遥感概论第2章：电磁辐射与地物波谱特征

《遥感导论》第二章电磁辐射与地物光谱特征12

2.1电磁波谱与电磁辐射

2.2太阳辐射及大气对辐射的影响

2.3地球的辐射与地物波谱本章主要内容：遥感的物理基础，包括电磁波谱、黑体的概念，太阳辐射和地球辐射的特征，大气对电磁辐射的影响及地物反射波谱特征与测量等。

2.1电磁波谱与电磁辐射

2.1.1电磁波谱 2.1.2电磁辐射的度量 2.1.3黑体辐射32.1.1电磁波谱1、波振动的传播称为波。波机械波电磁波如光波、热辐射、微波、无线电波等波动形式纵波如声波横波如电磁波452、

电磁波电磁波：是指在真空或物质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波。当电磁振荡进入空间时，变化的磁场激发了涡旋电场，变化的电场激发了涡旋磁场，使电磁振荡在空间传播，形成电磁波，也称电磁辐射。1887年由赫兹试验证实6电磁波的特性电磁波是横波，其性质与光波相同，在真空中以光速（3×108m/s）传播；在空间向各个方向传播；遇到介质会发生反射、折射、吸收、透射、发射和散射等现象；电磁波的叠加原理：两列以上的波在同一空间传播时，空间质点的振动表现为各单列波质点振动的矢量合成。

E:电场、H:磁场、λ:波长、h:振幅

电磁振源传播方向电磁波传播电磁波的特性电磁波具有波粒二象性：电磁波在传播过程中，主要表现为波动性；在与物质相互作用时，主要表现为粒子性。波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。一般传感器仅记录振幅信息h为普朗克常数波动性粒子性波动性：把电磁振动的传播作为光滑连续的波对待，用波长、频率、振幅等来描述。粒子性：把电磁辐射能分解为非常小的微粒子---光子，其能量大小用频率来描述。7电磁波的特性光是电磁波的一个特例光的波动性---表现在光的干涉、衍射、偏振和色散等现象中；光的粒子性---表现在光电效应、黑体辐射等现象中。8电磁波的特性电磁波4要素：频率（或波长）、传播方向、振幅及偏振面。振幅表示电场振动的强度，振幅的平方与电磁波具有的能量大小成正比，从目标物体中辐射的电磁波的能量叫辐射能。对应着遥感影像中的亮度或色调深浅。传播方向在遥感系统中很重要，主要关系到辐射源、地物和遥感平台三者间的位置关系。偏振是指电磁波的电场振动的方向，电场方向的平面叫偏振面，偏振面的方向一定的情况叫直线偏振。对于可见光和红外遥感，尚没有开发利用这个性质。在微波遥感(雷达遥感)中，偏振被称为极化。不同的极化方向将得到不同的遥感影像，极化是微波遥感一个重要参数。9电磁波的特性1011电磁波的偏振（极化）电磁破的偏振:如果电磁波在各方向上振幅大小不相同,且各方向振动之间没有固定位相关系,极大值与极小值之间的夹角为90°，则称该波发生了偏振现象。偏振摄影、侧视雷达成像接收的完全是偏振波。立体镜遥感影像立体观察非偏振光，偏振光，部分偏振：12电磁波的特性电磁波遇到介质（气体、液体、固体），发生一系列现象：反射：镜面反射：入射角等于反射角。漫反射：反射向四面八方。折射：射入介质，折射角一般不等于入射角。吸收：部分被介质吸收。透射：从入射延伸方向射出介质。发射：自身向外辐射能量。散射：辐射传播中，遇到小粒子，向四面八方散去，电磁波强度和方向发生各种变化，即散射。强度随波长改变。13电磁波的特性电磁波与物体间相互作用反射、吸收和透射的能量和等于入射的总能量。反射率=（反射能量／入射总能量）*100%吸收率=（吸收能量／入射总能量）*100%透射率=（透射反射能量／入射总能量）*100%14反射分类图示(a)镜面反射(b)漫反射（朗伯反射）(c)方向反射(d)混合反射153、

