PAGE1遙感原理與方法講義第1章緒論遙感技術是近年來蓬勃發展起來的一門綜合性學科——空間信息科學。它的功能和價值引起了許多學科和部門的重視，特別在資源勘測、環境管理、全球變化、動態監測等方面，顯示了無與倫比的優越性，獲得愈來愈廣泛的應用，是地球科學和資源環境學科開展研究的基本方法，成為信息科學的主要組成部分和重要支撐技術體系。§1.1遙感的基本概念1.1.1遙感概述1遙感概念遙感的英文是“RemoteSensing”，意即“遙遠的感知”，在日本叫“遠隔探知”或“遠隔探查”。其科學含義一般理解為：在遙遠的地方，感測目標物的“信息”，通過對信息的分析研究，確定目標物的屬性及目標物之間的關系。也就是說：不與目標物接觸，憑借其發來的某些信息，識別目標。所以有人將遙感技術作為一種偵察技術。根據遙感的這一概念，人和動物都具有一定的遙感本領。例如人的眼睛識別物體的過程就是一種遙感過程，它是靠物體的色調、亮度、以及物體的形狀，大小等信息，來判定物體的屬性。蝙蝠能發射超聲波，并用接收到的回波來判斷障礙物的距離、方位和屬性。現代遙感技術就是模仿自然界中的遙感現象和過程而產生的。目前，對遙感的較一致定義是：在遠離被測物體或現象的位置上，使用一定的儀器設備，接收、記錄物體或現象反射或發射的電磁波信息，經過對信息的傳輸、加工處理及分析與解譯，對物體及現象的性質及其變化進行探測和識別的理論與技術。2遙感基本過程目標目標物平傳感器臺人工輻射源接收記錄系統地面站數據處理系統分人工目視解譯析解譯計算機解譯反射輻射發射輻射回射輻射人工輻射圖1-1遙感過程與技術系統1.1.2遙感技術系統現代遙感技術一般由四部分組成：遙感平臺、傳感器、遙感數據接收與處理系統、遙感資料分析解譯系統，其中遙感平臺、傳感器和數據接收與處理系統是決定遙感技術應用成敗的三個主要技術因素，遙感分析應用工作者必須對它們有所了解和掌握。1遙感平臺(Platform,Cassies)在遙感中搭載遙感儀器的工具稱為平臺或載體，它既是遙感儀器賴以工作的場所，又是遙感中“遙”字的具體表現。平臺的運行特征及其姿態穩定狀況直接影響遙感儀器的性能和遙感資料的質量。目前遙感平臺主要有汽車、飛機、火箭和衛星等。2傳感器(RemoteSensor)在遙感中，收集、記錄和傳送遙感信息的裝置稱為傳感器，它是遙感的核心，“感”字的體現。目前應用的傳感器主要有：攝影機、攝像儀、掃描儀、雷達、光譜輻射計、高度計等。平臺和傳感器代表著遙感技術的水平。3遙感數據接收處理系統為了接收從遙感平臺傳送來的圖像膠片和數字磁帶數據，必須建立地面接收站。地面接收站是由地面數據接收和記錄系統(TRRS)，圖像數據處理系統(IDPS)兩個部分所組成的，地面數據接收和記錄系統的大型拋物天線，能夠接收遙感平臺發回的數據，這些數據是以電信號的形式傳來的，經檢波后，被記錄在視頻磁帶上。然后把這些視頻磁帶，數據磁帶或其它形式的圖像資料等，送往圖像數據處理機構。圖像處理機構的任務是將數據接收和記錄系統記錄在磁帶上的視頻圖像信息和數據，進行加工處理和貯存。最后根據用戶的要求，制成一定規格的圖像膠片和數據產品，作為商品提供給用戶。4分析解譯系統用戶得到的遙感資料，是經過預處理的圖像膠片或數據，然后再根據各自的應用目的，對這些資料進行分析、研究、判斷解釋，從中提取有用信息，并將其翻譯成為我們所用的文字資料或圖件，這一工作稱為“解譯”。目前，解譯已經形成一套技術系統。①常規目視解譯技術所謂常規目視解譯是指人們用手持放大鏡或立體鏡等簡單工具，憑借解譯人員的經驗，來識別目標物的性質和變化規律的方法。由于目視解釋不需要特殊儀器，簡單方便，在野外和室內都可進行。既能獲得一定的效果，還可驗證儀器方法的準確程度，所以它是一種最基本的解譯方法。但是，目視解譯既受解譯人員專業水平和經驗的影響，也受眼睛視覺功能的限制，并且速度慢，不夠精確。②電子計算機解譯技術電子計算機解譯是20世紀末發展起來的一種解譯方法，它利用電子計算機對遙感影像數據進行分析處理，提取有用信息，進而對待判目標實行自動識別和分類。該技術既快速準確，又能直接得到解譯結果，是遙感分析解譯的發展方向。1.1.3遙感的分類自從遙感問世以來，由于其應用領域廣，涉及學科多，各界學者所站的立場不同，所以對遙感的提法很不統一，諸如航空與航天遙感，主動與被動遙感，紅外與多光譜遙感，農業、地質遙感等。追其原因主要是各人對遙感分類所持根據不同。1根據遙感平臺的分類遙感技術根據所使用的平臺不同，可分為四種：①地面遙感平臺與地面接觸，對地面、地下或水下所進行的遙感和測試，常用平臺為汽車、船艦、三角架、塔等。地面遙感是遙感的基礎。②航空遙感平臺為飛機或氣球，是從空中對地面目標的遙感。它的特點是靈活性大，圖像清晰，分辨力高，并且歷史悠久，形成了較完整的理論和應用體系。它還可進行各種遙感試驗和校正工作。③航天遙感以衛星、火箭和航天飛機為平臺，從外層空間對地球目標物所進行的遙感。它是七十年代發展起來的一種現代遙感技術。其特點是數百公里的高度上，對大范圍地區成像，系統收集地表及其周圍環境的各種信息，便于宏觀地研究各種自然現象和規律；能對同一地區周期性地重復成像，發現和掌握自然界的動態變化和運動規律；能迅速地獲得所覆蓋地區的各種自然現象的最新資料；不受沙漠、冰雪、高山、海洋和國界等現象和條件的限制，對任何地區都能成像。④航宇遙感利用人造行星，對地球以外的星球所進行的遙感，目前剛剛開始試驗。2根據電磁波譜的分類根據傳感器所接收的電磁波譜，遙感技術可分為五種：①可見光遙感只收集與記錄目標物反射的可見光輻射能量，所用傳感器有攝影機、掃描儀、攝像儀等。②紅外遙感收集與記錄目標物發射或反射的紅外輻射能量，所用傳感器有攝影機、掃描儀等。③微波遙感收集與高錄目標物發射或反射的微波能量，所用傳感器有微波掃描儀，微波輻射計、雷達、高度計等。④多光譜遙感把目標物輻射來的電磁輻射分割成若干個窄的光譜帶，然后同步探測，同時得到一個目標物不同波段的多幅圖像。現在使用的多光譜遙感傳感器有多光譜攝影機、多光譜掃描儀和反束光導管攝像儀等。⑤紫外遙感收集與記錄目標物的紫外輻射能，目前還在探索階段。3根據電磁輻射能源的分類根據傳感器所接收的能量來源，可把遙感技術分為主動和被動遙感兩種：①被動遙感指不利用人工輻射源，而是直接接收與記錄目標物反射的太陽輻射或者目標物本身發射的熱輻射遙感。其中目標物反射的電磁波來源不在目標物本身，而是太陽，所以也有人將這種遙感方式稱他動遙感。②主動遙感是指使用人工輻射源從平臺上先向目標發射電磁輻射，然后接收和記錄目標物反射或散射回來的電磁波的遙感。如雷達、閃光攝影等屬此。另有人主張不管主動還是被動式，只要不和待測物體接觸都屬遙感，而與待測物體接觸，測得的結果經通信系統傳遞到遠處為人們所知的則稱遙測；也有人認為多數遙感屬被動式，可將其簡稱為遙感，而把主動遙感稱為遙測。4根據應用目的的分類根據用戶的具體應用情況，可將遙感分為地質遙感、農業遙感、林業遙感、水利遙感、環境遙感等。5根據遙感資料的顯示形式，獲得方式和波長范圍的分類根據遙感資料的顯示形式，獲得方式和波長范圍等綜合指標，遙感技術可分成以下類型體系：圖像方式遙感和非圖像方式遙感。