内发出的辐射通量。单位：瓦单位：瓦/球面度。球面度。I=d/d 6 6 辐射亮度辐射亮度(L)：面辐射源在单位立体角、单位时间面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积上辐射出的辐射能量。内，在某一垂直于辐射方向单位面积上辐射出的辐射能量。即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量。即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量。单
15、位：瓦单位：瓦/米米2.球面度。球面度。L=d/d.dA cos/d.dA cos.二二 物体的热辐射物体的热辐射 宇宙中的各种物体，如太阳、各种星体、一定厚宇宙中的各种物体，如太阳、各种星体、一定厚度的大气层、人造飞行器、地球及地球上各种生物、度的大气层、人造飞行器、地球及地球上各种生物、非生物都是热辐射源。为了便于讨论一般物体的热辐非生物都是热辐射源。为了便于讨论一般物体的热辐射性质，需要有一个理想的标准热辐射体作为参照源，射性质，需要有一个理想的标准热辐射体作为参照源，这个参照源就是绝对黑体。这个参照源就是绝对黑体。一般物体的发射率小于绝对黑体的发射率，因而，一般物体的发射率小于绝对黑体
16、的发射率，因而，物体的辐射温度小于它的实际温度。为了求出一般物物体的辐射温度小于它的实际温度。为了求出一般物体的辐射温度，必须采用与绝对黑体进行比较的方法。体的辐射温度，必须采用与绝对黑体进行比较的方法。.（一）黑体辐射（一）黑体辐射 1860 1860年，基尔霍夫得出了好的吸收体也是好的辐射年，基尔霍夫得出了好的吸收体也是好的辐射体这一定律。它说明了凡是吸收热辐射能力强的物体，体这一定律。它说明了凡是吸收热辐射能力强的物体，它们的热发射能力也强；凡是吸收热辐射能力弱的物体，它们的热发射能力也强；凡是吸收热辐射能力弱的物体，它们的热发射能力也就弱。它们的热发射能力也就弱。绝对黑体：对于任何波长
17、的电磁辐射全部吸绝对黑体：对于任何波长的电磁辐射全部吸收的物体。收的物体。绝对黑体是没有的，实验上理想的绝对黑体为空腔绝对黑体是没有的，实验上理想的绝对黑体为空腔壁由不透明的材料制成的、对辐射只有吸收和反射作用壁由不透明的材料制成的、对辐射只有吸收和反射作用的物体。最接近黑体的辐射源是恒星和太阳。的物体。最接近黑体的辐射源是恒星和太阳。（示空腔壁）（示空腔壁）.不同类的物体具有不同的吸收率不同类的物体具有不同的吸收率和反射率和反射率。1 1 绝对黑体：吸收率绝对黑体：吸收率(,T)1,(,T)1,反射率反射率（,T,T）00；2 2 绝对白体：吸收率绝对白体：吸收率(,T)0(,T)0，反射率
18、反射率（,T,T）11，与温度和波长无关。与温度和波长无关。3 3 一般物体：对入射到它上面的电磁波只有一般物体：对入射到它上面的电磁波只有吸收和反射作用，吸收率吸收和反射作用，吸收率(,T)(,T)+反射率反射率（，T T）=1 1.普朗克公式：普朗克公式：1900年普朗克用量子理论概念推导黑体辐射通量年普朗克用量子理论概念推导黑体辐射通量密度密度W和其温度的关系以及按波长和其温度的关系以及按波长分布的辐射分布的辐射定律：定律：式中：式中：W 分谱辐射通量密度分谱辐射通量密度 单位单位W W（cmcm2 2mm）；）；波长波长 单位是单位是mm；h 普朗克常数普朗克常数(6.625610-3
19、4.Js)c 光速光速(31010cm/s)；k k 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数(1.38(1.381010-23-23J JK)K).不同温度下黑体辐射波谱曲线不同温度下黑体辐射波谱曲线.图中可直观地看出黑体辐射的三个特性：图中可直观地看出黑体辐射的三个特性：（1）与曲线下的面积成正比的总辐射通量密度）与曲线下的面积成正比的总辐射通量密度W是是随温度随温度T的增加而迅速增加。总辐射通量密度的增加而迅速增加。总辐射通量密度W可在从可在从零到无穷大的波长范围内。对普朗克公式进行积分，零到无穷大的波长范围内。对普朗克公式进行积分，即即 （2）维恩位移定律）维恩位移定律 分谱辐射能量密度的峰值波长随分
