第二章 电磁辐射及地物光谱特征

1、第 二章电磁辐射与地物光谱特征（遥感的物理基础） 遥感之所以能够根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象，是因为一切物体，由于其种类、特征和环境条件的不同，而具有完全不同的电磁波的反射或发射辐射特征。因此遥感技术主要是建立在物体反射或发射电磁波的原理之上的。要深入学习遥感技术，首先要学习和掌握电磁波以及电磁波谱的性质。遥感物理基础1 电磁波和电磁波谱2 电磁波辐射源3 太阳辐射和大气对太阳辐射的作用4 地球辐射与地物波谱特征1 电磁波和电磁波谱1.1 电磁波1.1.1电磁波的概念及函数关系式波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波、电磁波。 机械波：振动的是弹性媒质中质点的位移矢量。如声

2、波、地震波电磁波： 根据麦克斯韦电磁场假设理论，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铰远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互产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。我们平常所听到的射线、x射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等都是电磁波。这一理论由1889年赫兹用电磁振荡的方法产生了电磁波而得到证实。H 磁场矢量磁场矢量E 电场矢量电场矢量电磁波的函数曲线电磁波的函数式)sin(kxtA振幅 角频率 时间变量时空周期性函数： 1）时间周期：周期(T)或者频率()， T=1 2）空间周期性：波长()或者波

3、数（N）， N=1 圆波数 空间变量 初位相2N=2/2 v=2/T1 1） 不需要传播介质不需要传播介质 2 2） 横横 波：波：质点振动方向与传播方向垂直质点振动方向与传播方向垂直3 3） 粒子性粒子性 4 4） 波动性：产生了电磁波的干涉、衍射和偏振等现象。波动性：产生了电磁波的干涉、衍射和偏振等现象。5 5） 叠加原理叠加原理 6 6） 相干性和非相干性（相干性和非相干性（4 4个条件）个条件） 7） 衍射和偏振衍射和偏振 （遥感器的几何图象分辨率，波长越（遥感器的几何图象分辨率，波长越 长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）8 8）多谱勒效应

4、）多谱勒效应 （合成孔径侧视雷达）（合成孔径侧视雷达） 1.1.2 电磁波的特点和遥感意义/hchvE/hP 动量：P能量：Eh : 普朗克常数，6.62607551034 J sc : 光速； v : 频率 能量和动量是粒子属性，频率和波长是波动属性。可见光，红外线；微波和无线电波；紫外线和X射线射线。电磁波的波粒二象性返回返回电磁波的叠加原理p当两列波在同一空间传播时，空间上各点的振动为各列波单独振动的合成。p任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波；p比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波。（白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理， 混合像元的分解 ）返回返回 由两个(或两个

5、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消的现象。这种现象称为干涉。 电磁波的干涉 一般地，凡是单色波都是相干波。取得时间和空间相干波对于利用干涉进行距离测量是相当重要的。激光就是相干波，它是光波测距仪的理想光源。微波遥感中的雷达也是应用了干涉原理成像的其影像上会出现颗粒状或斑点状的特征、这是一般非相干的可见光影像所没有的，对微波遥感的判渎意义重大。返回返回电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物地后面传播。把这种通过障碍物边缘改变传播方向的现象，称为电磁

6、波的衍射。电磁波的衍射 研究电磁波的衍射现象对设计遥感仪研究电磁波的衍射现象对设计遥感仪器和提高遥感图像几何分辨率具有重要的器和提高遥感图像几何分辨率具有重要的意义，要尽量避免衍射现象的发生。另外，意义，要尽量避免衍射现象的发生。另外，在数字影像的处理中也要考虑光的衍射现在数字影像的处理中也要考虑光的衍射现象。象。衍射现象的遥感意义衍射现象的遥感意义电磁波的偏振电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝的振动分量，称为电磁波的偏振。 电磁波有偏振、非偏振、部分偏振波，许多散射光、反射光、透射光都是部分偏振。 偏振在微波技术中称为偏振在微波技术中称为“极化极化”，遥感技术中的偏振摄影和雷达成像，