圖像方式遙感寬波段攝影雷達固體自掃描圖像方式遙感寬波段攝影雷達固體自掃描光機掃描電子掃描光學攝影主動式遙感被動式遙感多光譜攝影窄波段攝影寬波段攝像多光譜攝像窄波段攝像寬波段掃描多光譜掃描窄波段掃描微波雷達激光雷達寬波段電荷耦合攝像多光譜電荷耦合攝像窄波段電荷耦合攝像圖1-2圖像方式遙感分類②非圖像方式遙感非圖像方式遙感是記錄目標物發射或反射的電磁輻射的各種物理參數，最后資料為數據或曲線圖，主要包括以下方式：光譜輻射計、散射計、高度計等。§1.2遙感技術的形成與發展1.2.1遙感發展歷史任何一門科學和技術，在其整個形成與發展過程中，總是和時代的發展和要求相一致，不可能超越時代，遙感技術當然也不例外。它的形成是與空間科學、傳感技術、信息科學、宇航技術、通訊技術以及電子計算機技術的發展相聯系，與軍事偵察、環境監測、資源開發利用和全球變化的需要相適應的。20世紀50年代以來，隨著科學技術的發展，在普通照相機和飛機的基礎上，一些新的信息探測系統相繼出現。人類觀測電磁輻射的能力從可見光擴展到了紫外、紅外、微波等，對目標物信息的收集方式從攝影到非攝影；資料由像片到數據(非圖像)；平臺由汽車、飛機發展到了衛星、火箭；應用研究從軍事、測繪領域擴展到了農、林、水、氣象、地質、地理、環境和工程等部門。這就需要引進一個新的術語，以便概括這種信息探測系統及其過程。1960年美國學者伊林·Ｌ·布魯伊特(Evelyn.L.Pruitt)提出“遙感”這一科學術語，1962年在美國密執安大學召開的《國際環境科學遙感討論會》上，這一名詞被正式通過，從此就標志著遙感這門新學科的形成。但是，在遙感一詞出現以前，就已產生了遙感技術。發展至今，大體經歷了三個階段：常規航空攝影階段、航空遙感階段和航天遙感階段。1常規航空攝影階段(20世紀30年代以前)根據遙感的概念，1826年攝影技術的發明就標志著遙感技術的誕生。但在1839年以前主要是進行地面攝影。1858年法國人Ｇ·Ｆ·圖納喬（Tournachon）用系留氣球攝取了巴黎的“鳥瞰”像片，1859年Ｊ.Ｗ.布萊克(Black)乘氣球在空中拍攝了波士頓的像片。此時所用的平臺為氣球、風箏、鴿子等，影像質量也較差。1903年W·萊特(Wright)和O·萊特(Wright)發明了飛機，為航空攝影創造了條件，1903年4月24日意大利人威爾伯·賴特駕駛的飛機拍攝了第一張航空像片，1913年根據攝影像片制作了地形圖并研制出了立體制圖儀，1915年開始生產航攝相機。20世紀20年代以來許多攝影測量儀器相繼出現，如蔡斯的精密立體測圖儀、多倍儀，1924年產生了彩色膠片，航空攝影正式問世。初期，航空攝影主要用于攝影測量和軍事，后來資料應用逐漸向民用部門發展，像片判讀技術開始出現并得到迅速的發展，關于攝影測量和判讀技術方面的書刊也陸續出版。2航空遙感階段(20世紀30年代－60年代)20世紀30年代起，航空像片除用于軍事外，被廣泛應用于地學領域中，以認識地理環境和編制各種專題地圖。1930年美國開始進行全國航測，編制中小比例尺地形圖和為農業服務的大比例尺專題地圖。其后，西歐、蘇聯等也開始了全國性的航測，與此相應的航測理論和技術都有了迅速發展。1931年出現了感紅外的航攝膠片，首次獲得了目標物的不可見信息，1937年進行了首次彩色航攝，生產出假彩色紅外膠片，并探索進行多光譜和紫外航空攝影。第二次世界大戰期間開始應用雷達和紅外探測技術，到了50年代，非攝影成像的掃描技術和側視雷達技術開始產生并應用，打破了用膠片所能響應的波段范圍限制，使遙感技術發展到了航空遙感階段。隨著探測技術的進步，培養專業人員和進行理論研究的工作也得到了相應的發展。1941年A·J·厄德萊（Eardey）的《航空像片：應用與判讀》，J·W·巴格萊（Bagley）的《航空攝影與航空測量》等著作出版；美國于1949年在大學中開始開設航攝和像片判讀課程，1949年國際地理學會設立了航片應用委員會，1945年美國就創刊出版了《攝影測量工程學》雜志，1975年改名為《攝影測量工程和遙感》。自從航空遙感問世以來，在國民經濟的各個領域，尤其是環境科學、地質學、地理學、農學、林學以及軍事偵察方面的應用，取得了很大的成績，成為對自然資源考察和研究的一個重要手段和基本工具。但是，航空遙感在探測距離上不是很遠，傳感器覆蓋的面積小，取得資料速度慢且數量少，這就促使遙感技術向前發展。3航天遙感階段(20世紀60年代以來)隨著空間技術的發展，1957年蘇聯發射了世界上第一顆人造地球衛星，從此，遙感平臺從飛機發展到了衛星和飛船。20世紀60年代初，美國從“云雨”(Nimbus)、“泰羅斯”(Tiros)等氣象衛星和雙子星座(Glimni)、阿波羅(Apllo)飛船上，拍攝了地面像片。后來發射了陸地衛星、氣象衛星、海洋衛星等。同時，在傳感器方面，繼紅外片后，多光譜相機，多波段掃描儀，微波輻射計，合成孔徑側視雷達，電視攝象儀等新型傳感器陸續問世，使得遙感技術由航空遙感發展到了航天遙感階段。在獲得遙感資料的技術迅速發展的同時，遙感資料的分辨率和精度也不斷提高，遙感圖像的分析解譯與資料處理技術也取得了飛躍的進步，遙感理論的研究獲得了重大成就，培養遙感專業人材的工作也得到了迅速發展，資料被廣泛地應用于各個領域，并取得了顯著成就，國際交流也日益增多。1.2.2中國遙感技術發展概況20世紀30年代，我國在極少數城市進行過航空攝影，系統的遙感技術發展起始于20世紀50年代初期，主要是引進常規航空攝影技術，進行了大面積航空攝影，并開始航測成圖和航空像片的綜合利用(主要是進行自然資源勘測)，到了60年代航空攝影與航空像片的應用已形成了一套完整的體系。70年代以來，隨著國際遙感技術的飛速發展，我國開始引進和研究現代遙感技術，一方面是從國外購進一批陸地衛星影像和少量儀器設備，開展圖像的解譯應用工作；另一方面積極開展我國自己的遙感研究工作，多次發射和回收地球衛星，開展不同自然地理區域的航空遙感試驗和地物波譜測試工作，研制成功了多光譜相機、多光譜掃描儀、紅外掃描儀、微波輻射計、激光測高儀、合成孔徑側視雷達等各種類型的傳感器、彩色合成儀和密度分割儀，數字圖像處理系統也研制成功；并建立了地面接收站和發射了資源衛星(科學探測與技術試驗衛星、氣象衛星、地球資源衛星等)。在遙感理論研究和人材培養上，中國科學院、高等院校和一些應用部門陸續成立了遙感研究、教育機構，從事理論研究和應用工作，設置了專門培養遙感技術人才的遙感專業和學科，許多專業開設了遙感課程，國家成立了空間科學技術委員會和遙感技術中心，組織、領導和協調全國的遙感工作，積極開展與國外的技術與人才交流。1.2.3遙感技術發展趨勢目前，世界范圍內遙感技術的發展趨勢表現在以下幾方面：①進行地面、航空、航天的多層次綜合遙感，建立地球環境衛星觀測網絡，系統地獲取地球表面不同分辨力的遙感圖像數據。②傳感器向電磁波譜全波段覆蓋，立體遙感，器件固體化、小型化，高分辨力，高靈敏度與高光譜方向發展。③遙感圖像信息處理已實現光學——電子計算機混合處理及實時處理，圖像處理與地學數據庫結合，建立遙感信息系統，引進人工神經網絡、小波變換、分形技術、模糊分類與專家系統等技術和理論，進行自動分類與模式識別。④加強地物波譜形成機制與遙感信息傳輸理論進行研究，建立地物波譜與影像特征的關系模型，實現遙感分析解譯的定量化和精確化。