第二章遥感的物理基础

第二章遥感的物理基础

本章主要内容电磁波与电磁波谱地物的光谱特性大气和环境对遥感的影响地物波谱特征的测定遥感原理第一节电磁波与电磁波谱电磁波及其特性电磁波谱电磁辐射源遥感原理一、电磁波及其特性波的概念：波是振动在空间的传播。机械波：声波、水波和地震波电磁波（ElectroMagneticSpectrum)

由振源发出的电磁振荡在空气中传播。演示遥感原理电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原理电磁辐射:电磁能量随电磁波的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。其传播表现为光子（或称为量子）组成的粒子流的运动。

E:电场、H:磁场、λ:波长、h:振幅

λ

h

电磁振源传播方向遥感原理电磁波的特性电磁波是横波在真空中以光速传播电磁波在介质中的传播速度V为：C为光速3×108米/秒可见，电磁波在介质中的传播速度V总是小于在真空中的传播速度C遥感原理3）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，这就是电磁波的波粒二象性。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。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。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。遥感原理电磁辐射---波动性1．干涉

（interference）一列波在空间传播时，将引起空间各点的振动；两列（或多列）波在同一空间传播时，空间各点的振动是各列波在该点产生的振动的叠加合成。这种波的叠加合成不是简单的代数和，而是矢量和。

光的干涉同振幅、频率和初位相（具固定位相关系）的两列（或多列）波（相干波）的叠加合成而引起振动强度重新分布的现象称为“干涉现象”。干涉现象中，在波的交叠区有的地方振幅增加，有的地方振幅减小，振动强度（取决于程差与波长的关系）在空间出现强弱相间的固定分布，形成干涉条纹。干涉滤光片、透镜组、干涉雷达天线等，均应用了波的干涉原理。

遥感原理

小孔的衍射波在传播过程中遇到障碍物时，在障碍物的边缘一些波偏离直线传播而进入障碍物后面的“阴影区”的现象称为“衍射现象”。这是由于障碍物引起波的振幅或相位的变化，导致波在空间上振幅或强度重新分布的现象。如光通过小孔，在孔后的屏上出现的不是一个亮点，而是一个亮斑。其亮斑周围有逐渐减弱的明暗相间的圆环。其亮斑的大小（衍射角θ）与小孔的直径d成反比，与波长λ成正比，即遥感中部分光谱仪的分光器件----衍射光栅等，正是运用多缝衍射原理。2．衍射（diffraction）偏振是横波中呈现出的一种特殊现象。电磁波作为一种横波，其相互垂直的电场和磁场的振动方向是与传播方向垂直的。传播方向确定后其振动方向并不是唯一的。它可以是垂直于传播方向的任何方向。它可以是不变的，也可以随时间按一定方式变化或按一定规律旋转，即出现偏振现象（微波中称为“极化”）。通常把电场振动方向的平面称为偏振面。若偏振面方向固定，不随时间而改变，则为线性偏振（线性极化或平面极化）。沿一个固定方向振动的光为偏振光，一些人造“光源”（如激光和无线电、雷达发射）常有明确的极化状态；太阳光是非偏振光（所有方向的振幅相等，无一优势方向）；介于两者之间的为部分偏振光--许多散射光、反射光、透射光均属此类。电磁波在反射、折射、吸收、散射过程中，不仅其强度发生变化，其偏振状态也往往发生变化。这种偏振状态的改变也是一种可以利用的遥感信息。3．偏振（Polarization）线性极化类型任一振动方向的电磁波总可以分解为两个特定的偏振（极化）方向。电矢量E的振动面垂直入射面的线偏振称为水平极化，平行入射面的线偏振称为垂直极化。遥感原理遥感原理

电磁波的“粒子性”是指电磁辐射除了它的连续波动状态外，还能以离散形式存在，其离散单元称为光子或量子。大量实验证明，光照射在金属上能激发出电子，称为光电子。光电子的能量与光的强度、光照的时间的长短无关，而仅与入射光的频率有关。光电倍增管、电视摄象管等光电器件，正是运用光电效应原理制作的。光电效应现象用光的波动性是无法解释的。普朗克用模型来说明光电效应，并指出电磁辐射能量Q的大小直接与电磁辐射的频率ν成正比，可表示为：

