1一、電磁波與電磁波譜二、物體的電磁波特性三、地物波譜特性的測定第一章

電磁波及遙感物理基礎(chǔ)2一、電磁波與電磁波譜電磁輻射產(chǎn)生于各種形式的能量（機(jī)械能、化學(xué)能、熱能、電能、磁能、核能）凡是溫度高于絕對零度（-273.16攝氏度)的物體都發(fā)射電磁波，波長由物質(zhì)內(nèi)部狀態(tài)的變化決定電磁波的特性電磁波是橫波電磁波具有波粒二象性電磁波的來源3

電磁波譜

把各種電磁波（包括無線電波、微波、紅外波、可見光、紫外線、x射線、伽瑪射線等）按照波長或頻率的大小依次排列，就形成了電磁波譜。遙感中所用的電磁波段：微波、紅外波、可見光51、黑體輻射2、實際地物的發(fā)射輻射物體的發(fā)射輻射6黑體輻射

黑體是一種理想的輻射體。能夠完全吸收任何波長入射能量的物體，稱為黑體。

黑體是一種理想的模型，在自然界里則很難找到。自然界里有些物質(zhì)的性質(zhì)接近黑體，如黑色的煙煤、恒星和太陽等。7黑體輻射定律

（1）普朗克定律：其中：h為普朗克恒量

K為波耳茲曼常數(shù)普朗克定律表明：黑體的單色輻射度是溫度和波長的函數(shù)。

9

（3）基爾霍夫定律：好的吸收體一定是好的輻射體。

（2）斯忒藩-波耳茲曼定律：對普朗克公式積分得-斯忒藩-波耳茲曼常數(shù)：10（4）瑞利-琴斯定律：當(dāng)波長大于1mm時，普朗克定律可以近似為：（5）維恩位移定律：

為分譜輻射通量密度曲線的峰值所對應(yīng)波長；b為常數(shù)2898m.k

。黑體的微波輻射亮度與溫度的一次方成正比。11實際地物的發(fā)射輻射發(fā)射率太陽輻射與大氣窗口地球輻射地物的輻射波譜特性13

（2）太陽輻射與大氣窗口太陽輻射大氣層對太陽輻射的作用大氣窗口大氣透射的定量分析14被動遙感最主要的輻射源太陽輻射接近6000K的黑體輻射，能量集中在0.3~2.5微米的波段之間。太陽常數(shù)：不受大氣影響，距太陽一個天文單位，垂直太陽光入射方向上，單位時間單位面積黑體所接受的太陽輻射能量。I☉太陽光譜太陽輻射1517大氣層次結(jié)構(gòu)與成分

大氣物理狀況的物理量一般有氣壓、大氣溫度和大氣濕度。它們在垂直方向上的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平方向上的梯度，所以在研究大氣效應(yīng)問題時可以假定大氣具有水平均一、垂直的分層結(jié)構(gòu)。對流層：（0~12KM）溫度、密度、氣壓隨高度的增加而降低，空氣明顯垂直對流，上界隨季節(jié)和溫度而變化。平流層：（12~80KM），空氣密度繼續(xù)隨高度增加而降低，幾乎沒有對流和天氣現(xiàn)象。其中25~30KM處，臭氧含量較大，為臭氧層。電離層：（80~1000KM），空氣稀薄，分子被太陽輻射作用而電離成離子和自由電子狀態(tài)。該層對無線電波可全反射。外大氣層（1000KM以外的大氣層），

大氣厚度一般認(rèn)為約1000KM。18大氣成分大氣是由多種氣體及氣溶膠所組成的混合物大氣的氣體成份可分為常定成份和可變成份兩部分19

吸收作用

——主要是氣態(tài)分子的吸收?？墒闺姶泡椛涞哪芰克p。大氣中含量最高的氮?dú)鈱﹄姶挪ǖ淖饔枚荚谧贤夤庖酝獾姆秶?。大氣上層臭氧的存在，對小于的電磁波具有極強(qiáng)的吸收能力，所以到達(dá)地面的太陽短波輻射中，很少存在波長小于的短波輻射。對電磁波傳播起重要吸收作用的是一些非常少量的氣體，其中作用最為顯著的有臭氧、二氧化碳、甲烷和水汽。大氣層對太陽輻射的作用21

散射作用

—主要是氣體分子和氣溶膠的散射

散射是由于電磁輻射與物質(zhì)相互作用導(dǎo)致部分能量再輻射到其他方向而引起的，散射使入射波束的能量有所衰減。與吸收作用不同的是，散射并未引起能量的損失，而只是導(dǎo)致能量在其他方向上重新分配。三種散射：

