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遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。不同物体具有各自的电磁辐射特性，因此才有可能应用遥感技术探测和研究远距离的物体。
波是振动在空间的传播。如在空气中传播的声波，在水面传播的水波以及在地壳中传播的地震波等，它们都是由振源发出的振动在弹性介质中的传播，这些波统称为机械波。在机械波里，振动着的是弹性介质中质点的位移矢量。光波、热辐射、微波、无线电波等都是由振源发出的电磁振荡在空间的传播，这些波叫作电磁波。在电磁波里，振荡的是空间电场矢量和磁场矢量。电场矢量和磁场矢量互相垂直，并且都垂直于电磁波传播方向，如图2-1所示。
图2-1 电磁波示意图
电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的。根据麦克斯韦电磁场理论，空间任何一处只要存在着场，也就存在着能量，变化着的电场能够在它的周围空间激起磁场，而变化的磁场又会在它的周围感应出变化的电场。这样，交变的电场和磁场相互激发并向外传播，闭合的电力线和磁力线就像链条一样，一个一个地套连着，在空间传播开来，形成了电磁波。实际上电磁振荡是沿着各个不同方向传播的。这种电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射等）称为电磁辐射。电磁波是物质存在的一种形式，它是以场的形式表现出来的。因此，电磁波即使在真空中也能传播。这一点与机械波有着本质的区别，但两者在运动形式上都是波动。基本的波动形式有两种：横波和纵波。横波是质点振动方向与传播方向相垂直的波，电磁波就是横波。纵波是质点振动方向与传播方向相同的波。例如，声波就是一种纵波。
电磁波具有波动的特性（如干涉、衍射、偏振和色散等现象）。同时，电磁波还具有粒子（量子）性。电磁辐射的粒子性，是指电磁波是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射实质上是光子微粒流的有规律运动，波是光子微粒流的宏观统计平均状态，而粒子是波的微观量子化。电磁辐射在传播过程中，主要表现为波动性；当电磁辐射与物质相互作用时，主要表现为粒子性，即为电磁波的波粒二象性。遥感传感器探测目标物在单位时间辐射（反射或发射）的能量时，由于电磁辐射的粒子性，所以某时刻到达传感器的电磁辐射能量才具有统计性。电磁波的波长不同，其波动性和粒子性所表现的程度也不同，一般来说，波长越短，辐射的粒子特性越明显，波长越长，辐射的波动特性越明显。遥感技术正是利用电磁波波粒二象性这两方面特性，探测目标物电磁辐射信息的。
无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、γ射线等都是电磁波，只是波源不同，波长（或频率）也不同，见表2-1。将各种电磁波在真空中的波长（或频率）按其长短，依次排列制成的图表叫作电磁波谱（图2-2）。
表2-1 电磁波工作波段
图2-2 电磁波谱图
在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，无线电波又依据波长分为长波、中波、短波、超短波和微波。其次是红外线、可见光、紫外线，再次是X射线。波长最短的是γ射线。整个电磁波谱形成了一个完整、连续的波谱图。各种电磁波的波长（或频率）之所以不同，是由于产生电磁波的波源不同。例如，无线电波是由电磁振荡发射的，微波是利用谐振腔及波导管激励与传输，通过微波天线向空间发射的；红外辐射是由于分子的振动能级和转动能级跃迁产生的；可见光与近紫外辐射是由于原子、分子中的外层电子跃迁产生的；紫外线、X射线和γ射线是由于内层电子的跃迁和原子核内状态的变化产生的；宇宙射线则是来自宇宙空间。
