第二章遙感物理基礎(chǔ)

1、第二章 遙感物理基礎(chǔ)2-l電磁波與電磁波譜一、電磁波電磁波是物體運(yùn)動(dòng)的一種形式。電磁波、電磁波譜及其傳播規(guī)律是遙感技術(shù)產(chǎn)生的理論基礎(chǔ)。振動(dòng)的傳播成為波，電磁場(chǎng)振動(dòng)的傳播是電磁波。1波如抖動(dòng)繩子，繩子一端有個(gè)上下振動(dòng)的振源，振動(dòng)向前傳播，從整體看波峰和波谷向前運(yùn)動(dòng)，而繩子上各點(diǎn)世紀(jì)只作上下運(yùn)動(dòng)并不向前運(yùn)動(dòng)；水波同樣如此。波動(dòng)是各質(zhì)點(diǎn)在平衡位置振動(dòng)而能量向前傳播的現(xiàn)象。如果質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波傳播方向相同，稱為縱波，如振動(dòng)彈簧，聲波；如果質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波傳播方向垂直，成為橫波，如水波，抖繩產(chǎn)生的波等。2電磁波當(dāng)電磁振蕩進(jìn)入空間，變化的磁場(chǎng)激起變化的電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)又激發(fā)變化的磁場(chǎng)，使電磁振蕩在空間傳播

2、，產(chǎn)生電磁波。電磁波的產(chǎn)生：組成物質(zhì)的電子、原子、分子，運(yùn)動(dòng)形式有三種：電子繞原子粒作軌道運(yùn)動(dòng)及軌道躍遷；原子核在平衡位置上的振動(dòng)；分子繞質(zhì)量中心轉(zhuǎn)動(dòng)；根據(jù)能量守恒定律和能量轉(zhuǎn)換定律，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變、能量的增加與減少，將以能量輻射的形式表明出來(lái)，這就是電磁波；通常，電子躍出產(chǎn)生的電子磁波波長(zhǎng)最短，在紫外近紅外區(qū)；分子振動(dòng)狀態(tài)改變產(chǎn)生的電磁波波長(zhǎng)中等，紅外區(qū)；分子轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)改變產(chǎn)生的電磁波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，微波區(qū)電磁波的表述： 3電磁波特性a.電磁波是一個(gè)橫波：電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量相互垂直，且都垂直于波的傳播方向。b.在真空以光速傳播，滿足麥克斯韋方程：c=v,c = 速度(光速3*108m/s) =波長(zhǎng)

3、v=頻率c.電磁波具有波粒二象性：波是粒子流的統(tǒng)計(jì)平均，粒子是波的量化（1）波動(dòng)性基本特點(diǎn)是時(shí)、空周期性，由波動(dòng)方程的波函數(shù)表示：=Asin(wt-kx)+ ,電磁波的疊加、干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象均由波動(dòng)性引起。電磁波的疊加：電磁波是由于無(wú)數(shù)個(gè)不同波長(zhǎng)的波組合加而成，但電磁波的傳播是獨(dú)立進(jìn)行的。因此任何復(fù)雜的電磁波都可以分解成許多簡(jiǎn)單的電磁波。反之，通過(guò)合成可以恢復(fù)原來(lái)復(fù)雜電磁波，條件是具有適當(dāng)?shù)恼穹?、頻率和相位。如光的分解。電磁波的相干：當(dāng)相位、頻率、振動(dòng)方向相同的電磁波迭加時(shí)，會(huì)出現(xiàn)部分區(qū)域振動(dòng)加強(qiáng)，部分區(qū)域振動(dòng)減弱或消失的現(xiàn)象。相干電磁波一般是頻率很窄的單道波或微波得到的，相干圖象（微波