20、谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动。它表明：黑体的绝对温度温度的增加向短波方向移动。它表明：黑体的绝对温度增高时，它的最大辐射本领向短波方向位移。增高时，它的最大辐射本领向短波方向位移。max=2886/Tmax=2886/T微米微米.K K.若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的波段。将太阳、地球的温度代入，可得峰值波波段。将太阳、地球的温度代入，可得峰值波0.470.47m m 和和9,6 9,6 m m 如果辐射最大值在可见光波段，物体的颜色会随如果辐射最大值在可见光波段，物体的颜色会随着温度的升高而变化，波长变短。（如星体）
21、着温度的升高而变化，波长变短。（如星体）（3）每根曲线彼此不相交，故温度）每根曲线彼此不相交，故温度T越高，所有波越高，所有波长上的波谱辐射通量密度也越大。长上的波谱辐射通量密度也越大。一般物体的发射辐射一般物体的发射辐射 自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量都比相同自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量都比相同条件下绝对黑体的要低。实际物体的辐射不仅依赖于条件下绝对黑体的要低。实际物体的辐射不仅依赖于波长和温度，还与构成物体的材料、表面状况等因素波长和温度，还与构成物体的材料、表面状况等因素有关。有关。.发射率发射率来表示它们之间的关系：来表示它们之间的关系：=W/W=W/W 发射率发射率就是
22、实际物体与同温度的黑体在相同条件就是实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比。下辐射功率之比。分类：分类：绝对黑体绝对黑体1 1 灰体灰体 在各波长处的光谱发射率在各波长处的光谱发射率相等即：相等即：但但0 01 1 选择性辐射体选择性辐射体 在各波长处的光谱发射率在各波长处的光谱发射率不不同同()()理想反射体（绝对白体）理想反射体（绝对白体）0 0.材料材料温度温度(C)C)发射率发射率 人皮肤人皮肤 土壤土壤(干干)水水 石英岩石英岩 大理石大理石 铝铝 铜铜 铁铁 钢钢 沙沙 混凝土混凝土 32 20 20 20 20 100 100 40 100 20 20 0.98-0.99
23、 0.92 0.96 0.63 0.94 0.05 0.03 0.21 0.07 0.90 0.92几种主要地物的发射率几种主要地物的发射率.同一种物体的发射率与温度有关同一种物体的发射率与温度有关温度温度-20-20o oC C0 0o oC C2020o oC C4040o oC C石英岩石英岩花岗岩花岗岩0.6940.6940.7870.7870.6820.6820.7830.7830.6210.6210.7800.7800.6640.6640.7770.777.（二（二）物体的热惯量物体的热惯量 热惯量（热惯量（P P）是物体对环境温度变化的热反映灵敏是物体对环境温度变化的热反映灵敏性
24、的一种量度，性的一种量度，P P值越大，对环境温度变化的反映越值越大，对环境温度变化的反映越迟钝。热惯量与物体的密度及热学参量的关系为：迟钝。热惯量与物体的密度及热学参量的关系为：P=P=（k.c)k.c)1/21/2 P P 热惯量热惯量 焦尔焦尔/厘米厘米2.2.秒秒1/21/2 k k 热扩散系数热扩散系数 厘米厘米2 2/秒秒 （表示温度变化速率）（表示温度变化速率）密度密度 克克/厘米厘米2 2 c c 比热比热 焦尔焦尔/克克.度度 热传导方程可证明，当物体吸收或损失的热量相同热传导方程可证明，当物体吸收或损失的热量相同时，其温度的变化幅度与热惯量的大小成反比。时，其温度的变化幅度
