2022/11/6面向二十一世紀(jì)課程教材遙感導(dǎo)論電子教案制作人：賈維花2022/11/2面向二十一世紀(jì)課程教材遙感導(dǎo)論電子教案制作第2章電磁輻射與地物的光譜特征2.1電磁波譜與電磁輻射2.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響2.3地球的輻射與地物波譜

本章學(xué)習(xí)要求第2章電磁輻射與地物的光譜特征2.1電磁波譜與電磁輻射本章學(xué)習(xí)要求理解并掌握：

1.電磁波譜(特別是遙感常用的波段)；

2.電磁輻射的定理（黑體輻射定理與實(shí)際物體輻射定理）；

3.大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響及大氣窗口；

4.地物自身熱輻射與反射波譜特征。返回本章學(xué)習(xí)要求理解并掌握：返回2.1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

4.實(shí)際物體的輻射返回2.1電磁波譜與電磁輻射1.電磁波與電磁波譜返回2.1.1電磁波與電磁波譜電磁波：當(dāng)電磁場(chǎng)進(jìn)入空間，變化的磁場(chǎng)激發(fā)渦旋電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)又激發(fā)了渦旋磁場(chǎng)，使電磁振蕩在空間傳播。這叫電磁波。電磁波是典型的橫波，具有線偏振現(xiàn)象。

2.1.1電磁波與電磁波譜電磁波：當(dāng)電磁場(chǎng)進(jìn)入空間，變化的返回電磁波譜：γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線和無(wú)線電波（微波、短波、中波和超長(zhǎng)波等）在真空中按照波長(zhǎng)或頻率遞增或遞減排列，則構(gòu)成了電磁波譜。目前，遙感技術(shù)中通常采用的電磁波位于可見光、紅外和微波波譜區(qū)間。電磁波性質(zhì)：

1.是橫波，真空中以光速傳播;2.滿足：ｆ·λ=ｃE=ｈ·ｆ式中，E為能量。單位：J；ｆ為頻率；ｈ為普朗克常數(shù)，ｈ＝6.626×10-34J/s

λ為波長(zhǎng)；ｃ為光速，ｃ＝3×108m/s3.電磁輻射在傳播過程中具有波粒二象性。返回電磁波譜：γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線和無(wú)線電2.1.3電磁輻射的度量

輻射源：任何物體都是輻射源。不僅能夠吸收其他物體對(duì)它的輻射，也能夠向外輻射。電磁波的傳播實(shí)際上就是電磁能量的傳遞。輻射測(cè)量的度量單位見下表：

2.1.3電磁輻射的度量輻射源：任何物體都是輻射源。不僅物理量定義描述度量單位計(jì)算公式備注輻射能量W電磁輻射的能量焦耳（J）

輻射通量Φ單位時(shí)間內(nèi)通過某一面積的輻射能量瓦特W（J/s）Φ＝dw/dt輻射通量是波長(zhǎng)的函數(shù)，總通量應(yīng)該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單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的輻射能量W/m2E=dΦ/dSS為面積輻射通量密度又分別用輻照度和輻射出射度來(lái)表示輻照度I被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量W/m2I=dΦ/dSS為面積物體接收的輻射輻射出射度M輻射源物體表面單位面積上的輻射通量W/m2M=dΦ/dsS為面積物體發(fā)出的輻射輻射亮度L假定有一輻射源呈面狀，向外輻射的強(qiáng)度隨輻射方向而不同，則L定義為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。W/(sr·m2)

L=dΦ∕(dωdS)S為面積物理量定義描述度量單位計(jì)算公式備注輻射能量W電磁輻射的能量焦返回輻射亮度朗伯源：輻射亮度與觀測(cè)角θ無(wú)關(guān)的輻射源。返回輻射亮度朗伯源：輻射亮度與觀測(cè)角θ無(wú)關(guān)的輻射源。電磁波譜返回電磁波譜返回2.1.4黑體輻射絕對(duì)黑體對(duì)于任何波長(zhǎng)的電磁輻射都全部吸收。也是完全輻射體，是朗伯源，理想的輻射體。恒星和太陽(yáng)輻射是接近黑體輻射的輻射源。黑體輻射規(guī)律普朗克公式斯忒藩-玻爾茲曼定律維恩位移定律2.1.4黑體輻射絕對(duì)黑體

c：真空中的光速k：玻爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/Kh:普朗克常數(shù),h=6.63×10-34JsMλ(λ,T):輻射出射度普朗克公式c：真空中的光速普朗克公式斯忒藩–玻耳茲曼ρ：斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，ρ