4、遙感/雷達(dá)遙感）與普通圖像（其他遙感）不同，需經(jīng)過(guò)特殊處理。電磁波的衍射：電磁波遇到有限大小的障礙物時(shí)，能通過(guò)障礙物的邊緣改變傳播方向的現(xiàn)象。可用于設(shè)計(jì)傳感器提高圖像的幾何分辨率。電磁波的偏振：由于電磁波是橫波（振動(dòng)方向垂直運(yùn)動(dòng)方向），當(dāng)傳播過(guò)程達(dá)到一條“狹縫”（偏振動(dòng)），只有與狹縫方向一致的電磁波分振動(dòng)（電場(chǎng)矢量）才能通過(guò)，這些通過(guò)偏振光片的電磁波被極化。電磁波的極化即為“偏振”，合成孔經(jīng)雷達(dá)成像就是利用電磁波的偏振特性。電磁波的多譜勒效應(yīng)：因輻射源或觀察者相對(duì)傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，而使接收到的電磁波頻率發(fā)生變化，當(dāng)頻率為v的波源向著觀察著運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察著接收到的頻率vv；當(dāng)波源背著觀察著運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀

5、察著接收到的頻率vv；這種現(xiàn)像叫“多譜勒頻移”。多普勒效應(yīng)對(duì)微波雷達(dá)成像，尤其是對(duì)近地目標(biāo)的探測(cè)具有重要意義，軍事上應(yīng)用比較多。 （2）粒子性基本特點(diǎn)是能量分布的量子化，電磁波是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，能量輻射或吸收，能量的最小單位，成為光子或光量子，及能量的量子化，光子同其他粒子一樣具有動(dòng)量和能量。動(dòng)量：E=hv；能量：P=h /= 波長(zhǎng) v= 頻率 h=普朗克常數(shù)波長(zhǎng)越長(zhǎng)，周期越大，頻率越小，能量越小，越易表現(xiàn)波動(dòng)性；反之，波長(zhǎng)越短，周期越小，頻率越大，能量越大，越易表現(xiàn)粒子性。電磁輻射在傳播過(guò)程中，主要表現(xiàn)為波動(dòng)性；當(dāng)電磁輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)，主要表現(xiàn)為粒子性。遙感技術(shù)正是利用電磁波的波粒

6、二象性探測(cè)目標(biāo)的電磁輻射信息的，用傳感器接收其傳播過(guò)來(lái)的輻射能量。二、電磁波譜根據(jù)波長(zhǎng)或頻率大小的變化，將電磁波依次排序，叫電磁波譜；射線射線紫外線可見(jiàn)光紅外線微波無(wú)線電波-1A-100A-0.38m-0.76m-1000m1mm-1m-100 km紫藍(lán)青綠黃橙紅0.38m-0.43m-0.47m-0.5m-0.56m-0.59m-0.62- 0.76m近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外極/超遠(yuǎn)紅外0.76m-3m-6m-15m-1000m毫米波厘米波分米波1mm1 cm10 cm-100 cm3*1011-3*1010-3*109-超短波短波中波長(zhǎng)波-10m-10m-1000m-100km3*108-3*1

7、07-3*106-3*105-3常用的遙感波段有：紫外線、可見(jiàn)光、紅外線、微波紫外線：m，太陽(yáng)輻射含有紫外線，通過(guò)大氣時(shí)，波大小于0.3m到達(dá)地面，能量較少；應(yīng)用的較晚，可探測(cè)的高度在2000m以下，不宜用作高空遙感；目前多用于探測(cè)碳酸巖分布，油污染的監(jiān)測(cè)，能提供土壤水份和作物病類信息?？梢?jiàn)光：m，由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫色光組成，人眼對(duì)該波段具有敏銳的分辨能力，是鑒別物質(zhì)的主要波段。遙感技術(shù)中主要用攝影和掃描方式接收和紀(jì)錄地物對(duì)可見(jiàn)光的反射特征。紅外線：波長(zhǎng)范圍0.76-1000m，又根據(jù)用途分為近紅外（0.76-3m），中紅外（3-6m）、遠(yuǎn)紅外（6-15m）、超遠(yuǎn)紅外（15-1000