（h为普朗克常数，取值为6.626×10-34焦耳·秒）已知，则可得：可见，辐射能量Q与它的波长λ成反比。即电磁辐射波长越长,其辐射能量越低。这对遥感是有重要意义的，如地表的微波发射要比热红外辐射低（更难感应）。电磁辐射---粒子性1）波长λ：指波在一个振动周期内传播的距离。即沿波的传播方向，两个相邻的同相位点间的距离。单位为cm、mm、m、nm等。2）频率：指单位时间内，完成振动或振荡的次数或周期。

单位为Hz、KHz、MHz、GHz

等。电磁波的波长λ、频率ν及速度间有如下关系：

电磁波在真空中以光速米/秒（ms-1）传播，在介质中小于但接近于光速传播。

一般用波长或频率来描述或定义电磁波谱的范围。

波数：被定义为在波的传播方向单位长度内所含波长的数目，即波长的倒数（1/λ），单位为cm-1。3）振幅h：表示电场振动的强度。它指振动物理量偏离平衡位置的最大位移，即每个波峰的高度。单位为瓦特/米2·厘米（wm-2cm-1）电磁能量的主要参数右图:表示单位波长间隔内的辐射通量------光谱辐射通量，表达为：Φ（λ）=dΦ/dλ单位为瓦/微米（wμm-1）。·（radiantflux），又称辐射功率，指单位时间内，通过某一表面的辐射能量。单位为瓦（w），即焦耳/秒(Js-1)，表达为：Φ=dQ/dt辐射通量是波长的函数。

光谱辐射通量

光谱辐射通量光谱分布曲线光谱辐射通量辐射通量

λ1λ2

波长辐射通量

Φ

·辐射出射度M

（radiantexitance），指面辐射源在单位时间内，从单位面积上辐射出的辐射能量，即物体单位面积上发出的辐射通量（Φ=dQ/dt），单位为瓦/米2（wm-2

），表达为：dAdAdφ·辐射照度E

（irradiance），简称辐照度，指面辐射源在单位时间内，从单位面积上接收的辐射能量，即照射到物体单位面积上的辐射通量，单位为瓦/米2（wm-2），表达为：辐射通量密度θ立体角Ω

“立体角”---一个锥面所围成的空间部分。它以锥的顶点为圆心，半径为1的球面被锥面所截的面积来度量，常用表示，其度量单位为“球面度”。Ω=A/R²（R为球半径，A为球面积）一个球体由球心对全球面所张立体角为4球面角（=4）；

半球面所张立体角为2球面角（=2）。立体角

Ω---球面度

sr指点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐射能量，即点辐射源(O)在某一方向上(、)单位立体角(d)内发出的辐射通量，单位为瓦/球面度(wsr-1)，表达为：辐射强度I（radiantintensity）辐射强度点辐射源dAzyxO点源的辐射强度(极坐标中)微小立体角元：dΩ=dA/R2=sinθdθdφ遥感原理辐射亮度L：辐射亮度，简称辐亮度，指面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积（法向面积）上辐射出的辐射能量，即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量，如右图所示，单位为瓦/米2·球面度（wm-2sr-1

），表达为：Ф

Acosθθ

A辐射亮度（radiance）遥感观测的是辐射亮度值L。遥感原理二、电磁波谱电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制成的图表。

在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其次是红外线、可见光、紫外线、X射线；波长最短的是γ射线

电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。

无线电波是振荡电路中自由电子作周期性的运动产生的．红外线是由于分子的振动和转动能级跃迁时产生的.可见光、紫外线是原子外层电子受激发产生的．X射线是原子内层电子受激发产生的．γ射线是原子核受激发产生的．遥感原理TheElectromagneticSpectrumMorethanmeetstheeye!LanguageoftheEnergyCycle:

TheElectromagneticSpectrumEnergyWavelengthl常用电磁波分类名称和波长范围SolarSpectrum=Shortwavespectrum=visiblespectrum:

