第二章 电磁辐射与地物光谱特征B=遥感概论=宁夏大学

3）红外线（0.76 μm—1000 μm） 近红外（0.76 μm—3.0 μm）——光红外，性质 与可见光相似，主要反映地物对太阳光的反射， 不反映地物的热辐射，采用摄影和扫描方式。 中红外（3.0 μm—6.0 μm） 远红外（6.0 μm—15.0 μm） 热红外 超远红外（15 μm—1000 μm） 热红外是产生热感的原因。一般自然界的任何 物体，当温度大于绝对温度0 k（-273ｏC ）时， 能发射红外线，发射能力的大小由其温度来决 定，温度越高，发射能力越强。

2）米氏散射——散射质点的直径与辐射 波长相当时发生的散射。主要由大气中 的烟、尘埃和小水滴引起。 散射特点：散射强度与波长的二次方成 反比，且散射在光线向前方向比向后方 向更强，具有明显的方向性。 如云雾的粒子大小与红外线波长接近， 所以云雾对红外线的散射主要是米氏散 射。

3）无选择性散射 散射质点的直径比波长大得多时发生的 散射。 散射特点：散射强度与波长无关，即在 符合无选择性散射条件的波段中，任何 波长的散射强度都相同。 如云雾粒子直径比可见光波长大很多， 因而对可见光各波长的光散射强度相同， 所以人们看到云雾呈白色。

（三）大气透射窗口 太阳辐射光照射到地球表面的过程中，由于大 气层的反射、吸收和散射作用，绝大部分能量 消失掉了，只有一部ห้องสมุดไป่ตู้大气散射和透射能量透 过大气层到达地球表面。

大气透射窗口：通常把太阳辐射光通过大气层 时没有或较少被反射、吸收和散射的那些透过 率高的波段称为大气透射窗口。 对遥感传感器而言，只能选择大气透射窗口才 对观测有意义。

（二）大气对太阳辐射的影响 1、大气层的反射作用 太阳光进入到大气层以前，它的波长范 围很广，从零到无穷大，但主要波长范 围集中在0.15—4 μm之间，约占99%， 其中可见光50%，红外43%，紫外7%。 地球被大气圈所包围，一般认为大气厚 度约为1000km，且在垂直方向自下而上 分为对流层、平流层、中气层、热层等。 对太阳辐射影响最大的是对流层和平流 层。
电磁波谱
3、遥感上应用的电磁波 1）紫外线（0.01 μm—0.38 μm） 高温物体可发射紫外线，太阳光中也含 有紫外线，但是太阳光在通过大气层时 波长小于0.3 μm的几乎全部吸收，所以 太阳光中到达地面的只有0.3 μm—0.4 μm，能量很少，但是可使溴化银底片感 光，所以可用摄影或扫描方式获得地物 紫外波段的影象。

2）可见光（0.38—0.76 μm） 在电磁波谱中，可见光只占很小一个空 间，但是其能量却占到太阳辐射总量的 一半。而且人眼对可见光敏感，不仅对 全色光，而且对不同波段的单色光都有 敏锐的分辨能力。所以可见光是遥感技 术应用最多的一个波段，一般用光学摄 影和光电扫描来获得遥感影象。



第二章 电磁辐射与地物光谱特征 太阳光照射在物体上，物体对太阳光进 行反射，而且不同物体对光的反射能力 是不相同的。 遥感正是利用物体的这一性质，用传感 器接收物体反射回来的电磁波，不同物 体反射情况不相同，反映在图象上即形 成不同的形状和色调，以此来进行地物 的识别。

一、电磁波谱与电磁辐射 （一）电磁波谱 振动在空气中的传播形成波。 1、电磁波——当电磁震荡进入空间，变 化着的磁场能够在它的周围激起电场， 变化的电场又会在它的周围激发磁场， 变化的电场和磁场交替产生。由近及远 地向周围空间的传播就叫电磁波。 实验证明，电磁波与光波性质相同，因 此光波和电磁波统一起来，光波也叫电 磁波。
大于3000m 10—3000m 1—10m 1mm—1m 15—1000μm 6—15 μm 3—6 μm 0.76—3 μm
波段
红 可 橙 黄 见 绿 青 光 兰 紫 紫外线 X射线 γ射线
波长 0.38 0.62—0.76 μm 0.59—0.62 μm 0.56—0.59 μm 0.76 0.50—0.56 μm 0.47—0.50 μm 0.43—0.47 μm 0.38—0.43 μm 10-3 —3.8*10-1 μm 10-6—10-3 μm 小于10-6 μm


