第二章電磁輻射與地物光譜特征(new)

第二章

電磁輻射與地物光譜特征遙感是利用傳感器主動(dòng)或被動(dòng)地接受地面目標(biāo)反射或發(fā)射的電磁波，通過電磁波所傳遞的信息來識(shí)別目標(biāo)，從而達(dá)到探測(cè)目標(biāo)物的目的。遙感之所以能夠根據(jù)收集到的電磁波來判斷地物目標(biāo)和自然現(xiàn)象，是因?yàn)橐磺形矬w，由于其種類、特征和環(huán)境條件的不同,具有完全不同的電磁波的反射或發(fā)射輻射特征。因此遙感技術(shù)主要是建立在物體反射或發(fā)射電磁波的原理之上的。要深入學(xué)習(xí)遙感技術(shù)，首先要學(xué)習(xí)和掌握電磁波以及電磁波譜的性質(zhì)。遙感物理基礎(chǔ)1電磁波和電磁波譜2黑體輻射3太陽輻射及大氣對(duì)太陽輻射的作用4地球輻射與地物波譜特征1）橫波、不需要傳播介質(zhì)2）粒子性：傳播過程中，若碰到會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，從而引起電磁波的強(qiáng)度、方向等發(fā)生改變。3）波動(dòng)性：產(chǎn)生了電磁波的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。電磁波傳播到氣體、液體、固體介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、折射、吸收、透射等現(xiàn)象4）疊加原理

5）相干性和非相干性（4個(gè)條件）6）衍射和偏振（遙感器的幾何圖象分辨率，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，偏振現(xiàn)象越顯著，偏振攝影和雷達(dá)成像）7）多譜勒效應(yīng)（合成孔徑側(cè)視雷達(dá)）電磁波的特點(diǎn)1.1電磁波1）電磁波是電磁振動(dòng)的傳播。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。2）電磁波是橫波，質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)方向與波的傳播方向垂直。在傳播過程中，遵循波的反射、折射、衍射、散射、干涉、吸收等傳播規(guī)律。E電場(chǎng)，M磁場(chǎng)，C傳播方向1、電磁波和電磁波譜3）電磁波在真空中以光速傳播。4）滿足方程：

f.λ=c(波動(dòng)性)E=h.f（粒子性）具有波粒二象性1.1電磁波f頻率λ波長(zhǎng)C光速h普朗克常數(shù)

麥克斯韋（1831-1879）

普朗克（1858-1947）

愛因斯坦（1879-1955）

波動(dòng)性粒子性返回1.1電磁波

電磁波的波動(dòng)性Amplitude(A)Wavelength(lambda,l)Period(T)Frequency(f=1/T),單位：赫茲(HZ),表示1秒內(nèi)波傳播的次數(shù)Velocity(v)1.1電磁波真空中，c=2.998*108m/sec傳播其中：

w=2p/T

k=2p/l

f為相位電場(chǎng)強(qiáng)度Maxwell'swavetheoryc=lfMaxwell'sEquations

返回1.1電磁波

粒子性把電磁波作為粒子對(duì)待時(shí)，能量:

E=hfh-Plank'sconstant(6.626×10-34J?s)能量越大，波長(zhǎng)越短，粒子性越強(qiáng)，直線性越強(qiáng)。

返回1.1電磁波電磁波的疊加原理當(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。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。（白光的色散和合成，計(jì)算機(jī)顯示器的工作原理，混合像元的分解）返回1.1電磁波

由兩個(gè)(或兩個(gè)以上)頻率、振動(dòng)方向相同，相位相同或相位差恒定的電磁波在空間疊加時(shí)，合成波振幅為各個(gè)波的振幅的矢量和，因此會(huì)出現(xiàn)交疊區(qū)某些地方振動(dòng)加強(qiáng)、某些地方振動(dòng)減弱或完全抵消的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為干涉。電磁波的干涉

一般地，凡是單色波都是相干波。取得時(shí)間和空間相干波對(duì)于利用干涉進(jìn)行距離測(cè)量是相當(dāng)重要的。激光就是相干波，它是光波測(cè)距儀的理想光源。微波遙感中的雷達(dá)也是應(yīng)用了干涉原理成像的．其影像上會(huì)出現(xiàn)顆粒狀或斑點(diǎn)狀的特征、這是一般非相干的可見光影像所沒有的，對(duì)微波遙感的判瀆意義重大。返回電磁波遇到有限大小的障礙物時(shí)，能夠繞過障礙物而彎曲地向障礙物地后面?zhèn)鞑?。把這種通過障礙物邊緣改變傳播方向的現(xiàn)象，稱為電磁波的衍射。

1）菲涅耳衍射：入射光與衍射光不都是平行光的衍射。

2）夫瑯禾費(fèi)衍射：入射光與衍射光都是平行光的衍射。電磁波的衍射從夫朗和費(fèi)衍射裝置的單縫衍射實(shí)驗(yàn)中可以看到：在入射光垂直于單縫平面時(shí)的單縫衍射實(shí)驗(yàn)圖樣中，中間有特別明亮的亮紋，兩側(cè)對(duì)稱地排列著一些強(qiáng)度逐漸減弱的亮紋。如果單縫變成小孔，由于小孔衍射，在屏幕上就有一個(gè)亮斑，它周圍還有逐漸減弱的明暗相間的條紋。夫瑯禾費(fèi)衍射圖案

