第2章电磁辐射与地物光谱特征1090921要点

第第2 2章章 电磁辐射电磁辐射与地物光谱特征与地物光谱特征南京师范大学泰州学院信科系2复习回顾 遥感的定义（狭义）遥感的定义（狭义）遥感技术系统的组成遥感技术系统的组成传感器、遥感平台传感器、遥感平台遥感的分类遥感的分类遥感的特点遥感的特点3 遥感之所以能根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象，是因为一切物体，由于其种类、特征和环境条件的不同，而具有完全不同的电磁波的反射或发射辐射特征 遥感技术主要是建立在物体反射或发射电磁波的原理之上，有必要了解地物具有哪些电磁辐射特性4本章主要内容第一节第一节 电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱第二节第二节 大气和环境对遥感的影响大气和环境对遥感的影响第三节第三节 地物的光谱特性地物的光谱特性5第一节第一节 电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱电磁波及其特性电磁波及其特性电磁波谱电磁波谱电磁辐射的度量电磁辐射的度量黑体辐射黑体辐射6一、电磁波及其特性一、电磁波及其特性1、波的概念：波是振动在空间的传播横波与纵波横波与纵波2、机械波：声波、水波和地震波3、电磁波（ElectroMagnetic Spectrum)：由振源发出的电磁振荡在空气中传播74、电磁波：通过电场和磁场之间相互联系传播5、电磁辐射:近代物理中电磁波也称为电磁辐射，具有反射、折射、吸收和透射现象86.电磁波的特性电磁波的特性1)电磁波是横波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，主要表现为波动性；在与物质相互作用时，主要表现为粒子性，这就是电磁波的波粒二象性。v波动性：遇到物体，根据波长发生衍射，电磁波彼此相遇发身干涉，互不相扰v粒子性：电磁波传播遇到气体、液体、固体介质时，会发生反射、吸收、透射等现象；电磁波入射到不透明物体上，只发生吸收和反射现象97、电磁波的主要参数 波长(Wavelength)：指波在一个振动周期内传播的距离。即沿波的传播方向，两个相邻的同相位点(如波峰或波谷)间的距离。用表示，单位为厘米(cm)、毫米(mm)、微米(m)、纳米(nm)等1 m=1000nm。电磁波的电（E）、磁（H）向量10周期：波前进一个波长的距离所需的时间（T）频率(frequency)：指单位时间内，完成振动或振荡的次数，用f表示。单位为赫兹(Hz)、千赫(KHz)、兆赫(MHz)、吉赫(GHz)等电磁波的波长、频率及速度间的关系：f 电磁波在真空中以光速c3.0108m/s传播，在大气中小于光速但接近于光速传播 11 一一般般可可用用波波长长或或频频率率来来描描述述或或定定义义电电磁磁波谱的范围波谱的范围 在在可可见见光光一一红红外外遥遥感感中中多多用用波波长长，如如 m m、nmnm等等 在在微波遥感微波遥感中多用中多用频率频率，如，如MHzMHz、GHzGHz等等 12第一节第一节 电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱电磁波及其特性电磁波及其特性电磁波谱电磁波谱电磁辐射的度量电磁辐射的度量黑体辐射黑体辐射13二、电磁波谱二、电磁波谱1、电磁波谱电磁波谱 定义：定义：将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列成的图表 在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其按波长可分为在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其按波长可分为长波、中波、短波和微波。波长最短的是长波、中波、短波和微波。波长最短的是射线射线 电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同14电磁波区段划分波段波段波长波长长波长波中波和短波中波和短波超短波超短波大于大于3000m 103000m 1 10 m微波微波1mm1m超远红外超远红外远红外远红外 中红外中红外近红外近红外151000m615 m36 m0.763 m红红橙橙黄黄绿绿青青蓝蓝紫紫0.620.76 m0.590.62 m0.560.59 m0.500.56 m0.470.50 m0.430.47 m0.380.43 m紫外线紫外线10-33.810-1 mX X射线射线10-6 10-3 m 射线射线小于小于10-6m1516电磁波谱示意图More than meets the eye!182 2、遥感常用的电磁波波段的特性、遥感常用的电磁波波段的特性可见光波段可见光波段0.38-0.76 