遙感概論第2章：電磁輻射與地物波譜特征

《遙感導(dǎo)論》第二章電磁輻射與地物光譜特征12

2.1電磁波譜與電磁輻射

2.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響

2.3地球的輻射與地物波譜本章主要內(nèi)容：遙感的物理基礎(chǔ)，包括電磁波譜、黑體的概念，太陽(yáng)輻射和地球輻射的特征，大氣對(duì)電磁輻射的影響及地物反射波譜特征與測(cè)量等。

2.1電磁波譜與電磁輻射

2.1.1電磁波譜 2.1.2電磁輻射的度量 2.1.3黑體輻射32.1.1電磁波譜1、波振動(dòng)的傳播稱為波。波機(jī)械波電磁波如光波、熱輻射、微波、無(wú)線電波等波動(dòng)形式縱波如聲波橫波如電磁波452、

電磁波電磁波：是指在真空或物質(zhì)中通過(guò)傳播電磁場(chǎng)的振動(dòng)而傳輸電磁能量的波。當(dāng)電磁振蕩進(jìn)入空間時(shí)，變化的磁場(chǎng)激發(fā)了渦旋電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)激發(fā)了渦旋磁場(chǎng)，使電磁振蕩在空間傳播，形成電磁波，也稱電磁輻射。1887年由赫茲試驗(yàn)證實(shí)6電磁波的特性電磁波是橫波，其性質(zhì)與光波相同，在真空中以光速（3×108m/s）傳播；在空間向各個(gè)方向傳播；遇到介質(zhì)會(huì)發(fā)生反射、折射、吸收、透射、發(fā)射和散射等現(xiàn)象；電磁波的疊加原理：兩列以上的波在同一空間傳播時(shí)，空間質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)表現(xiàn)為各單列波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的矢量合成。

E:電場(chǎng)、H:磁場(chǎng)、λ:波長(zhǎng)、h:振幅

電磁振源傳播方向電磁波傳播電磁波的特性電磁波具有波粒二象性：電磁波在傳播過(guò)程中，主要表現(xiàn)為波動(dòng)性；在與物質(zhì)相互作用時(shí)，主要表現(xiàn)為粒子性。波粒二象性的程度與電磁波的波長(zhǎng)有關(guān)：波長(zhǎng)愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長(zhǎng)愈長(zhǎng)，輻射的波動(dòng)特性愈明顯。一般傳感器僅記錄振幅信息h為普朗克常數(shù)波動(dòng)性粒子性波動(dòng)性：把電磁振動(dòng)的傳播作為光滑連續(xù)的波對(duì)待，用波長(zhǎng)、頻率、振幅等來(lái)描述。粒子性：把電磁輻射能分解為非常小的微粒子---光子，其能量大小用頻率來(lái)描述。7電磁波的特性光是電磁波的一個(gè)特例光的波動(dòng)性---表現(xiàn)在光的干涉、衍射、偏振和色散等現(xiàn)象中；光的粒子性---表現(xiàn)在光電效應(yīng)、黑體輻射等現(xiàn)象中。8電磁波的特性電磁波4要素：頻率（或波長(zhǎng)）、傳播方向、振幅及偏振面。振幅表示電場(chǎng)振動(dòng)的強(qiáng)度，振幅的平方與電磁波具有的能量大小成正比，從目標(biāo)物體中輻射的電磁波的能量叫輻射能。對(duì)應(yīng)著遙感影像中的亮度或色調(diào)深淺。傳播方向在遙感系統(tǒng)中很重要，主要關(guān)系到輻射源、地物和遙感平臺(tái)三者間的位置關(guān)系。偏振是指電磁波的電場(chǎng)振動(dòng)的方向，電場(chǎng)方向的平面叫偏振面，偏振面的方向一定的情況叫直線偏振。對(duì)于可見(jiàn)光和紅外遙感，尚沒(méi)有開(kāi)發(fā)利用這個(gè)性質(zhì)。在微波遙感(雷達(dá)遙感)中，偏振被稱為極化。不同的極化方向?qū)⒌玫讲煌倪b感影像，極化是微波遙感一個(gè)重要參數(shù)。9電磁波的特性1011電磁波的偏振（極化）電磁破的偏振:如果電磁波在各方向上振幅大小不相同,且各方向振動(dòng)之間沒(méi)有固定位相關(guān)系,極大值與極小值之間的夾角為90°，則稱該波發(fā)生了偏振現(xiàn)象。偏振攝影、側(cè)視雷達(dá)成像接收的完全是偏振波。立體鏡遙感影像立體觀察非偏振光，偏振光，部分偏振：12電磁波的特性電磁波遇到介質(zhì)（氣體、液體、固體），發(fā)生一系列現(xiàn)象：反射：鏡面反射：入射角等于反射角。漫反射：反射向四面八方。折射：射入介質(zhì)，折射角一般不等于入射角。吸收：部分被介質(zhì)吸收。透射：從入射延伸方向射出介質(zhì)。發(fā)射：自身向外輻射能量。散射：輻射傳播中，遇到小粒子，向四面八方散去，電磁波強(qiáng)度和方向發(fā)生各種變化，即散射。強(qiáng)度隨波長(zhǎng)改變。13電磁波的特性電磁波與物體間相互作用反射、吸收和透射的能量和等于入射的總能量。反射率=（反射能量／入射總能量）*100%吸收率=（吸收能量／入射總能量）*100%透射率=（透射反射能量／入射總能量）*100%14反射分類圖示(a)鏡面反射(b)漫反射（朗伯反射）(c)方向反射(d)混合反射153、

