第二章 遥感物理基础

1、第一节第一节 电磁波和电磁波谱电磁波和电磁波谱v波：波：是振动在空间的传播。是振动在空间的传播。v横波和纵波：横波和纵波：质点的振动方向与传播方向质点的振动方向与传播方向相同的为相同的为纵波纵波；两者垂直的为；两者垂直的为横波横波。波波v机械波：机械波：由机械振动产生的波。是振源发出的由机械振动产生的波。是振源发出的振动在弹性介质中的传播。振动在弹性介质中的传播。v声波、水波、地震波声波、水波、地震波v其共性是必须依赖于弹性介质，振动的是弹性其共性是必须依赖于弹性介质，振动的是弹性介质中质点的位移矢量，质点本身并不向前运介质中质点的位移矢量，质点本身并不向前运动，传播的是能量和振动形式。动，传

2、播的是能量和振动形式。波波机械波机械波v电磁波：电磁波：由电磁振动产生的波。是交变电磁场由电磁振动产生的波。是交变电磁场在空间的传播，它是物质运动，能量传递的一在空间的传播，它是物质运动，能量传递的一种特殊形式。种特殊形式。v电磁辐射：电磁辐射：电磁波能量的传递过程（包括辐射、电磁波能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射等现象）。吸收、反射和透射等现象）。v光波、热辐射、微波、无线电波光波、热辐射、微波、无线电波v由振源发出的电磁振荡在空间的传播，振荡的由振源发出的电磁振荡在空间的传播，振荡的是空间电场矢量是空间电场矢量E E和磁场矢量和磁场矢量B B。波波电磁波和电磁辐射电磁波和电磁辐射

3、v电磁波是物质存在的一种形式，以场的形式表现出来。电磁波是物质存在的一种形式，以场的形式表现出来。v不管是机械波还是电磁波，在运动形式上都是波动。不管是机械波还是电磁波，在运动形式上都是波动。v波动的基本特点是时空周期性，时空周期性可以由波动波动的基本特点是时空周期性，时空周期性可以由波动方程的波函数表示：方程的波函数表示： A Asinsin t-kx)+t-kx)+ 式中：式中： 波函数；波函数；A A振幅；振幅； ( ( t-kx)+t-kx)+ 位相；位相； 初位相；初位相； 圆频率，圆频率， 2 2 /T/T； k k圆波数，圆波数，k k 2 2 / / ；t t，x x时空变量时

4、空变量波动方程波动方程描述电磁波时空周期性的主要物理量描述电磁波时空周期性的主要物理量v由方程可知，波函数有振幅和位相两部分信由方程可知，波函数有振幅和位相两部分信息。息。v被动遥感的传感器只记录地物电磁波的振幅被动遥感的传感器只记录地物电磁波的振幅即强度信息。即强度信息。v主动遥感的传感器既记录地物电磁波的振幅主动遥感的传感器既记录地物电磁波的振幅信息，也记录位相信息。信息，也记录位相信息。v电磁波是一种电磁波是一种横波横波，是以电磁场的形式，是以电磁场的形式传播的球面波，即使在真空中也能传播。传播的球面波，即使在真空中也能传播。v各种不同的电磁波，在真空中的传播速各种不同的电磁波，在真空中

5、的传播速度均相等，并等于光速。度均相等，并等于光速。电磁波的特性电磁波的特性v电磁辐射以波动形式在空间传播电磁辐射以波动形式在空间传播电磁波具有波动特性电磁波具有波动特性（如干涉、衍射、偏振、色散等现象）。（如干涉、衍射、偏振、色散等现象）。v电磁波是由密集的光子微粒组成电磁波是由密集的光子微粒组成电磁波具有粒子（量电磁波具有粒子（量子）性（如电磁辐射的光电效应、光化学作用等现象）子）性（如电磁辐射的光电效应、光化学作用等现象） 。v电磁波在传播过程中，主要表现为波动性；当电磁辐射与电磁波在传播过程中，主要表现为波动性；当电磁辐射与物质相互作用时，主要表现为粒子性。物质相互作用时，主要表现为粒

6、子性。v一般说来，波长越短，辐射的粒子性越明显；波长越长，一般说来，波长越短，辐射的粒子性越明显；波长越长，辐射的波动性越明显。辐射的波动性越明显。v此即电磁波的此即电磁波的波粒二象性。波粒二象性。v电磁波谱的概念电磁波谱的概念v电磁波谱的划分电磁波谱的划分v各谱段的特性各谱段的特性电磁波谱的概念电磁波谱的概念v电磁波谱：电磁波谱：将各种电磁波按其波长的（频率）大小，将各种电磁波按其波长的（频率）大小，依次排列成图表，这个图表就叫依次排列成图表，这个图表就叫电磁波谱电磁波谱。v电磁波是粒子（电子、原子、分子等）发生能级跃迁电磁波是粒子（电子、原子、分子等）发生能级跃迁时产生的，当粒子从较高能级

7、跃迁到较低能级时发射时产生的，当粒子从较高能级跃迁到较低能级时发射电磁波；反之，吸收电磁波。电磁波；反之，吸收电磁波。v不同的粒子，发生不同的能级跃迁，产生不同能量，不同的粒子，发生不同的能级跃迁，产生不同能量，也就是不同波长的电磁波。也就是不同波长的电磁波。电磁波谱的划分电磁波谱的划分在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，无线电波根据电磁波谱中，波长最长的是无线电波，无线电波根据波长不同又分为长波、中波、短波、超短波，其次是波长不同又分为长波、中波、短波、超短波，其次是微波、红外线、可见光、紫外线，再次是微波、红外线、可见光、紫外线，再次是X X射线，波射线，波长最短的是长最短的是 射线，见下

