1、第二章 遙感物理基礎§2-l電磁波與電磁波譜一、電磁波電磁波是物體運動的一種形式。電磁波、電磁波譜及其傳播規律是遙感技術產生的理論基礎。振動的傳播成為波，電磁場振動的傳播是電磁波。1波如抖動繩子，繩子一端有個上下振動的振源，振動向前傳播，從整體看波峰和波谷向前運動，而繩子上各點世紀只作上下運動并不向前運動；水波同樣如此。波動是各質點在平衡位置振動而能量向前傳播的現象。如果質點振動方向與波傳播方向相同，稱為縱波，如振動彈簧，聲波；如果質點振動方向與波傳播方向垂直，成為橫波，如水波，抖繩產生的波等。2電磁波當電磁振蕩進入空間，變化的磁場激起變化的電場，變化的電場又激發變化的磁場，使電磁振

2、蕩在空間傳播，產生電磁波。電磁波的產生：組成物質的電子、原子、分子，運動形式有三種：電子繞原子粒作軌道運動及軌道躍遷；原子核在平衡位置上的振動；分子繞質量中心轉動；根據能量守恒定律和能量轉換定律，運動狀態的改變、能量的增加與減少，將以能量輻射的形式表明出來，這就是電磁波；通常，電子躍出產生的電子磁波波長最短，在紫外近紅外區；分子振動狀態改變產生的電磁波波長中等，紅外區；分子轉動狀態改變產生的電磁波波長較長，微波區電磁波的表述： 3電磁波特性a.電磁波是一個橫波：電場矢量和磁場矢量相互垂直，且都垂直于波的傳播方向。b.在真空以光速傳播，滿足麥克斯韋方程：c=v,c = 速度(光速3*108m/s

3、) =波長 v=頻率c.電磁波具有波粒二象性：波是粒子流的統計平均，粒子是波的量化（1）波動性基本特點是時、空周期性，由波動方程的波函數表示： =Asin(wt-kx)+ ,電磁波的疊加、干涉、衍射、偏振等現象均由波動性引起。電磁波的疊加：電磁波是由于無數個不同波長的波組合加而成，但電磁波的傳播是獨立進行的。因此任何復雜的電磁波都可以分解成許多簡單的電磁波。反之，通過合成可以恢復原來復雜電磁波，條件是具有適當的振幅、頻率和相位。如光的分解。電磁波的相干：當相位、頻率、振動方向相同的電磁波迭加時，會出現部分區域振動加強，部分區域振動減弱或消失的現象。相干電磁波一般是頻率很窄的單道波或微波得到的，

4、相干圖象（微波遙感/雷達遙感）與普通圖像（其他遙感）不同，需經過特殊處理。電磁波的衍射：電磁波遇到有限大小的障礙物時，能通過障礙物的邊緣改變傳播方向的現象。可用于設計傳感器提高圖像的幾何分辨率。電磁波的偏振：由于電磁波是橫波（振動方向垂直運動方向），當傳播過程達到一條“狹縫”（偏振動），只有與狹縫方向一致的電磁波分振動（電場矢量）才能通過，這些通過偏振光片的電磁波被極化。電磁波的極化即為“偏振”，合成孔經雷達成像就是利用電磁波的偏振特性。電磁波的多譜勒效應：因輻射源或觀察者相對傳播介質的運動，而使接收到的電磁波頻率發生變化，當頻率為v的波源向著觀察著運動時，觀察著接收到的頻率v>v；當波

5、源背著觀察著運動時，觀察著接收到的頻率v<v；這種現像叫“多譜勒頻移”。多普勒效應對微波雷達成像，尤其是對近地目標的探測具有重要意義，軍事上應用比較多。 （2）粒子性基本特點是能量分布的量子化，電磁波是物質運動狀態發生改變，能量輻射或吸收，能量的最小單位，成為光子或光量子，及能量的量子化，光子同其他粒子一樣具有動量和能量。動量：E=hv；能量：P=h /= 波長 v= 頻率 h=普朗克常數波長越長，周期越大，頻率越小，能量越小，越易表現波動性；反之，波長越短，周期越小，頻率越大，能量越大，越易表現粒子性。電磁輻射在傳播過程中，主要表現為波動性；當電磁輻射與物質相互作用時，主要表現為粒子性

