電磁輻射與地物波譜特征

電磁輻射與地物波譜特征第1頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第二章電磁輻射與地物光譜特征

本章主要內(nèi)容電磁波譜與電磁輻射太陽輻射及大氣對輻射的影響地球的輻射與地物波譜第2頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)電磁波譜與電磁輻射電磁波及其特性電磁波譜電磁輻射的度量黑體輻射第3頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一一、電磁波及其特性波的概念：波是振動在空間的傳播。機械波：聲波、水波和地震波電磁波（ElectroMagneticSpectrum)由振源發(fā)出的電磁振蕩在空中傳播。演示第4頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一電磁波是通過電場和磁場之間相互聯(lián)系傳播的：原理電磁輻射:電磁能量隨電磁波的傳遞過程（包括輻射、吸收、反射和透射）稱為電磁輻射。其傳播表現(xiàn)為光子（或稱為量子）組成的粒子流的運動。

E:電場、H:磁場、λ:波長、h:振幅

λ

h

電磁振源傳播方向一、電磁波及其特性第5頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一電磁波的特性電磁波是橫波在真空中以光速傳播電磁波在介質(zhì)中的傳播速度V為：C為光速3×108米/秒可見，電磁波在介質(zhì)中的傳播速度V總是小于在真空中的傳播速度C第6頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一3）電磁波具有波粒二象性：電磁波在傳播過程中，主要表現(xiàn)為波動性；在與物質(zhì)相互作用時，主要表現(xiàn)為粒子性，這就是電磁波的波粒二象性。波動性：把電磁振動的傳播作為光滑連續(xù)的波對待，用波長、頻率、振幅等來描述。粒子性：把電磁輻射能分解為非常小的微粒子---光子，其能量大小用頻率來描述。光是電磁波的一個特例光的波動性---表現(xiàn)在光的干涉、衍射、偏振和色散等現(xiàn)象中；光的粒子性---表現(xiàn)在光電效應(yīng)、黑體輻射等現(xiàn)象中。波粒二象性的程度與電磁波的波長有關(guān)：波長愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長愈長，輻射的波動特性愈明顯。第7頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一電磁輻射---波動性1．干涉

（interference）一列波在空間傳播時，將引起空間各點的振動；兩列（或多列）波在同一空間傳播時，空間各點的振動是各列波在該點產(chǎn)生的振動的疊加合成。這種波的疊加合成不是簡單的代數(shù)和，而是矢量和。

光的干涉同振幅、頻率和初位相（具固定位相關(guān)系）的兩列（或多列）波（相干波）的疊加合成而引起振動強度重新分布的現(xiàn)象稱為“干涉現(xiàn)象”。干涉現(xiàn)象中，在波的交疊區(qū)有的地方振幅增加，有的地方振幅減小，振動強度（取決于程差與波長的關(guān)系）在空間出現(xiàn)強弱相間的固定分布，形成干涉條紋。干涉濾光片、透鏡組、干涉雷達天線等，均應(yīng)用了波的干涉原理。

第8頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一

小孔的衍射波在傳播過程中遇到障礙物時，在障礙物的邊緣一些波偏離直線傳播而進入障礙物后面的“陰影區(qū)”的現(xiàn)象稱為“衍射現(xiàn)象”。這是由于障礙物引起波的振幅或相位的變化，導(dǎo)致波在空間上振幅或強度重新分布的現(xiàn)象。如光通過小孔，在孔后的屏上出現(xiàn)的不是一個亮點，而是一個亮斑。其亮斑周圍有逐漸減弱的明暗相間的圓環(huán)。其亮斑的大?。ㄑ苌浣铅龋┡c小孔的直徑d成反比，與波長λ成正比，即遙感中部分光譜儀的分光器件----衍射光柵等，正是運用多縫衍射原理。2．衍射（diffraction）第9頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一偏振是橫波中呈現(xiàn)出的一種特殊現(xiàn)象。電磁波作為一種橫波，其相互垂直的電場和磁場的振動方向是與傳播方向垂直的。傳播方向確定后其振動方向并不是唯一的。它可以是垂直于傳播方向的任何方向。它可以是不變的，也可以隨時間按一定方式變化或按一定規(guī)律旋轉(zhuǎn)，即出現(xiàn)偏振現(xiàn)象（微波中稱為“極化”）。通常把電場振動方向的平面稱為偏振面。若偏振面方向固定，不隨時間而改變，則為線性偏振（線性極化或平面極化）。沿一個固定方向振動的光為偏振光，一些人造“光源”（如激光和無線電、雷達發(fā)射）常有明確的極化狀態(tài)；太陽光是非偏振光（所有方向的振幅相等，無一優(yōu)勢方向）；介于兩者之間的為部分偏振光--許多散射光、反射光、透射光均屬此類。電磁波在反射、折射、吸收、散射過程中，不僅其強度發(fā)生變化，其偏振狀態(tài)也往往發(fā)生變化。這種偏振狀態(tài)的改變也是一種可以利用的遙感信息。3．偏振（Polarization）第10頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一線性極化類型任一振動方向的電磁波總可以分解為兩個特定的偏振（極化）方向。電矢量E的振動面垂直入射面的線偏振稱為水平極化，平行入射面的線偏振稱為垂直極化。第11頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第12頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一