8、图：射线，见下图：10-6 m1nm0.38 m 0.76 m 3 m6 m15 m 1mm1m 射线射线X X 射线射线紫外线紫外线可见光可见光近红外近红外中红外中红外远红外远红外超远红外超远红外微波微波无线电波无线电波1mm=1000 m；1m=1000nm电磁波谱的划分电磁波谱的划分电磁波谱的划分电磁波谱的划分紫外波段紫外波段0.01 - 0.38 m可见光波段可见光波段0.38 - 0.76 m 紫色光紫色光 0.38 - 0.43 m 蓝色光蓝色光 0.43 - 0.47 m 青色光青色光 0.47 - 0.50 m 绿色光绿色光 0.50 - 0.56 m 黄色光黄色光 0.56

9、- 0.59 m 橙橙 色光色光 0.59 - 0.62 m 红色光红色光 0.62 - 0.76 m近红外（摄影红外）波段近红外（摄影红外）波段0.76 - 1.2 m近红外（反射红外）波段近红外（反射红外）波段0.76 - 3.0 m中红外波段（热红外）中红外波段（热红外）3.0 6.0 m电磁波谱的划分电磁波谱的划分远红外波段（热红外）远红外波段（热红外）6.0 15.0 m超远红外波段超远红外波段15.0 - 1000 m微波波段微波波段1.0mm 1m 毫米波毫米波1.0 - 10 mm 厘米波厘米波1.0 - 10 cm 分米波分米波0.1 1.0 m各谱段的特性各谱段的特性在真空

10、中具有相同的传播速度，在真空中具有相同的传播速度，c c3.03.0* *10108 8m/s m/s 遵守相同的反射、折射、干涉、衍射及偏振定律遵守相同的反射、折射、干涉、衍射及偏振定律v波长波长 0.01-0.38 m，属于太阳辐射的范畴，属于太阳辐射的范畴 。v波长小于波长小于0.28 m的紫外线，被臭氧层及其它成份吸收。的紫外线，被臭氧层及其它成份吸收。v只有波长只有波长0.28-0.38的紫外线，能部分穿过大气层，但散射的紫外线，能部分穿过大气层，但散射严重，只有部分投射到地面，并使感光材料感应，可作为严重，只有部分投射到地面，并使感光材料感应，可作为遥感工作波段，称为遥感工作波段，

11、称为摄影紫外摄影紫外。主要用于探测碳酸盐分布。主要用于探测碳酸盐分布和监测水面油污。和监测水面油污。v碳酸盐岩在碳酸盐岩在0.4 m 以下的短波区对紫外线的反射比其它类以下的短波区对紫外线的反射比其它类型的岩石强，水面油膜比周围水面对紫外反射强烈。型的岩石强，水面油膜比周围水面对紫外反射强烈。v空中探测高度大致在空中探测高度大致在2000m以下，不适宜高空遥感。以下，不适宜高空遥感。紫外波段的特性紫外波段的特性v波长波长0.38-0.76 m m； v人眼可见，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光组成；人眼可见，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光组成；v在太阳辐射能中所占比例高，能透过大气层；地

12、面物体对在太阳辐射能中所占比例高，能透过大气层；地面物体对七色光多具有其特征的反射和吸收特性，故信息量最大，七色光多具有其特征的反射和吸收特性，故信息量最大，是鉴别物质特征的主要波段；是鉴别物质特征的主要波段；v遥感中可以用光学摄影、扫描等各种方式成像，可全色，遥感中可以用光学摄影、扫描等各种方式成像，可全色，可分波段，是遥感最常用的波段。可分波段，是遥感最常用的波段。v可见光波段的遥感技术最成熟，但仍然有很大潜力。当前可见光波段的遥感技术最成熟，但仍然有很大潜力。当前分辨能力最好的遥感资料，仍然是在可见光波段内。分辨能力最好的遥感资料，仍然是在可见光波段内。可见光波段的特性可见光波段的特性v

13、波长波长0.76-1000 m m 。可分为近红外波段（。可分为近红外波段（0.76-3），），中红外（中红外（3-6），远红外（），远红外（6-15）和超远红外（）和超远红外（15-1000）v近红外波段近红外波段是地表层反射太阳的红外辐射，故又称是地表层反射太阳的红外辐射，故又称反射红外反射红外。v其中靠近可见光红光的其中靠近可见光红光的0.76-1.2波段可使胶片感光，波段可使胶片感光，故又称故又称摄影红外摄影红外。红外波段的特性红外波段的特性v中、远红外中、远红外是地表物体发射的红外线，有热感，故称是地表物体发射的红外线，有热感，故称热红外热红外。热红外只能用扫描方式，经过光电信号的转

14、。热红外只能用扫描方式，经过光电信号的转换才能成像。换才能成像。v超远红外超远红外：15.015.01000 1000 m m，多被大气吸收，遥感探测多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。器一般无法探测。v红外遥感采用热感应方式探测地物本身的辐射（热污红外遥感采用热感应方式探测地物本身的辐射（热污染、火山、森林火灾等），可以全天时遥感，是一个染、火山、森林火灾等），可以全天时遥感，是一个很有发展潜力的遥感波段。很有发展潜力的遥感波段。红外波段的特性红外波段的特性v波长波长1mm-1m。可分为毫米波（。可分为毫米波（1-10mm）、厘米波）、厘米波（1-10cm）和分米波（）和分米波（1-10d

15、m）。）。v微波的特点是能穿透云雾和一定厚度的植被、冰层和微波的特点是能穿透云雾和一定厚度的植被、冰层和土壤，可获得其它波段无法获得的信息；土壤，可获得其它波段无法获得的信息；v具有全天候的工作能力；具有全天候的工作能力；v可以主动和被动方式成像。可以主动和被动方式成像。v因此在遥感技术上是很有潜力的一个波段因此在遥感技术上是很有潜力的一个波段微波波段的特性微波波段的特性一、电磁辐射原理一、电磁辐射原理v电磁辐射：电磁辐射：电磁波能量的传递过程（包电磁波能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射等现象）。括辐射、吸收、反射和透射等现象）。v热辐射：热辐射：自然界中一切物体。当温度高于绝对零自然

