思维导图
一、电磁波谱
1、电磁波及传播特性
1）概念：遥感能够根据收集到的电磁波来判断地物目标和自然现象，⼀切物体由于其种类、特征和环境条件的不同，具有完全不同的电磁波反射或发射辐射特征
2）电磁波的传播特性
干涉：两列或两列以上频率相同的波在空间中重叠时发生叠加从而形成新的波形的现象
干涉条纹：在波的叠加区有的地方振幅增加，有的地方振幅减小，振动强度在空间出现强弱相间的固定分布，形成干涉条纹
衍射：指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象-分光器件：用一组相互平行、宽度相同、间隙相同的狭缝组成衍射光栅，光发生色散以达到分光的目的
多普特效应：近时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低
偏振：波的振动方向对于波的传播方向的不对称性叫偏振，电磁波有偏振、部分偏振和非偏振波-透射、折射、反射、散射都属于波的偏振-偏振在微波技术中称为“极化”
2、电磁波谱及特点
1）定义：电磁波在真空中波⻓或频率依顺序划分成波段，排列成谱即为电磁波谱
2）分类
紫外线 波长：0.01~0.38微米
可见光 波长：0.38~0.76微米
红外线 波长：0.76~1000微米/1毫米
微波 波长：1毫米~1米
3）特点
传感器通过探测或感测不同波段电磁波谱的发射、反射辐射能级而成像，电磁波的存在是获取图像的物理前提
根据不同的目的选择不同的波谱段，电磁波遥感使用的主要波段为：可见光、红外线、微波
3、电磁辐射的度量
辐射能量（Q）：电磁波辐射的能量，单位是 焦耳（J）
辐射通量（辐射功率，∅）：在单位时间内，由辐射体表面的一定面积上发出的，或通过一定接收截面的辐射能，单位是 瓦（W，焦耳/秒）-计算公式：∅ = 𝑑𝑄/𝑑t
辐射照度（E）：面辐射源在单位时间内，从单位面积上接收到的辐射能量，即照射到物体单位面积上的辐射通量，单位是 瓦/米2-计算公式：𝐸 = 𝑑∅/𝑑A
辐射通量密度（辐射出射度，M）：面辐射源在单位时间内，从单位面积上辐射出的辐射能量，即物体单位面积上发出的辐射通量，单位是 瓦/米2-计算公式：𝑀 = 𝑑∅/𝑑A
辐射强度（I）：点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐射能量，即点辐射源在单位立体角内发出的辐射通量，单位是 瓦/球面度-计算公式：𝐼 = 𝑑∅/𝑑𝜔
辐射亮度（L）：面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积上辐射出的辐射能量，即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的 辐射通量，单位是 瓦/米2·球面度-计算公式：𝐿 = 𝑑 2∅/𝑑𝜔𝑑𝐴 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜃
物体辐射图示及字母释义
二、物体发射辐射
1、黑体辐射
1）绝对黑体：能够吸收全部入射辐射能量的物体
2）黑体辐射：能够在热力学定律所允许的范围内，最大限度地把热能转变成辐射能地理想热辐射体，它是在一切方向上都均等的辐射
3）普朗克公式：在单位时间、单位立体角内，从黑体的单位面积辐射的单位波长的能量是温度和波长的函数
普朗克公式
4）黑体辐射定律
Stephen Boltzmann定律-绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能与绝对温度的四次方成正比-对于一般物体来讲，传感器检测到它的辐射能后就可以用此公式概略推算出物体的总辐射能量或绝对温度（ 𝑇 ）-应用：热红外遥感利用这一原理探测和识别目标物的
