西北农林遥感原理与方法讲义

PAGE1遥感原理与方法讲义第1章绪论遥感技术是近年来蓬勃发展起来的一门综合性学科——空间信息科学。它的功能和价值引起了许多学科和部门的重视，特别在资源勘测、环境管理、全球变化、动态监测等方面，显示了无与伦比的优越性，获得愈来愈广泛的应用，是地球科学和资源环境学科开展研究的基本方法，成为信息科学的主要组成部分和重要支撑技术体系。§1.1遥感的基本概念1.1.1遥感概述1遥感概念遥感的英文是“RemoteSensing”，意即“遥远的感知”，在日本叫“远隔探知”或“远隔探查”。其科学含义一般理解为：在遥远的地方，感测目标物的“信息”，通过对信息的分析研究，确定目标物的属性及目标物之间的关系。也就是说：不与目标物接触，凭借其发来的某些信息，识别目标。所以有人将遥感技术作为一种侦察技术。根据遥感的这一概念，人和动物都具有一定的遥感本领。例如人的眼睛识别物体的过程就是一种遥感过程，它是靠物体的色调、亮度、以及物体的形状，大小等信息，来判定物体的属性。蝙蝠能发射超声波，并用接收到的回波来判断障碍物的距离、方位和属性。现代遥感技术就是模仿自然界中的遥感现象和过程而产生的。目前，对遥感的较一致定义是：在远离被测物体或现象的位置上，使用一定的仪器设备，接收、记录物体或现象反射或发射的电磁波信息，经过对信息的传输、加工处理及分析与解译，对物体及现象的性质及其变化进行探测和识别的理论与技术。2遥感基本过程目标目标物平传感器台人工辐射源接收记录系统地面站数据处理系统分人工目视解译析解译计算机解译反射辐射发射辐射回射辐射人工辐射图1-1遥感过程与技术系统1.1.2遥感技术系统现代遥感技术一般由四部分组成：遥感平台、传感器、遥感数据接收与处理系统、遥感资料分析解译系统，其中遥感平台、传感器和数据接收与处理系统是决定遥感技术应用成败的三个主要技术因素，遥感分析应用工作者必须对它们有所了解和掌握。1遥感平台(Platform,Cassies)在遥感中搭载遥感仪器的工具称为平台或载体，它既是遥感仪器赖以工作的场所，又是遥感中“遥”字的具体表现。平台的运行特征及其姿态稳定状况直接影响遥感仪器的性能和遥感资料的质量。目前遥感平台主要有汽车、飞机、火箭和卫星等。2传感器(RemoteSensor)在遥感中，收集、记录和传送遥感信息的装置称为传感器，它是遥感的核心，“感”字的体现。目前应用的传感器主要有：摄影机、摄像仪、扫描仪、雷达、光谱辐射计、高度计等。平台和传感器代表着遥感技术的水平。3遥感数据接收处理系统为了接收从遥感平台传送来的图像胶片和数字磁带数据，必须建立地面接收站。地面接收站是由地面数据接收和记录系统(TRRS)，图像数据处理系统(IDPS)两个部分所组成的，地面数据接收和记录系统的大型抛物天线，能够接收遥感平台发回的数据，这些数据是以电信号的形式传来的，经检波后，被记录在视频磁带上。然后把这些视频磁带，数据磁带或其它形式的图像资料等，送往图像数据处理机构。图像处理机构的任务是将数据接收和记录系统记录在磁带上的视频图像信息和数据，进行加工处理和贮存。最后根据用户的要求，制成一定规格的图像胶片和数据产品，作为商品提供给用户。4分析解译系统用户得到的遥感资料，是经过预处理的图像胶片或数据，然后再根据各自的应用目的，对这些资料进行分析、研究、判断解释，从中提取有用信息，并将其翻译成为我们所用的文字资料或图件，这一工作称为“解译”。目前，解译已经形成一套技术系统。①常规目视解译技术所谓常规目视解译是指人们用手持放大镜或立体镜等简单工具，凭借解译人员的经验，来识别目标物的性质和变化规律的方法。由于目视解释不需要特殊仪器，简单方便，在野外和室内都可进行。既能获得一定的效果，还可验证仪器方法的准确程度，所以它是一种最基本的解译方法。但是，目视解译既受解译人员专业水平和经验的影响，也受眼睛视觉功能的限制，并且速度慢，不够精确。②电子计算机解译技术电子计算机解译是20世纪末发展起来的一种解译方法，它利用电子计算机对遥感影像数据进行分析处理，提取有用信息，进而对待判目标实行自动识别和分类。该技术既快速准确，又能直接得到解译结果，是遥感分析解译的发展方向。1.1.3遥感的分类自从遥感问世以来，由于其应用领域广，涉及学科多，各界学者所站的立场不同，所以对遥感的提法很不统一，诸如航空与航天遥感，主动与被动遥感，红外与多光谱遥感，农业、地质遥感等。追其原因主要是各人对遥感分类所持根据不同。1根据遥感平台的分类遥感技术根据所使用的平台不同，可分为四种：①地面遥感平台与地面接触，对地面、地下或水下所进行的遥感和测试，常用平台为汽车、船舰、三角架、塔等。地面遥感是遥感的基础。②航空遥感平台为飞机或气球，是从空中对地面目标的遥感。它的特点是灵活性大，图像清晰，分辨力高，并且历史悠久，形成了较完整的理论和应用体系。它还可进行各种遥感试验和校正工作。③航天遥感以卫星、火箭和航天飞机为平台，从外层空间对地球目标物所进行的遥感。它是七十年代发展起来的一种现代遥感技术。其特点是数百公里的高度上，对大范围地区成像，系统收集地表及其周围环境的各种信息，便于宏观地研究各种自然现象和规律；能对同一地区周期性地重复成像，发现和掌握自然界的动态变化和运动规律；能迅速地获得所覆盖地区的各种自然现象的最新资料；不受沙漠、冰雪、高山、海洋和国界等现象和条件的限制，对任何地区都能成像。④航宇遥感利用人造行星，对地球以外的星球所进行的遥感，目前刚刚开始试验。2根据电磁波谱的分类根据传感器所接收的电磁波谱，遥感技术可分为五种：①可见光遥感只收集与记录目标物反射的可见光辐射能量，所用传感器有摄影机、扫描仪、摄像仪等。②红外遥感收集与记录目标物发射或反射的红外辐射能量，所用传感器有摄影机、扫描仪等。③微波遥感收集与高录目标物发射或反射的微波能量，所用传感器有微波扫描仪，微波辐射计、雷达、高度计等。④多光谱遥感把目标物辐射来的电磁辐射分割成若干个窄的光谱带，然后同步探测，同时得到一个目标物不同波段的多幅图像。现在使用的多光谱遥感传感器有多光谱摄影机、多光谱扫描仪和反束光导管摄像仪等。⑤紫外遥感收集与记录目标物的紫外辐射能，目前还在探索阶段。3根据电磁辐射能源的分类根据传感器所接收的能量来源，可把遥感技术分为主动和被动遥感两种：①被动遥感指不利用人工辐射源，而是直接接收与记录目标物反射的太阳辐射或者目标物本身发射的热辐射遥感。其中目标物反射的电磁波来源不在目标物本身，而是太阳，所以也有人将这种遥感方式称他动遥感。②主动遥感是指使用人工辐射源从平台上先向目标发射电磁辐射，然后接收和记录目标物反射或散射回来的电磁波的遥感。如雷达、闪光摄影等属此。另有人主张不管主动还是被动式，只要不和待测物体接触都属遥感，而与待测物体接触，测得的结果经通信系统传递到远处为人们所知的则称遥测；也有人认为多数遥感属被动式，可将其简称为遥感，而把主动遥感称为遥测。4根据应用目的的分类根据用户的具体应用情况，可将遥感分为地质遥感、农业遥感、林业遥感、水利遥感、环境遥感等。5根据遥感资料的显示形式，获得方式和波长范围的分类根据遥感资料的显示形式，获得方式和波长范围等综合指标，遥感技术可分成以下类型体系：图像方式遥感和非图像方式遥感。