6、。遙感技術正是利用電磁波的波粒二象性探測目標的電磁輻射信息的，用傳感器接收其傳播過來的輻射能量。二、電磁波譜根據波長或頻率大小的變化，將電磁波依次排序，叫電磁波譜；射線射線紫外線可見光紅外線微波無線電波-1A-100A-0.38m-0.76m-1000m1mm-1m-100 km紫藍青綠黃橙紅0.38m-0.43m-0.47m-0.5m-0.56m-0.59m-0.62- 0.76m近紅外中紅外遠紅外極/超遠紅外0.76m-3m-6m-15m-1000m毫米波厘米波分米波1mm1 cm10 cm-100 cm3*1011-3*1010-3*109-超短波短波中波長波-10m-10m-1000m

7、-100km3*108-3*107-3*106-3*105-3常用的遙感波段有：紫外線、可見光、紅外線、微波紫外線：m，太陽輻射含有紫外線，通過大氣時，波大小于0.3m到達地面，能量較少；應用的較晚，可探測的高度在2000m以下，不宜用作高空遙感；目前多用于探測碳酸巖分布，油污染的監測，能提供土壤水份和作物病類信息。可見光：m，由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫色光組成，人眼對該波段具有敏銳的分辨能力，是鑒別物質的主要波段。遙感技術中主要用攝影和掃描方式接收和紀錄地物對可見光的反射特征。紅外線：波長范圍0.76-1000m，又根據用途分為近紅外（0.76-3m），中紅外（3-6m）、遠紅外（6-15

8、m）、超遠紅外（15-1000m）。近紅外同可見光相似，常稱為光紅外，遙感中常用攝影和掃描方式接收和紀錄地物對紅外的反射特征m；中紅外、遠紅外和超遠紅外時產生熱感的原因，常稱為熱紅外，自然界任何高于絕對0 K（-273）的物體都能向外輻射紅外線，常溫物體發射紅外線的波長在3-40m，而波長大于15m的超遠紅外易被大氣和稅分子吸收，所以遙感中常利用的是3-15m，即3-5m和8-14m，主要應用于探測地物的輻射特征，如熱污染、火山、火災等，由于紅外線不易為天空微粒散射，所以不受日照條件限制，白天、黑夜都可進行，全天時遙感。微波 1mm-1m，分為毫米波、厘米波、分米波，也具有熱輻射性質，波長較長

9、，有一定穿透能力(云層、水體、土壤等)，主要應用于雷達成像，不受天氣影響，可進行全天候全天是遙感探測。其優點有：微波易于聚成較窄的發射波束，近似直線傳播，不受高空100400km電離層反射的影響，自然界中的電磁波對微波干擾小，地面目標對微波的散射性能好。三、電磁輻射源任何物體在一定溫度下都具有發射、輻射電磁波的特性。輻射源有自然輻射源和人工輻射源。1自然輻射源(1) 太陽輻射黑體輻射：黑體是“絕對黑體”的簡稱，是一個理想的輻射體，在任何溫度下，對于各種波長的電磁輻射的吸收系數等于1（100%）的物體，黑體的熱輻射成為黑體輻射，其反射率為0，透射率為0。反射率+透射率+吸收率=1，吸收率越大，發

10、射率越大。太陽輻射被看作是接近6000K黑體的輻射源。太陽輻射波長范圍很寬，包括射線、紫外線、紅外線、微波、無線電波。99的輻射能輻射能量主要集中在0.3-3m，大部分集中在可見光波段，一般稱為短波輻射。46的輻射能集中在0.40.76m的可見光段；有25的輻射能分布在小于0.47m的紫外線段；30分布在紅外線段；太陽的輻射強度在進入大氣層前為1385w/m2·s, 叫“太陽常數”或“輻射通量密度”，每年有7的被動；太陽輻射到達地面前，大氣對太陽輻射由一定的吸收、散射和反射，從地面到傳感器也有一定的吸收、散射和反射，有很大的衰減。(2) 地球輻射地球輻射可分為短波輻射和長波輻射兩個部

