第二章 電磁輻射及地物光譜特性

1、 本章主要內(nèi)容電磁波與電磁波譜地物的光譜特性大氣和環(huán)境對(duì)遙感的影響 第二章 遙感物理基礎(chǔ) 電磁輻射和地物光譜特征 一、電磁輻射電磁輻射1.1.電磁波電磁波 波波 :振動(dòng)在空間的傳播 電磁波（電磁波（ElectroMagnetic Spectrum） :電磁振蕩在空間的傳播。l電磁波是通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間相互聯(lián)系傳播的：當(dāng)電磁振蕩進(jìn)入空間時(shí)，變化的磁場(chǎng)激發(fā)了變化的電場(chǎng)，使電磁振蕩在空間傳播，形成電磁波，也稱電磁輻射。l 電磁波是橫波 l 真空中以光速傳播：C = f電磁波具有電磁波具有波粒二象性波粒二象性：電磁波在傳播：電磁波在傳播過(guò)程中，主要表現(xiàn)為波動(dòng)性；在與物過(guò)程中，主要表現(xiàn)為波動(dòng)性；在與物質(zhì)

2、相互作用時(shí)，主要表現(xiàn)為粒子性，質(zhì)相互作用時(shí)，主要表現(xiàn)為粒子性，這就是電磁波的波粒二象性。這就是電磁波的波粒二象性。 波動(dòng)性：電磁波是以波動(dòng)的形式在空間傳波動(dòng)性：電磁波是以波動(dòng)的形式在空間傳播的，因此具有波動(dòng)性播的，因此具有波動(dòng)性 粒子性：它是由密集的光子微粒組成的，粒子性：它是由密集的光子微粒組成的，電磁輻射的實(shí)質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運(yùn)電磁輻射的實(shí)質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。動(dòng)。電磁波的粒子性，使得電磁輻射的能電磁波的粒子性，使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)計(jì)性量具有統(tǒng)計(jì)性a.波動(dòng)性波動(dòng)性 干涉干涉 衍射衍射 偏振現(xiàn)象偏振現(xiàn)象 時(shí)空周期性時(shí)空周期性 波函數(shù)波函數(shù)產(chǎn)生感光作用與生理作用的是電場(chǎng)強(qiáng)度矢量產(chǎn)

3、生感光作用與生理作用的是電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E(光矢量光矢量)如果光矢量在某個(gè)固定平面內(nèi)只沿一個(gè)固定方向作振如果光矢量在某個(gè)固定平面內(nèi)只沿一個(gè)固定方向作振動(dòng)動(dòng),則這種光被稱為偏振光則這種光被稱為偏振光.微波技術(shù)中稱偏振為微波技術(shù)中稱偏振為 ”極化極化” (波長(zhǎng)越波長(zhǎng)越 長(zhǎng)，偏振現(xiàn)象越顯著長(zhǎng)，偏振現(xiàn)象越顯著)最小分辨角最小分辨角:d22. 10( (對(duì)設(shè)計(jì)遙感器的空間分辨對(duì)設(shè)計(jì)遙感器的空間分辨率具有重要意義率具有重要意義) )電磁波遇到有限大小的障礙物時(shí)電磁波遇到有限大小的障礙物時(shí), ,能夠繞過(guò)障礙物而彎能夠繞過(guò)障礙物而彎曲地向障礙物的后面?zhèn)鞑デ叵蛘系K物的后面?zhèn)鞑? . 把這種通過(guò)障礙物邊緣改把這種通

4、過(guò)障礙物邊緣改變傳播方向的現(xiàn)象變傳播方向的現(xiàn)象, ,稱為電磁波的稱為電磁波的 衍射衍射. .b. 粒子性粒子性 光子微粒流的有規(guī)律運(yùn)動(dòng) 能量能量: E= h f h 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) 6.626075510-34J/s f 頻率頻率 波長(zhǎng)波長(zhǎng)粒子導(dǎo)致散射作用，引起強(qiáng)度、方向變化粒子導(dǎo)致散射作用，引起強(qiáng)度、方向變化 任何復(fù)雜的電磁波都可以分解成許多比較簡(jiǎn)單的電磁波；任何復(fù)雜的電磁波都可以分解成許多比較簡(jiǎn)單的電磁波； 比較簡(jiǎn)單的電磁波也可以合成為復(fù)雜的電磁波比較簡(jiǎn)單的電磁波也可以合成為復(fù)雜的電磁波. . （白光的色散和合成，計(jì)算機(jī)顯示器的工作原理，混合像（白光的色散和合成，計(jì)算機(jī)顯示器的工作原