⑤遙感(RemoteSensing,簡稱RS)、地理信息系統(GeographicInformationSystem,簡稱GIS)與全球定位系統(GlobalPositioningSystem,簡稱GPS)相互依存，共同發展，構成一體化的技術體系，被廣泛地應用于資源開發利用、環境治理評估、區域發展規劃、市政工程建設和交通安全管理等領域，成為資源環境、地球科學、測繪勘探、農林和水利部門開展工作的重要技術方法和輔助決策手段。§1.3遙感技術應用簡介遙感是一門綜合性很強的空間技術科學，同時也是應用領域很廣泛的應用科學。目前，它已經應用到幾十個部門，取得了良好的成績。現僅從以下幾方面作一簡單介紹。1.3.1在軍事方面的應用遙感技術最先是從軍事上發展起來的，現在有許多技術方法和儀器設備還處在領先地位，不向民用部門推廣。它在軍事上的作用，在于可以進行立體偵察，及時地獲取敵區的情報。如：①利用紅外遙感識別偽裝第二次世界大戰期間，英國利用紅外彩色航攝，探出了德國在法阿拉斯北部Ｖ－１武器制造基地，而用黑白航空攝影進行過兩個星期的重點偵察，均未發現目標。用機載紅外掃描儀，側視雷達可進行全天時、全天候偵察。②軍事偵察偵察衛星不侵犯領空，范圍廣，速度快，它占衛星總數的80％。分辨力過去較低，現在正逐步提高，由第一代的3－6ｍ，到第四代的0.3ｍ(大鵬(鳥)偵察衛星)。現在正向全天候、高分辨率實時傳輸發展。1.3.2在地學方面的應用遙感為地質、地理、環境科學等方面的勘測提供了新的手段和最新資料，為地球宏觀規律的研究，地球環境的監測和評價，自然資源的開發利用創造了有利條件。1地質方面①地質構造對線狀特征和圓形構造(環狀斷裂)判讀效果相當好，如在非洲撒哈拉沙漠發現2500km的斷裂帶，陜北環狀斷裂，秦嶺北麓的線型形跡和洪積扇群。②巖石由于不同巖石的反射和發射譜波不同，因此在同一波段的圖像上，不同巖石的影像會產生不同的色調和密度，據此可鑒定巖石種類。③礦床勘探主要是根據礦床成因類型間接進行，利用霧狀異常圖像尋找石油，在沉積盆地環境中，只要有構造圈閉、含油褶皺基底的脆弱帶等部位就可能發現石油的所在。如在安納達盆地，發現霧狀異常76處，其中59處與現有油氣田相符。利用溫度異常勘探煤礦、銅礦、地熱資源，如在巴基斯坦境內找到一銅礦在斷層裂隙交接帶處，在斷層及裂隙交接帶處尋找內生金屬礦床，利用現代沉積找砂礦。2海洋方面利用遙感可測定海岸地形、淺海海底地貌、海流邊界、方向、流速、海面溫度、浮游生物區和生物量、鹽分、水質等。3水文方面①水資源利用紅外攝影，發現雨水滲入地下，經過透水層流入海洋，由于海水溫度高于地下水的溫度，在像片上發現色調較深的地下水流入色調較淺的海水之中。如在夏威夷群島附近淺海中找到200多處淡水。②湖泊在南美發現了320個新的干鹽湖和咸水湖，對原來86個的邊界作了修改，并在86個地方畫出了湖泊和季節潛水區。我國青藏高原，經過30多年的考察，有500多個湖泊，應用衛星影像又發現了300多個新的湖泊，對原有的許多位置、大小作了改正，并能劃出一些咸、淡水湖。另外可反映水質、水深、泥沙等。③河流利用遙感可查清大江、大河的源頭，水流的特點，泥沙狀況，河流變遷等；進行旱澇災害監測、調查、預報與評價，調洪管理；利用不同年份的遙感影像，對比研究河流、湖泊、水庫的演變過程和規律。④冰雪利用衛星影像可測出雪蓋面積，分布范圍，雪線高度；分析冰川的進退，動態；監測海冰運動。1.3.3在環境方面的應用①水污染利用紅外遙感，可以區分出正常水和污染水，并能確定出其范圍，測定水溫、密度和追溯污染源。②大氣污染利用紅外、微波，可獲得大氣的成分、溫度、濕度、密度等資料。③地表污染通過遙感，可以監測到某些污染物所引起的生態環境的變化，如植被、土地、地下水受污染情況。④地震利用遙感隨時監視斷裂活動和地面升降，為地震預報提供依據。如美國在1973年利用遙感影像，在我國唐山地區發現幾組地質斷裂線的交會，1976年發生了震驚中外的唐山大地震。⑤火山活動：通過遙感可以收集到放在火山口里的自動記錄儀器記錄的許多有關火山活動的信息，通過分析可作出預報。1.3.4在測繪方面的應用遙感在測繪中的應用開始很早，現在已發展到了應用專門的衛星或衛星上配置專門的測繪傳感器。①制作地形圖航空攝影測量是測制地形圖的主要方法，目前已開始利用航天遙感資料制作地形圖。如亞馬孫流域的熱帶雨林地形圖利用常規測法，需花70億美元，100年才能完成，用側視雷達，不到1年完成了1∶40萬的雷達圖像。喀麥隆用航測，20年完成了9％，側視雷達僅90天就完成。②校正更新現有地圖據有關資料，現有地圖70％資料不足，30％資料陳舊，用常規方法更新需50年。只有利用遙感資料才能快速、準確地校正更新。③制作影像地圖影像地圖是最近發展起來的新圖種，由遙感影像加上了等高線，符號注記形成。所以更形象、逼真、精確，具有信息量豐富，按模型比例尺自然選擇，便于系列成圖和觀察動態變化等優點。如美國完成了1∶100萬全美陸地衛星影像鑲嵌圖，我國完成了1∶250萬中國陸地衛星影像鑲嵌圖。④制作專題地圖遙感影像信息量豐富，現勢性強，各專業都可利用，制作各種專題地圖，具成本低，時間少和質量高的特點。如美國試驗用地面測量、航攝和衛星資料編制1∶100萬～1∶25萬的土地利用圖，每平方公里的費用分別是20美元、６美元和0.4美元。1.3.5在農林方面的應用遙感技術在農林方面的應用很廣泛，有人認為農林是遙感的最大用戶，也是遙感的最大受益者，特別是對一些發展中國家和國土面積較大的國家作用尤為明顯。①資源調查各種資源是人類賴以生存的基礎，所以對其數量和質量進行掌握很必要，目前最好的方法就是遙感。現在主要是制作土地類型圖、利用現狀圖、土壤類型圖，進行森林資源、草場資源和土地資源清查、評價。②資源監測各種資源因自然和人為影響時刻都發生變化，利用遙感可對其進行動態監測。如草場退化、森林減少、土壤沙土和鹽漬化、水土流失等。③作物估產利用遙感資料可確定作物種植面積，識別作物類型判定生長狀況，再根據觀測資料和實地調查，建立模式，確定單產，進行總產預報。有時要作樣方調查，分層抽樣調查等。這種估產對貿易、儲運、加工具有重要意義。④病蟲害監測預報病害蟲是農林生產的大敵，可破壞植物體葉綠素，引起植物體的波譜特性發生變化。它的產生與生態條件有關，利用遙感可以監測到病蟲害的產生和生長環境，進而預報。⑤生產管理根據作物生長過程的遙感影像和作物生長日志，確定作物的長勢和需要水肥情況，適時進行灌溉和施肥，也可發現災情，及時采取防災救災措施。