11、分。短波輻射：指波長在0.32.5m的地球輻射，屬于可見光和近、中紅外波段，主要是地球反射太陽輻射的能量。長波輻射：指波長在6m以上的地球輻射，屬于熱紅外波段，主要是地物自身的熱輻射能量。而3-6m的地球輻射，是地物反射和自身熱輻射兼有。遙感探測時，傳感器接收到小于0.3m波長，主要是地物反射太陽輻射的能量，大于6m主要是地物熱輻射能量，3-6m太陽于地球的熱輻射都要考慮。2人工輻射源人工發射一定波長的波束，接受地物散射該光束返回的后向反射信號的強弱，從而探知地物或測距。主要是主動遙感。(1) 微波輻射源常用波段0.830cm的微波。具有全天候、全天時，具有一定的穿透力，容易區分某些物質。(2

12、) 激光輻射源§2-2地物的光譜特性地物的光譜特性是遙感技術的重要理論依據，因為他即為傳感器工作波段的選擇提供依據，又是遙感數據正確分析和判讀的理論基礎，還可作為利用計算機進行數字圖像處理和分類是的參考標準。時間特性主要反映在不同時期被測地物光譜特性的變化。空間特性主要是由被測地物光譜特性的不相同所造成的。任何地物都有各自的電磁輻射規律，即具有吸收、反射、透射某些波段的特性-地物的光譜特性。太陽的輻射能入射到地物表面，一般會過出現三種過程：a.部分入射能量被地物反射；b.部分入射能量被地物吸收，成為地物的內能再發射；c.部分入射能量透射到地物某一深度，再反射；根據能量守恒定律可得出：

13、P0PPP 其中: P0為地物接收太陽輻射的總能量；P 為地物反射能量；P為地物的吸收能量；P為地物的透射能量；公式兩端都除以P0 得：1PP0PP0PP0引伸出三個概念:地物反射率 PP0×100地物吸收率/發射率 PP0×100地物透射率 PP0×100即+=1因地表物體大多數是不透明的 0，地物反射率1-地物的反射率可以測定，吸收率/發射率可以通過反射率來推算。在反射、吸收和透射中，應用最普遍的仍是反射。一、地物的反射光譜特性太陽輻射通過大氣層，照射到地物上，經過地物反射到達傳感器上，攜帶地物信息。研究地物的反射光譜特性，可以對遙感影像進行判讀和解譯。1地物

14、的反射率地物的反射率：地物反射能量與入射總能量的比值，PP0×100。由于地物的物理化學性質差異,不同地物對入射光的反射能力亦不相同。而且,同一地物對不同光譜段的反射能力差異更大。影響地物反射率的因素：入射光的波長、入射角的大小以及地物表面顏色、粗糙度有關。因地物的反射能力是一個相對概念，通常所講的反射率實質是指地物的反射系數，或叫亮度值。對數字影像來說，反射系數是入射總量與反射總量的比值的百分率；而對于地面遙感測試求得的反射系數，則是地物反射總量與標準板反射總量比值的百分率。通常，反射率高的地物傳感器記錄的亮度值大，在黑白影像上呈現較淺的色調。由反射率不同引起的色調差異，是目視判讀

15、的重要標志。如：風沙土類，鹽堿土基本呈白色調，而沙姜黑土或地水位淺的地段呈南深灰一黑色調；鐵軌呈白色調，農田成灰黑色調。2地物的反射光譜地物的反射率隨入射光的波長變化的規律地物反射光譜。地物反射率與波長之間的關系曲線為地物反射光譜曲線。(1) 不同地物雪：在可見光部分呈現反射特征，在藍光波段有一個強的反射峰，在紅外線部分則呈現吸收態勢。如果用全色光射影它就是白色；如果用熱紅外線掃描成像，它則呈暗色調。沙漠：在可見光段亦成強反射狀。但與雪不同的是，在黃、橙、紅波段反射率特強，峰值出現在橙色光段。因此，沙層較淺薄時，呈橙黃色，沙層較厚時呈黃褐色。濕地：在整個波段反射率均較低，僅在藍光段有一個弱的反