16、界中一切物体。当温度高于绝对零度（度（-273-273）时，都会不断向四周空间辐射电磁）时，都会不断向四周空间辐射电磁波，这种由物体内部粒子热运动所引起的电磁辐波，这种由物体内部粒子热运动所引起的电磁辐射称为热辐射。射称为热辐射。v热辐射能量的大小及波长热辐射能量的大小及波长 分布取决于物体本身分布取决于物体本身的温度的温度T T。v地物发射电磁辐射的能力用地物发射电磁辐射的能力用发射率发射率 （见后）（见后）来来表示。地物的发射率以表示。地物的发射率以黑体黑体辐射作为基准。辐射作为基准。v吸收系数吸收系数：物体吸收能量与入射总能量之比。：物体吸收能量与入射总能量之比。入射总能量吸收能量),(

17、Tv黑体：黑体：“绝对黑体绝对黑体”的简称，是一个理想的辐射的简称，是一个理想的辐射体，指在任何温度和波长条件下的电磁辐射的吸体，指在任何温度和波长条件下的电磁辐射的吸收系数恒等于收系数恒等于1 1（100100）的物体）的物体。v黑体辐射：黑体辐射：黑体的热辐射称为黑体辐射。黑体的热辐射称为黑体辐射。v绝对白体（白体绝对白体（白体) )：吸收系数吸收系数恒等于恒等于0 0的物体的物体v黑体是一种具有最大辐射能力的物体；白体是具黑体是一种具有最大辐射能力的物体；白体是具有最大反射能力的物体。有最大反射能力的物体。现实中并不存在绝对黑体，黑体模型的现实中并不存在绝对黑体，黑体模型的基本结构为能保

18、持恒定温度的空腔。它基本结构为能保持恒定温度的空腔。它能够全部吸收进入腔体内的各种波长的能够全部吸收进入腔体内的各种波长的电磁辐射，又能电磁辐射，又能100100的发射某一波长的的发射某一波长的辐射。辐射。v灰体灰体：0 0 1 1，不随波长而变不随波长而变化。化。v选择性辐射体：选择性辐射体： 0 0 1 1，随随波长而变化。波长而变化。v辐射能量（辐射能量（W）：）：电磁辐射的能量，单位电磁辐射的能量，单位J。v辐射通量（辐射通量（）：）：单位时间内通过某一面积的单位时间内通过某一面积的辐射能量辐射能量,=dW/dt，单位，单位W。辐射通量是波长。辐射通量是波长的函数，总辐射通量是各谱段辐

19、射通量之和或的函数，总辐射通量是各谱段辐射通量之和或积分值积分值。v辐射通量密度（辐射通量密度（E）：）：单位时间内通过单位面单位时间内通过单位面积的辐射能量，积的辐射能量，E=d/dS，单位，单位W/M2，S为面为面积。积。v辐照度（辐照度（I）：）：被辐射的物体表面单位面积上的被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，单位辐射通量，单位W/M2 。v辐射出射度（辐射出射度（M）：）：辐射源物体表面单位面积辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，单位上的辐射通量，单位W/M2 。v辐照度（辐照度（I）与辐射出射度（）与辐射出射度（M）都是辐射通量）都是辐射通量密度（密度（E）的概念）的概念,不过，不

20、过，I为物体接收的辐射，为物体接收的辐射，M为物体发出的辐射，它们都与波长有关。为物体发出的辐射，它们都与波长有关。v绝对黑体在波长为绝对黑体在波长为 ，绝对温度为，绝对温度为T T时的辐射通量密度时的辐射通量密度E E0 0( ( ,T),T)为：为：20521( , )1hcKhcEe 式中：式中：C3 1010 cm /秒，光速；秒，光速；h6.6256 10-34瓦瓦.秒秒2，普朗克常数；普朗克常数；K1.38 10-23瓦瓦.秒秒/K，玻尔兹曼常数；，玻尔兹曼常数； 波长；波长；T绝对温度；绝对温度；普朗克公式表示出了黑体辐射通量密度与温普朗克公式表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系

21、及按波长分布的情况。反映黑体度的关系及按波长分布的情况。反映黑体辐射的三个特性：辐射的三个特性：v辐射通量密度随波长连续变化，温度一定辐射通量密度随波长连续变化，温度一定时，辐射通量密度随波长变化的曲线只有时，辐射通量密度随波长变化的曲线只有一个最大值一个最大值v温度越高，辐射通量密度也越大，不同温温度越高，辐射通量密度也越大，不同温度下的曲线不相交。度下的曲线不相交。v随着温度的升高，辐射最大值所对应的波随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长向短波方向移动长向短波方向移动E E0 06000K3000K1000K200K将普朗克公式对波长将普朗克公式对波长 积分得：积分得：4000),()(

22、deE式中：式中： 0(T) 绝对温度时，黑体单位时间和单位面积绝对温度时，黑体单位时间和单位面积上发出的总辐射能；上发出的总辐射能；428/10)00029. 06697. 5(KmW为史蒂芬为史蒂芬玻尔兹曼常数；玻尔兹曼常数；T绝对温度。绝对温度。由上式可见（由上式可见（在遥感技术上的意义在遥感技术上的意义）：v绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能与绝对温度的四次方成正比，对于一般物体与绝对温度的四次方成正比，对于一般物体,可用上式概略推算出总辐射能与绝对温度的可用上式概略推算出总辐射能与绝对温度的关系。关系。v黑体总辐射通量密度与温度的四次方成正比