5、理，混合像元的分解元的分解 ）c.疊加原理疊加原理 ( (干涉干涉) 當(dāng)兩列波在同一空間傳播時(shí)，空間上各點(diǎn)的振動(dòng)為當(dāng)兩列波在同一空間傳播時(shí)，空間上各點(diǎn)的振動(dòng)為各列波單獨(dú)振動(dòng)的合成。各列波單獨(dú)振動(dòng)的合成。d.電磁波的多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng) 電磁波因輻射源（或者觀察者）相對(duì)于傳播介質(zhì)電磁波因輻射源（或者觀察者）相對(duì)于傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，而使觀察者接受到的頻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)，而使觀察者接受到的頻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為象稱為多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)。( (類似聲波的多普勒效應(yīng)類似聲波的多普勒效應(yīng))波函數(shù)波函數(shù) 由振幅和位相組成，一般遙感器僅僅記錄電磁波的振由振幅和位相組成，一般遙感器僅僅記錄電磁波的振

6、幅信息，丟失位相信息。全息攝影中，幅信息，丟失位相信息。全息攝影中，同時(shí)記錄了振記錄了振幅信息和位相信息。幅信息和位相信息。 電磁輻射電磁輻射 電磁波的能量傳播過(guò)程電磁波的能量傳播過(guò)程a.電磁波譜電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長(zhǎng)按其長(zhǎng)：將各種電磁波在真空中的波長(zhǎng)按其長(zhǎng)短，依次排列制成的圖表。短，依次排列制成的圖表。 電磁波譜中，波長(zhǎng)最長(zhǎng)的是無(wú)線電波，其按波電磁波譜中，波長(zhǎng)最長(zhǎng)的是無(wú)線電波，其按波長(zhǎng)可分為長(zhǎng)波、中波、短波和微波。波長(zhǎng)最短的長(zhǎng)可分為長(zhǎng)波、中波、短波和微波。波長(zhǎng)最短的是是射線射線 電磁波的波長(zhǎng)不同，是因?yàn)楫a(chǎn)生它的波源不同。電磁波的波長(zhǎng)不同，是因?yàn)楫a(chǎn)生它的波源不同。b、遙感常用的電

7、磁波波段的特性、遙感常用的電磁波波段的特性 電磁波譜電磁波譜波段波段波長(zhǎng)波長(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng)波中波和短波中波和短波超短波超短波大于大于3000m10 3000m1 10m微波微波1mm 1m紅外紅外波段波段 超遠(yuǎn)紅外超遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外中紅外中紅外近紅外近紅外0.761000m15 1000m6 15m3 6m0.76 3m可可見(jiàn)見(jiàn)光光 紅紅橙橙黃黃綠綠青青藍(lán)藍(lán)紫紫0.380.76m0.62 0.76m0.59 0.62m0.56 0.59m0.50 0.56m0.47 0.50m0.43 0.47m0.38 0.43m紫外線紫外線10-3 3.810-1mX射線射線10-6 10-3m射線射線小于小于

8、10-6m 電磁波譜區(qū)別：傳播的方向性、穿透性、可見(jiàn)性、電磁波譜區(qū)別：傳播的方向性、穿透性、可見(jiàn)性、 顏色不同顏色不同 共性：傳播速度相同共性：傳播速度相同, 遵守相同的反射、折射、遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律透射、吸收和散射定律EnergyWavelength 紫外線(UV)：0.01-0.4m，碳酸鹽巖分布、水面油污染?？梢?jiàn)光：0.4-0.76 m，鑒別物質(zhì)特征的主要波段；是遙感最常用的波段。紅外線(IR) ：0.76-1000m。 近紅外0.76-3.0m 中紅外3.0-6.0 m； 遠(yuǎn)紅外6.0-15.0m；超遠(yuǎn)紅外15-1000 m。（近紅外又稱光紅外或反射紅外；中紅外