第2章電磁輻射及物體的波譜特性電磁輻射是遙感的能源，是傳感器與遠距離目標聯系的紐帶。遙感的本質是通過探測器接收物體或現象反射、發射的電磁輻射信息，進而轉變成影像或磁帶。所以我們要應用遙感技術，首先必須了解電磁輻射的基本性質，及其物體的波譜特性。§2.1電磁輻射2.1.1電磁輻射的本質電磁輻射是自然界中以“場”的形式存在的一種物質，現代物理學的研究證明，電磁輻射具有兩重性：波動性與粒子性。也就是說，電磁輻射是一種高速運動的粒子流，在空間的傳播具波動性。1電磁輻射的波動性波是振動在空間的傳播，電磁輻射是振源發出的電磁場在空間的傳播。電磁學理論指出：在空間某區域有變化電場，那么在其鄰近區域內將引起變化磁場；同樣，有變化磁場也會在其鄰近區域內引起變化電場。它們相互激發形成統一的電磁場，變化的電場與磁場的交替產生，使電磁場傳播到很遠的區域。電磁場在空間以一定速度由近及遠的傳播過程，實質上就是電磁輻射，它具有波動的特性，所以又稱為電磁波。圖2-1電磁波—橫波麥克斯韋爾把電磁輻射抽象為一種以速度v在介質中傳播的橫波，振動著的是空間里的電場強度矢量E和磁場強度矢量H，其振動方向垂直于前進方向，如圖2-1，且同一點的E和H相互垂直，變化位相相同。這種關系可用下列方程組表達：(2(2-1)式中ε為介質相對介電常數，μ為相對磁導率，c為真空中的光速。表征波動的主要物理量是波長λ，周期Ｔ，頻率ν、振幅Ａ，波數Ｎ，圓波數k和角頻率ω，以及波速υ，初相位θ，ψ是波函數，這些參數之間的關系為：ν＝,ω＝＝２πν，Ｎ＝(2-2)υ＝＝＝λν，k＝＝２πＮ(2-2)ψ＝Asin[(ωt－kx)＋θ]2電磁輻射的粒子性電磁輻射的波動學說，在解釋電磁輻射的一些現象時，如電磁輻射能在真空中的傳播，光電效應等遇到困難。近代物理學研究證明：電磁輻射本身是一種很小的物質微粒，電磁輻射過程就是具有質量的粒子的運動過程，這種運動在時空上是一種不連續的隨機性運動，它攜帶一定的能量。也就是說，這些微粒不能連續地吸收或發射輻射能，只能不連續地一份份地吸收或發射，這種情況叫做能量的量子化。量子化的最小單位是光子，光子具有一定的能量和動量，而能量與動量都是粒子的屬性，能量分布的量子化是粒子的基本特征。因此，光子也是一種基本粒子。實驗證明，光子的能量與其頻率成正比，即Ｅ＝ｈν(2-3ａ)光子動量與其波長成反比，即Ｐ＝h／λ（2-3ｂ）Ｅ、Ｐ分別為光子的能量和動量，ｈ＝6.625×10－２７爾格?秒，稱為普朗克常數。3波粒二象性的關系電磁輻射的波動性與粒子性是對立統一的，從(2-3ａ)，(2-3ｂ)兩式中可以看出能量Ｅ、動量Ｐ是粒子的屬性，可表征粒子性；而頻率γ，波長λ是波的屬性，可表征波動性，兩者通過普朗克常數ｈ聯系了起來。從波動性來看，電磁輻射在某時空的強度Ⅰ和波振幅的平方成正比，比例常數為1時Ｉ＝｜Ａ｜２(2-4a)從粒子性來看，電磁輻射在某時空的強度Ｉ與該時空粒子出現的幾率成正比，粒子出現的幾率即粒子流密度Ｓ，為單位時間內通過單位截面的粒子數目的多少。Ｉ＝Ｓ(2-4b)將（2-4a）與(2-4b)兩式合并，取比例常數為1時Ｓ＝｜Ａ｜２(2-5)該式直接把粒子密度與波函數的關系統一起來。由上面的論述可看出，電磁輻射具明顯的波—粒二象性，連續的波動性和不連續的粒子性是相互排斥，相互對立的；但兩者又是相互聯系并在一定條件下可以互相轉化的。可以說波是粒子流的統計平均，粒子是波的量子化，在傳播過程中以波動性為主，遵守波動規律，當與物質作用時又以粒子性為主。電磁輻射波長的大小影響波粒二象性的表現，波長較長、能量較小的波動性明顯；波長較短，能量較大的粒子性顯著。2.1.2電磁波譜實驗證明，現在我們所知道的宇宙射線、γ射線、χ射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波、工業用電等都是電磁波。所有這些波在本質上基本相同，但是，由于它們的波長和頻率不同而產生差別。為了便于比較電磁輻射的內部差異和進行描述，按照它們的波長(或頻率)大小，依次排列畫成圖表，這個圖表就叫做電磁波譜，如圖2-2所示。不同波長的電磁波譜，既有共同特點，又有內部差異，各波段的主要特點如下。(1)γ—射線(GammaRay)γ射線波長λ＜0.03ｎｍ，由于波長短，頻率高，所以具有很大的能量，很高的穿透性。γ—射線是原子核躍遷產生的，由放射性元素形成，來自放射性礦物的γ—射線可以被低空探測器所探測，是一個有前景的遙感波區。(2)χ—射線(χ－Ray)χ—射線波長λ為0.03－３ｎｍ，能量也較大，貫穿能力較強，是原子層內電子躍遷產生的，可由固體受高速電子射擊形成。χ—射線在大氣中會被完全吸收，不能用于遙感。(3)紫外線(UitravioletRayUV)紫外線波長λ為３ｎｍ－0.38μｍ，紫外線由原子或分子外層電子躍遷產生，按波長不同，可進一步分成近紫外(0.38μｍ－300ｎｍ)，遠紫外(300－200ｎｍ)和超遠紫外(200－３ｎｍ)。粒子性明顯。來自太陽的紫外線，小于0.3μｍ者完全被大氣吸收，0.3－0.38μｍ的可以通過大氣，用感光膠片和光電探測器進行探測。但是，該波段散射嚴重。(4)可見光(VisibleLight)可見光波長λ為0.38μｍ－0.76μｍ，由分子外層電子躍遷產生，是電磁波中眼睛所觀察到的唯一波區。能通過透鏡聚焦，經過棱鏡色散分成赤、橙、黃、綠、青、藍、紫等色光波段，具光化作用和光電效應，在遙感中能用膠片和光電探測器收集記錄。(5)紅外線(InfraredRayIR)紅外線波長λ為0.76－1000μｍ，由分子振動與轉動產生，按波長不同，可分成近紅外(0.76－3μｍ)，中紅外(３－６μｍ)，遠紅外(６－15μｍ)超遠紅外(15－300μｍ)和赫茲波(300－1000μｍ)。近紅外是地球反射來自太陽的紅外輻射，其中0.76－1.4μｍ的輻射可以用攝影方式探測，所以也稱攝影紅外。中遠紅外等是物體發射的熱輻射，所以也叫熱紅外，它只能用光學機械掃描方式獲取信息。紅外線對人眼睛不起作用，能聚焦、色散、反射，具有光電效應，對一些物體有特殊反映：葉綠素、水、半導體、熱等。圖2-2電磁波譜及其應用PAGE1(6)微波(Microwave)微波波長λ為0.1－100cm，由固體金屬分子轉動所產生。其中可分為毫米波、厘米波和分米波，微波的特點是能穿云透霧，甚至穿透冰層和地面松散層，其它輻射和物體對它干擾小。物體輻射微波的能量很弱，接收和記錄均較困難，要求傳感器非常靈敏。(7)無線電波(Radiowave)無線電波由電磁振蕩電路產生，不能通過大氣層——短波被電離層反射，中波和長波吸收嚴重，故不能用于遙感。實際上，整個電磁波是連續不斷的，各個波區或波段的分界點并不十分嚴格，各家劃分標準不一，且相鄰波區有相當重迭。電磁波譜各波段的產生及其遙感應用如表2-1。表2-1各電磁波譜段的產生及其遙感應用特征產生方式譜段波長遙感應用特征原子核內部的相互作用射線＜0.03ｎｍ來自太陽的輻射完全被上層大氣所吸收，不能為遙感利用，來自放射性礦物的γ輻射作為一種探礦手段可被低空飛機探測到層內電子的離子化X-射線0.03－3ｎｍ進入的輻射全被大氣所吸收，遙感中未用外層電子的離子化紫外線3ｎｍ－0.38μｍ波長小于0.3μｍ的由太陽進入的紫外輻射完全為上層大氣中的臭氧所吸收攝影紫外0.3－0.38μｍ穿過大氣層，用膠片和光電探測器可檢出，但是大氣散射嚴重外層電子的激勵可見光紫0.38-0.43μｍ用照相機、電視攝影機和光電掃描儀等均可檢測，包括在0.5μｍ附近的地球反射比峰值藍0.43-0.47μｍ青0.47-0.50μｍ綠0.50-0.56μｍ黃0.56-0.59μｍ橙0.59-0.62μｍ紅0.62-0.76μｍ分子振動，晶格振動紅外線0.76-1000μｍ與物質的相互作用隨波長而變，各大氣傳輸窗口被吸收譜段所隔開，一般有以下的劃分近紅外(反射紅外)0.76-3μm這是初次反射的太陽輻射，0.7-1.4μｍ的輻射用紅外膠片檢測，稱之為攝影紅外輻射中紅外(熱紅外)3-5μｍ這是熱區中的主要大氣窗口，是一個寬譜段內的總輻射，用這些波長成像需要使用光學一機械掃描器(紅外輻射計)而不是用膠片。遠紅外(熱紅外)8-14μｍ分子旋轉和反轉，電子自轉與磁場的相互作用微波0.1-100cm這些較長的波長能穿透云和霧，可用于全天候成像。其下可續分為毫米波，厘米波和分米波，而且都是無線電波的一種核自轉與磁場的相互作用無線電波工業用電100-106cm＞106