7、遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就利用了电磁波的偏振这一特性。电磁波是横波，它具有偏振性。许多就利用了电磁波的偏振这一特性。电磁波是横波，它具有偏振性。许多散射光，反射光，透射光都是部分偏振光。偏振在微波技术中称为散射光，反射光，透射光都是部分偏振光。偏振在微波技术中称为“极极化化”。遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就用到这一特征。遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就用到这一特征。 例：雷达波发射后，遇目标平面而反射，其极化（偏振）状况在反射时例：雷达波发射后，遇目标平面而反射，其极化（偏振）状况在反射时会发生改变，根据传感器发射和接受的反射波的极化状况，可以得到不会发生改变，根据传感器发射和接受的反

8、射波的极化状况，可以得到不同的极化图像。同一种地物在不同极化图像中往往表现出不同的亮度，同的极化图像。同一种地物在不同极化图像中往往表现出不同的亮度，不同地物也会表现出不同对比度，利用不同的极化特征图像有可能解译不同地物也会表现出不同对比度，利用不同的极化特征图像有可能解译出更多信息。出更多信息。返回返回电磁波的多普勒效应电磁波的多普勒效应 1842 1842年，奥地利物理年，奥地利物理学家多普勒研究声波时发学家多普勒研究声波时发现，声波频率在声源移向现，声波频率在声源移向观察者时变高，而在声源观察者时变高，而在声源远离观察者时变低。具有远离观察者时变低。具有波动性的光也会出现这种波动性的光也

9、会出现这种效应光波与声波的不同之效应光波与声波的不同之处在于，光波频率的变化处在于，光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化使人感觉到是颜色的变化. . 如果光源远离我们而去，如果光源远离我们而去，则光的谱线就向红光方向则光的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果光移动，称为红移；如果光源朝向我们运动，光的谱源朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称线就向紫光方向移动，称为蓝移为蓝移. .合成孔径雷达的工作原理1.2 电磁波谱电磁波谱定义：按照电磁波的波长长短（或频率的大小），依次定义：按照电磁波的波长长短（或频率的大小），依次排列，就构成了电磁波谱。排列，就构成了电磁波谱。 遥感较多应用的电磁波

10、波谱段遥感较多应用的电磁波波谱段波长范围为波长范围为0.380.380.760.76m m，人眼对可见光有，人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。波长范围为波长范围为0.760.7610001000m m，根据性质分为近，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。红外、中红外、远红外和超远红外。波长范围为波长范围为1 1 mmmm1 m1 m，穿透性好，不受云雾的，穿透性好，不受云雾的影响影响可见光可见光 波长范围大约为波长范围大约为0.38m(紫色紫色)0.76m(红色红色)，可见光，可见光谱中的各种颜色成分大致属于如下的波长区间：

11、谱中的各种颜色成分大致属于如下的波长区间： 红：红：0.620.76 m m 橙：橙：0.590.62 m m 黄：黄：0.560.59 m m 绿：绿：0.500.56 m m 青：青：0.470.50 m m 蓝：蓝：0.430.47 m m 紫：紫：0.380.43 m m返回返回红外波段红外波段波长范围波长范围0.71000m，可进一步划分为如下波段：，可进一步划分为如下波段：返回返回微波微波 波长范围波长范围1mm1mm到到1m1m，可进一步划分为若干不同，可进一步划分为若干不同频率频率( (波长波长) )的波段：的波段：(1GHz=10(1GHz=109 9Hz)Hz)各种电磁波的