Sunat6000K;peakemissionat0.5mmCO2H2OO3TerrestrialSpectrum=LongwaveSpectrum=InfraredSpectrum=ThermalSpectrum:

SaharaDesertonNimbus4SatelliteTheoreticalPlanckcurves:Earth~300K,peakemission~15mmEarthSpectrumIncomingfromSun:Highenergy,shortwavelengthOutgoingfromEarthLowenergyLongwavelength0.5mm10mm20mm1.紫外线

波长范围为0.01—0.4微米。太阳辐射中的紫外线通过大气层时，波长小于0.3微米紫外线几乎都被吸收，只有0.3—0.4微米波长的紫外线部分能够穿过大气层到达地面，能量很少，并能使溴化银感光。紫外线在遥感中主要用于探测碳酸盐分布和油污染的监测等。由于紫外线从空中可探测的高度大致在2000m以下，因此紫外线对高空遥感不宜采用。2、遥感常用的电磁波波段的特性遥感原理2.可见光波长范围为0.4—0.76微米，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对可见光的全色光和单色光都可直接感觉，因此可见光是作为鉴别物质特征的主要波段。遥感原理3.红外线

波长范围为0.76—1000微米近红外（0.76—3微米）主要是地面反射太阳的红外辐射，在遥感技术中可以采用摄影方式和扫描方式，接收和记录地物对太阳辐射的红外反射，但由于目前技术的限制，目前只能感测0.76—1.3微米的波长范围。中红外（3—6微米），远红外（6—15微米）和超远红外（15—1000微米）是产生热感的原因，所以又称热红外。在遥感技术中主要利用3—16微米波段，具有全天时的特性。

遥感原理4.微波

波长范围为1mm—1m。微波又可分为：毫米波、厘米波和分米波。微波也具有热辐射特性，可以穿透云、雾不受天气影响，所以微波能进行全天候全天时遥感。微波遥感可以采用主动和被动方式成像，对某些物质如植被、冰雪、土壤等表层覆盖物具有一定的穿透能力。因此它也是遥感中最有发展潜力的波段。遥感原理三、电磁辐射源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5900的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围极大；辐射能量集中-短波辐射。大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射。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。遥感原理太阳辐射照度分布曲线太阳的辐射波谱（x射线～无线电波），是个综合波谱。太阳辐射的大部分能量集中于近紫外—中红外（0.31—5.6μm）区内，占全部能量的97.5%。其强度随时间、地点而变化太阳辐射能各谱段的百分比

λ波段%<10Å10—2000ÅX、γ射线远紫外0.020.20—0.31μ中紫外1．950.31—0.38μ近紫外5．320.38—0.72μ可见43．500.72—1.5μ近红外36．801.5—5.6μ中红外12．005.6—1000μ>1000μ远红外微波0．41遥感原理太阳与地球辐射的电磁波谱·长波辐射（6μm以上）---只考虑地表物体自身的热辐射，而太阳辐照的影响极小。·短波辐射（0.3～2.5μm）---以地球表面对太阳的反射为主，地球自身的热辐射可忽略不计；

MR(λ)=ρ(λ)E(λ)

·中红外辐射（2.5～6μm）---太阳辐射和热辐射的影响均有，不能忽略。遥感原理人工辐射源：主动式遥感的辐射源。雷达探测。分为微波雷达和激光雷达。微波辐射源：0.8-30cm

微波遥感在地质构造、找矿，海洋、海水调查，土壤水分动态监测、洪涝灾害调查及军事等方面具有广阔的应用前景。激光辐射源：激光雷达—测定卫星的位置、高度、速度、测量地形等。遥感原理第二节地物的光谱特性

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：地物的光谱特性。复习遥感原理

EI(λ)=ER(λ)+EA(λ)+ET(λ)

入射能EI反射能ER吸收能EA

透射能ET

反射（Reflection）

吸收（Absorption）

透射（Transmission）

主要有三种基本的物理过程：一、地物的反射光谱特性对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。遥感原理地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。它是波长的函数，又称为光谱反射率

