第二章-遙感的物理基礎(chǔ)簡(jiǎn)

第一節(jié)電磁波譜與電磁輻射

(1)電磁波與電磁波譜(2)電磁輻射的度量(3)黑體輻射

（1）電磁波與電磁波譜電磁波交互變更的電磁場(chǎng)在空間的傳播。描述電磁波特性的指標(biāo)波長(zhǎng)、頻率、振幅、位相等。電磁波的特性電磁波是橫波，傳播速度為3×108m/s，不須要媒質(zhì)也能傳播，與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)會(huì)有反射、吸取、透射、散射等，并遵循同一規(guī)律。

電磁波譜

按電磁波波長(zhǎng)的長(zhǎng)短，依次排列制成的圖表叫電磁波譜。

依次為：

γ射線(xiàn)—X射線(xiàn)—紫外線(xiàn)—可見(jiàn)光—紅外線(xiàn)—微波—無(wú)線(xiàn)電波。

（1）電磁波與電磁波譜目前遙感技術(shù)中通常接受的電磁波位于可見(jiàn)光、紅外和微波波譜區(qū)間。由于它們的波長(zhǎng)或頻率不同，不同電磁波又表現(xiàn)出各自的特性和特點(diǎn)?？梢?jiàn)光、紅外和微波遙感，就是利用不同電磁波的特性。電磁波與地物相互作用特點(diǎn)與過(guò)程，是遙感成像機(jī)理探討的主要內(nèi)容。電磁波譜紫外線(xiàn)：波長(zhǎng)范圍為0.01～0.38μm，太陽(yáng)光譜中，只有0.3～0.38μm波長(zhǎng)的光到達(dá)地面，對(duì)油污染敏感，但探測(cè)高度在2000m以下?？梢?jiàn)光：波長(zhǎng)范圍：0.38～0.76μm，人眼對(duì)可見(jiàn)光有敏銳的感覺(jué)，是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段。紅外線(xiàn)：波長(zhǎng)范圍為0.76～1000μm，依據(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。遙感應(yīng)用的電磁波波譜段BACK近紅外：0.76～3.0μm，與可見(jiàn)光相像。中紅外：3.0～6.0μm，地面常溫下的輻射波長(zhǎng)，有熱感，又叫熱紅外。遠(yuǎn)紅外：6.0～15.0μm，地面常溫下的輻射波長(zhǎng)，有熱感，又叫熱紅外。超遠(yuǎn)紅外：15.0～1000μm，多被大氣吸取，遙感探測(cè)器一般無(wú)法探測(cè)。紅外線(xiàn)的劃分（2）電磁輻射的度量1、輻射測(cè)量（radiometry），以伽瑪射線(xiàn)到電磁波的整個(gè)波段范圍為對(duì)象的物理輻射量的測(cè)定，其度量單位見(jiàn)下表。2、光度測(cè)量（photometry），由人眼的視覺(jué)特性（標(biāo)準(zhǔn)光度視察）評(píng)價(jià)的物理輻射量的測(cè)定，其度量單位見(jiàn)下表。BACK（3）黑體輻射確定黑體假如一個(gè)物體在任何溫度下對(duì)任何波長(zhǎng)的電磁輻射全部吸?。次∠禂?shù)恒等于1），則這個(gè)物體稱(chēng)為確定黑體。黑體輻射特性（1）黑體輻射出射度隨波長(zhǎng)連續(xù)變更，每條曲線(xiàn)只有一個(gè)最大值。（2）溫度愈高，黑體的輻射出射度也愈大，不同溫度的曲線(xiàn)是不相交的。確定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）（3）黑體輻射光譜中最強(qiáng)輻射的波長(zhǎng)與黑體確定溫度成反比。（維恩位移定律）。隨著溫度的上升，輻射最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)移向短波方向。

實(shí)際物體的輻射對(duì)于實(shí)際物體，都可以看作輻射源。假如物體的吸取本事大，它的放射本事也大，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。

BACK其次節(jié)太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響(1)太陽(yáng)輻射(2)大氣作用大氣的層次與成分大氣吸取大氣散射大氣窗口大氣透射的定量分析接收預(yù)處理用戶(hù)應(yīng)用處理分析結(jié)果、圖表輸出太陽(yáng)輻射：太陽(yáng)是被動(dòng)遙感主要的輻射源，又叫太陽(yáng)光，在大氣上界和海平面測(cè)得的太陽(yáng)輻射曲線(xiàn)如圖所示。從太陽(yáng)光譜曲線(xiàn)可以看出(…)：太陽(yáng)常數(shù)：不受大氣影響，在距太陽(yáng)一個(gè)天文單位內(nèi)，垂直于太陽(yáng)輻射方向，單位面積單位時(shí)間黑體所接受的太陽(yáng)輻射能量。（1.360×103W/m2）