m作为鉴别物质特征的主要波段，是遥感中作为鉴别物质特征的主要波段，是遥感中最常用的波段最常用的波段尽管大气对它也有一定的吸收和散射作用，它仍是遥感成尽管大气对它也有一定的吸收和散射作用，它仍是遥感成像所使用的主要波段之一像所使用的主要波段之一在此波段大部分地物都具有良好的亮度反差特性，不同地在此波段大部分地物都具有良好的亮度反差特性，不同地物在此波段的图象易于区分物在此波段的图象易于区分192 2、遥感常用的电磁波波段的特性、遥感常用的电磁波波段的特性红外波段红外波段0.761000m遥感中主要利用遥感中主要利用315m波段，更多的是利用波段，更多的是利用35m和和814m红外遥感是采用热感应方式探测地物本身的辐射（如热污红外遥感是采用热感应方式探测地物本身的辐射（如热污染、火山、森林火灾等），可进行染、火山、森林火灾等），可进行全天时遥感全天时遥感202 2、遥感常用的电磁波波段的特性、遥感常用的电磁波波段的特性微波波段微波波段1mm1m，分为：毫米波、厘米波和分米波，分为：毫米波、厘米波和分米波微波辐射和红外辐射都具有热辐射性质。由于微波的波长比微波辐射和红外辐射都具有热辐射性质。由于微波的波长比可见光、红外线要长，能穿透云、雾而不受天气影响，能进可见光、红外线要长，能穿透云、雾而不受天气影响，能进行行全天时全天候的遥感探测全天时全天候的遥感探测微波遥感可采用主动或被动方式成像微波遥感可采用主动或被动方式成像微波对某些物质还具有一定的穿透能力，能直接透过植被、微波对某些物质还具有一定的穿透能力，能直接透过植被、冰雪、土壤等表层覆盖物冰雪、土壤等表层覆盖物212 2、遥感常用的电磁波波段的特性、遥感常用的电磁波波段的特性紫外线波段紫外线波段0.010.4m，太阳辐射含有紫外线，只有，太阳辐射含有紫外线，只有0.3-0.4m波波长的紫外线部分能够穿过大气层，且能量很小长的紫外线部分能够穿过大气层，且能量很小主要用于主要用于探测碳酸盐岩的分布和油污染的监测探测碳酸盐岩的分布和油污染的监测。碳酸盐岩。碳酸盐岩在在0.4m以下的短波区域对紫外线的反射比其它类型的岩以下的短波区域对紫外线的反射比其它类型的岩石强。水面漂浮的油膜比周围水面反射的紫外线要强烈石强。水面漂浮的油膜比周围水面反射的紫外线要强烈由于大气层中臭氧对紫外线的强烈吸收和散射作用，通常由于大气层中臭氧对紫外线的强烈吸收和散射作用，通常探测高度在探测高度在2000米以下米以下22第一节第一节 电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱电磁波及其特性电磁波及其特性电磁波谱电磁波谱电磁辐射的度量电磁辐射的度量黑体辐射黑体辐射23三、电磁辐射的度量三、电磁辐射的度量辐射源任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐射，任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射也能够向外辐射分类：分类：太阳辐射源太阳辐射源：可见光及近红外遥感的主要辐射源：可见光及近红外遥感的主要辐射源地球辐射源地球辐射源：远红外遥感的主要辐射源：远红外遥感的主要辐射源人工辐射源人工辐射源：人为发射的具有一定波长的波束；主动遥感采用：人为发射的具有一定波长的波束；主动遥感采用人工辐射源，目前较常用的人工辐射源为微波辐射源和激光辐人工辐射源，目前较常用的人工辐射源为微波辐射源和激光辐射源射源24电磁辐射度量辐射能量（辐射能量（W）辐射通量（辐射通量（）辐射通量密度（辐射通量密度（E）辐照度（辐照度（I）辐射出射度（辐射出射度（M）辐射亮度（辐射亮度（L）25电磁辐射度量辐射能量：电磁辐射的能量，单位为焦耳（辐射能量：电磁辐射的能量，单位为焦耳（J）辐射通量辐射通量：单位时间单位时间内通过内通过某一面积某一面积的辐射能量，单的辐射能量，单位是瓦（位是瓦（W），表示为：），表示为：=d/dt辐射通量密度辐射通量密度（E）：）：单位时间单位时间内通过内通过单位面积单位面积的辐射能的辐射能量，单位：量，单位：W/m2，表示为：，表示为：E=d /dS26电磁辐射度量辐照度辐照度I：被辐射物体单位面积被辐射物体单位面积上所上所接收接收的辐射通量，的辐射通量，单位：单位：W/m2，表示为，表示为I=d/dS 27电磁辐射度量辐射出射度辐射出射度M：辐射源物体辐射源物体表面表面单位面积单位面积上上辐射出辐射出的的辐射通量，单位辐射通量，单位W/m2，表示为，表示为M=d/dS 28电磁辐射度量辐射亮度辐射亮度L：用来确定面辐射源的辐射强度，具有方向性，：用来确定面辐射源的辐射强度，具有方向性，指辐射源在指辐射源在某一方向某一方向的的单位投影表面单位投影表面在在单位立体角单位立体角内的内的辐辐射通量射通量，单位：，单位：W/（srm2），表示为：），表示为：29电磁辐射度量辐射亮度辐射亮度L通常情况下，面元的辐射亮度通常情况下，面元的辐射亮度L(L()随观测的角度随观测的角度而改变而改变当某一辐射源的当某一辐射源的L L()与与无关时，这种辐射源被称为朗伯无关时，这种辐射源被称为朗伯（LambertLambert）源）源严格地说，只有严格地说，只有绝对黑体绝对黑体（Black bodyBlack body）才是朗伯源）才是朗伯源30第一节第一节 