在电磁波谱中，各种类型的电磁波由于波长（或频率）不同，性质就有很大的差别（如在传播的方向性、穿透性、可见性和颜色等方面的差别）。例如，可见光可被人眼直接感觉到，从而看到物体各种颜色；微波可穿透云、雾、烟、雨等。但它们也具有共同性：
①各种类型电磁波在真空（或空气）中传播的速度相同，都等于光速 c ，光速 c =3 ×10 10 cm / s。
②遵守统一的反射、折射、干涉、衍射及偏振定律。
目前，遥感技术所使用的电磁波集中在紫外线、可见光、红外线到微波的光谱段，各谱段划分界线在不同资料上略有差异。本书采用表2-1中所列出的波长范围。
在电磁波谱中，不同波段常用的波长单位也不相同，在无线电波段波长的单位取千米（km）或米（m）；在微波波段波长的单位取厘米（cm）或毫米（mm）；在红外线段常取的单位是微米（μm）；在可见光和紫外线常取的单位是纳米（nm）或微米（μm）。波长单位的换算如下：
1 nm=10 -3 μm=10 -7 cm=10 -9 m
1μm=10 -3 mm=10 -4 cm=10 -6 m
除了用波长来表示电磁波外，还可以用频率来表示，如无线电波常用的单位为吉赫（GHz）。习惯上常用波长表示短波段（如γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线等），用频率表示长波段（如无线电波、微波等）。
自然界中一切物体在发射电磁波的同时，也被其他物体发射的电磁波所辐射。遥感的辐射源可分自然电磁辐射源和人工电磁辐射源两类。
自然辐射源主要包括太阳辐射和地物的热辐射。太阳是可见光及近红外遥感的主要辐射源，地球是远红外遥感的主要辐射源。
1.太阳辐射
太阳辐射是地球上生物、大气运动的能源，也是被动式遥感系统中重要的自然辐射源。
太阳表面温度约有6000 K，内部温度则更高，太阳辐射覆盖了很宽的波长范围，包括γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线及无线电波，如图2-3所示。太阳辐射能主要集中在0.3~3μm段，最大辐射强度位于波长0.47μm左右。由于太阳辐射的大部分能量集中在0.4~0.76μm的可见光波段，所以太阳辐射一般称为短波辐射。
太阳辐射主要是由太阳大气辐射所构成，太阳辐射在射出太阳大气后，已有部分的太阳辐射能为太阳大气（主要是氢和氮）所吸收，使太阳辐射能量受到一定损失。
图2-3 太阳辐照度曲线
太阳辐射以电磁波的形式，通过宇宙空间到达地球表面（约1.5 ×10 8 km），全程时间约500 s。地球挡在太阳辐射的路径上，以半个球面承受太阳辐射。在地球表面上各部分承受太阳辐射的强度是不相等的。当地球处于日地平均距离时，单位时间内投射到位于地球大气上界，且垂直于太阳光射线的单位面积上的太阳辐射能为（1385±7）W/ m 2 。此数值称为太阳常数。一般来说，垂直于太阳辐射线的地球单位面积上所接收到的辐射能量与太阳至地球距离的平方成反比。太阳常数不是恒定不变的，一年内约有7%的变动。太阳辐射先通过大气圈，然后到达地面。由于大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射，所以投射到地球表面上的太阳辐射强度有很大衰减。
2.地球的电磁辐射
地球辐射可分为两个部分：短波（0.3~2.5μm）和长波（6μm以上）。
地球表面平均温度为27℃（绝对温度300 K），地球辐射峰值波长为9.66μm。在9~10μm，地球辐射属于远红外波段。