12、特点各种电磁波的特点各电磁波的区别与联系各电磁波的区别与联系不同点：不同点：传播的方向性、传播的方向性、穿透性、穿透性、可见性、可见性、颜色不同。颜色不同。共性：共性：传播速度相同传播速度相同 遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律 都是横波，遵循横波的一切特性都是横波，遵循横波的一切特性2 2 电磁波辐射源电磁波辐射源2.1 黑体辐射黑体辐射2.2 黑体辐射定律黑体辐射定律2.3 一般辐射体和发射率一般辐射体和发射率2.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律黑体：也叫绝对黑体黑体：也叫绝对黑体, ,即对任何波长的电磁辐射都全部即对任何波长的电磁辐射都全部吸

13、收吸收, ,而反射率和透射率都等于而反射率和透射率都等于0。黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。 人工制造的接近黑体的吸收体2.1 2.1 黑体辐射黑体辐射2.2 黑体辐射的定律黑体辐射的定律2.2.1 普朗克公式普朗克公式2.2.2 斯蒂芬玻尔兹曼定律斯蒂芬玻尔兹曼定律2.2.3 维恩位移定律维恩位移定律（Stephen Boltzmann Law）（Wiens Displacement Law）描述描述黑体辐射通量密度黑体辐射通量密度与与温度温度、波长波长分布的关系。分布的关系。2.2.1 普朗克公式普朗克公式) 1(2),(5kTh

14、c2bechTMh: 普朗克常数普朗克常数, 6.6260755*10-34 Ws2k: 玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 WsK K-1-1 c: 光速光速; : 波长（波长（m）; T: 绝对温度（绝对温度（K） M： 为辐射出射度为辐射出射度变化特点：变化特点：(1) 辐射通量密度随波长连续变化，只有一个最大值；(2) 温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不相交；(3) 随温度升高，辐射最大值向短波方向移动。波长波长辐射通量密度辐射通量密度返回返回2.2.2 斯蒂芬玻尔兹曼定律 对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬玻尔兹曼定律。 辐射通量密度随温度增加

15、而迅速增加，与温度的辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次次方成正比。温度越高，幅射能力就越强。方成正比。温度越高，幅射能力就越强。TbW4: 斯蒂芬玻尔兹曼常数，（5.66970.00297）1012 Wcm-2K-4 红外装置测试温度的理论根据。M返回返回2.2.3 维恩位移定律维恩位移定律bTmaxb : 常数，常数，2897.80.4 m K高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。常温（如人体常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长左右，发射电磁波的峰值波长9.66m ）针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和

16、传感器。针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。 利用普朗克公式还可导出维恩位移定律，黑体辐射光谱利用普朗克公式还可导出维恩位移定律，黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度中最强辐射的波长与黑体绝对温度T T成反比。成反比。2.3 2.3 基尔霍夫定律基尔霍夫定律给定温度下，任何地物的辐射通量密度给定温度下，任何地物的辐射通量密度M与与吸收吸收率率之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量密度。量密度。IMMM02211发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不射体，如果不吸收

17、某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。发射该波长的电磁波。),(),(),(TMTMTb2.4 2.4 一般辐射体和发射率一般辐射体和发射率对于一般物体而言，需要引入发射率对于一般物体而言，需要引入发射率（即热辐射率（即热辐射率、比辐射率比辐射率），表明物体的发射本领。），表明物体的发射本领。),(),(),(TMTMTb非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值。非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值。 发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波长有关。发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波长有关。按照发射率与波长的关系，辐射源可以分为：按照发射率

18、与波长的关系，辐射源可以分为：1）黑体）黑体：吸收率最大，发射率最大，均：吸收率最大，发射率最大，均为为1，反射率为，反射率为0；2）灰体）灰体 :没有显著的选择吸收，吸没有显著的选择吸收，吸收率小于收率小于1，但基本不随波长变化；，但基本不随波长变化；3）选择性辐射体）选择性辐射体 ：选择性地吸收、：选择性地吸收、反射和发射。反射和发射。MM03 太阳辐射及大气对太阳辐射的影响太阳是被动遥感太阳是被动遥感最主要的辐射源最主要的辐射源3.1 太阳辐射源太阳辐射源3.2 大气成分组成大气成分组成3.3 大气垂直分层大气垂直分层3.4 大气对太阳辐射的衰减大气对太阳辐射的衰减3.5 大气窗口大气窗