8、m）。近紅外同可見(jiàn)光相似，常稱為光紅外，遙感中常用攝影和掃描方式接收和紀(jì)錄地物對(duì)紅外的反射特征m；中紅外、遠(yuǎn)紅外和超遠(yuǎn)紅外時(shí)產(chǎn)生熱感的原因，常稱為熱紅外，自然界任何高于絕對(duì)0 K（-273）的物體都能向外輻射紅外線，常溫物體發(fā)射紅外線的波長(zhǎng)在3-40m，而波長(zhǎng)大于15m的超遠(yuǎn)紅外易被大氣和稅分子吸收，所以遙感中常利用的是3-15m，即3-5m和8-14m，主要應(yīng)用于探測(cè)地物的輻射特征，如熱污染、火山、火災(zāi)等，由于紅外線不易為天空微粒散射，所以不受日照條件限制，白天、黑夜都可進(jìn)行，全天時(shí)遙感。微波 1mm-1m，分為毫米波、厘米波、分米波，也具有熱輻射性質(zhì)，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，有一定穿透能力(云層、水體、

9、土壤等)，主要應(yīng)用于雷達(dá)成像，不受天氣影響，可進(jìn)行全天候全天是遙感探測(cè)。其優(yōu)點(diǎn)有：微波易于聚成較窄的發(fā)射波束，近似直線傳播，不受高空100400km電離層反射的影響，自然界中的電磁波對(duì)微波干擾小，地面目標(biāo)對(duì)微波的散射性能好。三、電磁輻射源任何物體在一定溫度下都具有發(fā)射、輻射電磁波的特性。輻射源有自然輻射源和人工輻射源。1自然輻射源(1)太陽(yáng)輻射黑體輻射：黑體是“絕對(duì)黑體”的簡(jiǎn)稱，是一個(gè)理想的輻射體，在任何溫度下，對(duì)于各種波長(zhǎng)的電磁輻射的吸收系數(shù)等于1（100%）的物體，黑體的熱輻射成為黑體輻射，其反射率為0，透射率為0。反射率+透射率+吸收率=1，吸收率越大，發(fā)射率越大。太陽(yáng)輻射被看作是接近6

10、000K黑體的輻射源。太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)范圍很寬，包括射線、紫外線、紅外線、微波、無(wú)線電波。99的輻射能輻射能量主要集中在0.3-3m，大部分集中在可見(jiàn)光波段，一般稱為短波輻射。46的輻射能集中在0.40.76m的可見(jiàn)光段；有25的輻射能分布在小于0.47m的紫外線段；30分布在紅外線段；太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度在進(jìn)入大氣層前為1385w/m2s,叫“太陽(yáng)常數(shù)”或“輻射通量密度”，每年有7的被動(dòng)；太陽(yáng)輻射到達(dá)地面前，大氣對(duì)太陽(yáng)輻射由一定的吸收、散射和反射，從地面到傳感器也有一定的吸收、散射和反射，有很大的衰減。(2)地球輻射地球輻射可分為短波輻射和長(zhǎng)波輻射兩個(gè)部分。短波輻射：指波長(zhǎng)在0.32.5m的地球輻射，

11、屬于可見(jiàn)光和近、中紅外波段，主要是地球反射太陽(yáng)輻射的能量。長(zhǎng)波輻射：指波長(zhǎng)在6m以上的地球輻射，屬于熱紅外波段，主要是地物自身的熱輻射能量。而3-6m的地球輻射，是地物反射和自身熱輻射兼有。遙感探測(cè)時(shí)，傳感器接收到小于0.3m波長(zhǎng)，主要是地物反射太陽(yáng)輻射的能量，大于6m主要是地物熱輻射能量，3-6m太陽(yáng)于地球的熱輻射都要考慮。2人工輻射源人工發(fā)射一定波長(zhǎng)的波束，接受地物散射該光束返回的后向反射信號(hào)的強(qiáng)弱，從而探知地物或測(cè)距。主要是主動(dòng)遙感。(1)微波輻射源常用波段0.830cm的微波。具有全天候、全天時(shí)，具有一定的穿透力，容易區(qū)分某些物質(zhì)。(2)激光輻射源2-2地物的光譜特性地物的光譜特性是遙