電磁波的“粒子性”是指電磁輻射除了它的連續(xù)波動狀態(tài)外，還能以離散形式存在，其離散單元稱為光子或量子。大量實驗證明，光照射在金屬上能激發(fā)出電子，稱為光電子。光電子的能量與光的強度、光照的時間的長短無關(guān)，而僅與入射光的頻率有關(guān)。光電倍增管、電視攝象管等光電器件，正是運用光電效應(yīng)原理制作的。光電效應(yīng)現(xiàn)象用光的波動性是無法解釋的。普朗克用模型來說明光電效應(yīng)，并指出電磁輻射能量Q的大小直接與電磁輻射的頻率ν成正比，可表示為：

（h為普朗克常數(shù)，取值為6.626×10-34焦耳·秒）已知，則可得：可見，輻射能量Q與它的波長λ成反比。即電磁輻射波長越長,其輻射能量越低。這對遙感是有重要意義的，如地表的微波發(fā)射要比熱紅外輻射低（更難感應(yīng)）。電磁輻射---粒子性第13頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一二、電磁波譜電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長按其長短，依次排列制成的圖表。

在電磁波譜中，波長最長的是無線電波，其次是紅外線、可見光、紫外線、X射線；波長最短的是γ射線

電磁波的波長不同，是因為產(chǎn)生它的波源不同。

無線電波是振蕩電路中自由電子作周期性的運動產(chǎn)生的．紅外線是由于分子的振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷時產(chǎn)生的.可見光、紫外線是原子外層電子受激發(fā)產(chǎn)生的．X射線是原子內(nèi)層電子受激發(fā)產(chǎn)生的．γ射線是原子核受激發(fā)產(chǎn)生的．第14頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一TheElectromagneticSpectrumMorethanmeetstheeye!第15頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一LanguageoftheEnergyCycle:

TheElectromagneticSpectrumEnergyWavelengthl常用電磁波分類名稱和波長范圍第16頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一1.紫外線

波長范圍為0.01—0.4微米。太陽輻射中的紫外線通過大氣層時，波長小于0.3微米紫外線幾乎都被吸收，只有0.3—0.4微米波長的紫外線部分能夠穿過大氣層到達地面，能量很少，并能使溴化銀感光。紫外線在遙感中主要用于探測碳酸鹽分布和油污染的監(jiān)測等。由于紫外線從空中可探測的高度大致在2000m以下，因此紫外線對高空遙感不宜采用。2、遙感常用的電磁波波段的特性第17頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一2、遙感常用的電磁波波段的特性

2.可見光波長范圍為0.38—0.76微米，由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫色光組成。人眼對可見光的全色光和單色光都可直接感覺，因此可見光是作為鑒別物質(zhì)特征的主要波段。第18頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一2、遙感常用的電磁波波段的特性波長范圍為0.76—1000微米近紅外（0.76—3微米）主要是地面反射太陽的紅外輻射，在遙感技術(shù)中可以采用攝影方式和掃描方式，接收和記錄地物對太陽輻射的紅外反射，但由于目前技術(shù)的限制，目前只能感測0.76—1.3微米的波長范圍。中紅外（3—6微米），遠紅外（6—15微米）和超遠紅外（15—1000微米）是產(chǎn)生熱感的原因，所以又稱熱紅外。在遙感技術(shù)中主要利用3—16微米波段，具有全天時的特性。