19、口（人类可用的电磁波谱范围）（人类可用的电磁波谱范围）太阳太阳是太阳系唯一的恒星，它集中了太阳系99.865%的质量。太阳是一个炽热的气体星球，没有固体的星体或核心。太阳从中心到边缘可分为核反应区、辐射区、对流区和大气层。其能量的99%是由中心的核反应区的热核反应产生的。太阳中心的密度和温度极高。太阳大气的主要成分是氢（质量约占71%）与氦（质量约占27%）。3.1 太阳辐射源太阳辐射源太阳太阳大气大气 位置位置 温度温度 厚度厚度 辐射特点辐射特点 辐射的光谱辐射的光谱 光球层 内4300-7500500km 连续辐射 可见光和红外 色球层 中四五千度升高到几万度 7000-8000km 线

20、状辐射无线厘米波 日冕层 外100万以上 形状多变，厚度不定，一般太阳直径的几倍到十几倍连续辐射米波 太阳辐射及其能量分布太阳辐射及其能量分布1）接近于）接近于5800K的黑体辐射。的黑体辐射。 2）短波辐射（）短波辐射（太阳辐射总能量的太阳辐射总能量的40集中于集中于0.40.76um的可见光范围内，的可见光范围内，5151在红外部分）在红外部分） 3.2 大气成分组成大气成分组成：在大气：在大气层中这些气体的层中这些气体的浓度几乎是保持浓度几乎是保持恒定不变的。恒定不变的。氮氮(N2)：78.084%氧氧(O2)：20.948% 氩氩(Ar)：0.934% 二氧化碳二氧化碳(CO2)：0.

21、033% 其他惰性气体其他惰性气体(Ne, He, Kr, Xe) 氢氢(H2) 甲烷甲烷(CH4) 一氧化二氮一氧化二氮(N2O) 一氧化碳一氧化碳(CO) 其浓度可以其浓度可以随空间和时随空间和时间发生很大间发生很大的变化。的变化。水蒸汽水蒸汽(H2O) 臭氧臭氧(O3) 二氧化硫二氧化硫(SO2) 二氧化氮二氧化氮(NO2) 氨氨(NH3) 一氧化氮一氧化氮(NO) 硫化氢硫化氢(H2S) 硝酸蒸汽硝酸蒸汽(HNO3) 如烟雾、水滴和冰如烟雾、水滴和冰晶体，这些粒子可晶体，这些粒子可以聚集在一起形成以聚集在一起形成云和霾。云和霾。3.3 大气垂直分层大气垂直分层电离层电离层：距地面85k

22、m直到几百千米的范围均为热电离层，热电离层的温度范围为500K到2000K。在电离层中，由于太阳紫外辐射和高能宇宙射线的轰击而使空气电离成离子，因而在热电离层中空气以稀薄的等离子体的形式存在。平流层平流层：在平流层最下面直到20km的高度之内，温度几乎为常数，在其之上直到大约50km高度的范围之内，温度随高度的增加而增加。臭氧主要存在于平流层之中。对流层对流层：厚约为10km，其特点为温度随高度的增加而降低，1000m-6.5C。所有天气活动均发生在对流层层中。在大气层接近地球表面大约2km的厚度，存在着一层气溶胶粒子，气溶胶的浓度随高度的增加呈指数衰减。其中， ：太阳辐射通过的大气路程，与太

23、阳高度角有关：衰减因子，：大气对太阳辐射的吸收率和散射率，是电磁波波长（频率）的函数。 3.4 大气对太阳辐射的衰减大气对太阳辐射的衰减exEE000 x,0太阳辐射衰减的原因：散射，吸收、反射 太阳辐射的衰减率就等于通过大气之后的太阳辐射能量与大气上界太阳幅射能量之比，与太阳高度角、衰减因子，电磁波波长有关。3.4.1 散射作用散射作用太阳辐射通过大气层时，受到大气中气体分子的散射太阳辐射通过大气层时，受到大气中气体分子的散射和大气中固体、微粒、液体的散射。和大气中固体、微粒、液体的散射。散射散射强度强度随波随波长减长减小而小而逐渐逐渐增强增强散射的种类散射的种类Atmospheric Sc