12、感技術(shù)的重要理論依據(jù)，因?yàn)樗礊閭鞲衅鞴ぷ鞑ǘ蔚倪x擇提供依據(jù)，又是遙感數(shù)據(jù)正確分析和判讀的理論基礎(chǔ)，還可作為利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字圖像處理和分類是的參考標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)間特性主要反映在不同時(shí)期被測(cè)地物光譜特性的變化。空間特性主要是由被測(cè)地物光譜特性的不相同所造成的。任何地物都有各自的電磁輻射規(guī)律，即具有吸收、反射、透射某些波段的特性-地物的光譜特性。太陽(yáng)的輻射能入射到地物表面，一般會(huì)過(guò)出現(xiàn)三種過(guò)程：a.部分入射能量被地物反射；b.部分入射能量被地物吸收，成為地物的內(nèi)能再發(fā)射；c.部分入射能量透射到地物某一深度，再反射；根據(jù)能量守恒定律可得出：P0PPP其中: P0為地物接收太陽(yáng)輻射的總能量；P 為地物反射

13、能量；P為地物的吸收能量；P為地物的透射能量；公式兩端都除以P0 得：1PP0PP0PP0引伸出三個(gè)概念:地物反射率 PP0100地物吸收率/發(fā)射率 PP0100地物透射率 PP0100即+=1因地表物體大多數(shù)是不透明的 0，地物反射率1-地物的反射率可以測(cè)定，吸收率/發(fā)射率可以通過(guò)反射率來(lái)推算。在反射、吸收和透射中，應(yīng)用最普遍的仍是反射。一、地物的反射光譜特性太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層，照射到地物上，經(jīng)過(guò)地物反射到達(dá)傳感器上，攜帶地物信息。研究地物的反射光譜特性，可以對(duì)遙感影像進(jìn)行判讀和解譯。1地物的反射率地物的反射率：地物反射能量與入射總能量的比值，PP0100。由于地物的物理化學(xué)性質(zhì)差異,不同地

14、物對(duì)入射光的反射能力亦不相同。而且,同一地物對(duì)不同光譜段的反射能力差異更大。影響地物反射率的因素：入射光的波長(zhǎng)、入射角的大小以及地物表面顏色、粗糙度有關(guān)。因地物的反射能力是一個(gè)相對(duì)概念，通常所講的反射率實(shí)質(zhì)是指地物的反射系數(shù)，或叫亮度值。對(duì)數(shù)字影像來(lái)說(shuō)，反射系數(shù)是入射總量與反射總量的比值的百分率；而對(duì)于地面遙感測(cè)試求得的反射系數(shù)，則是地物反射總量與標(biāo)準(zhǔn)板反射總量比值的百分率。通常，反射率高的地物傳感器記錄的亮度值大，在黑白影像上呈現(xiàn)較淺的色調(diào)。由反射率不同引起的色調(diào)差異，是目視判讀的重要標(biāo)志。如：風(fēng)沙土類，鹽堿土基本呈白色調(diào)，而沙姜黑土或地水位淺的地段呈南深灰一黑色調(diào)；鐵軌呈白色調(diào)，農(nóng)田成灰黑