2）影响反射率的因素 太阳辐射光的波长 入射角的大小 地表颜色、粗糙度 一般来说，地物反射率大，反射入射光 能力强，传感器记录的亮度值大，色调 浅；反之，地物反射率小，反射能力弱， 传感器记录的亮度值小，色调深。这些 色调的差异就成为我们进行目视判读的 主要依据。
2、地物的反射光谱 1）定义：地物的反射率随入射光波长变 化的规律。 将地物的反射率与入射光波长用直角坐 标系表示，用横轴表示波长，纵轴表示 反射率，绘成的曲线就叫地物的反射光 谱曲线。 2）不同地物的反射光谱曲线 雪：在0.4-0.6 μm （可见光）附近有一强 反射峰，因此雪看上去是白色，随着波 长的增加，反射率逐渐降低。

1、0.3—1.3 μm（紫外、可见光、近红外） 这一波段是摄影成像的最佳波段，也是 许多卫星传感器扫描成像的常用波段。 如Landsat1-4波段 TM1（0.45—0.52） 蓝光波段 TM2（0.52—0.60）绿光波段 TM3（0.63—0.69） 红光波段 TM4（0.76—0.90） 近红外波段 这一光谱段属于反射光谱，只能白天成 像，且要求日照条件良好。

3、大气层的散射作用 散射作用不像质点的吸收作用那样把太 阳能转换为自身内能，而是只改变太阳 辐射的方向，使其围绕质点向四周传射， 因此这部分散射光和地物的反射光一起 进入传感器，对影象造成影响。 一般情况下，太阳辐射光的散射作用同 散射介质的质点大小有密切关系，并分 为三种情况：

1）瑞利散射——散射质点的直径小于辐 射波长时发生的散射，这种散射主要由 大气层中的气体分子如N2、CO2、O3等 引起。 特点：散射强度与波长的四次方成反比。 即波长越长，散射越弱。 瑞利散射对可见光影响很大，无云的晴 空呈现兰色就是因为蓝光波长短，散射 强度较大，使天空呈现蔚蓝色。
在常温范围内物体发射的波长多在3—40 μm之间，而15 μm以上的超远红外绝大 部分被吸收，所以遥感技术在红外线波 段主要是利用了3—15 μm波段，也就是 中红外和远红外。 热红外采用的是热感应方式，其主要传 感器是辐射计。 4）微波 无线电波的一种，常用波段为3cm、5cm、 10cm，为主动式遥感。

沙漠：在橙光0.6 μm 附近有一强反射峰，因此 沙漠看起来呈黄色。 湿地：在整个波长范围内反射率均较低，特别 在近红外波段吸收更强，因此在影象上呈黑色。 小麦：在0.55 μm（绿光波段）处有一个小的 反射峰，因此呈绿色。在0.45 μm （兰）和 0.67 μm （红）有两个吸收带（这是由于植物 中的叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，对绿光 反射作用强），在近红外波段有一强反射峰 （这是由于叶子的海绵组织对近红外的强烈反 射）。


地球辐射的分段特性
中红外
2.5—6 μm
波段名称 可见光与 近红外 0.3—2.5 波长 μm 辐射特性 地表反射太 阳辐射为主
远红外
>6 μm
地表反射太 地表物体 阳辐射和自 自身热辐 身的热辐射 射为主
（二）地物的反射光谱特性 当太阳辐射经过大气的吸收、反射和散 射最终到达地球表面时，在地球表面又 出现三种情况： 一部分入射能被地物反射——P反 一部分入射能被地物吸收——P吸 一部分入射能被地物透射——P透 P入=P反+P吸+P透 P入—入射总能量 1= P反/ P入+ P吸/ P入+ P透 / P入


