第2章 电磁辐射与地物光谱物征
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第二章 电磁辐射与地物波谱特征
29
→
§2.太阳辐射和地球辐射
太阳是太阳系唯一的恒星，它集中了太阳系 99.865%的质量。太阳是一个炽热的气体星球，没 有固体的星体或核心。太阳从中心到边缘可分为 核反应区、辐射区、对流区和大气层。其能量的 99%是由中心的核反应区的热核反应产生的。太阳 中心的密度和温度极高。太阳大气的主要成分是 氢（质量约占71%）与氦（质量约占27%）。
偏振面
E 电场，M 磁场，C 传播方向
4
电磁波特性
波动性
1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的 理论。 光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、 偏振、反射、折射。
粒子性
1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论， 1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于 光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时 表现出粒子性，如光的反射、吸收、散射。
太阳辐射接近于温度为6000K的黑体辐射，最大辐射的对应波长为 0.47µm，地球辐射接近于温度为300K的黑体辐射，最大辐射的对应波 长为9.66 µm，二者相差较远； 太阳辐射主要集中于波长较短的部分，从紫外、可见光到近红外区域， 即0.3-2.5 µm，在这一波段地球的辐射主要是反射太阳的辐射。 地球自身发出的辐射 主要集中在波长较长的 部分，即6 µm以上的热 红外区段。 在2.5-6 µm的中红外 波段，地球对太阳辐照 的反射和地表物体自身 的热辐射均不能忽略。 （重叠区）
12
二、电磁辐射的测量
Concept of Radiant Flux Density
Radiant flux, Φ
辐射通量密度 （radiant flux density）
Irradiance
→
§2.太阳辐射和地球辐射
太阳是太阳系唯一的恒星，它集中了太阳系 99.865%的质量。太阳是一个炽热的气体星球，没 有固体的星体或核心。太阳从中心到边缘可分为 核反应区、辐射区、对流区和大气层。其能量的 99%是由中心的核反应区的热核反应产生的。太阳 中心的密度和温度极高。太阳大气的主要成分是 氢（质量约占71%）与氦（质量约占27%）。
偏振面
E 电场，M 磁场，C 传播方向
4
电磁波特性
波动性
1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的 理论。 光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、 偏振、反射、折射。
粒子性
1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论， 1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于 光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时 表现出粒子性，如光的反射、吸收、散射。
太阳辐射接近于温度为6000K的黑体辐射，最大辐射的对应波长为 0.47µm，地球辐射接近于温度为300K的黑体辐射，最大辐射的对应波 长为9.66 µm，二者相差较远； 太阳辐射主要集中于波长较短的部分，从紫外、可见光到近红外区域， 即0.3-2.5 µm，在这一波段地球的辐射主要是反射太阳的辐射。 地球自身发出的辐射 主要集中在波长较长的 部分，即6 µm以上的热 红外区段。 在2.5-6 µm的中红外 波段，地球对太阳辐照 的反射和地表物体自身 的热辐射均不能忽略。 （重叠区）
12
二、电磁辐射的测量
Concept of Radiant Flux Density
Radiant flux, Φ
辐射通量密度 （radiant flux density）
Irradiance
第二章_电磁辐射与地物光谱特征
二、电磁波谱
按电磁波波长的长短（或频率的大小）， 依次排列制成的图表称电磁波谱。
三、遥感应用电磁波段
紫外线、可见光、红外线、微波
遥感应用各电磁波波长
紫外线
波长范围为0.01-0.4μm。太阳辐射含有紫外线， 通过大气层时，波长短于 0.3μm的能量几乎都被 吸收，只有0.3- 0.4μm波长到达地面。 主要用于测定碳酸盐岩分布，碳酸盐岩对紫外线 的反射比其它类型的岩石要强。另外，紫外线对 水面飘浮的油膜比周围的水面反射强烈，因此可 以用于油污染的监测。
黑体：
绝对黑体，指能够将外来辐射能量全部吸收的物体。
发射率：地物单位面积上发射（辐射）能量M与同一温度下同 面积黑体发射能量M黑之比值。即：ε=M/M黑
反射率：地物的反射能量与入射总能量之比。
透射率：地物的透射度与其表面的辐照度之比。 吸收率：地物的吸收度与其表面的辐照度之比。
一、热辐射基本定律
1.3-2.5μm：
近红外波段的中段。仍属于地物反射光谱，但不 能用胶片摄影，仅能用光谱仪和扫描仪来记录地 物的电磁波信息。透射率都接近80％。
目前近红外窗口应用不多，但在某些波段对区分 蚀变岩石有较好的效果，因此在遥感地质应用方 面很有潜力。TM设有1.55-1.75μm和2.082.35μm两个波段。
2）大气的散射作用
大气散射集中于可见光区，是太阳辐射能衰减的 主要原因。散射的强弱可用散射系数表示：
ϕ为波长的指数，它由微粒直径（d）的大小决定。
根据波长与散射微粒的大小之间的关系，散射可 分为三种：
瑞利散射
当大气微粒的直径（d）比辐射波长（λ）小得多 时，即：当d＜λ/10时，ϕ＝4，发生的散射称瑞 利散射。