太陽(yáng)輻射太陽(yáng)光譜相當(dāng)于6000K的黑體輻射；太陽(yáng)輻射的能量主要集中在可見(jiàn)光，其中0.38～0.76μm的可見(jiàn)光能量占太陽(yáng)輻射總能量的46%，最大輻射強(qiáng)度位于波長(zhǎng)0.47μm左右；到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射主要集中在0.3～3.0μm波段，包括近紫外、可見(jiàn)光、近紅外和中紅外；經(jīng)過(guò)大氣層的太陽(yáng)輻射有很大的衰減；各波段的衰減是不均衡的。

BACK大氣物理狀況的物理量一般有氣壓，大氣溫度和大氣濕度它們?cè)诖怪狈较蛏系淖兏h(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平方向上的梯度，所以在大氣效應(yīng)訂正中大量假定大氣具有水平均一，垂直分層結(jié)構(gòu)。氣壓隨高度是以負(fù)指數(shù)形式遞減。大氣層次與成分

大氣層次大氣厚度約為1000km,從地面到大氣上界，可垂直分為4層：對(duì)流層：高度在7～12km,溫度隨高度而降低，空氣明顯垂直對(duì)流，天氣變更頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。上界隨緯度和季節(jié)而變更。平流層：高度在12～50km，沒(méi)有對(duì)流和天氣現(xiàn)象。底部為同溫層（航空遙感活動(dòng)層），同溫層以上為暖層，溫度由于臭氧層對(duì)紫外線(xiàn)的強(qiáng)吸取而漸漸上升。電離層：高度在50～1000km，大氣中的O2、N2受紫外線(xiàn)照射而電離，對(duì)遙感波段是透亮的，是陸地衛(wèi)星活動(dòng)空間。大氣外層：800～35000km,空氣極淡薄，對(duì)衛(wèi)星基本上沒(méi)有影響。O3臭氧主要分布在10～50km的平流層大氣中，極大值出現(xiàn)在20～25km處，對(duì)流層中的臭氧含量不到特別之一。臭氧的總含量具有明顯的地域分布特征及季節(jié)變更，在赤道上空臭氧含量最少，在高緯度地區(qū)60°～70°區(qū)域內(nèi)達(dá)到極大值。70年頭，近極地上空臭氧層厚度是很大的，但隨著時(shí)間發(fā)展，臭氧層厚度漸漸在減小，目前在南極上空已形成臭氧空洞。

大氣是由多種氣體及氣溶膠所組成的混合物。氣體：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3氣溶膠

大氣的成分可分為常定成分（N2，O2，CO2等）與可變成分兩個(gè)部分（水汽，氣溶膠）。

大氣成分BACK大氣對(duì)輻射的吸取大氣中氮?dú)鈱?duì)電磁波的作用都在紫外光以外的范圍內(nèi)（<0.2um的電磁波幾乎被氮?dú)饣蜓鯕馕。４髿馍蠈映粞醯拇嬖?，而臭氧?duì)小于0.3um的電磁波具有極強(qiáng)的吸取實(shí)力，所以到達(dá)地面的太陽(yáng)短波輻射中，已不存在小于0.3um的短波輻射。真正對(duì)電磁波傳播起重要吸取作用的是一些特別少量的氣體，其中作用最為顯著的有臭氧，二氧化碳，甲烷和水汽（28頁(yè)圖）。

BACK

大氣散射散射的概念：電磁波與物質(zhì)相互作用后電磁波偏離原來(lái)的傳播方向的一種現(xiàn)象。不同于吸取作用，只變更傳播方向，不能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。大氣的散射是太陽(yáng)輻射衰減的主要緣由。對(duì)遙感圖像來(lái)說(shuō)，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成圖像模糊不清。散射主要發(fā)生在可見(jiàn)光區(qū)。大氣發(fā)生的散射主要有三種：瑞利散射：d<<λ米氏散射：d≈λ非選擇性散射：d>>λ

