第二章电磁辐射与地物光谱特征(new)

第二章

电磁辐射与地物光谱特征遥感是利用传感器主动或被动地接受地面目标反射或发射的电磁波，通过电磁波所传递的信息来识别目标，从而达到探测目标物的目的。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,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黑体辐射3太阳辐射及大气对太阳辐射的作用4地球辐射与地物波谱特征1）横波、不需要传播介质2）粒子性：传播过程中，若碰到会发生散射现象，从而引起电磁波的强度、方向等发生改变。3）波动性：产生了电磁波的干涉、衍射和偏振等现象。电磁波传播到气体、液体、固体介质时，会发生反射、折射、吸收、透射等现象4）叠加原理

5）相干性和非相干性（4个条件）6）衍射和偏振（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）7）多谱勒效应（合成孔径侧视雷达）电磁波的特点1.1电磁波1）电磁波是电磁振动的传播。当电磁振荡进入空间时，变化的磁场激发了变化的电场，使电磁振荡在空间传播，形成电磁波，也称电磁辐射。2）电磁波是横波，质点的震动方向与波的传播方向垂直。在传播过程中，遵循波的反射、折射、衍射、散射、干涉、吸收等传播规律。E电场，M磁场，C传播方向1、电磁波和电磁波谱3）电磁波在真空中以光速传播。4）满足方程：

f.λ=c(波动性)E=h.f（粒子性）具有波粒二象性1.1电磁波f频率λ波长C光速h普朗克常数

麦克斯韦（1831-1879）

普朗克（1858-1947）

爱因斯坦（1879-1955）

波动性粒子性返回1.1电磁波

电磁波的波动性Amplitude(A)Wavelength(lambda,l)Period(T)Frequency(f=1/T),单位：赫兹(HZ),表示1秒内波传播的次数Velocity(v)1.1电磁波真空中，c=2.998*108m/sec传播其中：

w=2p/T

k=2p/l

f为相位电场强度Maxwell'swavetheoryc=lfMaxwell'sEquations

返回1.1电磁波

粒子性把电磁波作为粒子对待时，能量:

E=hfh-Plank'sconstant(6.626×10-34J•s)能量越大，波长越短，粒子性越强，直线性越强。

返回1.1电磁波电磁波的叠加原理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。任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波；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1.1电磁波

由两个(或两个以上)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，称为电磁波的衍射。

1）菲涅耳衍射：入射光与衍射光不都是平行光的衍射。

2）夫琅禾费衍射：入射光与衍射光都是平行光的衍射。电磁波的衍射从夫朗和费衍射装置的单缝衍射实验中可以看到：在入射光垂直于单缝平面时的单缝衍射实验图样中，中间有特别明亮的亮纹，两侧对称地排列着一些强度逐渐减弱的亮纹。如果单缝变成小孔，由于小孔衍射，在屏幕上就有一个亮斑，它周围还有逐渐减弱的明暗相间的条纹。夫琅禾费衍射图案

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象。衍射现象的遥感意义返回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“极化”，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。许多散射光，反射光，透射光都是部分偏振光。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出更多信息。返回电磁波的多普勒效应1842年，奥地利物理学家多普勒研究声波时发现，声波频率在声源移向观察者时变高，而在声源远离观察者时变低。具有波动性的光也会出现这种效应光波，不同之处在于：光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化.如果光源远离我们而去，则光的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果光源朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移.合成孔径雷达的工作原理下一节遇到介质（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1、电磁波和电磁波谱电磁波与物体间的相互作用图1.1电磁波反射、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%散射：辐射传播中，若遇到小粒子，会向四面八方散去，电磁波强度和方向发生各种变化，即散射。强度随波长改变。返回1.1电磁波1.2电磁波谱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。电磁波谱遥感较多应用的电磁波波谱段可见光：波长范围为0.38～0.76μm，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。红外线：波长范围为0.76～1000μm，根据性质分为近红外、中红外、远红外和超远红外。