电磁波与电磁波谱电磁波与电磁波谱电磁波及其特性电磁波及其特性电磁波谱电磁波谱电磁辐射的度量电磁辐射的度量黑体辐射黑体辐射31四、黑体辐射绝对黑体对于任何波长的电磁波都全部吸收对于任何波长的电磁波都全部吸收恒星和太阳的辐射接近黑体辐射恒星和太阳的辐射接近黑体辐射电磁波入射到一个不透明的物体上，在物体上只出现对电磁波的反射现象和电磁波入射到一个不透明的物体上，在物体上只出现对电磁波的反射现象和吸收想象时，这个物体的光谱吸收系数吸收想象时，这个物体的光谱吸收系数与光谱反射系数与光谱反射系数之和恒等于之和恒等于1 1黑体辐射规律普朗克公式普朗克公式斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律维恩位移定律维恩位移定律实际物体的辐射地物的发射率地物的发射率基尔霍夫定律基尔霍夫定律32黑体辐射规律普郎克公式c：真空中的光速k：玻尔兹曼常数，K=1.3810-23J/Kh:普朗克常数,h=6.6310-34JsM(,T):辐射出射度33斯忒藩-玻尔兹曼定律：斯忒藩-玻尔兹曼常数，=5.6710-8Wm-2K-4斯忒藩-玻尔兹曼定律（揭示能量与温度的关系）1、绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比2、温度越高辐射出射度越高34维恩位移定律b为常数,b=2.89810-3mK维恩位移定律（揭示温度和波长的关系）1、当物体温度一定时，物体在某波长上的辐射量最大2、随着物体温度升高，物体辐射量最大的电磁波波长向短波方向移动3、如果辐射最大值落在可见光波段，物体的颜色会随着温度的升高而变化：波长逐渐变短，颜色由红色逐渐变蓝35绝对黑体温度与最大辐射所对应波长的关系根据维恩位移定律计算不同温度绝对黑体的最大辐射所对应的波长根据维恩位移定律计算不同温度绝对黑体的最大辐射所对应的波长自然界一般物体不是黑体自然界一般物体不是黑体,但在某一确定温度但在某一确定温度T T时时,物体最强辐射所对应物体最强辐射所对应的波长也可用维恩位移公式进行近似计算的波长也可用维恩位移公式进行近似计算36实际物体的辐射自然界中黑体辐射是不存在的，一般地物辐射能量总要比黑体辐射能量小。如果利用黑体辐射有关公式，则需要增加一个因子，那就是发射率（比辐射率）发射率：指地物的辐射出射度（即地物单位面积发出的辐射总通量）M与同温度的黑体辐射出射度（即黑体单位面积发出的辐射总通量）M黑的比值37实际物体的辐射基尔霍夫定律给定温度下，任何地物的辐射出射度给定温度下，任何地物的辐射出射度M与吸收率与吸收率之比是之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射出射度常数，即等于同温度下黑体的辐射出射度M黑黑38第二节第二节 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射太阳辐射大气的成分和结构大气的成分和结构大气对太阳辐射的影响大气对太阳辐射的影响大气窗口大气窗口环境对地物光谱特性的影响环境对地物光谱特性的影响391 太阳辐射太阳辐射是地球上生物、地球大气运动的能源，也是被动式遥感系统中遥感器接收信息的主要来源太阳辐射太阳辐射太阳辐射太阳辐射是可见光和近红外遥感的主要辐射源是可见光和近红外遥感的主要辐射源（1 1）太阳常数：）太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量：单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量：I=1.360*103 W/m2 太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量401 太阳辐射（2 2）太阳辐射的光谱）太阳辐射的光谱）太阳辐射的光谱）太阳辐射的光谱41太阳辐射各波段的百分比42从太阳辐照度分布曲线可以看出：从太阳辐照度分布曲线可以看出：太阳辐射的光谱是连续的它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本一致 从近紫外到中红外（0.3-6m）这一波段区间能量最集中而且相对来说较稳定；被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射 大气对太阳辐射的吸收是有选择性的432 大气的成分和结构大气成分大气成分大气的传输特性：大气对电磁波的吸收、散射和透射的特性。