9、和遠(yuǎn)紅外又稱熱紅外。微波：1mm-1m。全天候遙感；有主動(dòng)與被動(dòng)之分；具有穿透能力；發(fā)展?jié)摿Υ?。a.輻射源：輻射源： 任何物體在其溫度不等于任何物體在其溫度不等于0K時(shí)時(shí),都有向周圍空間發(fā)射熱輻射的能力都有向周圍空間發(fā)射熱輻射的能力,同時(shí)也有同時(shí)也有吸收外來(lái)輻射的能力吸收外來(lái)輻射的能力.(任何物體都是輻射源任何物體都是輻射源)人工輻射源人工輻射源：主動(dòng)式遙感的輻射源。 雷達(dá)探測(cè):分為微波雷達(dá)和激光雷達(dá)。 微波輻射源：0.8-30cm 激光輻射源：激光雷達(dá)測(cè)定衛(wèi)星的位置、高度、速度、測(cè)量地形等。l自然輻射源自然輻射源l太陽(yáng)輻射：是可見(jiàn)光和近紅外的主要輻太陽(yáng)輻射：是可見(jiàn)光和近紅外的主要輻射源；常用

10、射源；常用5900K的黑體輻射來(lái)模擬；的黑體輻射來(lái)模擬；其輻射波長(zhǎng)范圍極大；輻射能量集中其輻射波長(zhǎng)范圍極大；輻射能量集中-短短波輻射。大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、反波輻射。大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、反射和散射。射和散射。l地球的電磁輻射：小于地球的電磁輻射：小于3 m的波長(zhǎng)主要的波長(zhǎng)主要是太陽(yáng)輻射的能量；大于是太陽(yáng)輻射的能量；大于6 m的波長(zhǎng)，的波長(zhǎng)，主要是地物本身的熱輻射；主要是地物本身的熱輻射；3-6 m之間，之間，太陽(yáng)和地球的熱輻射都要考慮太陽(yáng)和地球的熱輻射都要考慮。b.輻射測(cè)量輻射測(cè)量 輻射能量輻射能量 (W): 電磁輻射的能量電磁輻射的能量 (J) 輻射通量輻射通量() :單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某

11、一面積的單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積的輻射能量輻射能量 (W)輻射通量密度輻射通量密度 (E): 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的輻射能量單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的輻射能量 (W/m2)輻照度輻照度 (I): 被輻射物體表面單位面積的輻射通量被輻射物體表面單位面積的輻射通量 (W/m2)輻射出射度輻射出射度 (M): 輻射源物體表面單位面積的輻射通量輻射源物體表面單位面積的輻射通量 (W/m2)輻射亮度輻射亮度 (L): 輻射源某方向上單位投影表面單位立體角內(nèi)的輻射輻射源某方向上單位投影表面單位立體角內(nèi)的輻射通量通量 (W/sr.m2) 朗伯源朗伯源: L 與與 無(wú)關(guān)無(wú)關(guān) 的輻射源的輻射源 (絕對(duì)絕對(duì)黑體黑體

12、) 地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)；地物地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)；地物的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標(biāo)準(zhǔn)。的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標(biāo)準(zhǔn)。(自然界沒(méi)有真正的黑體自然界沒(méi)有真正的黑體) 人工人工黑體黑體 黑體：在任何溫度下，對(duì)各種波長(zhǎng)的黑體：在任何溫度下，對(duì)各種波長(zhǎng)的電磁電磁 輻射的吸收系數(shù)等于輻射的吸收系數(shù)等于1（100%）的物）的物體。體。 黑體輻射黑體輻射(Black Body Radiation )：黑體的熱輻射稱為黑體輻射。黑體的熱輻射稱為黑體輻射。(1)普朗克熱輻射定律 表示出了黑體輻射通量密度與溫度的關(guān)系以及按波長(zhǎng)分布的規(guī)律。1/1522)(kTchehc