电磁波谱电磁波谱：按照电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减排列形成的一个连续谱带称为电磁波谱。因研究与应用需要，依电磁波的物理性质以及观测手段的不同，按不等波长间距对电磁波谱带划分，形成若干波段，如长波段、短波段、微波段、红外波段、可见光波段、紫外线波段、X射线波段、γ射线波段等。不同的应用领域，波段的划分会略有差异。16不同波长电磁波，其物理性质不同，决定了其应用领域的不同，如医疗、军事、对地观测、无线通讯等。17电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。18《遥感导论》课教书提供的电磁波段是从波长短的一侧开始划分，依次为：γ射线→X射线→紫外线→可见光→红外线→无线电波19Gammaץ

射线X射线紫外线可见光红外线微波无线波紫蓝绿黄红频率波长20※波长单位及其换算1nm=10-3µm=10-7cm=10-9m1µm=10-3mm1Å=10-10m其他单位：波数n

的单位常用cm-1

,表示在1cm距离中有几个波动。频率

f的单位则用赫兹Hz，表示一秒钟中有几次振动。

21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：

红：620~760nm

橙：590~620nm

黄：560~590nm

绿：500~560nm

青：470~500nm

蓝：430~470nm

紫：380~430nm22红外波段波长范围0.76~1000μm，遥感所用波段如下：近红外又称为反射红外，为地球表面反射的太阳辐射中主要的红外成分。0.7~1.4μm为摄影红外。中红外和远红外也称为热红外。

近红外：0.7~3μm

中红外：3~8μm

远红外：8~15μm

23微波波长范围1mm到1m，可进一步划分为若干不同频率(波长)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)微波能够穿透云和雾，可用于全天候成像。24遥感常用的电磁波波段的特性紫外线（UV）：0.01-0.38μm，太阳光谱中，只有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏感，但探测高度在2000m以下。可见光（VIS）：0.38-0.76μm，鉴别物质特征的主要波段；人眼对可见光有敏锐的感觉，是遥感最常用的波段。红外线(IR)：0.76-1000μm。近红外0.76-3.0μm；中红外3.0-6.0μm；远红外6.0-15.0μm；超远红外15-1000μm。微波：1mm-1m。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。25根据波段划分遥感的种类根据所利用的电磁波的光谱段，遥感可以分为可见光·反射红外遥感、热红外遥感、微波遥感3种类型。在可见光·反射红外遥感中，所观测的电磁波的辐射源是太阳。太阳辐射的电磁波的最高值在0.5μm左右。在热红外遥感中，所观测的电磁波的辐射源是目标物。常温的地表物体辐射的电磁波的最高值在10μm左右。在被动微波遥感中，是观测目标物的微波辐射，在主动微波遥感中，是观测目标对雷达发射的微波信号的散射强度即后向散射系数。2627各种电磁波的特点282.1.2电磁辐射的度量1、辐射源能够向外辐射电磁波的物体。任何物体都能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射电磁波。电磁波传递是电磁能量的传递，遥感探测的是辐射能量。人工辐射源辐射源自然辐射源地球、地物热辐射—热红外遥感的辐射源。太阳辐射—可见光及近红外遥感的重要辐射源。微波辐射源（微波雷达）激光辐射源（激光雷达）29※自然辐射源太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；常用温度为5900K的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中于短波辐射。地球的电磁辐射：小于3μm的波长主要是太阳辐射的能量；大于6μm的波长，主要是地物本身的热辐射；3-6μm之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。30电磁辐射的度量辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J辐射通量（Φ）：单位时间内通过某一面积的辐射能量，Φ=dw/dt，单位是w辐射通量密度（E）：单位时间通过单位面积上的辐射能量，E=dΦ/ds，单位：w/m2，S为面积辐照度（I）：被辐射物体表面单位面积上的辐射通量，I=E=dΦ/ds，单位：w/m2，S为面积辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，M=E=dΦ/ds，单位：w/m2，S为面积辐射亮度（L）：面状辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内辐射通量，即单位：w/sr·m2θΩФA31辐射出射度M：辐射源物体表面单位面积上辐射出的辐射通量，单位W/m2，表示为M=d/dS电磁辐射的度量32辐照度I：被辐射物体单位面积上所接收的辐射通量，单位：W/m2，表示为