这种特性与波长和大气的成分有关大气的成分：多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成，大气成分主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢（这些气体在80km以下的相对比例保持不变，称不变成分不变成分）臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟（这些成分的含量随高度、温度、位置而变，称为可变成可变成分分）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44大气结构大气结构地球大气层包围着地球，大气层没有一个确切的界限，地球大气层包围着地球，大气层没有一个确切的界限，它的厚度一般取它的厚度一般取1000公里公里大气在垂直方向上可分为：大气在垂直方向上可分为：对流层对流层平流层平流层电离层电离层大气外层大气外层45大气垂直分层463 大气对太阳辐射的影响太阳辐射的衰减过程太阳辐射的衰减过程：30%30%被云层反射回；被云层反射回；17%17%被大气被大气吸收；吸收；22%22%被大气散射；被大气散射；31%31%到达地面到达地面473 大气对太阳辐射的影响大气吸收大气吸收大气散射大气散射大气窗口大气窗口大气衰减大气衰减大气纠正大气纠正48大气组分的吸收光谱大气吸收 49大气吸收 O O3 3：主要集中于：主要集中于2030km2030km高度的平流层高度的平流层它是由高能的紫外辐射与大气中的氧分子它是由高能的紫外辐射与大气中的氧分子(0(02 2)相互作用生成的相互作用生成的O O3 3对太阳辐射的吸收带：对太阳辐射的吸收带：O3在紫外(0.220.32 m)有个很强的吸收带在0.6m附近有一宽的弱吸收带在远红外9.6 m附近也有个强吸收带50C0C02 2：主要分布于低层大气，其在大气中的含量仅占：主要分布于低层大气，其在大气中的含量仅占0.030.03左右，左右，人类的活动使之含量有所增加人类的活动使之含量有所增加C0C02 2在中在中远红外区段远红外区段(2.8(2.8、4.34.3、14.514.5 m m附近附近)均有强吸收带均有强吸收带其中最强的吸收带出现在其中最强的吸收带出现在13-17.5 13-17.5 m m的远红外段的远红外段 51H H2 20 0：这里不包括固态水中的水滴。水汽一般出现在低空。它的含：这里不包括固态水中的水滴。水汽一般出现在低空。它的含量随时间、地点的变化很大量随时间、地点的变化很大(约从约从0.13%)0.13%)，而且水汽的吸收辐射，而且水汽的吸收辐射是所有其它大气组分的吸收辐射的几倍是所有其它大气组分的吸收辐射的几倍水的吸收带：水的吸收带：两个宽的强吸收带:2.53.0um和57um两个窄的强吸收带：波长为1.38um、1.86um一个弱的窄吸收带：0.71.23um52大气散射(Scattering)散射散射电磁辐射在非均匀媒质或各向异性媒质中传播时，电磁辐射在非均匀媒质或各向异性媒质中传播时，改变原来传播方向的现象。大气散射是电磁辐射能受到大气改变原来传播方向的现象。大气散射是电磁辐射能受到大气中微粒中微粒(悬浮粒子及大的分子悬浮粒子及大的分子大气分子或气溶胶等大气分子或气溶胶等)的影的影响，而改变传播方向的现象。其散射强度依赖于微粒大小、响，而改变传播方向的现象。其散射强度依赖于微粒大小、微粒含量、辐射波长和能量传播穿过大气的厚度微粒含量、辐射波长和能量传播穿过大气的厚度 53大气散射 541、选择性散射散射强度与波长有关 1)1)瑞利散射瑞利散射(RayleighRayleigh)当引起散射的大气粒子直径远小于入射电磁当引起散射的大气粒子直径远小于入射电磁波波长波波长(d(d）时，出现瑞利散射。大气中的气体分子）时，出现瑞利散射。大气中的气体分子0 02 2、N N2 2等对可等对可见光的散射属此类。它的散射强度与波长的见光的散射属此类。它的散射强度与波长的4 4次方成反比。波长越短、次方成反比。波长越短、散射越强，且前向散射与后向散射强度相同。瑞利散射多在散射越强，且前向散射与后向散射强度相同。瑞利散射多在910km910km的的晴朗高空发生。晴朗高空发生。“蓝天蓝天”正是瑞利散射的一种表现正是瑞利散射的一种表现 55瑞利散射理论图解56 2)米氏散射米氏散射(MieMie)当引起散射的大气粒子的直径近于等于当引起散射的大气粒子的直径近于等于入射波长入射波长(d)(d)时，出现米氏散射。大气中的悬浮微粒时，出现米氏散射。大气中的悬浮微粒水滴，尘埃、水滴，尘埃、烟、花粉、微生物、海上盐粒、火山灰等气溶胶的散射属此类。烟、花粉、微生物、海上盐粒、火山灰等气溶胶的散射属此类。其前向散射大于后向散射。米氏散射多在大气低层其前向散射大于后向散射。米氏散射多在大气低层 05km05km，其强，其强度受气候影响较大度受气候影响较大 572、无选择性散射散射强度与波长无关 当引起散射的大气粒子的直径远大于入射波长当引起散射的大气粒子的直径远大于入射波长(d(d)时，出现无选择时，出现无选择性散射。其散射强度与波长无关。大气中水滴、尘埃的散射属此类。它性散射。其散射强度与波长无关。大气中水滴、尘埃的散射属此类。它们一股直径们一股直径51005100 m m，并大约同等的散射所有可见光、近红外波段。，并大约同等的散射所有可见光、近红外波段。正因为此类散射对所有可见光区段兰、绿、红光的散射是等量的，因而，正因为此类散射对所有可见光区段兰、绿、红光的散射是等量的，因而，我们观察云、雾呈白色、灰白色我们观察云、雾呈白色、灰白色 58散射对遥感数据传输的影响极大。