25、与热惯量的大小成反比。.三种岩石的三种岩石的热惯量值热惯量值 P P白云岩白云岩=0.0962=0.0962 P P灰岩灰岩=0.0765=0.0765 P P花岗岩花岗岩=0.0593=0.0593 图中可见花岗岩对环境温度最敏感，而白云岩最迟钝。全图中可见花岗岩对环境温度最敏感，而白云岩最迟钝。全天花岗岩的温差最大，白云岩的温差最小。天花岗岩的温差最大，白云岩的温差最小。可以推测，不同物体温差最大时，遥感图象上反映的光谱可以推测，不同物体温差最大时，遥感图象上反映的光谱特征差别最大，最特征差别最大，最容易将不同物体区容易将不同物体区分开来。中午一点分开来。中午一点和黎明时分物体温和黎明时分
26、物体温差最大，是利用热差最大，是利用热红外成象的有利时红外成象的有利时机。机。.（三（三）太阳辐射和地球辐射太阳辐射和地球辐射 1 1 太阳辐射太阳辐射 传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波，主要传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波，主要是来自太阳辐射的一种转换形式。是来自太阳辐射的一种转换形式。1 1）太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳一个天）太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间里所接收的太阳辐射能量：时间里所接收的太阳辐射能量：平均常数为平均常数为14001400W/mW/m2
27、2 远地点常数为远地点常数为13451345W/mW/m2 2 近地点常数为近地点常数为14381438W/mW/m2 2太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量。太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量。.2 2）太阳温度：）太阳温度：5900 5900K K，可近似的看作黑体辐射，可近似的看作黑体辐射，3)3)太阳能量：太阳能量：总辐射能为总辐射能为3.8 3.8 x 10 x 1033 33 尔格尔格/秒，秒，到达地球的辐射能为到达地球的辐射能为1.8 1.8 x 10 x 1023 23 尔格尔格/秒。秒。4 4）能量分布：能量分布：太阳辐射从近紫外到中红外这一太阳辐射从近紫外到中红外
28、这一波段区间能量最集中而且相对来说较稳定。在波段区间能量最集中而且相对来说较稳定。在X X射线、射线、射线、远紫外及微波波段，能量小但变化大。被动遥射线、远紫外及微波波段，能量小但变化大。被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射。感主要利用可见光、红外等稳定辐射。.5 5）太阳与大气的作用）太阳与大气的作用 约约30%30%的能量被云层和大气反射回去。约的能量被云层和大气反射回去。约17%17%的能的能量被大气吸收。约量被大气吸收。约22%22%的能量被大气散射，大部分到的能量被大气散射，大部分到达地表。约达地表。约31%31%的能量直接到达地表。的能量直接到达地表。.2 2 地球辐射地球辐射
29、1 1）辐射特点）辐射特点 地球的温度为地球的温度为2902900 0K K，辐射峰值波长为，辐射峰值波长为9,6 9,6 m m，位于热红外区。位于热红外区。2 2）能量来源）能量来源 太阳辐射与地球内部的热能，太阳辐射太阳辐射与地球内部的热能，太阳辐射从地表向下增温，地球内部的热能向从地表向下增温，地球内部的热能向上上传导，形成热平传导，形成热平衡线，热平衡线以衡线，热平衡线以上上主要受太阳辐射的影响，以下主要主要受太阳辐射的影响，以下主要受地球内部的热能的影响。固地球的长波辐射主要由太受地球内部的热能的影响。固地球的长波辐射主要由太阳的短波辐射转化而来。阳的短波辐射转化而来。3 3）遥感