I=d/dS电磁辐射的度量33辐射亮度L：用来确定面辐射源的辐射强度，具有方向性，指辐射源在某一方向的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量，单位：W/（sr·m2），表示为：电磁辐射的度量注：辐射源为面状,面积为A,且在不同方向上辐射强度不同。其中为立体角，=S/R2；S是球面上面元的面积；R是球半径。无量纲。整个球面的立体角为4。

34电磁辐射的度量朗伯源：如果一个辐射源的辐射亮度L与观测角无关,则该辐射源称为朗伯源。

一些粗糙表面可近似看成朗伯源；涂有氧化镁等物质的表面也可近似看作朗伯源，常被用作遥感光谱测量时的标准板；通常将太阳近似看作朗伯源。严格地说，只有绝对黑体是朗伯源。对于朗伯面：35362.1.3黑体辐射1、绝对黑体对任何波长的电磁辐射全部吸收的物体。对任何波长的辐射，反射率和透射率都等于0。当电磁波入射到一个不透明的物体上，在物体上只出现对电磁波的反射和吸收现象时，物体的光谱吸收系数和反射系数之和恒等于1。实际物体的温度不同或入射电磁波的波长不同，都会导致不同的吸收和反射。黑体吸收系数α（λ，T）=100%黑体反射系数ρ（λ，T）=0%37黑体是一种理想的吸收体和辐射发射体，自然界没有真正的黑体。

人工制造的接近黑体的吸收体黑体的辐射通量密度按波长的分布是稳定的，仅与温度有关，与黑体的材料和性质无关。吸收率＝1反射率＝0透射率＝0发射率＝1黑色的烟煤、恒星、太阳接近绝对黑体。经过内壁n次反射后，能量剩余38黑体辐射(BlackBodyRadiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。黑体辐射定律对了解吸收和发射过程而言是基础。支配黑体辐射的四个基本定律：

2、黑体辐射规律普朗克（Planck）定律(1901)斯蒂芬-玻尔兹曼（Stefan-Boltamann）定律(1884)维恩（Wien）位移定律(1893)基尔霍夫（Kirchhoff）定律(1859)39描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。（1）普朗克定律h:普朗克常数,6.6260755*10-34Jsk:玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23J/K

c:光速;λ:波长（μm）;T:绝对温度（K）

1918年：NobelPrize40变化特点：(1)辐射出射度随波长连续变化，只有一个最大值；(2)温度越高，辐射出射度越大，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。普朗克公式图示：41（2）斯蒂芬－玻尔兹曼定律对普朗克公式在全波段内积分，得到斯蒂芬－玻尔兹曼定律。辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方成正比。σ:斯蒂芬－玻尔兹曼常数，5.669×10－12Wcm-2K-4

红外装置测试温度的理论根据。

1904：NobelPrize（Stefan）42（3）维恩位移定律b:常数，2897.8μm·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。常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长9.66μm）针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。微分普朗克公式，并求极值，得到：1911：NobelPrize43（3）维恩位移定律绝对黑体温度与最大辐射所对应波长的关系可根据维恩位移定律计算不同温度绝对黑体的最大辐射所对应的波长长度。自然界一般物体不是黑体,但在某一确定温度T时,物体最强辐射所对应的波长也可以用维恩位移公式进行近似计算。表不同温度T所对应的λmax300500100020003000400050006000700080009.665.762.881.440.960.720.580.480.410.36地球温度太阳温度44课堂作业：

