遙感物理基礎(chǔ)

其次章遙感物理基礎(chǔ)遙感技術(shù)是建立在電磁波輻射理論基礎(chǔ)上的。不同的物體具有不同的電磁輻射特性－－這是遙感技術(shù)的理論依據(jù)，也因此才有可能探測(cè)、識(shí)別物體。對(duì)于地學(xué)工作者來(lái)說，主要是應(yīng)用遙感技術(shù)所獲得的圖像或磁帶（經(jīng)過處理）進(jìn)行判讀和識(shí)別地物。主要內(nèi)容第一節(jié)電磁波和電磁波譜其次節(jié)電磁輻射原理及電磁輻射源第三節(jié)大氣對(duì)電磁輻射傳輸?shù)挠绊懙谒墓?jié)地物波譜特征第五節(jié)光和顏色第一節(jié)電磁波和電磁波譜一、電磁波及相關(guān)基本概念二、電磁波的特性三、電磁波譜一、電磁波及相關(guān)基本概念波橫波和縱波機(jī)械波電磁波電磁輻射波：是振動(dòng)在空間的傳播。橫波和縱波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向相同的為縱波；兩者垂直的為橫波。波機(jī)械波：由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的波。是振源發(fā)出的振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播。聲波、水波、地震波……其共性是必需依靠于彈性介質(zhì)，振動(dòng)的是彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的位移矢量，質(zhì)點(diǎn)本身并不向前運(yùn)動(dòng)，傳播的是能量和振動(dòng)形式。波——機(jī)械波電磁波：由電磁振動(dòng)產(chǎn)生的波。是交變電磁場(chǎng)在空間的傳播，它是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，能量傳遞的一種特殊形式。電磁輻射：電磁波能量的傳遞過程（包括輻射、吸取、反射和透射等現(xiàn)象）。光波、熱輻射、微波、無(wú)線電波……由振源發(fā)出的電磁振蕩在空間的傳播，振蕩的是空間電場(chǎng)矢量E和磁場(chǎng)矢量B。波——電磁波和電磁輻射電磁波：電磁波是橫波，交變的電磁場(chǎng)的矢量方向始終與傳播方向垂直。電場(chǎng)矢量E和磁場(chǎng)矢量B始終垂直于傳播方向V，電磁波可以在真空中傳播，不依靠于介質(zhì)。波——電磁波EBV理論依據(jù)：麥克斯韋的電磁理論；楞茨定律；法拉第的電磁感應(yīng)定律麥克斯韋的電磁理論：變更的電場(chǎng)在其四周空間產(chǎn)生變更的磁場(chǎng)，變更的磁場(chǎng)又在其四周空間產(chǎn)生變更的電場(chǎng)，這樣，交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互激發(fā)并向外傳播，閉合的電力線和磁力線就象一個(gè)個(gè)套在一起的鏈條，在空間傳播開來(lái)，形成電磁波。同理，電磁波傳播的是電磁能。波——電磁波電磁波是物質(zhì)存在的一種形式，以場(chǎng)的形式表現(xiàn)出來(lái)。不管是機(jī)械波還是電磁波，在運(yùn)動(dòng)形式上都是波動(dòng)。波動(dòng)的基本特點(diǎn)是時(shí)空周期性，時(shí)空周期性可以由波動(dòng)方程的波函數(shù)表示：＝A?sin[t-kx)+]

式中：－波函數(shù)；A－振幅；(t-kx)+－位相；－初位相；－圓頻率，＝2/T；

k－圓波數(shù)，k＝2/；t，x－時(shí)空變量波動(dòng)方程描述電磁波時(shí)空周期性的主要物理量波長(zhǎng)：是在同一波線上兩個(gè)相位差為2的質(zhì)點(diǎn)之間的距離，即一個(gè)完整波的長(zhǎng)度，以表示周期：以隨意點(diǎn)起先，振動(dòng)傳播一個(gè)波長(zhǎng)所需的時(shí)間，以T表示。頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)波動(dòng)前進(jìn)過程中所包含的波數(shù)，以f表示振幅：振動(dòng)點(diǎn)離開平衡位置兩邊的最大位移，以A表示，也稱強(qiáng)度初相位：波形的時(shí)間提前或延后量，以表示。波速：波在單位時(shí)間內(nèi)傳播距離。電磁波在真空中的傳播速度為每秒3108米/秒，通常用C表示。描述電磁波時(shí)空周期性的主要物理量由方程可知，波函數(shù)有振幅和位相兩部分信息。一般的傳感器只記錄地物電磁波的振幅即強(qiáng)度信息，而舍棄位信任息。全息成像：在全息攝影中除了記錄電磁波的振幅信息，同時(shí)記錄位信任息。二、電磁波的特性電磁波是一種橫波，是以電磁場(chǎng)的形式傳播的球面波，即使在真空中也能傳播。各種不同的電磁波，在真空中的傳播速度均相等，并等于光速。電磁波的特性電磁輻射以波動(dòng)形式在空間傳播——電磁波具有波動(dòng)特性（如干涉、衍射、偏振、色散等現(xiàn)象）。電磁波是由密集的光子微粒組成——電磁波具有粒子（量子）性（如電磁輻射的光電效應(yīng)、光化學(xué)作用等現(xiàn)象）。電磁波在傳播過程中，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。一般說來(lái)，波長(zhǎng)越短，輻射的粒子性越明顯；波長(zhǎng)越長(zhǎng)，輻射的波動(dòng)性越明顯。此即電磁波的波粒二象性。三、電磁波譜電磁波譜的概念電磁波譜的劃分各譜段的特性電磁波譜的概念電磁波譜：將各種電磁波按其波長(zhǎng)的（頻率）大小，依次排列成圖表，這個(gè)圖表就叫電磁波譜。電磁波是粒子（電子、原子、分子等）發(fā)生能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，當(dāng)粒子從較高能級(jí)躍遷到較低能級(jí)時(shí)放射電磁波；反之，吸取電磁波。不同的粒子，發(fā)生不同的能級(jí)躍遷，產(chǎn)生不同能量，也就是不同波長(zhǎng)的電磁波。電磁波譜的劃分在電磁波譜中，波長(zhǎng)最長(zhǎng)的是無(wú)線電波，無(wú)線電波依據(jù)波長(zhǎng)不同又分為長(zhǎng)波、中波、短波、超短波，其次是微波、紅外線、可見光、紫外線，再次是X射線，波長(zhǎng)最短的是射線，見下圖：10-6m1nm0.38m0.76m3m6m15m1mm1m射線X射線紫外線可見光近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外超遠(yuǎn)紅外微波無(wú)線電波1mm=1000m；1m=1000nm電磁波譜的劃分紫外波段 0.01-0.38m可見光波段 0.38-0.76m