24、attering DiameterRayleigh ScatteringMie ScatteringNon-Selective Scattering Gas molecule Smoke, dust Water vapor Photon of electromagnetic energy modeled as a wavea. c.b. 1 1 瑞利（瑞利（Rayleigh） 散射散射质点的直径 d (电磁波波长)时，一般认为（d ）, 散射率与波长没有关系 1)(人看到的云和雾是白色的，就是非选择性散射的结果，对可见光中各个波长的光散射程度相同。 （书上P30）I3.4.2 吸收作用吸收作用

25、1）水：分为气态水和液态水）水：分为气态水和液态水 水汽吸收电磁辐射的波段范围较宽，从可见光、红外直至微波，都有水汽的吸收带。 液态水的吸收更强，主要在长波方向。2）二氧化碳）二氧化碳 主要在红外区。1.352.85m 之间有3个弱吸收带，2.7，4.3， 14.5 m 为强吸收带。3）臭氧）臭氧 紫外线4）其它吸收电磁波的物质其它吸收电磁波的物质 氧气氧气主要吸收波长小于0.2m的， 尘埃尘埃吸收作用很少。 3.4.3 反射作用反射作用主要是大气中的云层，大的尘埃。 云量越多、云层越厚， 反射越强。 大气对太阳辐射的衰减总体规律大气对太阳辐射的衰减总体规律：大气吸收15， 散射和反射42，其

26、余43 太阳辐射到达地面。又一说：大气吸收17， 散射22，反射30，其余31 太阳辐射到达地面。 太阳辐射经大气衰减图太阳辐射经大气衰减图3.5 大气窗口大气窗口大气窗口大气窗口：电磁波在大气中传输过程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。 要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。 常用大气窗口常用大气窗口1）0.31.3m： 包括全部可见光可见光（95），部分紫外光（70），部分近红外光近红外光（80）。是航空摄影成像和卫星传感器扫描成像方式在白天感测和记录目标电磁波辐射信息的最佳波段，如Landsat的TM Band14。2）1.51.8m和2.03.5m：近、中红外波段。是白天日

27、照条件好时扫描成像的常用波段，如TM Band5，7，用以探测植物含水量以及云、雪，或地质制图等。3）3.55.5m：中红外窗口，该波段除了地面发射外，地面物体本身也可以发射该波段的热辐射能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.553.93m探测海面温度，获得昼夜云图。4）814 m：远红外窗口，主要来自地物热辐射的能量，适于夜间成像。5）1.4300mm：微波窗口，由于微波穿云透雾能力强，这一区间可以全天候观测，而且是主动遥感方式，如侧视雷达。 太阳辐射主要集中太阳辐射主要集中在可见光到近红外区段，在可见光到近红外区段，当太阳辐射到达地表后，当太阳辐射到达地表后，就短波而言，地表反射就短

28、波而言，地表反射太阳辐射成为地表的主太阳辐射成为地表的主要辐射来源，而，来自要辐射来源，而，来自地球自身的辐射几乎可地球自身的辐射几乎可以忽略不计。地球自身以忽略不计。地球自身的辐射主要集中在长波，的辐射主要集中在长波，即即6 6m m以上的热红外区以上的热红外区段，该区段太阳辐射的段，该区段太阳辐射的影响几乎可以忽略不计，影响几乎可以忽略不计，因此只需考虑地表物体因此只需考虑地表物体自身的热辐射。自身的热辐射。4 地球辐射与地物波谱4.14.1太阳辐射与地表的太阳辐射与地表的相互作用相互作用 地球辐射包括地球反射的太阳地球辐射包括地球反射的太阳辐射和地球本身的热辐射两部分。辐射和地球本身的热

