2.1 电磁波、电磁波谱及大气窗口

1. 第二章 遥感的物理基础 2.1 电磁波、电磁波谱及大气窗口 1. 电磁波-----当电磁振荡进入空间，变化的磁场激发了涡旋电场，变化的电场又激发了涡旋磁场，使电磁振荡在空间传播，这就是电磁波。其方向是由电磁振荡向各个不同方向传播的。

2. 电磁波的性质： （1）实验证明，光是一种电磁波，具有电磁波的性质，是一种横波；（2）在真空中以光速传播；（3）电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。 电磁波与地面物体之间的相互作用

3. 2. 电磁波谱 定义：按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列，则构成了电磁波谱。该波谱以频率从高到低排列，可以划分为γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。

4. 名　　称 波长范围 频率范围 紫外线 10nm-0.4um 750-3000THz 可见光 0.4-0.7 430-750THz 红外线 近红外 短波红外 中红外 热红外 远红外 0.7-1.3um 1.3-3um 3-8um 8-14um 14um－1mm 230-430THz 100-230THz 38-100THz 22-38THz 0.3-22THz 亚毫米波 0.1-1mm 0.3-3THz 无线电波 微波　 毫米波（EHF） 1-10mm 30-300GHz 厘米波（SHF） 1-10cm 3-30GHz 分米波（UHF） 0.1-1m 0.3-3GHz 超短波（VHF） 短波（HF） 中波（MF） 长波（LF 超长波（VLF） 1-10m 30-300MHz 10-100m 3-30MHz 0.1-1km 0.3-3MHz 1-10km 30-300MHz 10-100km 3-30KHz

5. 2.2 太阳辐射与大气影响 一、太阳辐射 太阳的表面温度为6000°K。 中心温度约达15万度。 太阳表面每分钟释放出来的热量在51024千卡以上。 地球是太阳体积的130万分之一，距离太阳约1.5亿公里。 太阳辐射的电磁波到达地球表面大概需要8分钟的时间。 地球表面每分钟获得的太阳辐射能量只有1.7卡／米2。 除去植物的光合作用耗去的能量以外，被地球表面反射到空中的太阳辐射能量就更少了。 在遥感中，一些属于可见光至近红外波段的传感器，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。

6. 二、大气对太阳辐射的影响 被反射：约30%；被吸收：约17%；被散射：22%;到达地面的太阳辐射：约31%。 （一）大气层的反射作用 进入大气层前主要波长范围：0.15-4μm;占太阳辐射总能量的99%，其中可见光区 占50%，红外区占43%，紫外区占7%；最大辐射波长在0.475 μm。 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54%计算，1/4的太阳辐射能量被反射回宇宙空间去。

7. （二）大气层的吸收作用 主要成分：气体分子、水滴和尘埃等； O2：占1/5，主要吸收<0.2 μm的太阳辐射能量； O3：主要在10-40KM高层大气层；两个吸收带为0.2-0.32 μm（蓝光区）、0.6 μm（橙光区）； H2O：主要吸收物质，吸收带红外线和可见光的红光波段内。 CO2：只存在于低层大气层中，而且含量很少，主要吸收4.3 μm的太阳辐射能量 尘埃：

8. （二）大气的散射作用 说明：IS：地物直接反射的太阳辐射；ID：漫入辐射地面，而又反射到大气中再进入感器的部分：IO：直接进入Sensor的部分；

9. 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。通常有以下三种情况：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。通常有以下三种情况： 1、瑞利散射 大气中的粒子（N、CO2、O3、O2等）直径比波长小的多时所发生的散射称为瑞利散射。其散射强度与波长的关系为： I-4 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。所以，晴朗的天空会出现蓝色。

11. 2、米氏散射 在粒子（烟、尘埃、小水滴及气溶胶等）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。其与波长的关系式： I-2 即散射的强度与波长的二次方成反比，并且散射光的向前方向比向后方向的散射强度更强，方向比较明显。