任何地物当温度高于绝对温度0K时，就存在着分子运 动，不断地向外发射电磁波。实际上，世界上任何物体的 温度都高于0K（0K=273.15℃）。所以，任何物体都有热 辐射。 地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地物 的发射率是以黑体辐射作为参照标准。 物体根据吸收率的大小分为：黑体、灰体、选择性辐射体。 黑体：其ελ＝ε=1，不随波长变化。 灰体：其ελ ＝ε=常数＜1(因而吸收率α＜1，ε不随波 长变化。 选择性辐射体：其ελ随波长而变化，而且ελ ＜1（因 而吸收率a也随波长变化，并且a＜1。
第二章_电磁辐射与地物光谱特性
第二章遥感物理基础—电磁辐射和地物光谱特征本章主要内容电磁波与电磁波谱地物的光谱特性大气和环境对遥感的影响一、电磁辐射电磁辐射1.电磁波波 :振动在空间的传播电磁波（ElectroMagnetic Spectrum） :电磁振荡电磁波（在空间的传播。
电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：当电磁振荡进入空间时，变化的磁场激发了变化的电场，使电磁振荡在空间传播，形成电磁波，也称电磁辐射。
电磁波是横波真空中以光速传播：C = fλ电磁波具有波粒二象性：电磁波具有波粒二象性：电磁波在传播波粒二象性过程中，主要表现为波动性；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，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。
这就是电磁波的波粒二象性。
波动性：波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，播的，因此具有波动性粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运电磁波的粒子性，动。
电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性a.波动性干涉衍射偏振现象时空周期性波函数波动性 ?产生感光作用与生理作用的是电场强度矢量光矢量产生感光作用与生理作用的是电场强度矢量E(光矢量产生感光作用与生理作用的是电场强度矢量光矢量) ?如果光矢量在某个固定平面内只沿一个固定方向作振如果光矢量在某个固定平面内只沿一个固定方向作振则这种光被称为偏振光. 动,则这种光被称为偏振光则这种光被称为偏振光 ?微波技术中称偏振为”极化”微波技术中称偏振为极化”(波长越长，偏振现象越显著波长越偏振现象越显著)电磁波遇到有限大小的障碍物时,能够绕过障碍物而弯电磁波遇到有限大小的障碍物时, 电磁波遇到有限大小的障碍物时曲地向障碍物的后面传播. 曲地向障碍物的后面传播. 把这种通过障碍物边缘改变传播方向的现象, 传播方向的现象,称为电磁波的衍射.最小分辨角: 最小分辨角θ = 1.22λd(对设计遥感器的空间分辨率具有重要意义) 率具有重要意义)b. 粒子性光子微粒流的有规律运动能量: E= h f 能量h 普朗克常数 6.6260755×10-34J/s f 频率λ波长粒子导致散射作用，引起强度、方向变化粒子导致散射作用，引起强度、c.叠加原理叠加原理(干涉) 干涉当两列波在同一空间传播时，当两列波在同一空间传播时，空间上各点的振动为各列波单独振动的合成。
最新二章电磁辐射与地物光谱特征
热红外采用的是热感应方式，其主要传 感器是辐射计。
4）微波
无线电波的一种，常用波段为3cm、5cm、 10cm，为主动式遥感。
（二）电磁辐射
任何物体都是辐射源，不仅能够吸收其 它物体对它的辐射，也能够向外辐射。 因此对辐射源的认识不仅限于太阳、炉 子等发热发光的物体，能发出紫外线、x 射线、γ射线、微波等的物体也是辐射源， 只是辐射强度和波长不同而已。
大气层中的气体分子、水滴和尘埃等粒 子，除了对太阳光产生反射作用外，还 有选择性的吸收作用。各种气体分子和 粒子对太阳辐射波长的吸收特性不同， 因此有些波段范围能透过大气层到达地 球表面，有些则全部被吸收，不能到达 地球表面，因此了解这些知识对我们研 制传感器有重要意义（为什么）。
具体吸收情况见P28页。
1、0.3—1.3 μm（紫外、可见光、近红外） 这一波段是摄影成像的最佳波段，也是 许多卫星传感器扫描成像的常用波段。 如Landsat1-4波段
TM1（0.45—0.52） 蓝M3（0.63—0.69） 红光波段
TM4（0.76—0.90） 近红外波段
电磁波传递就是电磁能量的传递，遥感 对电磁波的探测实际上是对物体辐射能 量的测定。
二、太阳辐射与大气窗口
（一）太阳辐射
太阳辐射的电磁波到达地球表面大概需要8分 钟，地球周围存在着很厚的大气层，太阳光照 射到地球表面之前，必须穿过大气层。这样太 阳光在大气层中遇到各种气体分子、水滴和尘 埃时会受到干扰，一部分光被反射回宇宙空间， 一部分光被吸收，一部分光被散射，因此到达 地球表面的太阳辐射仅占31%，再除掉被植物 光合作用消耗的能量，遥感接受和记录的就是 剩下的这部分能量。
3、大气层的散射作用
散射作用不像质点的吸收作用那样把太 阳能转换为自身内能，而是只改变太阳 辐射的方向，使其围绕质点向四周传射， 因此这部分散射光和地物的反射光一起 进入传感器，对影象造成影响。
4）微波
无线电波的一种，常用波段为3cm、5cm、 10cm，为主动式遥感。
（二）电磁辐射
任何物体都是辐射源，不仅能够吸收其 它物体对它的辐射，也能够向外辐射。 因此对辐射源的认识不仅限于太阳、炉 子等发热发光的物体，能发出紫外线、x 射线、γ射线、微波等的物体也是辐射源， 只是辐射强度和波长不同而已。
大气层中的气体分子、水滴和尘埃等粒 子，除了对太阳光产生反射作用外，还 有选择性的吸收作用。各种气体分子和 粒子对太阳辐射波长的吸收特性不同， 因此有些波段范围能透过大气层到达地 球表面，有些则全部被吸收，不能到达 地球表面，因此了解这些知识对我们研 制传感器有重要意义（为什么）。