29、辐射两部分。 太阳电磁辐射太阳电磁辐射：太阳辐射近似：太阳辐射近似6000K6000K的黑体的黑体辐射，能量集中在辐射，能量集中在0.30.32.52.5微米波段之间，即可微米波段之间，即可见光到近红外波段区。见光到近红外波段区。 地球自身热辐射地球自身热辐射：地球近似：地球近似300K300K的黑体辐射，的黑体辐射，能量集中在能量集中在6.06.0微米以上的波段，即红外、微波微米以上的波段，即红外、微波波段。波段。 国际单位制中，将国际单位制中，将273.15摄氏度作为测量温度的摄氏度作为测量温度的起点，叫做绝对零度，符号为起点，叫做绝对零度，符号为K，每一开的大小和每一，每一开的大小和每一

30、摄氏度的大小相同。摄氏度的大小相同。 t(T-273)摄氏度摄氏度 波段名称波段名称可见光与可见光与近红外近红外中红外中红外远红外远红外波长波长0.32.5m2.56m6m辐射特性辐射特性地表反射太阳地表反射太阳辐射为主辐射为主地表反射太阳地表反射太阳辐射和自身热辐射和自身热辐射辐射地表物体自身地表物体自身热辐射为主热辐射为主地球辐射的分段特性地球辐射的分段特性地球辐射分段特性的遥感意义地球辐射分段特性的遥感意义可见光与近红外波段遥感图像上的信息来自可见光与近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特性；地物反射特性；中红外波段遥感图像上既有地表反射太阳辐中红外波段遥感图像上既有地表反射太阳辐射的

31、信息，也有地球自身的热辐射信息。射的信息，也有地球自身的热辐射信息。热红外波段遥感图像上的信息来自地物本身热红外波段遥感图像上的信息来自地物本身的热辐射特性的热辐射特性可见光近红外波段遥感图像：记录各类地物对可见光的反射情况可见光近红外波段遥感图像：记录各类地物对可见光的反射情况热红外波段遥感图像热红外波段遥感图像:夜间成像，全球热分布图像夜间成像，全球热分布图像概念：概念： 地物波谱（地物光谱）地物波谱（地物光谱）:地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律。是各种地物具有的地磁波特性（即反射率、发射率、透射率随波长变化的规律）。 地物波谱特性：电磁辐射与地物相互作用的表现特征。遥感意义

32、：遥感意义：不同类型的地物，其电磁波响应特性不同。因此可以根据地物波谱特征来： 设计遥感器； 图象判读和分析以识别地物的基础。4.24.2地物波谱特征地物波谱特征不同电磁波段中地物波谱特性不同电磁波段中地物波谱特性可见光和近红外波段中地物波谱特性表现为可见光和近红外波段中地物波谱特性表现为发射和吸收发射和吸收红外波段中地物波谱特性表现为地物热辐射红外波段中地物波谱特性表现为地物热辐射微波波段中微波波段中主动遥感：地物波谱特性表现为地物后向散射主动遥感：地物波谱特性表现为地物后向散射被动遥感：地物波谱特性表现为地物微波辐射。被动遥感：地物波谱特性表现为地物微波辐射。热红外遥感热红外遥感 白 天

33、， 水白 天 ， 水体相比于陆地的体相比于陆地的热容量较大，热热容量较大，热辐射较小，所以辐射较小，所以呈现暗色调；晚呈现暗色调；晚上，水体的热辐上，水体的热辐射较大，所以呈射较大，所以呈亮色调。亮色调。白天成像白天成像夜间成像夜间成像地物波谱：地物波谱：4.2.1 地物的发射波谱地物的发射波谱4.2.2 地物的透射波谱地物的透射波谱4.2.3 地物的反射波谱地物的反射波谱4.2.4 遥感器接收到的电磁辐射遥感器接收到的电磁辐射4.2.1 4.2.1 地物的发射波谱（地表自身热辐射）地物的发射波谱（地表自身热辐射）红外波段地物波谱特性红外波段地物波谱特性MM0M为实际物体辐射出射度；为实际物体

