遥感的概念和相关的物理基础

1、主要内容第一节 电磁波和电磁波谱第二节 电磁辐射原理及电磁辐射源第三节 大气对电磁辐射传输的影响第四节 地物波谱特征第五节 光和颜色遥感的概念和相关的物理基础第一节 电磁波和电磁波谱一、电磁波及相关基本概念二、电磁波的特性三、电磁波谱遥感的概念和相关的物理基础一、电磁波及相关基本概念波横波和纵波机械波电磁波电磁辐射遥感的概念和相关的物理基础波：是振动在空间的传播。横波和纵波：质点的振动方向与传播方向相同的为纵波；两者垂直的为横波。波遥感的概念和相关的物理基础机械波：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。声波、水波、地震波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

2、矢量，质点本身并不向前运动，传播的是能量和振动形式。波机械波遥感的概念和相关的物理基础电磁波：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，能量传递的一种特殊形式。电磁辐射：电磁波能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射等现象）。光波、热辐射、微波、无线电波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E和磁场矢量B。波电磁波和电磁辐射遥感的概念和相关的物理基础电磁波：电磁波是横波，交变的电磁场的矢量方向始终与传播方向垂直。电场矢量E和磁场矢量B始终垂直于传播方向V，电磁波可以在真空中传播，不依赖于介质。波电磁波EBV遥感的概念和相关的物理基础理论依据：麦克斯韦的电磁理

3、论；楞茨定律；法拉第的电磁感应定律麦克斯韦的电磁理论：变化的电场在其周围空间产生变化的磁场，变化的磁场又在其周围空间产生变化的电场，这样，交变的电场和磁场相互激发并向外传播，闭合的电力线和磁力线就象一个个套在一起的链条，在空间传播开来，形成电磁波。同理，电磁波传播的是电磁能。波电磁波遥感的概念和相关的物理基础电磁波是物质存在的一种形式，以场的形式表现出来。不管是机械波还是电磁波，在运动形式上都是波动。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： Asint-kx)+ 式中：波函数；A振幅； (t-kx)+位相； 初位相；圆频率， 2/T； k圆波数，k 2/；t，x时空变

4、量波动方程遥感的概念和相关的物理基础描述电磁波时空周期性的主要物理量波长：是在同一波线上两个相位差为2的质点之间的距离，即一个完整波的长度，以表示周期：以任意点开始，振动传播一个波长所需的时间，以T表示。频率：单位时间内波动前进过程中所包含的波数，以f表示振幅：振动点离开平衡位置两边的最大位移，以A表示，也称强度初相位：波形的时间提前或延后量，以表示。波速：波在单位时间内传播距离。电磁波在真空中的传播速度为每秒3108米/秒，通常用C表示。遥感的概念和相关的物理基础描述电磁波时空周期性的主要物理量由方程可知，波函数有振幅和位相两部分信息。一般的传感器只记录地物电磁波的振幅即强度信息，而舍弃位相

5、信息。全息成像：在全息摄影中除了记录电磁波的振幅信息，同时记录位相信息。遥感的概念和相关的物理基础二、电磁波的特性电磁波是一种横波，是以电磁场的形式传播的球面波，即使在真空中也能传播。各种不同的电磁波，在真空中的传播速度均相等，并等于光速。遥感的概念和相关的物理基础电磁波的特性电磁辐射以波动形式在空间传播电磁波具有波动特性（如干涉、衍射、偏振、色散等现象）。电磁波是由密集的光子微粒组成电磁波具有粒子（量子）性（如电磁辐射的光电效应、光化学作用等现象） 。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。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

6、动性越明显。此即电磁波的波粒二象性。遥感的概念和相关的物理基础三、电磁波谱电磁波谱的概念电磁波谱的划分各谱段的特性遥感的概念和相关的物理基础电磁波谱的概念电磁波谱：将各种电磁波按其波长的（频率）大小，依次排列成图表，这个图表就叫电磁波谱。电磁波是粒子（电子、原子、分子等）发生能级跃迁时产生的，当粒子从较高能级跃迁到较低能级时发射电磁波；反之，吸收电磁波。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。遥感的概念和相关的物理基础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X射