15、色調(diào)。2地物的反射光譜地物的反射率隨入射光的波長(zhǎng)變化的規(guī)律地物反射光譜。地物反射率與波長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線為地物反射光譜曲線。(1)不同地物雪：在可見(jiàn)光部分呈現(xiàn)反射特征，在藍(lán)光波段有一個(gè)強(qiáng)的反射峰，在紅外線部分則呈現(xiàn)吸收態(tài)勢(shì)。如果用全色光射影它就是白色；如果用熱紅外線掃描成像，它則呈暗色調(diào)。沙漠：在可見(jiàn)光段亦成強(qiáng)反射狀。但與雪不同的是，在黃、橙、紅波段反射率特強(qiáng)，峰值出現(xiàn)在橙色光段。因此，沙層較淺薄時(shí)，呈橙黃色，沙層較厚時(shí)呈黃褐色。濕地：在整個(gè)波段反射率均較低，僅在藍(lán)光段有一個(gè)弱的反射峰值出現(xiàn)。因此，濕地包括水體，一般在暗色調(diào)中稍帶有藍(lán)色。小麥：在藍(lán)和紅光波段是吸收帶，反射率比較低（在20以下）；

16、在綠光段和近紅外段是一個(gè)強(qiáng)反射，所以肉眼看上去是綠色；在近紅外部分反射率受葉綠素含量控制，利用這一特點(diǎn)可以監(jiān)測(cè)小麥的長(zhǎng)勢(shì)和旱、澇、病蟲(chóng)害的發(fā)生程度。植物在紅外光段的反射光譜主要是葉面內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成份等方面的差異而引起變化。如樹(shù)葉，在生長(zhǎng)期遇到干旱、蟲(chóng)病害，可引起葉綠素水平降低、葉黃素增加，表現(xiàn)在近紅波段反射率可隨病害的加重而逐漸降低。盡管病害初期肉眼不易查覺(jué)，但可以用比值法處理來(lái)拉大病害與非病害之間的亮度值，來(lái)達(dá)到適時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。由此可見(jiàn)，根據(jù)地物反譜光譜研究十分重要，是遙感工作選擇最佳波段、最佳攝影季節(jié)、最佳攝影時(shí)間的依據(jù)。(2)同類地物同類地物反射光譜相似，但隨著該地物的內(nèi)在差異而有所變

17、化。有多種因素造成的，如成分、結(jié)構(gòu)、表面、形狀等。二、地物的發(fā)射光譜特性1黑體輻射任何地物，當(dāng)溫度高于絕對(duì)溫度 273 時(shí)，都存在分子運(yùn)動(dòng)，都具有向四周輻射紅外線和微波的能力。Wj / W0黑體反射率為0，透射率為0，是理想的吸收體，吸收率=發(fā)射率，即1。黑體輻射定律：斯蒂芬波爾茲曼定律：W=T4,輻射通量密度與溫度的4次方成正比，輻射同量密度隨溫度的升高，迅速增大，溫度的微小變化會(huì)引起輻射通量的很大變化；用紅外裝置測(cè)定溫度就是根據(jù)這個(gè)定律設(shè)計(jì)的。維恩位移定律：max*T=b,輻射通量密度的峰值隨溫度的升高向短波移動(dòng)?？梢越忉岆S著爐火溫度的升高，爐焰的顏色由紅向黃再向藍(lán)轉(zhuǎn)變。黑體輻射特點(diǎn)：a.

18、黑體的輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化，曲線只有一個(gè)峰值，沒(méi)有太多的選擇性；b.溫度愈高，強(qiáng)度愈大；c.隨溫度升高,峰值向短波方向位移（由中遠(yuǎn)紅外向紅外移動(dòng)）,隨溫度降低，峰值向長(zhǎng)波方向位移（由中遠(yuǎn)紅外向微波移動(dòng)）；2地物的發(fā)射率黑體輻射是不存在的，自然地物的吸收率總在01之間。(1)地物的紅外熱輻射基爾霍夫定律：在給定任一溫度的情況下，地物單位面積的輻射通量密度Wj和吸收率之比，是一個(gè)常數(shù)，并且等于同一溫度下黑體的輻射通量密度Wa。 即:Wj /Wa根據(jù)發(fā)射率定義Wj/W0Wj/Wa所以 E根椐斯蒂芬玻爾茲曼定律，黑體的輻射通量密度可以表示為：Wd= T4為常數(shù)（5.66970.00297）10-12Wc