13、TW、-波長(zhǎng)波長(zhǎng) c真空中光速真空中光速 T絕對(duì)溫度絕對(duì)溫度 h普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) k波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù) 1.3810-23J/k圖示普朗克公式圖示普朗克公式變化特點(diǎn)：變化特點(diǎn)：(1) 輻射通量密度輻射通量密度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，只有一個(gè)最大值；只有一個(gè)最大值；(2) 溫度越高，輻溫度越高，輻射通量密度越大，射通量密度越大，不同溫度的曲線不同溫度的曲線不相交；不相交；(3) 隨溫度升高，隨溫度升高，輻射最大值向短輻射最大值向短波方向移動(dòng)。波方向移動(dòng)。 (2)玻耳茲曼定律 Stefan-Boltzmanns law 即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正

14、比。因此，溫度的微小變化，就會(huì)引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測(cè)定溫度的理論基礎(chǔ)。4001/1522TdkTchehcW=5.6710-8W/m2k4 (斯忒藩斯忒藩-波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù))溫度3005001000200030004000500060007000波長(zhǎng)9.665.802.901.450.970.720.580.480.41(3)(3)維恩位移定律維恩位移定律：Wiens displacement law 隨著溫度的升高，輻射最大值對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。bT max高溫物體發(fā)射較短的電磁波高溫物體發(fā)射較短的電磁波,低溫物體發(fā)射較長(zhǎng)的電磁波低溫物體發(fā)射較長(zhǎng)的電磁波.

15、常常溫（如人體溫（如人體300K左右左右,發(fā)射電磁波的峰值波長(zhǎng)發(fā)射電磁波的峰值波長(zhǎng) 9.66m )b=2.897810-3mk5.實(shí)際物體的輻射實(shí)際物體的輻射 對(duì)于一般物體而言，需要引入對(duì)于一般物體而言，需要引入發(fā)射率發(fā)射率 (熱輻射率、比輻射率熱輻射率、比輻射率)，表明物體的發(fā)射本領(lǐng)。表明物體的發(fā)射本領(lǐng)。),(),(),(TMTMTb 非黑體的輻射通量密度與同一溫度下黑體輻射通量密度的比值非黑體的輻射通量密度與同一溫度下黑體輻射通量密度的比值發(fā)射率與地物的性質(zhì)、表面狀況、溫度（比熱、發(fā)射率與地物的性質(zhì)、表面狀況、溫度（比熱、熱慣量）、波長(zhǎng)等有關(guān)：比熱大、熱慣量大，熱慣量）、波長(zhǎng)等有關(guān)：比熱大

16、、熱慣量大，以及具有保溫作用的地物，一般發(fā)射率大，反以及具有保溫作用的地物，一般發(fā)射率大，反之發(fā)射率就小。之發(fā)射率就小。按照發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，把地物分為：黑體或絕對(duì)黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)?；殷w(grey body)：發(fā)射率小于1，常數(shù)選擇性輻射體：反射率小于1，且隨波長(zhǎng)而變化?；鶢柣舴蚨桑涸谝欢囟认?，地物單位面積上的輻射通量W和吸收率之比，對(duì)于任何物體都是一個(gè)常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W 黑。黑WW黑WW在給定的溫度下，物體的發(fā)射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大。4TW地物的熱輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會(huì)引起紅外輻射能量的明顯變化

17、。這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。任何物體在一定的溫度下，不僅向外發(fā)射紅外輻射，也發(fā)射微波輻射。二者基本相似。但微波是地物低溫狀態(tài)下的重要輻射特性，溫度越低，微波輻射越明顯。微波輻射比紅外輻射弱得多，但技術(shù)上可以經(jīng)過(guò)處理來(lái)接收。二、太陽(yáng)輻射及大氣影響二、太陽(yáng)輻射及大氣影響 太陽(yáng)是最大的天然輻射源太陽(yáng)是最大的天然輻射源 送到地球的能量約為送到地球的能量約為1.731017J/s 1.太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)常數(shù) 地球大氣層頂端地球大氣層頂端 日地平均距離日地平均距離(一個(gè)天文一個(gè)天文單位單位 1.4959851011m)處垂直于太陽(yáng)射線的單位處垂直于太陽(yáng)射線的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)接收到的太陽(yáng)輻射能量面積