瑞利散射：由于氣體分子的尺度遠(yuǎn)小于光波的波長(zhǎng)時(shí)發(fā)生的散射，屬小顆粒散射。小顆粒散射的特征：（1）散射光強(qiáng)度與波長(zhǎng)4次方成反比，由此可以說(shuō)明天空為什么呈藍(lán)色。（2）假如入射光的為自然光，散射光的相函數(shù)為（1＋cos2Q)。（3）當(dāng)Q取0或180°時(shí)，散射光的偏振度為0。（4）當(dāng)Q取90°時(shí)，散射光的偏振度為1（線(xiàn)偏振），其它角度為部分偏振光。

米氏散射：大氣中的氣溶膠顆粒，云滴，雨云滴等的直徑與入射光的波長(zhǎng)可以比擬或大于入射光的波長(zhǎng)時(shí)發(fā)生的散射。米氏散射的特征：（1）電磁波可以穿透介質(zhì)表面而深化到散射顆粒的內(nèi)部。（2）由于顆粒尺度與波長(zhǎng)可以比擬，所以顆粒的不同部位往往處在不同的電場(chǎng)強(qiáng)度下，導(dǎo)致誘發(fā)電流的產(chǎn)生，一方面這高度電流會(huì)產(chǎn)生高變的磁場(chǎng)，另一方面電流的存在意味著焦耳熱損耗的出現(xiàn)——電磁波的吸取。

無(wú)選擇散射：大氣粒子的直徑比波長(zhǎng)大得多時(shí)發(fā)生的散射，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，在符合無(wú)選擇散射的條件的波段中，任何波長(zhǎng)的散射強(qiáng)度相同。

大氣散射的特點(diǎn)群體散射強(qiáng)度是個(gè)體散射強(qiáng)度的線(xiàn)性和。大氣散射系數(shù)與高度的關(guān)系：—大氣散射系數(shù)由分子散射和氣溶膠散射兩部分組成。—?dú)馊苣z顆粒密度隨高度呈指數(shù)衰減。—就平均狀況而言，4km以下的氣溶膠米氏散射占優(yōu)勢(shì)，4km以上的分子散射占相對(duì)優(yōu)勢(shì)。分子散射與氣溶膠散射光強(qiáng)之比隨角度和能見(jiàn)度的變更規(guī)律。

BACK大氣窗口折射現(xiàn)象：電磁波傳過(guò)大氣層時(shí)出現(xiàn)傳播方向的變更，大氣密度越大，折射率越大。反射現(xiàn)象：電磁波在傳播過(guò)程中，通過(guò)兩種介質(zhì)的交界面時(shí)會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象，反射現(xiàn)象出要出現(xiàn)在云頂（云造成的噪聲）。

大氣窗口太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣傳輸時(shí)，反射，吸取和散射共同衰減了輻射強(qiáng)度，剩余部分即為透過(guò)的部分。由于大氣層的反射、散射和吸取作用，使得太陽(yáng)輻射的各波段受到衰減的作用輕重不同，因而各波段的透射率也各不相同。電磁波通過(guò)大氣層時(shí)較少被反射，吸取和散射的，透射率較高的波段稱(chēng)為大氣窗口。（對(duì)地遙感要用的部分）

大氣窗口主要光譜波段BACK在可見(jiàn)光和近紅外波段，太陽(yáng)輻射30％被云或其它粒子反射，22％被散射，17％被吸取，到達(dá)地面能量31％。

大氣透射的定量分析光學(xué)厚度

光學(xué)厚度：沿某一路徑長(zhǎng)度的總衰減系數(shù)，波長(zhǎng)的函數(shù)（無(wú)因次量）。

大氣的總光學(xué)厚度：在某一垂直路徑上，從大氣頂層到地表的總衰減系數(shù)。

透過(guò)率——通過(guò)大氣后的輻照度與通過(guò)大氣前的輻照度之比。

太陽(yáng)輻射透過(guò)大氣并被地表反射（有用的）；太陽(yáng)輻射被大氣散射后被地表反射（訂正后有用）；太陽(yáng)輻射被大氣散射后干脆進(jìn)入傳感器；太陽(yáng)輻射透過(guò)大氣被地物反射后又被地表放射進(jìn)入傳感器；被視場(chǎng)以外地物反射后進(jìn)入視場(chǎng)的交叉輻射項(xiàng)。

太陽(yáng)光在地—?dú)庀到y(tǒng)的吸取、散射過(guò)程BACK

第三節(jié)地球的輻射與地物波譜

(1)地球的輻射源(2)地球輻射的特性（分段特性）(3)地物波譜的特征（反射波譜特征）(4)地物波譜特性的測(cè)量(5)微波輻射與雷達(dá)遙感

地球的輻射源地球輻射地球輻射：地球表面和大氣電磁輻射的總稱(chēng)。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(lái)自地球輻射攜帶的地物信息，經(jīng)過(guò)處理形成遙感影像。