電磁波譜電磁波譜：按照電磁波在真空中傳播的波長(zhǎng)或頻率遞增或遞減排列形成的一個(gè)連續(xù)譜帶稱為電磁波譜。因研究與應(yīng)用需要，依電磁波的物理性質(zhì)以及觀測(cè)手段的不同，按不等波長(zhǎng)間距對(duì)電磁波譜帶劃分，形成若干波段，如長(zhǎng)波段、短波段、微波段、紅外波段、可見(jiàn)光波段、紫外線波段、X射線波段、γ射線波段等。不同的應(yīng)用領(lǐng)域，波段的劃分會(huì)略有差異。16不同波長(zhǎng)電磁波，其物理性質(zhì)不同，決定了其應(yīng)用領(lǐng)域的不同，如醫(yī)療、軍事、對(duì)地觀測(cè)、無(wú)線通訊等。17電磁波的波長(zhǎng)不同，是因?yàn)楫a(chǎn)生它的波源不同。18《遙感導(dǎo)論》課教書(shū)提供的電磁波段是從波長(zhǎng)短的一側(cè)開(kāi)始劃分，依次為：γ射線→X射線→紫外線→可見(jiàn)光→紅外線→無(wú)線電波19Gamma?

射線X射線紫外線可見(jiàn)光紅外線微波無(wú)線波紫藍(lán)綠黃紅頻率波長(zhǎng)20※波長(zhǎng)單位及其換算1nm=10-3μm=10-7cm=10-9m1μm=10-3mm1?=10-10m其他單位：波數(shù)n

的單位常用cm-1

,表示在1cm距離中有幾個(gè)波動(dòng)。頻率

f的單位則用赫茲Hz，表示一秒鐘中有幾次振動(dòng)。

21可見(jiàn)光可見(jiàn)光譜中的各種顏色成分大致屬于如下的波長(zhǎng)區(qū)間：

紅：620~760nm

橙：590~620nm

黃：560~590nm

綠：500~560nm

青：470~500nm

藍(lán)：430~470nm

紫：380~430nm22紅外波段波長(zhǎng)范圍0.76~1000μm，遙感所用波段如下：近紅外又稱為反射紅外，為地球表面反射的太陽(yáng)輻射中主要的紅外成分。0.7~1.4μm為攝影紅外。中紅外和遠(yuǎn)紅外也稱為熱紅外。

近紅外：0.7~3μm

中紅外：3~8μm

遠(yuǎn)紅外：8~15μm

23微波波長(zhǎng)范圍1mm到1m，可進(jìn)一步劃分為若干不同頻率(波長(zhǎng))的波段：(1GHz=109Hz)

P波段：0.3~1GHz(30~100cm) L波段：1~2GHz(15~30cm) S波段：2~4GHz(7.5~15cm) C波段：4~8GHz(3.8~7.5cm) X波段：8~12.5GHz(2.4~3.8cm) Ku波段：12.5~18Ghz(1.7~2.4cm) K波段：18~26.5Ghz(1.1~1.7cm) Ka波段：26.5~40Ghz(0.75~1.1cm)微波能夠穿透云和霧，可用于全天候成像。24遙感常用的電磁波波段的特性紫外線（UV）：0.01-0.38μm，太陽(yáng)光譜中，只有0.3～0.38μm波長(zhǎng)的光到達(dá)地面，對(duì)油污染敏感，但探測(cè)高度在2000m以下?？梢?jiàn)光（VIS）：0.38-0.76μm，鑒別物質(zhì)特征的主要波段；人眼對(duì)可見(jiàn)光有敏銳的感覺(jué)，是遙感最常用的波段。紅外線(IR)：0.76-1000μm。近紅外0.76-3.0μm；中紅外3.0-6.0μm；遠(yuǎn)紅外6.0-15.0μm；超遠(yuǎn)紅外15-1000μm。微波：1mm-1m。全天候遙感；有主動(dòng)與被動(dòng)之分；具有穿透能力；發(fā)展?jié)摿Υ蟆?5根據(jù)波段劃分遙感的種類根據(jù)所利用的電磁波的光譜段，遙感可以分為可見(jiàn)光·反射紅外遙感、熱紅外遙感、微波遙感3種類型。在可見(jiàn)光·反射紅外遙感中，所觀測(cè)的電磁波的輻射源是太陽(yáng)。太陽(yáng)輻射的電磁波的最高值在0.5μm左右。在熱紅外遙感中，所觀測(cè)的電磁波的輻射源是目標(biāo)物。常溫的地表物體輻射的電磁波的最高值在10μm左右。在被動(dòng)微波遙感中，是觀測(cè)目標(biāo)物的微波輻射，在主動(dòng)微波遙感中，是觀測(cè)目標(biāo)對(duì)雷達(dá)發(fā)射的微波信號(hào)的散射強(qiáng)度即后向散射系數(shù)。2627各種電磁波的特點(diǎn)282.1.2電磁輻射的度量1、輻射源能夠向外輻射電磁波的物體。任何物體都能夠吸收其他物體對(duì)它的輻射，也能夠向外輻射電磁波。電磁波傳遞是電磁能量的傳遞，遙感探測(cè)的是輻射能量。人工輻射源輻射源自然輻射源地球、地物熱輻射—熱紅外遙感的輻射源。太陽(yáng)輻射—可見(jiàn)光及近紅外遙感的重要輻射源。微波輻射源（微波雷達(dá)）激光輻射源（激光雷達(dá)）29※自然輻射源太陽(yáng)輻射：是可見(jiàn)光和近紅外的主要輻射源；常用溫度為5900K的黑體輻射來(lái)模擬；其輻射波長(zhǎng)范圍極大；輻射能量集中于短波輻射。地球的電磁輻射：小于3μm的波長(zhǎng)主要是太陽(yáng)輻射的能量；大于6μm的波長(zhǎng)，主要是地物本身的熱輻射；3-6μm之間，太陽(yáng)和地球的熱輻射都要考慮。30電磁輻射的度量輻射能量（W）：電磁輻射的能量，單位：J輻射通量（Φ）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積的輻射能量，Φ=dw/dt，單位是w輻射通量密度（E）：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位面積上的輻射能量，E=dΦ/ds，單位：w/m2，S為面積輻照度（I）：被輻射物體表面單位面積上的輻射通量，I=E=dΦ/ds，單位：w/m2，S為面積輻射出射度（M）：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量，M=E=dΦ/ds，單位：w/m2，S為面積輻射亮度（L）：面狀輻射源在某一方向，單位投影表面，單位立體角內(nèi)輻射通量，即單位：w/sr·m2θΩФA31輻射出射度M：輻射源物體表面單位面積上輻射出的輻射通量，單位W/m2，表示為M=d/dS電磁輻射的度量32輻照度I：被輻射物體單位面積上所接收的輻射通量，單位：W/m2，表示為