19、m-2k-4所以，地物的輻射通量密度Wj可寫為Wj=Wd=Wd=T4表明：紅外的輻射能量與地物的溫度4次方成比，只要有微小的溫度差異，就會(huì)引起紅外輻射能量的顯基差異，從而構(gòu)成了熱紅外遙感的理論根據(jù)。即對(duì)某一波長(zhǎng)的吸收強(qiáng)，則發(fā)射強(qiáng)；吸收弱，則發(fā)射也弱，不吸收，不發(fā)射。地物發(fā)射率與地物的性質(zhì)、表面狀況（顏色、粗糙度）有關(guān)，且是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)。粗糙的、深色調(diào)的地物吸收性好，發(fā)射率高；外表光滑的、淺色調(diào)的地物反射性為，發(fā)射率低；熱貫量大的、比熱大的、保溫性好的地物發(fā)射率高。如水體，白天水面平滑，發(fā)射率較低，晚上因比熱大，發(fā)射率反而升高。依據(jù)比熱特性、利用熱紅外線研究地?zé)?、熱污染以及地下水探測(cè)是行之有

20、效的方法。根據(jù)發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，地物可分為三種：黑體、灰體、選擇性輻射體。黑體：發(fā)射率=1，不隨波長(zhǎng)而變化?；殷w：發(fā)射率1，不隨波長(zhǎng)而變化。選擇性輻射體：發(fā)射率1，且隨波長(zhǎng)而變化。(2)地物的微波輻射任何地物在一定溫度下，在向空間發(fā)射紅外輻射的同時(shí)還發(fā)射微波輻射。而且在低溫狀態(tài)下，微波的輻射特性更加明顯。盡管這種輻射要比紅外線弱得多，但可以用無(wú)線電通訊機(jī)經(jīng)調(diào)諧接收或通過(guò)放大線路來(lái)接收。不同地物微波與紅外發(fā)射率比較地 物波 段微 波紅 外 線 = 3 cm = 3mm = 10m = 4m鋼 材0.000.000.60.90.60.9水0.380.630.990.96干 沙0.900.860.

21、950.83混 凝 土0.860.920.900.91由此可見(jiàn)，不同地物間微波發(fā)射率要比紅外線發(fā)射率的差異明顯，在可見(jiàn)光、紅線外線波段不易區(qū)分的地物，在微波波段則比較易區(qū)別。因此，微波輻射也成為遙感技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方面。3地物的發(fā)射光譜地物的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律地物發(fā)射光譜。地物發(fā)射率與波長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線為地物發(fā)射光譜曲線。地物的發(fā)射率有隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律，把不同地物的發(fā)射光譜曲線進(jìn)行對(duì)比，找出差異點(diǎn)，利用不同波段掃描，可有效的區(qū)分地物。如：從巖漿巖的發(fā)射光譜曲線比較可得到在波長(zhǎng)911m之間是一個(gè)吸收譜帶，吸收帶的谷底所在位置，隨sio2的含量的逐增而向短波方向位移。超基性巖 應(yīng)選擇11m左

22、右波段；基性巖 應(yīng)選擇10m左右波段；中性巖 應(yīng)選擇9m左右波段；酸性巖 應(yīng)選擇8m左右波段；三、地物的透射光譜特性物體除對(duì)電磁波產(chǎn)生吸收、反射輻射作用外，還會(huì)有數(shù)量不等的電磁波穿過(guò)表面到達(dá)物體內(nèi)部的某一深度，這就是物體的電磁波透射特性。其特性由物體自身性質(zhì)和電磁波長(zhǎng)所決定，透射率等于透射能量（W）與總?cè)肷淠芰縒0之比。即:=W/ W0在遙感技術(shù)應(yīng)用中，藍(lán)光（0.450.5m）的透射性來(lái)探測(cè)一定深度的水體所覆蓋的物體；微波具有透射較厚的水層、沙層的能力，常用來(lái)進(jìn)行洪澇監(jiān)測(cè)，及探查水下、冰層覆蓋的地物。透射率具有隨波長(zhǎng)變化和地物不同而變化的特性。如水體，0.450.56m（藍(lán)綠光）透射性為一般1