被動(dòng)遙感的輻射源太陽(yáng)輻射近似6000K的黑體輻射，能量集中在0.3～2.5um波段之間。（可見(jiàn)光和近紅外）地球自身熱輻射近似300K的黑體輻射，能量集中在6.0um以上的波段。（熱紅外）

BACK在0.3～2.5um波段（主要在可見(jiàn)光和近紅外波段），地表以反射太陽(yáng)輻射為主，地球自身的輻射可以忽視。即在該波段范圍內(nèi)，對(duì)地觀(guān)測(cè)遙感主要以太陽(yáng)的短波輻射對(duì)地表進(jìn)行探測(cè)和成像。在2.5～6.0um波段（主要在中紅外波段），地表反射太陽(yáng)輻射和地球自身的熱輻射均為被動(dòng)遙感的輻射源。在6.0um以上的熱紅外波段，以地球自身的熱輻射為主，地表反射太陽(yáng)輻射可以忽視。（熱紅外成像）

地球輻射的特性地球輻射的分段特性了解地球輻射的分段特性的意義可見(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。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。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。

BACK地物波譜：地物的電磁波響應(yīng)特性隨電磁波長(zhǎng)變更而變更的規(guī)律，稱(chēng)為地表物體波譜，簡(jiǎn)稱(chēng)地物波譜。地物波譜特性是電磁輻射與地物相互作用的一種表現(xiàn)。地物波譜的作用：不同類(lèi)型的地物，其電磁波響應(yīng)的特性不同，因此地物波譜特征是遙感識(shí)別地物的基礎(chǔ)。

地物波譜的特性地物波譜不同電磁波段中地物波譜特性可見(jiàn)光和近紅外波段：主要表現(xiàn)地物反射作用和地物的吸取作用。（樹(shù)葉青翠欲滴、水下溫度）熱紅外波段：主要表現(xiàn)地物熱輻射作用。（熱紅外靈敏遙感器夜間成像河流為亮色條帶，但熱紅外白天成像河流為暗色條帶）微波波段：主動(dòng)遙感利用地物后向散射；被動(dòng)遙感利用地物微波輻射。

可見(jiàn)光和近紅外波段地物波譜特征——地物反射波譜特征太陽(yáng)輻射到達(dá)地表后，一部分反射，一部分吸取，一部分透射，即：到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能量＝反射能量＋吸取能量＋透射能量。一般而言，絕大多數(shù)物體對(duì)可見(jiàn)光都不具備透射實(shí)力，而有些物體如水，對(duì)確定波長(zhǎng)的電磁波則透射實(shí)力較強(qiáng)，特殊是0.45~0.56μm的藍(lán)綠光波段。一般水體的透射深度可達(dá)10～20m，清澈水體可達(dá)100m的深度。地表反射的太陽(yáng)輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。

地物反射地物的反射：太陽(yáng)光通過(guò)大氣層照射到地球表面，地物會(huì)發(fā)生放射作用，反射后的短波輻射一部分為遙感器所接收。反射率（ρ）：地物的反射能量與入射總能量的比，即ρ=(Pρ/P0)×100%。表征物體對(duì)電磁波譜的反射實(shí)力。反射率是可以測(cè)定的。地物在不同波段的反射率是不同的，利用地物反射率的差別，可以推斷地物的屬性。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關(guān)。地物反射率地物的反射類(lèi)型：依據(jù)地表目標(biāo)物體表面性質(zhì)的不同，物體反射大體上可以分為3種類(lèi)型，即鏡面反射、漫反射、實(shí)際物體的反射（1）鏡面反射：發(fā)生在光滑物體表面的一種反射。物體的反射滿(mǎn)足反射定律，反射波和入射波在同一平面內(nèi)，入射角等于反射角。只有在反射波射出的方向才能探測(cè)到電磁波。例子：水面是近似的鏡面反射，在遙感圖像上水面有時(shí)很亮，有時(shí)很暗，就是這個(gè)緣由造成的。物體表面性質(zhì)對(duì)反射的影響（2）漫反射：發(fā)生在特別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)方向是一樣的。即當(dāng)入射輻照度I確定時(shí)，從任何角度視察反射面，其反射輻照亮度是一個(gè)常數(shù)，這種反射面又叫朗伯面。（3）實(shí)際物體反射：介于鏡面和朗伯面（漫反射）之間的一種反射。自然界種絕大多數(shù)地物的反射都屬于這種類(lèi)型的反射，又叫非朗伯面反射。對(duì)太陽(yáng)短波輻射的反射具有各向異性，即實(shí)際物風(fēng)光 在有入射波時(shí)各個(gè)方向都有反射能量，但大小不同。