假设太阳等效黑体温度为6000K,地球等效黑体温度为300K,日地平均距离为1.496*108km,太阳半径6.69*105km，地球半径为6300

km，不考虑大气的影响，试求到达地表的太阳辐射与地球自身辐射通量密度相等处所对应的波长。45

3、实际物体的辐射（1）基尔霍夫辐射定律(Kirchhoff)物体所辐射的能量与吸收的能量之间存在关系：Ｍ／Ｉ＝α基尔霍夫证明了辐照度Ｉ与物体本身物性无关,只与波长和温度有关。同环境下的不同物体有:I1=I2=I3=…=I。对于黑体，α=1,I0=M0=I有：Ｍ1／α1=Ｍ2／α2=…=M0=I黑体具有最大的吸收率，也具有最大的发射率。

46对于一般物体而言，发射率（热辐射率、比辐射率），表明物体的发射本领。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。1）黑体2）灰体3）选择性辐射体

(如线谱，带谱)1.0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：

3、实际物体的辐射4748

在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量。基尔霍夫定律

在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长的电磁波。全波段上实际物体辐射为：49常温下，为8-14μm自然物体的比辐射率（发射率）50

2.2太阳辐射及大气对辐射的影响

2.2.1太阳辐射 2.2.2大气吸收 2.2.3大气散射 2.2.4大气窗口及透射分析512.2.1太阳辐射被动遥感最主要的辐射源1、太阳常数

是指不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量：I=1.95cal/cm2min=1.360×103W/m2可认为太阳常数是在大气顶端接受的太阳能量。

太阳常数的变化不会超过1％。522、太阳光谱太阳的光谱通常指光球产生的光谱。图2.11太阳辐照度分布曲线太阳辐射的光谱是连续光谱，相当于5800K的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，最大辐射强度位于波长0.47μm左右；经过大气层的太阳辐射有很大的衰减；各波段的衰减是不均衡的。53太阳辐射能量分布主要集中在可见光波段，约占太阳总光谱能量的43.5％，其次是红外波段。遥感常用波段：0.31-1.15μm，占总辐射通量密度的85%。54太阳辐照度与太阳高度角有关太阳高度角h+天顶角θ=90°552.2.2大气吸收1、大气层次与成分（1）大气层次一般认为大气厚度约为1000km,从地面到大气上界，可垂直分为4层：对流层、平流层、电离层和大气外层。56（2）大气成分有分子和微粒组成。

分子主要是N2和O2，约占99%；其余1%主要是O3，CO2，H2O，N2O，CH4，NH3等。其它微粒主要有:烟,尘埃,雾霾,小水滴,气溶胶。在80km以下的相对比例保持不变，称不变成分:多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢（这些气体）、含量随高度、温度、位置而变、称为可变成分: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）等57大气对辐射的影响

大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。30%被云层反射回；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。582、大气对辐射的吸收作用大气吸收：太阳辐射通过大气层时，大气层中某些成分对太阳辐射产生选择性的吸收，即把部分太阳辐射能转换为本身内能，使温度升高。大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内（<0.2μm的电磁波几乎被氮气或氧气吸收）。大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3μm的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐射中，已不存在小于0.3μm的短波辐射。真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量的气体，其中作用最为显著的有臭氧，二氧化碳，甲烷和水汽。大气的吸收作用氧气：主要吸收小于0.2μm的辐射；0.6和0.76μm处也有窄带吸收。高空遥感很少使用紫外波段的原因。臭氧：数量极少，但吸收很强。0.2～0.32μm、0.6和9.6μm处存在强吸收；对航空遥感影响不大。水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，水对红外遥感有极大的影响。二氧化碳：吸收作用主要在红外区内2.8，4.3，14.5um为强吸收带，量少，可以忽略不计。导致太阳辐射强度衰减，严重影响传感器对电磁辐射的探测。59图2.14大气吸收谱0.29整层大气的吸收光谱11km高度以上大气的吸收光谱整层大气中不同气体成份的吸收光谱太阳和地球的黑体辐射1460612.2.3大气散射散射：辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各方向散开，称散射。散射对遥感的影响：使原来传播方向的辐射减弱，使散射光进入传感器，信号中加入了噪声，降低信号(图像)质量。比如说晚上在外面打开手电会看见光柱，按理说手电不对着你的眼睛，光线不会自己拐弯钻进你的眼睛，那你怎么会看见光柱呢？那是因为手电光被小尘埃阻挡并散射到四面八方，一部分反射到你的眼睛里。