23、，黑体总辐射通量密度与温度的四次方成正比，因而随温度的增加迅速增大因而随温度的增加迅速增大红外测温的红外测温的理论依据理论依据。v对普朗克公式对波长对普朗克公式对波长 微分后求极大值，即得出黑体最微分后求极大值，即得出黑体最大辐射能所对应的波长（大辐射能所对应的波长（ m）及其绝对温度（）及其绝对温度（T）的）的关系式为关系式为:bmKcmb2897.0上式说明（在遥感技术上的意义）上式说明（在遥感技术上的意义） ：v黑体的绝对温度增高时，它辐射能最大的波段黑体的绝对温度增高时，它辐射能最大的波段向短波方向移动。据此可对特定的目标选择红向短波方向移动。据此可对特定的目标选择红外遥感的最佳波段。

24、外遥感的最佳波段。又称又称“”，是指地物的辐射出射度（即，是指地物的辐射出射度（即地物单位面积发出的辐射通量）地物单位面积发出的辐射通量）M与同温度黑体的辐射出射与同温度黑体的辐射出射度（即黑体单位面积发出的辐射通量）度（即黑体单位面积发出的辐射通量）M0的比值的比值 。 M / M0 地物的发射率与地物的性质、表面状况（粗糙度、颜色等）地物的发射率与地物的性质、表面状况（粗糙度、颜色等）有关，且是温度和波长的函数。有关，且是温度和波长的函数。a、同一温度表面粗糙或颜色较深的，发射率较高；、同一温度表面粗糙或颜色较深的，发射率较高；b、不同温、不同温度的同一地物，有不同的发射率；度的同一地物，

25、有不同的发射率；c、发射率与波长有关。、发射率与波长有关。任何物体在任一给定的温度和波长条件下，任何物体在任一给定的温度和波长条件下，它的辐射通量密度它的辐射通量密度E和吸收系数和吸收系数 之比是一个常数，并且之比是一个常数，并且等于同一温度波长下，绝对黑体的辐射通量密度等于同一温度波长下，绝对黑体的辐射通量密度E0 。),(),(),(0EE),(),(aT由此可见：任何物体在给定温度条件下，在某一波长处的发由此可见：任何物体在给定温度条件下，在某一波长处的发射系数数值上等于相同条件下的吸收系数。因此，射系数数值上等于相同条件下的吸收系数。因此，一个好的一个好的吸收体也是一个好的发射体。吸收

26、体也是一个好的发射体。因为因为E和和M是一个概念，则有：是一个概念，则有：在一在一定温度下的物体，如它对某一波长的辐射定温度下的物体，如它对某一波长的辐射有强吸收，则发射这一波长的能力也强，有强吸收，则发射这一波长的能力也强，反之亦然。如不吸收某种波长的辐射，则反之亦然。如不吸收某种波长的辐射，则亦不发射这种波长的辐射。亦不发射这种波长的辐射。二、电磁辐射源二、电磁辐射源v 自然辐射源（自然辐射源（太阳、地球）太阳、地球）v 人工辐射源人工辐射源自然辐射源自然辐射源v自然辐射源主要包括太阳辐射和地物的自然辐射源主要包括太阳辐射和地物的热辐射。热辐射。v太阳辐射太阳辐射是被动遥感中可见光和近红外

27、是被动遥感中可见光和近红外遥感最主要的辐射源。遥感最主要的辐射源。v地球是地学遥感探测的对象，又是目前地球是地学遥感探测的对象，又是目前中、远红外遥感的主要辐射源。中、远红外遥感的主要辐射源。自然辐射源自然辐射源太阳太阳v太阳是地球环境中最强大的天然电磁辐射源太阳是地球环境中最强大的天然电磁辐射源 ，是，是被动遥感中可见光和近红外遥感最主要的辐射源。被动遥感中可见光和近红外遥感最主要的辐射源。v太阳是一个表面温度约太阳是一个表面温度约6000K的炽热发光球体。的炽热发光球体。v太阳是地球上除核能外一切有用能量的源泉。太阳是地球上除核能外一切有用能量的源泉。v地球距太阳地球距太阳1.5亿亿KM，

28、太阳辐射能经，太阳辐射能经500秒方到达秒方到达地球，地球接收太阳辐射能约二十二亿分之一。地球，地球接收太阳辐射能约二十二亿分之一。v太阳辐射是一种十分复杂的连续电波光谱，从波长太阳辐射是一种十分复杂的连续电波光谱，从波长10-4 m或更短的或更短的X射线延伸到大于射线延伸到大于10m的无线电波。的无线电波。总能量用太阳常数表示总能量用太阳常数表示v太阳常数太阳常数：指在不受大气影响的情况下，距太阳一：指在不受大气影响的情况下，距太阳一个天文单位（通常指日个天文单位（通常指日地平均距离处，约地平均距离处，约1.4961.496 10108 8kmkm）处，垂直于太阳入射方向上，单位）处，垂直于

29、太阳入射方向上，单位面积单位时间内所接收到的所有波段的太阳辐射总面积单位时间内所接收到的所有波段的太阳辐射总能量：能量：I I=135.3=135.3毫瓦毫瓦/ /厘米厘米2 2=1352w/m=1352w/m2 2v可以认为太阳常数是在大气层顶部接收到的太阳辐可以认为太阳常数是在大气层顶部接收到的太阳辐射能量。射能量。v太阳辐射的各种电磁波称为太阳辐射的各种电磁波称为太阳光谱。太阳光谱。v太阳辐射的光谱是连续光谱，且辐射特性太阳辐射的光谱是连续光谱，且辐射特性近似于温度为近似于温度为5900K5900K的绝对黑体辐射。的绝对黑体辐射。v由于太阳辐射的大部分能量集中在可见光由于太阳辐射的大部分