研究電磁波的衍射現(xiàn)象對(duì)設(shè)計(jì)遙感儀器和提高遙感圖像幾何分辨率具有重要的意義，要盡量避免衍射現(xiàn)象的發(fā)生。另外，在數(shù)字影像的處理中也要考慮光的衍射現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象的遙感意義返回電磁波的偏振電磁波遇到“狹縫”的障礙物時(shí)，能夠通過狹縫的振動(dòng)分量，稱為電磁波的偏振。電磁波有偏振、非偏振、部分偏振波，許多散射光、反射光、透射光都是部分偏振。

偏振在微波技術(shù)中稱為“極化”，遙感技術(shù)中的偏振攝影和雷達(dá)成像就利用了電磁波的偏振這一特性。電磁波是橫波，它具有偏振性。許多散射光，反射光，透射光都是部分偏振光。例：雷達(dá)波發(fā)射后，遇目標(biāo)平面而反射，其極化（偏振）狀況在反射時(shí)會(huì)發(fā)生改變，根據(jù)傳感器發(fā)射和接受的反射波的極化狀況，可以得到不同的極化圖像。同一種地物在不同極化圖像中往往表現(xiàn)出不同的亮度，不同地物也會(huì)表現(xiàn)出不同對(duì)比度，利用不同的極化特征圖像有可能解譯出更多信息。返回電磁波的多普勒效應(yīng)1842年，奧地利物理學(xué)家多普勒研究聲波時(shí)發(fā)現(xiàn)，聲波頻率在聲源移向觀察者時(shí)變高，而在聲源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)變低。具有波動(dòng)性的光也會(huì)出現(xiàn)這種效應(yīng)光波，不同之處在于：光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化.如果光源遠(yuǎn)離我們而去，則光的譜線就向紅光方向移動(dòng)，稱為紅移；如果光源朝向我們運(yùn)動(dòng)，光的譜線就向紫光方向移動(dòng)，稱為藍(lán)移.合成孔徑雷達(dá)的工作原理下一節(jié)遇到介質(zhì)（氣體、液體、固體），發(fā)生一系列現(xiàn)象：反射：鏡面反射：入射角等于反射角漫反射：反射向四面八方折射：射入介質(zhì)，折射角一般不等于入射角吸收：部分被介質(zhì)吸收透射：從入射延伸方向射出介質(zhì)發(fā)射：自身向外輻射能量1、電磁波和電磁波譜電磁波與物體間的相互作用圖1.1電磁波反射、吸收和透射的能量和等于入射的總能量反射率=（反射能量/入射總能量）×100%吸收率=（吸收能量/入射總能量）×100%透射率=（透射反射能量/入射總能量）×100%散射：輻射傳播中，若遇到小粒子，會(huì)向四面八方散去，電磁波強(qiáng)度和方向發(fā)生各種變化，即散射。強(qiáng)度隨波長(zhǎng)改變。返回1.1電磁波1.2電磁波譜按照電磁波的波長(zhǎng)長(zhǎng)短（或頻率的大?。来闻帕?，就構(gòu)成了電磁波譜。電磁波譜遙感較多應(yīng)用的電磁波波譜段可見光：波長(zhǎng)范圍為0.38～0.76μm，人眼對(duì)可見光有敏銳的感覺，是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段。紅外線：波長(zhǎng)范圍為0.76～1000μm，根據(jù)性質(zhì)分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和超遠(yuǎn)紅外。

微波：波長(zhǎng)范圍為1mm～1m，穿透性好，不受云霧的影響?？梢姽?/p>

波長(zhǎng)范圍大約為0.38μm(紫色)~0.76μm(紅色)，可見光譜中的各種顏色成分大致屬于如下的波長(zhǎng)區(qū)間：

紅：0.62~0.76μm

橙：0.59~0.62μm

黃：0.56~0.59μm

綠：0.50~0.56μm

青：0.47~0.50μm

藍(lán)：0.43~0.47μm

紫：0.38~0.43μm返回紅外波段波長(zhǎng)范圍0.76~1000μm，可進(jìn)一步劃分為如下波段：NIR和SWIR也稱為反射紅外，因?yàn)樵诘厍虮砻娣瓷涞奶栞椛渲?，主要的紅外成分為NIR和SWIR。MWIR和LWIR也稱為熱紅外。地面常溫下的輻射波長(zhǎng)，有熱感。FIR多被大氣吸收，遙感探測(cè)器一般無法探測(cè)。

近紅外(NIR)：

0.76~1.5μm

短波紅外(SWIR)：

1.5~3μm

中波紅外(MWIR)：

3~6μm

長(zhǎng)波紅外(LWIR)：

6~15μm

遠(yuǎn)紅外(FIR)：

15μm～1000μm返回微波

波長(zhǎng)范圍1mm~1m，可進(jìn)一步劃分為若干不同頻率(波長(zhǎng))的波段：(1GHz=109Hz)

P波段：

0.3~1GHz(30~100cm)

L波段：

1~2GHz(15~30cm)

S波段：

2~4GHz(7.5~15cm)

C波段：

4~8GHz(3.8~7.5cm)

X波段： 8~12.5GHz(2.4~3.8cm)

Ku波段：

12.5~18Ghz(1.7~2.4cm)

K波段：

18~26.5Ghz(1.1~1.7cm)