3.紅外線第19頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一4.微波

波長范圍為1mm—1m。微波又可分為：毫米波、厘米波和分米波。微波也具有熱輻射特性，可以穿透云、霧不受天氣影響，所以微波能進行全天候全天時遙感。微波遙感可以采用主動和被動方式成像，對某些物質(zhì)如植被、冰雪、土壤等表層覆蓋物具有一定的穿透能力。因此它也是遙感中最有發(fā)展?jié)摿Φ牟ǘ巍?、遙感常用的電磁波波段的特性第20頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一輻射能量W電磁輻射是具有能量的，它表現(xiàn)在：?使被輻照的物體溫度升高?改變物體的內(nèi)部狀態(tài)?使帶電物體受力而運動……輻射能量（W）的單位是焦耳（J）1/11三、電磁輻射的度量第21頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一輻射通量(radiantflux)Φ在單位時間內(nèi)通過的輻射能量稱為輻射通量：

Φ=W/t輻射通量（Φ）的單位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）2/11三、電磁輻射的度量第22頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一輻射通量密度(irradiance)E、(radiantexitance)M單位面積上的輻射通量稱為輻射通量密度：E輻照度=Φ/AM輻射出射度=Φ/A輻射通量密度的單位是瓦/米2（W/m2）輻射源輻照度輻射出射度被輻照物輻射體法向3/11三、電磁輻射的度量第23頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一指點輻射源在單位立體角、單位時間內(nèi)，向某一方向發(fā)出的輻射能量，即點輻射源(O)在某一方向上(、)單位立體角(d)內(nèi)發(fā)出的輻射通量，單位為瓦/球面度(wsr-1)，表達為：輻射強度I（radiantintensity）輻射強度點輻射源dAzyxO點源的輻射強度(極坐標(biāo)中)微小立體角元：dΩ=dA/R2=sinθdθdφ三、電磁輻射的度量第24頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一輻射亮度

L：輻射亮度，簡稱輻亮度，指面輻射源在單位立體角、單位時間內(nèi)，在某一垂直于輻射方向單位面積（法向面積）上輻射出的輻射能量，即輻射源在單位投影面積上、單位立體角內(nèi)的輻射通量，如右圖所示，單位為瓦/米2·球面度（wm-2sr-1

），表達為：Ф

Acosθθ

A輻射亮度（radiance）遙感觀測的是輻射亮度值L。三、電磁輻射的度量第25頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一小結(jié)輻射度量一覽表輻射量符號定義單位輻射能量Q焦耳(J)輻射通量Φ(2)Q/t(λ)瓦(W)輻照度E(2)Φ/A(λ)瓦/米2(W/m2)輻射出射度M(2)Φ/A(λ)瓦/米2(W/m2)輻射強度I(2)Φ/Ω(λ)瓦/球面度(W/Sr)輻射亮度L2(3)Φ/AΩ(λ)瓦/米2?球面度(W/m2?Sr)7/11第26頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一四、黑體輻射地物發(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)。黑體：在任何溫度下，對各種波長的電磁輻射的吸收系數(shù)等于1（100%）的物體。黑體輻射(BlackBodyRadiation)：黑體的熱輻射稱為黑體輻射。第27頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一PowerSource:BlackbodyRadiation

Planck’sLaw:TheamountandspectrumofradiationemittedbyablackbodyisuniquelydeterminedbyitstemperatureMaxPlanck(1858–1947)NobelPrize1918Emissionfromwarmbodiespeakatshortwavelengthswavelength620K380K第28頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一3、黑體輻射定律(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)系以及按波長分布的規(guī)律。M四、黑體輻射第29頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一黑體輻射的三個特性輻射通量密度隨波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個最大值。溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不同。隨著溫度的升高，輻射最大值所對應(yīng)的波長向短波方向移動。輻射出射度可見光波段輻射能太陽溫度白熾燈溫度地球溫度波長(μm)不同溫度下的黑體輻射第30頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一

(2)斯特藩－玻耳茲曼定律

Stefan-Boltzmann'slaw

即黑體總輻射出射度隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測定溫度的理論基礎(chǔ)。M3、黑體輻射定律第31頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一(3)維恩位移定律：Wien'sdisplacementlaw