18、上在單位時(shí)間內(nèi)接收到的太陽(yáng)輻射能量 I =1.360103 W/m2 2.太陽(yáng)光譜太陽(yáng)光譜 連續(xù)光譜連續(xù)光譜 夫朗和費(fèi)吸收線夫朗和費(fèi)吸收線 (暗線暗線) 69種元素種元素 輻射特性基本類似于黑體輻射特性基本類似于黑體 等效黑體溫度等效黑體溫度 5762KSolar Spectrum = Shortwave spectrum=visible spectrum: Sun at 6000K; peak emission at 0.48 m mm 太陽(yáng)能量太陽(yáng)能量99%集中在波長(zhǎng)集中在波長(zhǎng) 0.24m, 可見(jiàn)光部分占可見(jiàn)光部分占43% 最大能量在最大能量在 0.48m. 3.由于大氣影響由于大氣影響,

19、大氣頂層與地面處輻照度曲線有很大大氣頂層與地面處輻照度曲線有很大不同不同.(衰減衰減 吸收吸收 散射散射 反射反射 ) 另外真實(shí)輻照度與太陽(yáng)高度角也有關(guān)系另外真實(shí)輻照度與太陽(yáng)高度角也有關(guān)系 天頂角天頂角 太陽(yáng)高度角太陽(yáng)高度角I = I cos*D-24.大氣效應(yīng)大氣效應(yīng) a.地球大氣 分層分層: 對(duì)流對(duì)流 平流平流 電離電離 外大外大氣層氣層 成份成份: 不變成份不變成份 N2 O2 Ar CO2 CH4 NO H2 He (80km以以下相對(duì)比例不變下相對(duì)比例不變 可變成份可變成份 O3 H2O 塵塵埃埃 鹽粒鹽粒 氣溶膠氣溶膠等等b.大氣傳輸特性大氣傳輸特性 衰減電磁波衰減電磁波 (吸收吸

20、收 散射為主散射為主 ) 就可見(jiàn)光和近紅外而言，約占就可見(jiàn)光和近紅外而言，約占30，其次為散射的作用，約占其次為散射的作用，約占22，占第三位，占第三位是吸收，約占是吸收，約占17，這樣，透過(guò)大氣到達(dá)，這樣，透過(guò)大氣到達(dá)地面的能量?jī)H占入射總能量的地面的能量?jī)H占入射總能量的31 大氣的透射率：透射率與路程、大氣大氣的透射率：透射率與路程、大氣的吸收、散射有關(guān)。的吸收、散射有關(guān)。c.大氣的吸收作用大氣的吸收作用 某些大氣成份對(duì)電磁波有吸收作用某些大氣成份對(duì)電磁波有吸收作用(轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)樽陨矸肿觾?nèi)能自身分子內(nèi)能 )l氧氣：小于0.2 m；0.155為峰值。高空遙感很少使用紫外波段的原因。l臭氧：數(shù)量

21、極少，但吸收很強(qiáng)。兩個(gè)吸收帶；對(duì)航空遙感影響不大。l水：吸收太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)的介質(zhì)。到處都是吸收帶。主要的吸收帶處在紅外和可見(jiàn)光的紅光部分。因此，水對(duì)紅外遙感有極大的影響。l二氧化碳：量少；吸收作用主要在紅外區(qū)內(nèi)?？梢院雎圆挥?jì)。d.大氣散射大氣散射 其實(shí)質(zhì)是電磁波在傳輸中遇到各種微粒產(chǎn)其實(shí)質(zhì)是電磁波在傳輸中遇到各種微粒產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象生的衍射現(xiàn)象 ( (與波長(zhǎng)有關(guān)與波長(zhǎng)有關(guān)) ) 影響影響: : 降低原入射方向的強(qiáng)度降低原入射方向的強(qiáng)度, , 增加了漫增加了漫入射成份入射成份( (增加了信號(hào)中的噪聲增加了信號(hào)中的噪聲) )降低了遙感數(shù)降低了遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量、影像模糊，影響判讀。據(jù)的質(zhì)量、影像模糊，