Ka波段：

26.5~40Ghz(0.75~1.1cm)我國(guó)微波通信廣泛應(yīng)用L、S、C、X諸頻段目前能發(fā)現(xiàn)隱型飛機(jī)的雷達(dá)是米波雷達(dá)和無源相控陣?yán)走_(dá)（隱型飛機(jī)主要是對(duì)L/S波段的雷達(dá)有良好的效果，而世界上大多數(shù)的相控陣?yán)走_(dá)都在這個(gè)波段），代表就是捷克的維拉和維拉E。各種電磁波的特點(diǎn)各電磁波的區(qū)別與聯(lián)系不同點(diǎn)： 傳播的方向性、 穿透性、 可見性、 顏色不同共性： 傳播速度相同遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律都是橫波，遵循橫波的一切特性1.3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6000K的黑體輻射來模擬；其輻射波長(zhǎng)范圍極大；輻射能量集中-短波輻射；大氣層對(duì)太陽輻射的吸收、反射和散射。接收預(yù)處理用戶應(yīng)用處理分析結(jié)果、圖表輸出自然輻射源太陽輻射：地球的電磁輻射：

小于3μm的波長(zhǎng)主要是太陽輻射的能量；大于6μm的波長(zhǎng)，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。地球輻射：地球表面和大氣電磁輻射的總稱。地球輻射是被動(dòng)遙感中傳遞地物信息的載體。裝載在航天航空平臺(tái)上的遙感器，接受來自地球輻射攜帶的地物信息，經(jīng)過處理形成遙感影像。1.3電磁輻射源人工輻射源：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。1.3電磁輻射源1.4電磁輻射的度量1、輻射能量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(yùn)動(dòng)

……輻射能量（W）的單位是焦耳（J）在單位時(shí)間內(nèi)通過某一面積的輻射能量稱為輻射通量：

Φ=dW/dt輻射通量（Φ）的單位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）注意：輻射通量是波長(zhǎng)的函數(shù)，總輻射通量應(yīng)該是各譜段輻射通量之和或其積分值。1.4電磁輻射的度量2、輻射通量Φ3、輻射通量密度E：?jiǎn)挝幻娣e上的輻射通量稱為輻射通量密度(W/m2)：輻照度（I）：被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量，記為:

I=dΦ/dS（單位是W/m2,S為面積）輻射出射度(M)：溫度為T的輻射源物體表面單位面積上的輻射通量，記為:M=dΦ/dS（單位也是W/m2，S為面積）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1.4電磁輻射的度量4、輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度是描述點(diǎn)輻射源的輻射特性的，指在某一方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量：

輻射強(qiáng)度（I）=dΦ/dΩ輻射強(qiáng)度（I）的單位是瓦/球面度（W/Sr）輻射強(qiáng)度點(diǎn)輻射源Ω=S/R21.4電磁輻射的度量5、輻射亮度L面輻射源，在某一方向，單位投影表面、單位立體角內(nèi)的輻射通量稱為輻射亮度：

輻射亮度（L）的單位是瓦/米2?球面度（W/m2?Sr）通量Φ面輻射源θ立體角ΩA1.4電磁輻射的度量6、朗伯源輻射亮度L與觀察角θ無關(guān)的輻射源。例如：1）粗糙表面；2）涂有氧化鎂的表面—遙感光譜測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)版；3）太陽；4）真正的朗伯源——絕對(duì)黑體1.4電磁輻射的度量光度測(cè)量（photometry），由人眼的視覺特性（標(biāo)準(zhǔn)光度觀察）評(píng)價(jià)的物理輻射量的測(cè)定，其度量單位見下表。BACK小結(jié)輻射度量一覽表輻射量符號(hào)定義單位輻射能量E焦耳(J)輻射通量ΦdE/dt瓦(W)輻照度IdΦ/dS瓦/米2(W/m2)輻射出射度MdΦ/dS瓦/米2(W/m2)輻射強(qiáng)度dΦ/dΩ瓦/球面度(W/Sr)輻射亮度L2Φ/SΩ瓦/米2?球面度(W/m2

?Sr)返回目錄2黑體輻射2.1黑體輻射2.2黑體輻射定律2.3一般輻射體和發(fā)射率2.4基爾霍夫定律能全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射能而不發(fā)生反射，折射和透射的物體稱為絕對(duì)黑體。簡(jiǎn)稱黑體

不透明的材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。黑體模型

研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。2.1黑體輻射n次反射后出射光線幾乎等于0黑體：對(duì)任何波長(zhǎng)的電磁輻射全部吸收的物體。因此，對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射，反射率和透射率都等于0。吸收系數(shù)α（λ，T）=100%

反射系數(shù)ρ（λ，T）=0%黑體是一種理想的吸收體，自然界沒有真正的黑體。黑色的煙煤α（λ，T）=99%2.1黑體輻射發(fā)射？

黑體輻射特性黑體輻射出射度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，每條曲線只有一個(gè)最大值。溫度愈高，黑體的輻射出射度也愈大，不同溫度的曲線是不相交的。絕對(duì)黑體的總輻射出射度與黑體溫度的4次方成正比。（斯忒藩—玻爾茲曼定律）黑體輻射光譜中最強(qiáng)輻射的波長(zhǎng)與黑體絕對(duì)溫度成反比。隨著溫度的升高，輻射最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)移向短波方向。

（維恩位移定律）2.1黑體輻射實(shí)際物體的輻射

對(duì)于實(shí)際物體，都可以看作輻射源。如果物體的吸收本領(lǐng)大，它的發(fā)射本領(lǐng)也大，即越接近黑體輻射。實(shí)際物體的輻射比黑體輻射弱，而且隨波長(zhǎng)不同而不同。2.1黑體輻射2.2黑體輻射的定律2.2.1普朗克公式