图像方式遥感宽波段摄影雷达固体自扫描图像方式遥感宽波段摄影雷达固体自扫描光机扫描电子扫描光学摄影主动式遥感被动式遥感多光谱摄影窄波段摄影宽波段摄像多光谱摄像窄波段摄像宽波段扫描多光谱扫描窄波段扫描微波雷达激光雷达宽波段电荷耦合摄像多光谱电荷耦合摄像窄波段电荷耦合摄像图1-2图像方式遥感分类②非图像方式遥感非图像方式遥感是记录目标物发射或反射的电磁辐射的各种物理参数，最后资料为数据或曲线图，主要包括以下方式：光谱辐射计、散射计、高度计等。§1.2遥感技术的形成与发展1.2.1遥感发展历史任何一门科学和技术，在其整个形成与发展过程中，总是和时代的发展和要求相一致，不可能超越时代，遥感技术当然也不例外。它的形成是与空间科学、传感技术、信息科学、宇航技术、通讯技术以及电子计算机技术的发展相联系，与军事侦察、环境监测、资源开发利用和全球变化的需要相适应的。20世纪50年代以来，随着科学技术的发展，在普通照相机和飞机的基础上，一些新的信息探测系统相继出现。人类观测电磁辐射的能力从可见光扩展到了紫外、红外、微波等，对目标物信息的收集方式从摄影到非摄影；资料由像片到数据(非图像)；平台由汽车、飞机发展到了卫星、火箭；应用研究从军事、测绘领域扩展到了农、林、水、气象、地质、地理、环境和工程等部门。这就需要引进一个新的术语，以便概括这种信息探测系统及其过程。1960年美国学者伊林·Ｌ·布鲁伊特(Evelyn.L.Pruitt)提出“遥感”这一科学术语，1962年在美国密执安大学召开的《国际环境科学遥感讨论会》上，这一名词被正式通过，从此就标志着遥感这门新学科的形成。但是，在遥感一词出现以前，就已产生了遥感技术。发展至今，大体经历了三个阶段：常规航空摄影阶段、航空遥感阶段和航天遥感阶段。1常规航空摄影阶段(20世纪30年代以前)根据遥感的概念，1826年摄影技术的发明就标志着遥感技术的诞生。但在1839年以前主要是进行地面摄影。1858年法国人Ｇ·Ｆ·图纳乔（Tournachon）用系留气球摄取了巴黎的“鸟瞰”像片，1859年Ｊ.Ｗ.布莱克(Black)乘气球在空中拍摄了波士顿的像片。此时所用的平台为气球、风筝、鸽子等，影像质量也较差。1903年W·莱特(Wright)和O·莱特(Wright)发明了飞机，为航空摄影创造了条件，1903年4月24日意大利人威尔伯·赖特驾驶的飞机拍摄了第一张航空像片，1913年根据摄影像片制作了地形图并研制出了立体制图仪，1915年开始生产航摄相机。20世纪20年代以来许多摄影测量仪器相继出现，如蔡斯的精密立体测图仪、多倍仪，1924年产生了彩色胶片，航空摄影正式问世。初期，航空摄影主要用于摄影测量和军事，后来资料应用逐渐向民用部门发展，像片判读技术开始出现并得到迅速的发展，关于摄影测量和判读技术方面的书刊也陆续出版。2航空遥感阶段(20世纪30年代－60年代)20世纪30年代起，航空像片除用于军事外，被广泛应用于地学领域中，以认识地理环境和编制各种专题地图。1930年美国开始进行全国航测，编制中小比例尺地形图和为农业服务的大比例尺专题地图。其后，西欧、苏联等也开始了全国性的航测，与此相应的航测理论和技术都有了迅速发展。1931年出现了感红外的航摄胶片，首次获得了目标物的不可见信息，1937年进行了首次彩色航摄，生产出假彩色红外胶片，并探索进行多光谱和紫外航空摄影。第二次世界大战期间开始应用雷达和红外探测技术，到了50年代，非摄影成像的扫描技术和侧视雷达技术开始产生并应用，打破了用胶片所能响应的波段范围限制，使遥感技术发展到了航空遥感阶段。随着探测技术的进步，培养专业人员和进行理论研究的工作也得到了相应的发展。1941年A·J·厄德莱（Eardey）的《航空像片：应用与判读》，J·W·巴格莱（Bagley）的《航空摄影与航空测量》等著作出版；美国于1949年在大学中开始开设航摄和像片判读课程，1949年国际地理学会设立了航片应用委员会，1945年美国就创刊出版了《摄影测量工程学》杂志，1975年改名为《摄影测量工程和遥感》。自从航空遥感问世以来，在国民经济的各个领域，尤其是环境科学、地质学、地理学、农学、林学以及军事侦察方面的应用，取得了很大的成绩，成为对自然资源考察和研究的一个重要手段和基本工具。但是，航空遥感在探测距离上不是很远，传感器覆盖的面积小，取得资料速度慢且数量少，这就促使遥感技术向前发展。3航天遥感阶段(20世纪60年代以来)随着空间技术的发展，1957年苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，从此，遥感平台从飞机发展到了卫星和飞船。20世纪60年代初，美国从“云雨”(Nimbus)、“泰罗斯”(Tiros)等气象卫星和双子星座(Glimni)、阿波罗(Apllo)飞船上，拍摄了地面像片。后来发射了陆地卫星、气象卫星、海洋卫星等。同时，在传感器方面，继红外片后，多光谱相机，多波段扫描仪，微波辐射计，合成孔径侧视雷达，电视摄象仪等新型传感器陆续问世，使得遥感技术由航空遥感发展到了航天遥感阶段。在获得遥感资料的技术迅速发展的同时，遥感资料的分辨率和精度也不断提高，遥感图像的分析解译与资料处理技术也取得了飞跃的进步，遥感理论的研究获得了重大成就，培养遥感专业人材的工作也得到了迅速发展，资料被广泛地应用于各个领域，并取得了显著成就，国际交流也日益增多。1.2.2中国遥感技术发展概况20世纪30年代，我国在极少数城市进行过航空摄影，系统的遥感技术发展起始于20世纪50年代初期，主要是引进常规航空摄影技术，进行了大面积航空摄影，并开始航测成图和航空像片的综合利用(主要是进行自然资源勘测)，到了60年代航空摄影与航空像片的应用已形成了一套完整的体系。70年代以来，随着国际遥感技术的飞速发展，我国开始引进和研究现代遥感技术，一方面是从国外购进一批陆地卫星影像和少量仪器设备，开展图像的解译应用工作；另一方面积极开展我国自己的遥感研究工作，多次发射和回收地球卫星，开展不同自然地理区域的航空遥感试验和地物波谱测试工作，研制成功了多光谱相机、多光谱扫描仪、红外扫描仪、微波辐射计、激光测高仪、合成孔径侧视雷达等各种类型的传感器、彩色合成仪和密度分割仪，数字图像处理系统也研制成功；并建立了地面接收站和发射了资源卫星(科学探测与技术试验卫星、气象卫星、地球资源卫星等)。在遥感理论研究和人材培养上，中国科学院、高等院校和一些应用部门陆续成立了遥感研究、教育机构，从事理论研究和应用工作，设置了专门培养遥感技术人才的遥感专业和学科，许多专业开设了遥感课程，国家成立了空间科学技术委员会和遥感技术中心，组织、领导和协调全国的遥感工作，积极开展与国外的技术与人才交流。1.2.3遥感技术发展趋势目前，世界范围内遥感技术的发展趋势表现在以下几方面：①进行地面、航空、航天的多层次综合遥感，建立地球环境卫星观测网络，系统地获取地球表面不同分辨力的遥感图像数据。②传感器向电磁波谱全波段覆盖，立体遥感，器件固体化、小型化，高分辨力，高灵敏度与高光谱方向发展。③遥感图像信息处理已实现光学——电子计算机混合处理及实时处理，图像处理与地学数据库结合，建立遥感信息系统，引进人工神经网络、小波变换、分形技术、模糊分类与专家系统等技术和理论，进行自动分类与模式识别。④加强地物波谱形成机制与遥感信息传输理论进行研究，建立地物波谱与影像特征的关系模型，实现遥感分析解译的定量化和精确化。