30、主要波段为）遥感主要波段为 8-14 8-14m m 该波段占其总辐射能的该波段占其总辐射能的约约50%50%。（夜间成象）。（夜间成象）.第三节第三节 地球地球大气对电磁辐射传输的影响大气对电磁辐射传输的影响 地球大气从垂直方向可划分成四层，对流层、平流地球大气从垂直方向可划分成四层，对流层、平流层、电离层和外大气层。层、电离层和外大气层。大气成分可分为不变成分和可变成分：大气成分可分为不变成分和可变成分：不变成分主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、不变成分主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢等（这些气体在氧化氮、氢等（这些气体在8080kmkm以下的相对比例保持不以下的相对比
31、例保持不变，含量各不相同，空气中不变成分的相对含量是氮占变，含量各不相同，空气中不变成分的相对含量是氮占78.0978.09，氧占，氧占20.95%20.95%，氩等其余气体共占不到，氩等其余气体共占不到1 1），），可变成分主要有臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、可变成分主要有臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟（这些气体的含量随高度、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟（这些气体的含量随高度、温度、位置而变。可变成分中，臭氧含量较少，水蒸气温度、位置而变。可变成分中，臭氧含量较少，水蒸气含量不固定，在海平面潮湿的大气中，水蒸气含量可高含量不固定，在海平面潮湿的大气中，水蒸气含量可
32、高达达2 2，液态和固态水含量也随着气象而变化。，液态和固态水含量也随着气象而变化。）。）。（见（见1212、1313页）页）.成分成分化学符号化学符号体积百分比体积百分比 氮氮 氧氧 氩氩 二氧化碳二氧化碳 氖氖 氦氦 甲烷甲烷 氪氪 氧化氮氧化氮 氢氢 氙氙 N2 O2 Ar CO2 Ne He CH4 Kr N2O H2 Xe78.08420.9460.9340.0321.818 x 10-35.24 x 10-42.0 x 10-41.14 x 10-45.0 x 10-35.0 x 10-39.0 x 10-5不变成分的不变成分的体积百分比体积百分比.一一 大气散射大气散射 大气中的
33、粒子与细小微粒如烟、尘埃、雾霾、小水大气中的粒子与细小微粒如烟、尘埃、雾霾、小水滴及气溶胶等对大气具有散射作用。散射作用使在原传滴及气溶胶等对大气具有散射作用。散射作用使在原传播方向上的辐射强度减弱，增加了向其他各个方向的辐播方向上的辐射强度减弱，增加了向其他各个方向的辐射。称为散射。散射现象的实质是电磁波传输中遇到大射。称为散射。散射现象的实质是电磁波传输中遇到大气微粒产生的一种衍射现象。气微粒产生的一种衍射现象。比值因子比值因子 q=2/(颗粒半径，颗粒半径，波长波长)大气散射有以下三种情况：大气散射有以下三种情况：（1）瑞利散射。当大气中粒子的直径小于波长）瑞利散射。当大气中粒子的直径小
34、于波长1/10或更小时发生的散射。即或更小时发生的散射。即 q 3 讨论讨论 雨后、沙尘暴及雨后、沙尘暴及清晨太阳呈红色清晨太阳呈红色的情况的情况.电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来的传播方向电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来的传播方向瑞利散射瑞利散射米氏散射米氏散射.二二 大气吸收大气吸收 太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用，吸收作用使辐射能量变成分某些波段有吸收作用，吸收作用使辐射能量变成分子的内能，引起这些波段的太阳辐射强度衰减。子的内能，引起这些波段的太阳辐射强度衰减。吸收分子吸收分子 吸收带中心波长（吸收带中心波长（