7、线，波长最短的是射线，见下图：10-6m1nm0.38m0.76m3m6m15m1mm1m 射线X 射线紫外线可见光近红外中红外远红外超远红外微波无线电波1mm=1000 m；1m=1000nm遥感的概念和相关的物理基础电磁波谱的划分紫外波段0.01 - 0.38 m可见光波段0.38 - 0.76 m 紫色光0.38 - 0.43 m 蓝色光0.43 - 0.47 m 青色光0.47 - 0.50 m 绿色光0.50 - 0.56 m 黄色光0.56 - 0.59 m 橙 色光0.59 - 0.62 m 红色光0.62 - 0.76 m近红外（摄影红外）波段0.76 - 1.2 m近红外（反

8、射红外）波段0.76 - 3.0 m中红外波段（热红外）3.0 6.0 m遥感的概念和相关的物理基础电磁波谱的划分远红外波段（热红外）6.0 15.0 m超远红外波段15.0 - 1000 m微波波段1.0mm 1m 毫米波1.0 - 10 mm 厘米波1.0 - 10 cm 分米波0.1 1.0 m遥感的概念和相关的物理基础各谱段的特性共性：在真空中具有相同的传播速度，c3.0*108m/s 遵守相同的反射、折射、干涉、衍射及偏振定律紫外线可见光红外线微波遥感的概念和相关的物理基础波长 m，属于太阳辐射的范畴 。波长小于m的紫外线，被臭氧层及其它成份吸收。只有波长的紫外线，能部分穿过大气层，

9、但散射严重，只有部分投射到地面，并使感光材料感应，可作为遥感工作波段，称为摄影紫外。主要用于探测碳酸盐分布和监测水面油污。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型的岩石强，水面油膜比周围水面对紫外反射强烈。空中探测高度大致在2000m以下，不适宜高空遥感。紫外波段的特性遥感的概念和相关的物理基础波长0.38-0.76 m； 人眼可见，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光组成；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，是鉴别物质特征的主要波段；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。

10、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。可见光波段的特性遥感的概念和相关的物理基础波长0.76-1000 m 。可分为近红外波段（），中红外（3-6），远红外（6-15）和超远红外（15-1000）近红外波段是地表层反射太阳的红外辐射，故又称反射红外。其中靠近可见光红光的波段可使胶片感光，故又称摄影红外。而中、远、超远红外是地表物体发射的红外线，故称热红外。热红外只能用扫描方式，经过光电信号的转换才能成象。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，是一个很有发展潜力的遥感波段。红外波段的特性遥感

11、的概念和相关的物理基础波长1mm-1m。可分为毫米波（1-10mm）、厘米波（1-10cm）和分米波（1-10dm）。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；具有全天候的工作能力；可以主动和被动方式成像。因此在遥感技术上是很有潜力的一个波段。微波波段的特性遥感的概念和相关的物理基础第二节 电磁辐射原理及辐射源一、电磁辐射原理二、电磁辐射源遥感的概念和相关的物理基础一、电磁辐射原理 概念 普朗克公式 史蒂芬玻尔兹曼公式 维恩位移定律 基尔霍夫定律遥感的概念和相关的物理基础概念热辐射热辐射：自然界中一切物体。当温度高于绝对零度（-273）时，都会不断向四周

12、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射称为热辐射。热辐射能量的大小及波长分布取决于物体本身的温度T。地物发射电磁辐射的能力用发射率来表示。地物的发射率以黑体辐射作为基准。遥感的概念和相关的物理基础概念吸收系数吸收系数：物体吸收能量与入射总能量之比。遥感的概念和相关的物理基础概念黑体和白体黑体：“绝对黑体”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收系数恒等于1（100）的物体。黑体辐射：黑体的热辐射称为黑体辐射。绝对白体（白体)：吸收系数恒等于0的物体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。遥感的概念和相关的物理基础概念灰体和选

13、择性辐射体 现实中并不存在绝对黑体，黑体模型的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电磁辐射，又能100的发射某一波长的辐射。灰体：0 1，不随波长而变化。选择性辐射体： 0 1，随波长而变化。遥感的概念和相关的物理基础概念辐射度量辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位J。辐射通量（）：单位时间内通过某一面积的辐射能量,=dW/dt，单位W。辐射通量是波长的函数，总辐射通量是各谱段辐射通量之和或辐射通量的积分值。辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面积的辐射能量，E=d/dS，单位W/M2，S为面积。遥感的概念和相关的物理基础概念辐射度量辐照度（I）：被辐射的物体