16、射峰值出現。因此，濕地包括水體，一般在暗色調中稍帶有藍色。小麥：在藍和紅光波段是吸收帶，反射率比較低（在20以下）；在綠光段和近紅外段是一個強反射，所以肉眼看上去是綠色；在近紅外部分反射率受葉綠素含量控制，利用這一特點可以監測小麥的長勢和旱、澇、病蟲害的發生程度。植物在紅外光段的反射光譜主要是葉面內部結構、物質成份等方面的差異而引起變化。如樹葉，在生長期遇到干旱、蟲病害，可引起葉綠素水平降低、葉黃素增加，表現在近紅波段反射率可隨病害的加重而逐漸降低。盡管病害初期肉眼不易查覺，但可以用比值法處理來拉大病害與非病害之間的亮度值，來達到適時監測的目的。由此可見，根據地物反譜光譜研究十分重要，是遙感工

17、作選擇最佳波段、最佳攝影季節、最佳攝影時間的依據。(2) 同類地物同類地物反射光譜相似，但隨著該地物的內在差異而有所變化。有多種因素造成的，如成分、結構、表面、形狀等。二、地物的發射光譜特性1黑體輻射任何地物，當溫度高于絕對溫度 273 時，都存在分子運動，都具有向四周輻射紅外線和微波的能力。Wj / W0黑體反射率為0，透射率為0，是理想的吸收體，吸收率=發射率，即1。黑體輻射定律：斯蒂芬波爾茲曼定律：W=T4,輻射通量密度與溫度的4次方成正比，輻射同量密度隨溫度的升高，迅速增大，溫度的微小變化會引起輻射通量的很大變化；用紅外裝置測定溫度就是根據這個定律設計的。維恩位移定律：max*T=b,

18、輻射通量密度的峰值隨溫度的升高向短波移動。可以解釋隨著爐火溫度的升高，爐焰的顏色由紅向黃再向藍轉變。黑體輻射特點：a.黑體的輻射強度隨波長變化，曲線只有一個峰值，沒有太多的選擇性；b.溫度愈高，強度愈大；c.隨溫度升高,峰值向短波方向位移（由中遠紅外向紅外移動）,隨溫度降低，峰值向長波方向位移（由中遠紅外向微波移動）；2地物的發射率 黑體輻射是不存在的，自然地物的吸收率總在01之間。(1) 地物的紅外熱輻射基爾霍夫定律：在給定任一溫度的情況下，地物單位面積的輻射通量密度Wj和吸收率之比，是一個常數，并且等于同一溫度下黑體的輻射通量密度Wa。 即:Wj /Wa根據發射率定義Wj/W0 Wj/Wa

19、所以 E根椐斯蒂芬玻爾茲曼定律，黑體的輻射通量密度可以表示為：Wd = T4為常數（5.6697±0.00297）×10-12W·cm-2·k-4所以，地物的輻射通量密度Wj可寫為Wj=Wd=Wd=T4表明：紅外的輻射能量與地物的溫度4次方成比，只要有微小的溫度差異，就會引起紅外輻射能量的顯基差異，從而構成了熱紅外遙感的理論根據。即對某一波長的吸收強，則發射強；吸收弱，則發射也弱，不吸收，不發射。地物發射率與地物的性質、表面狀況（顏色、粗糙度）有關，且是溫度和波長的函數。粗糙的、深色調的地物吸收性好，發射率高；外表光滑的、淺色調的地物反射性為，發射率低；