(Planckequation)2.2.2斯蒂芬－玻爾茲曼定律2.2.3維恩位移定律（StephenBoltzmannLaw）（Wien’sDisplacementLaw）描述黑體輻射通量密度與溫度、波長(zhǎng)分布的關(guān)系。2.2.1普朗克公式h:普朗克常數(shù),6.6260755×10-34W·s2k:玻爾茲曼常數(shù)，k=1.380658*10-23W·s·K-1

c:光速;λ:波長(zhǎng)（μm）;T:絕對(duì)溫度（K）

M：為輻射出射度變化特點(diǎn)：(1)輻射通量密度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，只有一個(gè)最大值；(2)溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不相交；(3)隨溫度升高，輻射最大值向短波方向移動(dòng)。普朗克公式圖示：波長(zhǎng)輻射通量密度返回問題：天然氣燃燒時(shí)，什么顏色的火焰溫度最高？2.2.2斯蒂芬－玻爾茲曼定律

對(duì)普朗克定律在全波段內(nèi)積分，得到斯蒂芬－玻爾茲曼定律。輻射通量密度隨溫度增加而迅速增加，與溫度的4次方成正比。溫度越高，幅射能力就越強(qiáng)。σ:斯蒂芬－玻爾茲曼常數(shù)，5.6697＋（－0.00297）×10－12Wcm-2K-4

紅外裝置測(cè)試溫度的理論根據(jù)。M每條曲線下面所圍面積為積分值，即該溫度時(shí)絕對(duì)黑體的總輻射出射度M返回2.2.3維恩位移定律b:常數(shù)，2897.8＋－0.4μm·K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。常溫（如人體300K左右，發(fā)射電磁波的峰值波長(zhǎng)9.66μm）在遙感技術(shù)上，常用維恩位移定律選擇傳感器和確定對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行熱紅外遙感的最佳波段。

利用普朗克公式還可導(dǎo)出維恩位移定律，黑體輻射光譜中最強(qiáng)輻射的波長(zhǎng)與黑體絕對(duì)溫度T成反比。返回1、黑體溫度越高，其曲線的峰頂越往左移，即往波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)，就是位移。2、如果輻射最大值落在可見光波段，物體的顏色會(huì)隨著溫度升高而變化，波長(zhǎng)主鍵變短，顏色由紅外紅色藍(lán)色紫色（P21表2.2）3、太陽的λmax=0.47μm,T=6150K地球λmax=9.66μm,T=300K問題：這兩個(gè)波長(zhǎng)位于什么波段？太陽和地球在什么波段輻射最強(qiáng)？問題：1、斯蒂芬－玻爾茲曼定律、維恩位移定律如何得到的？2、請(qǐng)解釋普朗克公式、斯蒂芬－玻爾茲曼定律、維恩位移定律得到的結(jié)果的含義。前二者是否的結(jié)果是否是一樣的？2.3一般輻射體和發(fā)射率對(duì)于一般物體而言，需要引入發(fā)射率α（即熱輻射率ε、比輻射率ε），表明物體的發(fā)射本領(lǐng)。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)射率與物質(zhì)種類、表面狀態(tài)、溫度等有關(guān)，還與波長(zhǎng)有關(guān)。按照發(fā)射率與波長(zhǎng)的關(guān)系，輻射源可以分為：1）黑體：吸收率最大，發(fā)射率最大，均為1，反射率為0；2）灰體

:沒有顯著的選擇吸收，吸收率雖小于1，但基本不隨波長(zhǎng)變化；3）選擇性輻射體：選擇性地吸收、反射和發(fā)射。M＝αM02.4基爾霍夫定律給定溫度下，任何地物的輻射通量密度W與吸收率α之比是常數(shù)，即等于同溫度下黑體的輻射通量密度。發(fā)射率等于吸收率。好的吸收體也是好的發(fā)射體，如果不吸收某些波長(zhǎng)的電磁波，也不發(fā)射該波長(zhǎng)的電磁波。問題：吸收系數(shù)α（0<α

<1）也稱做比發(fā)射率或者發(fā)射率（ε），為什么？對(duì)于實(shí)際物體，都可以看做輻射源，如果物體的吸收本領(lǐng)大，即α越接近于1，它的發(fā)射本領(lǐng)也大，即越接近黑體輻射。返回目錄3太陽輻射及大氣對(duì)太陽輻射的影響太陽是被動(dòng)遙感最主要的輻射源3.1太陽輻射源3.2大氣成分組成3.3大氣垂直分層3.4大氣對(duì)太陽輻射的衰減3.5大氣窗口（人類可用的電磁波譜范圍）4、遙感圖像獲取模型

太陽光（SolarLight）或人造雷達(dá)電磁波

大氣吸收、透射（折射）、散射＋

大氣自身輻射到達(dá)地面與地物作用，包括反射（散射）、吸收

地物輻射大氣吸收、透射（折射）、散射

＋

大氣自身輻射

傳感器

傳感器噪聲圖像（數(shù)字或光學(xué)）

地面站接收太陽太陽是太陽系唯一的恒星，它集中了太陽系99.865%的質(zhì)量。太陽是一個(gè)熾熱的氣體星球，沒有固體的星體或核心。太陽從中心到邊緣可分為核反應(yīng)區(qū)、輻射區(qū)、對(duì)流區(qū)和大氣層。其能量的99%是由中心的核反應(yīng)區(qū)的熱核反應(yīng)產(chǎn)生的。太陽中心的密度和溫度極高。太陽大氣的主要成分是氫（質(zhì)量約占71%）與氦（質(zhì)量約占27%）。3.1太陽輻射源太陽大氣

位置

溫度

厚度

輻射特點(diǎn)

