第二章遙感的物理基礎

第二章遙感的物理基礎

本章主要內容電磁波與電磁波譜地物的光譜特性大氣和環(huán)境對遙感的影響地物波譜特征的測定遙感原理第一節(jié)電磁波與電磁波譜電磁波及其特性電磁波譜電磁輻射源遙感原理一、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)出的電磁振蕩在空氣中傳播。演示遙感原理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

電磁振源傳播方向遙感原理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中的傳播速度V為：C為光速3×108米/秒可見，電磁波在介質中的傳播速度V總是小于在真空中的傳播速度C遙感原理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、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：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。遙感原理電磁輻射---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，均應用了波的干涉原理。

遙感原理

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)。其亮斑的大小（衍射角θ）與小孔的直徑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）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，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）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。遙感原理遙感原理

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，而僅與入射光的頻率有關。光電倍增管、電視攝象管等光電器件，正是運用光電效應原理制作的。光電效應現(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，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）。電磁輻射---粒子性1）波長λ：指波在一個振動周期內傳播的距離。即沿波的傳播方向，兩個相鄰的同相位點間的距離。單位為cm、mm、m、nm等。2）頻率：指單位時間內，完成振動或振蕩的次數(shù)或周期。

單位為Hz、KHz、MHz、GHz

等。電磁波的波長λ、頻率ν及速度間有如下關系：

電磁波在真空中以光速米/秒（ms-1）傳播，在介質中小于但接近于光速傳播。

一般用波長或頻率來描述或定義電磁波譜的范圍。

波數(shù)：被定義為在波的傳播方向單位長度內所含波長的數(shù)目，即波長的倒數(shù)（1/λ），單位為cm-1。3）振幅h：表示電場振動的強度。它指振動物理量偏離平衡位置的最大位移，即每個波峰的高度。單位為瓦特/米2·厘米（wm-2cm-1）電磁能量的主要參數(shù)右圖:表示單位波長間隔內的輻射通量------光譜輻射通量，表達為：Φ（λ）=dΦ/dλ單位為瓦/微米（wμm-1）?！ぃ╮adiantflux），又稱輻射功率，指單位時間內，通過某一表面的輻射能量。單位為瓦（w），即焦耳/秒(Js-1)，表達為：Φ=dQ/dt輻射通量是波長的函數(shù)。

光譜輻射通量

光譜輻射通量光譜分布曲線光譜輻射通量輻射通量

λ1λ2

波長輻射通量

Φ

·輻射出射度M

（radiantexitance），指面輻射源在單位時間內，從單位面積上輻射出的輻射能量，即物體單位面積上發(fā)出的輻射通量（Φ=dQ/dt），單位為瓦/米2（wm-2

），表達為：dAdAdφ·輻射照度E

（irradiance），簡稱輻照度，指面輻射源在單位時間內，從單位面積上接收的輻射能量，即照射到物體單位面積上的輻射通量，單位為瓦/米2（wm-2），表達為：輻射通量密度θ立體角Ω

“立體角”---一個錐面所圍成的空間部分。它以錐的頂點為圓心，半徑為1的球面被錐面所截的面積來度量，常用表示，其度量單位為“球面度”。Ω=A/R2（R為球半徑，A為球面積）一個球體由球心對全球面所張立體角為4球面角（=4）；

半球面所張立體角為2球面角（=2）。立體角

Ω---球面度

sr指點輻射源在單位立體角、單位時間內，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(極坐標中)微小立體角元：dΩ=dA/R2=sinθdθdφ遙感原理輻射亮度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，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。遙感原理二、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．遙感原理TheElectromagneticSpectrumMorethanmeetstheeye!LanguageoftheEnergyCycle:

TheElectromagneticSpectrumEnergyWavelengthl常用電磁波分類名稱和波長范圍SolarSpectrum=Shortwavespectrum=visiblespectrum:

Sunat6000K;peakemissionat0.5mmCO2H2OO3TerrestrialSpectrum=LongwaveSpectrum=InfraredSpectrum=ThermalSpectrum:

SaharaDesertonNimbus4SatelliteTheoreticalPlanckcurves:Earth~300K,peakemission~15mmEarthSpectrumIncomingfromSun:Highenergy,shortwavelengthOutgoingfromEarthLowenergyLongwavelength0.5mm10mm20mm1.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遙感原理2.可見光波長范圍為0.4—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特征的主要波段。遙感原理3.紅外線

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。在遙感技術中主要利用3—16微米波段，具有全天時的特性。