cm用于無線電通訊，分超短波、短波、中波、長波因波長范圍與相應譜的劃分不太統一，作者僅采用一般劃分。電磁波譜中的高頻波段，如宇宙射線到大部分紫外線，粒子性特征明顯；低頻波段，如大部分紅外線、微波、無線電波，波動性特征明顯；處于中間波段的可見光和部分紫外線、紅外線，具有明顯的波粒二象性。這些不同的電磁波，從理論上講都可進行遙感。但是，由于技術的限制和其它干擾，目前遙感使用的主要為可見光、紅外線和微波。

2.1.3電磁輻射的產生1物質內部結構及運動規律(1)內部結構由現代物理學、化學研究證明，物質是由分子構成的，分子是由原子構成的，原子是由帶正電的原子核和繞核旋轉的帶負電的電子組成，原子核又由質子和中子構成。(2)運動規律根據現代量子理論，微觀物質世界的運動主要表現為三種形式：即電子的繞核運動，原子核在平衡位置上的振動和分子以其質量中心為軸的轉動。當沒有外來能量刺激時，這些運動狀態是穩定的，具有一定的能量，并且該能量并不因為電子、原子、分子不停地運動而有所衰減，當與其它粒子碰撞，或者在電磁場中被照射而吸收足夠的能量時，它就會改變運動狀態，從基態軌道躍升到更高的激發態軌道上去。基態：根據最低能量原理，在正常情況下，粒子處于最低能量的運動狀態，這個狀態稱為基態。對任一頻率的粒子，基態能量為Ｅ1＝ｈν。激發態：處于基態的粒子，如果受到外來能量的激發，當它接收了足夠的能量后，躍升到較高的能量的運動狀態，這種較高的狀態稱為激發態。激發態的能量En＝nｈν。ｎ為電子層數，表示電子離核的距離。當ｎ增大時，Ｅｎ的數值也大，表示該粒子離質量中心越遠，所具有的能量越大，處于更高的激發態。激發：粒子從低能級躍遷到高能級的過程叫激發。激發能：激發態與基態的能量之差△Ｅ，稱該激發態的激發能。２電磁輻射的產生粒子受激從基態進入高能量狀態時，是瞬時的躍遷，不允許有中間的能量狀態；處于激發狀態的粒子十分不穩定，一般在10－８秒內就要往基態轉化。這種轉化可以有兩種情況：一是和另一個粒子碰撞，激發態被破壞，能量傳遞給另一個粒子，這時沒有電磁輻射的發射；另一種情況是粒子向下躍遷到一個較低的能級，釋放出多余的能量，以光子的形式帶走，產生電磁輻射。以△Ｅ表示各能級的激發能，光子的能量為ｈν，二者相等。即較高狀態的粒子躍遷到較低能級時多余的能量△Ｅ就以光子的能量ｈν輻射出去。△Ｅ＝Ｅ2－Ｅ1＝ｈν這一過程發射的電磁波的頻率和波長分別為ν=△Ｅ/ｈλ=c/ν=ch/△E（2－6）該式說明，激發能不同，輻射的光子頻率不同，所發射的電磁波的波長也不同。電子能級的激發能較高，約為１～20ev，可產生頻率較高的光子，發射波長為0.2～1.0微米的近紫外—可見光—近紅外；原子能級的激發能較低，約為0.05～1.0ev，可發射波長為１～25微米的近紅外—遠紅外輻射；分子能級的激發能最低，約為0.03－0.05ev，發射輻射的波長為25－300微米，屬超遠紅外，它也可輻射少量微波。物質內部運動狀態被激發方式有三種：電能激發、熱能激發和輻射能激發。輻射形式有三種：共振輻射、熒光現象和熱輻射。①共振輻射：受激躍遷到激發態的粒子，直接回到基態，輻射的光子頻率與吸收的光子頻率一樣。②熒光現象：受激躍遷到激發態的粒子，通過中間能級回到基態，它發射的光子的頻率比吸收的光子頻率低。③熱輻射：物質受激發時，將激發能轉變成熱能，產生熱運動，這種運動所引起的粒子互相碰撞，從而使粒子運動發生改變，由于碰撞而產生的高能量運動狀態可以自發的轉變到低能運動狀態，熱能轉變成輻射能，發出電磁輻射。

2.1.4電磁輻射的基本性質電磁輻射是能量的一種動態形式，它把輻射源的能量通過自由空間傳送到傳感器上。那么，電磁輻射是怎樣傳播的呢？在傳播中有那些基本特性？這里主要介紹與遙感有關的基本性質。1電磁波傳播的性質(1)波的疊加原理數列波在傳播過程中，相遇后仍能保持它們各自原有的特性(頻率、波長、振幅、振動方向等)不變，按照自己原來的傳播方向繼續前進，好象在各自的傳播過程中，沒有遇上其他波一樣，在相遇區域內，任一點的振動為各波所引起的振動的合成。這也叫波的獨立傳播原理。電磁波的傳播遵守這一原理。在遙感中，所遇到的電磁波的波形都很復雜。但是，不管波的形式多么復雜，也無論其產生方式如何，實際上都可以用無窮個正弦波疊加構成，只要這些正弦波具有適當的振幅、頻率和相位。(2)電磁波的干涉頻率相同、振動方向相同、相位相同或相位相差恒定的兩(數)列波相遇時，使某些地方振動始終加強，而在另一些地方振動始終減弱的現象叫做波的干涉現象。能產生干涉現象的波叫做相干波，其波源叫相干波源。相干現象的基本原理是波的疊加原理。電磁波的相干對遙感來說是很重要的。如果有兩列波投射到一個傳感器上，這些波傳遞給探測器的功率能夠被測量出來。假如是非相干波，則合成的波功率是兩個分波的功率之和，投射到傳感器上的總輻射強度為兩分波輻射強度之和，即Ｉ＝Ｉ1＋Ｉ2，且傳感器上的任何位置的強度是一致的。假如是相干波，合成波的功率可能大于也可能小于兩個波分別投射時的功率之和，其輻射強度和振幅分別為：Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＋２cosδ(2-7a)Ａ＝(2-7b)且傳感器得到的輻射強度各個位置也不同。干涉有利的方面是利用能量增大趨勢，使圖像清晰，方向性強；不利的地方是造成同一物質所表現的性質不同。在分析圖像時對于這些影響要特別注意。（3）電磁波的衍射波在傳播過程中遇到阻礙物時，其傳播方向要發生改變，能夠繞過障礙物的邊緣繼續前進，這種現象叫做波的衍射。衍射現象可以用惠更斯原理解釋。電磁波的衍射對遙感技術影響很大：１）電磁波通過傳感器的孔徑而被切割時，就要發生衍射，使電磁輻射通量的數量，質量和方向都發生變化，結果測量不準確，對目標物的解譯也帶來困難。２）影響遙感所用儀器的分辨能力，理論上光學儀器的最小分辨角θ０為：θ０＝1.22(2-8)式中λ為電磁輻射的波長，D為光學儀器的孔徑。３）縮小陰影區域。(4)電磁波的偏振(極化)①偏振的概念一般情況下，天然波的振動在垂直于傳播方向的平面上可以取所有可能的方向，且波的振幅完全相等。如果波在各方向上振幅大小不相同，而且各方向振動之間沒有固定位相關系，極大值與極小值之間的夾角為90°，則稱該波發生了偏振現象，常用偏振度ｐ′來衡量偏振程度。ｐ′＝(2－９)如果電磁波的電場強度E的振動只限于某一確定方向，則稱這種波為全偏振波，其中ｐ′=１；如果１＜ｐ′＜０則稱為部分偏振波。②偏振的產生偏振波可以用偏振器生產，如圖2-3所示，在電磁波傳播方向上依次放兩塊偏振器P１、P２，當天然波(光)經過偏振器P１時，只有與偏振器P１方向一致的分振矢量才能通過，與P１方向垂直的分振不能通過。通過偏振器P１的波就成為偏振波Ｅ１。