622.2.3大气散射大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区。大气发生的散射主要有三种：瑞利散射： d<<λ

米氏散射： d≈λ

非选择性散射：d>>λ63当大气中粒子的直径比波长小得多时发生，d<<λ。散射强度与波长的四次方成反比，即波长越长，散射越弱。主要发生在可见光和近红外波段。图2.15瑞利散射与波长关系瑞利散射在紫外、紫、兰波段散射强度很大，而在红光、红外散射强度极小。

瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。多波段中不使用蓝紫光的原因：1、瑞利散射（RayleighScattering）641、瑞利散射（RayleighScattering）一般认为（d<λ/10）

大气中的气体分子：氮、二氧化碳、臭氧、氧;晴朗的天空为蓝色颜色红橙黄黄绿青兰紫紫外线波长0.70.620.570.530.470.40.3散射率11.62.23.34.95.430.065散射强度与波长的关系蓝光散射较强红光散射较弱

（I∝λ-4）662、米氏散射（MieScattering）

当大气中粒子直径与辐射波长相当时发生的散射，d≈λ。散射强度与波长的二次方成反比（I∝λ-2）。具有明显的方向性。主要由大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。对于大气微粒引起的米氏散射从近紫外到红外波段都有影响，当进入红外波段后米氏散射的影响超过瑞利散射。云雾粒子与红外线波长接近，故多云天气米氏散射对红外遥感影响较大，潮湿天气米氏散射影响较大。米氏散射示意图前673、无选择性散射（Non-selectiveScattering）

当微粒的直径（d）与辐射波长（λ）大的多时（即d>>λ）所发生的大气散射。

无选择性散射的特点是散射强度与波长无关。为什么“白云千载空悠悠”?为什么微波能“穿云透雾”?思考题68太阳辐射衰减的原因是什么？在可见光和近红外波段，大气最主要的散射作用是什么？无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？微波为什么具有极强的穿透云层的作用？为什么在选择遥感工作波段时，要考虑大气层的散射和吸收作用？692.2.4大气窗口及透射分析1、折射现象电磁波穿过大气层时，还出现传播方向的改变，即发生折射。大气密度越小折射率越小，离地面越高空气密度越小，折射率也越小。为什么中午的太阳比早晨的看起来更圆?大气顶地面702、大气的反射电磁波传播过程中遇到不同介质界面时发生反射。大气的气体和尘埃反射很少，而反射主要发生在云层顶部，减弱电磁波到达地面的强度。对所有波段都有不同程度的影响。因此应尽量选择无云天气接收遥感信号。反射强度随云状、云厚而不同，高云反射率约为25%，中云为50%，低云为65%，云层愈厚反射愈强，一般情况下云的平均反射率为50—55%。71云层厚度50米，反射量达50%云层厚度500米，反射量达80%72云73主动遥感与被动遥感主动传感器云层后向回波微波云层直接辐射折射散射大气吸收反射回来的波近红外可见光热辐射波热红外被动传感器74太阳辐射到达传感器所发生的物理现象大气吸收减弱大气散射减弱云层反射减弱大气折射变向地物吸收减弱传感器太阳辐射地物地物漫反射减弱地物镜面反射减弱753、大气窗口（1）大气透射

太阳辐射经过大气传输后，除了大气的反射、吸收和散射的衰减作用外（折射不该表辐射强度，只改变方向），剩余部分即为透过部分。透射率与路程、大气的吸收、散射有关。

由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。763、大气窗口（2）大气窗口

电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的，透射率较高的波段称为大气窗口。大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。