传感器接收到小于3μm波长，主要是地物反射太阳辐射的能量，而地球自身的热辐射极弱，可忽略不计；传感器接收到大于6μm波长，主要是地物本身的热辐射能量；在3~6μm中红外波段，太阳与地球的热辐射均要考虑。所以在进行红外遥感探测时，选择清晨时间，就是为了避免太阳辐射的影响。地球除了部分反射太阳辐射以外，还以火山喷发、温泉和大地热流等形式，不断地向宇宙空间辐射能量。每年通过地表面流出的总热量约为1×10 21 J。
主动式遥感采用人工辐射源。人工辐射源是指人为发射的具有一定波长（或一定频率）的波束。工作时向目标地物发射信号，通过接收地物散射该光束返回的后向反射信号强弱，从而探知地物或测距，称为雷达探测。雷达又可分为微波雷达和激光雷达。在微波遥感中，目前常用的为侧视雷达。
1.微波辐射源
在微波遥感中常用的波段为0.8~30 cm。由于微波波长比可见光、红外线波长要长，因此，在技术上微波遥感应用的主要是电学技术，而可见光、红外遥感应用则偏重光学技术。
2.激光辐射源
目前研究成功的激光器种类很多。按照工作物质的类型可分为气体激光器、液体激光器、固体激光器、半导体激光器和化学激光器等；按激光输出方式可分为连续输出激光器和脉冲输出激光器。激光器发射光谱的波长范围较宽，短波波长可至0.24μm以下，长波波长可至1000μm，输出功率低的仅几微瓦，高的可达几兆瓦以上。
自然界中任何地物都具有其自身的电磁辐射规律，如具有反射、吸收外来的紫外线、可见光、红外线和微波的某些波段的特性；它们又都具有发射某些红外线、微波的特性；少数地物还具有透射电磁波的特性，这种特性称为地物的光谱特性。
当电磁辐射能量入射到地物表面上，将会出现三种过程：一部分入射能量被地物反射；一部分入射能量被地物吸收，成为地物本身内能或部分再发射出来；一部分入射能量被地物透射。根据能量守恒定律可得：
式中 P 0 ——入射的总能量；
P ρ ——地物的反射能量；
P α ——地物的吸收能量；
P τ ——地物的透射能量。
式（2-1）两端同除以 P 0 ，得
令 P ρ / P 0 ×100%= ρ （反射率），即地物反射能量与入射总能量的百分率。
P α / P 0 ×100%= α （吸收率），即地物吸收能量与入射总能量的百分率。
P τ / P 0 ×100%=τ（透射率），即地物透射的能量与入射总能量的百分率。
则式（2-2）可写成：
对于不透明的地物，τ=0，式（2-3）可写成：
式（2-4）表明，对于某一波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。地物的反射率可以测定，而吸收率则可通过式（2-4）求出，即 α =1- ρ 。
不同地物对入射电磁波的反射能力是不一样的，通常采用反射率（或反射系数或亮度系数）来表示。它是地物对某一波段电磁波的反射能量与入射的总能量之比，其数值用百分率表示。地物的反射率随入射波长而变化。
地物反射率的大小，与入射电磁波的波长、入射角的大小以及地物表面颜色和粗糙度等有关。一般地说，当入射电磁波波长一定时，反射能力强的地物，反射率大，在黑白遥感图像上呈现的色调就浅。反之，反射入射光能力弱的地物，反射率小，在黑白遥感图像上呈现的色调就深。在遥感图像上色调的差异是判读遥感图像的重要标志。
地物的反射率随入射波长变化的规律，叫作地物反射光谱。按地物反射率与波长之间关系绘成的曲线（横坐标为波长值，纵坐标为反射率）称为地物反射光谱曲线。不同地物由于物质组成和结构不同具有不同的反射光谱特性。因而可以根据遥感传感器所接收到的电磁波光谱特征的差异来识别不同的地物，这就是遥感的基本出发点。下面介绍几种地物的反射波谱曲线。
1.植被的反射波谱曲线