具体吸收情况见P28页。
1、0.3—1.3 μm（紫外、可见光、近红外） 这一波段是摄影成像的最佳波段，也是 许多卫星传感器扫描成像的常用波段。 如Landsat1-4波段
TM1（0.45—0.52） 蓝M3（0.63—0.69） 红光波段
TM4（0.76—0.90） 近红外波段
电磁波传递就是电磁能量的传递，遥感 对电磁波的探测实际上是对物体辐射能 量的测定。
二、太阳辐射与大气窗口
（一）太阳辐射
太阳辐射的电磁波到达地球表面大概需要8分 钟，地球周围存在着很厚的大气层，太阳光照 射到地球表面之前，必须穿过大气层。这样太 阳光在大气层中遇到各种气体分子、水滴和尘 埃时会受到干扰，一部分光被反射回宇宙空间， 一部分光被吸收，一部分光被散射，因此到达 地球表面的太阳辐射仅占31%，再除掉被植物 光合作用消耗的能量，遥感接受和记录的就是 剩下的这部分能量。
3、大气层的散射作用
散射作用不像质点的吸收作用那样把太 阳能转换为自身内能，而是只改变太阳 辐射的方向，使其围绕质点向四周传射， 因此这部分散射光和地物的反射光一起 进入传感器，对影象造成影响。
2 第二章 电磁辐射与地物光谱特征
遥感导论
第二章 电磁辐射与地物
光谱特征
文 管理学院 力 地理科学系
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
本章主要内容
电磁波与电磁波谱 地物的光谱特性 大气和环境对遥感的影响
§2.1 电磁波谱与电磁辐射
电磁波
– 波：振动的传播称为波。
纵波：如果质点的振动方向与波的传播方向相同，称纵波。 横波：若质点的振动方向与波的传播方向垂直，称横波。
§2.1 电磁波谱与电磁辐射
辐射源：能够向外辐射电磁波的物体。任何物体都能够吸收
其他物体对它的辐射，也能向外辐射电磁波。
太阳辐射——可见光及红外遥感的重要辐射源 自然辐射源 地球电磁辐射——远红外遥感的辐射源
人工辐射源——人为发射，如雷达（微波雷达辐射源，激光雷达辐射源）
§2.1 电磁波谱与电磁辐射
§2.1.3 黑体辐射 2.黑体辐射规律
(2)玻耳兹曼定律
Stefan-Boltzmann‘s law ：即黑体总 辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成 正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很 大的变化。是红外装臵测定温度的理论基础。
M=σT4
σ为玻尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W·-2· -4 m K
电磁波谱
–将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制 成的图表。
–按照波长递增频率递减的顺序可以划分为：γ射线、 χ射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。
–遥感中多使用可见光、红外和微波波段。
§2.1 电磁波谱与电磁辐射
紫外线 波长：0.01~0.38μm 特征：1.对紫外线吸收较强。 2.能使溴化银底片感光。 应用：1.用于测定碳酸岩的分布。 2.用于油污检测。
第二章 电磁辐射与地物
光谱特征
文 管理学院 力 地理科学系
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
本章主要内容
电磁波与电磁波谱 地物的光谱特性 大气和环境对遥感的影响
§2.1 电磁波谱与电磁辐射
电磁波
– 波：振动的传播称为波。
纵波：如果质点的振动方向与波的传播方向相同，称纵波。 横波：若质点的振动方向与波的传播方向垂直，称横波。
§2.1 电磁波谱与电磁辐射
辐射源：能够向外辐射电磁波的物体。任何物体都能够吸收
其他物体对它的辐射，也能向外辐射电磁波。
太阳辐射——可见光及红外遥感的重要辐射源 自然辐射源 地球电磁辐射——远红外遥感的辐射源
人工辐射源——人为发射，如雷达（微波雷达辐射源，激光雷达辐射源）
§2.1 电磁波谱与电磁辐射
§2.1.3 黑体辐射 2.黑体辐射规律
(2)玻耳兹曼定律
Stefan-Boltzmann‘s law ：即黑体总 辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成 正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很 大的变化。是红外装臵测定温度的理论基础。
M=σT4
σ为玻尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W·-2· -4 m K
电磁波谱
–将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制 成的图表。
–按照波长递增频率递减的顺序可以划分为：γ射线、 χ射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。
–遥感中多使用可见光、红外和微波波段。
§2.1 电磁波谱与电磁辐射
紫外线 波长：0.01~0.38μm 特征：1.对紫外线吸收较强。 2.能使溴化银底片感光。 应用：1.用于测定碳酸岩的分布。 2.用于油污检测。
二章电磁辐射与地物光谱特征-资料
1.3-2.5μm：
近红外波段的中段。仍属于地物反射光谱，但不 能用胶片摄影，仅能用光谱仪和扫描仪来记录地 物的电磁波信息。透射率都接近80％。
厦门理工学院空间信息科学与工程系
第二章 电磁辐射与地物光谱特征 《遥感导论》课件
目前近红外窗口应用不多，但在某些波段对区分 蚀变岩石有较好的效果，因此在遥感地质应用方 面很有潜力。TM设有1.55-1.75μm和2.082.35μm两个波段。
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第二章 电磁辐射与地物光谱特征 《遥感导论》课件