微波：波长范围为1mm～1m，穿透性好，不受云雾的影响。可见光

波长范围大约为0.38μm(紫色)~0.76μm(红色)，可见光谱中的各种颜色成分大致属于如下的波长区间：

红：0.62~0.76μm

橙：0.59~0.62μm

黄：0.56~0.59μm

绿：0.50~0.56μm

青：0.47~0.50μm

蓝：0.43~0.47μm

紫：0.38~0.43μm返回红外波段波长范围0.76~1000μm，可进一步划分为如下波段：NIR和SWIR也称为反射红外，因为在地球表面反射的太阳辐射中，主要的红外成分为NIR和SWIR。MWIR和LWIR也称为热红外。地面常温下的辐射波长，有热感。FIR多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。

近红外(NIR)：

0.76~1.5μm

短波红外(SWIR)：

1.5~3μm

中波红外(MWIR)：

3~6μm

长波红外(LWIR)：

6~15μm

远红外(FIR)：

15μm～1000μm返回微波

波长范围1mm~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)我国微波通信广泛应用L、S、C、X诸频段目前能发现隐型飞机的雷达是米波雷达和无源相控阵雷达（隐型飞机主要是对L/S波段的雷达有良好的效果，而世界上大多数的相控阵雷达都在这个波段），代表就是捷克的维拉和维拉E。各种电磁波的特点各电磁波的区别与联系不同点： 传播的方向性、 穿透性、 可见性、 颜色不同共性： 传播速度相同遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律都是横波，遵循横波的一切特性1.3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6000K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。接收预处理用户应用处理分析结果、图表输出自然辐射源太阳辐射：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。地球辐射：地球表面和大气电磁辐射的总称。地球辐射是被动遥感中传递地物信息的载体。装载在航天航空平台上的遥感器，接受来自地球辐射携带的地物信息，经过处理形成遥感影像。1.3电磁辐射源人工辐射源：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。1.3电磁辐射源1.4电磁辐射的度量1、辐射能量电磁辐射是具有能量的，它表现在：

•使被辐照的物体温度升高

•改变物体的内部状态

•使带电物体受力而运动

……辐射能量（W）的单位是焦耳（J）在单位时间内通过某一面积的辐射能量称为辐射通量：

Φ=dW/dt辐射通量（Φ）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）注意：辐射通量是波长的函数，总辐射通量应该是各谱段辐射通量之和或其积分值。1.4电磁辐射的度量2、辐射通量Φ3、辐射通量密度E：单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度(W/m²)：辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，记为:

I=dΦ/dS（单位是W/m2,S为面积）辐射出射度(M)：温度为T的辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，记为:M=dΦ/dS（单位也是W/m2，S为面积）辐射通量密度的单位是瓦/米²（W/m²）辐射源辐照度辐射出射度被辐照物辐射体1.4电磁辐射的度量4、辐射强度辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量：

辐射强度（I）=dΦ/dΩ辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）辐射强度点辐射源Ω=S/R²1.4电磁辐射的度量5、辐射亮度L面辐射源，在某一方向，单位投影表面、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度：

辐射亮度（L）的单位是瓦/米²•球面度（W/m²•Sr）通量Φ面辐射源θ立体角ΩA1.4电磁辐射的度量6、朗伯源辐射亮度L与观察角θ无关的辐射源。例如：1）粗糙表面；2）涂有氧化镁的表面—遥感光谱测量标准版；3）太阳；4）真正的朗伯源——绝对黑体1.4电磁辐射的度量光度测量（photometry），由人眼的视觉特性（标准光度观察）评价的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。BACK小结辐射度量一览表辐射量符号定义单位辐射能量E焦耳(J)辐射通量ΦdE/dt瓦(W)辐照度IdΦ/dS瓦/米²(W/m²)辐射出射度MdΦ/dS瓦/米²(W/m²)辐射强度dΦ/dΩ瓦/球面度(W/Sr)辐射亮度L2Φ/SΩ瓦/米²•球面度(W/m²

•Sr)返回目录2黑体辐射2.1黑体辐射2.2黑体辐射定律2.3一般辐射体和发射率2.4基尔霍夫定律能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体

不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。黑体模型

研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。2.1黑体辐射n次反射后出射光线几乎等于0黑体：对任何波长的电磁辐射全部吸收的物体。因此，对任何波长的辐射，反射率和透射率都等于0。吸收系数α（λ，T）=100%

反射系数ρ（λ，T）=0%黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。黑色的烟煤α（λ，T）=99%2.1黑体辐射发射？