由于大多数植物均进行光合作用，所以各类绿色植物具有很相似的反射波谱特性（图2-4），其特征是在可见光波段0.55μm（绿光）附近有反射率为10%~20%的一个波峰，两侧0.45μm（蓝）和0.67μm（红）则有两个吸收带。这一特征是由叶绿素的影响造成的，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0.8~1.0μm有一个反射的陡坡，至1.1μm附近有一峰值，形成植被的独有特征。这是由于植被叶的细胞结构的影响，形成了高反射率。在中红外波段（1.3~2.5μm）受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率大大下降，特别是以1.45μm、1.95μm和2.7μm为中心是水的吸收带，形成低谷。
图2-4 绿色植被反射光谱曲线
影响植被波谱特征的主要因素有植物类型、植物生长季节、病虫害影响等。植被波谱特征大同小异，根据这些差异可以区分植被类型、生长状态等，不同植被反射光谱曲线，如图2-5所示。
2.水的反射波谱曲线
水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收率很强，特别在近红外、中红外波段有很强的吸收带，反射率几乎为零，因此在遥感中常用近红外波段确定水体的位置和轮廓，在此波段的黑白正片上，水体的色调很黑，与周围的植被和土壤有明显的反差，很容易识别和判读。但是当水中含有其他物质时，反射光谱曲线会发生变化。例如，水含泥沙时，由于泥沙的散射作用，可见光波段发射率会增加，峰值出现在黄红区。水中含有叶绿素时，近红外波段明显抬升，如图2-6所示。
图2-5 不同植被反射光谱曲线
图2-6 不同叶绿素浓度的海水波谱曲线
在可见光范围内，水体的反射率总体上比较低（不超过10%），一般为4%~5%，并随着波长的增大逐渐降低，到0.6μm处为2%~3%，过了0.75μm，几乎被水体吸收。因此，在近红外的遥感影像上，清澈的水体呈黑色。为区分水陆界线，确定地面上有无水体覆盖，应选择近红外波段的影像。必须指出，水体在微波1 mm~30 cm范围内的发射率较低，约为0.4%。平坦的水面，后向散射微弱，因此在测试雷达影像上，水体呈黑色。含有泥沙的浑浊水体与清水比较，光谱反射特征存在以下差异。
浑浊水体的反射波谱曲线整体高于清水，如图2-7所示，随着悬浮泥沙浓度的增加，差别加大，波谱反射峰值向长波方向移动。清水在0.75μm处反射率接近零；而含有泥沙的浑浊水至0.93μm处反射率才接近于零；随着悬浮泥沙浓度的加大，可见光对水体的透射能力减弱，反射能力加强。
图2-7 水的反射波谱曲线
3.建筑物的反射波谱曲线
在城市遥感影像中，通常只能看到建筑物的顶部或部分建筑物的侧面，所以掌握建筑材料所构成的屋顶的波谱特性是我们研究的主要内容之一。如图2-8所示，铁皮屋顶表面呈灰色，反射率较低而且起伏小，所以曲线较平坦。石棉瓦反射率最高，沥青粘砂屋顶，由于其表面铺着反射率较高的砂石，所以其反射率高于灰色的水泥平顶。绿色塑料棚顶的波谱曲线在绿波段处有一反射峰值，与植被相似，但它在近红外波段处没有反射峰值，有别于植被的反射波谱。军事遥感中常用近红外波段区分在绿色波段中不能区分的绿色植被和绿色的军事目标。
图2-8 不同材质屋顶的建筑物波谱曲线
4.岩石的反射
岩石的反射波谱曲线如图2-9所示。岩石成分、矿物质含量、含水状况、风化程度、颗粒大小、色泽、表面光滑程度等都影响反射波谱特性曲线的形态。在遥感探测中可以根据所测岩石的具体情况选择不同的波段。
5.土壤的波谱特征