22、影響判讀。 大氣散射集中在太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)的大氣散射集中在太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)的可見(jiàn)光區(qū)。因此，散射是太陽(yáng)輻射衰減可見(jiàn)光區(qū)。因此，散射是太陽(yáng)輻射衰減的主要原因。的主要原因。實(shí)際上分為瑞利瑞利 (分子分子)散射散射 -4 小小 散射強(qiáng)散射強(qiáng) (a )瑞利散射：當(dāng)微粒的直徑比輻射波長(zhǎng)小得多時(shí)，此時(shí)的散射稱為瑞利散射。散射率與波長(zhǎng)的四次方成反比，因此，瑞利散射的強(qiáng)度隨著波長(zhǎng)變短而迅速增大。紫外線是紅光散射的30倍，0.4微米的藍(lán)光是4微米紅外線散射的1萬(wàn)倍。瑞利散射對(duì)可見(jiàn)光的影響較大，對(duì)紅外輻射的影響很小，對(duì)微波的影響可以不計(jì)。多波段中不使用藍(lán)紫光的原因：顏色紅橙黃黃綠青蘭紫紫外線波長(zhǎng)0.70.62 0

23、.570.530.470.4 0.3散射率11.62.23.34.95.4 30.0無(wú)云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍(lán)色？朝霞和夕陽(yáng)為什么都偏橘紅色？米氏散射：當(dāng)微粒的直徑與輻射波長(zhǎng)差不多時(shí)的大氣散射。主要是大氣中的氣溶膠引起的云、霧的粒子大小與紅外線的波長(zhǎng)接近，所以云霧對(duì)對(duì)紅外線的米氏散射不可忽視。3. 無(wú)選擇性散射：當(dāng)微粒的直徑比輻射波長(zhǎng)大得多時(shí)所發(fā)生的散射。符合無(wú)選擇性散射條件的波段中，任何波段的散射強(qiáng)度相同。水滴、霧、塵埃、煙等氣溶膠常常產(chǎn)生非選擇性散射。云霧為什么通常呈現(xiàn)白色？l瑞利散射是造成圖像輻射畸變和模糊的主要原因。l米氏散射可疊加在瑞利散射之上l大氣散射增強(qiáng)了地面的輻射和大氣層的“

24、亮度”，降低了圖像的反差度。太陽(yáng)輻射衰減的原因是什么？在可見(jiàn)光和近紅外波段，大氣最主要的散射作用是什么？微波為什么具有極強(qiáng)的穿透云層的作用？為什么在選擇遙感工作波段時(shí)，要考慮大氣層的散射和吸收作用？ e. 折射折射 反射反射 折射折射:傳播方向改變傳播方向改變 直線成曲線直線成曲線 (與大氣密度有關(guān)與大氣密度有關(guān)) 反射反射:兩種介質(zhì)的交界處發(fā)生反射兩種介質(zhì)的交界處發(fā)生反射 云量多少影云量多少影響反射情況響反射情況 f.大氣窗口大氣窗口 遙感中遙感中,通常把電磁波通過(guò)大氣層時(shí)較少通常把電磁波通過(guò)大氣層時(shí)較少被反射、吸收或散射的被反射、吸收或散射的,透過(guò)率較高的波段稱為透過(guò)率較高的波段稱為大氣窗

25、大氣窗口口(也即傳感器使用的觀測(cè)波段也即傳感器使用的觀測(cè)波段).要獲得地面的信息，必須在大氣窗口中選擇遙感波段。 1）0.31.3um： 包括全部可見(jiàn)光可見(jiàn)光（95），部分紫外光（70），部分近紅外光近紅外光（80）。攝影和掃描成像的方式在白天感測(cè)和記錄目標(biāo)電磁波輻射信息。2）1.52.5um： 近紅外窗口，6095，掃描成像，白天記錄3）3.55.5um： 中紅外窗口，6070，白天夜間，掃描成像記錄4）814 um： 遠(yuǎn)紅外窗口，超過(guò)80， 白天夜間，掃描記錄5）1.4300mm： 微波窗口， 白天夜間，掃描記錄。 三、地球輻射和地物波譜三、地球輻射和地物波譜 相當(dāng)于相當(dāng)于300K黑體輻射