黑体辐射特性黑体辐射出射度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。温度愈高，黑体的辐射出射度也愈大，不同温度的曲线是不相交的。绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的4次方成正比。（斯忒藩—玻尔兹曼定律）黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比。随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短波方向。

（维恩位移定律）2.1黑体辐射实际物体的辐射

对于实际物体，都可以看作辐射源。如果物体的吸收本领大，它的发射本领也大，即越接近黑体辐射。实际物体的辐射比黑体辐射弱，而且随波长不同而不同。2.1黑体辐射2.2黑体辐射的定律2.2.1普朗克公式

(Planckequation)2.2.2斯蒂芬－玻尔兹曼定律2.2.3维恩位移定律（StephenBoltzmannLaw）（Wien’sDisplacementLaw）描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。2.2.1普朗克公式h:普朗克常数,6.6260755×10-34W·s2k:玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23W·s·K-1

c:光速;λ:波长（μm）;T:绝对温度（K）

M：为辐射出射度变化特点：(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。普朗克公式图示：波长辐射通量密度返回问题：天然气燃烧时，什么颜色的火焰温度最高？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而迅速增加，与温度的4次方成正比。温度越高，幅射能力就越强。σ:斯蒂芬－玻尔兹曼常数，5.6697＋（－0.00297）×10－12Wcm-2K-4

红外装置测试温度的理论根据。M每条曲线下面所围面积为积分值，即该温度时绝对黑体的总辐射出射度M返回2.2.3维恩位移定律b:常数，2897.8＋－0.4μm·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）在遥感技术上，常用维恩位移定律选择传感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。

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T成反比。返回1、黑体温度越高，其曲线的峰顶越往左移，即往波长短的方向移动，就是位移。2、如果辐射最大值落在可见光波段，物体的颜色会随着温度升高而变化，波长主键变短，颜色由红外红色蓝色紫色（P21表2.2）3、太阳的λmax=0.47µm,T=6150K地球λmax=9.66µm,T=300K问题：这两个波长位于什么波段？太阳和地球在什么波段辐射最强？问题：1、斯蒂芬－玻尔兹曼定律、维恩位移定律如何得到的？2、请解释普朗克公式、斯蒂芬－玻尔兹曼定律、维恩位移定律得到的结果的含义。前二者是否的结果是否是一样的？2.3一般辐射体和发射率对于一般物体而言，需要引入发射率α（即热辐射率ε、比辐射率ε），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。

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：1）黑体：吸收率最大，发射率最大，均为1，反射率为0；2）灰体

:没有显著的选择吸收，吸收率虽小于1，但基本不随波长变化；3）选择性辐射体：选择性地吸收、反射和发射。M＝αM02.4基尔霍夫定律给定温度下，任何地物的辐射通量密度W与吸收率α之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量密度。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，也不发射该波长的电磁波。问题：吸收系数α（0<α

<1）也称做比发射率或者发射率（ε），为什么？对于实际物体，都可以看做辐射源，如果物体的吸收本领大，即α越接近于1，它的发射本领也大，即越接近黑体辐射。返回目录3太阳辐射及大气对太阳辐射的影响太阳是被动遥感最主要的辐射源3.1太阳辐射源3.2大气成分组成3.3大气垂直分层3.4大气对太阳辐射的衰减3.5大气窗口（人类可用的电磁波谱范围）4、遥感图像获取模型