=5.67×10-8W·m-2·K-4斯忒藩–玻耳茲曼ρ：斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，ρ=5.67×維恩位移定律T/K3005001000200030004000500060007000λmax(um)9.665.802.901.450.970.720.580.480.41λmax·T=b

b為常數(shù)，b＝2.898×10－3m·K返回維恩位移定律T/K300500100020003000400實(shí)際物體的輻射－基爾霍夫定律(Kirchhoff’sLaw)

表示實(shí)際物體輻射與黑體輻射之比:M=εM0

該定律揭示了物體的光譜輻射出射度Mi與同一溫度、同一波長(zhǎng)絕對(duì)黑體輻射出射度的關(guān)系，ai為此條件下的吸收系數(shù)（率），有時(shí)也稱為比輻射率或發(fā)射率記作ε。

P22表2.3為常溫下，λ為8－14um自然物體的的比輻射率（或發(fā)射率）。返回發(fā)射率ε（比輻射率）的概念：物體（地物）的輻射出射度與同溫度下黑體的輻射出射度之比。物體的發(fā)射率等于該物體的吸收率：αλ=ελ

一般情況下,物體的發(fā)射率:0＜ελ

＜1

物體的發(fā)射率是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)。物體的發(fā)射率與自身的性質(zhì)、物理狀況（如粗糙度、顏色等）有關(guān)；物體的表面溫度受自身的比熱、熱慣量、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率等影響較大。黑體的ελ=ε=1；灰體的ελ=ε=常數(shù)<1;

選擇性輻射體的ελ<1,且隨波長(zhǎng)而變。實(shí)際物體的輻射－基爾霍夫定律(Kirchhoff’sLaw2.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響1太陽(yáng)輻射2大氣的吸收與散射

3大氣折射、反射和透射

4大氣窗口

返回2.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響1太陽(yáng)輻射返回2.2.1太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射：指太陽(yáng)發(fā)出的電磁波輻射，習(xí)慣上稱為太陽(yáng)光。太陽(yáng)是被動(dòng)遙感的主要輻射源。在大氣上界和海平面測(cè)得的太陽(yáng)輻射曲線如圖所示從太陽(yáng)光譜曲線可以看出(…)：太陽(yáng)光譜相當(dāng)于5800K的黑體輻射，太陽(yáng)輻射的光譜是連續(xù)的光譜；太陽(yáng)輻射的能量主要集中在可見光，其中0.38～

0.76μm的可見光能量占太陽(yáng)輻射總能量的43.5％，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、可見光、近紅外和中紅外；經(jīng)過大氣層的太陽(yáng)輻射有很大的衰減，其差異是由于地球大氣引起的；各波段的衰減是不均衡的。返回2.2.1太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射：指太陽(yáng)發(fā)出的電磁波輻射，習(xí)慣上太陽(yáng)輻照度分布曲線返回印刷錯(cuò)誤太陽(yáng)輻照度分布曲線返回印刷錯(cuò)誤2.2.2大氣的吸收與散射

大氣結(jié)構(gòu)：大氣主要成分可分為二類：氣體分子（主要有氮?dú)夂脱鯕饧s占99%，其余的1%的是臭氧、二氧化碳、水汽等）和其他微粒（煙、塵埃、霧靄、小水滴及氣溶膠。

大氣吸收作用：太陽(yáng)輻射穿過大氣層時(shí)，大氣分子對(duì)電磁波的某些波段有吸收作用，吸收作用使輻射能量變成分子的內(nèi)能，引起這些波段的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度衰減。大氣的吸收譜(見圖)2.2.2大氣的吸收與散射大氣結(jié)構(gòu)：2.2.2大氣的吸收與散射

散射：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(gè)方向散開。散射對(duì)遙感數(shù)據(jù)的影響：對(duì)反射輻射成分的改變改變傳感器所接收的電磁波信息散射能量成為了疊加在目標(biāo)地物上的噪聲，造成影像模糊。大氣散射集中于太陽(yáng)輻射能量較強(qiáng)的可見光區(qū)2.2.2大氣的吸收與散射散射：輻射在傳播過程中遇到小微粒當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長(zhǎng)小得多時(shí)發(fā)生。散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比，即波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射越弱。主要發(fā)生在可見光和近紅外波段。瑞利散射瑞利散射米氏散射當(dāng)大氣中粒子的直徑與輻射的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)發(fā)生的散射。散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的二次方成反比。具有明顯的方向性。主要由大氣中的微粒，如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起。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)進(jìn)入紅外波段后米氏散射的影響超過瑞利散射。米氏散射當(dāng)大氣中粒子的直徑與輻射的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)發(fā)生的散射。無(wú)選擇性散射當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長(zhǎng)大得多時(shí)發(fā)生的散射。符合條件的波段中，任何波長(zhǎng)的散射強(qiáng)度相同。返回?zé)o選擇性散射當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長(zhǎng)大得多時(shí)發(fā)生的散射。返回大氣結(jié)構(gòu)從地面到大氣上界，大氣的結(jié)構(gòu)分層為：對(duì)流層：高度在7～12km,溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。平流層：高度在12～80km，底部為同溫層（航空遙感活動(dòng)層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對(duì)紫外線的強(qiáng)吸收而逐漸升高。電離層：高度在80～1000km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對(duì)遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動(dòng)空間在上部的散逸層（800～900km）。大氣外層：1000～35000km,空氣極稀薄，對(duì)衛(wèi)星基本上沒有影響。返回大氣結(jié)構(gòu)返回大氣的吸收譜從中可看出：

