2 物体的反射辐射

电磁波

电磁波：变化的电磁场互相影响并以波的形式按照一定速度传播。

电磁波谱：不同电磁波按波长或频率的一定顺序得到的序列图。

绝对黑体：一种假想的物理模型。绝对黑体对任何波长的电磁波都能全部吸收，没有反射。

基尔霍夫定律：物体单位面积上的表面辐射和吸收之比为常数。

电磁波的三大特性：

• 干涉：同频率同相位电磁波在叠加时出现振动加强或减弱的现象。
• 衍射：电磁波通过小障碍物时偏离直线路径。
• 偏振：电磁波振动方向和传播方向不同。

地球辐射

地球辐射定义：地球表面和大气电磁辐射的总称。

地球辐射是被动遥感中传递地物信息的载体。装载在航天航空平台上的遥感器，接受来自地球辐射携带的地物信息，经过处理形成遥感影像。

• 太阳辐射近似 $6000K$ 的黑体辐射，能量集中在 $0.3\mathrm{\mu m}$ 至 $2.5\mathrm{\mu m}$ 波段（可见光和近红外）；
• 地球自身热辐射近似 $300K$ 的黑体辐射，能量集中在 $6.0\mathrm{\mu m}$ 以上的波段（热红外）。

因此地球辐射具有分段特性：

• 在 $0.3\mathrm{\mu m}$ 至 $2.5\mathrm{\mu m}$ 波段（主要在可见光和近红外波段），地表以反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以忽略。即在该波段范围内，对地观测遥感主要以太阳的短波辐射对地表进行探测和成像；
• 在 $2.5\mathrm{\mu m}$ 至 $6.0\mathrm{\mu m}$（主要在中红外波段），地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射均为被动遥感的辐射源；
• 在 $6.0\mathrm{\mu m}$ 以上的热红外波段，以地球自身热辐射为主，地表反射太阳辐射可以忽略（热红外遥感，可用于反演地表温度，用于排污监测等）。

因此不同波段反映不同信息：

• 可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特性；
• 中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射信息，也有地球自身的热辐射的信息；
• 热红外遥感影像上的信息来自地球自身的热辐射特性。

光谱反射率

反射类别

太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射。

$$E=E_{\rho }+E_{\alpha }+E_{\tau }$$

• 反射率 $\rho =E_{\rho }/E$
• 吸收率 $\alpha =E_{\alpha }/E$
• 透射率 $\tau =E_{\tau }/E$

地物反射的太阳辐射是遥感记录的主要辐射能量。

反射又分为：

• 镜面反射：光滑表面
• 漫反射：一定粗糙程度的表面
• 方向反射：非常粗糙的表面，是多数物体的反射情况，例如城市

从空间对地面观察时，对于平面地区，并且地面物体均匀分布，可以看成漫反射；对于地形起伏和地面结构复杂的地区，可以看成方向反射。

反射率与反射波谱特性曲线

$$\rho =\frac{E_{\rho }}{E}$$

反射率是物体的反射辐射通量与辐射辐射通量之比。这个反射率是在理想漫反射体的情况下，整个电磁波谱的反射率。

由于物体固有的结构特点，物体对于不同波长的电磁波会有选择地反射。由此有光谱反射率：物体在特定波长上的反射辐射通量与入射辐射通量之比。

$${\rho }_{\lambda }=\frac{E_{\rho \lambda }}{E_{\lambda }}$$

某物体的光谱反射率随波长变化的规律称为反射波谱。将其展绘为以波长为横坐标、反射率为纵坐标的曲线，称为反射波谱特性曲线。反射波谱特性曲线作为判读和分类的物理基础，广泛地应用于遥感影像的分析和评价中。

典型地物反射特性

植被

植被中的叶绿素强烈吸收红光与蓝紫光（用于光合作用）、弱反射绿光，叶细胞壁强烈反射近红外光。可以使用此特征识别植被。

利用此特性，有了归一化差分植被指数 NDVI（normalized difference vegetation index），将近红外反射强度 $\mathrm{NIR}$ 与红波段反射强度 $\mathrm{RED}$ 进行差分：

$$\mathrm{NDVI}=\frac{\mathrm{NIR}-\mathrm{RED}}{\mathrm{NIR}+\mathrm{RED}}$$

该值越接近 1，越有可能是植被；越接近 0，越不可能。

植被类型、含水量、生长周期等不同信息也能反映在反射波谱上。

水体

水体强弱反射蓝、绿波段，完全吸收近、中红外波段。可以通过此特性识别水体。对于富营养化的水体，可能出现近红外波段反射。

由于水的比热容比陆地更高，因此白天比陆地冷、夜晚比陆地热。在热红外波段上，白天成像河流为暗色条带，夜间成像河流为亮色条带。

反射波谱的测定

地物波谱特性是指各种地物各自所具有的电磁波特性（发射辐射或反射辐射）。

测量地物反射波谱特性曲线的作用：

• 是选择遥感波谱段、设计遥感仪器的依据；
• 是选择合适的飞行时间的基础资料；
• 是有效进行遥感图像数字处理的前提；
• 是影像判读和解析的基础。

地物波谱特性测定的原理为：用光谱测定仪器（置于不同波长或波谱段）分别探测地物和标准板，测量、记录和计算地物对每个波谱段的反射率，其反射率的变化规律即为该地物的波谱特性。