隨著溫度的升高，輻射最大值對應(yīng)的峰值波長向短波方向移動（即黑體的峰值波長與溫度成反比）。表不同溫度T所對應(yīng)的λmax300500100020003000400050006000700080009.665.762.881.440.960.720.580.480.410.36地球溫度太陽溫度3、黑體輻射定律第32頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一4、地物的發(fā)射率和基爾霍夫定律發(fā)射率(Emissivity)：地物的輻射出射度（單位面積上發(fā)出的輻射總通量）M與同溫下的黑體輻射出射度M黑的比值。它也是遙感探測的基礎(chǔ)和出發(fā)點。影響地物發(fā)射率的因素：

地物的性質(zhì)、表面狀況、溫度（比熱、熱慣量）：比熱大、熱慣量大，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。MM黑第33頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一按照發(fā)射率與波長的關(guān)系，把地物分為：黑體或絕對黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)?；殷w(greybody)：發(fā)射率小于1，常數(shù)選擇性輻射體：發(fā)射率小于1，且隨波長而變化。4、地物的發(fā)射率和基爾霍夫定律第34頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一基爾霍夫定律：在一定溫度下，地物單位面積上的輻射通量密度M和吸收率之比，對于任何物體都是一個常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量密度M黑。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。地物的熱輻射強度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。MM黑M黑MM第35頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)太陽輻射及大氣對輻射的影響一、太陽輻射(被動遙感最主要的輻射源）

1.太陽常數(shù)第36頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一2.太陽光譜太陽發(fā)射的電磁輻射在地球大氣頂層隨波長的分布稱為太陽光譜。極大值位于0.47μm，維恩位移定律λmaxT=2.897810-3mK，色溫Tsun?8/11Wien’sdisplacementlaw夫瑯和費(Fraunhofer)吸收線第37頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一2.太陽光譜太陽的輻射波譜（x射線～無線電波），是個綜合波譜。太陽輻射的大部分能量集中于近紫外—中紅外（0.31—5.6μm）區(qū)內(nèi)，占全部能量的97.5%。其強度隨時間、地點而變化太陽輻射能各譜段的百分比

λ波段%<10?10—2000?X、γ射線遠紫外0.020.20—0.31μ中紫外1．950.31—0.38μ近紫外5．320.38—0.72μ可見43．500.72—1.5μ近紅外36．801.5—5.6μ中紅外12．005.6—1000μ>1000μ遠紅外微波0．41第38頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)太陽輻射及大氣對輻射的影響大氣的成分和結(jié)構(gòu)大氣對太陽輻射的吸收與散射大氣窗口及透射二、大氣對太陽輻射的影響第39頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第40頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第41頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一（一）、大氣的成分第42頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第43頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一大氣的主要成分*aconcentrationneartheearth'ssurface第44頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一（一）大氣的成分第45頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一（一）大氣的成分氣溶膠第46頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第47頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一（二）、大氣的結(jié)構(gòu)大氣的垂直分層：對流層、平流層、中氣層、熱層和大氣外層。1.對流層：上界往往隨緯度、季節(jié)等因素而變化（7-19km）。它集中了主要的大氣現(xiàn)象。航空遙感活動區(qū)。遙感側(cè)重研究電磁波在該層內(nèi)的傳輸特性。2.平流層：（至50km）包括底部的“同溫層”（至20km）和隨高度上升溫度緩慢上升的“暖層”。層內(nèi)除季節(jié)性的風(fēng)外，幾乎沒有什么天氣現(xiàn)象。對電磁波傳輸表現(xiàn)較為微弱。3.中氣層：（至80km）介于上下兩個暖層之間，又稱“冷層”，溫度隨高度增加而遞減，大約在80km處降到最低點約178K（-95℃），也是整個大氣最低點。。4.熱層：又稱增溫層，電離層。層內(nèi)空氣稀薄，溫度很高.可達1500K。無線電波在該層發(fā)生全反射現(xiàn)象.而對遙感使用的可見光、紅外直至微波的影響較小，基本上是透明的。衛(wèi)星的運行空間。5.大氣外層：1000公里以外的星際空間。對衛(wèi)星的運行基本上沒有影響。第48頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一（三）、大氣對太陽輻射的影響太陽輻射的衰減過程：30%被云層和其他大氣成分反射回宇宙空間；17%被大氣吸收；22%被大氣散射；31%到達地面。大氣的透射率公式：透射率與路程、大氣的吸收、散射有關(guān)。第49頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第50頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第51頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第52頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第53頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一大氣的吸收作用（總結(jié)）大氣中的氮氣對電磁波的作用都在紫外光以外的范圍內(nèi)氧氣：小于0.2