77图2.18大气窗口要获得地面的信息，必须在大气窗口中选择遥感波段。78大气窗口光谱段主要有：大气窗口波段透射率/%应用举例紫外、可见光、近红外0.3～1.3μm＞90TM1-4、SPOT近红外1.5～1.8μm80TM5近-中红外2.0～3.5μm80TM7中红外3.5～5.5μm3.4-4.2μm为90%4.6-4.9μm为50-60%NOAA远红外8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat79大气窗口与遥感波谱通道

804、大气透射的定量分析太阳辐射经过大气时，就可见光、近红外而言，被云层等反射回去的最大，约为30%，散射22%，吸收17%，透过大气到达地面的能量仅占总入射能量的31%。大气对太阳辐射的总透射率T：式中，I为通过大气层后的辐射度；Io为通过大气层前的辐射度；M(θ)为大气质量，θ与天顶距密切正相关；

τ为大气的垂直光学厚度。81

2.3地球的辐射与地物波谱

2.3.1太阳辐射与地表的相互作用 2.3.2地表自身热辐射 2.3.3地物反射波谱特征 2.3.4地物波谱特征的测量82地表辐射能量来源主要为：太阳的短波辐射及地球内部的热能。地表的长波辐射主要由太阳短波辐射而来—吸收可见光、近红外发射中、远红外。地表的热平衡：一方面：因太阳辐射引起地表增温，热能从地表向地壳一定深度传导；另一方面：地球内部的热能也要通过地壳向地表传递两者在地下一定深度达到热量平衡。平衡线在地球各处的深度不同，局部地区地内热对流使地表温度激增，形成热异常区。可用热红外遥感研究地热。832.3.1太阳辐射与地表的相互作用图2.20太阳与地表辐射的电磁波谱太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中在0.3～2.5μm波段之间。（可见光和近红外）地球自身热辐射近似300K的黑体辐射，能量集中在6.0μm以上的波段。（热红外）842.3.1太阳辐射与地表的相互作用在0.3～2.5μm波段（主要在可见光和近红外波段），地表以反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以忽略。即在该波段范围内，对地观测遥感主要以太阳的短波辐射对地表进行探测和成像。在2.5～6.0μm波段（主要在中红外波段），地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射均为被动遥感的辐射源。在6.0μm以上的热红外波段，以地球自身的热辐射为主，地表反射太阳辐射可以忽略。地球辐射的分段特性852.3.2地表自身热辐射

任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波的特性。少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为：地物的波谱（光谱）特性。※地物的波谱（光谱）特性

不同的地物，其电磁波响应特性不同，因此地物波谱特性是遥感识别地物的基础。862.3.2地表自身热辐射

当温度一定时，地物的发射率（比辐射率，emissivity）随波长变化的规律，称为地物的发射光谱。

地物发射率的不同是红外遥感技术的重要依据。根据黑体辐射定律和基尔霍夫定律，有：872.3.2地表自身热辐射

地物的发射波谱与物体本身的组分、温度、表面粗糙度等物理特性有关。882.3.2地表自身热辐射

不同地物的温度日变化存在着明显的差异。892.3.3地物反射波谱特征1、概述

太阳辐射到达地表后，部分反射，部分吸收，部分透射，即：到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量。

一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0.45~0.56μm的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达10～20m，清澈水体可达100m的深度。