Rayleigh

散射

Mie

散射

Nonselective散射22Rayleigh散射

是氣態(tài)分子的散射當(dāng)氣體分子的尺度遠(yuǎn)小于光波的波長時會發(fā)生Rayleigh散射。Rayleigh散射屬于小顆粒散射。散射光強(qiáng)度與波長的4次方成反比，由此可以解釋天空為什么呈藍(lán)色。23Mie散射云滴、氣溶膠的散射。當(dāng)顆粒的直徑與入射光的波長相當(dāng)時，往往發(fā)生Mie散射。Mie散射是強(qiáng)烈的前向散射。屬于大顆粒散射。大顆粒散射的特征：電磁波可以穿透介質(zhì)表面而深入到散射顆粒內(nèi)部。由于顆粒的尺寸與波長相當(dāng)，所以顆粒的不同部位往往處在不同的電場強(qiáng)度下，導(dǎo)致誘發(fā)電流的產(chǎn)生，一方面這種高度電流會產(chǎn)生高變的磁場，另一方面電流的存在意味著焦耳熱損耗的出現(xiàn)——電磁波的吸收。

25大氣散射的特點(diǎn)；

群體散射強(qiáng)度是個體散射強(qiáng)度之線性和。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；氣溶膠顆粒密度隨高度呈指數(shù)衰減；就平均狀況而言，4KM以下氣溶膠的Mie散射占優(yōu)勢，4KM以上的分子散射相對占優(yōu)勢。分子散射與氣溶膠散射光強(qiáng)之比隨角度的變化而變。實際上，當(dāng)大氣狀況相同時，同時會出現(xiàn)各種類型的散射。如云層中的小雨滴，對可見光可發(fā)生無選擇性散射，而對微波則發(fā)生瑞利散射。26反射作用電磁波傳播過程中，通過兩種介質(zhì)的交界面時會出現(xiàn)反射現(xiàn)象。反射現(xiàn)象主要發(fā)生在云頂。折射作用

電磁波穿過大氣層時出現(xiàn)傳播方向改變的現(xiàn)象。大氣密度越大，折射率越大。2930太陽輻射進(jìn)入傳感器前的吸收、散射過程A—太陽輻射透過大氣并被地表反射進(jìn)入傳感器；B—太陽輻射被大氣散射后被地表反射進(jìn)入傳感器；C—太陽輻射被大氣散射后直接進(jìn)入傳感器；G—太陽輻射透過大氣，被地物反射后又被地表反射進(jìn)入傳感器；I—被視場以外地物反射后進(jìn)入視場的交叉輻射項。多光譜遙感（可見光和近紅外波段）31(3)地球輻射——地球輻射是地球表面和大氣電磁輻射的總稱。被動遙感主要的輻射源。地球輻射是被動遙感中傳遞地物信息的載體。遙感圖像就是由裝載在遙感平臺上的傳感器接收來自地球輻射所攜帶的地物信息，經(jīng)過處理而形成的。地球輻射的分段特性32插圖：地球輻射圖地球輻射的分段特性33（4）地物的輻射波譜特性反映地物自身輻射電磁能量的特性，主要針對紅外波段；地物的輻射波譜是紅外遙感的理論基礎(chǔ)34幾種硅酸鹽的紅外發(fā)射波譜351、地物的反射2、地物的反射類別3、地物的反射光譜特性（二）物體的反射輻射361、地物的反射

—可見光和近紅外波段地物的波譜特性。太陽光通過大氣層照射到地球表面，地物會發(fā)生吸收、透射和反射作用，反射后的短波輻射一部分被遙感器所接收。入射到物體的總能量=吸收+透射+反射除水體、植被等物體，多數(shù)地物透過率幾乎為零，可以忽略不計。反射率與光譜反射率372、地物的反射類別

—根據(jù)地表目標(biāo)物體表面性質(zhì)的不同，物體反射可分為三種類型。鏡面反射漫反射方向反射—了解物體反射類型的意義38鏡面反射

—發(fā)生在光滑物體表面的一種反射。光滑表面的定義光滑是一個相對的概念，它由入射波長和表面起伏共同決定：當(dāng)時，表面光滑；當(dāng)時，表面粗糙。