μm；0.155為峰值。高空遙感很少使用紫外波段的原因。臭氧：數(shù)量極少（0.01%-0.1%)，但吸收很強。在(0.2-0.3μm）處于強吸收帶，此外在0.6μm、9.6μm處吸收也很強；對高度<10km的航空遙感影響不大。水：吸收太陽輻射能量最強的介質(zhì)。到處都是吸收帶。主要的吸收帶處在紅外和可見光的紅光部分。因此，水對紅外遙感有極大的影響。而水汽的含量隨時間、地點而變化。二氧化碳：量少；吸收作用主要在紅外區(qū)內(nèi)。特別是在以14.5μm為中心，形成了一個13－17μm強吸收波段，由于CO2的相對含量近似恒定，該吸收波段用以遙測大氣溫度垂直分布的主要手段。塵埃：有一定的吸收作用，量少。第54頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一Absorption大氣的選擇性吸收，對遙感系統(tǒng)影響很大，不僅能使氣溫升高、能量衰減，而且使太陽發(fā)射的連續(xù)光譜中的某些波段不能傳播到地球表面。第55頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一AbsorptionofEMenergybytheatmosphere第56頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一2.大氣的散射作用大氣中各種成分對太陽輻射吸收的顯著特點，是吸收帶主要位于太陽輻射的紫外和紅外區(qū)，而對可見光區(qū)基本上是透明的。但當(dāng)大氣中含有大量云、霧、小水滴時，由于大氣散射使得可見光區(qū)也變成不透明了。散射不同于吸收，它不會使大氣中各質(zhì)點把輻射能變成自身的內(nèi)能，而是改變傳播方向。散射作用：太陽輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個方向散開。改變了電磁波的傳播方向；干擾傳感器的接收；降低了遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量、影像模糊，影響判讀。大氣散射集中在太陽輻射能量最強的可見光區(qū)。因此，散射是太陽輻射衰減的主要原因。第57頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一ScatteringofEMenergybytheatmosphere第58頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一大氣散射（Atmosphericscattering

）大氣散射強度依賴于微粒大小、含量、波長和大氣厚度。大氣中的主要散射微粒：

氣體分子

（gasmolecules）

(約10-8cm)

固態(tài)氣溶膠（solidaerosols）

(0.1to1.0μm)

云中小水滴（cloudwaterdroplets）

(1to10μm)

云中冰晶

（cloudicecrystals）

(1to100μm)

冰雹

（hail）

(約10cm)

第59頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一(1)。瑞利散射（Rayleigh）

:

當(dāng)d<<λ時出現(xiàn)。大氣中的氣體分子O2、N2等對可見光的散射屬此類。其散射強度與波長的4次方成反比。波長越短、散射越強。當(dāng)波長>1μm時，瑞利散射可以忽略不計。（紫外線是紅光散射的30倍，0.4微米的藍光是4微米紅外線散射的1萬倍。）瑞利散射對可見光的影響較大，對紅外輻射的影響很小，對微波的影響可以不計。它多在9—10km的晴朗高空發(fā)生(“蘭天”正是瑞利散射的一種表現(xiàn))。三種散射作用第60頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一RelationshipbetweenpathlengthofEMradiationandthelevelofatmosphericscatter第61頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第62頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一

(2).米氏散射（Mie）:

當(dāng)d≈λ時出現(xiàn)。主要是由大氣中的氣溶膠引起。對近紫外～紅外波段的影響都存在。云、霧的粒子大小與紅外線的波長接近，所以云霧對紅外線的米氏散射不可忽視。米氏散射多在大氣低層0—5km，其強度受氣候影響較大。它疊加于瑞利散射之上，使天空變得陰暗。散射系數(shù)與波長的負(fù)二次方成正比第63頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一(3)．無選擇性散射當(dāng)d>>λ時，出現(xiàn)無選擇性散射，其散射強度與波長無關(guān)。大氣中云、霧、水滴、塵埃(一般直徑5—100μm)的散射屬此類。它大約同等的散射所有可見光、近紅外波段。因而，云、霧呈白色、灰白色。

