第二章-遥感的物理基础简

第一节电磁波谱与电磁辐射

(1)电磁波与电磁波谱(2)电磁辐射的度量(3)黑体辐射

（1）电磁波与电磁波谱电磁波交互变更的电磁场在空间的传播。描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅、位相等。电磁波的特性电磁波是横波，传播速度为3×108m/s，不须要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸取、透射、散射等，并遵循同一规律。

电磁波谱

按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。

依次为：

γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。

（1）电磁波与电磁波谱目前遥感技术中通常接受的电磁波位于可见光、红外和微波波谱区间。由于它们的波长或频率不同，不同电磁波又表现出各自的特性和特点。可见光、红外和微波遥感，就是利用不同电磁波的特性。电磁波与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的主要内容。电磁波谱紫外线：波长范围为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：波长范围：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，依据性质分为近红外、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。遥感应用的电磁波波谱段BACK近红外：0.76～3.0µm，与可见光相像。中红外：3.0～6.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。远红外：6.0～15.0µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。超远红外：15.0～1000µm，多被大气吸取，遥感探测器一般无法探测。红外线的划分（2）电磁辐射的度量1、辐射测量（radiometry），以伽玛射线到电磁波的整个波段范围为对象的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。2、光度测量（photometry），由人眼的视觉特性（标准光度视察）评价的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。BACK（3）黑体辐射确定黑体假如一个物体在任何温度下对任何波长的电磁辐射全部吸取（即吸取系数恒等于1），则这个物体称为确定黑体。黑体辐射特性（1）黑体辐射出射度随波长连续变更，每条曲线只有一个最大值。（2）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。确定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）（3）黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体确定温度成反比。（维恩位移定律）。随着温度的上升，辐射最大值所对应的波长移向短波方向。

实际物体的辐射对于实际物体，都可以看作辐射源。假如物体的吸取本事大，它的放射本事也大，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。

BACK其次节太阳辐射及大气对辐射的影响(1)太阳辐射(2)大气作用大气的层次与成分大气吸取大气散射大气窗口大气透射的定量分析接收预处理用户应用处理分析结果、图表输出太阳辐射：太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所示。从太阳光谱曲线可以看出(…)：太阳常数：不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳辐射方向，单位面积单位时间黑体所接受的太阳辐射能量。（1.360×103W/m2）

太阳辐射太阳光谱相当于6000K的黑体辐射；太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38～0.76µm的可见光能量占太阳辐射总能量的46%，最大辐射强度位于波长0.47µm左右；到达地面的太阳辐射主要集中在0.3～3.0µm波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；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。

BACK大气物理状况的物理量一般有气压，大气温度和大气湿度它们在垂直方向上的变更远远大于水平方向上的梯度，所以在大气效应订正中大量假定大气具有水平均一，垂直分层结构。气压随高度是以负指数形式递减。大气层次与成分

大气层次大气厚度约为1000km,从地面到大气上界，可垂直分为4层：对流层：高度在7～12km,温度随高度而降低，空气明显垂直对流，天气变更频繁，航空遥感主要在该层内。上界随纬度和季节而变更。平流层：高度在12～50km，没有对流和天气现象。底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上为暖层，温度由于臭氧层对紫外线的强吸取而渐渐上升。电离层：高度在50～1000km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是透亮的，是陆地卫星活动空间。大气外层：800～35000km,空气极淡薄，对卫星基本上没有影响。O3臭氧主要分布在10～50km的平流层大气中，极大值出现在20～25km处，对流层中的臭氧含量不到特别之一。臭氧的总含量具有明显的地域分布特征及季节变更，在赤道上空臭氧含量最少，在高纬度地区60°～70°区域内达到极大值。70年头，近极地上空臭氧层厚度是很大的，但随着时间发展，臭氧层厚度渐渐在减小，目前在南极上空已形成臭氧空洞。

大气是由多种气体及气溶胶所组成的混合物。气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3气溶胶

大气的成分可分为常定成分（N2，O2，CO2等）与可变成分两个部分（水汽，气溶胶）。

大气成分BACK大气对辐射的吸取大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围内（<0.2um的电磁波几乎被氮气或氧气吸取）。大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3um的电磁波具有极强的吸取实力，所以到达地面的太阳短波辐射中，已不存在小于0.3um的短波辐射。真正对电磁波传播起重要吸取作用的是一些特别少量的气体，其中作用最为显著的有臭氧，二氧化碳，甲烷和水汽（28页图）。

