第二章遥感的物理基础(2)

地物的反射特性
太阳光通过大气层射到地球表面，地物会发生反射 作用。物体对电磁波谱的反射能力用反射率表示。 镜面反射：反射满足反射定律 漫 反射：整个表面均匀反射入射电磁波 方向反射：整个表面反射入射电磁波， 但某方向反射特别强烈
平原地区：漫反射 地形起伏大和地物结构复杂地区：方向反射
1、地物的波谱反射率（反射系数或亮 度系数） —地物对某一波段的反射能量与入射能 量之比。 ρ λ =E ρ λ /E λ
阳辐射的大气吸收带（如下表）。
O2吸收带 O3吸收带 H2O吸收带 CO2吸收带 尘埃
<0.2μm，0.155 μm最强 0.2~0.32μm的紫外区，9.6 μm有弱吸收区 0.7～1.95 μm , 2.5～3.0 μm， 4.9～8.7 μm 最强分别为：1.38、1.87、 3.24 μm 主要吸收峰在2.8、4.3 μm 吸收量很小
第三节 地球辐射与地物波普
地球表面的辐射特征 ☆ 相当于温度为300K的黑体，其电磁辐射的波长 范围是：2.5~50μｍ。 ☆ 地球表面的发射辐射能量集中于近红外波段和热 红外波段； ☆ 地球表面的热辐射（能量）与自身的发射率、波 长、温度有关： M（λ，T）= ε（ λ，T）× M0（ λ， T）
2.
3.
瑞利散射的特点：
散射率与波长的四次方成反比， I
∝ λ-4 。
瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射
的影响很小，对微波的影响可以不计。
颜色 红 橙黄 黄 绿 青兰 紫 紫外线
波长
0.7
0.62 0.57 0.53 1.6 2.2 3.3
0.47 4.9
0.4 0.3 5.4 30.0
2、大气的成分

大气的成分：多种气体、固态和液态悬浮的微粒混 合组成的。
气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3
悬浮微粒：尘埃、烟、雾霾、小水滴、气溶胶等

大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的
重要原因。
3、大气对太阳辐射的影响
大气的吸收作用
大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太
E=E吸+ E透+ E反 由上式得到：
1=α+τ+ρ
式中α—吸收率，τ—透射率，ρ—反射率 对于不透射电磁波的物体：
1=α+ρ
即有：α= 1- ρ
由第一节的基尔霍夫定律推导得到：

由于有：1=α+ρ
得到：
= 1- ρ
所以各种地物的电磁波特性都可以通过 间接测试各种地物反射辐射电磁波的特性得 到。

为什么多波段中不使用蓝紫光的原因？ 蓝紫光的散射强度比较强，成像会很模糊。
大气的折射与反射
大气的折射：大气的折射率与大气密度有关， 密度越大折射率越大。因而，电磁波（太阳辐
射）在大气中的传播轨迹是一条曲线。
大气反射：大气反射主要发生在云层顶部，并 与云量密切相关，被动遥感应尽量选择无云的 天气接收遥感信号。
不同质地土壤反射光谱曲线
谱曲线呈比较平滑 的特征，所以在不 同光谱段的遥感影 像上，土壤的亮度 区别不明显。
（3）水体反射波谱曲线
水体的反射主要在蓝绿光波段，
其他波段吸收都很强，特别到
了近红外波段，吸收就更强， 所以水体在遥感影像上常呈黑
色。但当水中含有其他物质时，
反射光谱曲线会发生变化。水 中含泥沙时，由于泥沙散射， 可见光波段反射率会增加，峰 值出现在黄红区。水中含叶绿 素时，近红外波段明显抬升， 这些都成为影像分析的重要依 据。
三、大气窗口
大气窗口：电磁辐射通过大气后衰减较少，透过 率较高的电磁波段。 大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。 常见的大气窗口：
波段 0.3～1.3 μm 1.5～1.8 μm 2.0～3.5 μm 3.5～5.5 μm 8～14 μm 0.8～2.5cm 60～70 100 透射率/% ＞90 80 80 应用举例 TM1-4、SPOT的HRV TM5 TM7 NOAA的AVHRR TM6 Radarsat
水的吸收
植物波谱具有上述的基本特征，但仍有细
部差别，这种差别与植物种类、季节、病
虫害影响、含水量等有关系。为了区分植
被种类，需要对植被波谱进行研究。
（2）土壤反射波谱曲线
自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰 值和谷值，一般来讲土质越细反射率越高，有机 质含量越高和含水量越高反射率越低，此外土类 和肥力也会对反射率产生影响。由于土壤反射波