（小結(jié)，小雨滴對微波的散射P30）第64頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一Non-SelectivescatterofEMradiationbyacloud第65頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一大氣散射降低了太陽光直射的強度，改變了太陽輻射的方向；削弱了到達地面或地面向外的輻射。它是造成遙感圖像輻射畸變、圖像模糊的主要原因。大氣散射產(chǎn)生天空散射光，增強了地面的輻照和大氣層本身的“亮度”；使人們有可能在陰影處得到物體的部分信息；并使暗色物體表現(xiàn)得比它自身的要亮，使亮物體表現(xiàn)得比它自身的要暗。它降低了遙感影像的反差（對比度），降低了圖像的質(zhì)量（清晰度）及圖像上空間信息的表達能力（靈敏度）。

因此，遙感器常利用濾光片，阻止蘭紫散射光透過。散射對低層大氣（約低于3km）尤為重要。這是與大氣粒子的粒徑、含量及有效性的增加密切相關(guān)的。第66頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)論

太陽輻射衰減的原因是什么？在可見光和近紅外波段，大氣最主要的散射作用是什么？無云的晴天，天空為什么呈現(xiàn)藍色？朝霞和夕陽為什么都偏橘紅色？微波為什么具有極強的穿透云層的作用？為什么在選擇遙感工作波段時，要考慮大氣層的散射和吸收作用？第67頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一（四）第68頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一(四)、大氣窗口1、大氣窗口：通過大氣而較少被反射、吸收或散射的透射率較高的電磁輻射波段。大氣窗口是選擇遙感工作波段的重要依據(jù)。常見的大氣窗口：第69頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第70頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第71頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一大氣透射的定量分析第72頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)：地球的輻射與地物波譜主要內(nèi)容：地球輻射地球輻射的分階段特征地物的波譜特性（反射、發(fā)射、透射）地物反射類型常見地物的反射波譜特征第73頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一EarthSpectrumIncomingfromSun:Highenergy,shortwavelengthOutgoingfromEarthLowenergyLongwavelength0.5mm10mm20mm第74頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一·0.3～2.5μm（主要在可見光與近紅外波段，短波輻射）---以地表反射太陽輻射為主，地球自身的熱輻射可忽略不計；·2.5～6μm（中紅外輻射）---地表反射太陽輻射和地球自身的熱輻射均是被動遙感的信息源，不能忽略?！?μm以上（長波輻射）---只考慮地表物體自身的熱輻射，而地表反射太陽輻射的影響極小。地球輻射的分波段特性第75頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第76頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第77頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第78頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第79頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第80頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第81頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一

EI(λ)=ER(λ)+EA(λ)+ET(λ)

入射能EI反射能ER吸收能EA

透射能ET太陽光通過大氣層，照射到地球表面，地物會發(fā)生吸收、反射和透射，反射后的短波輻射一部分為遙感器接收。一、地物的反射光譜特性對于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即為弱輻射體；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。地物波譜地物的反射第82頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一地物對某一波段的反射能量與入射能量之比。它是波長的函數(shù)，又稱為光譜反射率

，被定義為：

以百分?jǐn)?shù)表示,其值在0—1之間，為無量綱的量.1地物的反射率（反射系數(shù)或亮度系數(shù)）：影響地物反射率大小的因素：地表顏色與粗糙度入射電磁波的波長入射角的大小根據(jù)地表目標(biāo)物體表面性質(zhì)的不同，物體對電磁波的反射有三種形式：鏡面反射、漫反射、方向反射。地物波譜第83頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一式中，h為第一平面以上的高度度量（以波長計）；

為波長為入射角。

任一表面的反射特性是由其表面幾何形態(tài)—粗糙度支配的，而粗糙度是相對于入射波長而言的，也就是依據(jù)表面幾何形態(tài)與輻射波長的關(guān)系而定的。表面粗糙度是入射波長的函數(shù)。關(guān)于表面粗糙度的瑞利判別準(zhǔn)則是：若為光滑表面；反之，為粗糙表面。（a）鏡面反射

（b）漫反射(c)方向反射反射的三種形式第84頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一鏡面反射定義：發(fā)生在光滑表面的一種反射。特點：入射能量全部或幾乎全部在同一平面內(nèi)按相反方向反射，且反射角等于入射角。對可見光而言，在鏡面、光滑金屬表面、平靜水體表面均可發(fā)生鏡面反射；而對微波而言，由于波長較長，故馬路面也符合鏡面反射規(guī)律。（1）鏡面反射