14、表面单位面积上的辐射通量，单位W/M2 。辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，单位W/M2 。辐照度（I）与辐射出射度（M）都是辐射通量密度（E）的概念,不过，I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。遥感的概念和相关的物理基础普朗克公式绝对黑体在波长为，绝对温度为T时的辐射通量密度E0(,T)为：式中：C3 1010 cm /秒，光速；10-34瓦.秒2，普朗克常数；K1.38 10-23瓦.秒/K，玻尔兹曼常数；波长；T绝对温度；遥感的概念和相关的物理基础普朗克公式 普朗克公式表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系及按波长分布的情况。反映黑体辐射的三个特性：

15、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一个最大值温度越高，辐射通量密度也越大，不同温度下的曲线不相交。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。E06000K3000K1000K200K遥感的概念和相关的物理基础史蒂芬玻尔兹曼公式将普朗克公式对波长积分得：史蒂芬玻尔兹曼公式式中：0(T) 绝对温度时，黑体单位时间和单位面积上发出的总辐射能；为史蒂芬玻尔兹曼常数；T绝对温度。遥感的概念和相关的物理基础史蒂芬玻尔兹曼公式由上式可见（在遥感技术上的意义）：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,可用上式概略推算出总辐

16、射能与绝对温度的关系。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红外测温的理论依据。遥感的概念和相关的物理基础维恩位移定律对普朗克公式对波长微分后求极大值，即得出黑体最大辐射能所对应的波长（m）及其绝对温度（T）的关系式为:遥感的概念和相关的物理基础维恩位移定律上式说明（在遥感技术上的意义） ：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外遥感的最佳波段。遥感的概念和相关的物理基础地物的发射率和基尔霍夫定律发射率 ：又称“比辐射率”，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）M与同温度黑体的辐射出射度（即黑体单位面积发出的辐

17、射总通量）M0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）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；b、不同温度的同一地物，有不同的发射率；c、发射率与波长有关。遥感的概念和相关的物理基础地物的发射率和基尔霍夫定律基尔霍夫定律：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E和吸收系数 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E0 。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，一个好的吸收体也是一个好的发射体。因为E和M是一个概念，则有：遥感的概念

18、和相关的物理基础地物的发射率和基尔霍夫定律基尔霍夫定律在遥感技术上的意义 ：在一定温度下的物体，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，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。遥感的概念和相关的物理基础二、电磁辐射源 自然辐射源（太阳、地球） 人工辐射源遥感的概念和相关的物理基础自然辐射源自然辐射源主要包括太阳辐射和地物的热辐射。太阳辐射是被动遥感中可见光和近红外遥感最主要的辐射源。地球是地学遥感探测的对象，又是目前远红外遥感的主要辐射源。遥感的概念和相关的物理基础自然辐射源太阳概况太阳电磁辐射强度太阳辐射光谱太阳辐射在大气中的损耗遥感的概念和相关的物理基础

19、概况太阳是地球环境中最强大的天然电磁辐射源 ，是被动遥感中可见光和近红外遥感最主要的辐射源。太阳是一个表面温度约6000K的炽热发光球体。太阳是地球上除核能外一切有用能量的源泉。地球距太阳亿KM，太阳辐射能经500秒方到达地球，地球接收太阳辐射能约二十二亿分之一。太阳辐射是一种十分复杂的连续电波光谱，从波长10-4m或更短的X射线延伸到大于10m的无线电波。遥感的概念和相关的物理基础太阳电磁辐射强度总能量用太阳常数表示太阳常数：指在不受大气影响的情况下，距太阳一个天文单位（通常指日地平均距离处，约108km）处，垂直于太阳入射方向上，单位面积单位时间内所接收到的所有波段的太阳辐射总能量：I毫瓦

20、/厘米2=1352w/m2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。遥感的概念和相关的物理基础太阳辐射光谱太阳辐射的各种电磁波称为太阳光谱。太阳辐射的光谱是连续光谱，且辐射特性近似于温度为5900K的绝对黑体辐射。太阳辐射能主要集中在3m波段。最大辐射对应的波长约为m。由于太阳辐射的大部分能量集中在可见光波段，所以称为短波辐射。遥感的概念和相关的物理基础太阳辐射能量的组成波长/ m 波段能量(%)波长/ m 波段能量(%)1000 微波0.380.76 可见光43.5遥感的概念和相关的物理基础太阳辐射光谱太阳辐射从近紫外到中红外（m）这一波段区间能量最集中，且相对最稳定，太阳强度变化