輻射的光譜

光球?qū)觾?nèi)4300-7500500km連續(xù)輻射可見光和紅外色球?qū)又兴奈迩Ф壬叩綆兹f度

7000-8000km線狀輻射無線厘米波日冕層外100萬以上

形狀多變，厚度不定，一般太陽直徑的幾倍到十幾倍連續(xù)輻射米波太陽輻射及其能量分布1）接近于5800K的黑體輻射。2）短波輻射（太陽輻射總能量的40％集中于0.4－0.76um的可見光范圍內(nèi)，51％在紅外部分）3.2大氣成分組成永久氣體：在大氣層中這些氣體的濃度幾乎是保持恒定不變的。氮(N2)：78.084%氧(O2)：20.948%氬(Ar)：0.934%二氧化碳(CO2)：0.033%其他惰性氣體(Ne,He,Kr,Xe)氫(H2)甲烷(CH4)一氧化二氮(N2O)一氧化碳(CO)濃度可變的氣體：其濃度可以隨空間和時(shí)間發(fā)生很大的變化。水蒸汽(H2O)臭氧(O3)二氧化硫(SO2)二氧化氮(NO2)氨(NH3)一氧化氮(NO)硫化氫(H2S)硝酸蒸汽(HNO3)固體和液體微粒：如煙霧、水滴和冰晶體，這些粒子可以聚集在一起形成云和霾。3.3大氣垂直分層電離層：距地面85km直到幾百千米的范圍均為熱電離層，熱電離層的溫度范圍為500K到2000K。在電離層中，由于太陽紫外輻射和高能宇宙射線的轟擊而使空氣電離成離子，因而在熱電離層中空氣以稀薄的等離子體的形式存在。平流層：在平流層最下面直到20km的高度之內(nèi)，溫度幾乎為常數(shù)，在其之上直到大約50km高度的范圍之內(nèi)，溫度隨高度的增加而增加。臭氧主要存在于平流層之中。對(duì)流層：厚約為10km，其特點(diǎn)為溫度隨高度的增加而降低，1000m-6.5oC。所有天氣活動(dòng)均發(fā)生在對(duì)流層層中。在大氣層接近地球表面大約2km的厚度，存在著一層氣溶膠粒子，氣溶膠的濃度隨高度的增加呈指數(shù)衰減。其中，：太陽輻射通過的大氣路程，與太陽高度角有關(guān) ：衰減因子， ：大氣對(duì)太陽輻射的吸收率和散射率，是電磁波波長(zhǎng)（頻率）的函數(shù)。

3.4大氣對(duì)太陽輻射的衰減太陽輻射衰減的原因：散射、吸收、反射

太陽輻射的衰減率就等于通過大氣之后的太陽輻射能量與（）大氣上界太陽幅射能量（）之比，與太陽高度角、衰減因子，電磁波波長(zhǎng)有關(guān)。電磁波在大氣中傳播時(shí)，因大氣的吸收和散射作用，使強(qiáng)度減弱，即被大氣衰減。因此引起的光線強(qiáng)度的衰減叫做消光。在可見光波段，吸收作用?。▋H3%），消光主要是由散射引起的。3.4.1散射作用1、散射的定義：輻射在傳播過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各方向散開，稱散射。2、散射使原傳播方向的輻射強(qiáng)度減弱，而增加向其他各方向的輻射。散射并不象吸收那樣把輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽皇歉淖冚椛浞较?，使太陽輻射以質(zhì)點(diǎn)為中心向四面八方傳播開來。經(jīng)過散射之后，有一部分太陽輻射就到不了地面。3、散射現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是低成本在傳播中遇到大氣微粒而產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。（衍射？）散射是粒子性的表現(xiàn)還是波動(dòng)性的表現(xiàn)?4、散射、反射、折射的區(qū)別

光在傳播過程中，遇到兩均勻媒質(zhì)的分界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。當(dāng)光在不均勻媒質(zhì)中傳播時(shí)，情況就不同了。由于一部分光不能直線前進(jìn)，就會(huì)向四面八方八方散射開來，形成光的散射現(xiàn)象。地球周圍由空氣形成的大氣層，就是這樣一種均勻媒質(zhì)。

3.4.1散射作用太陽輻射通過大氣層時(shí)，受到大氣中氣體分子的散射和大氣中固體、微粒、液體的散射。散射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)減小而逐漸增強(qiáng)散射的種類1瑞利（Rayleigh）散射質(zhì)點(diǎn)的直徑d<<λ(電磁波波長(zhǎng))時(shí)，一般認(rèn)為（d<λ/10）1、由大氣中的原子和分子引起，如N2、CO2、O3、O2等2、瑞利散射對(duì)可見光的影響較大晴朗的藍(lán)天、朝霞和夕陽呈偏橙黃色3、維恩定律是揭示黑體輻射譜中最強(qiáng)的單色成分與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而不是說多色光引起的色覺由最強(qiáng)的單色成分決定。4、瑞利散射是造成遙感圖像輻射畸變、圖像模糊的主要原因。它降低了圖像的“清晰度”或“對(duì)比度”。對(duì)于彩色圖像則使其帶藍(lán)灰色。攝像機(jī)等遙感儀器多利用特制濾光片，阻止藍(lán)紫光透過。