紫色光 0.38-0.43m

藍(lán)色光 0.43-0.47m

青色光 0.47-0.50m

綠色光 0.50-0.56m

黃色光 0.56-0.59m

橙色光 0.59-0.62m

紅色光 0.62-0.76m近紅外（攝影紅外）波段 0.76-1.2m近紅外（反射紅外）波段 0.76-3.0m中紅外波段（熱紅外） 3.0–6.0m電磁波譜的劃分遠(yuǎn)紅外波段（熱紅外） 6.0–15.0m超遠(yuǎn)紅外波段 15.0-1000m微波波段 1.0mm–1m

毫米波 1.0-10mm

厘米波 1.0-10cm

分米波 0.1–1.0m各譜段的特性共性：在真空中具有相同的傳播速度，c＝3.0*108m/s

遵守相同的反射、折射、干涉、衍射及偏振定律紫外線可見光紅外線微波波長(zhǎng)0.01-0.38m，屬于太陽(yáng)輻射的范疇。波長(zhǎng)小于0.28m的紫外線，被臭氧層及其它成份吸取。只有波長(zhǎng)0.28-0.38的紫外線，能部分穿過大氣層，但散射嚴(yán)峻，只有部分投射到地面，并使感光材料感應(yīng)，可作為遙感工作波段，稱為攝影紫外。主要用于探測(cè)碳酸鹽分布和監(jiān)測(cè)水面油污。碳酸鹽巖在0.4m以下的短波區(qū)對(duì)紫外線的反射比其它類型的巖石強(qiáng)，水面油膜比四周水面對(duì)紫外反射猛烈?？罩刑綔y(cè)高度大致在2000m以下，不適宜高空遙感。紫外波段的特性波長(zhǎng)0.38-0.76m；人眼可見，由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七色光組成；在太陽(yáng)輻射能中所占比例高，能透過大氣層；地面物體對(duì)七色光多具有其特征的反射和吸取特性，故信息量最大，是鑒別物質(zhì)特征的主要波段；遙感中可以用光學(xué)攝影、掃描等各種方式成像，可全色，可分波段，是遙感最常用的波段?？梢姽獠ǘ蔚倪b感技術(shù)最成熟，但仍舊有很大潛力。當(dāng)前辨別實(shí)力最好的遙感資料，仍舊是在可見光波段內(nèi)?？梢姽獠ǘ蔚奶匦圆ㄩL(zhǎng)0.76-1000m?？煞譃榻t外波段（0.76-3），中紅外（3-6），遠(yuǎn)紅外（6-15）和超遠(yuǎn)紅外（15-1000）近紅外波段是地表層反射太陽(yáng)的紅外輻射，故又稱反射紅外。其中靠近可見光紅光的0.76-1.2波段可使膠片感光，故又稱攝影紅外。而中、遠(yuǎn)、超遠(yuǎn)紅外是地表物體放射的紅外線，故稱熱紅外。熱紅外只能用掃描方式，經(jīng)過光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換才能成象。紅外遙感接受熱感應(yīng)方式探測(cè)地物本身的輻射（熱污染、火山、森林火災(zāi)等），可以全天時(shí)遙感，是一個(gè)很有發(fā)展?jié)摿Φ倪b感波段。紅外波段的特性波長(zhǎng)1mm-1m?？煞譃楹撩撞ǎ?-10mm）、厘米波（1-10cm）和分米波（1-10dm）。微波的特點(diǎn)是能穿透云霧和確定厚度的植被、冰層和土壤，可獲得其它波段無(wú)法獲得的信息；具有全天候的工作實(shí)力；可以主動(dòng)和被動(dòng)方式成像。因此在遙感技術(shù)上是很有潛力的一個(gè)波段。微波波段的特性其次節(jié)電磁輻射原理及輻射源一、電磁輻射原理二、電磁輻射源一、電磁輻射原理

概念普朗克公式史蒂芬—玻爾茲曼公式維恩位移定律基爾霍夫定律概念——熱輻射熱輻射：自然界中一切物體。當(dāng)溫度高于確定零度（-273℃）時(shí)，都會(huì)不斷向四周空間輻射電磁波，這種由物體內(nèi)部粒子熱運(yùn)動(dòng)所引起的電磁輻射稱為熱輻射。熱輻射能量的大小及波長(zhǎng)分布取決于物體本身的溫度T。地物放射電磁輻射的實(shí)力用放射率來(lái)表示。地物的放射率以黑體輻射作為基準(zhǔn)。概念——吸取系數(shù)吸取系數(shù)α：物體吸取能量與入射總能量之比。概念——黑體和白體黑體：“確定黑體”的簡(jiǎn)稱，是一個(gè)志向的輻射體，指在任何溫度和波長(zhǎng)條件下的電磁輻射的吸取系數(shù)恒等于1（100％）的物體。黑體輻射：黑體的熱輻射稱為黑體輻射。確定白體（白體)：吸取系數(shù)α恒等于0的物體黑體是一種具有最大輻射實(shí)力的物體；白體是具有最大反射實(shí)力的物體。概念——灰體和選擇性輻射體現(xiàn)實(shí)中并不存在確定黑體，黑體模型的基本結(jié)構(gòu)為能保持恒定溫度的空腔。它能夠全部吸取進(jìn)入腔體內(nèi)的各種波長(zhǎng)的電磁輻射，又能100％的放射某一波長(zhǎng)的輻射?；殷w：0<α<1，α不隨波長(zhǎng)而變更。選擇性輻射體：0<α<1，α隨波長(zhǎng)而變更。概念——輻射度量輻射能量（W）：電磁輻射的能量，單位J。輻射通量（Φ）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過某一面積的輻射能量,Φ=dW/dt，單位W。輻射通量是波長(zhǎng)的函數(shù)，總輻射通量是各譜段輻射通量之和或輻射通量的積分值。輻射通量密度（E）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位面積的輻射能量，E=dΦ/dS，單位W/M2，S為面積。概念——輻射度量輻照度（I）：被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量，單位W/M2