电磁波的种类：无线电波、红外线、可 见光、紫外线、x射线、r射线。 这些不同的电磁波又具有各自的特性， 这是由于产生的波源不同，因此他们的 波长和频率也不相同。

2、电磁波谱 按照电磁波在真空中的波长（或频率） 加以排列形成一个谱表就叫电磁波谱。


电磁波谱
波长
波段
长波 中波和短波 超短波 微波 红 超远红外 外 远红外 波 中红外 段 近红外

所以一般情况下δ=0 上式可写为ρ=1- а 这表明：地物的吸收率越高，反射率就 越低。反之地物的吸收率越低，反射率 就越高。 1、地物的反射率 1）定义：地物的反射量与入射总能量之 比。又叫反射系数、亮度系数。 不同地物，即使同一地物对入射太阳光 的反射能力是不一样的。



（二）电磁辐射 任何物体都是辐射源，不仅能够吸收其 它物体对它的辐射，也能够向外辐射。 因此对辐射源的认识不仅限于太阳、炉 子等发热发光的物体，能发出紫外线、x 射线、γ射线、微波等的物体也是辐射源， 只是辐射强度和波长不同而已。 电磁波传递就是电磁能量的传递，遥感 对电磁波的探测实际上是对物体辐射能 量的测定。

2、1.5—1.8 μm和2.0—3.5 μm（近红外） TM5（1.55—1.75 μm） TM7（1.75—2.08 μm） 这一波段用以探测植物含水量以及云、 雪、地质探矿等。 也属于反射光谱，只能白天成像。

3、3.5—5.5 μm（中红外） 属于混合光谱，既有太阳光反射，也有 地表热辐射，这一光谱段主要采用红外 扫描仪得到红外扫描相片，可昼夜成像。 如气象卫星NOAA的AVHRR（甚高分辨 率辐射计）用于探测海面温度。 4、8—14 μm（远红外波段）可昼夜成像， 尤以夜间成像为好（夜间太阳辐射消失， 地面发出的能量以发射光谱为主）

二、太阳辐射与大气窗口 （一）太阳辐射 太阳辐射的电磁波到达地球表面大概需要8分 钟，地球周围存在着很厚的大气层，太阳光照 射到地球表面之前，必须穿过大气层。这样太 阳光在大气层中遇到各种气体分子、水滴和尘 埃时会受到干扰，一部分光被反射回宇宙空间， 一部分光被吸收，一部分光被散射，因此到达 地球表面的太阳辐射仅占31%，再除掉被植物 光合作用消耗的能量，遥感接受和记录的就是 剩下的这部分能量。


大气中主要成分有气体分子（氮气 和 氧 气约占99%，其余1%是臭氧 、二氧化碳 和水分子）和微粒（烟、尘埃、小水滴 等），水滴、尘埃单个来说其反射能力 不强，但由尘埃和水滴组成的云的反射 能力很大，如果云层很厚，其反射回的 能量越多，因此遥感摄影要选择晴朗无 云的好天。
2、大气层的吸收作用 大气层中的气体分子、水滴和尘埃等粒 子，除了对太阳光产生反射作用外，还 有选择性的吸收作用。各种气体分子和 粒子对太阳辐射波长的吸收特性不同， 因此有些波段范围能透过大气层到达地 球表面，有些则全部被吸收，不能到达 地球表面，因此了解这些知识对我们研 制传感器有重要意义（为什么）。 具体吸收情况见P28页。

5、0.8—25cm（微波） 0.5cm、3cm、5cm、10cm 可全天侯工作。 三、地球的辐射与地物波谱 （一）太阳辐射与地表的相互作用 地表接受太阳光照射后向外反射，同时 地表自身又存在热辐射。这两种情况同 时存在，只不过在不同的波段范围情况 不同。

1、在短波区（0.3—2.5 μm）即紫外、可 见光、近红外波段，地表反射的太阳光 成为地表的主要辐射来源，而来自地球 自身的辐射，几乎可以忽略不计。 2、在长波区（>6 μm）即远红外，该区 段主要是地球自身的热辐射，太阳辐射 可以忽略不计。 3、2.5—6 μm，即中红外，地球对太阳 辐射的反射和地表物体自身的热辐射均 不能忽略。

令 P反/ P入*100%=ρ ——反射率 P吸/ P入*100%=а ——吸收率 P透 / P入*100%=δ ——透射率 一般情况下，只有水和冰具有透射一定 波长电磁波的能力（0.45—0.56 μm 的蓝 绿光波段），绝大多数地物都没有透射 电磁波的能力。微波对地物具有明显的 透射能力，可以透过地面岩石、土壤， 在不破坏地面物体的情况下探测到地层 下面的情况，在勘测石油时有重要作用。