35、m）H2OCO2O2O3N2OCH4CO水滴水滴 0.94 1.14 1.38 1.87 2.7 3.2 3.7 6.3 1.4 1.6 2.0 2.74 4.3 4.8 5.2 150.2 0.69 0.760.29 0.60 4.8 9.6 14 4.7 7.8 3.2 7.8 4.80.59 3.0 _为强为强吸收吸收.三三 大气折射、反射和透射大气折射、反射和透射 大气折射大气折射 电磁波穿过大气层时，除了吸收和散电磁波穿过大气层时，除了吸收和散射两种影响以外，还会产生传播方向的改变，产生折射两种影响以外，还会产生传播方向的改变，产生折射现象。大气的折射率与大气圈层的大气密度直接相射现
36、象。大气的折射率与大气圈层的大气密度直接相关。关。大气反射大气反射 主要为云层，云层厚度会影响反射率主要为云层，云层厚度会影响反射率反射同样满足反射定律反射同样满足反射定律 大气透射现象大气透射现象 太阳电磁辐射经过大气到达地面时，太阳电磁辐射经过大气到达地面时，可见光和近红外波段电磁辐射被云层或其它粒子反射可见光和近红外波段电磁辐射被云层或其它粒子反射的比例约占的比例约占30，散射约占，散射约占22，大气吸收约占，大气吸收约占17，透过大气到达地面的能量仅占入射总能量的透过大气到达地面的能量仅占入射总能量的31。反。反射、散射和吸收作用共同衰减了辐射强度，剩余部分射、散射和吸收作用共同衰减了
37、辐射强度，剩余部分即为透过的部分。剩余强度越高，透过率越高。对遥即为透过的部分。剩余强度越高，透过率越高。对遥感传感器而言，透过率高的波段，才对遥感有意义。感传感器而言，透过率高的波段，才对遥感有意义。.四四 大气窗口与遥感波谱通道大气窗口与遥感波谱通道 电磁波通过大气层时较少被反射、吸收和散射的，电磁波通过大气层时较少被反射、吸收和散射的，透过率较高的波段透过率较高的波段.常用窗口常用窗口 1 1 反射窗口区反射窗口区 1 1）0.3-1.3 0.3-1.3m m 紫外、可见光、红外，白天作业，紫外、可见光、红外，白天作业，摄影、扫描。摄影、扫描。2 2）1.5-1.7 1.5-1.7m m
38、 和和 2.0-2.5 2.0-2.5 m m 白天作业，扫白天作业，扫描。描。2 2 反射和发射混合窗口区反射和发射混合窗口区 3-4 3-4mm和和 4.5-5 4.5-5 m m 全天侯作业。全天侯作业。3 3 发射窗口区发射窗口区 1 1）8-14 8-14 m m 主要为夜间作业。主要为夜间作业。2 2）微波区）微波区 主动与被动。（祥见主动与被动。（祥见1313页）页）.第四节第四节 地物波谱特征地物波谱特征 地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律，称为地物波谱。地物波谱是电磁辐射与地物相互作律，称为地物波谱。地物波谱是电磁辐射与
39、地物相互作用的结果。不同的物质反射、透射、吸收、散射和发射用的结果。不同的物质反射、透射、吸收、散射和发射电磁波的能量是不同的，它们都具有本身特有的变化规电磁波的能量是不同的，它们都具有本身特有的变化规律，表现为地物波谱随波长而变的特性，这些特性叫做律，表现为地物波谱随波长而变的特性，这些特性叫做地物波谱特性。地物的波谱特征是遥感识别地物的基础。地物波谱特性。地物的波谱特征是遥感识别地物的基础。在遥感中，测量地物的反射波谱特性曲线主要有以下三在遥感中，测量地物的反射波谱特性曲线主要有以下三种作用种作用：其一，它是选择遥感波谱段、设计遥感仪器的：其一，它是选择遥感波谱段、设计遥感仪器的依据；其二
