2.1电磁波、电磁波谱及大气窗口电磁波、电磁波谱及大气窗口1.电电磁磁波波-当当电电磁磁振振荡荡进进入入空空间间，变变化化的的磁磁场场激激发发了了涡涡旋旋电电场场，变变化化的的电电场场又又激激发发了了涡涡旋旋磁磁场场，使使电电磁磁振振荡荡在在空空间间传传播播，这这就就是是电电磁磁波波。其其方方向向是是由由电电磁磁振振荡荡向各个不同方向传播的。向各个不同方向传播的。第二章第二章 遥感的物理基础遥感的物理基础1电磁波的性质：电磁波的性质：（1）实验证明，光是一种电磁波，具有电磁波的性）实验证明，光是一种电磁波，具有电磁波的性质，是一种横波；（质，是一种横波；（2）在真空中以光速传播；（）在真空中以光速传播；（3）电）电磁波具有波粒二象性。电磁波在传播过程中遇到气体、磁波具有波粒二象性。电磁波在传播过程中遇到气体、液体或固体介质时会发生一系列现象。液体或固体介质时会发生一系列现象。电磁波与地面物体之间的相互作用电磁波与地面物体之间的相互作用22.电磁波谱电磁波谱定义：定义：按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列，则构成了列，则构成了电磁波谱电磁波谱。该波谱以频率从高到低排列，可以。该波谱以频率从高到低排列，可以划分为划分为射线、射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。3名称名称波长范围波长范围频率范围频率范围紫外线紫外线10nm-0.4um750-3000THz可见光可见光0.4-0.7430-750THz红外线红外线近红外近红外短波红外短波红外中红外中红外热红外热红外远红外远红外0.7-1.3um1.3-3um3-8um8-14um14um1mm230-430THz100-230THz38-100THz22-38THz0.3-22THz亚毫米波亚毫米波0.1-1mm0.3-3THz无线电波无线电波微波微波毫米波（毫米波（EHF）1-10mm30-300GHz厘米波（厘米波（SHF）1-10cm3-30GHz分米波（分米波（UHF）0.1-1m0.3-3GHz超短波（超短波（VHF）短波（短波（HF）中波（中波（MF）长波（长波（LF超长波（超长波（VLF）1-10m30-300MHz10-100m3-30MHz0.1-1km0.3-3MHz1-10km30-300MHz10-100km3-30KHz42.2太阳辐射与大气影响太阳辐射与大气影响一、太阳辐射一、太阳辐射太阳的表面温度太阳的表面温度为为6000K。中心温度约达中心温度约达15万度万度。太阳表面每分钟释放出来的热量在太阳表面每分钟释放出来的热量在51024千卡千卡以上。以上。地球是太阳体积的地球是太阳体积的130万分之一，距离太阳约万分之一，距离太阳约1.5亿公里。亿公里。太阳辐射的电磁波到达地球表面大概需要太阳辐射的电磁波到达地球表面大概需要8分钟分钟的时间。的时间。地球表面每分钟获得的太阳辐射能量只有地球表面每分钟获得的太阳辐射能量只有1.7卡米卡米2。除去植物的光合作用耗去的能量以外，被地球表面反射到除去植物的光合作用耗去的能量以外，被地球表面反射到空中的太阳辐射能量就更少了。空中的太阳辐射能量就更少了。在遥感中，一些属于在遥感中，一些属于可见光至近红外波段可见光至近红外波段的传感器，就是的传感器，就是靠接收和记录这部分能量的反射特征获取各种地物信息的。靠接收和记录这部分能量的反射特征获取各种地物信息的。5二、大气对太阳辐射的影响二、大气对太阳辐射的影响被反射：约被反射：约30%；被吸收：约；被吸收：约17%；被散射：；被散射：22%;到达地面的太阳辐射：约到达地面的太阳辐射：约31%。（一）大气层的反射作用（一）大气层的反射作用进入大气层前主要波长范围：进入大气层前主要波长范围：0.15-4m;占太阳辐射占太阳辐射总能量的总能量的99%，其中可见光区，其中可见光区占占50%，红外区占，红外区占43%，紫外区占紫外区占7%；最大辐射波长在；最大辐射波长在0.475m。进入大气层后有一部分被反射回宇宙空间。反射作进入大气层后有一部分被反射回宇宙空间。反射作用中，云反射能力变化很大，按地球平均云量用中，云反射能力变化很大，按地球平均云量54%计算，计算，1/4的太阳辐射能量被反射回宇宙空间去。