21、小。在其他波段，如X射线、 射线、远紫外及微波波段，尽管它们的能量加起来不到1%，可是却变化很大，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。遥感的概念和相关的物理基础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 球太阳大气层遥感的概念和相关的物理基础自然辐射源地球 地球电磁辐射的特性 与太阳辐射的相互作用遥感的概念和相关的物理基础 地球电磁辐射的特性地球是地学遥感探测的对象，又是目前远红外遥感的主要辐射源。地球辐射接近于温度为300K的黑体辐射，最大辐射对应的波长为m，属于远红外波段。其电磁辐射的波长范围为：m，大部分能量集

22、中在8-14 m的范围内。遥感的概念和相关的物理基础与太阳辐射的相互作用地球辐射曲线与太阳辐射曲线在5.5 m处相交，3m处地球辐射减弱至接近于0，6m处，太阳辐射减至接近于0。遥感的概念和相关的物理基础与太阳辐射相互作用波长m，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，地球自身的辐射几乎可以忽略不计。波长3-6m中红外波段，太阳与地球辐射均不能忽略。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。波长6m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。遥感的概念和相关的物理基础人工辐射源人工辐射源：指能人为发射具有一定波长的电磁波束的发

23、射装置。目前主要有微波辐射源和激光辐射源。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，并据其反射信号强弱探知地物性质或测距。又称雷达探测。雷达又可以分为微波雷达和激光雷达。遥感的概念和相关的物理基础人工辐射源微波辐射源微波遥感中常用的波段为30cm，其探测波段与相应频率如表：波段名称频率(10MHz)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.

24、21 2.752.75 1.671.67 1.131.13 0.830.83 0.630.63 0.530.53 0.3遥感的概念和相关的物理基础微波遥感特点微波属无线电波中波长最短的部分，频率高，可用频带宽，信息容量大。微波具有似光性，即传播特性与光相似。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）。微波对某些物质具有一定的穿透能力，如植被、冰、雪、土壤。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。遥感的概念和相关的物理基础人工辐射源激光辐射源光谱：短波可至m以下，长波可达1000m，甚至微波，激光器发射光谱的波长范围较宽

25、。输出功率：低者几微瓦，高者可达几兆瓦以上。激光的方向性好，光细、发散面非常小，能产生极高分辨率的图像。高亮度：可比太阳亮度高几十亿倍。单色性好。用途日益广泛，如激光雷达，可精确测定卫星的位置、高度和速度，测量地形、海浪情况，监测污染等。遥感的概念和相关的物理基础第三节 大气对电磁辐射传输的影响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。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不同。遥感的概念和相关的物理基础大气对电磁辐射传输的影响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路径到达地面；二是到

26、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。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遥感的概念和相关的物理基础主要内容大气的层次和结构大气反射大气吸收大气散射大气透过率大气窗口和大气屏障电磁辐射大气传输的研究是现代遥感技术中的基本理论研究之一遥感的概念和相关的物理基础大气的层次和成份大气层次大气成份遥感的概念和相关的物理基础大气层次地球外围的大气圈并没有一个确切的界限，只是离地面越高，空气逐渐变得越稀薄。大气在垂直方向的分层如下：对流层：顶部平均距地面20km以内，

27、集中了大气质量的3/4，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。平流层：顶部平均位于距地面50km处，无垂直对流，由于存在臭氧层，吸收紫外线而升温。中层：顶部平均位于距地面80km处，气温随高度增加而递减，大致在80km处气温降到最低，约170K，是整个大气层的最低气温。也有将平流层和中层合称为平流层。遥感的概念和相关的物理基础大气层次热层（也叫增温层）：顶部平均位于距地面800km处，层内气温随高度增加而急剧递增，在300km的高度上，温度达到1000C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，处于电离状态，又叫电离层，是卫星遥感的主要空间。

28、大气外层：该层距离地面800km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，又称散逸层。对电磁辐射传输有显著影响的主要是对流层和平流层。遥感的概念和相关的物理基础地球大气由多种气体、固态及液态悬浮微粒组成。主要气体包括N2、O2、H2O、CO、CO2、N2O、CH4及O3等；大气中的悬浮微粒包括尘埃、冰晶、水滴等，直径约为m，这些悬浮物通称为气溶胶粒子，形成霾、雾、云。大气成份遥感的概念和相关的物理基础大气反射主要是云层反射云层越厚反射量越大：厚度大于50m时，反射量达50%以上，厚度为500m时，反射量超过80%.大气层中直径大于10-6m的其它微粒也会产生反射作用.