I=d/dS電磁輻射的度量33輻射亮度L：用來(lái)確定面輻射源的輻射強(qiáng)度，具有方向性，指輻射源在某一方向的單位投影表面在單位立體角內(nèi)的輻射通量，單位：W/（sr·m2），表示為：電磁輻射的度量注：輻射源為面狀,面積為A,且在不同方向上輻射強(qiáng)度不同。其中為立體角，=S/R2；S是球面上面元的面積；R是球半徑。無(wú)量綱。整個(gè)球面的立體角為4。

34電磁輻射的度量朗伯源：如果一個(gè)輻射源的輻射亮度L與觀測(cè)角無(wú)關(guān),則該輻射源稱為朗伯源。

一些粗糙表面可近似看成朗伯源；涂有氧化鎂等物質(zhì)的表面也可近似看作朗伯源，常被用作遙感光譜測(cè)量時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)板；通常將太陽(yáng)近似看作朗伯源。嚴(yán)格地說(shuō)，只有絕對(duì)黑體是朗伯源。對(duì)于朗伯面：35362.1.3黑體輻射1、絕對(duì)黑體對(duì)任何波長(zhǎng)的電磁輻射全部吸收的物體。對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射，反射率和透射率都等于0。當(dāng)電磁波入射到一個(gè)不透明的物體上，在物體上只出現(xiàn)對(duì)電磁波的反射和吸收現(xiàn)象時(shí)，物體的光譜吸收系數(shù)和反射系數(shù)之和恒等于1。實(shí)際物體的溫度不同或入射電磁波的波長(zhǎng)不同，都會(huì)導(dǎo)致不同的吸收和反射。黑體吸收系數(shù)α（λ，T）=100%黑體反射系數(shù)ρ（λ，T）=0%37黑體是一種理想的吸收體和輻射發(fā)射體，自然界沒(méi)有真正的黑體。

人工制造的接近黑體的吸收體黑體的輻射通量密度按波長(zhǎng)的分布是穩(wěn)定的，僅與溫度有關(guān)，與黑體的材料和性質(zhì)無(wú)關(guān)。吸收率＝1反射率＝0透射率＝0發(fā)射率＝1黑色的煙煤、恒星、太陽(yáng)接近絕對(duì)黑體。經(jīng)過(guò)內(nèi)壁n次反射后，能量剩余38黑體輻射(BlackBodyRadiation)：黑體的熱輻射稱為黑體輻射。黑體輻射定律對(duì)了解吸收和發(fā)射過(guò)程而言是基礎(chǔ)。支配黑體輻射的四個(gè)基本定律：

2、黑體輻射規(guī)律普朗克（Planck）定律(1901)斯蒂芬-玻爾茲曼（Stefan-Boltamann）定律(1884)維恩（Wien）位移定律(1893)基爾霍夫（Kirchhoff）定律(1859)39描述黑體輻射通量密度與溫度、波長(zhǎng)分布的關(guān)系。（1）普朗克定律h:普朗克常數(shù),6.6260755*10-34Jsk:玻爾茲曼常數(shù)，k=1.380658*10-23J/K

c:光速;λ:波長(zhǎng)（μm）;T:絕對(duì)溫度（K）

1918年：NobelPrize40變化特點(diǎn)：(1)輻射出射度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，只有一個(gè)最大值；(2)溫度越高，輻射出射度越大，不同溫度的曲線不相交；(3)隨溫度升高，輻射最大值向短波方向移動(dòng)。普朗克公式圖示：41（2）斯蒂芬－玻爾茲曼定律對(duì)普朗克公式在全波段內(nèi)積分，得到斯蒂芬－玻爾茲曼定律。輻射通量密度隨溫度增加而迅速增加，與溫度的4次方成正比。σ:斯蒂芬－玻爾茲曼常數(shù)，5.669×10－12Wcm-2K-4

紅外裝置測(cè)試溫度的理論根據(jù)。

1904：NobelPrize（Stefan）42（3）維恩位移定律b:常數(shù)，2897.8μm·K高溫物體發(fā)射較短的電磁波，低溫物體發(fā)射較長(zhǎng)的電磁波。常溫（如人體300K左右，發(fā)射電磁波的峰值波長(zhǎng)9.66μm）針對(duì)要探測(cè)的目標(biāo)，選擇最佳的遙感波段和傳感器。微分普朗克公式，并求極值，得到：1911：NobelPrize43（3）維恩位移定律絕對(duì)黑體溫度與最大輻射所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的關(guān)系可根據(jù)維恩位移定律計(jì)算不同溫度絕對(duì)黑體的最大輻射所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)長(zhǎng)度。自然界一般物體不是黑體,但在某一確定溫度T時(shí),物體最強(qiáng)輻射所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)也可以用維恩位移公式進(jìn)行近似計(jì)算。表不同溫度T所對(duì)應(yīng)的λmax300500100020003000400050006000700080009.665.762.881.440.960.720.580.480.410.36地球溫度太陽(yáng)溫度44課堂作業(yè)：