偏振光再通過第二個偏振器P２時，視P２方向而定，如果P２與偏振波Ｅ1成一角度，則偏振波Ｅ１在P２方向的分量可以通過，垂直P２方向的分量被擋住，令通過的分量為Ｅ２，若Ｅ１的振幅為Ａ１，Ｅ２的振幅為Ａ２，則光強分別為Ｉ１＝Ａ１２，Ｉ２＝Ａ２２，且Ａ２＝Ａ１cosθ(θ為ｐ１與ｐ２的夾角)，所以Ｉ２＝Ｉ１cos２θ(2-10)當ｐ１‖ｐ２時，θ＝0、Ｉ２＝Ｉ１；當P１⊥P２時，θ＝90°，Ｉ２＝0。圖2-3偏振的產生③偏振的作用在遙感中，電磁波的偏振非常重要，如進入傳感器的電磁波都有一定的偏振性，偏振攝影、側視雷達成像接收的完全是偏振波，利用偏振原理制作立體鏡進行遙感影像立體觀察等。(5)電磁波的多普勒效應電磁輻射因輻射源或觀察者相對于傳播介質的運動，而使觀察者接收到的頻率發生變化的現象，稱為多普勒效應。就是說，當一個頻率為ν的電磁輻射源對于觀察者作相對運動的時候，觀察者從這個源接收到的輻射將具有另一個頻率ν１。ν與ν1的關系式是：ν１＝ν式中Ｖ：波速，Ｖｏ：輻射源對介質的速度；ＶS：觀察者對介質的速度。ν１＝ν其中β為源與觀察者的相對運動速度之比，θ為源的運動方向和與觀察者方向的聯線所成的夾角。在源與觀測者的相對運動速度遠小于光速的情況下，可用近似公式表達之：△ν=ν１-ν=cosθ（2-11）式中△ν是頻率變化值，ｃ為電磁波的速度，ｕ為源與觀察者之間的相對速度。對于向著觀察者運動的源，θ為銳角，介于0－90°之間，△ν是正值；對于背離觀察者的源，而θ為鈍角，△ν是負值。在遙感中，主動式遙感都是從運動著的平臺上發射電磁輻射，所以地面所接收到的輻射頻率要發生改變；被改變了的輻射又被地面再反射到平臺上的傳感器，傳感器接收的輻射頻率又要經過一次多普勒效應的改變。從發射到接收回波，其總的頻率改變為單次多普勒效應的兩倍。△ν＝cosθ(2-12)2電磁輻射的光電效應電磁輻射的能量激發物體，釋放出帶電粒子，形成光電流，這種現象稱做電磁輻射的光電效應。光電效應是粒子性的明顯表現，用光子假設可得到圓滿地解釋：電磁輻射照射到物質表面(金屬物體)，金屬中的自由電子吸收了光子能量，而從金屬中逸出。電子吸收一個光子，便獲得hν的能量，該能量一部分消耗于電子從金屬逸出時克服表面對它的吸引力所需的逸出功Ａ，另一部分轉換為電子的初動能。hν＝ｍυ２＋Ａ(2-13)式中：ｍ為電子的質量，υ為電子的運動速度。由公式可得出：1)當電磁粒子的能量hν小于電子逸出功A時，電子不能脫出金屬，只有當hν＞A時，即ν＞A/h時，才能生產光電效應。即光電效應具有一定的截止頻率，其數值為v０＝A/h。2)電子的初動能和電磁輻射的頻率成線性關系。3)光電流的強度和入射的電磁輻射強度成正比。4)光電流呈瞬時性。光電效應在遙感中很重要，掃描成像、電視攝像等就是利用的光電效應，把光像變成電子像，把對人們眼晴無作用的電磁輻射用一定的探測元件接收下來，使其通過光電效應變成電子像，最后變成人們可以看見的影像。§2.2電磁輻射與物體的相互作用在遙感中，從輻射源發出的電磁輻射，經過自由空間的傳播，到達大氣和地面，經過與大氣和地面的作用，又到達傳感器上。在此過程中，電磁輻射一旦與物體接觸，它所攜帶的能量就會表現出來，進行能量的交換，發生相互作用。作用的結果，使入射的電磁輻射發生變化。不同物體，由于組成它們的物質結構不同(分子、原子)，與電磁輻射作用時，這些分子和原子在旋轉和振動過程中，所產生的能級躍遷性能就不同，進而所反射或吸收的電磁波頻率也不一樣。這些不同就構成我們識別與區分物體的依據。電磁輻射與物體作用后主要在強度、方向、波長(或頻率)、相位等方面發生變化，甚至發生偏振。表現形式為物體使入射輻射發生反射、透射以及吸收和再發射等。電磁輻射和物體相互作用的本質是：入射到物體的電磁輻射使物體表面的自由電荷和束縛電荷發生振蕩運動，這種運動轉而輻射出次級場返回初始介質或者向前進入第二種介質。具體地說，電磁輻射與物體相互作用，使得入射的電磁輻射(Q)受到反射(Qr)、透射(Qτ)和吸收(Qα)。根據能量守恒律，入射的電磁輻射量等于作用后輻射量，即Q＝Qｒ＋Qα＋Qτ。2.2.1電磁輻射的反射電磁輻射與物體作用后產生的次級波返回原來的介質，這種現象就稱為反射，該次級波便稱之為反射波(輻射)。任何地物都具有反射和自己特有頻率不同的外來輻射的能力。電磁輻射從某一特定物體上的反射強度在整個電磁波譜范圍內是有顯著差別的，它是波長、入射角、偏振和物體性質的函數，其中波長、入射角、偏振等變量，基本上與反射物體無關，這些參數可以通過用適當的遙感儀器以及工作條件來控制。因此，反射強度主要與物體的性質——電學性質和磁學性質，以及物體表面粗糙程度有關。1反射系數物體的反射能力常用反射系數來表示，其實質是反映反射與物體性質的關系。當前，使用最普遍的是菲涅爾反射系數r，其表達式是：ｒｐ＝＝(2-14)ｒs＝＝(2-15)式中：Ｒ、Ｅ分別為反射波和入射波的電矢量振幅，ｐ、ｓ分別表示平行和垂直入射面的分量，θ為投射角(入射角)。在垂直入射的情況下，ｒｐ＝ｒｓ，統一為ｒ＝＝(2-16)由上述公式可看出：反射系數是反射的電矢量振幅與入射的電矢量振幅之比，其實質是入射角、物體的介電常數及磁導率的函數，在入射角相同情況下，由于物體的結構不同，介電常數和磁導率不一樣，因此有不同的反射系數，這種反射系數的差別就是我們區分不同物體的依據。2物體表面狀況對反射的影響(1)物體表面的劃分物體的表面一般比較復雜，往往是粗糙不平的，根據它對反射的影響，分為兩類：光滑表面和粗糙表面。二者的劃分以入射波波長為標準，是一相對概念。劃分準則：物體表面的劃分一般用瑞利準則，關系式是：ｄ＝λ／８cosθ(2-17)式中：λ是入射波的波長，θ是入射角。如果物體表面的起伏度ｈ≤ｄ，則該表面為光滑表面——鏡面；如果ｈ＞ｄ，則為粗糙表面。上述表明：入射輻射的波長決定了反射表面的粗糙度，入射波長不一樣，同一物體的表面可顯示不同的粗糙度，如土壤對無線電輻射是光滑的，而對可見光是粗糙的。一般說來，凡物體表面的顆粒線度ｈ遠小于入射波的波長，該表面屬光滑表面——“鏡面”；當入射波的波長遠小于物體表面起伏度或構成表面的顆粒的線度ｈ時，該表面就是粗糙表面。另外，入射角對表面的粗糙度也有影響，入射角越大，表面的粗糙度越小；反之，入射角越小，則粗糙度越大。(2)反射類型①鏡面反射由光滑表面產生的反射叫鏡面反射。鏡面反射具高度的方向性，能量集中向相反方向反射，且反射角等于入射角（反射方向遵守反射定律），可以用菲涅爾反射系數表示反射能力的大小，反射波位相相干。反射率為：ｐ＝()2(2-18)②漫反射粗糙表面上產生的反射稱漫反射。各個方向都有反射，反射強度遵循朗伯定律，即Ｉ＝Ｉ0cosθ，反射波無方向性（反射波方向不遵守反射定律），相位不相干，漫反射的反射率為：ｐ′=ｐ／π(2-19)圖2-4反射的類型鏡面反射圖2-4反射的類型鏡面反射漫反射混合反射2.2.2電磁輻射的發射1黑體輻射自然界溫度高于絕對0°的物體都具有發射電磁輻射的能力，其能力的大小主要取決于物體的溫度和本身的性質。由于自然界物質的千差萬別，所以物體的輻射情況相當復雜。因此，在研究真實物體的輻射時，為方便起見，引入一個理想物體——黑體。(1)黑體的概念及其輻射現象所謂黑體是指一個完全的輻射吸收和輻射發射體，即在任何溫度下，對所有波長的電磁輻射都能夠完全吸收，同時能夠在熱力學定律所允許的范圍內最大限度地把熱能變成輻射能的理想輻射體。它是作為研究物體發射的計量標準。