大气散射降低了太阳光直射的强度，散射对遥感数据传输的影响极大。大气散射降低了太阳光直射的强度，改变了太阳辐射的方向，削弱了到达地面或地面向外的辐射，产生了天改变了太阳辐射的方向，削弱了到达地面或地面向外的辐射，产生了天空散射光，增强了地面的辐照和大气层本身的空散射光，增强了地面的辐照和大气层本身的“亮度亮度”。它是造成遥感。它是造成遥感图像辐射畸变、图像模糊的主要原因。散射使地面阴影呈现暗色而不是图像辐射畸变、图像模糊的主要原因。散射使地面阴影呈现暗色而不是黑色，使人们有可能在阴影处得到物体的部分信息。此外，散射使暗色黑色，使人们有可能在阴影处得到物体的部分信息。此外，散射使暗色物体表现得比它自身的要亮，使亮物体表现得比它自身的要暗。因此，物体表现得比它自身的要亮，使亮物体表现得比它自身的要暗。因此，它降低了遥感影像的反差它降低了遥感影像的反差(对比度对比度)，降低了图像的质量，降低了图像的质量(清晰度清晰度)以及图以及图像上空间信息的详度，因此，摄影像机等遥感仪器多利用特制的滤光片，像上空间信息的详度，因此，摄影像机等遥感仪器多利用特制的滤光片，阻止兰紫光透过以消除或减少图像模糊，提高影像的灵敏度和清晰度。阻止兰紫光透过以消除或减少图像模糊，提高影像的灵敏度和清晰度。59三、大气窗口大气窗口大气窗口大气的衰减作用相对较轻、透射率较高、能量大气的衰减作用相对较轻、透射率较高、能量较易通过的电磁波段。较易通过的电磁波段。只只有有位位于于大大气气窗窗口口的的波波段段才才能能被被用用于于生生成成遥遥感感图图像像在在VISVISIRIR区区段段，常常用用的的大大气气窗窗口口有有：0.30.31.31.3 m m、1.51.51.8 1.8 m m、2.02.02.6 2.6 m m、3.0-4.2 3.0-4.2 m m、4.34.35.0 5.0 m m、8 814 14 m m。在在微微波波区区段段，主主要要采采用用的的大大气气窗窗口口为为8mm8mm附附近近和和频频率率低低于于20GHz20GHz的波段。的波段。60大气窗口大气窗口61四、大气衰减(attenuation)电磁波在大气中传播时，因大气的反射、吸收和散射作用使电磁波在大气中传播时，因大气的反射、吸收和散射作用使强度减弱，即被大气衰减。由此而引起的光线强度的衰减叫强度减弱，即被大气衰减。由此而引起的光线强度的衰减叫消光。在可见光波段，吸收作用小消光。在可见光波段，吸收作用小(仅仅3%)3%)，消光主要是由散，消光主要是由散射引起的射引起的 62五、大气纠正大气纠正大气纠正消除这些大气效应消除这些大气效应(反射、吸收和散射等反射、吸收和散射等)的处的处理理 研研究究大大气气效效应应所所用用的的大大多多数数参参数数均均与与波波长长、时时间间、地地点点、大大气气条条件件、大大气气层层厚厚度度、太太阳阳高高度度角角、观观察察角角度度等等有有关关。其其中中，大大气气参参数数的的随随机机性性，给给大大气气参参数数的的精精确确测测定定与与计计算算增增加加了了难难度度。特特别别是是(对对大大气气散散射射起起决决定定作作用用的的)气气溶溶胶胶和和(对对大大气气吸吸收收起起重重要要作作用用)水水汽汽。在在无无云云的的天天气气条条件件下下，它它们们是是对对VISVISIRIR辐辐射射传传输输影影响响最最大大、时时空空变变化化最最大大，并并难难以以确确定定的的两两个个介介质。质。63目前，多运用气象卫星目前，多运用气象卫星NOAA/AVHRRNOAA/AVHRR数据及同时获得的数据及同时获得的大气垂直探测器大气垂直探测器TOVSTOVS数据来获得完全同步的大气参数，数据来获得完全同步的大气参数，如大气水汽含量、温度、气压的垂直分布等；或用不如大气水汽含量、温度、气压的垂直分布等；或用不同的标准大气模型、气溶胶模型；或通过地面、空中同的标准大气模型、气溶胶模型；或通过地面、空中测量来确定部分大气参数；或通过不同的大气纠正模测量来确定部分大气参数；或通过不同的大气纠正模型求出大气参数。为了提高大气参数的测定精度，还型求出大气参数。为了提高大气参数的测定精度，还发射了一系列专门采集大气参数的传感器发射了一系列专门采集大气参数的传感器 。64（一）大气的吸收作用A.A.氧气：小于氧气：小于0.20.2 mm；0.1550.155为峰为峰值。高空遥感很少使值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。用紫外波段的原因。B.B.臭氧：数量极少，但吸收很强。两个吸收带；对航空臭氧：数量极少，但吸收很强。两个吸收带；对航空遥感影响不大。遥感影响不大。C.C.水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，水对红外遥感有极大的影响。水对红外遥感有极大的影响。D.二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。略不计。