假設(shè)太陽(yáng)等效黑體溫度為6000K,地球等效黑體溫度為300K,日地平均距離為1.496*108km,太陽(yáng)半徑6.69*105km，地球半徑為6300

km，不考慮大氣的影響，試求到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射與地球自身輻射通量密度相等處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。45

3、實(shí)際物體的輻射（1）基爾霍夫輻射定律(Kirchhoff)物體所輻射的能量與吸收的能量之間存在關(guān)系：Ｍ／Ｉ＝α基爾霍夫證明了輻照度Ｉ與物體本身物性無(wú)關(guān),只與波長(zhǎng)和溫度有關(guān)。同環(huán)境下的不同物體有:I1=I2=I3=…=I。對(duì)于黑體，α=1,I0=M0=I有：Ｍ1／α1=Ｍ2／α2=…=M0=I黑體具有最大的吸收率，也具有最大的發(fā)射率。

46對(duì)于一般物體而言，發(fā)射率（熱輻射率、比輻射率），表明物體的發(fā)射本領(lǐng)。非黑體的輻射通量密度與同一溫度下黑體輻射通量密度的比值。1）黑體2）灰體3）選擇性輻射體

(如線譜，帶譜)1.0發(fā)射率與物質(zhì)種類、表面狀態(tài)、溫度等有關(guān)，還與波長(zhǎng)有關(guān)。按照發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，輻射源可以分為：

3、實(shí)際物體的輻射4748

在一定溫度下，地物單位面積上的輻射通量和吸收率之比，對(duì)于任何物體都是一個(gè)常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量?；鶢柣舴蚨?/p>

在給定的溫度下，物體的發(fā)射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大。如果不吸收某些波長(zhǎng)的電磁波，也不發(fā)射該波長(zhǎng)的電磁波。全波段上實(shí)際物體輻射為：49常溫下，為8-14μm自然物體的比輻射率（發(fā)射率）50

2.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響

2.2.1太陽(yáng)輻射 2.2.2大氣吸收 2.2.3大氣散射 2.2.4大氣窗口及透射分析512.2.1太陽(yáng)輻射被動(dòng)遙感最主要的輻射源1、太陽(yáng)常數(shù)

是指不受大氣影響，在距太陽(yáng)一個(gè)天文單位內(nèi)，垂直于太陽(yáng)光輻射方向上，單位面積單位時(shí)間黑體所接收的太陽(yáng)輻射能量：I=1.95cal/cm2min=1.360×103W/m2可認(rèn)為太陽(yáng)常數(shù)是在大氣頂端接受的太陽(yáng)能量。

太陽(yáng)常數(shù)的變化不會(huì)超過(guò)1％。522、太陽(yáng)光譜太陽(yáng)的光譜通常指光球產(chǎn)生的光譜。圖2.11太陽(yáng)輻照度分布曲線太陽(yáng)輻射的光譜是連續(xù)光譜，相當(dāng)于5800K的黑體輻射；太陽(yáng)輻射的能量主要集中在可見(jiàn)光，最大輻射強(qiáng)度位于波長(zhǎng)0.47μm左右；經(jīng)過(guò)大氣層的太陽(yáng)輻射有很大的衰減；各波段的衰減是不均衡的。53太陽(yáng)輻射能量分布主要集中在可見(jiàn)光波段，約占太陽(yáng)總光譜能量的43.5％，其次是紅外波段。遙感常用波段：0.31-1.15μm，占總輻射通量密度的85%。54太陽(yáng)輻照度與太陽(yáng)高度角有關(guān)太陽(yáng)高度角h+天頂角θ=90°552.2.2大氣吸收1、大氣層次與成分（1）大氣層次一般認(rèn)為大氣厚度約為1000km,從地面到大氣上界，可垂直分為4層：對(duì)流層、平流層、電離層和大氣外層。56（2）大氣成分有分子和微粒組成。

分子主要是N2和O2，約占99%；其余1%主要是O3，CO2，H2O，N2O，CH4，NH3等。其它微粒主要有:煙,塵埃,霧霾,小水滴,氣溶膠。在80km以下的相對(duì)比例保持不變，稱不變成分:多種氣體、固態(tài)和液態(tài)懸浮的微粒混合組成的。主要有氮、氧、氬、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氫（這些氣體）、含量隨高度、溫度、位置而變、稱為可變成分:臭氧、水蒸氣、液態(tài)和固態(tài)水（雨、霧、雪、冰等）、鹽粒、塵煙（這些氣體的）等57大氣對(duì)輻射的影響