30、能量集中在可见光波段，所以称为波段，所以称为短波辐射短波辐射。v太阳辐射能太阳辐射能主要集中在主要集中在0.30.33 3 m波波段段。v最大辐射对最大辐射对应的波长约应的波长约为为0.480.48 m。0太阳辐射能量的组成太阳辐射能量的组成波长波长/ m 波段波段能量能量(%)波长波长/ m 波段波段能量能量(%)1000 微波0.380.76 可见光43.5v太阳辐射从近紫外到中红外（太阳辐射从近紫外到中红外（0.31-5.6 m）这）这一波段区间能量最集中，且相对最稳定，太阳一波段区间能量最集中，且相对最稳定，太阳强度变化小。强度变化小。v在其他波段，如在其他波段，如X X射线、射线、

31、射线、远紫外及微射线、远紫外及微波波段，尽管它们的能量加起来不到波波段，尽管它们的能量加起来不到1%1%，可是，可是却变化很大，特别是太阳活动剧烈，如黑子和却变化很大，特别是太阳活动剧烈，如黑子和耀斑爆发，其强度有剧烈增长。耀斑爆发，其强度有剧烈增长。太阳辐射在大气中的损耗太阳辐射在大气中的损耗大气及其它成份反射：30%大气吸收：17%大气散射：22%到达地面: 31%地 球太阳大气层自然辐射源自然辐射源地球地球v 地球电磁辐射的特性地球电磁辐射的特性v 与太阳辐射的相互作用与太阳辐射的相互作用对象对象辐射源辐射源v地球辐射曲线与太地球辐射曲线与太阳辐射曲线在阳辐射曲线在5.5 5.5 m处相

32、交，处相交，3 3 m处处地球辐射减弱至接地球辐射减弱至接近于近于0 0，6 6 m处，太处，太阳辐射减至接近于阳辐射减至接近于0 0。与太阳辐射相互作用与太阳辐射相互作用v波长波长0.3-3 m，即紫外、可见光和近红外波段，即紫外、可见光和近红外波段，地表主要的辐射是反射太阳辐射，地球自身的地表主要的辐射是反射太阳辐射，地球自身的辐射几乎可以忽略不计。辐射几乎可以忽略不计。v波长波长3-6 m中红外波段，太阳与地球辐射均不中红外波段，太阳与地球辐射均不能忽略。能忽略。进行该波段的红外遥感时，常选择在进行该波段的红外遥感时，常选择在清晨时分，以减少太阳辐射影响清晨时分，以减少太阳辐射影响。v波

33、长波长 6 m的热红外波段，主要是地表物体自身的热红外波段，主要是地表物体自身的热辐射，太阳辐射的影响几乎可以忽略不计。的热辐射，太阳辐射的影响几乎可以忽略不计。人工辐射源人工辐射源v人工辐射源：人工辐射源：指能人为发射具有一定波长指能人为发射具有一定波长的电磁波束的发射装置。目前主要有的电磁波束的发射装置。目前主要有微波微波辐射源辐射源和和激光辐射源激光辐射源。v主动式遥感采用人工辐射源。工作时向地主动式遥感采用人工辐射源。工作时向地表发射电磁波束而接收其反射回波，并据表发射电磁波束而接收其反射回波，并据其反射信号强弱探知地物性质或测距。又其反射信号强弱探知地物性质或测距。又称称雷达探测雷达

34、探测。v雷达又可以分为雷达又可以分为微波雷达微波雷达和和激光雷达激光雷达。人工辐射源人工辐射源微波辐射源微波辐射源微波遥感中微波遥感中常用的波段常用的波段为为0.830cm，其探测波段其探测波段与相应频率与相应频率如表：如表：波段名称波段名称频率频率(10MHz)波长波长 (cm)PLSCXKuKKaQVW0.225 0.390.39 1.551.55 3.93.9 5.755.75 10.910.9 1818 26.526.5 4040 4646 5656 100133 76.976.9 19.419.4 7.697.69 5.215.21 2.752.75 1.671.67 1.131.1

35、3 0.830.83 0.630.63 0.530.53 0.3微波遥感特点微波遥感特点v微波与无线电波相比，频率高，可用频带宽，信息容量微波与无线电波相比，频率高，可用频带宽，信息容量大。大。v微波具有似光性，即传播特性与光相似。微波具有似光性，即传播特性与光相似。v微波遥感具有全天候全天时探测能力。（主动式传感器不微波遥感具有全天候全天时探测能力。（主动式传感器不依靠太阳辐射；波长长，受大气干扰小）。依靠太阳辐射；波长长，受大气干扰小）。v微波对某些物质具有一定的穿透能力，如植被、冰、雪、微波对某些物质具有一定的穿透能力，如植被、冰、雪、土壤。土壤。v某些物质的光谱在微波波段有较大的差异，

36、因此一些物体某些物质的光谱在微波波段有较大的差异，因此一些物体在微波遥感中容易区别。在微波遥感中容易区别。人工辐射源人工辐射源激光辐射源激光辐射源 m mv太阳辐射或地面辐射经过大气层时，会受到太阳辐射或地面辐射经过大气层时，会受到大气的反射、吸收和散射作用而发生衰减。大气的反射、吸收和散射作用而发生衰减。v不同波长的电磁波所受的衰减作用轻重不不同波长的电磁波所受的衰减作用轻重不同，即不同波长的电磁波在大气中的透射率同，即不同波长的电磁波在大气中的透射率不同。不同。传感器接收地物对太阳辐射反射的过程受到两次衰减：一是传感器接收地物对太阳辐射反射的过程受到两次衰减：一是太阳辐射从大气外界通过倾斜

37、路径到达地面；二是到达地面太阳辐射从大气外界通过倾斜路径到达地面；二是到达地面的太阳辐射经过地物的反射，垂直向上又一次经过大气。的太阳辐射经过地物的反射，垂直向上又一次经过大气。太阳高度角传感器大气层顶部太阳辐照度E（）()地面反射率z()天顶透过率LA传感器探测到的散射辐射LS地面反射辐射地面()斜程透过率R()传感器的滤光片的作用大气的层次和成份大气的层次和成份v大气层次大气层次v大气成份大气成份大气层次大气层次地球外围的大气圈并没有一个确切的界限，只是离地面越地球外围的大气圈并没有一个确切的界限，只是离地面越高，空气逐渐变得越稀薄。大气在垂直方向的分层如下：高，空气逐渐变得越稀薄。大气在