自然状态下土壤表面的反射曲线比较平滑，没有明显的反射峰和吸收谷。在干燥条件下，土壤的波谱特征主要与成土矿物（原生矿物和次生矿物）和土壤有机质有关。土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带（1.4μm、1.9μm、2.7μm处附近区间），反射率下降尤为明显，如图2-10所示。
物体波谱曲线形态，反映出该地物类型在不同波段的反射率，通过测量该地物类型在不同波段的反射率，并以此与遥感传感器所获得的数据相对照，可以识别遥感影像中的同类地物。绝大部分地物的波谱值具有一定的变幅，它们的波谱特征不是一条曲线，而是具有一定宽度的曲带。
地物存在“同物异谱”和“异物同谱”现象。“同物异谱”是指同一类型的地物，在某个波段上波谱特征不同；“异物同谱”是指不同类型的地物具有相同的波谱特征。不同地物的反射特征如图2-11所示。
图2-9 岩石的反射波谱曲线
图2-10 三种土壤的反射波谱曲线
图2-11 不同地物的反射特征
任何地物当温度高于绝对温度时，组成物质的原子、分子等微粒，在不停地做热运动，都有向周围空间辐射红外线和微波的能力。通常地物发射电磁辐射的能力以发射率作为衡量标准。地物的发射率以黑体辐射作为基准。
早在1860年基尔霍夫就提出用黑体这个词来描述能全部吸收入射辐射能量的地物。因此，黑体是一个理想的辐射体，也是一个可以与任何地物进行比较的最佳辐射体。黑体是“绝对黑体”的简称，是指在任何温度下，对于各种波长的电磁辐射的吸收系数恒等于1（100%）的物体。黑体的热辐射称为黑体辐射。显然，黑体的反射率为0，透射率也为0。
按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体，发射率为1；灰体，发射率小于1；选择性辐射体，反射率小于1，且随波长而变化（图2-12）。
图2-12 地物分类
自然界并不存在绝对黑体，通常将黑色无烟的烟煤近似看作是绝对黑体。
1.普朗克公式
1900年普朗克（Planck,M. ）用量子物理的新概念，推导出热辐射定律，可以用普朗克公式表示：
式中 W λ （ λ 、 T ）——光谱辐射通量密度，W·cm -2 ·μm -1 ;
λ ——波长，μm;
h ——普朗克常量 h =（6.6256±0.0005）×10 -34 W·s 2 ;
c ——光速3×10 10 cm / s;
T ——绝对温度，K;
k ——玻耳兹曼常量， k =（1.38054±0.00018）×10 -23 W·s·k -1 ;
e——自然对数的底，e=2.718。
普朗克公式表示出了黑体辐射通量密度与温度以及波长的关系，与实验求出的各种温度（如从200 K到6000 K）下的黑体辐射波谱曲线相吻合（图2-13），黑体辐射的三个特性：
①辐射通量密度随波长连续变化，每条曲线只有一个最大值。
②温度越高，辐射通量密度也越大，不同温度的曲线是不相交的。
③随着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移向短波方向。
图2-13 不同温度的黑体辐射
2.黑体辐射规律
1）斯忒藩-玻耳兹曼定律
经过试验证明，绝对黑体的总辐射通量密度 M ，随着物体温度的升高以4次方比例增大，也就是绝对黑体的总辐射通量密度 M 与黑体温度 T 的4次方成正比，即：
式中 M ——黑体总辐射通量密度，W·cm -2 ;
σ ——斯忒藩-玻耳兹曼常量， σ =（5.6697±0.0029）×10 -2 W·cm -2 ·k -4 。
根据斯忒藩-玻耳兹曼定律，黑体总辐射通量密度随温度的增加而迅速增大。因此，温度只要有微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化，在用红外装置测定温度时，就是以此定律作为理论依据的。