厦门理工学院空间信息科学与工程系
第二章 电磁辐射与地物光谱特征 《遥感导论》课件
氧（O2）：
在波长0.155μm处吸收最强。在低层大气内几乎 观测不到小于0.2μm的太阳辐射，在0.69μm 和.76μm附近，各有一个窄吸收带。
厦门理工学院空间信息科学与工程系
第二章 电磁辐射与地物光谱特征 《遥感导论》课件
2）大气的散射作用
大气散射集中于可见光区，是太阳辐射能衰减的 主要原因。散射的强弱可用散射系数表示：
ϕ为波长的指数，它由微粒直径（d）的大小决定。
根据波长与散射微粒的大小之间的关系，散射可 分为三种：
厦门理工学院空间信息科学与工程系
厦门理工学院空间信息科学与工程系
一、电磁波
第二章 电磁辐射与地物光谱特征 《遥感导论》课件
1 概念：
电磁波是交变电场和磁场
在空中的转化和传播 2 特点：
电磁波是横波，传播速度为光速 有反射、吸收、透射、散射等。
厦门理工学院空间信息科学与工程系
第二章 电磁辐射与地物光谱特征 《遥感导论》课件
二、电磁波谱
0.8-25cm：
微波窗口，属于发射光谱范围。不受大气干扰， 透射率可达100％，是全天候的遥感波段。
近红外波段的中段。仍属于地物反射光谱，但不 能用胶片摄影，仅能用光谱仪和扫描仪来记录地 物的电磁波信息。透射率都接近80％。
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第二章 电磁辐射与地物光谱特征 《遥感导论》课件
目前近红外窗口应用不多，但在某些波段对区分 蚀变岩石有较好的效果，因此在遥感地质应用方 面很有潜力。TM设有1.55-1.75μm和2.082.35μm两个波段。
厦门理工学院空间信息科学与工程系
第二章 电磁辐射与地物光谱特征 《遥感导论》课件
厦门理工学院空间信息科学与工程系
第二章 电磁辐射与地物光谱特征 《遥感导论》课件
氧（O2）：
在波长0.155μm处吸收最强。在低层大气内几乎 观测不到小于0.2μm的太阳辐射，在0.69μm 和.76μm附近，各有一个窄吸收带。
厦门理工学院空间信息科学与工程系
第二章 电磁辐射与地物光谱特征 《遥感导论》课件
2）大气的散射作用
大气散射集中于可见光区，是太阳辐射能衰减的 主要原因。散射的强弱可用散射系数表示：
ϕ为波长的指数，它由微粒直径（d）的大小决定。
根据波长与散射微粒的大小之间的关系，散射可 分为三种：
厦门理工学院空间信息科学与工程系
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一、电磁波
第二章 电磁辐射与地物光谱特征 《遥感导论》课件
1 概念：
电磁波是交变电场和磁场
在空中的转化和传播 2 特点：
电磁波是横波，传播速度为光速 有反射、吸收、透射、散射等。
厦门理工学院空间信息科学与工程系
第二章 电磁辐射与地物光谱特征 《遥感导论》课件
二、电磁波谱
0.8-25cm：
微波窗口，属于发射光谱范围。不受大气干扰， 透射率可达100％，是全天候的遥感波段。
第二章电磁辐射与地物光谱特征
• 特点：同一地物在不同的波长具有不同的反射 率；地物的不同反射率是可以测定的；反射率 与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关；同 一波长，不同地物，其反射率不同。但是也会 存在同物异谱和异物同谱的现象。
ρ=Pρ/P0
镜面反射
漫反射
实际反射
• 镜面反射：也叫规则反射，入射角与反射角相等， 发生在平静水面、金属面等，常出现在航空遥感中
瑞利散射d入i入44大气中原子和分子可见光米氏散射d入i入22微粒红外线无选择性散射d入ii与入无关大气散射大气上界地平面太阳高度角大气折射后太阳高度角0折射值0大气折射大气窗口?通常把电磁波通过大气层时较少被反射吸收或散射的透过率较高的波段称为大气窗口
第二章 电磁辐射与地物的光谱特征
贺巧宁
主要内容：
2.2.2 大气对辐射的影响
• 1.大气分层和组成 • 2.大气吸收 • 3.大气散射 • 4.大气折射 • 5.大气反射
• 6.大气窗口
• 7.大气透射分析
外 35000 大 气 1000 层
通讯卫星,气象卫星36000km
质子层
氦层
散逸层
80
电 F电离层 热 离 层 E电离层 层 中间层 平 暖 流 层 O3层 层 同温层
的入北max =0.35 μm,试计算太阳和北极星 的表面温度及每单位表面积上所发射出的功率 是多少?
2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响
• 2.2.1 太阳辐射
• 2.2.2 大气对辐射的影响
2.2.1 太阳辐射
• 1.太阳常数:是指在不受大气影响,在距 离太阳一个天文单位内,垂直于太阳光辐 射方向上,单位面积单位时间黑体所接收 的太阳辐射能量.I⊙= 1.360x103W/m2 • 2.太阳光谱
ρ=Pρ/P0
镜面反射
漫反射
实际反射
• 镜面反射：也叫规则反射，入射角与反射角相等， 发生在平静水面、金属面等，常出现在航空遥感中
瑞利散射d入i入44大气中原子和分子可见光米氏散射d入i入22微粒红外线无选择性散射d入ii与入无关大气散射大气上界地平面太阳高度角大气折射后太阳高度角0折射值0大气折射大气窗口?通常把电磁波通过大气层时较少被反射吸收或散射的透过率较高的波段称为大气窗口
第二章 电磁辐射与地物的光谱特征
贺巧宁
主要内容：
2.2.2 大气对辐射的影响
• 1.大气分层和组成 • 2.大气吸收 • 3.大气散射 • 4.大气折射 • 5.大气反射
• 6.大气窗口
• 7.大气透射分析
外 35000 大 气 1000 层
通讯卫星,气象卫星36000km
质子层
氦层
散逸层
80
电 F电离层 热 离 层 E电离层 层 中间层 平 暖 流 层 O3层 层 同温层
的入北max =0.35 μm,试计算太阳和北极星 的表面温度及每单位表面积上所发射出的功率 是多少?