I:散射強(qiáng)度λ：波長(zhǎng)科學(xué)家的研究表明，大氣對(duì)不同色光的散射作用不是“機(jī)會(huì)均等”的，波長(zhǎng)短的光受到的散射最厲害。當(dāng)太陽光受到大氣分子散射時(shí)，波長(zhǎng)較短的藍(lán)光被散射得多一些。藍(lán)天：由于天空中布滿了被散射的藍(lán)光，地面上的人就看到天空呈現(xiàn)出蔚藍(lán)色?？諝庠绞羌儍?、干燥，這種蔚藍(lán)色就越深、越艷。如果天空十分純凈，沒有大氣和其它微粒的散射作用，我們將看不到這種璀璨的藍(lán)色。比如在2萬米以上的高空，空氣氣體分子特別稀薄，散射作用已完全消失，天空也會(huì)變得暗淡。

日出和日落：旭日的初升或日落西山時(shí)，直接從太陽射來的光所穿過的大氣層厚度比正午時(shí)直接由太陽射來的光所穿過的大氣層厚度要厚得多。太陽光在大氣層中傳播的距離越長(zhǎng)，被散射掉的短波長(zhǎng)的藍(lán)光就越多，長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅光的比例也顯著增多。最后到達(dá)地面的太陽光，它的紅色成分也相對(duì)增加，因此，才會(huì)出現(xiàn)滿天紅霞和血紅夕陽。實(shí)際上，發(fā)光的太陽表面的顏色卻始終沒有變化。由此可見，藍(lán)天、紅日是地球周圍大氣層對(duì)陽光進(jìn)行散射而形成的。天空顏色質(zhì)點(diǎn)直徑和電磁波波長(zhǎng)差不多時(shí)（dλ）1、大氣中的微粒引起，如煙、灰塵、小水珠、氣溶膠、云、霧、花粉、微生物、海上鹽粒、火山灰等。

粒子會(huì)均勻的散射各種光譜，而造成白色。煙、云、霧等的懸浮粒子的直徑和0.76－15um之間的紅外線波長(zhǎng)差不多，需要注意,云霧天氣對(duì)紅外遙感的影響比較大，產(chǎn)生的紅外像片的效果也就很差。2、米氏散射比瑞利散射影響的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，可見光及以外的廣大范圍3、散射在光線向前方向比向后方向更強(qiáng)，方向性比較明顯I1米氏散射3非選擇性散射當(dāng)質(zhì)點(diǎn)直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電磁波波長(zhǎng)時(shí)（d>>λ）,散射率與波長(zhǎng)沒有關(guān)系1、大氣中的云、霧、水滴、塵埃的散射屬于此類。2、對(duì)可見光中各個(gè)波長(zhǎng)的光散射強(qiáng)度相同。3、人看到的云和霧是白色的，就是非選擇性散射的結(jié)果？為什么？4、有時(shí)為了區(qū)別有選擇性的散射和沒有選擇性的散射，將前者稱為散射，后者稱為漫射。

I瑞利散射與米氏散射小結(jié)：1、在大氣狀況下，會(huì)同時(shí)出現(xiàn)各種類型的散射2、對(duì)于大氣分子、原子引起的瑞利散射，主要發(fā)生在可見光和近紅外波段。3、對(duì)于大氣微粒引起的米氏散射從近紫外到紅外波段都有影響，當(dāng)波長(zhǎng)進(jìn)入紅外波段后，米氏散射影響超過瑞利散射。4、大氣云層中，小雨滴的直徑相對(duì)其他微粒最大，對(duì)可見光只有無選擇性散射發(fā)生，云層越厚，散射越強(qiáng)；對(duì)微波來說，微波波長(zhǎng)比粒子的直徑大得多，則又屬于瑞利散射的類型，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)四次方成反比，波長(zhǎng)越長(zhǎng)散射強(qiáng)度越小，所以微波才可能有最小散射，最大透射，具有穿云透霧的能力。大氣散射降低了太陽光直射的強(qiáng)度，改變了太陽輻射的方向，削弱了達(dá)到地面或地面向外的輻射，產(chǎn)生了漫反射的調(diào)控散射光（又叫天空廣或天空輻射），增強(qiáng)了地面的輻照和大氣層本身的“亮度”。散射使得地面陰影呈現(xiàn)暗灰色而不是黑色，設(shè)我們可能從陰影處得到物體的部分信息。3.4.2吸收作用大氣吸收電磁輻射的主要物質(zhì)是：水、二氧化碳和臭氧。1）水：分為氣態(tài)水和液態(tài)水