。輻射出射度（M）：輻射源物體表面單位面積上的輻射通量，單位W/M2

。輻照度（I）與輻射出射度（M）都是輻射通量密度（E）的概念,不過，I為物體接收的輻射，M為物體發(fā)出的輻射，它們都與波長(zhǎng)有關(guān)。普朗克公式確定黑體在波長(zhǎng)為，確定溫度為T時(shí)的輻射通量密度E0(,T)為：式中：C—31010cm/秒，光速；h—6.625610-34瓦.秒2，普朗克常數(shù)；K—1.3810-23瓦.秒/K，玻爾茲曼常數(shù)；—波長(zhǎng)；T—確定溫度；普朗克公式普朗克公式表示出了黑體輻射通量密度與溫度的關(guān)系及按波長(zhǎng)分布的狀況。反映黑體輻射的三個(gè)特性：輻射通量密度隨波長(zhǎng)連續(xù)變更，溫度確定時(shí)，輻射通量密度隨波長(zhǎng)變更的曲線只有一個(gè)最大值溫度越高，輻射通量密度也越大，不同溫度下的曲線不相交。隨著溫度的上升，輻射最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。E06000K3000K1000K200K史蒂芬—玻爾茲曼公式將普朗克公式對(duì)波長(zhǎng)積分得： ————史蒂芬—玻爾茲曼公式式中：0(T)—確定溫度時(shí)，黑體單位時(shí)間和單位面積上發(fā)出的總輻射能；為史蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)；T—確定溫度。史蒂芬—玻爾茲曼公式由上式可見（在遙感技術(shù)上的意義）：確定黑體表面上，單位面積發(fā)出的總輻射能與確定溫度的四次方成正比，對(duì)于一般物體,可用上式概略推算出總輻射能與確定溫度的關(guān)系。黑體總輻射通量密度與溫度的四次方成正比，因而隨溫度的增加快速增大——紅外測(cè)溫的理論依據(jù)。維恩位移定律對(duì)普朗克公式對(duì)波長(zhǎng)微分后求極大值，即得出黑體最大輻射能所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)（m）及其確定溫度（T）的關(guān)系式為:維恩位移定律上式說明（在遙感技術(shù)上的意義）：黑體的確定溫度增高時(shí)，它輻射能最大的波段向短波方向移動(dòng)。據(jù)此可對(duì)特定的目標(biāo)選擇紅外遙感的最佳波段。地物的放射率和基爾霍夫定律放射率：又稱“比輻射率”，是指地物的輻射出射度（即地物單位面積發(fā)出的輻射總通量）M與同溫度黑體的輻射出射度（即黑體單位面積發(fā)出的輻射總通量）M0的比值。＝M/M0地物的放射率與地物的性質(zhì)、表面狀況（粗糙度、顏色等）有關(guān)，且是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)。a、同一溫度表面粗糙或顏色較深的，放射率較高；b、不同溫度的同一地物，有不同的放射率；c、放射率與波長(zhǎng)有關(guān)。地物的放射率和基爾霍夫定律基爾霍夫定律：任何物體在任一給定的溫度和波長(zhǎng)條件下，它的輻射通量密度E和吸取系數(shù)α之比是一個(gè)常數(shù)，并且等于同一溫度波長(zhǎng)下，確定黑體的輻射通量密度E0。由此可見：任何物體在給定溫度條件下，在某一波特長(zhǎng)的放射系數(shù)數(shù)值上等于相同條件下的吸取系數(shù)。因此，一個(gè)好的吸取體也是一個(gè)好的放射體。因?yàn)镋和M是一個(gè)概念，則有：地物的放射率和基爾霍夫定律基爾霍夫定律在遙感技術(shù)上的意義：在確定溫度下的物體，如它對(duì)某一波長(zhǎng)的輻射有強(qiáng)吸取，則放射這一波長(zhǎng)的實(shí)力也強(qiáng)，反之亦然。如不吸取某種波長(zhǎng)的輻射，則亦不放射這種波長(zhǎng)的輻射。二、電磁輻射源