2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响
• 2.2.1 太阳辐射
• 2.2.2 大气对辐射的影响
2.2.1 太阳辐射
• 1.太阳常数:是指在不受大气影响,在距 离太阳一个天文单位内,垂直于太阳光辐 射方向上,单位面积单位时间黑体所接收 的太阳辐射能量.I⊙= 1.360x103W/m2 • 2.太阳光谱
第2章电磁辐射地物光谱特征
大连市建成区及周边地表温度分布图
六、地物的反射波谱特征
1）地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改变 而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物波谱。 地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表 现。
2）地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波响应 的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的基 础。 3）太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收， 一部分透射，即：
电磁波谱
4、遥感技术使用的电磁波分类
名称和波长（λ）范围： 名称 紫外线 可见光 波长范围 0.01 ---- 0.38 0.38 ---- 0.76 μｍ μｍ
近红外
中红外 远红外
0.76 ---- 3.0
3.0 6.0 ---- 6.0 ---- 15.0
μｍ
μｍ μｍ
超远红外
微 波 无线电波
大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3
µ m的电磁波 具有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐射 中，已不存在小于0.3 µ m 的短波辐射。 的气体，其中作用最为显著的有臭氧，二氧化碳，甲 烷和水汽
真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量
O 吸收波长<0.2μm
O3 吸收紫外光 CO2、H2O 吸收红外及长波
2）大气散射
辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生
改变，向各个方向散开，称散射。
太阳辐射通过大气二次影响增加了信号中的噪声
成分，造成遥感图像质量的下降。
大气散射的三种情况：
瑞利散射：当大气中粒子的直径比波长小得多时
发生的散射；主要由大气中的原子和分子引起。
散射强度与波长的四次方成反比。
----天为什么是蓝的？朝霞和夕阳偏橘 红色？
遥感导论：第二章 电磁辐射与地物波谱特征
二、电磁波谱
1. 电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其长
短，依次排列制成的图表。
在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其次是 红外线、可见光、紫外线、X射线；波长最短的是γ
射线
电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。
无线电波是振荡电路中自由电子作周期性的运动产生 的．红外线是由于分子的振动和转动能级跃迁时产生的.可 见光、紫外线是原子外层电子受激发产生的． X射线是原 子内层电子受激发产生的．γ射线是原子核受激发产生的．
• 遥感技术得以实现的基础就是不同地物具有不 同的吸收、反射和发射电磁辐射能力。
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
本章主要内容
➢ 电磁波谱与电磁辐射 ➢ 太阳辐射及大气对辐射的影响 ➢ 地球的辐射与地物波谱
第一节 电磁波谱与电磁辐射
❖电磁波及其特性 ❖电磁波谱 ❖电磁辐射的度量 ❖黑体辐射
一、电磁波及其特性
3．偏振 （Polarization）
通常把电场振动方向的平面称为偏振面。若偏振面方向固定， 不随时间而改变，则为线性偏振（线性极化或平面极化）。沿一个固 定方向振动的光为偏振光。
一些人造“光源”（如激光和无线电、雷达发射）常有明确的极 化状态；太阳光是非偏振光（所有方向的振幅相等，无一优势方向）； 介于两者之间的为部分偏振光--许多散射光、反射光、透射光均属 此类。
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 Asint kx ；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。
❖ 波动性：把电磁振动的传播作为光滑连续的波对待， 用波长、频率、振幅等来描述。
❖ 粒子性：把电磁辐射能分解为非常小的微粒子---光 子，其能量大小用频率来描述。
遥感原理与应用 2电磁辐射与地物光谱特征
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15
地物反射波谱特征
– 太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收， 一部分透射，即：
到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量
– 地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。
– 物体的反射
• 实际物体的反射方式：介于镜面反射和漫反射之间。
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紫外线
10-3 ~ 3.8×10-1μm
X射线
10-6 ~ 10-3μm
γ射线
小于10-6μm
①也有人将0.76—15μm看作近红外，将15—1000μm看作远红外。
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4
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5
电磁辐射的度量
– 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。