23、020m；在含沙量較大的深水區(qū)可透射12m深。2-3大氣和環(huán)境對(duì)遙感的影響傳感器接收到的地物反射是兩次通過(guò)大氣而衰減的太陽(yáng)輻射；從太陽(yáng)輻射圖上可以看出，大氣層外和地面上/平均海平面的太陽(yáng)輻射曲線明顯差異，其影響原因是大氣的吸收和散射造成的。地物本身發(fā)射的電磁波通過(guò)大氣層時(shí)也要衰減。大氣對(duì)電磁波的吸收、散射和透射的特性，稱為大氣傳輸特性。這種特性除了取決于電磁波波長(zhǎng)外，主要決定于大氣成分和環(huán)境的變化。一、大氣成分和結(jié)構(gòu)大氣層/圈緊緊包圍著地球，其厚度可達(dá)10003000km，直接制約著遙感技術(shù)應(yīng)用的展開(kāi)。1大氣成分a. 氣體，如N2，O2，H2O，CO，CO2，O3，CH4，N2O等；b. 懸浮

24、顆粒，固態(tài)或液態(tài)微粒如塵埃，水滴，冰晶等，可形成云霧；地表至80km以下大氣成分，除H2O，O3有變化外，其余比例基本不變，也稱為均勻?qū)樱搶又写髿馀c太陽(yáng)輻射相互作用，是太陽(yáng)輻射衰減的主要原因。2大氣結(jié)構(gòu)大氣厚度一般取1000km，由下向上依次為對(duì)流層、平流層、中間層、電離層、大氣外層。對(duì)流層：從地面算起，頂部平均位于12km處。其間高度每增加1km，氣溫下降6.1k。在對(duì)流層內(nèi)，由于大氣氣體及水溶膠體的吸收作用，使電磁波在傳播的途中受到衰減。因此研究電磁波在大氣中的傳播特性，主要是在對(duì)流層中的傳播情況。對(duì)流層是航空遙感活動(dòng)的空間。平流層：頂部距地面平均50km，層內(nèi)氣流比較穩(wěn)定，沒(méi)有垂直對(duì)流

25、。在25km以下氣溫保持在-55，在25km以上氣溫逐步增高，至55km處達(dá)到最大值（0）。平流層對(duì)電磁波傳播反映比較弱微。中間層：頂部距地表90km，氣溫隨高度增加而降低，在80km處為最低點(diǎn)為-95。電離層：頂部距地表800km，層內(nèi)氣溫隨高度增加急劇上升，在300km處可達(dá)1000以上，故又稱熱層/增溫層。電離層大氣十分稀薄，對(duì)可見(jiàn)光紅外線、微波、無(wú)線電波影響極小。是資源衛(wèi)星、軍事衛(wèi)星、試驗(yàn)衛(wèi)星主要活動(dòng)的空間。大氣外層：距地面800km以上，大氣粒子不但向外層空間散逸，對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行基本沒(méi)有影響，是通訊衛(wèi)星、空間站、航天飛機(jī)的主要活動(dòng)空間。二、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響1透射太陽(yáng)輻射在到達(dá)地表前必

26、須通過(guò)大氣層，特別是在對(duì)流層空間，約有30被云層和其他成份反射回宇宙空間，有17被吸收；有22被散射，僅有31到達(dá)地面。太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層的透射率（）為：e (+)式中：（+）為衰減系數(shù)，與波長(zhǎng)成反比。為吸收系數(shù)為散射系數(shù)x為路經(jīng)長(zhǎng)e為自然對(duì)數(shù)的底從上可以得出，太陽(yáng)到達(dá)地面的輻射強(qiáng)度決定于路經(jīng)長(zhǎng)x（可以認(rèn)為是大氣層厚度）和大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和散射作用。* 大氣厚度輻射路經(jīng)長(zhǎng)（x）的影響 表達(dá)式：x= x1 / cos= x1 / sin 式中：為太陽(yáng)高度角（地平線與太陽(yáng)的交角）為天頂角（衛(wèi)星星下點(diǎn)的地平線垂線與太陽(yáng)射線的交角）從表達(dá)式和理想太陽(yáng)光譜曲線可以得出；太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層的厚度，取決