12. 3、无选择性散射 无选择性散射发生在大气中粒子的直径比波长大得多时。并且散射强度与波长无关，即无选择性散射的波段，任何波长的散射强度都相同。

13. （三）大气窗口 通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或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： 0.3-1.3um，即紫外线、可见光、近红外波段。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Landsat卫星的TM1-4波段，SPOT卫星的HRV波段。 1.5－1.8um和2.0-3.5um，即近、中红外波段。这是白天日照条件好时，扫描成像的常用波段，如TM的5,7波段等，用以探测植物含水量以及云、雪等，用于地质制图等。

15. 3.5-5.5um，即中红外波段。该波段除通透反射光外，也通透地面物体自身发射的热辐射能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.55-3.93探测海面温度，获得昼夜云图。3.5-5.5um，即中红外波段。该波段除通透反射光外，也通透地面物体自身发射的热辐射能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.55-3.93探测海面温度，获得昼夜云图。 8－14um,即远红外波段。主要通透来自地物热辐射的能量，适于夜间成像。 0.8-2.5cm，即微波波段。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，如侧视雷达。Radarsat的卫星雷达影像也在这一区间，常用的波段为0.8cm，3cm，5cm，10cm，甚至可将该窗口扩展至0.05-300cm。

16. 2.3 地物反射波谱特征 在可见光与近红外波段（0.3-2.5um），地表物体自身的热辐射几乎等于零。地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。当然，太阳辐射到达地面后，物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用，如黑色物体的吸收能力较强。最后，电磁辐射未被吸收和反射的其作部分则是透过的部分，即： 到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量

17. 一般说，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体，例如，水对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0.45-0.56um的蓝、绿光波段，一般水体的透射深度可达10－20m，混浊水体则为1-2m，清澈水体甚至可透到100m的深度。一般说，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体，例如，水对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0.45-0.56um的蓝、绿光波段，一般水体的透射深度可达10－20m，混浊水体则为1-2m，清澈水体甚至可透到100m的深度。 地物反射波谱曲线除随不同地物（反射率）不同而外，同种地物在不同内部结构和外部条件下形态表现（反射率）也不同。一般说，地物反射率随波长变化有规律可循，从而为遥感数据与对应地物的识别规律。例如植被的遥感反射光谱有以下特点：

18. 可见光波段（0.4-0.76um）有一个小的反射峰，位置在0.55um（绿）处，两侧0.45um（蓝）和0.67um（红）则有两个吸收带。这一特征是由于叶绿素的影响，叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，而对绿光反射作用强。可见光波段（0.4-0.76um）有一个小的反射峰，位置在0.55um（绿）处，两侧0.45um（蓝）和0.67um（红）则有两个吸收带。这一特征是由于叶绿素的影响，叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，而对绿光反射作用强。 在近红外波段（0.7-0.8um）有一反射的“陡坡”，至1.1um附近有一峰值，形成植被的独有特征。这是由于植被叶细胞结构的影响，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。 在中红外波段(1.3-2.5um)受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率大大下降，特别地，以1.45um、1.95um和2.7um为中心是水的吸收带，形成低谷。 植物波谱在上述基本特征下仍有细部差别，这种差别与植物种类、季节、病虫害影响、含水量多少等有关系。为了区分植被种类，需要对植被波谱进行研究。

19. 反射率(%) 1.1 0.55 0.67 1.45 11.95 2.7 0.45 波长(um)

24. 3.4 地物反射波谱测量 (一）地物反射波谱测量理论 双向反射比因子R（BRF）：在给定的立体角方向上，在一定的辐射照度和观测条件下，目标的反射辐射通量与处于同一辐射照度和观测条件的标准参考面的反射辐射通量之比。 （二）地物光谱的测量方法 1.样品实验室测量 2.野外测量

25. 2.4 地物光谱测定