自然輻射源（太陽(yáng)、地球）人工輻射源自然輻射源自然輻射源主要包括太陽(yáng)輻射和地物的熱輻射。太陽(yáng)輻射是被動(dòng)遙感中可見光和近紅外遙感最主要的輻射源。地球是地學(xué)遙感探測(cè)的對(duì)象，又是目前遠(yuǎn)紅外遙感的主要輻射源。自然輻射源——太陽(yáng)概況太陽(yáng)電磁輻射強(qiáng)度太陽(yáng)輻射光譜太陽(yáng)輻射在大氣中的損耗概況太陽(yáng)是地球環(huán)境中最強(qiáng)大的自然電磁輻射源，是被動(dòng)遙感中可見光和近紅外遙感最主要的輻射源。太陽(yáng)是一個(gè)表面溫度約6000K的炙熱發(fā)光球體。太陽(yáng)是地球上除核能外一切有用能量的源泉。地球距太陽(yáng)1.5億KM，太陽(yáng)輻射能經(jīng)500秒方到達(dá)地球，地球接收太陽(yáng)輻射能約二十二億分之一。太陽(yáng)輻射是一種特別困難的連續(xù)電波光譜，從波長(zhǎng)10-4m或更短的X射線延長(zhǎng)到大于10m的無(wú)線電波。太陽(yáng)電磁輻射強(qiáng)度總能量用太陽(yáng)常數(shù)表示太陽(yáng)常數(shù)：指在不受大氣影響的狀況下，距太陽(yáng)一個(gè)天文單位（通常指日—地平均距離處，約1.496108km）處，垂直于太陽(yáng)入射方向上，單位面積單位時(shí)間內(nèi)所接收到的全部波段的太陽(yáng)輻射總能量： I☉=135.3毫瓦/厘米2=1352w/m2可以認(rèn)為太陽(yáng)常數(shù)是在大氣層頂部接收到的太陽(yáng)輻射能量。太陽(yáng)輻射光譜太陽(yáng)輻射的各種電磁波稱為太陽(yáng)光譜。太陽(yáng)輻射的光譜是連續(xù)光譜，且輻射特性近似于溫度為5900K的確定黑體輻射。太陽(yáng)輻射能主要集中在0.3—3m波段。最大輻射對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約為0.48m。由于太陽(yáng)輻射的大部分能量集中在可見光波段，所以稱為短波輻射。太陽(yáng)輻射能量的組成波長(zhǎng)/

m波段能量(%)波長(zhǎng)/

m波段能量(%)<10-3X、射線0.020.76～1.5

近紅外36.810-3

～0.2遠(yuǎn)紫外1.5～5.6

中紅外120.2～0.31

中紫外1.955.6～1000

遠(yuǎn)紅外0.410.31～0.38

近紫外5.32>1000

微波0.38～0.76

可見光43.5太陽(yáng)輻射光譜太陽(yáng)輻射從近紫外到中紅外（0.31-5.6m）這一波段區(qū)間能量最集中，且相對(duì)最穩(wěn)定，太陽(yáng)強(qiáng)度變更小。在其他波段，如X射線、射線、遠(yuǎn)紫外及微波波段，盡管它們的能量加起來(lái)不到1%，可是卻變更很大，特殊是太陽(yáng)活動(dòng)猛烈，如黑子和耀斑爆發(fā)，其強(qiáng)度有猛烈增長(zhǎng)。太陽(yáng)輻射在大氣中的損耗大氣及其它成份反射：30%大氣吸?。?7%大氣散射：22%到達(dá)地面:31%地球太陽(yáng)大氣層自然輻射源——地球

地球電磁輻射的特性與太陽(yáng)輻射的相互作用

地球電磁輻射的特性地球是地學(xué)遙感探測(cè)的對(duì)象，又是目前遠(yuǎn)紅外遙感的主要輻射源。地球輻射接近于溫度為300K的黑體輻射，最大輻射對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為9.66m，屬于遠(yuǎn)紅外波段。其電磁輻射的波長(zhǎng)范圍為：2.5-50m，大部分能量集中在8-14m的范圍內(nèi)。與太陽(yáng)輻射的相互作用地球輻射曲線與太陽(yáng)輻射曲線在5.5m處相交，3m處地球輻射減弱至接近于0，6m處，太陽(yáng)輻射減至接近于0。與太陽(yáng)輻射相互作用波長(zhǎng)0.3-3m，即紫外、可見光和近紅外波段，地表主要的輻射是反射太陽(yáng)輻射，地球自身的輻射幾乎可以忽視不計(jì)。波長(zhǎng)3-6m中紅外波段，太陽(yáng)與地球輻射均不能忽視。進(jìn)行該波段的紅外遙感時(shí)，常選擇在早晨時(shí)分，以削減太陽(yáng)輻射影響。波長(zhǎng)>6m的熱紅外波段，主要是地表物體自身的熱輻射，太陽(yáng)輻射的影響幾乎可以忽視不計(jì)。人工輻射源人工輻射源：指能人為放射具有確定波長(zhǎng)的電磁波束的放射裝置。目前主要有微波輻射源和激光輻射源。主動(dòng)式遙感接受人工輻射源。工作時(shí)向地表放射電磁波束而接收其反射回波，并據(jù)其反射信號(hào)強(qiáng)弱探知地物性質(zhì)或測(cè)距。又稱雷達(dá)探測(cè)。雷達(dá)又可以分為微波雷達(dá)和激光雷達(dá)。人工輻射源——微波輻射源

微波遙感中常用的波段為0.8～30cm，其探測(cè)波段與相應(yīng)頻率如表：波段名稱頻率(10MHz)波長(zhǎng)(cm)PLSCXKuKKaQVW0.225~0.390.39~1.551.55~3.93.9~5.755.75~10.910.9~1818~26.526.5~4040~4646~5656~100133~76.976.9~19.419.4~7.697.69~5.215.21~2.752.75~1.671.67~1.131.13~0.830.83~0.630.63~0.530.53~0.3微波遙感特點(diǎn)微波屬無(wú)線電波中波長(zhǎng)最短的部分，頻率高，可用頻帶寬，信息容量大。微波具有似光性，即傳播特性與光相像。微波遙感具有全天候全天時(shí)探測(cè)實(shí)力。（主動(dòng)式傳感器不依靠太陽(yáng)輻射；波長(zhǎng)長(zhǎng)，受大氣干擾?。Ｎ⒉▽?duì)某些物質(zhì)具有確定的穿透實(shí)力，如植被、冰、雪、土壤。某些物質(zhì)的光譜在微波波段有較大的差異，因此一些物體在微波遙感中簡(jiǎn)潔區(qū)分。人工輻射源——激光輻射源光譜：短波可至0.24m以下，長(zhǎng)波可達(dá)1000m，甚至微波，激光器放射光譜的波長(zhǎng)范圍較寬。輸出功率：低者幾微瓦，高者可達(dá)幾兆瓦以上。激光的方向性好，光細(xì)、發(fā)散面特別小，能產(chǎn)生極高辨別率的圖像。高亮度：可比太陽(yáng)亮度高幾十億倍。單色性好。用途日益廣泛，如激光雷達(dá)，可精確測(cè)定衛(wèi)星的位置、高度和速度，測(cè)量地形、海浪狀況，監(jiān)測(cè)污染等。第三節(jié)大氣對(duì)電磁輻射傳輸?shù)挠绊懱?yáng)輻射或地面輻射經(jīng)過大氣層時(shí)，會(huì)受到大氣的反射、吸取和散射作用而發(fā)生衰減。不同波長(zhǎng)的電磁波所受的衰減作用輕重不同，即不同波長(zhǎng)的電磁波在大氣中的透射率不同。大氣對(duì)電磁輻射傳輸?shù)挠绊?/p>