– 辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改 变，并向各个方向散开，称散射。
– 散射只改变辐射传播的方向，增加了信号中噪 声的成分，造成遥感图像质量下降。
– 大气发生的散射主要有三种：
• 瑞利散射：d <<λ （ N2、CO2、O3、O2等对可见光的散射） • 米氏散射：d ≈λ （如云雾对红外线的散射） • 非选择性散射：d >>λ （如云雾对可见光的散射）
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12
大气窗口
– 对于传感器而言，只能选择透过率高的波段才 有意义。
– 通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收 或散射的透过率较高的波段称为大气窗口。
大气窗口
紫外 可见光 近红外 近红外 近-中红外
波段
0.3~1.3 μm
1.5~1.8 μm 2.0~2.5 μm
第二章电磁辐射与地物波谱特征
第二章电磁辐射与地物波谱特征电磁辐射（Electromagnetic Radiation）是一种包括可见光、红外线、紫外线、无线电波等各种波长的能量传播方式。
它是电磁场在空间中传播形成的波动现象。
地物波谱特征则是指地球表面物体在不同波长的电磁辐射下所表现出的不同特征。
电磁辐射具有波动性和小粒子性的双重本质，速度等物理特性由自由空间的固有性质决定。
它在空间中的传播速度近似为光速，即每秒约30万公里。
电磁辐射的波长与频率呈反比关系，波长越长频率越低，波长越短频率越高。
根据波长的不同，电磁辐射被分为不同的区域，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。
地物波谱特征是指地球表面物体在不同波长的电磁辐射下所表现出的不同特征。
不同物体对电磁辐射的散射、吸收和反射特性不同，因此它们在不同波长下的反射率也会有所差异。
通过对这些反射率的观测和分析，可以研究地球表面的物质组成和结构。
在可见光波段下，地物的颜色和明暗程度是反射率的重要特征。
例如，植被通常呈现绿色，因为植被对绿色光的吸收率较低，反射率较高。
而水体则呈现蓝色，因为水对蓝色光的吸收较少，反射率较高。
在红外线波段下，地物的辐射特征主要与物体的温度有关。
根据斯特藩-玻尔兹曼定律，物体的辐射功率与温度的四次方成正比。
因此，相同温度下的物体，辐射功率也会有所差异。
通过红外线遥感技术，可以测量物体的表面温度，以及区分不同物体的各个部分的温度差异。
在微波和雷达波段下，地物的散射特征是研究的重点。
微波和雷达波可以穿透云层和雾霾，因此在大气透明波段具有独特的优势。
微波与地物的相互作用主要是散射和吸收。
地面、植被和建筑物等物体对微波有不同的散射特征，可以通过微波遥感技术获取地物的三维结构信息。
总之，电磁辐射与地物波谱特征密切相关。
通过对不同波长电磁辐射的观测和分析，可以研究地球表面的物质组成、结构和温度等特征。
这对于遥感技术的应用具有重要意义，可以广泛应用于气候变化、环境保护、资源调查和自然灾害监测等领域。
遥感概论课件第二章 电磁辐射与地物光谱特征
.
3. 电磁波谱：
按照电磁波的波长 （频率的大小）长短， 依次排列构成的图表，
构谱列成 ，以电可频磁 以率波划从谱分高。为到该Y低射波排线、表2 x射线、紫外线、见光、1 红外线、无线电波。 电 在真空状态下频率f与 磁 波电是磁 渐长波变λ之谱 的积区，等段一于的般光界按速线产c。波谱
辐射亮度（L）：假定有一辐射 源呈面状，向外辐射的强度随辐 射方向而不同，则L定义为辐射 源在某一方向，单位投影表面， 单位立体角内的辐射通量。
朗伯源：辐射亮度L与观察角θ无关的辐射源，称为朗伯源。一 些粗糙的表面可近似看作朗伯源。涂有氧化镁的表面也可近似 看成朗伯源．常被用作遥感光谱测量时的标准板。太阳通常近 似地被看成朗伯源，使对太阳辐射的研究简单化。严格地说， 只有绝对黑体才是朗伯源。
2.2 太阳辐射及大气对辐射的
影响
太阳是被动遥感最主要的辐射源，太阳 辐射有时习惯称作太阳光，太阳光通过 地球大气照射到地而，经过地面物体反 射又返回，再经过大气到达传感器，这 时传感器探测到的辐射强度与太阳辐射 到达地球大气上空时的辐射强度相比， 已有了很大的变化，包括入射与反射后 二次经过大气的影响和地物反射的影响。 本节主要讨论大气的影响。
(,T)M (,T)M b(,T)
基尔霍夫定律表现了实际物体的辐射出射度Mi与同一温度、 同一波长的绝对黑体辐射出射度的关系， α 为吸收系数（1> α >0）。
把实际物体看作辐射源，研究其辐射特性，将其与绝对黑体进 行比较。首先，研充实际物体在单位光谱区间内的辐射出射度M 与吸收系数αλ的关系。假定有一封闭的空腔(图2．8)．腔内有四 个物体B0，B1，B2，B3，首先腔内为真空，腔内能量交换不可 能通过传导和对流进行，只能以辐射方式完成。其次, 空腔内保 持恒温不变，因此，每个物体向外辐射和吸收的能量必然相等， 即
3. 电磁波谱：
按照电磁波的波长 （频率的大小）长短， 依次排列构成的图表，
构谱列成 ，以电可频磁 以率波划从谱分高。为到该Y低射波排线、表2 x射线、紫外线、见光、1 红外线、无线电波。 电 在真空状态下频率f与 磁 波电是磁 渐长波变λ之谱 的积区，等段一于的般光界按速线产c。波谱
辐射亮度（L）：假定有一辐射 源呈面状，向外辐射的强度随辐 射方向而不同，则L定义为辐射 源在某一方向，单位投影表面， 单位立体角内的辐射通量。
朗伯源：辐射亮度L与观察角θ无关的辐射源，称为朗伯源。一 些粗糙的表面可近似看作朗伯源。涂有氧化镁的表面也可近似 看成朗伯源．常被用作遥感光谱测量时的标准板。太阳通常近 似地被看成朗伯源，使对太阳辐射的研究简单化。严格地说， 只有绝对黑体才是朗伯源。
2.2 太阳辐射及大气对辐射的
影响
太阳是被动遥感最主要的辐射源，太阳 辐射有时习惯称作太阳光，太阳光通过 地球大气照射到地而，经过地面物体反 射又返回，再经过大气到达传感器，这 时传感器探测到的辐射强度与太阳辐射 到达地球大气上空时的辐射强度相比， 已有了很大的变化，包括入射与反射后 二次经过大气的影响和地物反射的影响。 本节主要讨论大气的影响。
(,T)M (,T)M b(,T)
基尔霍夫定律表现了实际物体的辐射出射度Mi与同一温度、 同一波长的绝对黑体辐射出射度的关系， α 为吸收系数（1> α >0）。