的太阳辐射能量被反射回宇宙空间去。6（二）大气层的吸收作用（二）大气层的吸收作用主要成分：气体分子、水滴和尘埃等；主要成分：气体分子、水滴和尘埃等；O2：占占1/5，主要吸收，主要吸收0.2m的太阳辐射能量；的太阳辐射能量；O3：主要在：主要在10-40KM高层大气层；两个吸收带为高层大气层；两个吸收带为0.2-0.32m（蓝光区）、（蓝光区）、0.6m（橙光区）；（橙光区）；H2O：主要吸收物质，吸收带红外线和可见光的红光：主要吸收物质，吸收带红外线和可见光的红光波段内。波段内。CO2：只存在于低层大气层中，而且含量很少，主要吸：只存在于低层大气层中，而且含量很少，主要吸收收4.3m的太阳辐射能量的太阳辐射能量尘埃：尘埃：7（二）大气的散射作用（二）大气的散射作用说明：说明：IS：地物直接反射的太阳辐射；：地物直接反射的太阳辐射；ID：漫入辐射地面，：漫入辐射地面，而又反射到大气中再进入感器的部分：而又反射到大气中再进入感器的部分：IO：直接进入：直接进入Sensor的部分；的部分；8 大气的散射现象发生时的物理现象规律与大气中的分大气的散射现象发生时的物理现象规律与大气中的分子或其他微粒的直径及辐射波长的长短密切相关。通常有子或其他微粒的直径及辐射波长的长短密切相关。通常有以下三种情况：以下三种情况：1、瑞利散射、瑞利散射大气中的粒子（大气中的粒子（N、CO2、O3、O2等）直径比波长小的等）直径比波长小的多时所发生的散射称为瑞利散射多时所发生的散射称为瑞利散射。其散射强度与波长的关。其散射强度与波长的关系为：系为：I -4即波长越长，散射越弱。即波长越长，散射越弱。可见光波段影响最明显，蓝光波长短，散射越强。所可见光波段影响最明显，蓝光波长短，散射越强。所以，晴朗的天空会出现蓝色。以，晴朗的天空会出现蓝色。9102、米氏散射、米氏散射在粒子（在粒子（烟、尘埃、小水滴及气溶胶等）烟、尘埃、小水滴及气溶胶等）直径较大，直径较大，与辐射的波长相当时所发生的散射称为米氏散射与辐射的波长相当时所发生的散射称为米氏散射。其与。其与波长的关系式：波长的关系式：I -2即散射的强度与波长的二次方成反比，并且散射光的即散射的强度与波长的二次方成反比，并且散射光的向前方向比向后方向的散射强度更强，方向比较明显。向前方向比向后方向的散射强度更强，方向比较明显。113、无选择性散射、无选择性散射无选择性散射发生在大气中无选择性散射发生在大气中粒子的直径比波长粒子的直径比波长大得多时大得多时。并且散射强度与波长无关，即。并且散射强度与波长无关，即无选择性无选择性散射的波段，任何波长的散射强度都相同。散射的波段，任何波长的散射强度都相同。12（三）大气窗口（三）大气窗口通通常常把把电电磁磁波波通通过过大大气气层层时时较较少少被被反反射射、吸吸收收或或散射而透过率较高的波段称为大气窗口。散射而透过率较高的波段称为大气窗口。大气窗口的光谱主要有：大气窗口的光谱主要有：0.3-1.3um，即即紫紫外外线线、可可见见光光、近近红红外外波波段段。这这一一波波段段是是摄摄影影成成像像的的最最佳佳波波段段，也也是是许许多多卫卫星星传传感感器器扫扫描描成成像像的的常常用用波波段段，如如Landsat卫卫星星的的TM1-4波波段段，SPOT卫星的卫星的HRV波段。波段。1.51.8um和和2.0-3.5um，即即近近、中中红红外外波波段段。这这是是白白天天日日照照条条件件好好时时，扫扫描描成成像像的的常常用用波波段段，如如TM的的5,7波波段段等等，用用以以探探测测植植物物含含水水量量以以及及云云、雪雪等等，用用于于地质制图等。地质制图等。1314 3.5-5.5um，即即中中红红外外波波段段。该该波波段段除除通通透透反反射射光光外外，也也通通透透地地面面物物体体自自身身发发射射的的热热辐辐射射能能量量。如如NOAA卫卫星星的的AVHRR传传感感器器用用3.55-3.93探探测测海海面面温温度度，获获得得昼昼夜夜云云图。图。814um,即即远远红红外外波波段段。主主要要通通透透来来自自地地物物热热辐辐射射的能量，适于夜间成像。的能量，适于夜间成像。0.8-2.5cm，即微波波段，即微波波段。由于微波穿云透雾能力强，由于微波穿云透雾能力强，这一区间可以全天候观测，而且是主动遥感方式，如侧这一区间可以全天候观测，而且是主动遥感方式，如侧视雷达。