26、黑體輻射 ,峰值波長(zhǎng)峰值波長(zhǎng) 9.66m(屬遠(yuǎn)紅外輻屬遠(yuǎn)紅外輻射射) 1.地球輻射地球輻射 0.3-2.5m 反射太陽(yáng)反射太陽(yáng) 分段特性分段特性 2.5-6m 反射太陽(yáng)及自身熱輻射反射太陽(yáng)及自身熱輻射 6m 自身熱輻射自身熱輻射 太陽(yáng)與地球輻射的電磁波譜了解地球輻射的分段特性的意義v可見(jiàn)光和近紅外波段遙感圖像上的信息來(lái)自地物反射特性。v中紅外波段遙感圖像上，既有地表反射太陽(yáng)輻射的信息，也有地球自身的熱輻射的信息。v熱紅外波段遙感圖像上的信息來(lái)自地球自身的熱輻射特性。 l地表各種物體都具有發(fā)射電磁波的能力。由地表物體發(fā)射的電磁波一般稱為地表熱輻射。l地表物體的自身熱輻射由比輻射率、溫度、波長(zhǎng)決定

27、： M=*M0, 基爾霍夫定律 紅外輻射計(jì)來(lái)探測(cè)地表物體的溫度l 在溫度一定的情況下，物體的比輻射率隨波長(zhǎng)變化。曲線形態(tài)特殊時(shí)可以用發(fā)射率曲線來(lái)識(shí)別地面物體。2.1 地物的發(fā)射波譜2.2 地物的透射波譜2.3 地物的反射波譜地物的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律，稱為地物的發(fā)射光譜。地物發(fā)射率的不同是紅外遙感技術(shù)的重要依據(jù)。透明物體：具有透射一定波長(zhǎng)電磁波能力的物體。透射率（） ： 入射光透過(guò)物體的能量與入射總能量之比。舉例：1）水體在藍(lán)綠波段，混水1-2米，一般水體10-20米。2）微波對(duì)地物具有明顯的透射能力，由入射波的波長(zhǎng)決定。電磁波與物體相互作用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)三種情況：反射、吸收、透射，遵守能量

28、守恒定律。)()()()(EEEEs1)()()(反射率反射率定義定義:反射能量占總?cè)肷淠芰恐确瓷淠芰空伎側(cè)肷淠芰恐?= (E/E)100% (1)(實(shí)際由于物體固有結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)際由于物體固有結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)不同波長(zhǎng)對(duì)不同波長(zhǎng)的電磁波有選擇性的反射的電磁波有選擇性的反射)(a) 鏡面反射(b) 漫反射（朗伯反射）(c) 有向反射(d) 混合反射根據(jù)物體表面的粗糙程度，反射分為：航天遙感中，地球表面相對(duì)于遙感器的高度，近似視為朗伯面。漫反射：漫反射：發(fā)生在非常粗糙的表面上的一種反射現(xiàn)象。不論入射方向如何，其反射出來(lái)的能量在各個(gè)方向是一致的。 即當(dāng)入射輻照度I一定時(shí)，從任何角度觀察反射面，其反射輻照

29、亮度是一個(gè)常數(shù)，這種反射面又叫朗伯面.4) 混合反射混合反射一部分鏡面反射，一部分朗伯反射。有向反射比較復(fù)雜，反射率是入射角、反射角、入射方位角、反射方位角的函數(shù)。)()(),(sZsEsiZiMisZiZs有向反射和混合反射與電磁波的入射方向和觀察方向有關(guān)，在航空遙感中具有重要意義。地物的反射波譜與反射曲線地物的反射波譜與反射曲線 ：反射波譜是某物體的反射率（或反射輻射能）隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律，以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，反射率為縱坐標(biāo)所得的曲線。地物反射率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律地物反射率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律,反映出不同波段的不同反射率反映出不同波段的不同反射率. 物體的反射波譜限于紫外、可見(jiàn)光和近紅外，尤其是后兩個(gè)