BACK

大气散射散射的概念：电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来的传播方向的一种现象。不同于吸取作用，只变更传播方向，不能转变为内能。大气的散射是太阳辐射衰减的主要缘由。对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。散射主要发生在可见光区。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>>λ

瑞利散射：由于气体分子的尺度远小于光波的波长时发生的散射，属小颗粒散射。小颗粒散射的特征：（1）散射光强度与波长4次方成反比，由此可以说明天空为什么呈蓝色。（2）假如入射光的为自然光，散射光的相函数为（1＋cos2Q)。（3）当Q取0或180°时，散射光的偏振度为0。（4）当Q取90°时，散射光的偏振度为1（线偏振），其它角度为部分偏振光。

米氏散射：大气中的气溶胶颗粒，云滴，雨云滴等的直径与入射光的波长可以比拟或大于入射光的波长时发生的散射。米氏散射的特征：（1）电磁波可以穿透介质表面而深化到散射颗粒的内部。（2）由于颗粒尺度与波长可以比拟，所以颗粒的不同部位往往处在不同的电场强度下，导致诱发电流的产生，一方面这高度电流会产生高变的磁场，另一方面电流的存在意味着焦耳热损耗的出现——电磁波的吸取。

无选择散射：大气粒子的直径比波长大得多时发生的散射，散射强度与波长无关，在符合无选择散射的条件的波段中，任何波长的散射强度相同。

大气散射的特点群体散射强度是个体散射强度的线性和。大气散射系数与高度的关系：—大气散射系数由分子散射和气溶胶散射两部分组成。—气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减。—就平均状况而言，4km以下的气溶胶米氏散射占优势，4km以上的分子散射占相对优势。分子散射与气溶胶散射光强之比随角度和能见度的变更规律。

BACK大气窗口折射现象：电磁波传过大气层时出现传播方向的变更，大气密度越大，折射率越大。反射现象：电磁波在传播过程中，通过两种介质的交界面时会出现反射现象，反射现象出要出现在云顶（云造成的噪声）。

大气窗口太阳辐射经过大气传输时，反射，吸取和散射共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。由于大气层的反射、散射和吸取作用，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。电磁波通过大气层时较少被反射，吸取和散射的，透射率较高的波段称为大气窗口。（对地遥感要用的部分）

大气窗口主要光谱波段BACK在可见光和近红外波段，太阳辐射30％被云或其它粒子反射，22％被散射，17％被吸取，到达地面能量31％。

大气透射的定量分析光学厚度

光学厚度：沿某一路径长度的总衰减系数，波长的函数（无因次量）。

大气的总光学厚度：在某一垂直路径上，从大气顶层到地表的总衰减系数。

透过率——通过大气后的辐照度与通过大气前的辐照度之比。

太阳辐射透过大气并被地表反射（有用的）；太阳辐射被大气散射后被地表反射（订正后有用）；太阳辐射被大气散射后干脆进入传感器；太阳辐射透过大气被地物反射后又被地表放射进入传感器；被视场以外地物反射后进入视场的交叉辐射项。

太阳光在地—气系统的吸取、散射过程BACK

第三节地球的辐射与地物波谱

(1)地球的辐射源(2)地球辐射的特性（分段特性）(3)地物波谱的特征（反射波谱特征）(4)地物波谱特性的测量(5)微波辐射与雷达遥感

地球的辐射源地球辐射地球辐射：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。

被动遥感的辐射源太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中在0.3～2.5um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6.0um以上的波段。（热红外）

BACK在0.3～2.5um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视。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2.5～6.0um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6.0um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视。（热红外成像）

地球辐射的特性地球辐射的分段特性了解地球辐射的分段特性的意义可见光和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的信息。热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐射特性。

BACK地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长变更而变更的规律，称为地表物体波谱，简称地物波谱。地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表现。地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波响应的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的基础。

地物波谱的特性地物波谱不同电磁波段中地物波谱特性可见光和近红外波段：主要表现地物反射作用和地物的吸取作用。（树叶青翠欲滴、水下温度）热红外波段：主要表现地物热辐射作用。（热红外灵敏遥感器夜间成像河流为亮色条带，但热红外白天成像河流为暗色条带）微波波段：主动遥感利用地物后向散射；被动遥感利用地物微波辐射。