38、垂直方向的分层如下：v对流层：对流层：顶部平均距地面顶部平均距地面20km以内，集中了大气质量的以内，集中了大气质量的3/4 4，层内大气活动活跃，经常发生气象变化，是航空遥感的主层内大气活动活跃，经常发生气象变化，是航空遥感的主要工作区。要工作区。v平流层：平流层：顶部平均位于距地面顶部平均位于距地面50km处，无垂直对流，由于处，无垂直对流，由于存在臭氧层，吸收紫外线而升温。存在臭氧层，吸收紫外线而升温。v中层：中层：顶部平均位于距地面顶部平均位于距地面80km处，气温随高度增加而递处，气温随高度增加而递减，大致在减，大致在80km处气温降到最低，约处气温降到最低，约170K，是整个大气层

39、，是整个大气层的最低气温的最低气温。也有将平流层和中层合称为平流层。也有将平流层和中层合称为平流层。大气层次大气层次v热层（也叫增温层）：热层（也叫增温层）：顶部平均位于距地面顶部平均位于距地面800km处，处，层内气温随高度增加而急剧递增，在层内气温随高度增加而急剧递增，在300km的高度上，的高度上，温度达到温度达到1000C以上，该层对遥感使用的可见光、以上，该层对遥感使用的可见光、红外直至微波波段的影响较小，大气十分稀薄，处于红外直至微波波段的影响较小，大气十分稀薄，处于电离状态，又叫电离状态，又叫电离层电离层，是卫星遥感的主要空间。，是卫星遥感的主要空间。v大气外层：大气外层：该层距

40、离地面该层距离地面800km以上，空气极为稀薄，以上，空气极为稀薄，不断向星际空间散逸，该层对卫星运行基本没有影响，不断向星际空间散逸，该层对卫星运行基本没有影响，又称又称散逸层散逸层。对电磁辐射传输有显著影响的主要是对流层和平流层。对电磁辐射传输有显著影响的主要是对流层和平流层。v地球大气由多种气体、固态及液态悬浮微粒组地球大气由多种气体、固态及液态悬浮微粒组成。成。v主要气体包括主要气体包括N2、O2、H2O、CO、CO2、N2O、CH4及及O3等；等；v大气中的悬浮微粒包括尘埃、冰晶、水滴等，大气中的悬浮微粒包括尘埃、冰晶、水滴等，直径约为直径约为0.01-30 m，这些悬浮物通称为，这

41、些悬浮物通称为气溶气溶胶粒子胶粒子，形成霾、雾、云。，形成霾、雾、云。大气成份大气成份v在紫外在紫外微波之间，具明显吸收作用的主要是微波之间，具明显吸收作用的主要是O3、O2、CO2和和H20；此外；此外N2O、CH4对电磁辐射也有吸收，多种对电磁辐射也有吸收，多种成份对电磁波有不同的吸收能力，从而形成相应的吸收成份对电磁波有不同的吸收能力，从而形成相应的吸收带。带。v氧（氧（O2）：）：大气中氧气含量约占大气中氧气含量约占21，它主要吸收小于，它主要吸收小于0.2 m的太阳辐射能量，在波长的太阳辐射能量，在波长0.155 m吸收最强，在吸收最强，在0.6 m和和0.76 m附近，各有一个窄吸

42、收带，吸收能力较附近，各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。弱。v臭氧（臭氧（O3）：）：大气中含量很少，只占大气中含量很少，只占0.01-0.1，但对太，但对太阳辐射能量吸收很强，有两个吸收带：一个为波长阳辐射能量吸收很强，有两个吸收带：一个为波长0.20.36 m强吸收带，另一个为强吸收带，另一个为0.6 m附近的吸收带。主要附近的吸收带。主要分布在分布在30km高度附近，因此对小于高度附近，因此对小于10km的航空遥感影的航空遥感影响不大，而主要影响航天遥感。响不大，而主要影响航天遥感。v水（水（H2O）：）：是吸收太阳辐射能量最强的介质，主要吸是吸收太阳辐射能量最强的介质，主要吸收带位于红外

43、和可见光的红光波段，其中红外部分吸收收带位于红外和可见光的红光波段，其中红外部分吸收最强。在最强。在0.50.9 m有四个窄吸收带，在有四个窄吸收带，在0.952.85 m有五个宽吸收带，在有五个宽吸收带，在6.25 m附近有一个强吸收带。因此附近有一个强吸收带。因此水气对红外遥感有很大影响。液态水的吸收比水气吸收水气对红外遥感有很大影响。液态水的吸收比水气吸收更强，但主要在长波方面。更强，但主要在长波方面。vCO2：大气中含量很少，占大气中含量很少，占0.3%，吸收带主要在，吸收带主要在红外区内，在红外区内，在1.352.85 m有有3个宽的弱吸收个宽的弱吸收带，在带，在2.7 m、4.3

44、m与与14.5 m为强吸收带。为强吸收带。对太阳辐射的吸收可忽略不记对太阳辐射的吸收可忽略不记。v尘埃：尘埃：对太阳辐射有一定的吸收作用，但吸收量对太阳辐射有一定的吸收作用，但吸收量很少。当有沙暴、烟雾和火山爆发发生时，大很少。当有沙暴、烟雾和火山爆发发生时，大气中的尘埃急剧增加，这时，它的吸收作用才气中的尘埃急剧增加，这时，它的吸收作用才比较明显。比较明显。 v大气散射概念大气散射概念v瑞利散射瑞利散射v米氏散射米氏散射v无选择性散射无选择性散射大气散射概念大气散射概念v大气散射大气散射：电磁波在传播的路径上遇到原子、分子或气溶：电磁波在传播的路径上遇到原子、分子或气溶胶等小微粒时，会改变传