大氣物質(zhì)與太陽(yáng)輻射相互作用，是太陽(yáng)輻射衰減的重要原因。30%被云層反射回；17%被大氣吸收；22%被大氣散射；31%到達(dá)地面。582、大氣對(duì)輻射的吸收作用大氣吸收：太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層時(shí)，大氣層中某些成分對(duì)太陽(yáng)輻射產(chǎn)生選擇性的吸收，即把部分太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為本身內(nèi)能，使溫度升高。大氣中氮?dú)鈱?duì)電磁波的作用都在紫外光以外的范圍內(nèi)（<0.2μm的電磁波幾乎被氮?dú)饣蜓鯕馕眨?。大氣上層臭氧的存在，而臭氧?duì)小于0.3μm的電磁波具有極強(qiáng)的吸收能力，所以到達(dá)地面的太陽(yáng)短波輻射中，已不存在小于0.3μm的短波輻射。真正對(duì)電磁波傳播起重要吸收作用的是一些非常少量的氣體，其中作用最為顯著的有臭氧，二氧化碳，甲烷和水汽。大氣的吸收作用氧氣：主要吸收小于0.2μm的輻射；0.6和0.76μm處也有窄帶吸收。高空遙感很少使用紫外波段的原因。臭氧：數(shù)量極少，但吸收很強(qiáng)。0.2～0.32μm、0.6和9.6μm處存在強(qiáng)吸收；對(duì)航空遙感影響不大。水：吸收太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)的介質(zhì)。到處都是吸收帶。主要的吸收帶處在紅外和可見(jiàn)光的紅光部分。因此，水對(duì)紅外遙感有極大的影響。二氧化碳：吸收作用主要在紅外區(qū)內(nèi)2.8，4.3，14.5um為強(qiáng)吸收帶，量少，可以忽略不計(jì)。導(dǎo)致太陽(yáng)輻射強(qiáng)度衰減，嚴(yán)重影響傳感器對(duì)電磁輻射的探測(cè)。59圖2.14大氣吸收譜0.29整層大氣的吸收光譜11km高度以上大氣的吸收光譜整層大氣中不同氣體成份的吸收光譜太陽(yáng)和地球的黑體輻射1460612.2.3大氣散射散射：輻射在傳播過(guò)程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各方向散開(kāi)，稱散射。散射對(duì)遙感的影響：使原來(lái)傳播方向的輻射減弱，使散射光進(jìn)入傳感器，信號(hào)中加入了噪聲，降低信號(hào)(圖像)質(zhì)量。比如說(shuō)晚上在外面打開(kāi)手電會(huì)看見(jiàn)光柱，按理說(shuō)手電不對(duì)著你的眼睛，光線不會(huì)自己拐彎鉆進(jìn)你的眼睛，那你怎么會(huì)看見(jiàn)光柱呢？那是因?yàn)槭蛛姽獗恍m埃阻擋并散射到四面八方，一部分反射到你的眼睛里。

622.2.3大氣散射大氣的散射是太陽(yáng)輻射衰減的主要原因。大氣散射集中于太陽(yáng)輻射能量較強(qiáng)的可見(jiàn)光區(qū)。大氣發(fā)生的散射主要有三種：瑞利散射： d<<λ

米氏散射： d≈λ

非選擇性散射：d>>λ63當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長(zhǎng)小得多時(shí)發(fā)生，d<<λ。散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比，即波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射越弱。主要發(fā)生在可見(jiàn)光和近紅外波段。圖2.15瑞利散射與波長(zhǎng)關(guān)系瑞利散射在紫外、紫、蘭波段散射強(qiáng)度很大，而在紅光、紅外散射強(qiáng)度極小。

瑞利散射對(duì)可見(jiàn)光的影響較大，對(duì)紅外輻射的影響很小，對(duì)微波的影響可以不計(jì)。多波段中不使用藍(lán)紫光的原因：1、瑞利散射（RayleighScattering）641、瑞利散射（RayleighScattering）一般認(rèn)為（d<λ/10）

大氣中的氣體分子：氮、二氧化碳、臭氧、氧;晴朗的天空為藍(lán)色顏色紅橙黃黃綠青蘭紫紫外線波長(zhǎng)0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.065散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系藍(lán)光散射較強(qiáng)紅光散射較弱

（I∝λ-4）662、米氏散射（MieScattering）

當(dāng)大氣中粒子直徑與輻射波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)發(fā)生的散射，d≈λ。散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的二次方成反比（I∝λ-2）。具有明顯的方向性。主要由大氣中的微粒，如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起。對(duì)于大氣微粒引起的米氏散射從近紫外到紅外波段都有影響，當(dāng)進(jìn)入紅外波段后米氏散射的影響超過(guò)瑞利散射。云霧粒子與紅外線波長(zhǎng)接近，故多云天氣米氏散射對(duì)紅外遙感影響較大，潮濕天氣米氏散射影響較大。米氏散射示意圖前673、無(wú)選擇性散射（Non-selectiveScattering）

當(dāng)微粒的直徑（d）與輻射波長(zhǎng)（λ）大的多時(shí)（即d>>λ）所發(fā)生的大氣散射。

無(wú)選擇性散射的特點(diǎn)是散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。為什么“白云千載空悠悠”?為什么微波能“穿云透霧”?思考題68太陽(yáng)輻射衰減的原因是什么？在可見(jiàn)光和近紅外波段，大氣最主要的散射作用是什么？無(wú)云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色？朝霞和夕陽(yáng)為什么都偏橘紅色？微波為什么具有極強(qiáng)的穿透云層的作用？為什么在選擇遙感工作波段時(shí)，要考慮大氣層的散射和吸收作用？692.2.4大氣窗口及透射分析1、折射現(xiàn)象電磁波穿過(guò)大氣層時(shí)，還出現(xiàn)傳播方向的改變，即發(fā)生折射。大氣密度越小折射率越小，離地面越高空氣密度越小，折射率也越小。為什么中午的太陽(yáng)比早晨的看起來(lái)更圓?大氣頂?shù)孛?02、大氣的反射電磁波傳播過(guò)程中遇到不同介質(zhì)界面時(shí)發(fā)生反射。大氣的氣體和塵埃反射很少，而反射主要發(fā)生在云層頂部，減弱電磁波到達(dá)地面的強(qiáng)度。對(duì)所有波段都有不同程度的影響。因此應(yīng)盡量選擇無(wú)云天氣接收遙感信號(hào)。反射強(qiáng)度隨云狀、云厚而不同，高云反射率約為25%，中云為50%，低云為65%，云層愈厚反射愈強(qiáng)，一般情況下云的平均反射率為50—55%。71云層厚度50米，反射量達(dá)50%云層厚度500米，反射量達(dá)80%72云73主動(dòng)遙感與被動(dòng)遙感主動(dòng)傳感器云層后向回波微波云層直接輻射折射散射大氣吸收反射回來(lái)的波近紅外可見(jiàn)光熱輻射波熱紅外被動(dòng)傳感器74太陽(yáng)輻射到達(dá)傳感器所發(fā)生的物理現(xiàn)象大氣吸收減弱大氣散射減弱云層反射減弱大氣折射變向地物吸收減弱傳感器太陽(yáng)輻射地物地物漫反射減弱地物鏡面反射減弱753、大氣窗口（1）大氣透射