遙感原理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?。遙感原理三、電磁輻射源自然輻射源太陽輻射：是可見光和近紅外的主要輻射源；常用5900的黑體輻射來模擬；其輻射波長范圍極大；輻射能量集中-短波輻射。大氣層對太陽輻射的吸收、反射和散射。地球的電磁輻射：小于3μm的波長主要是太陽輻射的能量；大于6μm的波長，主要是地物本身的熱輻射；3-6μm之間，太陽和地球的熱輻射都要考慮。遙感原理太陽輻射照度分布曲線太陽的輻射波譜（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，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遙感原理太陽與地球輻射的電磁波譜·長波輻射（6μm以上）---只考慮地表物體自身的熱輻射，而太陽輻照的影響極小?！ざ滩ㄝ椛洌?.3～2.5μm）---以地球表面對太陽的反射為主，地球自身的熱輻射可忽略不計；

MR(λ)=ρ(λ)E(λ)

·中紅外輻射（2.5～6μm）---太陽輻射和熱輻射的影響均有，不能忽略。遙感原理人工輻射源：主動式遙感的輻射源。雷達探測。分為微波雷達和激光雷達。微波輻射源：0.8-30cm

微波遙感在地質構造、找礦，海洋、海水調查，土壤水分動態(tài)監(jiān)測、洪澇災害調查及軍事等方面具有廣闊的應用前景。激光輻射源：激光雷達—測定衛(wèi)星的位置、高度、速度、測量地形等。遙感原理第二節(jié)地物的光譜特性

任何地物都有自身的電磁輻射規(guī)律，如反射、發(fā)射、吸收電磁波的特性。少數(shù)還有透射電磁波的特性。地物的這種特性稱為：地物的光譜特性。復習遙感原理

EI(λ)=ER(λ)+EA(λ)+ET(λ)

入射能EI反射能ER吸收能EA

透射能ET

反射（Reflection）

吸收（Absorption）

透射（Transmission）

主要有三種基本的物理過程：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。遙感原理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：

以百分數(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：入射電磁波的波長入射角的大小地表顏色與粗糙度反射的三種形式：鏡面反射、漫反射、方向反射。遙感原理式中，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)與輻射波長的關系而定的。表面粗糙度是入射波長的函數(shù)。關于表面粗糙度的瑞利判別準則是：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遙感原理鏡面反射當入射能量全部或幾乎全部按相反方向反射，且反射角等于入射角，稱為鏡面反射。若表面相對于入射波長是光滑的（λ>>界面粗糙度），則出現(xiàn)鏡面反射。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遙感原理（2）漫反射

----diffusereflection當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，在整個半球空間內向四周各向同性的反射能量的現(xiàn)象,稱為漫反射,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。當入射波長比地表高度小或比地表組成物質粒度小時，則表面發(fā)生漫反射。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.遙感原理（3）方向反射

----Directionalreflection

朗伯體表面（均勻、各向同性）實際上是一個理想化的表面。事實上，自然界大多數(shù)地表既不完全是粗糙的朗伯表面，也不完全是光滑的“鏡面”，而是介于兩者之間的非朗伯表面。其反射具有明顯的方向性，即方向反射。鏡面反射也可認為是方向反射的一個特例。方向反射方向反射率---指對入射和反射方向嚴格定義的反射率。其入射和反射的方向可由微小立體角、任意立體角、半球全方向來確定。各方向的反射率均不同。遙感原理樹葉為什么是綠色的？遙感原理水為什么是藍色的？遙感原理地物的反射光譜：地物的反射率隨入射波長變化的規(guī)律。地物反射光譜曲線：根據(jù)地物反射率與波長之間的關系而繪成的曲線。地物電磁波光譜特征的差異是遙感識別地物性質的基本原理。不同地物在不同波段反射率存在差異：雪、沙漠、濕地、小麥的光譜曲線遙感原理

不同地物的反射率遙感原理傳感器探測波段的設計，是通過分析比較地物光譜數(shù)據(jù)而確定的。多光譜掃描儀（MSS）的波段設計：

MSS1(0.5-0.6μm)MSS2(0.6-0.7μm)MSS3(0.7-0.8μm)MSS4(0.8-1.1μm)遙感原理草地與人造草皮在不同影像上的不同表現(xiàn)遙感原理同類地物的反射光譜具有相似性，但也有差異性。不同植物；植物病蟲害地物的光譜特性具有時間特性和空間特性。時間特性空間特性遙感原理不同植物光譜曲線比較遙感原理植被的病蟲害遙感原理時間特征遙感原理

地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標準；地物的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標準。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。二、地物的發(fā)射光譜特性遙感原理1.