45、播方向，向各个方向散开，这种胶等小微粒时，会改变传播方向，向各个方向散开，这种现象称为散射。现象称为散射。v散射现象的实质是电磁波在传输过程中遇到大气微粒而产散射现象的实质是电磁波在传输过程中遇到大气微粒而产生的一种衍射现象，因此，这种现象只有当大气中的分子生的一种衍射现象，因此，这种现象只有当大气中的分子或其他微粒的直径小于或相当于辐射波长时才发生或其他微粒的直径小于或相当于辐射波长时才发生。v散射主要集中在太阳辐射能量较强的可见光区，所以散射主要集中在太阳辐射能量较强的可见光区，所以散射散射是造成太阳辐射衰减的主要原因是造成太阳辐射衰减的主要原因。大气散射概念大气散射概念v散射的性质和强度

46、取决于微粒的半径散射的性质和强度取决于微粒的半径r与电磁波长与电磁波长 两两者之间的关系。者之间的关系。v散射强度可用散射系数（散射强度可用散射系数（ ）表示，散射系数与电磁波）表示，散射系数与电磁波波长的关系如下：波长的关系如下： 1/ 式中：式中： 为波长的指数，它由大气微粒直径大小（为波长的指数，它由大气微粒直径大小（d）与波长的关系决定。与波长的关系决定。v根据辐射的电磁波波长与微粒直径的大小的关系，散根据辐射的电磁波波长与微粒直径的大小的关系，散射分三种情况：射分三种情况：瑞利散射瑞利散射、米氏散射米氏散射、非（无）选择非（无）选择性散射性散射。v瑞利散射：瑞利散射：当微粒的直径当微

47、粒的直径 d 比辐射波长比辐射波长 小得多时，此时散小得多时，此时散射为瑞利散射。此时，射为瑞利散射。此时， 4， 1/ 4，v主要是由大气分子对可见光的散射引起的，所以也叫分子散主要是由大气分子对可见光的散射引起的，所以也叫分子散射。射。v由于散射系数与波长的四次方成反比，当由于散射系数与波长的四次方成反比，当 1 m时，瑞利散时，瑞利散射可以忽略不计，因此，红外、微波可以不考虑瑞利散射的射可以忽略不计，因此，红外、微波可以不考虑瑞利散射的影响。影响。v但是对于可见光来说，由于波长较短，瑞利散射影响较大。但是对于可见光来说，由于波长较短，瑞利散射影响较大。为什么天空是蓝色的？为什么朝霞和夕阳

48、都偏橘红色？为什么天空是蓝色的？为什么朝霞和夕阳都偏橘红色？大气散射大气散射瑞利散射瑞利散射 v米氏散射：米氏散射：微粒半径与波长接近时，微粒半径与波长接近时，取取 2 2， 1/1/ 2 2，称米氏散射。称米氏散射。v散射主要由大气中的烟尘、气溶胶、小水滴等引起，米氏散射主要由大气中的烟尘、气溶胶、小水滴等引起，米氏散射的方向性明显，在光线向前方向比向后方向更强。散射的方向性明显，在光线向前方向比向后方向更强。v如云雾的粒子大小与红外线（如云雾的粒子大小与红外线（0.76-15 m ）的波长接近，）的波长接近，所以主要是米氏散射，因此，潮湿天气米氏散射影响较所以主要是米氏散射，因此，潮湿天气

49、米氏散射影响较大。大。大气散射大气散射米氏散射米氏散射v非（无）选择性散射：非（无）选择性散射：当微粒的直径比波长大得多时，所当微粒的直径比波长大得多时，所发生的散射称非选择性散射。此时，发生的散射称非选择性散射。此时， 0， 常数，散常数，散射与波长无关，对任何波长的散射强度相同。射与波长无关，对任何波长的散射强度相同。v对于近红外、中红外也满足对于近红外、中红外也满足d ，属非选择性散射。，属非选择性散射。v大气中的云、雾、烟、尘埃等气溶胶对太阳辐射常出现这大气中的云、雾、烟、尘埃等气溶胶对太阳辐射常出现这种散射，且云、雾对各种波长的可见光散射均相同。种散射，且云、雾对各种波长的可见光散射

50、均相同。为什么云雾看起来是白色的？为什么云雾看起来是白色的？v这种散射使传感器接收到的数据严重衰减。这种散射使传感器接收到的数据严重衰减。大气散射大气散射非选择性散射非选择性散射 v散射造成太阳辐射的衰减，但是散射强度遵循的规律散射造成太阳辐射的衰减，但是散射强度遵循的规律与波长密切相关。与波长密切相关。v在可见光和近红外波段，瑞利散射是主要的。在可见光和近红外波段，瑞利散射是主要的。v当波长大于当波长大于1 m时，可忽略瑞利散射的影响。时，可忽略瑞利散射的影响。v米氏散射从近紫外到红外波段都有影响。米氏散射从近紫外到红外波段都有影响。v在短波中，瑞利散射和米氏散射相当；但在波长大于在短波中，

51、瑞利散射和米氏散射相当；但在波长大于0.5 m时，米氏散射超过了瑞利散射的影响。时，米氏散射超过了瑞利散射的影响。v大气层越厚，散射越强。大气层越厚，散射越强。为什么为什么微波具有穿透云雾的能力微波具有穿透云雾的能力? ?大气散射对各波段的影响大气散射对各波段的影响 为太阳高度角为太阳高度角. . v大气窗口：大气窗口：指电磁辐射在大气转输过程中较少指电磁辐射在大气转输过程中较少被反射、吸收和散射的透射率较高的波段。被反射、吸收和散射的透射率较高的波段。v大气屏障：大气屏障：有些波段的电磁波在大气转输过程有些波段的电磁波在大气转输过程中被严重反射、吸收和散射，几乎不能到达地中被严重反射、吸收和