，被定义为：

以百分数表示,其值在0—1之间，为无量纲的量.1地物的反射率（反射系数或亮度系数）：影响地物反射率大小的因素：入射电磁波的波长入射角的大小地表颜色与粗糙度反射的三种形式：镜面反射、漫反射、方向反射。遥感原理式中，h为第一平面以上的高度度量（以波长计）；

为波长为入射角。

任一表面的反射特性是由其表面几何形态—粗糙度支配的，而粗糙度是相对于入射波长而言的，也就是依据表面几何形态与辐射波长的关系而定的。表面粗糙度是入射波长的函数。关于表面粗糙度的瑞利判别准则是：若为光滑表面；反之，为粗糙表面。（a）镜面反射

（b）漫反射(c)方向反射反射的三种形式遥感原理镜面反射当入射能量全部或几乎全部按相反方向反射，且反射角等于入射角，称为镜面反射。若表面相对于入射波长是光滑的（λ>>界面粗糙度），则出现镜面反射。对可见光而言，在镜面、光滑金属表面、平静水体表面均可发生镜面反射；而对微波而言，由于波长较长，故马路面也符合镜面反射规律。（1）镜面反射

----specularreflection遥感原理（2）漫反射

----diffusereflection当入射能量在所有方向均匀反射，即入射能量以入射点为中心，在整个半球空间内向四周各向同性的反射能量的现象,称为漫反射,又称朗伯(Lambert)反射，也称各向同性反射。一个完全的漫射体称为朗伯体。当入射波长比地表高度小或比地表组成物质粒度小时，则表面发生漫反射。如对可见光而言，土石路面、均一的草地表面均属漫射体漫反射漫反射面按朗伯余弦定律反射，可表达式为：式中，θ为观测方向与法线的夹角；

I(θ)为θ方向的辐射强度；

I0为法线方向的辐射强度.遥感原理（3）方向反射

----Directionalreflection

朗伯体表面（均匀、各向同性）实际上是一个理想化的表面。事实上，自然界大多数地表既不完全是粗糙的朗伯表面，也不完全是光滑的“镜面”，而是介于两者之间的非朗伯表面。其反射具有明显的方向性，即方向反射。镜面反射也可认为是方向反射的一个特例。方向反射方向反射率---指对入射和反射方向严格定义的反射率。其入射和反射的方向可由微小立体角、任意立体角、半球全方向来确定。各方向的反射率均不同。遥感原理树叶为什么是绿色的？遥感原理水为什么是蓝色的？遥感原理地物的反射光谱：地物的反射率随入射波长变化的规律。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。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。不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、沙漠、湿地、小麦的光谱曲线遥感原理

不同地物的反射率遥感原理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。多光谱扫描仪（MSS）的波段设计：

MSS1(0.5-0.6μm)MSS2(0.6-0.7μm)MSS3(0.7-0.8μm)MSS4(0.8-1.1μm)遥感原理草地与人造草皮在不同影像上的不同表现遥感原理同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性。不同植物；植物病虫害地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。时间特性空间特性遥感原理不同植物光谱曲线比较遥感原理植被的病虫害遥感原理时间特征遥感原理

地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1（100%）的物体。黑体辐射(BlackBodyRadiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。二、地物的发射光谱特性遥感原理1.

PowerSource:BlackbodyRadiation

Planck’sLaw:TheamountandspectrumofradiationemittedbyablackbodyisuniquelydeterminedbyitstemperatureMaxPlanck(1858–1947)NobelPrize1918Emissionfromwarmbodiespeakatshortwavelengthswavelength620K380K3、黑体辐射定律(1)朗克热辐射定律表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律。遥感原理黑体辐射的三个特性辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不同。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。辐射出射度可见光波段辐射能太阳温度白炽灯温度地球温度波长(μm)不同温度下的黑体辐射遥感原理(2)斯特藩－玻耳兹曼定律

Stefan-Boltzmann'slaw

即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。遥感原理(3)维恩位移定律：Wien'sdisplacementlaw