40、，在外业测量中，它是选择合适的飞行时间依据；其二，在外业测量中，它是选择合适的飞行时间的基础资料；第三，它是有效地进行遥感图像数字处理的基础资料；第三，它是有效地进行遥感图像数字处理的前提之一，是用户判读、识别、分析遥感影像的基础。的前提之一，是用户判读、识别、分析遥感影像的基础。.一一 地物的反射波谱地物的反射波谱一）地物的反射类别一）地物的反射类别物体对电磁波的反射有三种形式：物体对电磁波的反射有三种形式：1 1 镜面反射：镜面反射是指物体的反射满足反射定镜面反射：镜面反射是指物体的反射满足反射定律，反射角律，反射角=入射角。当发生镜面反射时，对于不透明入射角。当发生镜面反射时，对于不透明
41、物体，其反射能量等于入射能量减去物体吸收的能量。物体，其反射能量等于入射能量减去物体吸收的能量。自然界中真正的镜面很少，非常平静的水面可以近似认自然界中真正的镜面很少，非常平静的水面可以近似认为是镜面。为是镜面。镜面反射镜面反射漫反射漫反射混合反射混合反射.2 2 漫反射：如果入射电磁波波长漫反射：如果入射电磁波波长不变，表面粗糙度不变，表面粗糙度h逐渐增加，直到逐渐增加，直到h与与同数量级，这时整个表面均匀反同数量级，这时整个表面均匀反射入射电磁波。射入射电磁波。3 3 混合反射：表面粗糙度中等实际地物表面由于地混合反射：表面粗糙度中等实际地物表面由于地形起伏，在某个方向上反射最强烈，这种现
42、象称为混合形起伏，在某个方向上反射最强烈，这种现象称为混合反射。是镜面反射和漫反射的结合。反射。是镜面反射和漫反射的结合。表面粗糙度是相对的概念，是与表面粗糙度是相对的概念，是与相比较而言。相比较而言。二）地物反射率的量测二）地物反射率的量测 反射率反射率=地物某微小波段反射辐射通量地物某微小波段反射辐射通量/入射辐射通量入射辐射通量 x 100%x 100%反射率是波长的函数，也是入射角、物体的电学特反射率是波长的函数，也是入射角、物体的电学特性、表面粗糙度以及质地的函数。性、表面粗糙度以及质地的函数。.三）地物的反射波谱特性曲线三）地物的反射波谱特性曲线 反射波谱是某物体的反射率（或反射辐
43、射能）随波长变反射波谱是某物体的反射率（或反射辐射能）随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的曲线。化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的曲线。1 1 水体的反射波谱特性水体的反射波谱特性 水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收率很强，水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收率很强，特别在近红外、中红外波段有很强的吸收带，反射率几乎特别在近红外、中红外波段有很强的吸收带，反射率几乎为零，因此在遥感中常用近红外波段确定水体的位置和轮为零，因此在遥感中常用近红外波段确定水体的位置和轮廓，在此波段的黑白正片上，水体的色调很黑，与周围的廓，在此波段的黑白正片上，水体的色调很黑，
44、与周围的植被和土壤有明显的反差，很容易识别和判读。但是当水植被和土壤有明显的反差，很容易识别和判读。但是当水中含有其他物质时，反射光谱曲线会发生变化。水含泥沙中含有其他物质时，反射光谱曲线会发生变化。水含泥沙时，由于泥沙的散射作用，可见光波段发射率会增加，峰时，由于泥沙的散射作用，可见光波段发射率会增加，峰值出现在黄红区。水中含有叶绿素时，近红外波段明显抬值出现在黄红区。水中含有叶绿素时，近红外波段明显抬升，水面与阳光角度也会影响其反射率。升，水面与阳光角度也会影响其反射率。.不同水体的反射波谱不同水体的反射波谱.新雪与陈雪的反射特性曲线新雪与陈雪的反射特性曲线.2 2 植物的反射波谱特性植物