—特點(diǎn)是：反射滿足反射定律。即入射波和反射波在同一平面內(nèi)，入射角等于反射角。

39漫反射

—發(fā)生在非常粗糙表面上的一種反射現(xiàn)象。

—特點(diǎn)是：當(dāng)入射輻照度I一定時，從任何角度觀察反射面，其反射輻射亮度是一個常數(shù)；這種反射面叫朗伯面。40方向反射

—也叫實際地物的反射、非朗伯面反射。是介于鏡面和朗伯面之間的一種反射。

—特點(diǎn)是：實際地物表面由于地形起伏，對太陽短波輻射的反射具有各向異性。即在有入射波時，各個方向上都有反射能量，但大小不同，在某個方向上反射最強(qiáng)烈。413、地物的反射光譜特性地物的反射波譜同一地物的反射波譜不同地物的反射波譜應(yīng)用地物波譜曲線時應(yīng)注意的問題影響地物光譜反射率變化的因素42地物的反射波譜定義：可見光至近紅外波段上地物反射率隨波長的變化規(guī)律。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，縱坐標(biāo)表示反射率。43同一地物的反射波譜同一地物的反射波譜特性隨時間和空間的改變而變化：時間效應(yīng)空間效應(yīng)44不同地物的反射波譜

—常見的幾種地物類型波譜特征植被水體土壤巖石45植被可見光波段：在0.45微米附近區(qū)間(蘭色波段)有一個吸收谷,在0.55微米附近區(qū)間(綠色波段)有一個反射峰,在0.67微米附近區(qū)間(紅色波段)有一個吸收谷。近紅外波段:從0.67微米處反射率迅速增大,形成一個爬升的陡坡,至1.1微米附近有一個峰值,反射率最大可大50%,形成植被的獨(dú)有特征。中紅外波段:1.5~1.9微米光譜區(qū)反射率增大,1.45微米、1.95微米和2.7微米為中心的附近區(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。4647影響植被波譜特征的主要因素：

植物類型植被生長季節(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，生長狀態(tài)等。48對植物健康狀況的檢測：49

水體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；水中含有泥沙，可見光波段反射率會增加，峰值出現(xiàn)在黃紅區(qū)；水中含有水生植物葉綠素時，近紅外波段反射明顯抬高。50清水和混水的反射率對照51葉綠素不同含量時水體的波譜曲線52

土壤自然狀態(tài)下，土壤表面反射曲線呈比較平滑的特征，沒有明顯的峰值和谷值。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)。土壤含水量增加，土壤的反射率就會下降，在水的各個吸收帶（1.4、1.9和2.7微米附近區(qū)間），反射率的下降尤為明顯。53三種不同類型的土壤在干燥環(huán)境下的反射光譜曲線54粉砂土壤不同含水良情況下的光譜反射率曲線55巖石巖石礦物的波譜曲線主要由礦物成份、礦物含量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)，等決定。影響巖石礦物波譜曲線的因素有巖石風(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。56不同巖石礦物的反射波譜曲線57應(yīng)用地物的波譜特征時需要注意的問題

地物波譜曲線形態(tài)，反映出該地物類型在不同波段的反射率，通過測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)相對照，就可以識別遙感影像中同類地物。應(yīng)用地物的波譜特征時應(yīng)注意以下問題：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。巖石存在不同程度的風(fēng)化，巖石表面附著物（土壤、濕度、低等植物等）的不同，它們的波譜值也相應(yīng)地產(chǎn)生了變化。地物存在著“同物異譜”和“異物同譜”的現(xiàn)象。

58—“同物異譜”是指兩個相同類型的個體地物，在某個波段上波譜特征不同?！爱愇锿V”是指不同類型的地物具有相同的波譜特征。59影響地物光譜反射率變化的因素：太陽位置傳感器位置地理位置地形季節(jié)氣候變化地面濕度變化地物本身的變異大氣狀況等。60后向散射——沿入射方向返回的散射。地物的微波后向散射特性是主動微波遙感的理論基礎(chǔ)。雷達(dá)遙感中獲取的信息就是從入射電波與地物目標(biāo)相互作用后的后向散射回波中提取的。雷達(dá)圖像是地物目標(biāo)對雷達(dá)發(fā)射信號散射的回波強(qiáng)度分布圖。（三）物體的微波后向散射61地物波譜特性各種地物各自所具有的電磁波特性（發(fā)射輻射或反射輻射特性）。地物波譜特性是遙感技術(shù)的基礎(chǔ)研究內(nèi)容。地物波譜特性的作用四、地物波譜特性的測定62地物波譜特性測定原理地物的發(fā)射輻射特性和反射輻射特性間存在一定的關(guān)系，因此，只需測定反射輻射特性即可。對不透明的物體有：根據(jù)基爾霍夫定律有：即：地物的波譜特性通常