太阳光（SolarLight）或人造雷达电磁波

大气吸收、透射（折射）、散射＋

大气自身辐射到达地面与地物作用，包括反射（散射）、吸收

地物辐射大气吸收、透射（折射）、散射

＋

大气自身辐射

传感器

传感器噪声图像（数字或光学）

地面站接收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太阳辐射源太阳大气

位置

温度

厚度

辐射特点

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1）接近于5800K的黑体辐射。2）短波辐射（太阳辐射总能量的40％集中于0.4－0.76um的可见光范围内，51％在红外部分）3.2大气成分组成永久气体：在大气层中这些气体的浓度几乎是保持恒定不变的。氮(N2)：78.084%氧(O2)：20.948%氩(Ar)：0.934%二氧化碳(CO2)：0.033%其他惰性气体(Ne,He,Kr,Xe)氢(H2)甲烷(CH4)一氧化二氮(N2O)一氧化碳(CO)浓度可变的气体：其浓度可以随空间和时间发生很大的变化。水蒸汽(H2O)臭氧(O3)二氧化硫(SO2)二氧化氮(NO2)氨(NH3)一氧化氮(NO)硫化氢(H2S)硝酸蒸汽(HNO3)固体和液体微粒：如烟雾、水滴和冰晶体，这些粒子可以聚集在一起形成云和霾。3.3大气垂直分层电离层：距地面85km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：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：厚约为10km，其特点为温度随高度的增加而降低，1000m-6.5ºC。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。电磁波在大气中传播时，因大气的吸收和散射作用，使强度减弱，即被大气衰减。因此引起的光线强度的衰减叫做消光。在可见光波段，吸收作用小（仅3%），消光主要是由散射引起的。3.4.1散射作用1、散射的定义：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。2、散射使原传播方向的辐射强度减弱，而增加向其他各方向的辐射。散射并不象吸收那样把辐射能转变为热能，而只是改变辐射方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来。经过散射之后，有一部分太阳辐射就到不了地面。3、散射现象的实质是低成本在传播中遇到大气微粒而产生的一种现象。（衍射？）散射是粒子性的表现还是波动性的表现?4、散射、反射、折射的区别

光在传播过程中，遇到两均匀媒质的分界面时，会产生反射和折射现象。当光在不均匀媒质中传播时，情况就不同了。由于一部分光不能直线前进，就会向四面八方八方散射开来，形成光的散射现象。地球周围由空气形成的大气层，就是这样一种均匀媒质。

3.4.1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和大气中固体、微粒、液体的散射。散射强度随波长减小而逐渐增强散射的种类1瑞利（Rayleigh）散射质点的直径d<<λ(电磁波波长)时，一般认为（d<λ/10）1、由大气中的原子和分子引起，如N2、CO2、O3、O2等2、瑞利散射对可见光的影响较大晴朗的蓝天、朝霞和夕阳呈偏橙黄色3、维恩定律是揭示黑体辐射谱中最强的单色成分与温度之间的对应关系，而不是说多色光引起的色觉由最强的单色成分决定。4、瑞利散射是造成遥感图像辐射畸变、图像模糊的主要原因。它降低了图像的“清晰度”或“对比度”。对于彩色图像则使其带蓝灰色。摄像机等遥感仪器多利用特制滤光片，阻止蓝紫光透过。

I:散射强度λ：波长科学家的研究表明，大气对不同色光的散射作用不是“机会均等”的，波长短的光受到的散射最厉害。当太阳光受到大气分子散射时，波长较短的蓝光被散射得多一些。蓝天：由于天空中布满了被散射的蓝光，地面上的人就看到天空呈现出蔚蓝色。空气越是纯净、干燥，这种蔚蓝色就越深、越艳。如果天空十分纯净，没有大气和其它微粒的散射作用，我们将看不到这种璀璨的蓝色。比如在2万米以上的高空，空气气体分子特别稀薄，散射作用已完全消失，天空也会变得暗淡。

日出和日落：旭日的初升或日落西山时，直接从太阳射来的光所穿过的大气层厚度比正午时直接由太阳射来的光所穿过的大气层厚度要厚得多。太阳光在大气层中传播的距离越长，被散射掉的短波长的蓝光就越多，长波长的红光的比例也显著增多。最后到达地面的太阳光，它的红色成分也相对增加，因此，才会出现满天红霞和血红夕阳。实际上，发光的太阳表面的颜色却始终没有变化。由此可见，蓝天、红日是地球周围大气层对阳光进行散射而形成的。天空颜色质点直径和电磁波波长差不多时（dλ）1、大气中的微粒引起，如烟、灰尘、小水珠、气溶胶、云、雾、花粉、微生物、海上盐粒、火山灰等。

粒子會均勻的散射各種光譜，而造成白色。烟、云、雾等的悬浮粒子的直径和0.76－15um之间的红外线波长差不多，需要注意,云雾天气对红外遥感的影响比较大，产生的红外像片的效果也就很差。2、米氏散射比瑞利散射影响的波长更长，可见光及以外的广大范围3、散射在光线向前方向比向后方向更强，方向性比较明显I1米氏散射3非选择性散射当质点直径远远大于电磁波波长时（d>>λ）,散射率与波长没有关系1、大气中的云、雾、水滴、尘埃的散射属于此类。2、对可见光中各个波长的光散射强度相同。3、人看到的云和雾是白色的，就是非选择性散射的结果？为什么？4、有时为了区别有选择性的散射和没有选择性的散射，将前者称为散射，后者称为漫射。