2）维恩位移定律
从图2-13可以看到，黑体温度越高，其曲线的峰顶就越往左移，即往波长短的方向移动，这个规律即维恩位移定律，其内容是黑体辐射光谱中最强辐射对应的波长 λ max 与黑体辐射绝对温度 T 成反比。满足公式：
式中 λ max ——辐射通量密度的峰值波长；
b ——常数， b =（2897.8±0.4）μm·K。
表2-2给出不同温度时 λ max 的数值。
表2-2 不同温度时黑体辐射的峰值波长
地球大气是由多种气体、固态及液态悬浮的微粒混合组成的。大气中的主要气体包括N 2 、O 2 、H 2 O、CO、CO 2 、N 2 O、CH 4 及O 3 。此外，悬浮在大气中的微粒有尘埃、冰晶、水滴等，这些分散在大气中的悬浮物所组成的气态分散系统称为气溶胶。以地表面为起点，在80 km以下的大气中，除H 2 O、O 3 等少数可变气体外，各种气体均匀混合，所占比例几乎不变，所以把80 km以下的大气层称为均匀层。在该层中大气物质与太阳辐射相互作用，是使太阳辐射衰减的主要原因。
遥感所涉及的空间范围包括地球的大气层和大气层外的宇宙空间。这里简单介绍地球的大气层和大气外层的宇宙空间的情况。
地球大气层包围着地球，大气层没有一个明确的界限，它的厚度一般取1000 km，大气在垂直地表方向上可分为：对流层、平流层、中气层、热层（也称增温层）和大气外层。
对流层：该层内经常发生气象变化，是现代航空遥感主要活动的区域。由于大气条件及气溶胶的吸收作用，电磁波传输受到影响。因此，在遥感中侧重研究电磁波在该层内的传输特性。
平流层：该层内电磁波的传输特性与对流层内的传输特性类似，只不过电磁波传输表现较为微弱，不同的是在该层内，没有明显的上下混合作用。
中气层：在该层内气温随高度增加而递减，大约在80 km处气温降到最低点，约170 K，是整个大气圈的最低气温。
热层：也称为增温层，该层内气温随高度增加而急剧增加。该层基本上是透明的，对遥感使用的可见光、红外直至微波波段的影响较小。该层中大气十分稀薄，处于电离状态，故也称为电离层，正因为如此，无线电波才能绕地球作远距离传播。热层受太阳活动影响较大，它是人造地球卫星绕地球运行的主要空间。
大气外层：离地面1000 km以上直至扩展到几万千米，与星际空间融合为一体。层内空气极为稀薄，并不断地向星际空间散逸，该层对卫星运行基本上没有影响。
太阳辐射进入地球之前必然通过大气层，太阳辐射与大气相互作用的结果，是使能量不断减弱。约有30%被云层和其他大气成分反射回宇宙空间；约有17%被大气吸收，约有22%被大气散射；而仅有约31%的太阳辐射辐射到地面。其中反射作用影响最大，由于云层的反射对电磁波各波段均有强烈影响，遥感信息的接收受到严重阻碍。因此目前在大多数遥感方式中，都只考虑无云天气情况下的大气散射、吸收的衰减作用，这样太阳辐射通过大气的透射率（τ）为：
式中（ α + γ ）——衰减系数，随波长不同而变化，总趋势是随波长的增大，大气衰减系数减少；
α ——大气中气体分子对太阳辐射的吸收系数；
γ ——大气中气体分子、液态和固体杂质等对太阳辐射的散射系数；
e——自然对数的底。
太阳辐射通过大气层时，大气层中某些成分会吸收部分太阳辐射，即把部分太阳辐射能转换为本身内能，使温度升高。由于各种气体及固体杂质对太阳辐射波长的吸收特性不同，所以有些波段能通过大气层到达地面，而另一些波段则全部被吸收不能到达地面。因此，产生了许多不同波段的大气吸收带。
氧（O 2 ）：大气中氧含量约占21%，它主要吸收波长小于0.2μm的太阳辐射能量，在波长0.155μm处吸收最强，由于氧的吸收，在低层大气内几乎观测不到波长小于0.2μm的紫外线，在0.6μm和0.76μm附近，各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。因此，在高空遥感中很少应用紫外波段。