----specularreflection第85頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一（2）漫反射

----diffusereflection定義：發(fā)生在非常粗糙的表面上的一種反射現(xiàn)象特點：入射能量在所有方向均勻反射，即入射能量以入射點為中心，在整個半球空間內(nèi)向四周各向同性的反射能量。又稱朗伯(Lambert)反射，也稱各向同性反射。一個完全的漫射體稱為朗伯體。如對可見光而言，土石路面、均一的草地表面均屬漫射體漫反射漫反射面按朗伯余弦定律反射，可表達式為：式中，θ為觀測方向與法線的夾角；

I(θ)為θ方向的輻射強度；

I0為法線方向的輻射強度.第86頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一（3）方向反射

----Directionalreflection

(實際物體的反射）定義：介于鏡面和朗伯面（漫反射面）之間的一種反射。自然界中絕大多數(shù)地物都屬于這種類型的反射，又稱非朗伯面反射。特點：對太陽短波輻射的反射具有各向異性。即：實際物體表面在有入射波時各個方向都有反射能量，但大小不同。反射輻射亮度的大小既與入射方位角和天頂角有關(guān)，也與反射方向的方位角與天頂角有關(guān)。（鏡面反射也可認(rèn)為是方向反射的一個特例。）方向反射第87頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一實際物體反射設(shè)φi、θi分別為入射方向的方位角和天頂角，φr、θr分別為某一反射方向的方位角和天頂角。那么方向反射因子ρ’可以表示為：Ii為某一方向入射輻射的照度；Lr為觀察方向的反射亮度。這些物理量均與方位角和天頂角有關(guān)，只有當(dāng)朗伯體時才都成為與角度無關(guān)的量。

第88頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一實際物體反射

入射輻照度Ii應(yīng)該由兩部分組成:

太陽的直接輻射，是由太陽輻射來的平行光束穿過大氣直接照射地面，其輻照度大小與太陽天頂角和日地距離有關(guān)；

太陽輻射經(jīng)過大氣散射后又漫入射到地面的部分，因為是從四面八方射入，其輻照度大小與入射角度無關(guān)。第89頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第90頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一

不同地物的反射率0.6第91頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第92頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第93頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第94頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一植被的病蟲害第95頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一土壤反射波譜曲線

自然狀態(tài)下土壤表面的反射率沒有明顯的峰值和谷值，一般來講土質(zhì)越細(xì)反射率越高，有機質(zhì)含量越高和含水量越高反射率越低，此外土類和肥力也會對反射率產(chǎn)生影響。由于土壤反射波譜曲線呈比較平滑的特征，所以在不同光譜段的遙感影像上，土壤的亮度區(qū)別不明顯。第96頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第97頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第98頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第99頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第100頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第101頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第102頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一巖石反射波譜曲線巖石的反射波譜曲線無統(tǒng)一的特征，礦物成分、礦物含量、風(fēng)化程度、含水狀況、顆粒大小、表面光滑程度、色澤等都會對曲線形態(tài)產(chǎn)生影響。幾種巖石的反射波譜曲線