根據對大量實驗數據的研究發現，黑體的輻射通量密度按波長或頻率的分布是穩定的，僅與其本身的溫度有關，而和黑體的材料和性質無關。不同溫度下，各按波長的光譜輻射通量密度如圖2-5所示。圖2-5各種溫度下的黑體波譜輻射通量密度(2)黑體輻射定律對上述實驗結果，應用現代物理學理論推導出關于黑體輻射的基本定律：①普朗克定律在給定溫度下，單位時間、面積、波長范圍內黑體所發出的能量為：Ｍoλ＝(2-20)式中：ｃ１＝3.74×10－１６ｗ·ｍ３Ｃ２＝1.44×10－２ｍ·Ｋλ是以m為單位的波長，Ｔ絕對溫度(Ｋ)由公式可見，在給定溫度下，黑體的光譜出射率并不是一切波長都一樣，而是隨波長而變化；同時溫度不同，Ｍλ不相等，溫度愈高，Ｍλ愈大，即光譜輻射能力越強。②斯蒂芬—波爾茲曼定律將普朗克公式從零到無窮大的波長范圍內積分，得到從單位面積的黑體上輻射到半球空間里的總輻射通量密度。Ｍ0＝Ｔ４＝σＴ４(2-21)式中：σ＝5.669×10-12ｗ·cｍ-２·ｋ-4稱為斯蒂芬—波爾茲曼常數。由此定律可得：黑體的總出射率(輻射通量密度)隨溫度的升高而迅速增大，相當小的溫度變化就可以引起輻射通量密度(出射率)的很大變化，這對遙感來說是很有利的，比如用紅外探測裝置能探測出0.01℃的溫度變化。③維恩位移定律微分普朗克公式，并求極值，可得到黑體光譜出射率最大值所對應的波長，即峰值波長λ0ｍａｘ。λ0ｍａｘ＝(2-22)式中，λ0ｍａｘ的單位為μｍ，Ｔ為絕對溫度。維恩位移定律說明：黑體的峰值波長與其絕對溫度成反比，即當溫度增加時，黑體的出射率的極大值向短波長方向移動。2物體的發射(1)基爾霍夫定律任何物體都具有吸收外來電磁輻射的能力，物體把吸收的能量經轉化后，又以輻射的形式發射出來，地面物體的發射是與其吸收外來電磁輻射緊密聯系著。1860年基爾霍夫得出：在給定溫度下，物體對任一波長的發射本領和它的吸收本領成正比，比值與物體的性質無關，只是波長和溫度的函數，其表達式為：Ｍλ／αλ＝ｆ(λ、Ｔ)(2-23)式中Ｍλ為物體對波長λ的光波出射率，αλ為物體對波長λ的吸收率。從公式(2-23)可見，好的吸收體也是好的發射體，即物體對某一波長的電磁輻射吸收能力強，則該物體發射這一波長的電磁輻射能力也強。由黑體輻射定律可得：Ｍ0λ＝ｆ(λ、Ｔ)α0λ＝ｆ(λ、Ｔ)對于任意物體，光譜出射率為：Ｍλ＝ｆ(λ、Ｔ)αλ＝αλＭ0λ(2-24)(2)光譜發射率自然界中的物體都不是黑體，其吸收率αλ永遠小于１，因而對任何波長的光譜出射率，總是小于同溫度下的黑體的光譜出射率。一般用發射率ε來表示物體的發射能力，它是物體的輻射通量密度Ｍ和同溫度的黑體輻射通量密度Ｍ0之比，ε＝Ｍ／Ｍ0，為了使用方便，常采用光譜發射率的概念，以表示一個物體把熱能轉變成輻射能的轉變效率，即ελ＝Ｍλ／Ｍ0λ(2-25)式中，Ｍλ—物體的光譜出射率，Ｍ0λ—黑體的光譜出射率。根據(2-24)，有ελ＝Ｍλ／Ｍ0λ＝ｆ(λ，Ｔ)αλ／ｆ(λ，Ｔ)=αλ(2-26)此式說明，物體的光譜發射率等于物體的光譜吸收率。由能量守恒定律知，物體的光譜吸收率αλ，光譜反射率ρλ和光譜透射率τλ之間的關系為：αλ＋ρλ＋τλ＝１對于波長為λ的輻射是不透明的物體，τλ＝０所以αλ＋ρλ＝１αλ＝１－ρλ因此ελ＝αλ＝１－ρλ(2-27)由此可知，物體的反射率大，發射率就小；反之，反射率小，發射率就大，這兩個參數不僅是溫度、波長的函數，且與物體的性質有關。因此，只要測得了物體的反射率或反射系數，就可求得物體的發射率。根據物體光譜發射率的變化，可將物體分為三類：黑體、灰體和選擇性輻射體。黑體：ελ＝ε＝１，總輻射通量密度Ｍ0＝σＴ４灰體：ελ為一常數，介于０～１之間，ελ＝ε，總輻射通量密度Ｍ＝εσＴ４選擇性輻射體：０＜ελ＜１，Ｍλ＝ελ·Ｍ0λ——為一變化值三類輻射體的光譜發射率與輻射能力如圖2-6所示。圖2-6三類輻射體的發射率(Ａ)與輻射通量密度(Ｂ)3遙感輻射源凡是能夠產生電磁輻射的物體，叫做輻射源。它分為兩大類：人工輻射源和天然輻射源。主動遙感方式接收的是人工輻射源發出的電磁輻射的回波，如機載側視雷達系統。被動遙感方式接收的是天然輻射源的電磁輻射(反射、發射、散射等)。在自然界最大的天然輻射源是太陽和地球，它們是遙感信息的主要提供者。(1)太陽的電磁輻射太陽是一個具有很高溫度的球體，其表面溫度為6000°K左右，蘊藏著巨大的能量。它以接近于黑體輻射的能力向外散發著電磁輻射，這些輻射在射出太陽蒙氣時，部分地被吸收。地球與太陽距離1.5×108km，因此，到達地球上的太陽輻射，是極少的一部分（1/2萬億）——地球擋住太陽輻射行程上的電磁輻射，大部分則向宇宙空間的其它方向射去。到達地球大氣上界面的太陽輻射能量是1400×10－４w/cm２，太陽常數S*＝1.99cal/cm2·m。這一部分太陽輻射，又經過大氣的作用，最后到達地球表面，這個能量相當于903×10-4w/cm2。地球是一個球體，僅半個球面承受太陽輻射，且球面上的各個部分因太陽高度角不同，能量的分布也不均衡，直射時接收的多，斜射時則少。太陽的輻射通量密度如圖2-7所示，組成極為復雜，分布范圍很廣。但是，主要能量集中在0.2－3μm之間，其中，可見光范圍(0.38－0.76μm)剛好全部包含在該區域，約占總能量的一半。太陽輻射的峰值在0.5μm附近，相當于可見光中的綠色光。圖2-7太陽輻照度分布曲線若把太陽對地面的有效輻射能量密度視為903×10－４w/cm２時，地面接受到的太陽輻射通量密度按波段分布大體如下：0.2～1.4μm段為820×10－４W/cm２，占90.8％；1.4～1.8μm段為47×10－４W/cm２，占5.2％；1.8～2.5μm段為24×10－４W/cm２，占2.6％；3.0～4.2μm段為10×10－４W/cm２，占1.1％；4.5～5.5μm段為1.6×10－４W/cm２，占0.18％；7.5～14μm段為1.0×10－４W/cm２，占0.11％。遙感最常用的波段為0.32～1.1μm，其輻射通量密度占到地面太陽輻射總通量密度的85％以上。(2)地球的電磁輻射地球表面的平均溫度大約是300°Ｋ，它的電磁輻射近似于該溫度下的黑體輻射，如圖2-8。地球輻射的能量分布在從近紅外到微波這一很寬的范圍內，但大部分能量集中在4～30μm之間。各波段所占的能量比例大約是：0～3μm段占0.2％，3～5μm段占0.6％，5～8μm段占10％，8～14μm段占50％，14～30μm段占30％，30～1000μm段占9％，1mm以上微波占0.2％。地球輻射也被大氣強烈吸收。圖2-8地球黑體輻射當太陽輻射入射到地球表面后，一部分被吸收(68％)，一部分被地面反射回空間(32％)。反射回去的太陽輻射，屬于近紫外、可見光和近紅外。太陽輻射被吸收的部分，通過能量轉換，一部分變為熱能，使地面物體具有溫度，能發射電磁輻射。溫度不同，說明該物體所具有熱能量不同，因而所輻射的電磁波波長有差異。因此說，地面物體的電磁輻射信息包括兩部分：一部分是反射信息，它只能在白天接收；一部分是發射信息，既能在白天接收，又能在夜間接收。2.2.3物體的波譜特性所有物體都具有反射和發射電磁輻射的本領，但是，物體在不同波長處其反射或發射電磁輻射的能力是不同的。