29、故对地球温度有调节作用.遥感的概念和相关的物理基础大气吸收在紫外微波之间，具明显吸收作用的主要是O3、O2、CO2和H20；此外N2O、CH4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带。氧（O2）：大气中氧气含量约占21，它主要吸收小于0.2m的太阳辐射能量，在波长0.155m吸收最强，在0.6m和0.76m附近，各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。遥感的概念和相关的物理基础大气吸收臭氧（O3）：大气中含量很少，只占，但对太阳辐射能量吸收很强，有两个吸收带：一个为波长0.36m强吸收带，另一个为0.6m附近的吸收带。主要分布在30km高度附近，因此对小于10km的航

30、空遥感影响不大，而主要影响航天遥感。水（H2O）：是吸收太阳辐射能量最强的介质，主要吸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0.9m有四个窄吸收带，在2.85m有五个宽吸收带，在6.25m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更强，但主要在长波方面。遥感的概念和相关的物理基础大气吸收CO2：大气中含量很少，占0.3%，吸收带主要在红外区内，在2.85m有3个宽的弱吸收带，在2.7m、4.3m与14.5 m为强吸收带。对太阳辐射的吸收可忽略不记。尘埃：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，大气中的尘埃急剧增加

31、，这时，它的吸收作用才比较明显。 遥感的概念和相关的物理基础大气散射大气散射概念瑞利散射米氏散射无选择性散射遥感的概念和相关的物理基础大气散射概念大气散射：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，会改变传播方向，向各个方向散开，这种现象称为散射。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或其他微粒的直径小于或相当于辐射波长时才发生。散射主要集中在太阳辐射能量较强的可见光区，所以散射是造成太阳辐射衰减的主要原因。遥感的概念和相关的物理基础大气散射概念散射的性质和强度取决于微粒的半径r与电磁波长两者之间的关系。散射强度可用散射

32、系数（）表示，散射系数与电磁波波长的关系如下： 1/ 式中：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。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：瑞利散射、米氏散射、非（无）选择性散射。遥感的概念和相关的物理基础瑞利散射：当微粒的直径 d 比辐射波长 小得多时，此时散射为瑞利散射。此时，4， 1/4，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。由于散射系数与波长的四次方成反比，当1m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影响。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？为什么朝霞和夕阳都偏橘红色？大

33、气散射瑞利散射 遥感的概念和相关的物理基础米氏散射：微粒半径与波长接近时，取2， 1/2，称米氏散射。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。如云雾的粒子大小与红外线（0.76-15 m ）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大。大气散射米氏散射遥感的概念和相关的物理基础非（无）选择性散射：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， 0，常数，散射与波长无关，对任何波长的散射强度相同。对于近红外、中红外也满足d，属非选择性散射。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

34、对各种波长的可见光散射均相同。为什么云雾看起来是白色的？这种散射使传感器接受到的数据严重的衰减。大气散射非选择性散射 遥感的概念和相关的物理基础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。在可见光和近红外波段，瑞利散射是主要的。当波长大于1 m时，可忽略瑞利散射的影响。米氏散射从近紫外到红外波段都有影响。在短波中，瑞利散射和米氏散射相当；但在波长大于 m时，米氏散射超过了瑞利散射的影响。大气层越厚，散射越强。为什么微波具有穿透云雾的能力?大气散射对各波段的影响 遥感的概念和相关的物理基础大气透过率为太阳高度角.遥感的概念和相关的物理基础太阳辐射通过大气的透射率（）为：e-(+

35、)/cos e-(+)L 式中： 吸收系数； 散射系数；(+)为衰减系数，它随波长变化而变化，总趋势是随波长的增大，大气衰减系数减少；L路径长度，即大气光学厚度，与太阳的入射角有关。大气透过率遥感的概念和相关的物理基础由上式可以看出：大气透射率（）与所通过的路程密切相关，其中路程与太阳高度角和传感器的入射角有关。当高度角越大、入射角越小，大气厚度L就越小，透射率就大；反之，透射率就小，能量衰减越大。 大气的吸收、散射则与大气成分和微粒大小有关。太阳辐射短波能量的衰减比长波部分大。大气透过率遥感的概念和相关的物理基础大气窗口和大气屏障大气窗口：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