傳感器接收地物對(duì)太陽(yáng)輻射反射的過程受到兩次衰減：一是太陽(yáng)輻射從大氣外界通過傾斜路徑到達(dá)地面；二是到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射經(jīng)過地物的反射，垂直向上又一次經(jīng)過大氣。太陽(yáng)高度角傳感器大氣層頂部太陽(yáng)輻照度E（）()地面反射率z()天頂透過率LA傳感器探測(cè)到的散射輻射LS地面反射輻射地面()斜程透過率R()傳感器的濾光片的作用主要內(nèi)容大氣的層次和結(jié)構(gòu)大氣反射大氣吸取大氣散射大氣透過率大氣窗口和大氣屏障 電磁輻射大氣傳輸?shù)奶接懯乾F(xiàn)代遙感技術(shù)中的基本理論探討之一大氣的層次和成份大氣層次大氣成份大氣層次 地球外圍的大氣圈并沒有一個(gè)準(zhǔn)確的界限，只是離地面越高，空氣漸漸變得越淡薄。大氣在垂直方向的分層如下：對(duì)流層：頂部平均距地面20km以內(nèi)，集中了大氣質(zhì)量的3/4，層內(nèi)大氣活動(dòng)活躍，常常發(fā)生氣象變更，是航空遙感的主要工作區(qū)。平流層：頂部平均位于距地面50km處，無(wú)垂直對(duì)流，由于存在臭氧層，吸取紫外線而升溫。中層：頂部平均位于距地面80km處，氣溫隨高度增加而遞減，大致在80km處氣溫降到最低，約170K，是整個(gè)大氣層的最低氣溫。 也有將平流層和中層合稱為平流層。大氣層次熱層（也叫增溫層）：頂部平均位于距地面800km處，層內(nèi)氣溫隨高度增加而急劇遞增，在300km的高度上，溫度達(dá)到1000°C以上，該層對(duì)遙感運(yùn)用的可見光、紅外直至微波波段的影響較小，大氣特別淡薄，處于電離狀態(tài)，又叫電離層，是衛(wèi)星遙感的主要空間。大氣外層：該層距離地面800km以上，空氣極為淡薄，不斷向星際空間散逸，該層對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行基本沒有影響，又稱散逸層。對(duì)電磁輻射傳輸有顯著影響的主要是對(duì)流層和平流層。地球大氣由多種氣體、固態(tài)及液態(tài)懸浮微粒組成。主要?dú)怏w包括N2、O2、H2O、CO、CO2、N2O、CH4及O3等；大氣中的懸浮微粒包括塵埃、冰晶、水滴等，直徑約為0.01-30m，這些懸浮物通稱為氣溶膠粒子，形成霾、霧、云。大氣成份大氣反射主要是云層反射云層越厚反射量越大：厚度大于50m時(shí)，反射量達(dá)50%以上，厚度為500m時(shí)，反射量超過80%.大氣層中直徑大于10-6m的其它微粒也會(huì)產(chǎn)生反射作用.故對(duì)地球溫度有調(diào)整作用.大氣吸取在紫外—微波之間，具明顯吸取作用的主要是O3、O2、CO2和H20；此外N2O、CH4對(duì)電磁輻射也有吸取，多種成份對(duì)電磁波有不同的吸取實(shí)力，從而形成相應(yīng)的吸取帶。氧（O2）：大氣中氧氣含量約占21％，它主要吸取小于0.2m的太陽(yáng)輻射能量，在波長(zhǎng)0.155m吸取最強(qiáng)，在0.6m和0.76m旁邊，各有一個(gè)窄吸取帶，吸取實(shí)力較弱。大氣吸取臭氧（O3）：大氣中含量很少，只占0.01-0.1％，但對(duì)太陽(yáng)輻射能量吸取很強(qiáng)，有兩個(gè)吸取帶：一個(gè)為波長(zhǎng)0.2～0.36m強(qiáng)吸取帶，另一個(gè)為0.6m旁邊的吸取帶。主要分布在30km高度旁邊，因此對(duì)小于10km的航空遙感影響不大，而主要影響航天遙感。水（H2O）：是吸取太陽(yáng)輻射能量最強(qiáng)的介質(zhì)，主要吸取帶位于紅外和可見光的紅光波段，其中紅外部分吸取最強(qiáng)。在0.5～0.9m有四個(gè)窄吸取帶，在0.95～2.85m有五個(gè)寬吸取帶，在6.25m旁邊有一個(gè)強(qiáng)吸取帶。因此水氣對(duì)紅外遙感有很大影響。液態(tài)水的吸取比水氣吸取更強(qiáng)，但主要在長(zhǎng)波方面。大氣吸取CO2：大氣中含量很少，占0.3%，吸取帶主要在紅外區(qū)內(nèi)，在1.35～2.85m有3個(gè)寬的弱吸取帶，在2.7m、4.3m與14.5m為強(qiáng)吸取帶?！獙?duì)太陽(yáng)輻射的吸取可忽視不記。塵埃：對(duì)太陽(yáng)輻射有確定的吸取作用，但吸取量很少。當(dāng)有沙暴、煙霧和火山爆發(fā)發(fā)生時(shí)，大氣中的塵埃急劇增加，這時(shí)，它的吸取作用才比較明顯。大氣散射大氣散射概念瑞利散射米氏散射無(wú)選擇性散射大氣散射概念大氣散射：電磁波在傳播的路徑上遇到原子、分子或氣溶膠等小微粒時(shí)，會(huì)變更傳播方向，向各個(gè)方向散開，這種現(xiàn)象稱為散射。散射現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是電磁波在傳輸過程中遇到大氣微粒而產(chǎn)生的一種衍射現(xiàn)象，因此，這種現(xiàn)象只有當(dāng)大氣中的分子或其他微粒的直徑小于或相當(dāng)于輻射波長(zhǎng)時(shí)才發(fā)生。散射主要集中在太陽(yáng)輻射能量較強(qiáng)的可見光區(qū)，所以散射是造成太陽(yáng)輻射衰減的主要緣由。大氣散射概念散射的性質(zhì)和強(qiáng)度取決于微粒的半徑r與電磁波長(zhǎng)兩者之間的關(guān)系。散射強(qiáng)度可用散射系數(shù)（）表示，散射系數(shù)與電磁波波長(zhǎng)的關(guān)系如下：∝1/ 式中：為波長(zhǎng)的指數(shù)，它由大氣微粒直徑大?。╠）與波長(zhǎng)的關(guān)系確定。依據(jù)輻射的電磁波波長(zhǎng)與微粒直徑的大小的關(guān)系，散射分三種狀況：瑞利散射、米氏散射、非（無(wú)）選擇性散射。瑞利散射：當(dāng)微粒的直徑d比輻射波長(zhǎng)小得多時(shí)，此時(shí)散射為瑞利散射。此時(shí)，＝4，∝1/4，主要是由大氣分子對(duì)可見光的散射引起的，所以也叫分子散射。由于散射系數(shù)與波長(zhǎng)的四次方成反比，當(dāng)>1m時(shí)，瑞利散射可以忽視不計(jì)，因此，紅外、微波可以不考慮瑞利散射的影響。但是對(duì)于可見光來(lái)說，由于波長(zhǎng)較短，瑞利散射影響較大。為什么天空是藍(lán)色的？為什么朝霞和夕陽(yáng)都偏橘紅色？大氣散射——瑞利散射