⑤遥感(RemoteSensing,简称RS)、地理信息系统(GeographicInformationSystem,简称GIS)与全球定位系统(GlobalPositioningSystem,简称GPS)相互依存，共同发展，构成一体化的技术体系，被广泛地应用于资源开发利用、环境治理评估、区域发展规划、市政工程建设和交通安全管理等领域，成为资源环境、地球科学、测绘勘探、农林和水利部门开展工作的重要技术方法和辅助决策手段。§1.3遥感技术应用简介遥感是一门综合性很强的空间技术科学，同时也是应用领域很广泛的应用科学。目前，它已经应用到几十个部门，取得了良好的成绩。现仅从以下几方面作一简单介绍。1.3.1在军事方面的应用遥感技术最先是从军事上发展起来的，现在有许多技术方法和仪器设备还处在领先地位，不向民用部门推广。它在军事上的作用，在于可以进行立体侦察，及时地获取敌区的情报。如：①利用红外遥感识别伪装第二次世界大战期间，英国利用红外彩色航摄，探出了德国在法阿拉斯北部Ｖ－１武器制造基地，而用黑白航空摄影进行过两个星期的重点侦察，均未发现目标。用机载红外扫描仪，侧视雷达可进行全天时、全天候侦察。②军事侦察侦察卫星不侵犯领空，范围广，速度快，它占卫星总数的80％。分辨力过去较低，现在正逐步提高，由第一代的3－6ｍ，到第四代的0.3ｍ(大鹏(鸟)侦察卫星)。现在正向全天候、高分辨率实时传输发展。1.3.2在地学方面的应用遥感为地质、地理、环境科学等方面的勘测提供了新的手段和最新资料，为地球宏观规律的研究，地球环境的监测和评价，自然资源的开发利用创造了有利条件。1地质方面①地质构造对线状特征和圆形构造(环状断裂)判读效果相当好，如在非洲撒哈拉沙漠发现2500km的断裂带，陕北环状断裂，秦岭北麓的线型形迹和洪积扇群。②岩石由于不同岩石的反射和发射谱波不同，因此在同一波段的图像上，不同岩石的影像会产生不同的色调和密度，据此可鉴定岩石种类。③矿床勘探主要是根据矿床成因类型间接进行，利用雾状异常图像寻找石油，在沉积盆地环境中，只要有构造圈闭、含油褶皱基底的脆弱带等部位就可能发现石油的所在。如在安纳达盆地，发现雾状异常76处，其中59处与现有油气田相符。利用温度异常勘探煤矿、铜矿、地热资源，如在巴基斯坦境内找到一铜矿在断层裂隙交接带处，在断层及裂隙交接带处寻找内生金属矿床，利用现代沉积找砂矿。2海洋方面利用遥感可测定海岸地形、浅海海底地貌、海流边界、方向、流速、海面温度、浮游生物区和生物量、盐分、水质等。3水文方面①水资源利用红外摄影，发现雨水渗入地下，经过透水层流入海洋，由于海水温度高于地下水的温度，在像片上发现色调较深的地下水流入色调较浅的海水之中。如在夏威夷群岛附近浅海中找到200多处淡水。②湖泊在南美发现了320个新的干盐湖和咸水湖，对原来86个的边界作了修改，并在86个地方画出了湖泊和季节潜水区。我国青藏高原，经过30多年的考察，有500多个湖泊，应用卫星影像又发现了300多个新的湖泊，对原有的许多位置、大小作了改正，并能划出一些咸、淡水湖。另外可反映水质、水深、泥沙等。③河流利用遥感可查清大江、大河的源头，水流的特点，泥沙状况，河流变迁等；进行旱涝灾害监测、调查、预报与评价，调洪管理；利用不同年份的遥感影像，对比研究河流、湖泊、水库的演变过程和规律。④冰雪利用卫星影像可测出雪盖面积，分布范围，雪线高度；分析冰川的进退，动态；监测海冰运动。1.3.3在环境方面的应用①水污染利用红外遥感，可以区分出正常水和污染水，并能确定出其范围，测定水温、密度和追溯污染源。②大气污染利用红外、微波，可获得大气的成分、温度、湿度、密度等资料。③地表污染通过遥感，可以监测到某些污染物所引起的生态环境的变化，如植被、土地、地下水受污染情况。④地震利用遥感随时监视断裂活动和地面升降，为地震预报提供依据。如美国在1973年利用遥感影像，在我国唐山地区发现几组地质断裂线的交会，1976年发生了震惊中外的唐山大地震。⑤火山活动：通过遥感可以收集到放在火山口里的自动记录仪器记录的许多有关火山活动的信息，通过分析可作出预报。1.3.4在测绘方面的应用遥感在测绘中的应用开始很早，现在已发展到了应用专门的卫星或卫星上配置专门的测绘传感器。①制作地形图航空摄影测量是测制地形图的主要方法，目前已开始利用航天遥感资料制作地形图。如亚马孙流域的热带雨林地形图利用常规测法，需花70亿美元，100年才能完成，用侧视雷达，不到1年完成了1∶40万的雷达图像。喀麦隆用航测，20年完成了9％，侧视雷达仅90天就完成。②校正更新现有地图据有关资料，现有地图70％资料不足，30％资料陈旧，用常规方法更新需50年。只有利用遥感资料才能快速、准确地校正更新。③制作影像地图影像地图是最近发展起来的新图种，由遥感影像加上了等高线，符号注记形成。所以更形象、逼真、精确，具有信息量丰富，按模型比例尺自然选择，便于系列成图和观察动态变化等优点。如美国完成了1∶100万全美陆地卫星影像镶嵌图，我国完成了1∶250万中国陆地卫星影像镶嵌图。④制作专题地图遥感影像信息量丰富，现势性强，各专业都可利用，制作各种专题地图，具成本低，时间少和质量高的特点。如美国试验用地面测量、航摄和卫星资料编制1∶100万～1∶25万的土地利用图，每平方公里的费用分别是20美元、６美元和0.4美元。1.3.5在农林方面的应用遥感技术在农林方面的应用很广泛，有人认为农林是遥感的最大用户，也是遥感的最大受益者，特别是对一些发展中国家和国土面积较大的国家作用尤为明显。①资源调查各种资源是人类赖以生存的基础，所以对其数量和质量进行掌握很必要，目前最好的方法就是遥感。现在主要是制作土地类型图、利用现状图、土壤类型图，进行森林资源、草场资源和土地资源清查、评价。②资源监测各种资源因自然和人为影响时刻都发生变化，利用遥感可对其进行动态监测。如草场退化、森林减少、土壤沙土和盐渍化、水土流失等。③作物估产利用遥感资料可确定作物种植面积，识别作物类型判定生长状况，再根据观测资料和实地调查，建立模式，确定单产，进行总产预报。有时要作样方调查，分层抽样调查等。这种估产对贸易、储运、加工具有重要意义。④病虫害监测预报病害虫是农林生产的大敌，可破坏植物体叶绿素，引起植物体的波谱特性发生变化。它的产生与生态条件有关，利用遥感可以监测到病虫害的产生和生长环境，进而预报。⑤生产管理根据作物生长过程的遥感影像和作物生长日志，确定作物的长势和需要水肥情况，适时进行灌溉和施肥，也可发现灾情，及时采取防灾救灾措施。