H2O吸收帶主要有2.5～3.0um，5～7um，0.94um，1.13um，1.38um，1.86um，3.24um以及24um以上對(duì)微波的強(qiáng)吸收帶；CO2吸收峰主要：2.8um，4.3um；O3在10～40公里高度對(duì)0.2～0.32um有很強(qiáng)的吸收帶，0.6um，0.96um；O2主要吸收小于0.2um的輻射，0.6um，0.76um也有窄的吸收帶。此外大氣中的其他微粒雖也有吸收作用，但不起主導(dǎo)作用。返回大氣的吸收譜從中可看出：返回2.2.3大氣折射、反射和透射大氣折射現(xiàn)象：電磁波穿過大氣層時(shí)，除了吸收和散射兩種影響以外，還會(huì)產(chǎn)生傳播方向的改變，產(chǎn)生折射現(xiàn)象。大氣的折射率與大氣圈的大氣密度直接相關(guān)。密度大的折射率大。還與太陽(yáng)的天頂距有關(guān)系。當(dāng)太陽(yáng)垂直入射時(shí)天頂距為0，折射值也為0，（早上看到的太陽(yáng)圓面要比中午圓面大的原因）。大氣反射：電磁波傳播過程中，若通過兩種介質(zhì)的交界面，還會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象。氣體、塵埃的作用很小，反射現(xiàn)象主要是發(fā)生在云層頂部，取決于云量，而且各波段均受到不同程度的影響，消弱了電磁波到達(dá)地面的強(qiáng)度。因此，盡量選擇無(wú)云的天氣接收遙感信號(hào)。大氣透射現(xiàn)象：太陽(yáng)電磁輻射經(jīng)過大氣到達(dá)地面時(shí)，可見光和近紅外波段電磁輻射被云層或其他粒子反射的比例約占30﹪，散射約占22﹪，大氣吸收占17﹪，透過大氣到達(dá)地面的能量?jī)H占入射總能量的31﹪，反射、散射和吸收作用共同衰減了輻射強(qiáng)度，剩余部分即為透過的部分。對(duì)傳感器而言，透過率高的波段，才對(duì)遙感有意義。多數(shù)遙感選擇無(wú)云天氣觀測(cè)，這時(shí)大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減就只考慮散射和吸收的影響。返回2.2.3大氣折射、反射和透射大氣折射現(xiàn)象：電磁波穿過大氣2.2.4大氣窗口概念：由于大氣層的反射、散射和吸收作用，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。我們就把受到大氣衰減作用較輕、透射率較高的波段叫大氣窗口。大氣窗口波段透射率/%應(yīng)用舉例紫外可見光近紅外0.3～1.3μm＞90TM1-4、SPOT的HRV近紅外1.5～1.8μm80TM5近-中紅外2.0～3.5μm80TM7中紅外3.5～5.5μmNOAA的AVHRR遠(yuǎn)紅外8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat

返回2.2.4大氣窗口概念：由于大氣層的反射、散射和吸收作用2.3地球的輻射與地物波譜1太陽(yáng)輻射與地表的相互作用2地表自身的熱輻射3地物反射波譜特征4幾種地物的反射波譜曲線5地物波譜特性的測(cè)量返回2.3地球的輻射與地物波譜1太陽(yáng)輻射與地表的相互作用2.3.1太陽(yáng)輻射與地表的相互作用

太陽(yáng)和地表實(shí)際輻射的差異見圖：地球輻射的分段特征：

返回波段名稱可見光與近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)0.3～2.5um2.5～6um?6um輻射特性地表反射太陽(yáng)輻射為主地表反射太陽(yáng)輻射和自身的熱輻射地表物體自身熱輻射為主2.3.1太陽(yáng)輻射與地表的相互作用太陽(yáng)和地表實(shí)際輻射的差異太陽(yáng)與地表輻射的電磁波太陽(yáng)輻射主要集中在0.3～2.5um，在紫外、可見光和近紅外區(qū)段。地球自身的輻射主要集中在長(zhǎng)波，即6um以上的熱紅外區(qū)段。該區(qū)段的太陽(yáng)輻射可以忽略不計(jì)，因此只考慮地表物體自身的熱輻射。在圖中兩峰交叉之處是兩種輻射共同起作用的部分，在2.5～6um即中紅外波段，地球?qū)μ?yáng)輻照的反射和地表物體自身的熱輻射都不能忽略。