20、熱貫量大的、比熱大的、保溫性好的地物發射率高。如水體，白天水面平滑，發射率較低，晚上因比熱大，發射率反而升高。依據比熱特性、利用熱紅外線研究地熱、熱污染以及地下水探測是行之有效的方法。根據發射率與波長的關系，地物可分為三種：黑體、灰體、選擇性輻射體。黑體：發射率=1，不隨波長而變化。灰體：發射率1，不隨波長而變化。選擇性輻射體：發射率1，且隨波長而變化。(2) 地物的微波輻射任何地物在一定溫度下，在向空間發射紅外輻射的同時還發射微波輻射。而且在低溫狀態下，微波的輻射特性更加明顯。盡管這種輻射要比紅外線弱得多，但可以用無線電通訊機經調諧接收或通過放大線路來接收。不同地物微波與紅外發射率比較地 物

21、波 段微 波紅 外 線 = 3 cm = 3mm = 10m = 4m鋼 材0.000.000.60.90.60.9水0.380.630.990.96干 沙0.900.860.950.83混 凝 土0.860.920.900.91由此可見，不同地物間微波發射率要比紅外線發射率的差異明顯，在可見光、紅線外線波段不易區分的地物，在微波波段則比較易區別。因此，微波輻射也成為遙感技術領域的重要研究方面。3地物的發射光譜 地物的發射率隨波長變化的規律地物發射光譜。地物發射率與波長之間的關系曲線為地物發射光譜曲線。地物的發射率有隨波長變化的規律，把不同地物的發射光譜曲線進行對比，找出差異點，利用不同波段掃

22、描，可有效的區分地物。如：從巖漿巖的發射光譜曲線比較可得到在波長911m之間是一個吸收譜帶，吸收帶的谷底所在位置，隨sio2的含量的逐增而向短波方向位移。超基性巖 應選擇11m左右波段；基性巖 應選擇10m左右波段；中性巖 應選擇9m左右波段；酸性巖 應選擇8m左右波段；三、地物的透射光譜特性物體除對電磁波產生吸收、反射輻射作用外，還會有數量不等的電磁波穿過表面到達物體內部的某一深度，這就是物體的電磁波透射特性。其特性由物體自身性質和電磁波長所決定，透射率等于透射能量（W）與總入射能量W0之比。即: =W/ W0在遙感技術應用中，藍光（0.450.5m）的透射性來探測一定深度的水體所覆蓋的物體

23、；微波具有透射較厚的水層、沙層的能力，常用來進行洪澇監測，及探查水下、冰層覆蓋的地物。透射率具有隨波長變化和地物不同而變化的特性。如水體，0.450.56m（藍綠光）透射性為一般1020m；在含沙量較大的深水區可透射12m深。§2-3大氣和環境對遙感的影響傳感器接收到的地物反射是兩次通過大氣而衰減的太陽輻射；從太陽輻射圖上可以看出，大氣層外和地面上/平均海平面的太陽輻射曲線明顯差異，其影響原因是大氣的吸收和散射造成的。地物本身發射的電磁波通過大氣層時也要衰減。大氣對電磁波的吸收、散射和透射的特性，稱為大氣傳輸特性。這種特性除了取決于電磁波波長外，主要決定于大氣成分和環境的變化。一、大

24、氣成分和結構大氣層/圈緊緊包圍著地球，其厚度可達10003000km，直接制約著遙感技術應用的展開。1大氣成分a. 氣體，如N2，O2，H2O，CO，CO2，O3，CH4，N2O等；b. 懸浮顆粒，固態或液態微粒如塵埃，水滴，冰晶等，可形成云霧；地表至80km以下大氣成分，除H2O，O3有變化外，其余比例基本不變，也稱為均勻層，該層中大氣與太陽輻射相互作用，是太陽輻射衰減的主要原因。2大氣結構大氣厚度一般取1000km，由下向上依次為對流層、平流層、中間層、電離層、大氣外層。對流層：從地面算起，頂部平均位于12km處。其間高度每增加1km，氣溫下降6.1k。在對流層內，由于大氣氣體及水溶膠體的