第2章电磁辐射及物体的波谱特性电磁辐射是遥感的能源，是传感器与远距离目标联系的纽带。遥感的本质是通过探测器接收物体或现象反射、发射的电磁辐射信息，进而转变成影像或磁带。所以我们要应用遥感技术，首先必须了解电磁辐射的基本性质，及其物体的波谱特性。§2.1电磁辐射2.1.1电磁辐射的本质电磁辐射是自然界中以“场”的形式存在的一种物质，现代物理学的研究证明，电磁辐射具有两重性：波动性与粒子性。也就是说，电磁辐射是一种高速运动的粒子流，在空间的传播具波动性。1电磁辐射的波动性波是振动在空间的传播，电磁辐射是振源发出的电磁场在空间的传播。电磁学理论指出：在空间某区域有变化电场，那么在其邻近区域内将引起变化磁场；同样，有变化磁场也会在其邻近区域内引起变化电场。它们相互激发形成统一的电磁场，变化的电场与磁场的交替产生，使电磁场传播到很远的区域。电磁场在空间以一定速度由近及远的传播过程，实质上就是电磁辐射，它具有波动的特性，所以又称为电磁波。图2-1电磁波—横波麦克斯韦尔把电磁辐射抽象为一种以速度v在介质中传播的横波，振动着的是空间里的电场强度矢量E和磁场强度矢量H，其振动方向垂直于前进方向，如图2-1，且同一点的E和H相互垂直，变化位相相同。这种关系可用下列方程组表达：(2(2-1)式中ε为介质相对介电常数，μ为相对磁导率，c为真空中的光速。表征波动的主要物理量是波长λ，周期Ｔ，频率ν、振幅Ａ，波数Ｎ，圆波数k和角频率ω，以及波速υ，初相位θ，ψ是波函数，这些参数之间的关系为：ν＝,ω＝＝２πν，Ｎ＝(2-2)υ＝＝＝λν，k＝＝２πＮ(2-2)ψ＝Asin[(ωt－kx)＋θ]2电磁辐射的粒子性电磁辐射的波动学说，在解释电磁辐射的一些现象时，如电磁辐射能在真空中的传播，光电效应等遇到困难。近代物理学研究证明：电磁辐射本身是一种很小的物质微粒，电磁辐射过程就是具有质量的粒子的运动过程，这种运动在时空上是一种不连续的随机性运动，它携带一定的能量。也就是说，这些微粒不能连续地吸收或发射辐射能，只能不连续地一份份地吸收或发射，这种情况叫做能量的量子化。量子化的最小单位是光子，光子具有一定的能量和动量，而能量与动量都是粒子的属性，能量分布的量子化是粒子的基本特征。因此，光子也是一种基本粒子。实验证明，光子的能量与其频率成正比，即Ｅ＝ｈν(2-3ａ)光子动量与其波长成反比，即Ｐ＝h／λ（2-3ｂ）Ｅ、Ｐ分别为光子的能量和动量，ｈ＝6.625×10－２７尔格∙秒，称为普朗克常数。3波粒二象性的关系电磁辐射的波动性与粒子性是对立统一的，从(2-3ａ)，(2-3ｂ)两式中可以看出能量Ｅ、动量Ｐ是粒子的属性，可表征粒子性；而频率γ，波长λ是波的属性，可表征波动性，两者通过普朗克常数ｈ联系了起来。从波动性来看，电磁辐射在某时空的强度Ⅰ和波振幅的平方成正比，比例常数为1时Ｉ＝｜Ａ｜２(2-4a)从粒子性来看，电磁辐射在某时空的强度Ｉ与该时空粒子出现的几率成正比，粒子出现的几率即粒子流密度Ｓ，为单位时间内通过单位截面的粒子数目的多少。Ｉ＝Ｓ(2-4b)将（2-4a）与(2-4b)两式合并，取比例常数为1时Ｓ＝｜Ａ｜２(2-5)该式直接把粒子密度与波函数的关系统一起来。由上面的论述可看出，电磁辐射具明显的波—粒二象性，连续的波动性和不连续的粒子性是相互排斥，相互对立的；但两者又是相互联系并在一定条件下可以互相转化的。可以说波是粒子流的统计平均，粒子是波的量子化，在传播过程中以波动性为主，遵守波动规律，当与物质作用时又以粒子性为主。电磁辐射波长的大小影响波粒二象性的表现，波长较长、能量较小的波动性明显；波长较短，能量较大的粒子性显著。2.1.2电磁波谱实验证明，现在我们所知道的宇宙射线、γ射线、χ射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波、工业用电等都是电磁波。所有这些波在本质上基本相同，但是，由于它们的波长和频率不同而产生差别。为了便于比较电磁辐射的内部差异和进行描述，按照它们的波长(或频率)大小，依次排列画成图表，这个图表就叫做电磁波谱，如图2-2所示。不同波长的电磁波谱，既有共同特点，又有内部差异，各波段的主要特点如下。(1)γ—射线(GammaRay)γ射线波长λ＜0.03ｎｍ，由于波长短，频率高，所以具有很大的能量，很高的穿透性。γ—射线是原子核跃迁产生的，由放射性元素形成，来自放射性矿物的γ—射线可以被低空探测器所探测，是一个有前景的遥感波区。(2)χ—射线(χ－Ray)χ—射线波长λ为0.03－３ｎｍ，能量也较大，贯穿能力较强，是原子层内电子跃迁产生的，可由固体受高速电子射击形成。χ—射线在大气中会被完全吸收，不能用于遥感。(3)紫外线(UitravioletRayUV)紫外线波长λ为３ｎｍ－0.38μｍ，紫外线由原子或分子外层电子跃迁产生，按波长不同，可进一步分成近紫外(0.38μｍ－300ｎｍ)，远紫外(300－200ｎｍ)和超远紫外(200－３ｎｍ)。粒子性明显。来自太阳的紫外线，小于0.3μｍ者完全被大气吸收，0.3－0.38μｍ的可以通过大气，用感光胶片和光电探测器进行探测。但是，该波段散射严重。(4)可见光(VisibleLight)可见光波长λ为0.38μｍ－0.76μｍ，由分子外层电子跃迁产生，是电磁波中眼睛所观察到的唯一波区。能通过透镜聚焦，经过棱镜色散分成赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫等色光波段，具光化作用和光电效应，在遥感中能用胶片和光电探测器收集记录。(5)红外线(InfraredRayIR)红外线波长λ为0.76－1000μｍ，由分子振动与转动产生，按波长不同，可分成近红外(0.76－3μｍ)，中红外(３－６μｍ)，远红外(６－15μｍ)超远红外(15－300μｍ)和赫兹波(300－1000μｍ)。近红外是地球反射来自太阳的红外辐射，其中0.76－1.4μｍ的辐射可以用摄影方式探测，所以也称摄影红外。中远红外等是物体发射的热辐射，所以也叫热红外，它只能用光学机械扫描方式获取信息。红外线对人眼睛不起作用，能聚焦、色散、反射，具有光电效应，对一些物体有特殊反映：叶绿素、水、半导体、热等。图2-2电磁波谱及其应用PAGE1(6)微波(Microwave)微波波长λ为0.1－100cm，由固体金属分子转动所产生。其中可分为毫米波、厘米波和分米波，微波的特点是能穿云透雾，甚至穿透冰层和地面松散层，其它辐射和物体对它干扰小。物体辐射微波的能量很弱，接收和记录均较困难，要求传感器非常灵敏。(7)无线电波(Radiowave)无线电波由电磁振荡电路产生，不能通过大气层——短波被电离层反射，中波和长波吸收严重，故不能用于遥感。实际上，整个电磁波是连续不断的，各个波区或波段的分界点并不十分严格，各家划分标准不一，且相邻波区有相当重迭。电磁波谱各波段的产生及其遥感应用如表2-1。表2-1各电磁波谱段的产生及其遥感应用特征产生方式谱段波长遥感应用特征原子核内部的相互作用射线＜0.03ｎｍ来自太阳的辐射完全被上层大气所吸收，不能为遥感利用，来自放射性矿物的γ辐射作为一种探矿手段可被低空飞机探测到层内电子的离子化X-射线0.03－3ｎｍ进入的辐射全被大气所吸收，遥感中未用外层电子的离子化紫外线3ｎｍ－0.38μｍ波长小于0.3μｍ的由太阳进入的紫外辐射完全为上层大气中的臭氧所吸收摄影紫外0.3－0.38μｍ穿过大气层，用胶片和光电探测器可检出，但是大气散射严重外层电子的激励可见光紫0.38-0.43μｍ用照相机、电视摄影机和光电扫描仪等均可检测，包括在0.5μｍ附近的地球反射比峰值蓝0.43-0.47μｍ青0.47-0.50μｍ绿0.50-0.56μｍ黄0.56-0.59μｍ橙0.59-0.62μｍ红0.62-0.76μｍ分子振动，晶格振动红外线0.76-1000μｍ与物质的相互作用随波长而变，各大气传输窗口被吸收谱段所隔开，一般有以下的划分近红外(反射红外)0.76-3μm这是初次反射的太阳辐射，0.7-1.4μｍ的辐射用红外胶片检测，称之为摄影红外辐射中红外(热红外)3-5μｍ这是热区中的主要大气窗口，是一个宽谱段内的总辐射，用这些波长成像需要使用光学一机械扫描器(红外辐射计)而不是用胶片。远红外(热红外)8-14μｍ分子旋转和反转，电子自转与磁场的相互作用微波0.1-100cm这些较长的波长能穿透云和雾，可用于全天候成像。其下可续分为毫米波，厘米波和分米波，而且都是无线电波的一种核自转与磁场的相互作用无线电波工业用电100-106cm＞106