36、射率较高的波段。大气屏障：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，几乎不能到达地面，这些波段称大气屏障。遥感中常用的大气窗口见P19表2-1。遥感的概念和相关的物理基础从紫外到微波，目前用于遥感的有下列5个:m：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。 应用范围广，如Landsat卫星的TM的1-4波段，SPOT卫星的HRV波段。属地物的反射光谱，透射率达90以上。m：近红外波段。属地物反射光谱，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成像。在波段(1.5-1.75m)和波段(2.1-2.4m)，透射率都近80，

37、如TM(1.55-1.75m)和(2.08-2.35m)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。大气窗口遥感的概念和相关的物理基础3.5-5.5 m ：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射能量，如NOAA卫星的AVHRR传感器用探测海面温度，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，采用扫描或红外辐射计检测，白天、黑夜都能成像。由于O3、水汽、CO2的影响，透射率仅约为60-70。m ：属微波段，不受大气干扰，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。大气窗口遥感的概念和

38、相关的物理基础第四节 地物波谱特征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。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、发射及透射本领也有差异。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地物的光（波）谱特性。波谱信息是一切其它遥感信息的基础。遥感的概念和相关的物理基础地物与电磁辐射的相互作用电磁辐射到物体上有三个分量：反射、吸收和透射，各分量大小取决于物体性质。反射率：透射率：吸收率：自

39、然界中，大部分物体是不透明的，则有：所以高反射率的物体是弱发射体，同时也说明对绝大部分地物，只要测定其反射率就可以推算其发射率。遥感的概念和相关的物理基础主要内容地物的反射波谱特征地物的发射波谱特征地物的透射波谱特征地物波谱的时间效应和空间效应遥感的概念和相关的物理基础地物的反射波谱特征概念决定反射波谱的基本因素几种典型地物的反射波谱特征遥感的概念和相关的物理基础概念反射反射：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。依照界面的平滑程度不同，可分为镜面反射，漫反射和混合反射。这里所说的界面的平滑程度是相对的，由入射电磁波的波长与界面起伏高度之比来确定。遥感的概念和相

40、关的物理基础概念地物表面和反射镜面反射：界面起伏高度相对入射电磁波波长很小时产生，反射的电磁波具有方向性，即反射角=入射角。平静水面漫反射：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，各方向上反射的亮度值是一样的，这样的界面也叫朗伯面。新鲜的氧化镁、硫酸钡、碳酸镁表面混合反射：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。遥感的概念和相关的物理基础反射率：是指地物对某一波段电磁波的反射能量与入射能量之比，其数值用百分率表示。不同物体的

41、反射率不同，主要取决于物体本身的性质（表面状况），以及入射电磁波的波长和入射角度。概念反射率遥感的概念和相关的物理基础反射光谱:地物的反射率随入射波长变化的规律，叫做地物反射光谱。按地物反射率随波长变化绘成的曲线（横轴为波长，纵轴为反射率）称为地物反射光谱曲线。不同地物由于物质组成和结构的不同，具有不同的反射光谱特性。因而可以根据遥感传感器所接收到的电磁波光谱特征的差异来识别不同的地物。遥感的基本出发点概念反射光谱遥感的概念和相关的物理基础决定反射波谱的基本因素物体的组成成份结构表面状态所处环境在漫反射情况下，物质组成和结构是影响反射光谱的主要因素。遥感的概念和相关的物理基础几种典型地物的波谱

42、特征水体的波谱特征(清洁的深水)植被的波谱特征土壤的波谱特征湿地的波谱特征雪地的波谱特征沙漠的波谱特征遥感的概念和相关的物理基础水体的波谱特征(清洁的深水)反射率在各波段内都低（一般在3%左右），在可见光部分为4-5%，在处降至2-3%，到以后的近红外波段，水成了全吸收体。水体反射光谱曲线遥感的概念和相关的物理基础植物反射光谱曲线植被的波谱特征遥感的概念和相关的物理基础植被的波谱特征不同种类的植物均具有相似的反射波谱曲线可见光区域，由于叶绿素的强烈吸收，植物的反射、透射率均低，仅在附近有一10-20%的反射峰而呈绿色。近红外区域，在之间形成50-60%的强反射峰，由于不同种植物的叶细胞结构差异