PowerSource:BlackbodyRadiation

Planck’sLaw:TheamountandspectrumofradiationemittedbyablackbodyisuniquelydeterminedbyitstemperatureMaxPlanck(1858–1947)NobelPrize1918Emissionfromwarmbodiespeakatshortwavelengthswavelength620K380K3、黑體輻射定律(1)朗克熱輻射定律表示出了黑體輻射通量密度與溫度的關系以及按波長分布的規(guī)律。遙感原理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遙感原理(2)斯特藩－玻耳茲曼定律

Stefan-Boltzmann'slaw

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。遙感原理(3)維恩位移定律：Wien'sdisplacementlaw

隨著溫度的升高，輻射最大值對應的峰值波長向短波方向移動。表不同溫度T所對應的λmax300500100020003000400050006000700080009.665.762.881.440.960.720.580.480.410.36地球溫度太陽溫度遙感原理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）W與同溫下的黑體輻射出射度W黑的比值。它也是遙感探測的基礎和出發(fā)點。影響地物發(fā)射率的因素：

地物的性質、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。遙感原理按照發(fā)射率與波長的關系，把地物分為：黑體或絕對黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)。灰體(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。遙感原理基爾霍夫定律：在一定溫度下，地物單位面積上的輻射通量W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W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。這種特征構成了紅外遙感的理論基礎。遙感原理5、黑體的微波輻射

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，但技術上可以經(jīng)過處理來接收。遙感原理瑞里—金斯公式黑體輻射的微波功率與溫度成正比，與波長的平方成反比。

微波波段與紅外波段發(fā)射率的比較：不同地物之間微波發(fā)射率的差異比紅外發(fā)射率要明顯得多，因此，在可見光和紅外波段中不易識別的地物，在微波波段中則容易識別。（表2-6）遙感原理遙感原理6、地物的發(fā)射光譜發(fā)射光譜：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系繪成的曲線。巖石的發(fā)射光譜分析（圖2-12）遙感原理右圖顯示：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。遙感原理亮度溫度：衡量地物輻射特征的重要指標。指物體的輻射功率等于某一黑體的輻射功率時，該黑體的絕對溫度即為亮度溫度。

Thetemperatureoftheblackbodywhichradiatesthesameradiantenergyasanobservedobjectiscalledthebrightnesstemperatureoftheobject.亮度溫度與實地溫度的關系：總小于實地溫度。遙感原理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；夜間物質散熱，溫度較低，呈冷色調。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（暗色調）；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（淺色調）。因此，任何水體的熱標記可作為判斷熱紅外成像時間的可靠指標（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。遙感原理綠色林地（樹）：輻射溫度較高，夜間圖像具暖標記，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相對照。人工鋪設區(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，也是建立各種熱模型（如土壤水分的熱慣量模型等），反演地表相關參數(shù)的必要條件。遙感原理居民區(qū)-夜間熱圖像（航片）白---紅表征“熱點”

遙感原理水體與

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℃）遙感原理透射率：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。）可見光、紅外、微波的透射能力。三、地物的透射光譜特性遙感原理地物波譜特性的影響因素地物波譜特性是復雜的，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、形狀結構（與葉的類型、植物生長階段等有關）；·植物背景----主指土壤

（土壤濕度、土壤有機質含量等）；·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果。正是地物波譜的復雜性構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。遙感原理上海技物所地物波譜是遙感識別目標的前提，對它的研究與測試，是遙感重要的基礎性研究工作；地物波譜是遙感定量化的依據(jù)，是聯(lián)系遙感基礎研究與遙感應用的橋梁，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)，也是遙感應用分析的基礎；地物波譜庫是空間信息基礎設施建設的重要組成部分。遙感原理第三節(jié)大氣和環(huán)境對遙感的影響大氣的成分和結構大氣對太陽輻射的影響大氣窗口環(huán)境對地物光譜特性的影響復習遙感原理遙感原理遙感原理一、大氣的成分遙感原理遙感原理大氣的主要成分*aconcentrationneartheearth'ssurface遙感原理遙感原理遙感原理遙感原理遙感原理二、大氣的結構遙感原理二、大氣的結構大氣的垂直分層：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)。遙感側重研究電磁波在該層內的傳輸特性。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”。層內除季節(jié)性的風外，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。遙感原理遙感原理三、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。遙感原理一、遙感原理遙感原理遙感原理遙感原理遙感原理大氣的吸收作用（總結）大氣中的氮氣對電磁波的作用都在紫外光以外的范圍內氧氣：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。兩個吸收帶(0.2-0.3μm

、0.6μm)；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。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。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。遙感原理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。AbsorptionofEMenergybytheatmosphere（二）大氣的散射作用

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。遙感原理ScatteringofEMenergybytheatmosphere遙感原理大氣散射（Atmosphericscattering）散射——指電磁輻射在非均勻或各向異性介質中傳播時，改變原來傳播方向的現(xiàn)象。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）

(1to100