遙感圖像上記錄的輻射亮度，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和天頂角有關(guān)。由于鏡面反射會(huì)造成太陽(yáng)光干脆進(jìn)入遙感器，在成像時(shí)間選擇上，應(yīng)避開(kāi)中午成像，防止形成鏡面反射。否則水體會(huì)形成特別亮的耀斑，四周地物的反射信息有受到干擾和減弱。了解物體表面性質(zhì)對(duì)反射影響的意義地物反射波譜：是探討可見(jiàn)光至近紅外波段上地物反射率隨波長(zhǎng)的變更規(guī)律。表示方法：一般接受二維幾何空間內(nèi)的曲線(xiàn)表示，橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)表示反射率。地物反射波譜植被土壤水體巖石常見(jiàn)的幾種地物類(lèi)型波譜特征植被的波譜特征在0.45um旁邊（藍(lán)色波段）有一個(gè)吸取谷；在0.55um旁邊（綠色波段）有一個(gè)反射峰；在0.67um旁邊（紅色波段）有一個(gè)吸取谷。從0.76um處反射率快速增大，形成一個(gè)爬升的“陡坡”,至1.1um旁邊有一個(gè)峰值，反射率最大可達(dá)50％，形成植被的獨(dú)有特征。在可見(jiàn)光波段在近紅外波段1.5～1.9um光譜區(qū)反射率增大；以1.45um，1.95um，2.70um為中心是水的吸取帶，其旁邊區(qū)間受到綠色植物含水量的影響，反射率下降，形成低谷。植物的光譜曲線(xiàn)影響植被波譜特征的主要因素植物類(lèi)型植物生長(zhǎng)季節(jié)病蟲(chóng)害影響等植被波譜特征大同小異，依據(jù)這些差異可以區(qū)分植被類(lèi)型、生長(zhǎng)狀態(tài)等。不同植被類(lèi)型的光譜曲線(xiàn)比較Tobecontinued…土壤的波譜特征自然狀態(tài)下土壤表面的反射曲線(xiàn)呈比較平滑的特征，沒(méi)有明顯的反射峰和吸取谷。在干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物（原生礦物和此生礦物）和土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)。土壤含水量增加，土壤的反射率就會(huì)下降，在水的各個(gè)吸取帶（1.4um、1.9um、2.7um處旁邊區(qū)間），反射率的下降尤為明顯。三種不同類(lèi)型土壤在干燥環(huán)境下的光譜曲線(xiàn)水體的波譜特征純凈水體的反射主要在可見(jiàn)光中的藍(lán)綠光波段，在可見(jiàn)光其它波段的反射率很低。近紅外和中紅外純凈的自然水體的反射率很低，幾乎趨近于0。水中其它物質(zhì)對(duì)波譜特征的影響水中含有泥沙，在可見(jiàn)光波段的反射率會(huì)增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)。水中含有水生植物葉綠素時(shí)，近紅外波段反射率明顯抬高。葉綠素含量不同時(shí)水體的光譜曲線(xiàn)巖石礦物的光譜曲線(xiàn)巖石的反射波譜主要由礦物成分、礦物含量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等確定。影響巖石礦物波譜曲線(xiàn)的因素包括巖石風(fēng)化程度、巖石含水狀況、礦物顆粒大小、巖石表面光滑程度、巖石色澤等。巖石的光譜曲線(xiàn)地物波譜曲線(xiàn)的作用物體波譜曲線(xiàn)形態(tài)，反映出該地物類(lèi)型在不同波段的反射率，通過(guò)測(cè)量該地物類(lèi)型在不同波段的反射率，并以此與遙感傳感器所獲得的數(shù)據(jù)相比照，可以識(shí)別遙感影像中的同類(lèi)地物。應(yīng)用地物波譜特征須要留意的問(wèn)題絕大部分地物的波譜值具有確定的變幅，它們的波譜特征不是一條曲線(xiàn)，而是具有確定寬度的曲帶。地物存在“同物異譜”和“異物同譜”現(xiàn)象。“同物異譜”是指兩個(gè)類(lèi)型的個(gè)體地物，在某個(gè)波段上波譜特征不同；“異物同譜”是指不同類(lèi)型的地