返回太陽(yáng)與地表輻射的電磁波太陽(yáng)輻射主要集中在0.3～2.5um2.3.2地表自身的熱輻射絕對(duì)黑體：發(fā)射率=1，即對(duì)所有波長(zhǎng)黑體發(fā)射率都是一個(gè)常數(shù)1（反射率=0，透射率=0）。灰體：發(fā)射率=常數(shù)＜1，即灰體的發(fā)射率始終小于1且不隨波長(zhǎng)變化。選擇性輻射體：其發(fā)射率隨波長(zhǎng)而變化（具有選擇性吸收），而且＜1。自然界中，絕大多數(shù)物體為灰體。地物自身的熱輻射：

2.3.2地表自身的熱輻射絕對(duì)黑體：發(fā)射率=1，即對(duì)所有地物的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的曲線叫發(fā)射波譜曲線。發(fā)射波譜曲線的形態(tài)反映物體本身的特性。地物的發(fā)射率與物體的組成、溫度、粗糙度、顏色等物理特性有關(guān)。表面粗糙、顏色暗，發(fā)射率高，反之發(fā)射率低。地物的輻射能量與溫度的四次方成正比，比熱、熱慣性大的地物，發(fā)射率大。如水體夜晚發(fā)射率大，白天就小。地物自身的熱輻射返回根據(jù)黑體輻射規(guī)律及基爾霍夫定律：M（λ，T）=εM0（λ，T）式中，ε為物體的比輻射率或發(fā)射率；

M為實(shí)際物體的出射度；

M0為黑體輻射的輻射出射度地物的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的曲線叫發(fā)射波譜曲線。發(fā)射波譜曲線的形2.3.3地物反射波譜特征返回從太陽(yáng)和地表的相互作用上可得：地物的反射率鏡面反射漫反射地物的反射波譜曲線太陽(yáng)輻射到達(dá)地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：

到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量地表反射的太陽(yáng)輻射成為遙感記錄的主要輻射能量。一般而言，絕大多數(shù)物體對(duì)可見光都不具備透射能力，而有些物體如水，對(duì)一定波長(zhǎng)的電磁波則透射能力較強(qiáng)，特別是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。反射率（ρ）：地物的反射能量與入射總能量的比，即ρ=(Pρ/P

0)×100%。地物在不同波段的反射率是不同的。反射率是可以測(cè)定的。反射率也與地物的表面顏色、粗糙度和濕度等有關(guān)。地物的反射光譜曲線：反射率隨波長(zhǎng)變化的曲線。除了不同地物反射率不同外，同種地物在不同的內(nèi)部和外部條件下反射率也不同。一般來(lái)說(shuō)，反射率隨波長(zhǎng)的變化，有規(guī)律可循，從而為遙感影象的解譯提供依據(jù)。

物體的反射滿足反射定律，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，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)原因造成的。