把实际物体看作辐射源，研究其辐射特性，将其与绝对黑体进 行比较。首先，研充实际物体在单位光谱区间内的辐射出射度M 与吸收系数αλ的关系。假定有一封闭的空腔(图2．8)．腔内有四 个物体B0，B1，B2，B3，首先腔内为真空，腔内能量交换不可 能通过传导和对流进行，只能以辐射方式完成。其次, 空腔内保 持恒温不变，因此，每个物体向外辐射和吸收的能量必然相等， 即
第二章电磁辐射与地物光谱特征
第二章电磁辐射与地物光谱特征第二章电磁辐射与地物光谱特征02107021 张波一、名词解释：1 遥感：在不接触的情况下，对目标或自然现象远距离感知的一门探测技术。
2、后向散射：在两个均匀介质的分界面上，当电磁波从一个介质中入射时，会在分界面上产生散射，这种散射叫做表面散射。
在表面散射中，散射面的粗糙度是非常重要的，所以在不是镜面的情况下必须使用能够计算的量来衡量。
通常散射截面积是入射方向与散射方向的函数，而在合成孔径雷达及散射计等遥感器中，所观测的散射波的方向是入射方向，这个方向上的散射就称作后向散射3、电磁波：当电磁振荡进入空间，变化的磁场激发了涡旋电场，变化的电场又激发了涡旋磁场，使电磁振荡在空间传播，这就是电磁波。
4电磁波谱：把各种电磁波按照波长或频率的大小依次排列，就形成了电磁波谱。
5绝对黑体：能够完全吸收任何波长入射能量的物体6、瑞利散射：当大气中的粒子的直径比波长小得多时发生的散射。
这种散射主要由大气中的原子和分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起的。
7灰体：在各种波长处的发射率相等的实际物体。
8、绝对温度：按热力学温标度量的温度。
单位为开[尔文]，符号“K”。
9、辐射温度：如果实际物体的总辐射出射度（包括全部波长）与某一温度绝对黑体的总辐射出射度相等，则黑体的温度称为该物体的辐射温度。
10、光辐射通量密度：单位时间内通过单位面积的辐射通量，E=，单位：。
S为面积。
11大气窗口：电磁波通过大气层时较少被反射、吸收和散射的，透过率较高的波段称为大气窗口。
12发射率：实际物体与同温度的黑体在相同条件下的辐射功率之比。
13、米氏散射：当大气中的粒子的直径与辐射的波长相当时发生散射。
这种散射主要由大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴以及气溶胶等引起的。
14、地球辐射：地球及地球大气系统所发射的辐射。
15反射率：物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比。
16光谱反射特性曲线：反射波普曲线是物体的反射率随波长变化的规律，以波长为横轴，反射率为纵轴的曲线。
WHP第二章_电磁辐射与地物光谱特征
没有影响。
大气对太阳辐射的影响
• 太阳辐射的衰减过程：30%被云层反射回；17%被
大气吸收；22%被大气散射；31%到达地面。
• 大气的透射率公式：透射率与路程、大气的吸收、
散射有关。
大气的吸收作用
A. 氧气：小于0.2 μm；0.155为峰值。高空遥感
很少使用紫外波段的原因。 B. 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。 C. 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，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。 可以忽略不计。
黑体辐射定律
(1)普朗克热辐射定律
表示出了黑体辐射出射 度与温度、波长之间的 关系。
2πhc2 1 Mλ (λ、 T) = 5 ⋅ λ ehc/ λkT −1
620 K
Max Planck (1858 – 1947) Nobel Prize 1918
380 K
黑体辐射的三个特性
620 K
380 K
�
红外线划分
0.76～3.0 µm，与可见光相似。 近红外： 近红外：0.76 中红外： 3.0～6.0 µm，地面常温下的辐射 中红外：3.0 波长，有热感，又叫热红外。 远红外： 6.0～15.0 µm，地面常温下的辐 远红外：6.0 射波长，有热感，又叫热红外。 超远红外 ：15.0～1 000 µm，多被大气吸 收，遥感探测器一般无法探测。
3. 电磁波：由振源发出的电磁振荡在空气中传播。
（电磁波在传播过程中遵循波的反射，折射，衍射，干涉，吸 收，散射等传播规律）
§1 电磁波及其特性 电磁波的特性
电磁波是横波 2) 在真空中以光速传播 3) 满足方程
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
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。
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本章主要内容
电磁波与电磁波谱 太阳辐射及大气对辐射的影响 地球的辐射与地物波谱
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第一节 电磁波与电磁波谱
电磁波谱 电磁辐射的度量 黑体辐射
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一、电磁波谱
波 电磁波及其性质 电磁波谱
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波
概念：波是振动在空间的传播。
特点：质点在平 衡位置附近振动， 而能量向前传播。
种类： 纵波和横波； 机械波和电磁波。
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电磁波
概念：电磁振荡在空间的传播。
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电磁波的基本属性
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第二章 电磁辐射与地物光谱特征
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科
学
与
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复习
遥感的概念？ 遥感系统的组成部分？ 传感器的概念？ 什么是遥感平台？
空
间
信
息
科
学