米氏散射：微粒半徑與波長(zhǎng)接近時(shí)，?。?，∝1/2，稱米氏散射。散射主要由大氣中的煙塵、氣溶膠、小水滴等引起，米氏散射的方向性明顯，在光線向前方向比向后方向更強(qiáng)。如云霧的粒子大小與紅外線（0.76-15m

）的波長(zhǎng)接近，所以主要是米氏散射，因此，潮濕天氣米氏散射影響較大。大氣散射——米氏散射非（無(wú)）選擇性散射：當(dāng)微粒的直徑比波長(zhǎng)大得多時(shí)，所發(fā)生的散射稱非選擇性散射。此時(shí)，＝0，＝常數(shù)，散射與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，對(duì)任何波長(zhǎng)的散射強(qiáng)度相同。對(duì)于近紅外、中紅外也滿足d>，屬非選擇性散射。大氣中的云、霧、煙、塵埃等氣溶膠對(duì)太陽(yáng)輻射常出現(xiàn)這種散射，且云、霧對(duì)各種波長(zhǎng)的可見光散射均相同?！獮槭裁丛旗F看起來(lái)是白色的？這種散射使傳感器接受到的數(shù)據(jù)嚴(yán)峻的衰減。大氣散射——非選擇性散射

散射造成太陽(yáng)輻射的衰減，但是散射強(qiáng)度遵循的規(guī)律與波長(zhǎng)親密相關(guān)。在可見光和近紅外波段，瑞利散射是主要的。當(dāng)波長(zhǎng)大于1m時(shí)，可忽視瑞利散射的影響。米氏散射從近紫外到紅外波段都有影響。在短波中，瑞利散射和米氏散射相當(dāng)；但在波長(zhǎng)大于0.5m時(shí)，米氏散射超過了瑞利散射的影響。大氣層越厚，散射越強(qiáng)。為什么微波具有穿透云霧的實(shí)力?大氣散射對(duì)各波段的影響大氣透過率為太陽(yáng)高度角.Ｍ１太陽(yáng)輻射通過大氣的透射率（）為：＝e-(+)/cosθ＝e-(+)L式中：—吸取系數(shù)；—散射系數(shù)；(+)為衰減系數(shù)，它隨波長(zhǎng)變更而變更，總趨勢(shì)是隨波長(zhǎng)的增大，大氣衰減系數(shù)削減；L—路徑長(zhǎng)度，即大氣光學(xué)厚度，與太陽(yáng)的入射角有關(guān)。大氣透過率 由上式可以看出：大氣透射率（）與所通過的路程親密相關(guān)，其中路程與太陽(yáng)高度角和傳感器的入射角有關(guān)。當(dāng)高度角越大、入射角越小，大氣厚度L就越小，透射率就大；反之，透射率就小，能量衰減越大。大氣的吸取、散射則與大氣成分和微粒大小有關(guān)。太陽(yáng)輻射短波能量的衰減比長(zhǎng)波部分大。大氣透過率大氣窗口和大氣屏障大氣窗口：指電磁輻射在大氣轉(zhuǎn)輸過程中較少被反射、吸取和散射的透射率較高的波段。大氣屏障：有些波段的電磁波在大氣轉(zhuǎn)輸過程中被嚴(yán)峻反射、吸取和散射，幾乎不能到達(dá)地面，這些波段稱大氣屏障。遙感中常用的大氣窗口見P19表2-1。 從紫外到微波，目前用于遙感的有下列5個(gè):0.3-1.3m：包括全部可見光、部分紫外和攝影紅外波段。是攝影成像的最佳波段，也是掃描成像的常用波段。應(yīng)用范圍廣，如Landsat衛(wèi)星的TM的1-4波段，SPOT衛(wèi)星的HRV波段。屬地物的反射光譜，透射率達(dá)90％以上。1.5-2.5m：近紅外波段。屬地物反射光譜，只能用光譜儀和掃描儀記錄地物的電磁波信息，白天強(qiáng)光照射下掃描成像。在波段(1.5-1.75m)和波段(2.1-2.4m)，透射率都近80％，如TM(1.55-1.75m)和(2.08-2.35m)波段的影像可用以探測(cè)植物含水量以及云、雪或用于地質(zhì)制圖等。大氣窗口3.5-5.5m：中紅外波段，白天或黑夜都可用，掃描方式成像。該波段除了反射外，地面物體也可以自身放射熱輻射能量，如NOAA衛(wèi)星的AVHRR傳感器用3.55-3.93探測(cè)海面溫度，獲得晝夜云圖。8-14m：遠(yuǎn)紅外（熱紅外）波段，屬熱輻射波段范圍內(nèi)，接受掃描或紅外輻射計(jì)檢測(cè)，白天、黑夜都能成像。由于O3、水汽、CO2的影響，透射率僅約為60-70％。0.8-2.5cm：屬微波段，不受大氣干擾，透射率可達(dá)100％。接受雷達(dá)成像或微波輻射計(jì)檢測(cè)，可全天候工作。大氣窗口第四節(jié)地物波譜特征自然界任何地物都有其自身特有的電磁輻射規(guī)律，都具有吸取和反射確定波長(zhǎng)電磁波（紫外線、可見光、紅外線和微波）的特性；又都具有放射某些紅外線、微波的特性；少數(shù)地物還具有透射某些波長(zhǎng)電磁波的特性。