水汽吸收電磁輻射的波段范圍較寬，從可見光、紅外直至微波，都有水汽的吸收帶。液態(tài)水的吸收更強(qiáng)，主要在長(zhǎng)波方向。2）二氧化碳

主要在紅外區(qū)。1.35－2.85μm之間有3個(gè)弱吸收帶，2.7，4.3，14.5μm為強(qiáng)吸收帶。3）臭氧紫外線4）其它吸收電磁波的物質(zhì)氧氣主要吸收波長(zhǎng)小于0.2μm的，塵埃吸收作用很少。3.4.3反射作用主要是大氣中的云層，大的塵埃。云量越多、云層越厚，反射越強(qiáng)。大氣對(duì)太陽輻射的衰減總體規(guī)律： 大氣吸收15％，散射和反射42％，其余43％太陽輻射到達(dá)地面。 又一說：大氣吸收17％，散射22％，反射30％，其余31％太陽輻射到達(dá)地面。太陽輻射經(jīng)大氣衰減圖3.5大氣窗口大氣窗口：電磁波在大氣中傳輸過程中吸收和散射很小，透射率很高的波段。要獲得地面的信息，必須在大氣窗口中選擇遙感波段。對(duì)于可見光波段而言，在大氣窗口內(nèi)的輻射衰弱主要是由散射引起的，其吸收的能量?jī)H占衰減能量的3%；單對(duì)更長(zhǎng)的波段，大氣的主要影響是吸收，而不是散射；至于紅·熱紅外波段，大氣自身的發(fā)射也是大氣效應(yīng)中重要的部分。常用大氣窗口1）0.3－1.3μm：包括全部可見光（95％），部分紫外光（70％），部分近紅外光（80％）。是航空攝影成像和衛(wèi)星傳感器掃描成像方式在白天感測(cè)和記錄目標(biāo)電磁波輻射信息的最佳波段，如Landsat的TMBand1～4。2）1.5－1.8μm和2.0－3.5μm：近、中紅外波段。是白天日照條件好時(shí)掃描成像的常用波段，如TMBand5，7，用以探測(cè)植物含水量以及云、雪，或地質(zhì)制圖等。3）3.5－5.5μm：中紅外窗口，該波段除了地面發(fā)射外，地面物體本身也可以發(fā)射該波段的熱輻射能量。如NOAA衛(wèi)星的AVHRR傳感器用3.55～3.93μm探測(cè)海面溫度，獲得晝夜云圖。4）8－14μm：遠(yuǎn)紅外窗口，主要來自地物熱輻射的能量，適于夜間成像。5）1.4－300mm：微波窗口，由于微波穿云透霧能力強(qiáng)，這一區(qū)間可以全天候觀測(cè)，而且是主動(dòng)遙感方式，如側(cè)視雷達(dá)。返回目錄

太陽輻射主要集中在可見光到近紅外區(qū)段，當(dāng)太陽輻射到達(dá)地表后，就短波而言，地表反射太陽輻射成為地表的主要輻射來源，而來自地球自身的輻射幾乎可以忽略不計(jì)。地球自身的輻射主要集中在長(zhǎng)波，即6μm以上的熱紅外區(qū)段，該區(qū)段太陽輻射的影響幾乎可以忽略不計(jì)，因此只需考慮地表物體自身的熱輻射。4地球輻射與地物波譜4.1太陽輻射與地表的相互作用

地球輻射包括地球反射的太陽輻射和地球本身的熱輻射兩部分。

太陽電磁輻射：太陽輻射近似6000K的黑體輻射，能量集中在0.3～2.5微米波段之間，即可見光到近紅外波段區(qū)。地球自身熱輻射：地球近似300K的黑體輻射，能量集中在6.0微米以上的波段，即紅外、微波波段。波段名稱可見光與近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)0.3～2.5μm2.5～6μm＞6μm輻射特性地表反射太陽輻射為主地表反射太陽輻射和自身熱輻射地表物體自身熱輻射為主地球輻射的分段特性地球輻射分段特性的遙感意義可見光與近紅外波段遙感圖像上的信息來自地物反射特性；中紅外波段遙感圖像上既有地表反射太陽輻射的信息，也有地球自身的熱輻射信息。熱紅外波段遙感圖像上的信息來自地物本身的熱輻射特性可見光近紅外波段遙感圖像：記錄各類地物對(duì)可見光的反射情況熱紅外波段遙感圖像:夜間成像，全球熱分布圖像概念：

地物波譜（地物光譜）:地物的電磁波響應(yīng)特性隨電磁波長(zhǎng)改變而變化的規(guī)律。是各種地物具有的地磁波特性（即反射率、發(fā)射率、透射率隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律）。地物波譜特性：電磁輻射與地物相互作用的表現(xiàn)特征。遙感意義：不同類型的地物，其電磁波響應(yīng)特性不同。因此可以根據(jù)地物波譜特征來：

設(shè)計(jì)遙感器；圖象判讀和分析以識(shí)別地物的基礎(chǔ)。4.2地物波譜特征不同電磁波段中地物波譜特性可見光和近紅外波段中地物波譜特性表現(xiàn)為反射和吸收紅外波段中地物波譜特性表現(xiàn)為地物熱輻射微波波段中主動(dòng)遙感：地物波譜特性表現(xiàn)為地物后向散射被動(dòng)遙感：地物波譜特性表現(xiàn)為地物微波輻射。熱紅外遙感

白天，水體相比于陸地的熱容量較大，熱輻射較小，所以呈現(xiàn)暗色調(diào)；晚上，水體的熱輻射較大，所以呈亮色調(diào)。白天成像夜間成像地物波譜：4.2.1地物的發(fā)射波譜4.2.2地物的透射波譜4.2.3地物的反射波譜4.2.4遙感器接收到的電磁輻射4.3地物的發(fā)射波譜（地表自身熱輻射）紅外波段地物波譜特性M＝εM0M為實(shí)際物體輻射出射度；M0為黑體輻射出射度ε為物體的比輻射率或發(fā)射率M（λ，T）＝ε（λ，T

）M0

（λ，T

）

當(dāng)溫度一定時(shí)，物體的比輻射率隨著波長(zhǎng)變化而變化，得出比輻射率波譜曲線（也叫發(fā)射率波譜曲線）。該曲線的形態(tài)特征可以反映地面物體本身的特性，包括物體本身的組成、溫度、表面粗糙度等物理特性（見書上P36圖2.22）。特別是曲線形態(tài)特殊時(shí)可以用發(fā)射率曲線來識(shí)別地面物體，尤其在夜間，太陽輻射消失后，地面發(fā)出的能量以發(fā)射光譜為主，探測(cè)其紅外輻射計(jì)微波輻射并與同溫度條件下的比輻射率（發(fā)射率）曲線比較，是識(shí)別地物的重要方法之一。4.4地物的透射光譜（水體、植被）透明物體：具有透射一定波長(zhǎng)電磁波能力的物體。透射率(τλ)：入射光透過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。4.5地物的反射光譜