不論入射方向如何，其反射出來(lái)的能量在各個(gè)方向是一致的。一般地物的反射近似漫反射，但各個(gè)方向反射的能量大小不同。朗伯面：對(duì)漫反射面，當(dāng)入射輻照度是一定時(shí)，從任何角度觀測(cè)輻射面，其反射輻射亮度是一個(gè)常數(shù)，這種反射面叫朗伯面。自然界中真正的朗伯面很少，新鮮的氧化鎂、硫酸鋇、碳酸鎂表面，在反射天頂角θ≤45°時(shí)，可以近似看成朗伯面。實(shí)際物體的反射介于兩種理想模型之間返回2.3.3地物反射波譜特征返回從太陽(yáng)和地表的相互作用上可得植物的光譜曲線從植物典型的波譜曲線來(lái)看，控制植物反射率的主要因素有植物葉子的顏色、葉子的細(xì)胞構(gòu)造和植物的水分等。植物的生長(zhǎng)發(fā)育、植物的不同種類、灌溉、施肥、季節(jié)、氣候、病蟲害、土壤、地形等因素都對(duì)植物的光譜特征發(fā)生影響，使其光譜曲線的形態(tài)發(fā)生變化。植物的光譜曲線從植物典型的波譜曲線來(lái)看，控制植物反射率的主要不同植被反射波譜曲線的比較不同植被反射波譜曲線的比較植被病蟲害對(duì)其反射波譜曲線的影響植被病蟲害對(duì)其反射波譜曲線的影響水分含量對(duì)玉米葉子反射率的影響水分含量對(duì)玉米葉子反射率的影響土壤的光譜曲線土壤光譜曲線與土壤本身的顏色、質(zhì)地的粗細(xì)、有機(jī)質(zhì)和含水量等因素影響。土壤的光譜曲線土壤光譜曲線與土壤本身的顏色、質(zhì)地的粗細(xì)、有機(jī)土質(zhì)越細(xì)反射率越高，顏色越淺反射率越高。有機(jī)質(zhì)含量越高反射率越低含水量越高反射率越低因土類和肥力狀況的不同而不同不同波譜段的遙感影像上區(qū)別不明顯土壤的反射波譜特征土質(zhì)越細(xì)反射率越高，顏色越淺反射率越高。土壤的反射波譜特征水體的光譜曲線清水在可見光范圍：水體的反射率總體是比較低。不超過10％，一般為4～5％，并隨波長(zhǎng)的增加而不斷減低，到了0.6um處大約為2～3％。過了0.75um，水體幾何成全吸收體。在近紅外波段清澈的水：為全吸收體，色調(diào)深，與地物有明顯的界線，可以區(qū)分水陸界線；熱紅外晚間成像水體呈淺色調(diào)；根據(jù)熱紅外傳感器的溫度定標(biāo)，可在熱紅外影像上反演出水體的溫度。所以夜間的熱紅外影像可用于尋找泉水，特別是溫泉。水體在微波1mm～30cm范圍內(nèi)的發(fā)射率較低，約為0.4％。平坦的水面，后向散射很弱，因此側(cè)視雷達(dá)影像上。水體呈黑色。雷達(dá)影像是確定洪水淹沒范圍的有效手段。水體的光譜曲線清水在可見光范圍：水體的反射率總體是比較低。不巖石的光譜曲線巖石的反射光譜特征與礦物成分、顏色、礦物含量、風(fēng)化程度、含水狀況、顆粒的大小、表面的光滑程度等因素有關(guān)。巖石的光譜曲線巖石的反射光譜特征與礦物成分、顏色、礦物含量、常見地物的光譜曲線比較常見地物的光譜曲線比較常見地物的光譜曲線比較返回常見地物的光譜曲線比較返回謝謝?。≈x謝??！2022/11/6面向二十一世紀(jì)課程教材遙感導(dǎo)論電子教案制作人：賈維花2022/11/2面向二十一世紀(jì)課程教材遙感導(dǎo)論電子教案制作第2章電磁輻射與地物的光譜特征2.1電磁波譜與電磁輻射2.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響2.3地球的輻射與地物波譜

本章學(xué)習(xí)要求第2章電磁輻射與地物的光譜特征2.1電磁波譜與電磁輻射本章學(xué)習(xí)要求理解并掌握：

1.電磁波譜(特別是遙感常用的波段)；

2.電磁輻射的定理（黑體輻射定理與實(shí)際物體輻射定理）；

3.大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響及大氣窗口；

4.地物自身熱輻射與反射波譜特征。返回本章學(xué)習(xí)要求理解并掌握：返回2.1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

4.實(shí)際物體的輻射返回2.1電磁波譜與電磁輻射1.電磁波與電磁波譜返回2.1.1電磁波與電磁波譜電磁波：當(dāng)電磁場(chǎng)進(jìn)入空間，變化的磁場(chǎng)激發(fā)渦旋電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)又激發(fā)了渦旋磁場(chǎng)，使電磁振蕩在空間傳播。這叫電磁波。電磁波是典型的橫波，具有線偏振現(xiàn)象。

2.1.1電磁波與電磁波譜電磁波：當(dāng)電磁場(chǎng)進(jìn)入空間，變化的返回電磁波譜：γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線和無(wú)線電波（微波、短波、中波和超長(zhǎng)波等）在真空中按照波長(zhǎng)或頻率遞增或遞減排列，則構(gòu)成了電磁波譜。目前，遙感技術(shù)中通常采用的電磁波位于可見光、紅外和微波波譜區(qū)間。電磁波性質(zhì)：

1.是橫波，真空中以光速傳播;2.滿足：ｆ·λ=ｃE=ｈ·ｆ式中，E為能量。單位：J；ｆ為頻率；ｈ為普朗克常數(shù)，ｈ＝6.626×10-34J/s

λ為波長(zhǎng)；ｃ為光速，ｃ＝3×108m/s3.電磁輻射在傳播過程中具有波粒二象性。返回電磁波譜：γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線和無(wú)線電2.1.3電磁輻射的度量

輻射源：任何物體都是輻射源。不僅能夠吸收其他物體對(duì)它的輻射，也能夠向外輻射。電磁波的傳播實(shí)際上就是電磁能量的傳遞。輻射測(cè)量的度量單位見下表：