cm用于无线电通讯，分超短波、短波、中波、长波因波长范围与相应谱的划分不太统一，作者仅采用一般划分。电磁波谱中的高频波段，如宇宙射线到大部分紫外线，粒子性特征明显；低频波段，如大部分红外线、微波、无线电波，波动性特征明显；处于中间波段的可见光和部分紫外线、红外线，具有明显的波粒二象性。这些不同的电磁波，从理论上讲都可进行遥感。但是，由于技术的限制和其它干扰，目前遥感使用的主要为可见光、红外线和微波。

2.1.3电磁辐射的产生1物质内部结构及运动规律(1)内部结构由现代物理学、化学研究证明，物质是由分子构成的，分子是由原子构成的，原子是由带正电的原子核和绕核旋转的带负电的电子组成，原子核又由质子和中子构成。(2)运动规律根据现代量子理论，微观物质世界的运动主要表现为三种形式：即电子的绕核运动，原子核在平衡位置上的振动和分子以其质量中心为轴的转动。当没有外来能量刺激时，这些运动状态是稳定的，具有一定的能量，并且该能量并不因为电子、原子、分子不停地运动而有所衰减，当与其它粒子碰撞，或者在电磁场中被照射而吸收足够的能量时，它就会改变运动状态，从基态轨道跃升到更高的激发态轨道上去。基态：根据最低能量原理，在正常情况下，粒子处于最低能量的运动状态，这个状态称为基态。对任一频率的粒子，基态能量为Ｅ1＝ｈν。激发态：处于基态的粒子，如果受到外来能量的激发，当它接收了足够的能量后，跃升到较高的能量的运动状态，这种较高的状态称为激发态。激发态的能量En＝nｈν。ｎ为电子层数，表示电子离核的距离。当ｎ增大时，Ｅｎ的数值也大，表示该粒子离质量中心越远，所具有的能量越大，处于更高的激发态。激发：粒子从低能级跃迁到高能级的过程叫激发。激发能：激发态与基态的能量之差△Ｅ，称该激发态的激发能。２电磁辐射的产生粒子受激从基态进入高能量状态时，是瞬时的跃迁，不允许有中间的能量状态；处于激发状态的粒子十分不稳定，一般在10－８秒内就要往基态转化。这种转化可以有两种情况：一是和另一个粒子碰撞，激发态被破坏，能量传递给另一个粒子，这时没有电磁辐射的发射；另一种情况是粒子向下跃迁到一个较低的能级，释放出多余的能量，以光子的形式带走，产生电磁辐射。以△Ｅ表示各能级的激发能，光子的能量为ｈν，二者相等。即较高状态的粒子跃迁到较低能级时多余的能量△Ｅ就以光子的能量ｈν辐射出去。△Ｅ＝Ｅ2－Ｅ1＝ｈν这一过程发射的电磁波的频率和波长分别为ν=△Ｅ/ｈλ=c/ν=ch/△E（2－6）该式说明，激发能不同，辐射的光子频率不同，所发射的电磁波的波长也不同。电子能级的激发能较高，约为１～20ev，可产生频率较高的光子，发射波长为0.2～1.0微米的近紫外—可见光—近红外；原子能级的激发能较低，约为0.05～1.0ev，可发射波长为１～25微米的近红外—远红外辐射；分子能级的激发能最低，约为0.03－0.05ev，发射辐射的波长为25－300微米，属超远红外，它也可辐射少量微波。物质内部运动状态被激发方式有三种：电能激发、热能激发和辐射能激发。辐射形式有三种：共振辐射、荧光现象和热辐射。①共振辐射：受激跃迁到激发态的粒子，直接回到基态，辐射的光子频率与吸收的光子频率一样。②荧光现象：受激跃迁到激发态的粒子，通过中间能级回到基态，它发射的光子的频率比吸收的光子频率低。③热辐射：物质受激发时，将激发能转变成热能，产生热运动，这种运动所引起的粒子互相碰撞，从而使粒子运动发生改变，由于碰撞而产生的高能量运动状态可以自发的转变到低能运动状态，热能转变成辐射能，发出电磁辐射。

2.1.4电磁辐射的基本性质电磁辐射是能量的一种动态形式，它把辐射源的能量通过自由空间传送到传感器上。那么，电磁辐射是怎样传播的呢？在传播中有那些基本特性？这里主要介绍与遥感有关的基本性质。1电磁波传播的性质(1)波的叠加原理数列波在传播过程中，相遇后仍能保持它们各自原有的特性(频率、波长、振幅、振动方向等)不变，按照自己原来的传播方向继续前进，好象在各自的传播过程中，没有遇上其他波一样，在相遇区域内，任一点的振动为各波所引起的振动的合成。这也叫波的独立传播原理。电磁波的传播遵守这一原理。在遥感中，所遇到的电磁波的波形都很复杂。但是，不管波的形式多么复杂，也无论其产生方式如何，实际上都可以用无穷个正弦波叠加构成，只要这些正弦波具有适当的振幅、频率和相位。(2)电磁波的干涉频率相同、振动方向相同、相位相同或相位相差恒定的两(数)列波相遇时，使某些地方振动始终加强，而在另一些地方振动始终减弱的现象叫做波的干涉现象。能产生干涉现象的波叫做相干波，其波源叫相干波源。相干现象的基本原理是波的叠加原理。电磁波的相干对遥感来说是很重要的。如果有两列波投射到一个传感器上，这些波传递给探测器的功率能够被测量出来。假如是非相干波，则合成的波功率是两个分波的功率之和，投射到传感器上的总辐射强度为两分波辐射强度之和，即Ｉ＝Ｉ1＋Ｉ2，且传感器上的任何位置的强度是一致的。假如是相干波，合成波的功率可能大于也可能小于两个波分别投射时的功率之和，其辐射强度和振幅分别为：Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２cosδ(2-7a)Ａ＝(2-7b)且传感器得到的辐射强度各个位置也不同。干涉有利的方面是利用能量增大趋势，使图像清晰，方向性强；不利的地方是造成同一物质所表现的性质不同。在分析图像时对于这些影响要特别注意。（3）电磁波的衍射波在传播过程中遇到阻碍物时，其传播方向要发生改变，能够绕过障碍物的边缘继续前进，这种现象叫做波的衍射。衍射现象可以用惠更斯原理解释。电磁波的衍射对遥感技术影响很大：１）电磁波通过传感器的孔径而被切割时，就要发生衍射，使电磁辐射通量的数量，质量和方向都发生变化，结果测量不准确，对目标物的解译也带来困难。２）影响遥感所用仪器的分辨能力，理论上光学仪器的最小分辨角θ０为：θ０＝1.22(2-8)式中λ为电磁辐射的波长，D为光学仪器的孔径。３）缩小阴影区域。(4)电磁波的偏振(极化)①偏振的概念一般情况下，天然波的振动在垂直于传播方向的平面上可以取所有可能的方向，且波的振幅完全相等。如果波在各方向上振幅大小不相同，而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，常用偏振度ｐ′来衡量偏振程度。ｐ′＝(2－９)如果电磁波的电场强度E的振动只限于某一确定方向，则称这种波为全偏振波，其中ｐ′=１；如果１＜ｐ′＜０则称为部分偏振波。②偏振的产生偏振波可以用偏振器生产，如图2-3所示，在电磁波传播方向上依次放两块偏振器P１、P２，当天然波(光)经过偏振器P１时，只有与偏振器P１方向一致的分振矢量才能通过，与P１方向垂直的分振不能通过。通过偏振器P１的波就成为偏振波Ｅ１。