可见光和近红外波段地物波谱特征——地物反射波谱特征太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸取，一部分透射，即：到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸取能量＋透射能量。一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射实力，而有些物体如水，对确定波长的电磁波则透射实力较强，特殊是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。

地物反射地物的反射：太阳光通过大气层照射到地球表面，地物会发生放射作用，反射后的短波辐射一部分为遥感器所接收。反射率（ρ）：地物的反射能量与入射总能量的比，即ρ=(Pρ/P0)×100%。表征物体对电磁波谱的反射实力。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，可以推断地物的属性。反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。地物反射率地物的反射类型：依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（1）镜面反射：发生在光滑物体表面的一种反射。物体的反射满足反射定律，反射波和入射波在同一平面内，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探测到电磁波。例子：水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个缘由造成的。物体表面性质对反射的影响（2）漫反射：发生在特别粗糙的表面上的一种反射现象。不论入射方向如何，其反射出来的能量在各个方向是一样的。即当入射辐照度I确定时，从任何角度视察反射面，其反射辐照亮度是一个常数，这种反射面又叫朗伯面。（3）实际物体反射：介于镜面和朗伯面（漫反射）之间的一种反射。自然界种绝大多数地物的反射都属于这种类型的反射，又叫非朗伯面反射。对太阳短波辐射的反射具有各向异性，即实际物风光 在有入射波时各个方向都有反射能量，但大小不同。

遥感图像上记录的辐射亮度，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和天顶角有关。由于镜面反射会造成太阳光干脆进入遥感器，在成像时间选择上，应避开中午成像，防止形成镜面反射。否则水体会形成特别亮的耀斑，四周地物的反射信息有受到干扰和减弱。了解物体表面性质对反射影响的意义地物反射波谱：是探讨可见光至近红外波段上地物反射率随波长的变更规律。表示方法：一般接受二维几何空间内的曲线表示，横坐标表示波长，纵坐标表示反射率。地物反射波谱植被土壤水体岩石常见的几种地物类型波谱特征植被的波谱特征在0.45um旁边（蓝色波段）有一个吸取谷；在0.55um旁边（绿色波段）有一个反射峰；在0.67um旁边（红色波段）有一个吸取谷。从0.76um处反射率快速增大，形成一个爬升的“陡坡”,至1.1um旁边有一个峰值，反射率最大可达50％，形成植被的独有特征。在可见光波段在近红外波段1.5～1.9um光谱区反射率增大；以1.45um，1.95um，2.70um为中心是水的吸取带，其旁边区间受到绿色植物含水量的影响，反射率下降，形成低谷。植物的光谱曲线影响植被波谱特征的主要因素植物类型植物生长季节病虫害影响等植被波谱特征大同小异，依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比较Tobecontinued…土壤的波谱特征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取谷。在干燥条件下，土壤的波谱特征主要与成土矿物（原生矿物和此生矿物）和土壤有机质有关。土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸取带（1.4um、1.9um、2.7um处旁边区间），反射率的下降尤为明显。三种不同类型土壤在干燥环境下的光谱曲线水体的波谱特征纯净水体的反射主要在可见光中的蓝绿光波段，在可见光其它波段的反射率很低。近红外和中红外纯净的自然水体的反射率很低，几乎趋近于0。水中其它物质对波谱特征的影响水中含有泥沙，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。叶绿素含量不同时水体的光谱曲线岩石矿物的光谱曲线岩石的反射波谱主要由矿物成分、矿物含量、物质结构等确定。影响岩石矿物波谱曲线的因素包括岩石风化程度、岩石含水状况、矿物颗粒大小、岩石表面光滑程度、岩石色泽等。岩石的光谱曲线地物波谱曲线的作用物体波谱曲线形态，反映出该地物类型在不同波段的反射率，通过测量该地物类型在不同波段的反射率，并以此与遥感传感器所获得的数据相比照，可以识别遥感影像中的同类地物。应用地物波谱特征须要留意的问题绝大部分地物的波谱值具有确定的变幅，它们的波谱特征不是一条曲线，而是具有确定宽度的曲带。地物存在“同物异谱”和“异物同谱”现象。“同物异谱”是指两个类型的个体地物，在某个波段上波谱特征不同；“异物同谱”是指不同类型的地