臭氧（O 3 ）：大气中臭氧的含量很少，只占0.01%~0.1%，但吸收太阳辐射能量的能力很强。臭氧有两个吸收带，一个是波长0.2~0.36μm的强吸收带；另一个是波长为0.6μm附近的吸收带，该吸收带处于太阳辐射的最强部分，因此该带吸收最强。臭氧主要分布在30 km高度附近，因而对高度小于10 km的航空遥感影响不大，而主要对航天遥感有影响。
水（H 2 O）：水在大气中主要以气态和液态的形式存在，它是吸收太阳辐射能量最强的介质。从可见光、红外直至微波波段，到处都有水的吸收带，主要吸收带是处于红外和可见光中的红光波段，其中红外部分吸收最强。例如，在0.5~0.9μm有4个窄吸收带，在0.95~2.85μm有5个宽吸收带。此外，在6.25μm附近有个强吸收带。因此，水汽对红外遥感有很大影响，而水汽的含量随时间、地点而变化。液态水的吸收比水汽吸收更强，但主要是在长波方面。
二氧化碳（CO 2 ）：大气中二氧化碳含量很少，占0.03%，它的吸收作用主要在红外区内。例如，在1.35~2.85μm有3个宽弱吸收带。另外在2.7μm、4.3μm与14.5μm附近分别有一个强吸收带。由于太阳辐射在红外区能量很小，因此对太阳辐射而言，这一吸收带可忽略不计。
尘埃：它对太阳辐射也有一定的吸收作用，但吸收量很少，当有沙暴、烟雾和火山爆发等发生时，大气中尘埃急剧增加，这时它的吸收作用才比较显著。
大气中各种成分对太阳辐射吸收的明显特点，是吸收带主要位于太阳辐射的紫外和红外区，而对可见光区的吸收作用较小。但当大气中含有大量云、雾、小水滴时，由于大气散射使得可见光区受影响较大。散射不会将辐射能转变成质点本身的内能，而只改变电磁波传播的方向。大气散射作用使部分辐射方向改变，干扰了传感器的接收，降低了遥感数据的质量，造成影像的模糊，同时影响遥感资料的判读。
大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区。因此，大气对太阳辐射的散射是太阳辐射衰减的主要原因。根据辐射的波长与散射微粒的大小之间的关系，散射作用可分为三种：瑞利散射、米氏散射和非选择性散射。
1.瑞利散射
当微粒的直径 d 远小于辐射波长 λ （即 d < λ / 10）时，散射称为瑞利散射。其主要是由大气分子对可见光的散射引起的，所以瑞利散射也叫分子散射。由于散射系数与波长的4次方成反比，当波长大于1μm时，瑞利散射基本上可以忽略不计，如图2-14所示。因此红外线、微波可以不考虑瑞利散射的影响。但对可见光来说，由于波长较短，瑞利散射影响较大。如晴朗天空呈碧蓝色，就是大气中的气体分子把波长较短的蓝光散射到天空中的缘故。
图2-14 瑞利散射与波长
2.米氏散射
当微粒的直径与辐射光的波长差不多时（即 d ≈ λ ）发生的散射称为米氏散射，其主要是由大气中气溶胶所引起的。由于大气中云、雾等悬浮粒子的大小与0.76~15μm的红外线的波长相当，因此，云、雾对红外线的米氏散射是不可忽视的。
3.非选择性散射
当微粒的直径远大于波长时（即 d > λ ）所发生的散射称为非选择性散射。非选择性散射的强度与波长无关，即任何波长散射强度相同。如大气中的水滴、雾、烟、尘埃等气溶胶对太阳辐射的作用常为非选择性散射。云或雾之所以看起来是白色，是因为云或雾都是由比较大的水滴组成的，符合 d > λ ，它对各种波长的可见光散射均是相同的。对近红外、中红外波段来说，由于 d > λ ，所以属于非选择性散射，这种散射将使传感器接收到的数据严重衰减。