各種地物由于組成物質(zhì)的分子、原子性質(zhì)和結(jié)構(gòu)規(guī)模不同，因而對(duì)不同波長(zhǎng)的電磁波的反射、放射及透射本事也有差異。這種地物反射、放射及透射電磁波的本事隨入射波長(zhǎng)變更而變更的特性稱為地物的光（波）譜特性。 波譜信息是一切其它遙感信息的基礎(chǔ)。地物與電磁輻射的相互作用電磁輻射到物體上有三個(gè)重量：反射、吸取和透射，各重量大小取決于物體性質(zhì)。反射率：透射率：吸取率：自然界中，大部分物體是不透亮的，則有：所以高反射率的物體是弱放射體，同時(shí)也說明對(duì)絕大部分地物，只要測(cè)定其反射率就可以推算其放射率。主要內(nèi)容地物的反射波譜特征地物的放射波譜特征地物的透射波譜特征地物波譜的時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)地物的反射波譜特征概念確定反射波譜的基本因素幾種典型地物的反射波譜特征概念——反射反射：電磁波從較稀疏的空氣介質(zhì)進(jìn)入到較緊密的物體介質(zhì)的界面上時(shí)，將產(chǎn)生反射。依照界面的平滑程度不同，可分為鏡面反射，漫反射和混合反射。這里所說的界面的平滑程度是相對(duì)的，由入射電磁波的波長(zhǎng)與界面起伏高度之比來(lái)確定。概念——地物表面和反射鏡面反射：界面起伏高度相對(duì)入射電磁波波長(zhǎng)很小時(shí)產(chǎn)生，反射的電磁波具有方向性，即反射角=入射角?！察o水面漫反射：界面起伏高度相對(duì)入射波波長(zhǎng)而言較大（即界面很粗糙）時(shí)發(fā)生，電磁波被向各方向勻整反射出去，各方向上反射的亮度值是一樣的，這樣的界面也叫朗伯面?！匦碌难趸V、硫酸鋇、碳酸鎂表面混合反射：界面起伏界于上述兩種狀況之間，即界面起伏高度相對(duì)波長(zhǎng)具有中等粗糙度；把入射電磁波向各方向反射出去，但不同方向亮度值不同，一般鏡面反射方向輻射亮度較強(qiáng)，其它方向較弱。反射率：是指地物對(duì)某一波段電磁波的反射能量與入射能量之比，其數(shù)值用百分率表示。不同物體的反射率不同，主要取決于物體本身的性質(zhì)（表面狀況），以及入射電磁波的波長(zhǎng)和入射角度。概念——反射率反射光譜:地物的反射率隨入射波長(zhǎng)變更的規(guī)律，叫做地物反射光譜。按地物反射率隨波長(zhǎng)變更繪成的曲線（橫軸為波長(zhǎng)，縱軸為反射率）稱為地物反射光譜曲線。不同地物由于物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的不同，具有不同的反射光譜特性。因而可以依據(jù)遙感傳感器所接收到的電磁波光譜特征的差異來(lái)識(shí)別不同的地物?！b感的基本動(dòng)身點(diǎn)概念——反射光譜確定反射波譜的基本因素物體的組成成份結(jié)構(gòu)表面狀態(tài)所處環(huán)境在漫反射狀況下，物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)是影響反射光譜的主要因素。幾種典型地物的波譜特征水體的波譜特征(清潔的深水)植被的波譜特征土壤的波譜特征濕地的波譜特征雪地的波譜特征沙漠的波譜特征水體的波譜特征(清潔的深水)反射率在各波段內(nèi)都低（一般在3%左右），在可見光部分為4-5%，在0.6處降至2-3%，到0.75以后的近紅外波段，水成了全吸取體。水體反射光譜曲線植物反射光譜曲線植被的波譜特征植被的波譜特征不同種類的植物均具有相像的反射波譜曲線可見光區(qū)域，由于葉綠素的猛烈吸取，植物的反射、透射率均低，僅在0.55旁邊有一10-20%的反射峰而呈綠色。近紅外區(qū)域，在0.7—1.3之間形成50-60%的強(qiáng)反射峰，由于不同種植物的葉細(xì)胞結(jié)構(gòu)差異大，不同種植物的反射率在該波段具有最大的差值，故是區(qū)分植物種類的最佳波段。1.45、1.95、2.7為中心的三個(gè)吸取帶，這三個(gè)吸取帶之間有兩個(gè)較強(qiáng)的反射峰（1.65及2.2）。土壤的波譜特征反射率：與土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、氧化含量和含水量及鹽份等因素有關(guān)；粉砂>砂土>腐質(zhì)土。