2.1.3電磁輻射的度量輻射源：任何物體都是輻射源。不僅物理量定義描述度量單位計(jì)算公式備注輻射能量W電磁輻射的能量焦耳（J）

輻射通量Φ單位時(shí)間內(nèi)通過某一面積的輻射能量瓦特W（J/s）Φ＝dw/dt輻射通量是波長(zhǎng)的函數(shù)，總通量應(yīng)該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單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的輻射能量W/m2E=dΦ/dSS為面積輻射通量密度又分別用輻照度和輻射出射度來(lái)表示輻照度I被輻射的物體表面單位面積上的輻射通量W/m2I=dΦ/dSS為面積物體接收的輻射輻射出射度M輻射源物體表面單位面積上的輻射通量W/m2M=dΦ/dsS為面積物體發(fā)出的輻射輻射亮度L假定有一輻射源呈面狀，向外輻射的強(qiáng)度隨輻射方向而不同，則L定義為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。W/(sr·m2)

L=dΦ∕(dωdS)S為面積物理量定義描述度量單位計(jì)算公式備注輻射能量W電磁輻射的能量焦返回輻射亮度朗伯源：輻射亮度與觀測(cè)角θ無(wú)關(guān)的輻射源。返回輻射亮度朗伯源：輻射亮度與觀測(cè)角θ無(wú)關(guān)的輻射源。電磁波譜返回電磁波譜返回2.1.4黑體輻射絕對(duì)黑體對(duì)于任何波長(zhǎng)的電磁輻射都全部吸收。也是完全輻射體，是朗伯源，理想的輻射體。恒星和太陽(yáng)輻射是接近黑體輻射的輻射源。黑體輻射規(guī)律普朗克公式斯忒藩-玻爾茲曼定律維恩位移定律2.1.4黑體輻射絕對(duì)黑體

c：真空中的光速k：玻爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/Kh:普朗克常數(shù),h=6.63×10-34JsMλ(λ,T):輻射出射度普朗克公式c：真空中的光速普朗克公式斯忒藩–玻耳茲曼ρ：斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，ρ

=5.67×10-8W·m-2·K-4斯忒藩–玻耳茲曼ρ：斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，ρ=5.67×維恩位移定律T/K3005001000200030004000500060007000λmax(um)9.665.802.901.450.970.720.580.480.41λmax·T=b

b為常數(shù)，b＝2.898×10－3m·K返回維恩位移定律T/K300500100020003000400實(shí)際物體的輻射－基爾霍夫定律(Kirchhoff’sLaw)

表示實(shí)際物體輻射與黑體輻射之比:M=εM0

該定律揭示了物體的光譜輻射出射度Mi與同一溫度、同一波長(zhǎng)絕對(duì)黑體輻射出射度的關(guān)系，ai為此條件下的吸收系數(shù)（率），有時(shí)也稱為比輻射率或發(fā)射率記作ε。

P22表2.3為常溫下，λ為8－14um自然物體的的比輻射率（或發(fā)射率）。返回發(fā)射率ε（比輻射率）的概念：物體（地物）的輻射出射度與同溫度下黑體的輻射出射度之比。物體的發(fā)射率等于該物體的吸收率：αλ=ελ

一般情況下,物體的發(fā)射率:0＜ελ

＜1

物體的發(fā)射率是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)。物體的發(fā)射率與自身的性質(zhì)、物理狀況（如粗糙度、顏色等）有關(guān)；物體的表面溫度受自身的比熱、熱慣量、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率等影響較大。黑體的ελ=ε=1；灰體的ελ=ε=常數(shù)<1;

選擇性輻射體的ελ<1,且隨波長(zhǎng)而變。實(shí)際物體的輻射－基爾霍夫定律(Kirchhoff’sLaw2.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響1太陽(yáng)輻射2大氣的吸收與散射

3大氣折射、反射和透射

4大氣窗口

返回2.2太陽(yáng)輻射及大氣對(duì)輻射的影響1太陽(yáng)輻射返回2.2.1太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射：指太陽(yáng)發(fā)出的電磁波輻射，習(xí)慣上稱為太陽(yáng)光。太陽(yáng)是被動(dòng)遙感的主要輻射源。在大氣上界和海平面測(cè)得的太陽(yáng)輻射曲線如圖所示從太陽(yáng)光譜曲線可以看出(…)：太陽(yáng)光譜相當(dāng)于5800K的黑體輻射，太陽(yáng)輻射的光譜是連續(xù)的光譜；太陽(yáng)輻射的能量主要集中在可見光，其中0.38～