综上所述，太阳辐射的衰减主要是由散射造成的，散射衰减的类型与强弱主要和波长密切相关。在可见光和近红外波段，瑞利散射是主要的。当波长超过1μm时，可忽略瑞利散射的影响。米氏散射对近紫外到红外波段的影响都存在。因此，在短波范围内瑞利散射与米氏散射作用相当。但当波长大于0.5μm时，米氏散射超过了瑞利散射的影响。在微波波段，由于波长比云中小雨滴的直径还要大，所以小雨滴对微波波段的散射属于瑞利散射，因此，微波有极强的穿透云层的能力。红外辐射穿透云层的能力虽然不如微波，但比可见光的穿透能力大10倍以上。
太阳光通过大气要发生散射和吸收，地物反射光在进入传感器前，还要再经过大气并被散射和吸收，这将造成遥感图像的清晰度下降。所以在选择遥感工作波段时，必须考虑到大气层的散射和吸收的影响。
太阳辐射经过大气传输时，反射、吸收和散射共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。大气层的反射、散射和吸收作用使得太阳辐射的各波段受到衰减的程度不同，因而各波段的透射率也各不相同。电磁辐射与大气相互作用产生的效应，使得能够穿透大气的辐射，局限在某些波长范围内。通常把通过大气而较少被反射、吸收或散射的透射率较高的电磁辐射波段称为大气窗口（图2-15）。因此，遥感传感器选择的探测波段应在大气窗口之内，根据地物的光谱特性以及传感器技术的发展确定。
图2-15 大气窗口
目前使用（或试用）的探测波段，见表2-3。
表2-3 大气窗口与遥感光谱通道
续表
地物发射或反射光谱特性受到一系列因素的影响。
1.与地物的物理性状有关
从地物反射光谱特性来说，电磁波从某一地物反射的强度（包括可见光、近红外波段的光谱反射率）与地物的物理性状（如地物表面的颜色、粗糙度、风化状况及含水分情况等）有关。例如，同一地区的红色砂岩，由于它的风化程度和含水量不同，其反射光谱特性有所差异。风化作用能够引起岩石表面粗糙度和颜色的改变，多数岩石因风化作用表面粗糙度增加或表面颜色变深，导致它们在可见光、近红外波段的光谱反射率下降，下降的幅度随岩石不同而不同。在潮湿条件下，新鲜面红色砂岩的反射率大于风化面的反射率。而干燥条件下，其反射率变化恰好相反。如未经变质的玄武岩，由于风化作用，表面粗糙反而降低或表面颜色变浅，从而导致反射率增加。地物表面含水量是影响地物的可见光、近红外反射光谱特性的重要因素。含水量增加导致地物反射率严重下降。在可见光波段的短波部分，湿的红色砂岩反射率下降幅度比较小，而在近红外波段湿的红色砂岩反射率下降幅度明显增大。
2.与光源的辐射强度有关
地物的反射光谱强度与光源的辐射强度有关。同一地物的反射光谱强度，由于它所处的纬度和海拔高度不同有所差异。太阳是最主要的自然辐射源，在不同纬度上，由于太阳高度不同，照射强度不同，地物反射强度也有差异。同时，海拔高度会影响到太阳光穿过大气的厚度，也会使地物反射光谱发生变化。
3.与季节有关
同一地物在同一地点的反射光谱强度，由于季节不同而有所差异。因为季节不同，太阳高度角也不相同，太阳光到地表面的距离也有所不同。这样，地面所接收到太阳光的能量和反射能量也随之不同。因此，同一地物在不同地区或不同季节，虽然它们的反射光谱曲线大体相似，但其反射率值却有所不同。
4.与探测时间有关
同一地物，由于探测时间不同，其反射率也不同。一般来说，中午测得的反射率大于上午或下午测得的反射率。因此，在进行地物光谱测试中，必须考虑“最佳时间”，以便将由于光照几何条件改变而产生的变异控制在允许范围内。
5.与气象条件有关
同一地物在不同天气条件下，其反射光谱曲线也不一样，一般来说，晴天测得的反射率大于阴天测得的反射率。
总之，地物的光谱特性受到一系列因素的影响和干扰，在应用和分析时，应特别注意这些变化。