25、吸收作用，使電磁波在傳播的途中受到衰減。因此研究電磁波在大氣中的傳播特性，主要是在對流層中的傳播情況。對流層是航空遙感活動的空間。平流層：頂部距地面平均50km，層內氣流比較穩定，沒有垂直對流。在25km以下氣溫保持在-55，在25km以上氣溫逐步增高，至55km處達到最大值（0）。平流層對電磁波傳播反映比較弱微。中間層：頂部距地表90km，氣溫隨高度增加而降低，在80km處為最低點為-95。電離層：頂部距地表800km，層內氣溫隨高度增加急劇上升，在300km處可達1000以上，故又稱熱層/增溫層。電離層大氣十分稀薄，對可見光紅外線、微波、無線電波影響極小。是資源衛星、軍事衛星、試驗衛星主要

26、活動的空間。大氣外層：距地面800km以上，大氣粒子不但向外層空間散逸，對衛星運行基本沒有影響，是通訊衛星、空間站、航天飛機的主要活動空間。二、大氣對太陽輻射的影響1透射太陽輻射在到達地表前必須通過大氣層，特別是在對流層空間，約有30被云層和其他成份反射回宇宙空間，有17被吸收；有22被散射，僅有31到達地面。太陽輻射通過大氣層的透射率（）為：e (+)式中：（+）為衰減系數，與波長成反比。為吸收系數為散射系數x為路經長e為自然對數的底從上可以得出，太陽到達地面的輻射強度決定于路經長x（可以認為是大氣層厚度）和大氣對太陽輻射的吸收和散射作用。* 大氣厚度輻射路經長（x）的影響 表達式：x =

27、x1 / cos= x1 / sin 式中： 為太陽高度角（地平線與太陽的交角） 為天頂角（衛星星下點的地平線垂線與太陽射線的交角）從表達式和理想太陽光譜曲線可以得出；太陽輻射通過大氣層的厚度，取決于太陽的高度角或天頂角；太陽輻射通過大氣層后，總能量明顯衰減。而且，路經越長衰減幅度越大；太陽輻射衰減在短波部分比長波部表現更明顯；2吸收大氣中的某些成份對太陽輻射能會產生選擇性的吸收，并把其轉換成熱能，使溫度升高。這種選擇性，使部分波段可通過大氣層到達地面、部分波段全部被吸收而不能到達地面、部分波段部分吸收部分到達地面。造成大氣吸收作用的主要物質有O2、O3、H2O、CO2等。氧O2：大氣中含量占

28、21；主要吸收小于0.2微米的太陽輻射能，在0.155微米處吸收最強。在0.69和0.76微米附近有兩個窄吸收帶，能力較弱；臭氧O3：含量微小（0.010.1）吸收最強。0.20.36微米(紫外線)強吸收帶；0.6微米(橙光)強吸收帶；水H2O：呈汽態、液態兩種形式，從可見光到微波，到處都分布有吸收帶，（主要分布在可見光和紅外線）是作用最強介質。0.50.9微米區間有四個吸收帶；0.952.85微米區間有五個吸收帶；6.25微米處是強吸收帶，對紅外線影響最大；二氧化碳CO2：吸收作用主要在紅外區；1.352.85m，有3個寬帶弱吸收；2.7m、4.3m、14.5m為強吸收；塵埃：有一定的吸收作

29、用，但吸收量較少，只有當沙塵暴，火山爆發，大型火災發生時才有顯著效率；3散射當大氣中含有大量的云、霧和小水滴時，這些浮動的小質點可導致太陽輻射方向的改變，從而降低傳感器的接收質量，造成圖像的模湖不清。散射作用與輻射光波長和微粒半經有關。 瑞利散射/分子散射：當微粒直經（d）比輻射波長小的多時 ，d/10，散射系數與波長的四次方成反比； 當波長大于1微米時（如紅外線），可基本不用考慮分子散射的影響； 對可見光來說，分子散射影響較大。如，天空中呈現的就是波長較短藍光散射的緣故。米氏散射： 當微粒直經與輻射波長相近時d，大氣中的氣溶膠引起散射效應。米氏散射對紅外線影響較大。非選擇性散射：當大氣中懸浮微粒直經比波長大得多時（d）引起的散射與波長無關，對各波段的散射作用強度相當。如：云和霧呈白色，是因為對可見光的各波段散射強度一樣造成的。又如：當大氣