太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣傳輸后，除了大氣的反射、吸收和散射的衰減作用外（折射不該表輻射強(qiáng)度，只改變方向），剩余部分即為透過(guò)部分。透射率與路程、大氣的吸收、散射有關(guān)。

由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太陽(yáng)輻射的各波段受到衰減的作用輕重不同，因而各波段的透射率也各不相同。763、大氣窗口（2）大氣窗口

電磁波通過(guò)大氣層時(shí)較少被反射，吸收和散射的，透射率較高的波段稱為大氣窗口。大氣窗口是選擇遙感工作波段的重要依據(jù)。

77圖2.18大氣窗口要獲得地面的信息，必須在大氣窗口中選擇遙感波段。78大氣窗口光譜段主要有：大氣窗口波段透射率/%應(yīng)用舉例紫外、可見(jiàn)光、近紅外0.3～1.3μm＞90TM1-4、SPOT近紅外1.5～1.8μm80TM5近-中紅外2.0～3.5μm80TM7中紅外3.5～5.5μm3.4-4.2μm為90%4.6-4.9μm為50-60%NOAA遠(yuǎn)紅外8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat79大氣窗口與遙感波譜通道

804、大氣透射的定量分析太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣時(shí)，就可見(jiàn)光、近紅外而言，被云層等反射回去的最大，約為30%，散射22%，吸收17%，透過(guò)大氣到達(dá)地面的能量?jī)H占總?cè)肷淠芰康?1%。大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的總透射率T：式中，I為通過(guò)大氣層后的輻射度；Io為通過(guò)大氣層前的輻射度；M(θ)為大氣質(zhì)量，θ與天頂距密切正相關(guān)；

τ為大氣的垂直光學(xué)厚度。81

2.3地球的輻射與地物波譜

2.3.1太陽(yáng)輻射與地表的相互作用 2.3.2地表自身熱輻射 2.3.3地物反射波譜特征 2.3.4地物波譜特征的測(cè)量82地表輻射能量來(lái)源主要為：太陽(yáng)的短波輻射及地球內(nèi)部的熱能。地表的長(zhǎng)波輻射主要由太陽(yáng)短波輻射而來(lái)—吸收可見(jiàn)光、近紅外發(fā)射中、遠(yuǎn)紅外。地表的熱平衡：一方面：因太陽(yáng)輻射引起地表增溫，熱能從地表向地殼一定深度傳導(dǎo)；另一方面：地球內(nèi)部的熱能也要通過(guò)地殼向地表傳遞兩者在地下一定深度達(dá)到熱量平衡。平衡線在地球各處的深度不同，局部地區(qū)地內(nèi)熱對(duì)流使地表溫度激增，形成熱異常區(qū)?？捎脽峒t外遙感研究地?zé)帷?32.3.1太陽(yáng)輻射與地表的相互作用圖2.20太陽(yáng)與地表輻射的電磁波譜太陽(yáng)輻射近似6000K的黑體輻射，能量集中在0.3～2.5μm波段之間。（可見(jiàn)光和近紅外）地球自身熱輻射近似300K的黑體輻射，能量集中在6.0μm以上的波段。（熱紅外）842.3.1太陽(yáng)輻射與地表的相互作用在0.3～2.5μm波段（主要在可見(jiàn)光和近紅外波段），地表以反射太陽(yáng)輻射為主，地球自身的輻射可以忽略。即在該波段范圍內(nèi)，對(duì)地觀測(cè)遙感主要以太陽(yáng)的短波輻射對(duì)地表進(jìn)行探測(cè)和成像。在2.5～6.0μm波段（主要在中紅外波段），地表反射太陽(yáng)輻射和地球自身的熱輻射均為被動(dòng)遙感的輻射源。在6.0μm以上的熱紅外波段，以地球自身的熱輻射為主，地表反射太陽(yáng)輻射可以忽略。地球輻射的分段特性852.3.2地表自身熱輻射

任何地物都有自身的電磁輻射規(guī)律，如反射、發(fā)射、吸收電磁波的特性。少數(shù)還有透射電磁波的特性。地物的這種特性稱為：地物的波譜（光譜）特性?！匚锏牟ㄗV（光譜）特性

不同的地物，其電磁波響應(yīng)特性不同，因此地物波譜特性是遙感識(shí)別地物的基礎(chǔ)。862.3.2地表自身熱輻射

當(dāng)溫度一定時(shí)，地物的發(fā)射率（比輻射率，emissivity）隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律，稱為地物的發(fā)射光譜。

地物發(fā)射率的不同是紅外遙感技術(shù)的重要依據(jù)。根據(jù)黑體輻射定律和基爾霍夫定律，有：872.3.2地表自身熱輻射

地物的發(fā)射波譜與物體本身的組分、溫度、表面粗糙度等物理特性有關(guān)。882.3.2地表自身熱輻射

不同地物的溫度日變化存在著明顯的差異。892.3.3地物反射波譜特征1、概述

太陽(yáng)輻射到達(dá)地表后，部分反射，部分吸收，部分透射，即：到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量。