65AbsorptionIn contrast to scatter,atmospheric absorption results in the effective loss of energy to atmospheric constituents.This normally involves absorption of energy at a given wavelength.The most efficient absorbers of solar radiation in this regard are:Water VapourCarbon DioxideOzone66Absorption of EM energy by the atmosphere67（二）大气的散射作用 散射作用散射作用：太阳辐射在长波过程中遇到小太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接收；改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。68ScatteringAtmospheric scattering is the unpredictable diffusion of radiation by particles in the atmosphere.Three types of scattering can be distinguished,depending on the relationship between the diameter of the scattering particle(a)and the wavelength of the radiation().69Scattering of EM energy by the atmosphere70Rayleigh Scattera Rayleigh scatter is common when radiation interacts with atmospheric molecules(gas molecules)and other tiny particles(aerosols)that are much smaller in diameter that the wavelength of the interacting radiation.The effect of Rayleigh scatter is inversely proportional to the fourth power of the wavelength.As a result,short wavelengths are more likely to be scattered than long wavelengths.Rayleigh scatter is one of the principal causes of haze in imagery.Visually haze diminishes the crispness or contrast of an image.71Relationship between path length of EM radiation and the level of atmospheric scatter727374Mie Scattera Mie scatter exists when the atmospheric particle diameter is essentially equal to the energy wavelengths being sensed.Water vapour and dust particles are major causes of Mie scatter.This type of scatter tends to influence longer wavelengths than Rayleigh scatter.Although Rayleigh scatter tends to dominate under most atmospheric conditions,Mie scatter is significant in slightly overcast ones.75Non-selective scattera Non-selective scatter is more of a problem,and occurs when the diameter of the particles causing scatter are much larger than the wavelengths being sensed.Water droplets,that commonly have diameters of between 5 and 100 m,can cause such scatter,and can affect all visible and near-to-mid-IR wavelengths equally.Consequently,this scattering is“non-selective”with respect to wavelength.In the visible wavelengths,equal quantities of blue green and red light are scattered.76Non-Selective scatter of EM radiation by a cloud77三种散射作用1.