随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。表不同温度T所对应的λmax300500100020003000400050006000700080009.665.762.881.440.960.720.580.480.410.36地球温度太阳温度遥感原理4、地物的发射率和基尔霍夫定律发射率(Emissivity)：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）W与同温下的黑体辐射出射度W黑的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。影响地物发射率的因素：

地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。遥感原理按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。灰体(greybody)：发射率小于1，常数选择性辐射体：发射率小于1，且随波长而变化。遥感原理基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量W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W黑。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。地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。遥感原理5、黑体的微波辐射

任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红外辐射，也发射微波辐射。二者基本相似。但微波是地物低温状态下的重要辐射特性，温度越低，微波辐射越明显。微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。遥感原理瑞里—金斯公式黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。

微波波段与红外波段发射率的比较：不同地物之间微波发射率的差异比红外发射率要明显得多，因此，在可见光和红外波段中不易识别的地物，在微波波段中则容易识别。（表2-6）遥感原理遥感原理6、地物的发射光谱发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。岩石的发射光谱分析（图2-12）遥感原理右图显示：随着各种岩浆岩中sio2含量的降低，岩石发射光谱曲线的谷值向长波方向移动。遥感原理亮度温度：衡量地物辐射特征的重要指标。指物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时，该黑体的绝对温度即为亮度温度。

Thetemperatureoftheblackbodywhichradiatesthesameradiantenergyasanobservedobjectiscalledthebrightnesstemperatureoftheobject.亮度温度与实地温度的关系：总小于实地温度。遥感原理典型地物的热特性一般地物白天受太阳辐射影响，温度较高、呈暖色调；夜间物质散热，温度较低，呈冷色调。土壤、岩石尤为明显。水体：比热大、热惯性大、对红外几乎全吸收、自身辐射发射率高，以及水体内部以热对流方式传递温度等特点，使水体表面温度较均一，昼夜温度变化慢而小。因而白天水热容量大，升温慢，比周围土壤岩石温度低，呈冷色调（暗色调）；夜晚，水的贮热能力强，热量不易很快散失，比周围土壤、岩石温度高，呈暖色调（浅色调）。因此，任何水体的热标记可作为判断热红外成像时间的可靠指标（水体周围为冰雪覆盖的例外）。湿地：昼夜均比干燥地面冷，这是因为水分蒸发时的冷却效应。遥感原理绿色林地（树）：辐射温度较高，夜间图像具暖标记，而白天虽受阳光照射，但因水分蒸腾作用降低叶的温度，升温不甚明显，使植被较周围土壤温度低。（不过针叶林有些例外，这是因为其树冠针叶丛束的合成发射率高。）农作物覆盖区：由于作物覆盖隔开了地面土壤，使之保持一定热量，从而造成农作区夜间也呈暖色，与裸露土壤的冷色调相对照。人工铺设区如街道、停车场，白天比周围区域加热得温度更高，而夜里因散热较慢，仍保持比周围土壤温度高些。研究岩石、植被、土壤和水体的热红外特性，红外辐射温度的日变化特性等，是热图像判读的基础，也是建立各种热模型（如土壤水分的热惯量模型等），反演地表相关参数的必要条件。遥感原理居民区-夜间热图像（航片）白---红表征“热点”

遥感原理水体与

陆地的

航空热红外

图像

（冬季）

a.清晨6点（空气温度－9℃）；

b.上午8点；c.午后14点（空气温度－2℃）；d.第二天上午11点（空气温度－4℃）遥感原理透射率：入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比。透射率随着电磁波的波长和地物的性质而不同。（如：水体对0.45-0.56um的蓝绿光具有一定的透射能力，较浑浊水体的透射深度为1－2m，一般水体的透射深度可达10－20m。）可见光、红外、微波的透射能力。三、地物的透射光谱特性遥感原理地物波谱特性的影响因素地物波谱特性是复杂的，它是受多种因素控制的，本身也是因时因地在变化着。以植物波谱为例，·植物冠层的组分、形状结构（与叶的类型、植物生长阶段等有关）；·植物背景----主指土壤