地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。902.3.3地物反射波谱特征2、反射率与反射波谱（1）反射率地物的反射的辐射能量Pρ与总入射能量P0的比，称为反射率（ρ）。即ρ=(Pρ/P0)×100%。表征物体对电磁波谱的反射能力。反射率是可以测定的。地物在不同波段的反射率是不同的，利用地物反射率的差别，可以判断地物的属性。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。912.3.3地物反射波谱特征（2）地物的反射根据地表目标物体表面性质的不同，物体反射大体上可以分为3种类型，即镜面反射、漫反射、实际物体的反射。922.3.3地物反射波谱特征镜面反射：光射到平滑的表面，如镜面、刨光的金属表面、平静的水面等，能使平行的入射光线反射后仍是平行光线。这种反射叫做镜面反射。漫反射：整个表面都均匀地反射入射光称为漫反射。反射波方向与入射波方向无关，从任何角度观察反射面，反射辐射亮度为一常数。方向反射：入射辐照度相同时，反射辐射亮度的大小即与入射方位角和天顶角有关，也与反射方向的方位角与天顶角有关的反射。多数实际物体的反射处于镜面反射与漫反射中间，即属于方向反射。从空间对地面观察时，对于平坦地区，并且物体均匀分布，可以看成漫反射；对于地形起伏和地面结构复杂的地区，为方向反射。932.3.3地物反射波谱特征方向反射因子ρ’：Ii为某一方向入射辐射的照度；ρ’’为入射时的方向反射因子，ID为漫入射辐照度，D为日地距离。θi入射辐射天顶角；φi入射辐射方位角；θr反射辐射天顶角；φr反射辐射方位角；Lr为观察方向的反射亮度：942.3.3地物反射波谱特征混合反射

一部分为镜面反射，一部分为朗伯反射。

方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。95(3)反射波谱地物反射波谱指地物反射率随波长的变化规律。通常用平面坐标曲线表示，横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。图2.24雪、沙漠、湿地、小麦反射波谱曲线

地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。96正因为不同地物在不同波段有不同的反射率这一特性，物体的反射波谱特性曲线才作为判读和分类的物理基础，广泛地应用于遥感影像的分析和评价中。(3)反射波谱97地物反射光谱曲线：根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线，通常用平面坐标曲线表示，横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。3、地物反射波谱曲线地物反射波谱曲线除随不同地物(反射率)不同外，同种地物在不同内部结构和外部条件下形态表现(反射率)也不同。一般来说，地物反射率随波长变化有规律可循，从而为遥感影像的判读提供依据。98几种典型地物的反射波谱特征植被

可见光波段有一个小的反射峰，位置在0.55um处，两侧0.45um(蓝)和0.67um(红)则有两个吸收带。这一特征是叶绿素的影响。

在近红外波段(0.7-0.8um)有一反射的“陡坡”，至1.1um附近有一“峰值”，形成植被的独有特征。这一特征由于植被结构引起。在中红外波段(1.3-2.5um)，反射率大大下降，特别以1.45um,1.95um和2.7um为中心是水的吸收带，形成低谷。99几种典型地物的反射波谱特征植被叶绿素吸收水分吸收叶片色素细胞结构含水量控制叶片反射率的主要因素主要吸收带100几种典型地物的反射波谱特征植被波谱特征分析在可见光波段①在0.45μm附近（蓝色波段）有一个吸收谷；②在0.55μm附近（绿色波段）有一个反射峰；③在0.67μm附近（红色波段）有一个吸收谷。在近红外波段④从0.76μm处反射率迅速增大，形成一个爬升的“陡坡”,至1.1μm附近有一个峰值，反射率最大可达50％，形成植被的独有特征。⑤1.5～1.9μm光谱区反射率增大；⑥以1.45μm，1.95μm，2.70μm为中心是水的吸收带，其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。101几种典型地物的反射波谱特征植被植被波谱受植物类型、植物生长季节、病虫害影响等因素影响。植被波谱特征大同小异，根据这些差异可以区分植被类型、生长状态等。不同植被类型的光谱曲线102几种典型地物的反射波谱特征植被同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性（如病虫害的影响等）。病虫害对松树光谱曲线的影响103几种典型地物的反射波谱特征植被不同生长期植被的光谱曲线（即光谱曲线具有时间特性）104几种典型地物的反射波谱特征植被广玉兰在不同含水量时的反射光谱曲线105几种典型地物的反射波谱特征土壤自然状态下土壤表面的反射曲线呈比较平滑的特征，没有明显的反射峰和吸收谷。土壤反射波谱特性曲线较平滑，因此在不同光谱段的遥感影像上，土壤的亮度区别不明显。在干燥条件下，土壤的波谱特征主要与成土矿物（原生矿物和次生矿物）和土壤有机质有关。土壤含水量增加，反射率就会下降，在水的各个吸收带（1.4μm、1.9μm、2.7μm），反射率的下降尤为明显。106几种典型地物的反射波谱特征土壤不同含水量的粉沙土壤的波谱曲线107几种典型地物的反射波谱特征水体