反射光譜曲線由可見光到紅外呈舒緩向上的緩傾延長(zhǎng)土壤反射光譜曲線濕地的波譜特征濕地：在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率均較低，反射率與含水量有關(guān)，當(dāng)含水量增加時(shí)，其反射率就會(huì)下降，因此在黑白像片上，其色調(diào)呈深暗色調(diào)反射率（％）2004060801000.40.60.81.01.2波長(zhǎng)(m)雪地的波譜特征雪：在0.4～0.6m波段有一個(gè)很強(qiáng)的反射峰，反射率幾乎接近百分百，所以顏色接近于白色，隨波長(zhǎng)增加反射率漸漸降低，進(jìn)入近紅外波段吸取漸漸增加，而變成了吸取體。反射率（％）2004060801000.40.60.81.01.2波長(zhǎng)(m)沙漠的波譜特征沙漠：在橙紅光波段0.6m旁邊有一個(gè)強(qiáng)反射峰，所以呈現(xiàn)出橙紅色，在波長(zhǎng)達(dá)到0.8m以上的長(zhǎng)波范圍，其反射率比雪還強(qiáng)。反射率（％）2004060801000.40.60.81.01.2波長(zhǎng)(m)雪沙漠不同地物具有不同的反射光譜特性，因而可以依據(jù)遙感傳感器所接收到的電磁波光譜特征的差異來(lái)識(shí)別不同地物，這是遙感的基本動(dòng)身點(diǎn)。同類地物反射光譜相像，但隨著地物內(nèi)在差異而有所變更。影響因素包括：物質(zhì)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面光滑程度、顆粒大小、幾何形態(tài)、風(fēng)化程度、表面含水量、色澤等。例如，對(duì)植被來(lái)說，不同類型植物之間反射光譜曲線存在著確定的差異，利用這種差異可以區(qū)分不同的植被類型。對(duì)于同類植物來(lái)說，隨著葉子的新老、疏密、土壤的水分含量及有機(jī)質(zhì)含量或受大氣污染和病蟲害等的影響，反射光譜曲線略有差異。地物的反射波譜地物的放射波譜放射率：地物光譜輻射率與黑體光譜輻射率之比。放射波譜：物體的輻射放射率隨波長(zhǎng)而變更的曲線即放射波譜。測(cè)定地物的放射波譜的最簡(jiǎn)潔的方法，是通過測(cè)量地物的反射率實(shí)現(xiàn)的。地物的放射率以黑體輻射作為基準(zhǔn)。地物的放射波譜測(cè)量地物的輻射量常用亮溫來(lái)衡量地物的輻射特征。亮溫：如黑體的輻射放射量與某溫度條件下的物體的輻射放射量相同，該黑體的溫度即為該物體的亮溫 TB＝εT TB－物體亮溫，ε－物體放射率，T－物體溫度因01，因此，地物的亮溫總是小于其實(shí)際溫度。地物放射波譜主要集中在3-5m和8-14m地物的透射波譜有些地物具有透射確定波長(zhǎng)的電磁波的實(shí)力，通常把這些地物叫做透亮地物。地物的透射實(shí)力用透射率來(lái)表示。透射率也隨波長(zhǎng)而變更，水體對(duì)0.45～0.56m的蘭綠光波具有確定的透射實(shí)力，較渾濁水體的透射深度為1到2米，一般水體的透射深度可達(dá)10到20米。冰雪、植被、土壤對(duì)微波具有確定透射實(shí)力。遙感技術(shù)中，可以依據(jù)地物的特性，選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鱽?lái)探測(cè)水下、冰下某些地物的信息。地物波譜的時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)。時(shí)間效應(yīng)：指同一位置上的同一地物的波譜特征隨時(shí)間的推移而產(chǎn)生確定的變更?？臻g效應(yīng)：由于空間（地理）位置不同而導(dǎo)致同類地物波譜特征的變更。當(dāng)然，對(duì)于同一類地物，特殊是狀態(tài)穩(wěn)定的地物，無(wú)論時(shí)間、空間條件如何，它們的波譜曲線形態(tài)總是相像的，因?yàn)槠鹣拗谱饔玫闹鲗?dǎo)因素并沒有變更。因此在以遙感圖像識(shí)別地物和現(xiàn)象的屬性及其探討他們之間的關(guān)系和演化變更規(guī)律時(shí)，必需首先了解地物的光譜特性，其次是它們隨時(shí)間和空間特性的變更。第五節(jié)光和顏色能夠被眼睛感覺到的、并產(chǎn)生視覺現(xiàn)象的輻射稱可見輻射或可見光，簡(jiǎn)稱光色調(diào)和色覺物體的顏色彩色三要素三原色、三間色和三補(bǔ)色顏色的混合彩色分解和彩色合成色調(diào)和色覺色覺：人對(duì)不同色光所產(chǎn)生的彩色視覺稱為色覺。光視網(wǎng)膜感光細(xì)胞感光視覺神經(jīng)色覺大腦感光細(xì)胞桿狀細(xì)胞錐狀細(xì)胞感光強(qiáng)弱感光顏色