0.76μm的可見光能量占太陽(yáng)輻射總能量的43.5％，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、可見光、近紅外和中紅外；經(jīng)過大氣層的太陽(yáng)輻射有很大的衰減，其差異是由于地球大氣引起的；各波段的衰減是不均衡的。返回2.2.1太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射：指太陽(yáng)發(fā)出的電磁波輻射，習(xí)慣上太陽(yáng)輻照度分布曲線返回印刷錯(cuò)誤太陽(yáng)輻照度分布曲線返回印刷錯(cuò)誤2.2.2大氣的吸收與散射

大氣結(jié)構(gòu)：大氣主要成分可分為二類：氣體分子（主要有氮?dú)夂脱鯕饧s占99%，其余的1%的是臭氧、二氧化碳、水汽等）和其他微粒（煙、塵埃、霧靄、小水滴及氣溶膠。

大氣吸收作用：太陽(yáng)輻射穿過大氣層時(shí)，大氣分子對(duì)電磁波的某些波段有吸收作用，吸收作用使輻射能量變成分子的內(nèi)能，引起這些波段的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度衰減。大氣的吸收譜(見圖)2.2.2大氣的吸收與散射大氣結(jié)構(gòu)：2.2.2大氣的吸收與散射

散射：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(gè)方向散開。散射對(duì)遙感數(shù)據(jù)的影響：對(duì)反射輻射成分的改變改變傳感器所接收的電磁波信息散射能量成為了疊加在目標(biāo)地物上的噪聲，造成影像模糊。大氣散射集中于太陽(yáng)輻射能量較強(qiáng)的可見光區(qū)2.2.2大氣的吸收與散射散射：輻射在傳播過程中遇到小微粒當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長(zhǎng)小得多時(shí)發(fā)生。散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比，即波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射越弱。主要發(fā)生在可見光和近紅外波段。瑞利散射瑞利散射米氏散射當(dāng)大氣中粒子的直徑與輻射的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)發(fā)生的散射。散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的二次方成反比。具有明顯的方向性。主要由大氣中的微粒，如煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起。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)進(jìn)入紅外波段后米氏散射的影響超過瑞利散射。米氏散射當(dāng)大氣中粒子的直徑與輻射的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)發(fā)生的散射。無(wú)選擇性散射當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長(zhǎng)大得多時(shí)發(fā)生的散射。符合條件的波段中，任何波長(zhǎng)的散射強(qiáng)度相同。返回?zé)o選擇性散射當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長(zhǎng)大得多時(shí)發(fā)生的散射。返回大氣結(jié)構(gòu)從地面到大氣上界，大氣的結(jié)構(gòu)分層為：對(duì)流層：高度在7～12km,溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。平流層：高度在12～80km，底部為同溫層（航空遙感活動(dòng)層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對(duì)紫外線的強(qiáng)吸收而逐漸升高。電離層：高度在80～1000km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對(duì)遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動(dòng)空間在上部的散逸層（800～900km）。大氣外層：1000～35000km,空氣極稀薄，對(duì)衛(wèi)星基本上沒有影響。返回大氣結(jié)構(gòu)返回大氣的吸收譜從中可看出：

H2O吸收帶主要有2.5～3.0um，5～7um，0.94um，1.13um，1.38um，1.86um，3.24um以及24um以上對(duì)微波的強(qiáng)吸收帶；CO2吸收峰主要：2.8um，4.3um；O3在10～40公里高度對(duì)0.2～0.32um有很強(qiáng)的吸收帶，0.6um，0.96um；O2主要吸收小于0.2um的輻射，0.6um，0.76um也有窄的吸收帶。此外大氣中的其他微粒雖也有吸收作用，但不起主導(dǎo)作用。返回大氣的吸收譜從中可看出：返回2.2.3大氣折射、反射和透射大氣折射現(xiàn)象：電磁波穿過大氣層時(shí)，除了吸收和散射兩種影響以外，還會(huì)產(chǎn)生傳播方向的改變，產(chǎn)生折射現(xiàn)象。大氣的折射率與大氣圈的大氣密度直接相關(guān)。密度大的折射率大。還與太陽(yáng)的天頂距有關(guān)系。當(dāng)太陽(yáng)垂直入射時(shí)天頂距為0，折射值也為0，（早上看到的太陽(yáng)圓面要比中午圓面大的原因）。大氣反射：電磁波傳播過程中，若通過兩種介質(zhì)的交界面，還會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象。氣體、塵埃的作用很小，反射現(xiàn)象主要是發(fā)生在云層頂部，取決于云量，而且各波段均受到不同程度的影響，消弱了電磁波到達(dá)地面的強(qiáng)度。因此，盡量選擇無(wú)云的天氣接收遙感信號(hào)。大氣透射現(xiàn)象：太陽(yáng)電磁輻射經(jīng)過大氣到達(dá)地面時(shí)，可見光和近紅外波段電磁輻射被云層或其他粒子反射的比例約占30﹪，散射約占22﹪，大氣吸收占17﹪，透過大氣到達(dá)地面的能量?jī)H占入射總能量的31﹪，反射、散射和吸收作用共同衰減了輻射強(qiáng)度，剩余部分即為透過的部分。對(duì)傳感器而言，透過率高的波段，才對(duì)遙感有意義。多數(shù)遙感選擇無(wú)云天氣觀測(cè)，這時(shí)大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減就只考慮散射和吸收的影響。返回2.2.3大氣折射、反射和透射大氣折射現(xiàn)象：電磁波穿過大氣2.2.4大氣窗口概念：由于大氣層的反射、散射和吸收作用，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。我們就把受到大氣衰減作用較輕、透射率較高的波段叫大氣窗口。大氣窗口波段透射率/%應(yīng)用舉例紫外可見光近紅外0.3～1.3μm＞90TM1-4、SPOT的HRV近紅外1.5～1.8μm80TM5近-中紅外2.0～3.5μm80TM7中紅外3.5～5.5μmNOAA的AVHRR遠(yuǎn)紅外8～14μm60～70TM6微波0.8～2.5cm100Radarsat