第103頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)射光譜：溫度一定時，地物的發(fā)射率隨波長變化的規(guī)律。發(fā)射光譜曲線：按照發(fā)射率和波長之間的關(guān)系繪成的曲線。巖石的發(fā)射光譜分析（圖2-12）地物波譜二、地物的發(fā)射光譜特性第104頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一右圖顯示：隨著各種巖漿巖中sio2含量的降低，巖石發(fā)射光譜曲線的谷值向長波方向移動。地物波譜第105頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一典型地物的熱特性一般地物白天受太陽輻射影響，溫度較高、呈暖色調(diào)；夜間物質(zhì)散熱，溫度較低，呈冷色調(diào)。土壤、巖石尤為明顯。水體：比熱大、熱慣性大、對紅外幾乎全吸收、自身輻射發(fā)射率高，以及水體內(nèi)部以熱對流方式傳遞溫度等特點，使水體表面溫度較均一，晝夜溫度變化慢而小。因而白天水熱容量大，升溫慢，比周圍土壤巖石溫度低，呈冷色調(diào)（暗色調(diào)）；夜晚，水的貯熱能力強，熱量不易很快散失，比周圍土壤、巖石溫度高，呈暖色調(diào)（淺色調(diào)）。因此，任何水體的熱標(biāo)記可作為判斷熱紅外成像時間的可靠指標(biāo)（水體周圍為冰雪覆蓋的例外）。濕地：晝夜均比干燥地面冷，這是因為水分蒸發(fā)時的冷卻效應(yīng)。地物波譜第106頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一綠色林地（樹）：輻射溫度較高，夜間圖像具暖標(biāo)記，而白天雖受陽光照射，但因水分蒸騰作用降低葉的溫度，升溫不甚明顯，使植被較周圍土壤溫度低。（不過針葉林有些例外，這是因為其樹冠針葉叢束的合成發(fā)射率高。）農(nóng)作物覆蓋區(qū)：由于作物覆蓋隔開了地面土壤，使之保持一定熱量，從而造成農(nóng)作區(qū)夜間也呈暖色，與裸露土壤的冷色調(diào)相對照。人工鋪設(shè)區(qū)如街道、停車場，白天比周圍區(qū)域加熱得溫度更高，而夜里因散熱較慢，仍保持比周圍土壤溫度高些。研究巖石、植被、土壤和水體的熱紅外特性，紅外輻射溫度的日變化特性等，是熱圖像判讀的基礎(chǔ)，也是建立各種熱模型（如土壤水分的熱慣量模型等），反演地表相關(guān)參數(shù)的必要條件。地物波譜第107頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一居民區(qū)-夜間熱圖像（航片）白---紅表征“熱點”

地物波譜第108頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一水體與

陸地的

航空熱紅外

圖像

（冬季）

a.清晨6點（空氣溫度－9℃）；

b.上午8點；c.午后14點（空氣溫度－2℃）；d.第二天上午11點（空氣溫度－4℃）第109頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一透射率：入射光透射過地物的能量與入射總能量的百分比。透射率隨著電磁波的波長和地物的性質(zhì)而不同。（如：水體對0.45-0.56um的藍綠光具有一定的透射能力，較渾濁水體的透射深度為1－2m，一般水體的透射深度可達10－20m?？梢姽?、紅外、微波的透射能力。

一般情況下，絕大多數(shù)地物對可見光都沒有透射能力，紅外線只對具有半導(dǎo)體特征的地物才有一定的透射能力，微波對地物具有明顯的透射能力，這種透射能力主要由入射波的波長而定。三、地物的透射光譜特性第110頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一地物波譜特性的影響因素地物波譜特性是復(fù)雜的，它是受多種因素控制的，本身也是因時因地在變化著。以植物波譜為例，·植物冠層的組分、形狀結(jié)構(gòu)（與葉的類型、植物生長階段等有關(guān)）；·植物背景----主指土壤

（土壤濕度、土壤有機質(zhì)含量等）；·輻照及觀測方向（包括地形起伏改變輻照方向）；·大氣狀況、氣候變化、大氣透過率等?？梢?，地物波譜特性是隨時間、地點、環(huán)境背景等的變化而變化,影響因素很多，是一種綜合作用的結(jié)果。正是地物波譜的復(fù)雜性構(gòu)成了遙感影像解譯具有一定的不確定性.由于難以將這些干擾因素逐項加以定量消除，因而定量遙感研究中需要通過大量地面樣本分析建立先驗知識，確定遙感模型的約束條件，以便提高定量遙感的精度。第111頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一上海技物所地物波譜是遙感識別目標(biāo)的前提，對它的研究與測試，是遙感重要的基礎(chǔ)性研究工作；地物波譜是遙感定量化的依據(jù)，是聯(lián)系遙感基礎(chǔ)研究與遙感應(yīng)用的橋梁，是研究遙感成像機理、選擇遙感儀器最佳探測波段、研制遙感儀器，以及遙感圖像分析、數(shù)字圖像處理中最佳波段選擇、專題信息提取、提高遙感精度等的重要依據(jù)，也是遙感應(yīng)用分析的基礎(chǔ)；地物波譜庫是空間信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分。第112頁，共125頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)：地物波譜特征的測量電磁波譜中，可見光和近紅外波段（0.3~2.5μm）是地表反射的主要波段，多數(shù)傳感器