34、辐射出射度；M0为黑体辐射出射度为黑体辐射出射度为物体的比辐射率或发射率为物体的比辐射率或发射率M （，T） （， T ） M0 （， T ） 当温度一定时，物体的比辐射率随着波长变化而变化，得出比当温度一定时，物体的比辐射率随着波长变化而变化，得出比辐射率波谱曲线（也叫发射率波谱曲线）。辐射率波谱曲线（也叫发射率波谱曲线）。该曲线的形态特征可以该曲线的形态特征可以反映地面物体本身的特性，包括物体本身的组成、温度、表面粗糙反映地面物体本身的特性，包括物体本身的组成、温度、表面粗糙度等物理特性（见书上度等物理特性（见书上P36图图2.22）。特别是曲线形态特殊时可以）。特别是曲线形态特殊时可以用

35、发射率曲线来识别地面物体，尤其在夜间，太阳辐射消失后，地用发射率曲线来识别地面物体，尤其在夜间，太阳辐射消失后，地面发出的能量以发射光谱为主，探测其红外辐射计微波辐射并与同面发出的能量以发射光谱为主，探测其红外辐射计微波辐射并与同温度条件下的比辐射率（发射率）曲线比较，是识别地物的重要方温度条件下的比辐射率（发射率）曲线比较，是识别地物的重要方法之一。法之一。4.2.2 4.2.2 地物的透射光谱（水体、植被）地物的透射光谱（水体、植被）透明物体：具有透射一定波长电磁波能力的物体。透明物体：具有透射一定波长电磁波能力的物体。透射率透射率( )： 入射光透过物体的能量与入射总能量之比。入射光透过

36、物体的能量与入射总能量之比。举例：举例： 1）水体在蓝绿波段，混水）水体在蓝绿波段，混水1-2米，一般水体米，一般水体10- 20米。米。 2）微波对地物具有明显的透射能力，由入射波的波长决定。）微波对地物具有明显的透射能力，由入射波的波长决定。4.2.3 4.2.3 地物的反射光谱地物的反射光谱（可见光近红外波段地物波谱特性）（可见光近红外波段地物波谱特性）)()()()(EEEEs太阳光通过大气层照射到地球表面，地物会发生吸收、透射太阳光通过大气层照射到地球表面，地物会发生吸收、透射和反射作用，反射后的短波辐射一部分为遥感器所接受和反射作用，反射后的短波辐射一部分为遥感器所接受除水体、植被

37、等物体，多数地物透射率几乎为除水体、植被等物体，多数地物透射率几乎为0，可以忽略，可以忽略不计。不计。电磁波与物体相互作用过程中，会出现三种情况：电磁波与物体相互作用过程中，会出现三种情况：反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。1)()()(入射到物体总能量反射吸收透射入射到物体总能量反射吸收透射地物对电磁波谱的反射能力用反射率地物对电磁波谱的反射能力用反射率来表来表示；示；反射率定义：地面物体反射的能量占入射反射率定义：地面物体反射的能量占入射总能量的百分比；总能量的百分比；地物反射率地物反射率计算公式为：计算公式为：地物反射率地物反射率物体反射分类物体反射

38、分类根据物体表面的粗糙程度，反射分为：根据物体表面的粗糙程度，反射分为：1）镜面反射）镜面反射2）漫反射（朗伯反射）漫反射（朗伯反射）3）有向反射）有向反射4）混合反射）混合反射反射分类图示反射分类图示(a) 镜面反射镜面反射(b) 漫反射（朗伯反射）漫反射（朗伯反射）(c) 有向反射有向反射(d) 混合反射混合反射1) 镜面反射镜面反射当目标物的表面当目标物的表面大大低于电磁波的波长时，大大低于电磁波的波长时，那么目标物对电磁波的反射作用遵循反射定律。那么目标物对电磁波的反射作用遵循反射定律。2) 朗伯反射朗伯反射朗伯定律：朗伯定律：反射辐射亮度反射辐射亮度（单位面积单（单位面积单位立体角内