I瑞利散射与米氏散射小结：1、在大气状况下，会同时出现各种类型的散射2、对于大气分子、原子引起的瑞利散射，主要发生在可见光和近红外波段。3、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，当波长进入红外波段后，米氏散射影响超过瑞利散射。4、大气云层中，小雨滴的直径相对其他微粒最大，对可见光只有无选择性散射发生，云层越厚，散射越强；对微波来说，微波波长比粒子的直径大得多，则又属于瑞利散射的类型，散射强度与波长四次方成反比，波长越长散射强度越小，所以微波才可能有最小散射，最大透射，具有穿云透雾的能力。大气散射降低了太阳光直射的强度，改变了太阳辐射的方向，削弱了达到地面或地面向外的辐射，产生了漫反射的调控散射光（又叫天空广或天空辐射），增强了地面的辐照和大气层本身的“亮度”。散射使得地面阴影呈现暗灰色而不是黑色，设我们可能从阴影处得到物体的部分信息。3.4.2吸收作用大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧。1）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

主要在红外区。1.35－2.85μm之间有3个弱吸收带，2.7，4.3，14.5μm为强吸收带。3）臭氧紫外线4）其它吸收电磁波的物质氧气主要吸收波长小于0.2μm的，尘埃吸收作用很少。3.4.3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： 大气吸收15％，散射和反射42％，其余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3.5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。对于可见光波段而言，在大气窗口内的辐射衰弱主要是由散射引起的，其吸收的能量仅占衰减能量的3%；单对更长的波段，大气的主要影响是吸收，而不是散射；至于红·热红外波段，大气自身的发射也是大气效应中重要的部分。常用大气窗口1）0.3－1.3μm：包括全部可见光（95％），部分紫外光（70％），部分近红外光（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TMBand1～4。2）1.5－1.8μm和2.0－3.5μm：近、中红外波段。是白天日照条件好时扫描成像的常用波段，如TMBand5，7，用以探测植物含水量以及云、雪，或地质制图等。3）3.5－5.5μm：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3.55～3.93μm探测海面温度，获得昼夜云图。4）8－14μm：远红外窗口，主要来自地物热辐射的能量，适于夜间成像。5）1.4－300mm：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。返回目录

太阳辐射主要集中在可见光到近红外区段，当太阳辐射到达地表后，就短波而言，地表反射太阳辐射成为地表的主要辐射来源，而来自地球自身的辐射几乎可以忽略不计。地球自身的辐射主要集中在长波，即6μm以上的热红外区段，该区段太阳辐射的影响几乎可以忽略不计，因此只需考虑地表物体自身的热辐射。4地球辐射与地物波谱4.1太阳辐射与地表的相互作用

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。

太阳电磁辐射：太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中在0.3～2.5微米波段之间，即可见光到近红外波段区。地球自身热辐射：地球近似300K的黑体辐射，能量集中在6.0微米以上的波段，即红外、微波波段。波段名称可见光与近红外中红外远红外波长0.3～2.5μm2.5～6μm＞6μm辐射特性地表反射太阳辐射为主地表反射太阳辐射和自身热辐射地表物体自身热辐射为主地球辐射的分段特性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热红外波段遥感图像:夜间成像，全球热分布图像概念：

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：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。4.2地物波谱特征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反射和吸收红外波段中地物波谱特性表现为地物热辐射微波波段中主动遥感：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。热红外遥感

白天，水体相比于陆地的热容量较大，热辐射较小，所以呈现暗色调；晚上，水体的热辐射较大，所以呈亮色调。白天成像夜间成像地物波谱：4.2.1地物的发射波谱4.2.2地物的透射波谱4.2.3地物的反射波谱4.2.4遥感器接收到的电磁辐射4.3地物的发射波谱（地表自身热辐射）红外波段地物波谱特性M＝εM0M为实际物体辐射出射度；M0为黑体辐射出射度ε为物体的比辐射率或发射率M（λ，T）＝ε（λ，T