返回2.2.4大氣窗口概念：由于大氣層的反射、散射和吸收作用2.3地球的輻射與地物波譜1太陽(yáng)輻射與地表的相互作用2地表自身的熱輻射3地物反射波譜特征4幾種地物的反射波譜曲線5地物波譜特性的測(cè)量返回2.3地球的輻射與地物波譜1太陽(yáng)輻射與地表的相互作用2.3.1太陽(yáng)輻射與地表的相互作用

太陽(yáng)和地表實(shí)際輻射的差異見圖：地球輻射的分段特征：

返回波段名稱可見光與近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)0.3～2.5um2.5～6um?6um輻射特性地表反射太陽(yáng)輻射為主地表反射太陽(yáng)輻射和自身的熱輻射地表物體自身熱輻射為主2.3.1太陽(yáng)輻射與地表的相互作用太陽(yáng)和地表實(shí)際輻射的差異太陽(yáng)與地表輻射的電磁波太陽(yáng)輻射主要集中在0.3～2.5um，在紫外、可見光和近紅外區(qū)段。地球自身的輻射主要集中在長(zhǎng)波，即6um以上的熱紅外區(qū)段。該區(qū)段的太陽(yáng)輻射可以忽略不計(jì)，因此只考慮地表物體自身的熱輻射。在圖中兩峰交叉之處是兩種輻射共同起作用的部分，在2.5～6um即中紅外波段，地球?qū)μ?yáng)輻照的反射和地表物體自身的熱輻射都不能忽略。

返回太陽(yáng)與地表輻射的電磁波太陽(yáng)輻射主要集中在0.3～2.5um2.3.2地表自身的熱輻射絕對(duì)黑體：發(fā)射率=1，即對(duì)所有波長(zhǎng)黑體發(fā)射率都是一個(gè)常數(shù)1（反射率=0，透射率=0）?；殷w：發(fā)射率=常數(shù)＜1，即灰體的發(fā)射率始終小于1且不隨波長(zhǎng)變化。選擇性輻射體：其發(fā)射率隨波長(zhǎng)而變化（具有選擇性吸收），而且＜1。自然界中，絕大多數(shù)物體為灰體。地物自身的熱輻射：

2.3.2地表自身的熱輻射絕對(duì)黑體：發(fā)射率=1，即對(duì)所有地物的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的曲線叫發(fā)射波譜曲線。發(fā)射波譜曲線的形態(tài)反映物體本身的特性。地物的發(fā)射率與物體的組成、溫度、粗糙度、顏色等物理特性有關(guān)。表面粗糙、顏色暗，發(fā)射率高，反之發(fā)射率低。地物的輻射能量與溫度的四次方成正比，比熱、熱慣性大的地物，發(fā)射率大。如水體夜晚發(fā)射率大，白天就小。地物自身的熱輻射返回根據(jù)黑體輻射規(guī)律及基爾霍夫定律：M（λ，T）=εM0（λ，T）式中，ε為物體的比輻射率或發(fā)射率；

M為實(shí)際物體的出射度；

M0為黑體輻射的輻射出射度地物的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化的曲線叫發(fā)射波譜曲線。發(fā)射波譜曲線的形2.3.3地物反射波譜特征返回從太陽(yáng)和地表的相互作用上可得：地物的反射率鏡面反射漫反射地物的反射波譜曲線太陽(yáng)輻射到達(dá)地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即：

到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量地表反射的太陽(yáng)