這種輻射能力隨波長改變而改變的特性，稱為物體的波譜特性。不同物體由于其表面狀況和內部組成物質不同，或同一物體在不同的環境條件下，由于入射輻射的不同，它們具有不同的波譜特性，這種差別被傳感器探測記錄下來，形成不同的影像特征，成為我們識別物體的依據。所以，物體波譜特性的研究和測定是遙感技術的一個重要組成部分，它既為傳感器工作波段的選擇提供依據，又是遙感圖像分析處理和解譯的理論基礎。1物體的反射波譜特性(1)反射波譜概念①反射波譜物體對電磁輻射的反射能力與入射的電磁輻射的波長有十分密切的關系，不同物體對同一波長的電磁輻射具有不同的反射能力，而同一物體對不同波長的電磁輻射也具有不同的反射能力，我們把物體對不同波長的電磁輻射反射能力的變化，亦即物體的反射系數(率)隨入射波長的變化規律叫做該物體的反射波譜。地球表面的物體反射的大部分電磁輻射能量都來自太陽，各種遙感方式主要記錄這種反射的能量。各種傳感器的通道也是與地面物體的反射窗口波段相對應的。②反射波譜曲線物體的反射波譜常用曲線表示，稱為反射波譜曲線。它以橫軸代表波長，縱軸代表反射率的直角坐標系來表示。圖2-9是幾種地物的典型反射波譜曲線。圖2圖2-9幾種典型的反射波譜曲線(2)巖石的反射波譜巖石的反射波譜主要取決于礦物類型、化學成分、太陽高度角、方位角、天氣等。此外覆蓋于其上的土壤、植被對巖石的波譜特性影響也很嚴重，圖2-10為幾種巖石的反射波譜曲線。①②⑧③⑦⑤⑥④①②⑧③⑦⑤⑥④①超基性巖②大理巖③砂巖④玄武巖⑤花崗閃長巖⑥花崗巖⑦頁巖⑧安山巖圖2-10巖石的反射光譜一般同類巖石的反射波譜曲線的形狀一致，但其反射率的絕對值不相等，大小與暗色礦物含量的多少有關，如巖石的反射率變化規律是：基性巖＜中性巖＜酸性巖。此外，風化的巖石比新鮮巖石的反射率高，如圖2-11所示。(3)水的反射波譜水體的反射率在整個波段范圍內都很小，從藍光段的15％降至紅光段的２％，進入紅外波段后幾乎等于零。影響水體反射率的主要因素是水的混濁度、水深、以及波浪起伏、水面污染、水中生物等，如圖2-12所示。①②③①②③波長（μm）圖2-11石灰石的波譜反射特性曲線圖2-12水的反射光譜曲線（①藻類浮游物②含沙水流③清水）另外，在平靜的水面上，常會出現鏡面反射，因此在測量水的反射波譜時，要注意避免鏡面反射。(4)植物的反射波譜①植物的反射特征綠色植物的葉子由表皮、葉綠素顆粒組成的柵欄組織和多孔薄壁細胞組織構成，入射到葉子上的太陽輻射透過上表皮，藍、紅光波段被葉綠素吸收進行光合作用，綠光大部分也被吸收，僅有少部分被反射，所以葉子呈現綠色；而近紅外線則穿透葉綠素，被多孔薄壁細胞組織反射，因此在近紅外波段上形成強反射(如圖2-13所示)。②影響植物反射的因素自然界植被的情況相當復雜，并非都具有完全一致的反射光譜曲線，由于受植物種類、季節、生長狀況、健康水平以及太陽輻射的影響，結果使得植物的反射波譜曲線千差萬別。1)不同植物，同一植物的不同生育期以及不同的健康狀況，其反射波譜不同，因而就有可能在曲線的某一波段上鑒別植物的種類、生育期和健康狀況，如圖2-14所示。

①小麥②①小麥②柳③紅楓樹④枯黃闊葉樹⑤松Ａ不同植物的反射波譜曲線Ｂ不同生長狀況的山毛櫸葉片1健康葉片，3、5、7褪色期的老葉片①②③④⑤圖2-14不同植物的反射波譜2)植物葉片重疊時，其反射輻射在可見光部分幾乎不變，而在近紅外部分由于葉片對紅外線的透射(50％左右)和重復反射，反射率可增加20％～40％，因而可以根據反射紅外線的強弱來確定植物的長勢，如圖2-15。3)背景信息。植物都處在地表背景之中，實際遙感測得的不是植物，而是處于不同層位、不同生長狀況下的植物群落，作為背景的地面反射也將參與植物的反射，被傳感器所接收。

總之，植物的反射波譜特性，實際上是葉片、樹干、果實以及開花部分的波譜特性的綜合反映，同時也受背景土壤和太陽高度角的影響。(5)土壤的反射波譜(Ｉ：入射能,Ｒ：反射能，Ｔ：透射能)圖(Ｉ：入射能,Ｒ：反射能，Ｔ：透射能)圖2-15多片葉子層對植物反射率影響有效反射:R1+T3=5/8I入射能IR1=1/2IT3=1/2R2T1=1/2IR3=1/2R2R2=1/2T1T2=1/2T1=1/4I①土壤類型不同，反射波譜相異如半沙漠地區的土壤，反射率較高，在近紅外波段和植物的反射率幾乎相當，而在紅光波段相差很大；黑土的反射率在所有波段都很低。②土壤顆粒小的表面反射率大，大的反射率小。③含水量干燥土壤具有較高的反射率，如果土壤中所含水分不超過某一濕度界線時，潮濕土壤的反射率幾乎不變；當土壤中所含水量大于某一濕度界線時，反射率顯著降低；當土壤被一薄水層包圍時，反射率再次上升。④礦物成份土壤的礦物成分影響著反射率。一般當石英含量高時，土壤有較高的反射率，黑云母的含量高時，則具低的反射率。土壤中腐殖質與鐵的氧化物之比較小時，光譜曲線在紅光段有一個最大的反射值。如果土壤表面形成一層鹽殼，在可見光波段具有相當高的反射率(60～85％)。2物體的發射波譜特性(1)發射波譜物體對不同波長的電磁輻射發射能力的變化規律叫做物體的發射波譜。表2-2是常溫下幾種物體的發射率，表2-3是幾種物體在不同溫度下的發射率。表2-2常溫下主要地物的發射率目標發射率(ε)巖石—礦物發射率(ε)土壤—植被發射率(ε)水發射率(ε)人皮膚0.98-0.99石墨0.98灌木0.98-1水0.98木板0.98大理石、灰炭0.95麥地0.93霜0.98柏油路0.93石英0.89稻田0.89水(蒸餾)0.96土路0.83橄欖巖0.88黑土0.87冰0.96粗鋼板0.82砂巖0.83黃粘土0.85雪0.85炭0.81安山巖0.77草地0.84鑄鐵0.21玄武巖0.69腐殖土0.64鐵0.05紅砂巖0.59鋁(光面)0.04花崗巖0.44石油0.27表2-3一些巖石在８～１２μm的發射本領巖石 溫度－２０℃０℃２０℃４０℃石英0.6940.6820.6270.664長石0.8260.8220.8190.817花崗巖0.7870.7830.7800.977黑矅巖0.9040.9050.9060.907大理石0.9410.9420.9420.943在相同溫度條件下，物體的發射本領取決于它的表面性質(顏色和光潔度)和內部熱學性質。一般地說，表面比較粗糙和顏色較深的物體，具有較高的發射本領，表面比較光滑和顏色較淺的物體，發射率較低。金屬的發射率很低，這是由于它比熱小，熱慣量小，具有很高的熱導率和擴散率的緣故。金屬的發射本領隨溫度的升高而增加，并且當表面形成氧化層時，可以成十倍或以更大的倍數增加。非金屬的發射本領較高，一般發射率大于0.8，并且在地面常溫下，隨溫度的增高而減小。(2)幾種物體的發射波譜曲線相對光譜輻射亮度相對光譜輻射亮度①火焰的光譜曲線圖2-16是森林火和天然氣燃燒的發射波譜，各種不同類型火焰的發射光譜都很相似，所有的強輻射帶都在４～５μｍ之間，而弱帶在３μ相對光譜輻射亮度相對光譜輻射亮度A燃燒天然氣的發射波譜B林火的發射波譜圖2-17物體的微波輻射曲線圖圖2-17物體的微波輻射曲線②冰、水、土壤的輻射曲線如圖2-17所示，冰、水和土壤的發射能力在微波段有較大的差異，在此可以被區分。3地物波譜特性的測量地物發射波譜和反射波譜的測定可在實驗室和野外試驗區進行。波譜特性不受環境影響的物體均