（土壤湿度、土壤有机质含量等）；·辐照及观测方向（包括地形起伏改变辐照方向）；·大气状况、气候变化、大气透过率等。可见，地物波谱特性是随时间、地点、环境背景等的变化而变化,影响因素很多，是一种综合作用的结果。正是地物波谱的复杂性构成了遥感影像解译具有一定的不确定性.由于难以将这些干扰因素逐项加以定量消除，因而定量遥感研究中需要通过大量地面样本分析建立先验知识，确定遥感模型的约束条件，以便提高定量遥感的精度。遥感原理上海技物所地物波谱是遥感识别目标的前提，对它的研究与测试，是遥感重要的基础性研究工作；地物波谱是遥感定量化的依据，是联系遥感基础研究与遥感应用的桥梁，是研究遥感成像机理、选择遥感仪器最佳探测波段、研制遥感仪器，以及遥感图像分析、数字图像处理中最佳波段选择、专题信息提取、提高遥感精度等的重要依据，也是遥感应用分析的基础；地物波谱库是空间信息基础设施建设的重要组成部分。遥感原理第三节大气和环境对遥感的影响大气的成分和结构大气对太阳辐射的影响大气窗口环境对地物光谱特性的影响复习遥感原理遥感原理遥感原理一、大气的成分遥感原理遥感原理大气的主要成分*aconcentrationneartheearth'ssurface遥感原理遥感原理遥感原理遥感原理遥感原理二、大气的结构遥感原理二、大气的结构大气的垂直分层：对流层、平流层、中气层、热层和大气外层。1.对流层：上界往往随纬度、季节等因素而变化（7-19km）。它集中了主要的大气现象。航空遥感活动区。遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性。2.平流层：（至50km）包括底部的“同温层”（至20km）和随高度上升温度缓慢上升的“暖层”。层内除季节性的风外，几乎没有什么天气现象。对电磁波传输表现较为微弱。3.中气层：（至80km）介于上下两个暖层之间，又称“冷层”，温度随高度增加而递减，大约在80km处降到最低点约178K（-95℃），也是整个大气最低点。。4.热层：又称增温层，电离层。层内空气稀薄，温度很高.可达1500K。无线电波在该层发生全反射现象.而对遥感使用的可见光、红外直至微波的影响较小，基本上是透明的。卫星的运行空间。5.大气外层：1000公里以外的星际空间。对卫星的运行基本上没有影响。遥感原理遥感原理三、大气对太阳辐射的影响太阳辐射的衰减过程：30%被云层和其他大气成分反射回宇宙空间；17%被大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。大气的透射率公式：透射率与路程、大气的吸收、散射有关。遥感原理一、遥感原理遥感原理遥感原理遥感原理遥感原理大气的吸收作用（总结）大气中的氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内氧气：小于0.2

μm；0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。臭氧：数量极少（0.01%-0.1%)，但吸收很强。两个吸收带(0.2-0.3μm

、0.6μm)；对高度<10km的航空遥感影响不大。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。而水汽的含量随时间、地点而变化。二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。特别是在以14.5μm为中心，形成了一个13－17μm强吸收波段，由于CO2的相对含量近似恒定，该吸收波段用以遥测大气温度垂直分布的主要手段。尘埃：有一定的吸收作用，量少。遥感原理Absorption大气的选择性吸收，对遥感系统影响很大，不仅能使气温升高、能量衰减，而且使太阳发射的连续光谱中的某些波段不能传播到地球表面。AbsorptionofEMenergybytheatmosphere（二）大气的散射作用

散射作用：太阳辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。遥感原理ScatteringofEMenergybytheatmosphere遥感原理大气散射（Atmosphericscattering）散射——指电磁辐射在非均匀或各向异性介质中传播时，改变原来传播方向的现象。大气散射强度依赖于微粒大小、含量、波长和大气厚度。大气中的主要散射微粒：

气体分子

（gasmolecules）

(约10-8cm)

固态气溶胶（solidaerosols）

(0.1to1.0μm)

云中小水滴（cloudwaterdroplets）

(1to10μm)

云中冰晶

（cloudicecrystals）

(1to100