瑞利散射瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时：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。的散射称为瑞利散射。散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的3030倍，倍，0.40.4微米的蓝光是微米的蓝光是4 4微米红外线散射的微米红外线散射的1 1万倍。万倍。瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很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。小，对微波的影响可以不计。多波段中不使用蓝紫光的原因：多波段中不使用蓝紫光的原因：78颜色颜色红红橙黄橙黄黄黄绿绿青兰青兰紫紫紫外线紫外线波长波长0.70.620.570.530.470.40.3散射率散射率11.62.23.34.95.430.0无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？792.米氏米氏散射散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。气散射。云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视。3.无选择性散射无选择性散射：当微粒的直径比辐射波长大得多时：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，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。任何波段的散射强度相同。水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。云雾为什么通常呈现白色？80结论 1.太阳辐射衰减的原因是什么？太阳辐射衰减的原因是什么？2.在可见光和近红外波段，大气最主要的散射作在可见光和近红外波段，大气最主要的散射作用是什么？用是什么？3.无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？4.朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？5.微波为什么具有极强的穿透云层的作用？微波为什么具有极强的穿透云层的作用？6.为什么在选择遥感工作波段时，要考虑大气层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？的散射和吸收作用？81四、大气窗口1、大气窗口大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收或散射的通过大气而较少被反射、吸收或散射的投射率较高的电磁辐射波段。投射率较高的电磁辐射波段。大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。常见的大气窗口常见的大气窗口：82Atmospheric WindowsSome sensors,especially those on meteorological satellites,seek to directly measure absorption phenomena such as those associated with CO2 and other gaseous molecules.Note that the atmosphere is nearly opaque to EM radiation in the mid and far IRIn the microwave region,by contrast,most of the EM radiation moves through unimpeded-so that radar at commonly used wavelengths will nearly all reach the Earth surface unimpeded-although specific wavelengths are scattered by raindrops.8384五、环境对地物光谱特性的影响1.地物的物理性状地物的物理性状2.光源的辐射强度：光源的辐射强度：纬度与海拔高度纬度与海拔高度3.季节：季节：太阳高度不同太阳高度不同4.探测时间：探测时间：时间不同，反射率不同。时间不同，反射率不同。5.气象条件气象条件85第二节 太阳辐射及大气对辐射的影响