水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都很强，特别到了近红外波段，吸收就更强。水中不同物质的含量影响水体的波谱曲线。水中含泥沙，在可见光波段的反射率会增加，峰值出现在黄红区。水中含有水生植物叶绿素时，近红外波段反射率明显抬高。108几种典型地物的反射波谱特征岩石

岩石的反射波谱曲线无统一的特征，矿物成分、矿物含量、风化程度、含水状况、颗粒大小、表面光滑程度、色泽等都会对曲线形态产生影响。109在城市遥感影像中，通常看到建筑物的顶部、部分建筑物的侧面、无植被覆盖的道路建筑材料各不相同几种典型地物的反射波谱特征城市道路、建筑物110城市道路、建筑物的光谱反射特性红外波段较可见光波段反射强石棉瓦较其他材料反射强沥青较其他材料反射弱几种典型地物的反射波谱特征城市道路、建筑物111水体植被土壤建筑112

传感器探测波段的设计，是通过分析比较地物光谱数据而确定的。1132.3.4地物波谱特征的测量可见光和近红外波段是研究地表反射的主要波段。其间地物光谱测试的作用体现在三个方面：（1）传感器波段选择、验证、评价的依据；（2）建立地面、航空和航天遥感数据的关系；（3）地物光谱数据与地物特征的相关分析并建模。114理想光滑表面的反射是镜面反射，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满足镜面反射也不满足漫反射的条件。二向反射的概念是指物体表面反射光线的能力与入射和反射光线的方向有关，二向性反射分布函数（BidirectionalReflectanceDistributionFunction,BRDF）定义如下（Nicodemus，1997）：它是光线入射方向、反射方向和波长的函数，是基于微分面元和微分立体角定义的。1、地物反射波谱测量理论1151、地物反射波谱测量理论（2）双向反射因子（BRF）BRF：在给定的立体角锥体所限制的方向内，在一定的辐照度和观测条件下，目标的反射辐射通量与处于同一辐照度和观测条件的标准参考面（理想朗伯反射面）的反射辐射通量之比。116测定地物反射波谱特性的仪器

分光光度计，光谱仪，摄谱仪仪器由收集器、分光器、探测器和显示或记录器组成。收集器的作用是收集来自物体或标准板的反射辐射能量。它一般由物镜、反射镜、光栏（或狭缝）组成；分光器的作用是将收集器传递过来的复色光进行分光（色散），它可选用棱镜、光栅或滤光片；探测器的类型有光电管、硅光电二极管、摄影负片等；显示或记录器是将探测器上输出信号显示或记录下来，或驱动X－Y绘图仪直接绘成曲线。1172、地物光谱的测量方法（1）样品的实验室测量常用分光光度计，应用不广泛。（2）野外测量采用比较法。垂直测量：使所得数据能与航空、航天传感器所获得的数据进行比较。认为实际目标与标准板的测量值之比就是反射率之比。没有考虑入射角度变化时造成的反射辐射值的变化，对实际地物在一定程度上取近似朗伯体。非垂直测量：测量不同角度的方向反射比因子。因为辐射到地物的光线由来自太阳的直射光（近似定向入射）和天空的散射光（近似半球入射），方向反射比因子取两者的加权和。118地物波谱特性的测定步骤架设好光谱仪