一般而言，絕大多數(shù)物體對(duì)可見(jiàn)光都不具備透射能力，而有些物體如水，對(duì)一定波長(zhǎng)的電磁波則透射能力較強(qiáng)，特別是0.45~0.56μm的藍(lán)綠光波段。一般水體的透射深度可達(dá)10～20m，清澈水體可達(dá)100m的深度。

地表反射的太陽(yáng)輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。902.3.3地物反射波譜特征2、反射率與反射波譜（1）反射率地物的反射的輻射能量Pρ與總?cè)肷淠芰縋0的比，稱為反射率（ρ）。即ρ=(Pρ/P0)×100%。表征物體對(duì)電磁波譜的反射能力。反射率是可以測(cè)定的。地物在不同波段的反射率是不同的，利用地物反射率的差別，可以判斷地物的屬性。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關(guān)。912.3.3地物反射波譜特征（2）地物的反射根據(jù)地表目標(biāo)物體表面性質(zhì)的不同，物體反射大體上可以分為3種類型，即鏡面反射、漫反射、實(shí)際物體的反射。922.3.3地物反射波譜特征鏡面反射：光射到平滑的表面，如鏡面、刨光的金屬表面、平靜的水面等，能使平行的入射光線反射后仍是平行光線。這種反射叫做鏡面反射。漫反射：整個(gè)表面都均勻地反射入射光稱為漫反射。反射波方向與入射波方向無(wú)關(guān)，從任何角度觀察反射面，反射輻射亮度為一常數(shù)。方向反射：入射輻照度相同時(shí)，反射輻射亮度的大小即與入射方位角和天頂角有關(guān)，也與反射方向的方位角與天頂角有關(guān)的反射。多數(shù)實(shí)際物體的反射處于鏡面反射與漫反射中間，即屬于方向反射。從空間對(duì)地面觀察時(shí)，對(duì)于平坦地區(qū)，并且物體均勻分布，可以看成漫反射；對(duì)于地形起伏和地面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地區(qū)，為方向反射。932.3.3地物反射波譜特征方向反射因子ρ’：Ii為某一方向入射輻射的照度；ρ’’為入射時(shí)的方向反射因子，ID為漫入射輻照度，D為日地距離。θi入射輻射天頂角；φi入射輻射方位角；θr反射輻射天頂角；φr反射輻射方位角；Lr為觀察方向的反射亮度：942.3.3地物反射波譜特征混合反射

一部分為鏡面反射，一部分為朗伯反射。

方向反射和混合反射與電磁波的入射方向和觀察方向有關(guān)，在航空遙感中具有重要意義。95(3)反射波譜地物反射波譜指地物反射率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律。通常用平面坐標(biāo)曲線表示，橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)表示反射率。圖2.24雪、沙漠、濕地、小麥反射波譜曲線

地物電磁波光譜特征的差異是遙感識(shí)別地物性質(zhì)的基本原理。96正因?yàn)椴煌匚镌诓煌ǘ斡胁煌姆瓷渎蔬@一特性，物體的反射波譜特性曲線才作為判讀和分類的物理基礎(chǔ)，廣泛地應(yīng)用于遙感影像的分析和評(píng)價(jià)中。(3)反射波譜97地物反射光譜曲線：根據(jù)地物反射率與波長(zhǎng)之間的關(guān)系而繪成的曲線，通常用平面坐標(biāo)曲線表示，橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)表示反射率。3、地物反射波譜曲線地物反射波譜曲線除隨不同地物(反射率)不同外，同種地物在不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部條件下形態(tài)表現(xiàn)(反射率)也不同。一般來(lái)說(shuō)，地物反射率隨波長(zhǎng)變化有規(guī)律可循，從而為遙感影像的判讀提供依據(jù)。98幾種典型地物的反射波譜特征植被

可見(jiàn)光波段有一個(gè)小的反射峰，位置在0.55um處，兩側(cè)0.45um(藍(lán))和0.67um(紅)則有兩個(gè)吸收帶。這一特征是葉綠素的影響。

在近紅外波段(0.7-0.8um)有一反射的“陡坡”，至1.1um附近有一“峰值”，形成植被的獨(dú)有特征。這一特征由于植被結(jié)構(gòu)引起。在中紅外波段(1.3-2.5um)，反射率大大下降，特別以1.45um,1.95um和2.7um為中心是水的吸收帶，形成低谷。99幾種典型地物的反射波譜特征植被葉綠素吸收水分吸收葉片色素細(xì)胞結(jié)構(gòu)含水量控制葉片反射率的主要因素主要吸收帶100幾種典型地物的反射波譜特征植被波譜特征分析在可見(jiàn)光波段①在0.45μm附近（藍(lán)色波段）有一個(gè)吸收谷；②在0.55μm附近（綠色波段）有一個(gè)反射峰；③在0.67μm附近（紅色波段）有一個(gè)吸收谷。在近紅外波段④從0.76μm處反射率迅速增大，形成一個(gè)爬升的“陡坡”,至1.1μm附近有一個(gè)峰值，反射率最大可達(dá)50％，形成植被的獨(dú)有特征。⑤1.5～1.9μm光譜區(qū)反射率增大；⑥以1.45μm，1.95μm，2.70μm為中心是水的吸收帶，其附近區(qū)間受到綠色植物含水量的影響，反射率下降，形成低谷。101幾種典型地物的反射波譜特征植被植被波譜受植物類型、植物生長(zhǎng)季節(jié)、病蟲(chóng)害影響等因素影響。植被波譜特征大同小異，根據(jù)這些差異可以區(qū)分植被類型、生長(zhǎng)狀態(tài)等。不同植被類型的光譜曲線102幾種典型地物的反射波譜特征植被同類地物的反射光譜具有相似性，但也有差異性（如病蟲(chóng)害的影響等）。病蟲(chóng)害對(duì)松樹(shù)光譜曲線的影響103幾種典型地物的反射波譜特征植被不同生長(zhǎng)期植被的光譜曲線（即光譜曲線具有時(shí)間特性）104幾種典型地物的反射波譜特征植被廣玉蘭在不同含水量時(shí)的反射光譜曲線105幾種典型地物的反射波譜特征土壤自然狀態(tài)下土壤表面的反射曲線呈比較平滑的特征，沒(méi)有明顯的反射峰和吸收谷。土壤反射波譜特性曲線較平滑，因此在不同光譜段的遙感影像上，土壤的亮度區(qū)別不明顯。在干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物（原生礦物和次生礦物）和土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)。土壤含水量增加，反射率就會(huì)下降，在水的各個(gè)吸收帶（1.4μm、1.9μm、2.7μm），反射率的下降尤為明顯。106幾種典型地物的反射波譜特征土壤不同含水量的粉沙土壤的波譜曲線107幾種典型地物的反射波譜特征水體