45、的反射波谱特性 可见光波段：在可见光波段：在0.450.45微米附近区间（兰色波段）有一个吸收谷，微米附近区间（兰色波段）有一个吸收谷，在在0.550.55微米附近区间（绿色波段）有一个反射峰，在微米附近区间（绿色波段）有一个反射峰，在0.670.67微米附近微米附近区间（红色波段）有一个吸收谷。区间（红色波段）有一个吸收谷。近红外波段：从近红外波段：从0.760.76mm处反射率迅速增大，形成一个爬升的处反射率迅速增大，形成一个爬升的的的“陡坡陡坡”，至，至1.11.1mm附近有一峰值，反射率最大可达附近有一峰值，反射率最大可达50%50%，形成，形成植被的独有特征。植被的独有特征。中红外波
46、段：中红外波段：1.5-1.91.5-1.9微米光谱区反射率增大。在微米光谱区反射率增大。在1.451.45mm，1.95m1.95m和和2.72.7mm为中心的附近区间受到绿色植物含水量的影响，为中心的附近区间受到绿色植物含水量的影响，反射率下降，形成低谷。反射率下降，形成低谷。.四种植物的反射波谱特性曲线四种植物的反射波谱特性曲线.同一作物在不同生长阶段的波谱特性曲线（表现为时间效应）同一作物在不同生长阶段的波谱特性曲线（表现为时间效应）.植物类型植物类型.植物类型及生长季节植物类型及生长季节.植被生长状态（病虫害影响）植被生长状态（病虫害影响）.3 3 岩石的波谱特性岩石的波谱特性 1
47、1）岩石的反射波谱特性）岩石的反射波谱特性 岩石的反射波谱特性曲线的形态受岩石成分、矿物岩石的反射波谱特性曲线的形态受岩石成分、矿物质含量、含水状况、风化程度、颗粒大小、色泽、表面质含量、含水状况、风化程度、颗粒大小、色泽、表面光滑程度等的影响。在遥感探测中可以根据所测岩石的光滑程度等的影响。在遥感探测中可以根据所测岩石的具体情况选择不同的波段。具体情况选择不同的波段。.砖红色砂岩砖红色砂岩灰绿色砂岩灰绿色砂岩紫色砂岩紫色砂岩黑灰色砂岩黑灰色砂岩.岩石岩石反射波谱特点反射波谱特点 1 1 反射率多在反射率多在10-40%10-40%之间，超过之间，超过50%50%者甚少。者甚少。2 2 岩石的
48、岩石的反射率一般在反射率一般在0.60.6m m 明显升高，因而各明显升高，因而各种种岩石的岩石的反射率差植增大，易于区分。反射率差植增大，易于区分。3 3自然界中自然界中 SiOSiO2 2 是浅色矿物，量多、反射率高。其是浅色矿物，量多、反射率高。其在各类在各类岩石中的含量与岩石类型关系密切，可借以判岩石中的含量与岩石类型关系密切，可借以判断岩石类型。断岩石类型。4 岩石的岩石的反射率受前述因素的影响。反射率受前述因素的影响。.2 2）岩石的发射波谱特性）岩石的发射波谱特性 岩石的发射波谱受岩石成分、结构构造、表面状况、岩石的发射波谱受岩石成分、结构构造、表面状况、温度等的影响。温度等的影
49、响。（1 1）岩石的发射率与表面粗燥度有关，越粗，发射率）岩石的发射率与表面粗燥度有关，越粗，发射率越高。越高。（2 2）岩石的发射率与颜色有关，越暗。发射率越高。）岩石的发射率与颜色有关，越暗。发射率越高。（3 3）基尔霍夫定律）基尔霍夫定律 （）=()=1-()=1-0 0 即；即；发射率发射率=吸收率吸收率=1-=1-反射率。反射率。（4 4）岩石发射率的极小值对应波长与岩石性质有关。）岩石发射率的极小值对应波长与岩石性质有关。（5 5）岩石热惯量不同，一天中温差不同，成象时刻应）岩石热惯量不同，一天中温差不同，成象时刻应有选择。有选择。.4 4 土壤的反射波谱特征土壤的反射波谱特征 自
50、然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值，土壤的反射率一般随波长的增加而增加，和谷值，土壤的反射率一般随波长的增加而增加，在可见光和近红外波段明显，土壤对所有的入射能在可见光和近红外波段明显，土壤对所有的入射能均吸收或反射，无透射。土壤本身是一种复杂的混均吸收或反射，无透射。土壤本身是一种复杂的混合物，由物理和化学性质不同的各不相同的物质组合物，由物理和化学性质不同的各不相同的物质组成，会不同程度的影响土壤的反射和吸收光谱特征。成，会不同程度的影响土壤的反射和吸收光谱特征。一般来讲土壤的光谱特性曲线与以下一些因素有一般来讲土壤的光谱特性曲线与以下一些