43、大，不同种植物的反射率在该波段具有最大的差值，故是区分植物种类的最佳波段。、为中心的三个吸收带，这三个吸收带之间有两个较强的反射峰（及）。遥感的概念和相关的物理基础土壤的波谱特征反射率：与土壤质地、有机质含量、氧化含量和含水量及盐份等因素有关；粉砂砂土腐质土。反射光谱曲线由可见光到红外呈舒缓向上的缓倾延伸土壤反射光谱曲线遥感的概念和相关的物理基础湿地的波谱特征湿地：在整个波长范围内的反射率均较低，反射率与含水量有关，当含水量增加时，其反射率就会下降，因此在黑白像片上，其色调呈深暗色调反射率（）2004060801000.40.60.81.01.2波长(m)遥感的概念和相关的物理基础雪地的波谱特

44、征雪：在m波段有一个很强的反射峰，反射率几乎接近百分百，所以颜色接近于白色，随波长增加反射率逐渐降低，进入近红外波段吸收逐渐增强，而变成了吸收体。反射率（）2004060801000.40.60.81.01.2波长(m)遥感的概念和相关的物理基础沙漠的波谱特征沙漠：在橙红光波段m附近有一个强反射峰，所以呈现出橙红色，在波长达到0.8m以上的长波范围，其反射率比雪还强。反射率（）2004060801000.40.60.81.01.2波长(m)雪沙漠遥感的概念和相关的物理基础不同地物具有不同的反射光谱特性，因而可以根据遥感传感器所接收到的电磁波光谱特征的差异来识别不同地物，这是遥感的基本出发点。同

45、类地物反射光谱相似，但随着地物内在差异而有所变化。影响因素包括：物质成分、内部结构、表面光滑程度、颗粒大小、几何形状、风化程度、表面含水量、色泽等。例如，对植被来说，不同类型植物之间反射光谱曲线存在着一定的差异，利用这种差异可以区分不同的植被类型。对于同类植物来说，随着叶子的新老、疏密、土壤的水分含量及有机质含量或受大气污染和病虫害等的影响，反射光谱曲线略有差异。地物的反射波谱遥感的概念和相关的物理基础地物的发射波谱发射率：地物光谱辐射率与黑体光谱辐射率之比。发射波谱： 物体的辐射发射率随波长而变化的曲线即发射波谱。测定地物的发射波谱的最简单的方法，是通过测量地物的反射率实现的。地物的发射率以

46、黑体辐射作为基准。遥感的概念和相关的物理基础地物的发射波谱测量地物的辐射量常用亮温来衡量地物的辐射特征。亮温：如黑体的辐射发射量与某温度条件下的物体的辐射发射量相同，该黑体的温度即为该物体的亮温 TBT TB 物体亮温， 物体发射率，T物体温度因0 1，因此，地物的亮温总是小于其实际温度。地物发射波谱主要集中在3-5 m和8-14 m遥感的概念和相关的物理基础地物的透射波谱有些地物具有透射一定波长的电磁波的能力，通常把这些地物叫做透明地物。地物的透射能力用透射率来表示。透射率也随波长而变化，水体对m的兰绿光波具有一定的透射能力，较浑浊水体的透射深度为1到2米，一般水体的透射深度可达10到20米

47、。冰雪、植被、土壤对微波具有一定透射能力。遥感技术中，可以根据地物的特性，选择适当的传感器来探测水下、冰下某些地物的信息。遥感的概念和相关的物理基础地物波谱的时间效应和空间效应。时间效应：指同一位置上的同一地物的波谱特征随时间的推移而产生一定的变化。空间效应：由于空间（地理）位置不同而导致同类地物波谱特征的变化。当然，对于同一类地物，特别是状态稳定的地物，无论时间、空间条件如何，它们的波谱曲线形态总是相似的，因为起控制作用的主导因素并没有改变。因此在以遥感图像识别地物和现象的属性及其研究他们之间的关系和演化变化规律时，必须首先了解地物的光谱特性，其次是它们随时间和空间特性的变化。遥感的概念和相关的物理基础第五节 光和颜色 能够被眼睛感觉到的、并产生视觉现象的辐射称可见辐射或可见光 ，简称光色彩和色