水體的反射主要在藍(lán)綠光波段，其他波段吸收都很強(qiáng)，特別到了近紅外波段，吸收就更強(qiáng)。水中不同物質(zhì)的含量影響水體的波譜曲線。水中含泥沙，在可見(jiàn)光波段的反射率會(huì)增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)。水中含有水生植物葉綠素時(shí)，近紅外波段反射率明顯抬高。108幾種典型地物的反射波譜特征巖石

巖石的反射波譜曲線無(wú)統(tǒng)一的特征，礦物成分、礦物含量、風(fēng)化程度、含水狀況、顆粒大小、表面光滑程度、色澤等都會(huì)對(duì)曲線形態(tài)產(chǎn)生影響。109在城市遙感影像中，通?？吹浇ㄖ锏捻敳俊⒉糠纸ㄖ锏膫?cè)面、無(wú)植被覆蓋的道路建筑材料各不相同幾種典型地物的反射波譜特征城市道路、建筑物110城市道路、建筑物的光譜反射特性紅外波段較可見(jiàn)光波段反射強(qiáng)石棉瓦較其他材料反射強(qiáng)瀝青較其他材料反射弱幾種典型地物的反射波譜特征城市道路、建筑物111水體植被土壤建筑112

傳感器探測(cè)波段的設(shè)計(jì)，是通過(guò)分析比較地物光譜數(shù)據(jù)而確定的。1132.3.4地物波譜特征的測(cè)量可見(jiàn)光和近紅外波段是研究地表反射的主要波段。其間地物光譜測(cè)試的作用體現(xiàn)在三個(gè)方面：（1）傳感器波段選擇、驗(yàn)證、評(píng)價(jià)的依據(jù)；（2）建立地面、航空和航天遙感數(shù)據(jù)的關(guān)系；（3）地物光譜數(shù)據(jù)與地物特征的相關(guān)分析并建模。114理想光滑表面的反射是鏡面反射，理想粗糙表面的反射是漫反射（朗伯反射），而自然地表往往既不滿足鏡面反射也不滿足漫反射的條件。二向反射的概念是指物體表面反射光線的能力與入射和反射光線的方向有關(guān)，二向性反射分布函數(shù)（BidirectionalReflectanceDistributionFunction,BRDF）定義如下（Nicodemus，1997）：它是光線入射方向、反射方向和波長(zhǎng)的函數(shù)，是基于微分面元和微分立體角定義的。1、地物反射波譜測(cè)量理論1151、地物反射波譜測(cè)量理論（2）雙向反射因子（BRF）BRF：在給定的立體角錐體所限制的方向內(nèi)，在一定的輻照度和觀測(cè)條件下，目標(biāo)的反射輻射通量與處于同一輻照度和觀測(cè)條件的標(biāo)準(zhǔn)參考面（理想朗伯反射面）的反射輻射通量之比。116測(cè)定地物反射波譜特性的儀器

分光光度計(jì)，光譜儀，攝譜儀儀器由收集器、分光器、探測(cè)器和顯示或記錄器組成。收集器的作用是收集來(lái)自物體或標(biāo)準(zhǔn)板的反射輻射能量。它一般由物鏡、反射鏡、光欄（或狹縫）組成；分光器的作用是將收集器傳遞過(guò)來(lái)的復(fù)色光進(jìn)行分光（色散），它可選用棱鏡、光柵或?yàn)V光片；探測(cè)器的類型有光電管、硅光電二極管、攝影負(fù)片等；顯示或記錄器是將探測(cè)器上輸出信號(hào)顯示或記錄下來(lái)，或驅(qū)動(dòng)X－Y繪圖儀直接繪成曲線。1172、地物光譜的測(cè)量方法（1）樣品的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量常用分光光度計(jì)，應(yīng)用不廣泛。（2）野外測(cè)量采用比較法。垂直測(cè)量：使所得數(shù)據(jù)能與航空、航天傳感器所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。認(rèn)為實(shí)際目標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)板的測(cè)量值之比就是反射率之比。沒(méi)有考慮入射角度變化時(shí)造成的反射輻射值的變化，對(duì)實(shí)際地物在一定程度上取近似朗伯體。非垂直測(cè)量：測(cè)量不同角度的方向反射比因子。因?yàn)檩椛涞降匚锏墓饩€由來(lái)自太陽(yáng)的直射光（近似定向入射）和天空的散射光（近似半球入射），方向反射比因子取兩者的加權(quán)和。118地物波譜特性的測(cè)定步驟架設(shè)好光譜儀