散射率 1
散射作用与波长的关系：
瑞利散射主要发生在可见光和近红外波段； 米氏散射发生在近紫外 ~ 红外波段，但在红外波段 米氏散射的影响超过瑞利散射。
无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？
瑞利散射对可见光的影响很大。蓝光的波长短，散射强度 大，因此蓝光向四面八方散射，使整个天空蔚蓝，使太阳辐 射传播方向的蓝光被大大削弱。
（3）地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。
第二章思考题
1、什么叫电磁波谱？ 2、大气窗口是如何形成的,大气窗口对遥感探测的重 要意义？ 3、地物的颜色决定于那些因素？太阳辐射衰减的原因 是什么？ 4、在可见光和近红外波段，大气最主要的散射作用是 什么？ 5、为什么在选择遥感工作波段时，要考虑大气层的散 射和吸收作用？ 6、思考被动遥感主要的辐射源是什么？为什么要研究 地物的波谱特征？
太 阳 与 地 球 辐 射 的 电 磁 波 谱 对 照
地球的电磁辐射特性：
(1) <3 μm的波长主要是太阳辐射的能量； (2) >6 μm的波长，主要是地物本身的热 辐射； (3) 3-6 μm之间，太阳和地球的辐射都要 考虑。
地物的光谱特性
根据能量守恒定律，入射到地表的辐射功率E等于 吸收功率E吸、透射功率E透、反射功率E反三个分量 之和。即：

云雾为什么通常呈现白色？
云、雾粒子的直径虽然与红外线波长接近，但云雾中 水滴的粒子直径就比可见光波长大很多，发生无选择性 散射，对可见光中各个波长的散射强度相同，所以云雾 通常呈现白色。

为什么微波具有较强的穿透云雾能力？
由于微波的波长比云雾中的粒子的直径都要大得多， 所以微波进行瑞利散射，散射强度与波长的四次方成反 比，波长越长散射强度越弱。所以微波才可能有最小散 射，最大透射，而被称为具有较强的穿透云雾能力。
太阳辐射：
是可见光和近红外的主要辐射源； 常用6000的绝对黑体辐射来模拟太阳辐射；
辐射波长范围极大，包含整个电磁波范围；
辐射能量集中0.2-3μm间。

经过大气层的太阳辐射有很大的衰减，且各波段
的衰减是不均衡的 。
二、 大气对辐射的影响
1、大气层的结构
对流层：高度在7～12 km,温度随高度而降 低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。 平流层：高度在12～50 km，底部为同温层 （航空遥感活动层），同温层以上，温度由 于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。 电离层：高度在50～1 000 km，大气中的 O2、N2受紫外线照射而电离，对遥感波段是 透明的，是陆地卫星活动空间。 大气外层：1 000～35 000 km ,空气极稀 薄，对卫星基本上没有影响。

朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？ 在日出和日落的时候，太阳高度角小，阳光斜射向地面， 通过大气层的比阳光直射时要厚得多。在过长的传播过程 中，蓝光波长最短，几乎被散射殆尽，波长次短的绿光散 射强度也居其次，大部分被散射掉了。只剩下波长最长的 红光，散射最弱，因此透过大气最多，再加上剩余的极少 量绿光，最后合成呈现橘红色。
不同叶绿素浓度的海水反射光谱曲线
（3）岩石反射波谱曲线 岩石的反射 波谱曲线无统一 的特征，矿物成 分、矿物含量、 风化程度、含水 状况、颗粒大小、 表面光滑程度、 色泽等都会对曲 线形态产生影响。
几种岩石的反射波谱曲线
地物的波普特性
（1）不同地物在不同波段反射率存在差异
（2）同类地物的反射光谱具有相似性， 但也有差异性。
大气的散射作用
散射：辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播 方向改变，并向各个方向散开的物理现象，称 为散射。 散射作用：使原传播方向上的辐射强度减弱， 增加其他各个方向的辐射。 散射作用的结果是降低了遥感数据的质量、使 影像模糊，从而影响判读。

三种散射作用
1.
瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多 时，此时的散射称为瑞利散射。 d <<λ 米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多 时的大气散射。 d ≈λ 无选择性散射：当微粒的直径比辐射波长大 得多时所发生的散射。符合无选择性散射条 件的波段中，任何波段的散射强度相同。d >>λ
同一地物不同波长的反射率不同，原因 是地物对某些特定波长的波有选择的吸 收。
2、地物的反射波谱
—地物的反射率随入射波长变化的规律。 —地物反射波谱曲线：根据地物反射率与 波长之间的关系而绘成的曲线。
地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别 地物性质的基本原理。
（1）植被反射波谱曲线
1）可见光波段（0.4～0.76μm）
有一个小的反射峰，两侧有两个吸 收带。这是因为叶绿素对蓝光和红 光吸收作用强，而对绿光反射作用 强。
叶绿素的 吸收波段
2）近红外波段 （0.7～0.8 μm）有 一反射的“陡坡”， 至 1.lμm附近有一峰 值，形成植被的独有 特征。 3）中红外波段 （1.3～2.5μm）受到 绿色植物含水量的影 响，吸收率大增，反 射率大大下降，特别 是在水的吸收带形成