偏振光再通过第二个偏振器P２时，视P２方向而定，如果P２与偏振波Ｅ1成一角度，则偏振波Ｅ１在P２方向的分量可以通过，垂直P２方向的分量被挡住，令通过的分量为Ｅ２，若Ｅ１的振幅为Ａ１，Ｅ２的振幅为Ａ２，则光强分别为Ｉ１＝Ａ１２，Ｉ２＝Ａ２２，且Ａ２＝Ａ１cosθ(θ为ｐ１与ｐ２的夹角)，所以Ｉ２＝Ｉ１cos２θ(2-10)当ｐ１‖ｐ２时，θ＝0、Ｉ２＝Ｉ１；当P１⊥P２时，θ＝90°，Ｉ２＝0。图2-3偏振的产生③偏振的作用在遥感中，电磁波的偏振非常重要，如进入传感器的电磁波都有一定的偏振性，偏振摄影、侧视雷达成像接收的完全是偏振波，利用偏振原理制作立体镜进行遥感影像立体观察等。(5)电磁波的多普勒效应电磁辐射因辐射源或观察者相对于传播介质的运动，而使观察者接收到的频率发生变化的现象，称为多普勒效应。就是说，当一个频率为ν的电磁辐射源对于观察者作相对运动的时候，观察者从这个源接收到的辐射将具有另一个频率ν１。ν与ν1的关系式是：ν１＝ν式中Ｖ：波速，Ｖｏ：辐射源对介质的速度；ＶS：观察者对介质的速度。ν１＝ν其中β为源与观察者的相对运动速度之比，θ为源的运动方向和与观察者方向的联线所成的夹角。在源与观测者的相对运动速度远小于光速的情况下，可用近似公式表达之：△ν=ν１-ν=cosθ（2-11）式中△ν是频率变化值，ｃ为电磁波的速度，ｕ为源与观察者之间的相对速度。对于向着观察者运动的源，θ为锐角，介于0－90°之间，△ν是正值；对于背离观察者的源，而θ为钝角，△ν是负值。在遥感中，主动式遥感都是从运动着的平台上发射电磁辐射，所以地面所接收到的辐射频率要发生改变；被改变了的辐射又被地面再反射到平台上的传感器，传感器接收的辐射频率又要经过一次多普勒效应的改变。从发射到接收回波，其总的频率改变为单次多普勒效应的两倍。△ν＝cosθ(2-12)2电磁辐射的光电效应电磁辐射的能量激发物体，释放出带电粒子，形成光电流，这种现象称做电磁辐射的光电效应。光电效应是粒子性的明显表现，用光子假设可得到圆满地解释：电磁辐射照射到物质表面(金属物体)，金属中的自由电子吸收了光子能量，而从金属中逸出。电子吸收一个光子，便获得hν的能量，该能量一部分消耗于电子从金属逸出时克服表面对它的吸引力所需的逸出功Ａ，另一部分转换为电子的初动能。hν＝ｍυ２＋Ａ(2-13)式中：ｍ为电子的质量，υ为电子的运动速度。由公式可得出：1)当电磁粒子的能量hν小于电子逸出功A时，电子不能脱出金属，只有当hν＞A时，即ν＞A/h时，才能生产光电效应。即光电效应具有一定的截止频率，其数值为v０＝A/h。2)电子的初动能和电磁辐射的频率成线性关系。3)光电流的强度和入射的电磁辐射强度成正比。4)光电流呈瞬时性。光电效应在遥感中很重要，扫描成像、电视摄像等就是利用的光电效应，把光像变成电子像，把对人们眼晴无作用的电磁辐射用一定的探测元件接收下来，使其通过光电效应变成电子像，最后变成人们可以看见的影像。§2.2电磁辐射与物体的相互作用在遥感中，从辐射源发出的电磁辐射，经过自由空间的传播，到达大气和地面，经过与大气和地面的作用，又到达传感器上。在此过程中，电磁辐射一旦与物体接触，它所携带的能量就会表现出来，进行能量的交换，发生相互作用。作用的结果，使入射的电磁辐射发生变化。不同物体，由于组成它们的物质结构不同(分子、原子)，与电磁辐射作用时，这些分子和原子在旋转和振动过程中，所产生的能级跃迁性能就不同，进而所反射或吸收的电磁波频率也不一样。这些不同就构成我们识别与区分物体的依据。电磁辐射与物体作用后主要在强度、方向、波长(或频率)、相位等方面发生变化，甚至发生偏振。表现形式为物体使入射辐射发生反射、透射以及吸收和再发射等。电磁辐射和物体相互作用的本质是：入射到物体的电磁辐射使物体表面的自由电荷和束缚电荷发生振荡运动，这种运动转而辐射出次级场返回初始介质或者向前进入第二种介质。具体地说，电磁辐射与物体相互作用，使得入射的电磁辐射(Q)受到反射(Qr)、透射(Qτ)和吸收(Qα)。根据能量守恒律，入射的电磁辐射量等于作用后辐射量，即Q＝Qｒ＋Qα＋Qτ。2.2.1电磁辐射的反射电磁辐射与物体作用后产生的次级波返回原来的介质，这种现象就称为反射，该次级波便称之为反射波(辐射)。任何地物都具有反射和自己特有频率不同的外来辐射的能力。电磁辐射从某一特定物体上的反射强度在整个电磁波谱范围内是有显著差别的，它是波长、入射角、偏振和物体性质的函数，其中波长、入射角、偏振等变量，基本上与反射物体无关，这些参数可以通过用适当的遥感仪器以及工作条件来控制。因此，反射强度主要与物体的性质——电学性质和磁学性质，以及物体表面粗糙程度有关。1反射系数物体的反射能力常用反射系数来表示，其实质是反映反射与物体性质的关系。当前，使用最普遍的是菲涅尔反射系数r，其表达式是：ｒｐ＝＝(2-14)ｒs＝＝(2-15)式中：Ｒ、Ｅ分别为反射波和入射波的电矢量振幅，ｐ、ｓ分别表示平行和垂直入射面的分量，θ为投射角(入射角)。在垂直入射的情况下，ｒｐ＝ｒｓ，统一为ｒ＝＝(2-16)由上述公式可看出：反射系数是反射的电矢量振幅与入射的电矢量振幅之比，其实质是入射角、物体的介电常数及磁导率的函数，在入射角相同情况下，由于物体的结构不同，介电常数和磁导率不一样，因此有不同的反射系数，这种反射系数的差别就是我们区分不同物体的依据。2物体表面状况对反射的影响(1)物体表面的划分物体的表面一般比较复杂，往往是粗糙不平的，根据它对反射的影响，分为两类：光滑表面和粗糙表面。二者的划分以入射波波长为标准，是一相对概念。划分准则：物体表面的划分一般用瑞利准则，关系式是：ｄ＝λ／８cosθ(2-17)式中：λ是入射波的波长，θ是入射角。如果物体表面的起伏度ｈ≤ｄ，则该表面为光滑表面——镜面；如果ｈ＞ｄ，则为粗糙表面。上述表明：入射辐射的波长决定了反射表面的粗糙度，入射波长不一样，同一物体的表面可显示不同的粗糙度，如土壤对无线电辐射是光滑的，而对可见光是粗糙的。一般说来，凡物体表面的颗粒线度ｈ远小于入射波的波长，该表面属光滑表面——“镜面”；当入射波的波长远小于物体表面起伏度或构成表面的颗粒的线度ｈ时，该表面就是粗糙表面。另外，入射角对表面的粗糙度也有影响，入射角越大，表面的粗糙度越小；反之，入射角越小，则粗糙度越大。(2)反射类型①镜面反射由光滑表面产生的反射叫镜面反射。镜面反射具高度的方向性，能量集中向相反方向反射，且反射角等于入射角（反射方向遵守反射定律），可以用菲涅尔反射系数表示反射能力的大小，反射波位相相干。反射率为：ｐ＝()2(2-18)②漫反射粗糙表面上产生的反射称漫反射。各个方向都有反射，反射强度遵循朗伯定律，即Ｉ＝Ｉ0cosθ，反射波无方向性（反射波方向不遵守反射定律），相位不相干，漫反射的反射率为：ｐ′=ｐ／π(2-19)图2-4反射的类型镜面反射图2-4反射的类型镜面反射漫反射混合反射2.2.2电磁辐射的发射1黑体辐射自然界温度高于绝对0°的物体都具有发射电磁辐射的能力，其能力的大小主要取决于物体的温度和本身的性质。由于自然界物质的千差万别，所以物体的辐射情况相当复杂。因此，在研究真实物体的辐射时，为方便起见，引入一个理想物体——黑体。(1)黑体的概念及其辐射现象所谓黑体是指一个完全的辐射吸收和辐射发射体，即在任何温度下，对所有波长的电磁辐射都能够完全吸收，同时能够在热力学定律所允许的范围内最大限度地把热能变成辐射能的理想辐射体。