27、于太陽(yáng)的高度角或天頂角；太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層后，總能量明顯衰減。而且，路經(jīng)越長(zhǎng)衰減幅度越大；太陽(yáng)輻射衰減在短波部分比長(zhǎng)波部表現(xiàn)更明顯；2吸收大氣中的某些成份對(duì)太陽(yáng)輻射能會(huì)產(chǎn)生選擇性的吸收，并把其轉(zhuǎn)換成熱能，使溫度升高。這種選擇性，使部分波段可通過(guò)大氣層到達(dá)地面、部分波段全部被吸收而不能到達(dá)地面、部分波段部分吸收部分到達(dá)地面。造成大氣吸收作用的主要物質(zhì)有O2、O3、H2O、CO2等。氧O2：大氣中含量占21；主要吸收小于0.2微米的太陽(yáng)輻射能，在0.155微米處吸收最強(qiáng)。在0.69和0.76微米附近有兩個(gè)窄吸收帶，能力較弱；臭氧O3：含量微?。?.010.1）吸收最強(qiáng)。0.20.36微米(紫外線)

28、強(qiáng)吸收帶；0.6微米(橙光)強(qiáng)吸收帶；水H2O：呈汽態(tài)、液態(tài)兩種形式，從可見(jiàn)光到微波，到處都分布有吸收帶，（主要分布在可見(jiàn)光和紅外線）是作用最強(qiáng)介質(zhì)。0.50.9微米區(qū)間有四個(gè)吸收帶；0.952.85微米區(qū)間有五個(gè)吸收帶；6.25微米處是強(qiáng)吸收帶，對(duì)紅外線影響最大；二氧化碳CO2：吸收作用主要在紅外區(qū)；1.352.85m，有3個(gè)寬帶弱吸收；2.7m、4.3m、14.5m為強(qiáng)吸收；塵埃：有一定的吸收作用，但吸收量較少，只有當(dāng)沙塵暴，火山爆發(fā)，大型火災(zāi)發(fā)生時(shí)才有顯著效率；3散射當(dāng)大氣中含有大量的云、霧和小水滴時(shí)，這些浮動(dòng)的小質(zhì)點(diǎn)可導(dǎo)致太陽(yáng)輻射方向的改變，從而降低傳感器的接收質(zhì)量，造成圖像的模湖不清。散射作用與輻射光波長(zhǎng)和微粒半經(jīng)有關(guān)。瑞利散射/分子散射：當(dāng)微粒直經(jīng)（d）比輻射波長(zhǎng)小的多時(shí) ，d/10，散射系數(shù)與波長(zhǎng)的四次方成反比； 當(dāng)波長(zhǎng)大于1微米時(shí)（如紅外線），可基本不用考慮分子散射的影響； 對(duì)可見(jiàn)光來(lái)說(shuō)，分子散射影響較大。如，天空中呈現(xiàn)的就是波長(zhǎng)較短藍(lán)光散射的緣故。米氏散射： 當(dāng)微粒直經(jīng)與輻射波長(zhǎng)相近時(shí)d，大氣中的氣溶膠引起散射效應(yīng)。米氏散射對(duì)紅外線影響較大。非選擇性散射：當(dāng)大氣中懸浮微粒直經(jīng)比波長(zhǎng)大得多時(shí)（d）引起的散射與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，對(duì)各波段的散射作用強(qiáng)度相當(dāng)。如：云和霧呈白色，是因?yàn)閷?duì)可見(jiàn)光的各波段散射強(qiáng)度一樣造成的。又如：當(dāng)大氣中的水滴直徑超過(guò)16