52、散射，几乎不能到达地面，这些波段称大气屏障。面，这些波段称大气屏障。v遥感中常用的大气窗口见遥感中常用的大气窗口见P19P19表表2-12-1。0.3-1.3 m：包括全部可见光、部分紫外和摄影红外波段。：包括全部可见光、部分紫外和摄影红外波段。是摄影成像的最佳波段，也是扫描成像的常用波段。是摄影成像的最佳波段，也是扫描成像的常用波段。 应应用范围广，如用范围广，如Landsat卫星的卫星的TM的的1-4波段，波段，SPOT卫星的卫星的HRV波段。波段。属地物的反射光谱，透射率达属地物的反射光谱，透射率达90以上。以上。1.5-2.5 m：近红外波段。：近红外波段。属地物反射光谱，只能用光谱属

53、地物反射光谱，只能用光谱仪和扫描仪记录地物的电磁波信息，白天强光照射下扫描仪和扫描仪记录地物的电磁波信息，白天强光照射下扫描成像。在波段成像。在波段(1.5-1.75 m)和波段和波段(2.1-2.4 m)，透射率都，透射率都近近80，如，如TM(1.55-1.75 m)和和(2.08-2.35 m)波段的影像波段的影像可用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。可用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。3.5-5.5 m ：中红外波段，白天或黑夜都可用，扫描方式：中红外波段，白天或黑夜都可用，扫描方式成像。该波段除了反射外，地面物体也可以自身发射热辐成像。该波段除了反射外，地面物体

54、也可以自身发射热辐射能量，如射能量，如NOAA卫星的卫星的AVHRR传感器用传感器用3.55-3.93探测探测海面温度，获得昼夜云图。海面温度，获得昼夜云图。 8-14 m ：远红外（热红外）波段，属热辐射波段范围内，：远红外（热红外）波段，属热辐射波段范围内，采用扫描或红外辐射计检测，白天、黑夜都能成像。采用扫描或红外辐射计检测，白天、黑夜都能成像。由于由于O3、水汽、水汽、CO2的影响，透射率仅约为的影响，透射率仅约为60-70。0.8-2.5cm ：属微波段，不受大气干扰，：属微波段，不受大气干扰，透射率可达透射率可达100。采用雷达成像或微波辐射计检测，可全天候工作。采用雷达成像或微波

55、辐射计检测，可全天候工作。v自然界任何地物都有其自身特有的电磁辐射规律，都具自然界任何地物都有其自身特有的电磁辐射规律，都具有吸收和反射一定波长电磁波（紫外线、可见光、红外有吸收和反射一定波长电磁波（紫外线、可见光、红外线和微波）的特性；又都具有发射某些红外线、微波的线和微波）的特性；又都具有发射某些红外线、微波的特性；少数地物还具有透射某些波长电磁波的特性。特性；少数地物还具有透射某些波长电磁波的特性。v各种地物由于组成物质的分子、原子性质和结构规模不各种地物由于组成物质的分子、原子性质和结构规模不同，因而对不同波长的电磁波的反射、发射及透射本领同，因而对不同波长的电磁波的反射、发射及透射本

56、领也有差异。也有差异。v这种地物反射、发射及透射电磁波的本领随入射波长改这种地物反射、发射及透射电磁波的本领随入射波长改变而改变的特性称为变而改变的特性称为地物的光（波）谱特性地物的光（波）谱特性。波谱信息是一切其它遥感信息的基础。波谱信息是一切其它遥感信息的基础。入射能量反射能量入射能量透射能量入射能量吸收能量11电磁波从较稀疏的空气介质进入到较紧电磁波从较稀疏的空气介质进入到较紧密的物体介质的界面上时，将产生反射。密的物体介质的界面上时，将产生反射。v依照界面的平滑程度不同，可分为依照界面的平滑程度不同，可分为和和。v这里所说的界面的平滑程度是相对的，由入射这里所说的界面的平滑程度是相对的

57、，由入射电磁波的波长与界面起伏高度之比来确定。电磁波的波长与界面起伏高度之比来确定。v镜面反射镜面反射：界面起伏高度相对入射电磁波波长很小时产生，：界面起伏高度相对入射电磁波波长很小时产生，反射的电磁波具有方向性，即反射角反射的电磁波具有方向性，即反射角= =入射角。入射角。平静水平静水面面v漫反射漫反射：界面起伏高度相对入射波波长而言较大（即界面很：界面起伏高度相对入射波波长而言较大（即界面很粗糙）时发生，电磁波被向各方向均匀反射出去，各方向上粗糙）时发生，电磁波被向各方向均匀反射出去，各方向上反射的亮度值是一样的，这样的界面也叫反射的亮度值是一样的，这样的界面也叫朗伯面朗伯面。新鲜新鲜的氧

58、化镁、硫酸钡、碳酸镁表面的氧化镁、硫酸钡、碳酸镁表面v混合反射混合反射：界面起伏界于上述两种情况之间，即界面起伏高：界面起伏界于上述两种情况之间，即界面起伏高度相对波长具有中等粗糙度；把入射电磁波向各方向反射出度相对波长具有中等粗糙度；把入射电磁波向各方向反射出去，但不同方向亮度值不同，一般镜面反射方向辐射亮度较去，但不同方向亮度值不同，一般镜面反射方向辐射亮度较强，其它方向较弱。强，其它方向较弱。几种典型地物的波谱特征几种典型地物的波谱特征v水体的波谱特征水体的波谱特征( (清洁的深水清洁的深水) )v植被的波谱特征植被的波谱特征v土壤的波谱特征土壤的波谱特征v湿地的波谱特征湿地的波谱特征v雪地的波谱特征雪地的波谱特征v沙漠的波谱特征沙漠的波谱特征v反射率在各波段内都低（一般在反射率在各波段内都低（一般在3%3%左右），在可见光左右），在可见光部分为部分为4-5%4-