它是作为研究物体发射的计量标准。根据对大量实验数据的研究发现，黑体的辐射通量密度按波长或频率的分布是稳定的，仅与其本身的温度有关，而和黑体的材料和性质无关。不同温度下，各按波长的光谱辐射通量密度如图2-5所示。图2-5各种温度下的黑体波谱辐射通量密度(2)黑体辐射定律对上述实验结果，应用现代物理学理论推导出关于黑体辐射的基本定律：①普朗克定律在给定温度下，单位时间、面积、波长范围内黑体所发出的能量为：Ｍoλ＝(2-20)式中：ｃ１＝3.74×10－１６ｗ·ｍ３Ｃ２＝1.44×10－２ｍ·Ｋλ是以m为单位的波长，Ｔ绝对温度(Ｋ)由公式可见，在给定温度下，黑体的光谱出射率并不是一切波长都一样，而是随波长而变化；同时温度不同，Ｍλ不相等，温度愈高，Ｍλ愈大，即光谱辐射能力越强。②斯蒂芬—波尔兹曼定律将普朗克公式从零到无穷大的波长范围内积分，得到从单位面积的黑体上辐射到半球空间里的总辐射通量密度。Ｍ0＝Ｔ４＝σＴ４(2-21)式中：σ＝5.669×10-12ｗ·cｍ-２·ｋ-4称为斯蒂芬—波尔兹曼常数。由此定律可得：黑体的总出射率(辐射通量密度)随温度的升高而迅速增大，相当小的温度变化就可以引起辐射通量密度(出射率)的很大变化，这对遥感来说是很有利的，比如用红外探测装置能探测出0.01℃的温度变化。③维恩位移定律微分普朗克公式，并求极值，可得到黑体光谱出射率最大值所对应的波长，即峰值波长λ0ｍａｘ。λ0ｍａｘ＝(2-22)式中，λ0ｍａｘ的单位为μｍ，Ｔ为绝对温度。维恩位移定律说明：黑体的峰值波长与其绝对温度成反比，即当温度增加时，黑体的出射率的极大值向短波长方向移动。2物体的发射(1)基尔霍夫定律任何物体都具有吸收外来电磁辐射的能力，物体把吸收的能量经转化后，又以辐射的形式发射出来，地面物体的发射是与其吸收外来电磁辐射紧密联系着。1860年基尔霍夫得出：在给定温度下，物体对任一波长的发射本领和它的吸收本领成正比，比值与物体的性质无关，只是波长和温度的函数，其表达式为：Ｍλ／αλ＝ｆ(λ、Ｔ)(2-23)式中Ｍλ为物体对波长λ的光波出射率，αλ为物体对波长λ的吸收率。从公式(2-23)可见，好的吸收体也是好的发射体，即物体对某一波长的电磁辐射吸收能力强，则该物体发射这一波长的电磁辐射能力也强。由黑体辐射定律可得：Ｍ0λ＝ｆ(λ、Ｔ)α0λ＝ｆ(λ、Ｔ)对于任意物体，光谱出射率为：Ｍλ＝ｆ(λ、Ｔ)αλ＝αλＭ0λ(2-24)(2)光谱发射率自然界中的物体都不是黑体，其吸收率αλ永远小于１，因而对任何波长的光谱出射率，总是小于同温度下的黑体的光谱出射率。一般用发射率ε来表示物体的发射能力，它是物体的辐射通量密度Ｍ和同温度的黑体辐射通量密度Ｍ0之比，ε＝Ｍ／Ｍ0，为了使用方便，常采用光谱发射率的概念，以表示一个物体把热能转变成辐射能的转变效率，即ελ＝Ｍλ／Ｍ0λ(2-25)式中，Ｍλ—物体的光谱出射率，Ｍ0λ—黑体的光谱出射率。根据(2-24)，有ελ＝Ｍλ／Ｍ0λ＝ｆ(λ，Ｔ)αλ／ｆ(λ，Ｔ)=αλ(2-26)此式说明，物体的光谱发射率等于物体的光谱吸收率。由能量守恒定律知，物体的光谱吸收率αλ，光谱反射率ρλ和光谱透射率τλ之间的关系为：αλ＋ρλ＋τλ＝１对于波长为λ的辐射是不透明的物体，τλ＝０所以αλ＋ρλ＝１αλ＝１－ρλ因此ελ＝αλ＝１－ρλ(2-27)由此可知，物体的反射率大，发射率就小；反之，反射率小，发射率就大，这两个参数不仅是温度、波长的函数，且与物体的性质有关。因此，只要测得了物体的反射率或反射系数，就可求得物体的发射率。根据物体光谱发射率的变化，可将物体分为三类：黑体、灰体和选择性辐射体。黑体：ελ＝ε＝１，总辐射通量密度Ｍ0＝σＴ４灰体：ελ为一常数，介于０～１之间，ελ＝ε，总辐射通量密度Ｍ＝εσＴ４选择性辐射体：０＜ελ＜１，Ｍλ＝ελ·Ｍ0λ——为一变化值三类辐射体的光谱发射率与辐射能力如图2-6所示。图2-6三类辐射体的发射率(Ａ)与辐射通量密度(Ｂ)3遥感辐射源凡是能够产生电磁辐射的物体，叫做辐射源。它分为两大类：人工辐射源和天然辐射源。主动遥感方式接收的是人工辐射源发出的电磁辐射的回波，如机载侧视雷达系统。被动遥感方式接收的是天然辐射源的电磁辐射(反射、发射、散射等)。在自然界最大的天然辐射源是太阳和地球，它们是遥感信息的主要提供者。(1)太阳的电磁辐射太阳是一个具有很高温度的球体，其表面温度为6000°K左右，蕴藏着巨大的能量。它以接近于黑体辐射的能力向外散发着电磁辐射，这些辐射在射出太阳蒙气时，部分地被吸收。地球与太阳距离1.5×108km，因此，到达地球上的太阳辐射，是极少的一部分（1/2万亿）——地球挡住太阳辐射行程上的电磁辐射，大部分则向宇宙空间的其它方向射去。到达地球大气上界面的太阳辐射能量是1400×10－４w/cm２，太阳常数S*＝1.99cal/cm2·m。这一部分太阳辐射，又经过大气的作用，最后到达地球表面，这个能量相当于903×10-4w/cm2。地球是一个球体，仅半个球面承受太阳辐射，且球面上的各个部分因太阳高度角不同，能量的分布也不均衡，直射时接收的多，斜射时则少。太阳的辐射通量密度如图2-7所示，组成极为复杂，分布范围很广。但是，主要能量集中在0.2－3μm之间，其中，可见光范围(0.38－0.76μm)刚好全部包含在该区域，约占总能量的一半。太阳辐射的峰值在0.5μm附近，相当于可见光中的绿色光。图2-7太阳辐照度分布曲线若把太阳对地面的有效辐射能量密度视为903×10－４w/cm２时，地面接受到的太阳辐射通量密度按波段分布大体如下：0.2～1.4μm段为820×10－４W/cm２，占90.8％；1.4～1.8μm段为47×10－４W/cm２，占5.2％；1.8～2.5μm段为24×10－４W/cm２，占2.6％；3.0～4.2μm段为10×10－４W/cm２，占1.1％；4.5～5.5μm段为1.6×10－４W/cm２，占0.18％；7.5～14μm段为1.0×10－４W/cm２，占0.11％。遥感最常用的波段为0.32～1.1μm，其辐射通量密度占到地面太阳辐射总通量密度的85％以上。(2)地球的电磁辐射地球表面的平均温度大约是300°Ｋ，它的电磁辐射近似于该温度下的黑体辐射，如图2-8。地球辐射的能量分布在从近红外到微波这一很宽的范围内，但大部分能量集中在4～30μm之间。各波段所占的能量比例大约是：0～3μm段占0.2％，3～5μm段占0.6％，5～8μm段占10％，8～14μm段占50％，14～30μm段占30％，30～1000μm段占9％，1mm以上微波占0.2％。地球辐射也被大气强烈吸收。图2-8地球黑体辐射当太阳辐射入射到地球表面后，一部分被吸收(68％)，一部分被地面反射回空间(32％)。反射回去的太阳辐射，属于近紫外、可见光和近红外。太阳辐射被吸收的部分，通过能量转换，一部分变为热能，使地面物体具有温度，能发射电磁辐射。温度不同，说明该物体所具有热能量不同，因而所辐射的电磁波波长有差异。因此说，地面物体的电磁辐射信息包括两部分：一部分是反射信息，它只能在白天接收；一部分是发射信息，既能在白天接收，又能在夜间接收。2.2.3物体的波谱特性所有物体都具有反射和发射电磁辐射的本领，但是，物体在不同波长处其反射或发射电磁辐射的能力是不同的。