（可見光近紅外波段地物波譜特性）太陽光通過大氣層照射到地球表面，地物會(huì)發(fā)生吸收、透射和反射作用，反射后的短波輻射一部分為遙感器所接受除水體、植被等物體，多數(shù)地物透射率幾乎為0，可以忽略不計(jì)。電磁波與物體相互作用過程中，會(huì)出現(xiàn)三種情況：反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。入射到物體總能量＝反射＋吸收＋透射地物對(duì)電磁波譜的反射能力用反射率ρ來表示；反射率定義：地面物體反射的能量占入射總能量的百分比；地物反射率ρ計(jì)算公式為：4.3.1地物反射率4.3.2物體反射分類判斷物體光滑或粗糙程度的瑞利準(zhǔn)則：根據(jù)物體表面的粗糙程度，反射分為：1）鏡面反射2）漫反射（朗伯反射）3）有向反射4）混合反射反射分類圖示(a)鏡面反射(b)漫反射（朗伯反射）(c)有向反射(d)混合反射1)鏡面反射當(dāng)目標(biāo)物的表面粗糙高度大大低于電磁波的波長(zhǎng)時(shí)，那么目標(biāo)物對(duì)電磁波的反射作用遵循反射定律。2)朗伯反射朗伯定律：反射輻射亮度（單位面積單位立體角內(nèi)的輻射通量）和觀察方向與表面法線夾角的余弦成正比。當(dāng)目標(biāo)物的表面足夠粗糙，以致于它對(duì)太陽短波輻射的散射輻射亮度在以目標(biāo)物的中心的2π空間中呈常數(shù)，即散射輻射亮度不隨觀測(cè)角度而變，稱該物體為漫反射體，亦稱朗伯體。嚴(yán)格講自然界中只存在近似意義下的朗伯體。只有黑體才是真正的朗伯體。3)有向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)。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。4)混合反射了解物體反射類型的意義遙感器獲取的輻射亮度與物體反射類型密切關(guān)聯(lián)。輻射亮度既與輻射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)。在遙感器成像時(shí)間選擇上，應(yīng)避免中午成像，防止在遙感圖像上形成鏡面反射。

定義：可見光至近紅外波段上地物反射率隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律。4.3.3地物的反射波譜曲線表示方法：一般采用二維幾何空間內(nèi)的曲線表示，橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)λ，縱坐標(biāo)表示反射率ρ。4.3.4常見地物的反射波譜特征曲線

植被水體土壤巖石植被在可見光波段的波譜特征

可見光波段：在0.45微米附近區(qū)間（藍(lán)色波段）有一個(gè)吸收谷，在0.55微米附近區(qū)間（綠色波段）有一個(gè)反射峰，在0.67微米附近區(qū)間（紅色波段）有一個(gè)吸收谷；植物通常為綠色植被在近、中紅外波段波譜特征近紅外波段：從0.76μm處反射率迅速增大，形成一個(gè)爬升的“陡坡”，至1.1μm附近有一峰值，反射率最大可達(dá)50％，形成植被的獨(dú)有特征。中紅外波段：1.5～1.9μm光譜區(qū)反射率增大，在1.45μm，1.95μm和2.7μm為中心的附近區(qū)間受到綠色植物含水量的影響，是水的吸收帶，反射率下降，形成低谷。植被的波譜特征曲線影響植被波譜特征的主要因素植物類型植被生長(zhǎng)季節(jié)病蟲害影響植被波譜特征大同小異，根據(jù)這些差異可以區(qū)分植被種類、生長(zhǎng)狀態(tài)等。不同植被類型的波譜反射率不同健康狀態(tài)松樹的反射光譜曲線土壤波譜特征自然狀態(tài)下土壤表面反射曲線呈比較平滑的特征，沒有明顯的反射峰和吸收谷。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)。三種不同類型土壤在干燥環(huán)境下的反射光譜曲線含水量對(duì)土壤反射光譜曲線的影響

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。粉砂土壤不同含水量情況下的光譜反射率曲線圖純凈水體的反射主要在可見光中的藍(lán)綠光波段，可見光其他波段反射很低；近紅外和中紅外波段純凈的自然水體的反射率很低，幾乎趨近于零。如圖水體的波譜特征水中含有泥沙，可見光波段反射率會(huì)增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)（0.56～0.76μm）,如圖；水中含有水生植物葉綠素時(shí)近紅外波段反射明顯抬高，如圖。水中其他物質(zhì)對(duì)波譜特征的影響清水和混水的波譜葉綠素不同含量時(shí)水體的波譜曲線

巖石反射波譜主要由礦物成分、礦物含量、風(fēng)化程度、含水狀況、顆粒大小、表面光滑程度、色澤和物質(zhì)結(jié)構(gòu)等決定。巖石的波譜特征

物體波譜曲線的形態(tài)，反映出該地物類型在不同波段的反射率，通過測(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。地物波譜曲線的作用光譜庫絕大部分地物的波譜值具有一定的變幅，它們的波譜特征不是一條曲線，而是具有一定寬度的曲帶。地物存在著“同物異譜”與“異物同譜”的現(xiàn)象。應(yīng)用地物波譜特征需要注意的問題3.4地物反射波譜測(cè)量(一）地物反射波譜測(cè)量理論雙向反射比因子R（BRF）：在給定的立體角方向上，在一定的輻射照度和觀測(cè)條件下，目標(biāo)的反射輻射通量與處于同一輻射照度和觀測(cè)條件的標(biāo)準(zhǔn)參考面的反射輻射通量之比。（二）