视雷达。Radarsat的卫星雷达影像也在这一区间，常用的卫星雷达影像也在这一区间，常用的波段为的波段为0.8cm，3cm，5cm，10cm，甚至可将该窗口扩，甚至可将该窗口扩展至展至0.05-300cm。152.3地物反射波谱特征地物反射波谱特征在在可可见见光光与与近近红红外外波波段段（0.3-2.5um），地地表表物物体体自自身身的的热热辐辐射射几几乎乎等等于于零零。地地物物发发出出的的波波谱谱主主要要以以反反射射太太阳阳辐辐射射为为主主。当当然然，太太阳阳辐辐射射到到达达地地面面后后，物物体体除除了了反反射射作作用用外外，还还有有对对电电磁磁辐辐射射的的吸吸收收作作用用，如如黑黑色色物物体体的的吸吸收收能能力力较较强强。最最后后，电电磁磁辐辐射射未未被被吸吸收收和和反反射射的的其其作作部部分分则则是是透透过过的的部分，即：部分，即：到到达达地地面面的的太太阳阳辐辐射射能能量量反反射射能能量量吸吸收收能量透射能量能量透射能量16一一般般说说，绝绝大大多多数数物物体体对对可可见见光光都都不不具具备备透透射射能能力力，而而有有些些物物体体，例例如如，水水对对一一定定波波长长的的电电磁磁波波则则透透射射能能力力较较强强，特特别别是是0.45-0.56um的的蓝蓝、绿绿光光波波段段，一一般般水水体体的的透透射射深深度度可可达达1020m，混混浊浊水水体体则则为为1-2m，清澈水体甚至可透到，清澈水体甚至可透到100m的深度。的深度。地地物物反反射射波波谱谱曲曲线线除除随随不不同同地地物物（反反射射率率）不不同同而而外外，同同种种地地物物在在不不同同内内部部结结构构和和外外部部条条件件下下形形态态表表现现（反反射射率率）也也不不同同。一一般般说说，地地物物反反射射率率随随波波长长变变化化有有规规律律可可循循，从从而而为为遥遥感感数数据据与与对对应应地地物物的的识识别别规规律。例如律。例如植被的遥感反射光谱有以下特点：植被的遥感反射光谱有以下特点：17可可见见光光波波段段（0.4-0.76um）有有一一个个小小的的反反射射峰峰，位位置置在在0.55um（绿绿）处处，两两侧侧0.45um（蓝蓝）和和0.67um（红红）则则有有两两个个吸吸收收带带。这这一一特特征征是是由由于于叶叶绿绿素素的的影影响响，叶叶绿绿素素对对蓝蓝光光和和红红光吸收作用强，而对绿光反射作用强。光吸收作用强，而对绿光反射作用强。在在近近红红外外波波段段（0.7-0.8um）有有一一反反射射的的“陡陡坡坡”，至至1.1um附附近近有有一一峰峰值值，形形成成植植被被的的独独有有特特征征。这这是是由由于于植植被被叶叶细细胞胞结结构的影响，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。构的影响，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。在在中中红红外外波波段段(1.3-2.5um)受受到到绿绿色色植植物物含含水水量量的的影影响响，吸吸收收率率大大增增，反反射射率率大大大大下下降降，特特别别地地，以以1.45um、1.95um和和2.7um为中心是水的吸收带，形成低谷。为中心是水的吸收带，形成低谷。植植物物波波谱谱在在上上述述基基本本特特征征下下仍仍有有细细部部差差别别，这这种种差差别别与与植植物物种种类类、季季节节、病病虫虫害害影影响响、含含水水量量多多少少等等有有关关系系。为为了了区区分分植被种类，需要对植被波谱进行研究。植被种类，需要对植被波谱进行研究。18反反射射率率(%)波长波长(um)0.551.10.670.451.4511.952.719202122233.4地物反射波谱测量地物反射波谱测量(一）地物反射波谱测量理论一）地物反射波谱测量理论双向反射比因子双向反射比因子R（BRF）：在给定的立体角：在给定的立体角方向上，在一定的辐射照度和观测条件下，方向上，在一定的辐射照度和观测条件下，目标目标的反射辐射通量的反射辐射通量与处于同一辐射照度和观测条件与处于同一辐射照度和观测条件的的标准参考面的反射辐射通量标准参考面的反射辐射通量之比。之比。（二）地物光谱的测量方法（二）地物光谱的测量方法1.样品实验室测量样品实验室测量2.野外测量野外测量242.4地物光谱测定地物光谱测定25