39、的位立体角内的辐射通量）和辐射通量）和观察方向与表观察方向与表面法线夹角的面法线夹角的余弦成正比。余弦成正比。cos0BB 当目标物的表面足够粗糙，以致于它对太阳短波辐射的散射辐射亮度在以目当目标物的表面足够粗糙，以致于它对太阳短波辐射的散射辐射亮度在以目标物的中心的标物的中心的2空间中呈常数，即散射辐射亮度不随观测角度而变，称该物空间中呈常数，即散射辐射亮度不随观测角度而变，称该物体为漫反射体，亦称朗伯体。严格讲自然界中只存在近似意义下的朗伯体。体为漫反射体，亦称朗伯体。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。只有黑体才是真正的朗伯体。 3) 有向反射有向反射一部分

40、镜面反射，一部分朗伯反射。一部分镜面反射，一部分朗伯反射。有向反射有向反射比较复杂，反射率是入射角、反射角、入射比较复杂，反射率是入射角、反射角、入射方位角、反射方位角的函数。方位角、反射方位角的函数。)()(),(sZsEsiZiMisZiZs有向反射和混合反射与电磁波的入射方向和观察方向有向反射和混合反射与电磁波的入射方向和观察方向有关，在航空遥感中具有重要意义。有关，在航空遥感中具有重要意义。4) 混合反射混合反射了解物体反射类型的意义了解物体反射类型的意义遥感器获取的辐射亮度与物体反射类型密遥感器获取的辐射亮度与物体反射类型密切关联。辐射亮度既与辐射入射方位角和切关联。辐射亮度既与辐射

41、入射方位角和天顶角有关，也与反射方向的方位角与天天顶角有关，也与反射方向的方位角与天顶角有关。顶角有关。在遥感器成像时间选择上，应避免中午成在遥感器成像时间选择上，应避免中午成像，防止在遥感图像上形成镜面反射。像，防止在遥感图像上形成镜面反射。 定义：可见光至近红外波段上地物反射定义：可见光至近红外波段上地物反射率随波长的变化规律。率随波长的变化规律。 地物的反射波谱曲线地物的反射波谱曲线表示方法：一般采用表示方法：一般采用二维几何空间内的曲二维几何空间内的曲线表示，横坐标表示线表示，横坐标表示波长波长，纵坐标表示反，纵坐标表示反射率射率。常见地物的反射波谱特征曲线常见地物的反射波谱特征曲线

42、植被植被水体水体土壤土壤岩石岩石植被在可见光波段的波谱特征植被在可见光波段的波谱特征 可见光波段：在可见光波段：在0.450.45到到0.760.76微米区间，微米区间，在在0.550.55微米附近（绿色波段）有一个反射峰，微米附近（绿色波段）有一个反射峰，在在0.670.67微米附近区间（红色波段）有一个吸微米附近区间（红色波段）有一个吸收谷；收谷；植被在近、中红外波段波谱特征植被在近、中红外波段波谱特征近红外波段近红外波段:(0.76-0.8:(0.76-0.8mm),),从从0.76m0.76m处反处反射率迅速增大，形成一个爬升的射率迅速增大，形成一个爬升的“陡坡陡坡”，至至1.11.1m m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5050，形成植被的独有特征。，形成植被的独有特征。中红外波段中红外波段:(1.3-2.5:(1.3-2.5mm),),1.51.51.91.9m m光谱光谱区反射率增大，在区反射率增大，在1.451.45m m，1.951.95m m和和2.72.7m m为中心的附近区间受到绿色植物含水为中心的附近区间受