Stephen Boltzmann定律公式
Wein’s Displacement 定律-黑体的绝对温度增高时，它的最大辐射本领向短波方向为一
Wein’s Displacement 定律公式
5）黑体辐射特点
与曲线下的面积成正比的总辐射通量密度W是随温度T的增加而迅速增加的
当温度T不同时，黑体辐射通量密度的峰值波长随温度向短波方向移动
每根曲线不相交，故温度T越高黑体辐射通量密度W也越大
几种温度下的黑体波谱辐射曲线
2、太阳辐射
1）特点
太阳辐射光谱连续性
太阳辐射能量集中
太阳辐照度分布曲线
2）太阳辐射与地球辐射
-太阳系数：是指在日地平均距离处垂直于太阳光线的平面上，在单位时间内单位面积上所接收到的太阳辐射能，数值为1.36*10^3瓦/平方米
-地球辐射集中在长波
3、⼀般物体的发射辐射
1）特点
自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量都比相同条件下绝对黑体的要低
实际物体的辐射依赖于波长和温度，与构成物体的材料、表面状况等因素有关
发射率𝜀：实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比
公式：𝜀 = 𝑊′/𝑊 ，发射率是一个介于0和1的数，用于比较此辐射源接近黑体的程度
2）⼀般物体分类
选择性辐射体，在各波长处的光谱发射率不同
灰体，在各波长处的光谱发射率相等-绝对黑体：𝜀 = 1-灰体：0 < 𝜀 < 1-理想反射体（绝对白体）：𝜀 = 0
三、物体反射辐射
1、地物的反射类别
1）镜面反射：指物体的反射满足反射定律
镜面反射
2）漫反射：可能为方向反射，光线照在粗糙的表面上，不规则地散向各方面的反射现象
漫反射
3）均匀反射：入射的电磁波向四面八方作均匀漫反射，均匀漫反射面称为朗伯面
4）粗糙度：是一种相对概念，由入射波的波长和地表微地貌的垂直高度决定，如：对于波长较长的无线电波，粗糙岩石构成的地表是光滑的（镜面反射），对于可见光，细砂构成的地面也显得粗糙（漫反射）
2、光谱反射率
1）定义：地物在某波段的反射通量与该波段的入射通量之比，不同地物有不同的光谱反射率，同一地物在不同波段有不同的光谱反射率
2）反射系数
某波段的反射系数=某物体某波段的反射波谱能量/标准板的某波段的反射波谱能量*标准板在某波段的反射系数
反射率=反射系数*100%
3）地物的反射波谱：某一物体的反射系数随波长而变化的曲线
4）波谱特性：任何物体有自己的反射波谱曲线形态，条件相似，同一入射波，性质不同的物体，反射系数不同
5）地物反射光谱特性曲线：光谱反射率与波长的关系在直角坐标系中图示
3、地物的反射光谱特性
1）同类地物的反射波谱特性——空间和时间效应
统一地物在不同时间的波谱特性不同，如某植物或某作物在不同生长阶段的波谱特性也不同
2）不同物体的反射波谱特性
四种地物的反射波谱特性曲线
水体：水体的反射系数较低，反射波谱曲线的形态近于直线，波长加长，系数变小
植被：植物的反射系数主要由叶绿素决定，其微小变化都能引起反射系数明显变化
岩石和矿物：不同的岩矿类型，由于其化学组成、结构、产状以及测量时的外部环境因素，使得光谱反射的形态发生许多变化，导致岩石的反射波谱曲线没有统一的特征
土壤：土壤的反射系数取决于土质、水分含量、腐殖质含量以及土壤颗粒大小
⼈工地物目标：包括各种道路、广场、建筑物以及人工林与人工河等
3）特殊情况
同物异谱：可能同一个地物，处于不同状态，如对太阳光角度不同、密度不同、含水量不同等等，呈现不同的谱线特征
异物同谱：在某一个谱段区，两个不同地物可能呈现相同的谱线特征
4、影响地物光谱反射率变化的因素
太阳位置，主要指太阳高度角和方位角
测定仪器位置，指观测角和⽅位角
地理位置、地形、季节等会引起太阳高度角和⽅位角的不同