这种辐射能力随波长改变而改变的特性，称为物体的波谱特性。不同物体由于其表面状况和内部组成物质不同，或同一物体在不同的环境条件下，由于入射辐射的不同，它们具有不同的波谱特性，这种差别被传感器探测记录下来，形成不同的影像特征，成为我们识别物体的依据。所以，物体波谱特性的研究和测定是遥感技术的一个重要组成部分，它既为传感器工作波段的选择提供依据，又是遥感图像分析处理和解译的理论基础。1物体的反射波谱特性(1)反射波谱概念①反射波谱物体对电磁辐射的反射能力与入射的电磁辐射的波长有十分密切的关系，不同物体对同一波长的电磁辐射具有不同的反射能力，而同一物体对不同波长的电磁辐射也具有不同的反射能力，我们把物体对不同波长的电磁辐射反射能力的变化，亦即物体的反射系数(率)随入射波长的变化规律叫做该物体的反射波谱。地球表面的物体反射的大部分电磁辐射能量都来自太阳，各种遥感方式主要记录这种反射的能量。各种传感器的通道也是与地面物体的反射窗口波段相对应的。②反射波谱曲线物体的反射波谱常用曲线表示，称为反射波谱曲线。它以横轴代表波长，纵轴代表反射率的直角坐标系来表示。图2-9是几种地物的典型反射波谱曲线。图2图2-9几种典型的反射波谱曲线(2)岩石的反射波谱岩石的反射波谱主要取决于矿物类型、化学成分、太阳高度角、方位角、天气等。此外覆盖于其上的土壤、植被对岩石的波谱特性影响也很严重，图2-10为几种岩石的反射波谱曲线。①②⑧③⑦⑤⑥④①②⑧③⑦⑤⑥④①超基性岩②大理岩③砂岩④玄武岩⑤花岗闪长岩⑥花岗岩⑦页岩⑧安山岩图2-10岩石的反射光谱一般同类岩石的反射波谱曲线的形状一致，但其反射率的绝对值不相等，大小与暗色矿物含量的多少有关，如岩石的反射率变化规律是：基性岩＜中性岩＜酸性岩。此外，风化的岩石比新鲜岩石的反射率高，如图2-11所示。(3)水的反射波谱水体的反射率在整个波段范围内都很小，从蓝光段的15％降至红光段的２％，进入红外波段后几乎等于零。影响水体反射率的主要因素是水的混浊度、水深、以及波浪起伏、水面污染、水中生物等，如图2-12所示。①②③①②③波长（μm）图2-11石灰石的波谱反射特性曲线图2-12水的反射光谱曲线（①藻类浮游物②含沙水流③清水）另外，在平静的水面上，常会出现镜面反射，因此在测量水的反射波谱时，要注意避免镜面反射。(4)植物的反射波谱①植物的反射特征绿色植物的叶子由表皮、叶绿素颗粒组成的栅栏组织和多孔薄壁细胞组织构成，入射到叶子上的太阳辐射透过上表皮，蓝、红光波段被叶绿素吸收进行光合作用，绿光大部分也被吸收，仅有少部分被反射，所以叶子呈现绿色；而近红外线则穿透叶绿素，被多孔薄壁细胞组织反射，因此在近红外波段上形成强反射(如图2-13所示)。②影响植物反射的因素自然界植被的情况相当复杂，并非都具有完全一致的反射光谱曲线，由于受植物种类、季节、生长状况、健康水平以及太阳辐射的影响，结果使得植物的反射波谱曲线千差万别。1)不同植物，同一植物的不同生育期以及不同的健康状况，其反射波谱不同，因而就有可能在曲线的某一波段上鉴别植物的种类、生育期和健康状况，如图2-14所示。

①小麦②①小麦②柳③红枫树④枯黄阔叶树⑤松Ａ不同植物的反射波谱曲线Ｂ不同生长状况的山毛榉叶片1健康叶片，3、5、7褪色期的老叶片①②③④⑤图2-14不同植物的反射波谱2)植物叶片重叠时，其反射辐射在可见光部分几乎不变，而在近红外部分由于叶片对红外线的透射(50％左右)和重复反射，反射率可增加20％～40％，因而可以根据反射红外线的强弱来确定植物的长势，如图2-15。3)背景信息。植物都处在地表背景之中，实际遥感测得的不是植物，而是处于不同层位、不同生长状况下的植物群落，作为背景的地面反射也将参与植物的反射，被传感器所接收。

总之，植物的反射波谱特性，实际上是叶片、树干、果实以及开花部分的波谱特性的综合反映，同时也受背景土壤和太阳高度角的影响。(5)土壤的反射波谱(Ｉ：入射能,Ｒ：反射能，Ｔ：透射能)图(Ｉ：入射能,Ｒ：反射能，Ｔ：透射能)图2-15多片叶子层对植物反射率影响有效反射:R1+T3=5/8I入射能IR1=1/2IT3=1/2R2T1=1/2IR3=1/2R2R2=1/2T1T2=1/2T1=1/4I①土壤类型不同，反射波谱相异如半沙漠地区的土壤，反射率较高，在近红外波段和植物的反射率几乎相当，而在红光波段相差很大；黑土的反射率在所有波段都很低。②土壤颗粒小的表面反射率大，大的反射率小。③含水量干燥土壤具有较高的反射率，如果土壤中所含水分不超过某一湿度界线时，潮湿土壤的反射率几乎不变；当土壤中所含水量大于某一湿度界线时，反射率显著降低；当土壤被一薄水层包围时，反射率再次上升。④矿物成份土壤的矿物成分影响着反射率。一般当石英含量高时，土壤有较高的反射率，黑云母的含量高时，则具低的反射率。土壤中腐殖质与铁的氧化物之比较小时，光谱曲线在红光段有一个最大的反射值。如果土壤表面形成一层盐壳，在可见光波段具有相当高的反射率(60～85％)。2物体的发射波谱特性(1)发射波谱物体对不同波长的电磁辐射发射能力的变化规律叫做物体的发射波谱。表2-2是常温下几种物体的发射率，表2-3是几种物体在不同温度下的发射率。表2-2常温下主要地物的发射率目标发射率(ε)岩石—矿物发射率(ε)土壤—植被发射率(ε)水发射率(ε)人皮肤0.98-0.99石墨0.98灌木0.98-1水0.98木板0.98大理石、灰炭0.95麦地0.93霜0.98柏油路0.93石英0.89稻田0.89水(蒸馏)0.96土路0.83橄榄岩0.88黑土0.87冰0.96粗钢板0.82砂岩0.83黄粘土0.85雪0.85炭0.81安山岩0.77草地0.84铸铁0.21玄武岩0.69腐殖土0.64铁0.05红砂岩0.59铝(光面)0.04花岗岩0.44石油0.27表2-3一些岩石在８～１２μm的发射本领岩石 温度－２０℃０℃２０℃４０℃石英0.6940.6820.6270.664长石0.8260.8220.8190.817花岗岩0.7870.7830.7800.977黑矅岩0.9040.9050.9060.907大理石0.9410.9420.9420.943在相同温度条件下，物体的发射本领取决于它的表面性质(颜色和光洁度)和内部热学性质。一般地说，表面比较粗糙和颜色较深的物体，具有较高的发射本领，表面比较光滑和颜色较浅的物体，发射率较低。金属的发射率很低，这是由于它比热小，热惯量小，具有很高的热导率和扩散率的缘故。金属的发射本领随温度的升高而增加，并且当表面形成氧化层时，可以成十倍或以更大的倍数增加。非金属的发射本领较高，一般发射率大于0.8，并且在地面常温下，随温度的增高而减小。(2)几种物体的发射波谱曲线相对光谱辐射亮度相对光谱辐射亮度①火焰的光谱曲线图2-16是森林火和天然气燃烧的发射波谱，各种不同类型火焰的发射光谱都很相似，所有的强辐射带都在４～５μｍ之间，而弱带在３μ相对光谱辐射亮度相对光谱辐射亮度A燃烧天然气的发射波谱B林火的发射波谱图2-17物体的微波辐射曲线图图2-17物体的微波辐射曲线②冰、水、土壤的辐射曲线如图2-17所示，冰、水和土壤的发射能力在微波段有较大的差异，在此可以被区分。3地物波谱特性的测量地物发射波谱和反射波谱的测定可在实验室和野外试验区进行。波谱特性不受环境影响的物体均