30、波段。 地物波譜特性地物波譜特性不同地物有不同的反射波譜不同地物有不同的反射波譜 同類地物的反射光譜是相似的同類地物的反射光譜是相似的時(shí)間特性和空間特性時(shí)間特性和空間特性 (不同季節(jié)不同季節(jié) 不同時(shí)間不同時(shí)間 不同地貌位不同地貌位置置)白橡樹不同生長(zhǎng)期的反射光譜曲線白橡樹不同生長(zhǎng)期的反射光譜曲線l反射光譜特性取決于該物體與入射輻射相互作用的波長(zhǎng)選擇，即對(duì)入射輻射的反射、吸收和透射的選擇性，其中反射作用是主要的。l物體對(duì)入射輻射的選擇性作用受物體的組成成分、結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)以及物體所處環(huán)境的控制和影響。在漫反射的情況下，組成成分和結(jié)構(gòu)是控制因素。l任何物體的反射性質(zhì)是揭示目標(biāo)本質(zhì)的任何物體的反射性

31、質(zhì)是揭示目標(biāo)本質(zhì)的最有用信息。最有用信息。l各種物體由于其結(jié)構(gòu)和組成成分不同，反射光譜特性是不同的。l即：各種物體的反射特性曲線的形狀是不一樣的，即便是在某波段相似，甚至一樣，但在另外的波段還是有很大的區(qū)別的。l這個(gè)特點(diǎn)的重要性是什么？這個(gè)特點(diǎn)的重要性是什么？l物體波譜曲線特征，反映出該地物類型在不同波段的反射率，通過(guò)測(cè)量該地物在不同波段的反射率，并以此與遙感傳感器獲得的數(shù)據(jù)相對(duì)照，可以識(shí)別遙感影像中同類地物。 不同地物在不同波段有不同的反射率，物體的反射特性曲線作為判讀和分類的物理基礎(chǔ)，廣泛地應(yīng)用于遙感影像的分析和評(píng)價(jià)中。多光譜遙感、高光譜遙感v植被v土壤v水體v巖石常見(jiàn)的幾種地物類型波譜特

32、征由于植物均進(jìn)行光合作用，所以各類綠色植物具有很相似的反射波譜特性。l在近紅外波段植物的光譜取決于葉片內(nèi)部的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。l在0.7m-1.3m葉子吸收能量少，反射率來(lái)自植物葉子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成高反射。l由于葉子內(nèi)部結(jié)構(gòu)差別大，植被在近紅外的發(fā)射差異比可見(jiàn)光區(qū)域大，所以在近紅外波段內(nèi)測(cè)量植物的反射率來(lái)區(qū)別不同的植物在中紅外波段，由于植物葉子內(nèi)水的強(qiáng)烈吸收,在1.45m，1.95m，2.7m處有吸收帶。l植被類型l植被生長(zhǎng)季節(jié)l病蟲害影響l植物波譜特征大同小異，根據(jù)這些特征可以區(qū)分植被種類、生長(zhǎng)狀態(tài)等。l自然狀態(tài)下的土壤表面反射曲線呈比較平滑的特征，沒(méi)有明顯的反射峰和吸收谷。l在干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物（原生礦物和次生礦物）和土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)。重度鹽漬化重度鹽漬化輕度鹽漬土輕度鹽漬土中度鹽漬化中度鹽漬化非鹽漬土非鹽漬土輕微鹽漬化輕微鹽漬化l土壤含水量增加，土壤的反射率就會(huì)下降，在水的各個(gè)吸收帶（1.4，1.9和2.7微米處附近區(qū)間），反射率的下降尤為明顯。l純凈水體的反射主要在可見(jiàn)光的藍(lán)綠光波段，可見(jiàn)光其他波段反射很低l在近紅外和中紅外波段純凈的自然水體的反射率很低，幾乎趨近于