气候变化、大气状况、地面水热变化、地物本身变异都会引起反射率变化
5、地物波谱特性的测定
1）地物的反射波谱特性作用
选择遥感波谱段、设计遥感仪器的依据
在外业测量中，它是选择合适的飞行时间的基础资料
有效地进行遥感图像数字处理的前提之一，是用户判读、识别、分析遥感图像的基础
2）测定仪器介绍
测定地物反射波谱特性的仪器分为分光光度计、光谱仪、摄谱仪等
仪器由收集器、分光器、探测器和显示或记录器组成
3）地物波谱特性测定步骤
地物波谱特性的变化与太阳和测试仪器的位置、地理位置、时间环境（季节、气候、温度等）和地物本身有关，所以应记录观测时的地理位置、自然环境（季节、气温、温度等）和地物本身的状态，并且测定时要选择合适的光照角，正因为波谱特性受多种因素的影响，所测的反射率定量但不唯一
注意事项：-野外波谱测定数据必须要与遥感数据在几何和辐射方面匹配-野外波谱测定数据必须与特定的测量对象数据一致
具体步骤（略）
四、大气对电磁波遥感的影响
1、地球大气层和组成成分
1）大气层：对流层、平流层、电离层和外大气层四层
2）组成成分：氮、氧、氩、二氧化碳、氦、水蒸汽、液态固态水等
2、大气与电磁波的关系
引起可见光波段衰减的主要原因是分子散射；引起紫外、红外与微波波段衰减的主要原因是大气吸收
3、大气对辐射的影响
1）散射：电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生改变，并向各个方向散开
瑞利散射：介质中不均匀颗粒的直径小于入射电磁波波长的十分之一（蓝天、日出日落）
均匀散射：介质中不均匀颗粒的直径远大于入射电磁波波长（白云、灰蒙蒙的天气）
米氏散射：介质中不均匀颗粒的直径与入射波长同数量级（潮湿天气）
2）吸收
引起大气吸收的主要成分是氧气、臭氧、水、二氧化碳等成分
臭氧主要吸收0.3微米以下的紫外区的电磁波，另外在9.6微米处有弱吸收
二氧化碳主要吸收带都处于红外区
水蒸气主要吸收0.7微米以上的可见光区、红外区的几个区、15微米~1毫米的超远红外区、两处微波区
氧气对微波中的0.253厘米、0.5厘米处也有吸收现象
大气吸收的影响主要是造成遥感影像暗淡，由于大气对紫外线有很强的吸收作用，因此，现阶段遥感中很少用到紫外线波段
3）反射
大气反射也满足反射定律
各波段受到不同程度的影响，削弱了电磁波到达地面的程度，从而影响了遥感图像的质量
要选择在无云雾的天气接受遥感信号
4）大气窗口
-定义：太阳辐射在到达地面之前穿过大气层，大气折射只是改变太阳辐射的方向，并不改变辐射的强度，但大气反射、吸收和散射的共同影响却衰减了辐射强度，剩余部分才为透射部分，不同电磁波段通过大气后衰减的程度是不一样的，因而遥感所能够使用的电磁波是有限的，有些波段的电磁辐射通过大气后衰减较小，透过率较高，对遥感十分有利，这些波段通常称为“大气窗口”
-五个主要的大气窗口
0.30~1.15微米，主要是反映地物对太阳光的反射，通常采用摄影或扫描的方式在白天感测、收集目标信息成像
0.30~2.50微米，白天夜间都可应用，以扫描方式成像感测、收集目标信息，主要应用于地质遥感
3.50~5.0微米，包含地物反射及发射光谱，用来探测高温目标
8.0~14.0微米，属于地物的发射波谱，常温下地物热辐射能量最集中的波段，所探测的信息主要反映地物的发射率及温度
1.0mm~1m，分为毫米波、厘米波、分米波，被动式主要用于测量地物热辐射，主动式用雷达发射一些列脉冲然后记录分析地物的回波信号
4、辐射传输方程
1）传感器从高空探测地面物体时，所接收到的电磁波能量包括：
太阳经大气衰减后照射地面，经地物反射后，又经大气第二次衰减进入传感器的能量
地面物体本身辐射的能量经大气后进入传感器
大气散射和辐射的能量等
2）方程：
方程
方程中的参数含义