）M0

（λ，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P36图2.22）。特别是曲线形态特殊时可以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。4.4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。透射率(τλ)：入射光透过物体的能量与入射总能量之比。举例：

1）水体在蓝绿波段，混水1-2米，一般水体10-20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。4.5地物的反射光谱

（可见光近红外波段地物波谱特性）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除水体、植被等物体，多数地物透射率几乎为0，可以忽略不计。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。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ρ来表示；反射率定义：地面物体反射的能量占入射总能量的百分比；地物反射率ρ计算公式为：4.3.1地物反射率4.3.2物体反射分类判断物体光滑或粗糙程度的瑞利准则：根据物体表面的粗糙程度，反射分为：1）镜面反射2）漫反射（朗伯反射）3）有向反射4）混合反射反射分类图示(a)镜面反射(b)漫反射（朗伯反射）(c)有向反射(d)混合反射1)镜面反射当目标物的表面粗糙高度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。2)朗伯反射朗伯定律：反射辐射亮度（单位面积单位立体角内的辐射通量）和观察方向与表面法线夹角的余弦成正比。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2π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。只有黑体才是真正的朗伯体。3)有向反射一部分镜面反射，一部分朗伯反射。有向反射比较复杂，反射率是入射角、反射角、入射方位角、反射方位角的函数。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。4)混合反射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切关联。辐射亮度既与辐射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。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。

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。4.3.3地物的反射波谱曲线表示方法：一般采用二维几何空间内的曲线表示，横坐标表示波长λ，纵坐标表示反射率ρ。4.3.4常见地物的反射波谱特征曲线

植被水体土壤岩石植被在可见光波段的波谱特征

可见光波段：在0.45微米附近区间（蓝色波段）有一个吸收谷，在0.55微米附近区间（绿色波段）有一个反射峰，在0.67微米附近区间（红色波段）有一个吸收谷；植物通常为绿色植被在近、中红外波段波谱特征近红外波段：从0.76μm处反射率迅速增大，形成一个爬升的“陡坡”，至1.1μm附近有一峰值，反射率最大可达50％，形成植被的独有特征。中红外波段：1.5～1.9μm光谱区反射率增大，在1.45μm，1.95μm和2.7μm为中心的附近区间受到绿色植物含水量的影响，是水的吸收带，反射率下降，形成低谷。植被的波谱特征曲线影响植被波谱特征的主要因素植物类型植被生长季节病虫害影响植被波谱特征大同小异，根据这些差异可以区分植被种类、生长状态等。不同植被类型的波谱反射率不同健康状态松树的反射光谱曲线土壤波谱特征自然状态下土壤表面反射曲线呈比较平滑的特征，没有明显的反射峰和吸收谷。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。三种不同类型土壤在干燥环境下的反射光谱曲线含水量对土壤反射光谱曲线的影响

土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带（1.4，1.9和2.7微米处附近区间），反射率的下降尤为明显。粉砂土壤不同含水量情况下的光谱反射率曲线图纯净水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段，可见光其他波段反射很低；近红外和中红外波段纯净的自然水体的反射率很低，几乎趋近于零。如图水体的波谱特征水中含有泥沙，可见光波段反射率会增加，峰值出现在黄红区（0.56～0.76μm）,如图；水中含有水生植物叶绿素时近红外波段反射明显抬高，如图。水中其他物质对波谱特征的影响清水和混水的波谱叶绿素不同含量时水体的波谱曲线

岩石反射波谱主要由矿物成分、矿物含量、风化程度、含水状况、颗粒大小、表面光滑程度、色泽和物质结构等决定。岩石的波谱特征

物体波谱曲线的形态，反映出该地物类型在不同波段的反射率，通过测量该地物在不同波段的反射率，并以此与遥感传感器获得的数据相对照，可以识别遥感影像中同类地物。地物波谱曲线的作用光谱库绝大部分地物的波谱值具有一定的变幅，它们的波谱特征不是一条曲线，而是具有一定宽度的曲带。地物存在着“同物异谱”与“异物同谱”的现象。应用地物波谱特征需要注意的问题3.4地物反射波谱测量(一）地物反射波谱测量理论双向反射比因子R（BRF）：在给定的立体角方向上，在一定的辐射照度和观测条件下，目标的反射辐射通量与处于同一辐射照度和观测条件的标准参考面的反射辐射通量之比。（二）