第2章 电磁辐射与地物光谱特征
➢ 主要成分：N2、 O2
均匀层，对 太阳辐射的 相互作用是 太阳能衰减 的主要原因
1、大气组成：
➢ 两类：分子和其他微粒； ➢ 分子: 氮和氧占99%，臭氧、二氧化碳、水分子
及其它（N2O, CH4, NH3等）约占1%；
➢ 颗粒：烟、尘埃、雾、小水滴和气溶胶。气溶胶
是一种固体、液体的悬浮物，直径0.01-30m。
一个天文单位=日地距离d=1.496×108 m. 是在地球大气顶端接受的太阳能量，没有大气影响。 已知日地距离d（天文单位），计算太阳辐射通
量… 已知太阳线半径r，计算太阳辐射出射度…
➢太阳光谱：光球所产生的光谱。 太阳辐射能量集中于可见光波段（近紫外到中红
外）该波段区间不但能量集中，而且辐射强度最稳 定
这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星 传感器扫描成像的常用波段。比如，Landsat 卫 星的TM的1-4波段，SPOT卫星的HRV波段等。
➢ 1.5-1.8μm, 2.0-3.5μm，即近、短波、中
n3 O pt ic a lly less dense at m osphe re
2
Path of energy in ho mogeneo us at mosphere
3
Path of radiant energy af fected
四、大气对辐射的吸收作用
➢ 大气分子对电磁波的某些波段吸收缺失带
第二章 电磁辐射与地物 光谱特征
➢电磁波谱与电磁辐射 ➢太阳辐射及大气对辐射的影响 ➢地球的辐射与地物波谱
电磁波谱原理 第一节 电磁辐射度量参数
特殊电磁波——黑体辐射
➢ 任何地物都能辐射电磁波。 ➢ 地球表面最重要的电磁波能量来源是太阳。 ➢ 遥感： 对电磁波能量的测定。
均匀层，对 太阳辐射的 相互作用是 太阳能衰减 的主要原因
1、大气组成：
➢ 两类：分子和其他微粒； ➢ 分子: 氮和氧占99%，臭氧、二氧化碳、水分子
及其它（N2O, CH4, NH3等）约占1%；
➢ 颗粒：烟、尘埃、雾、小水滴和气溶胶。气溶胶
是一种固体、液体的悬浮物，直径0.01-30m。
一个天文单位=日地距离d=1.496×108 m. 是在地球大气顶端接受的太阳能量，没有大气影响。 已知日地距离d（天文单位），计算太阳辐射通
量… 已知太阳线半径r，计算太阳辐射出射度…
➢太阳光谱：光球所产生的光谱。 太阳辐射能量集中于可见光波段（近紫外到中红
外）该波段区间不但能量集中，而且辐射强度最稳 定
这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星 传感器扫描成像的常用波段。比如，Landsat 卫 星的TM的1-4波段，SPOT卫星的HRV波段等。
➢ 1.5-1.8μm, 2.0-3.5μm，即近、短波、中
n3 O pt ic a lly less dense at m osphe re
2
Path of energy in ho mogeneo us at mosphere
3
Path of radiant energy af fected
四、大气对辐射的吸收作用
➢ 大气分子对电磁波的某些波段吸收缺失带
第二章 电磁辐射与地物 光谱特征
➢电磁波谱与电磁辐射 ➢太阳辐射及大气对辐射的影响 ➢地球的辐射与地物波谱
电磁波谱原理 第一节 电磁辐射度量参数
特殊电磁波——黑体辐射
➢ 任何地物都能辐射电磁波。 ➢ 地球表面最重要的电磁波能量来源是太阳。 ➢ 遥感： 对电磁波能量的测定。
第二章电磁辐射与地物光谱特征.doc
第二章电磁辐射与地物光谱特征电磁波谱和黑体的概念太阳辐射和地球辐射特征大气对电磁辐射的影响地物反射波谱特征与测量目的：1.理解地物反射对遥感数据产生的影响和利用遥感数据反演地物特征的原理2.理解大气吸收、散射、透射特征，大气窗口形成原因及遥感数据校正的必要性。
电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的电磁辐射:这种电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。
2.1 电磁波谱与电磁辐射一.电磁波波的概念：波是振动在空间的传播。
机械波：声波、水波和地震波电磁波（ElectroMagnetic Spectrum )由振源发出的电磁振荡在空气中传播。
电磁波的特点：1）不需要传播介质2）横波3）在真空中以光速传播4）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。
波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。
电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性电磁波的电（E ）、磁（H ）向量波函数由振幅和位相组成，一般遥感器仅仅记录电磁波的振幅信息，丢失位相信息。
全息摄影中，同时记录了振幅信息和位相信息。
电磁波的有关参数：电磁波在真空中以光速C ＝2.998×108米／秒(m ／s)传播，在大气中小于光速但接近于光速传播。
一般可用波长或频率来描述或定义电磁波谱的范围。
在可见光一红外遥感中多用波长，如μm 、nm 等：在微波遥感中多用频率，如MHz 、GHz 等。
二. 电磁波谱定义：按照电磁波的波长（频率的大小）长短，依次排列成的图表，称为电磁波谱。
])sin[(ϕωψ+-=kx t A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γ射线.。
电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。
可见光：波长范围大约为400nm(紫)~700nm(红)， 可见光谱中的各种颜色成分大致属于 如下的波长区间：红外波段：波长范围0.7~300μm ，可 进一步划分为如下波段：NIR 和SWIR 也称为反射红外，因为在地球表面反射的太阳辐射中，主要的红外成分为NIR 和SWIR 。
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
2、黑体辐射规律 普朗克公式：
M ( , T ) 2hc
2
5
1 e ch / KT 1
此式有两个自变量： λ、 T ，其它都是常数，因而 可写为： W = ƒ (λ, T ) 其函数曲线可表示为：
c为真空中的光速； k为波尔兹曼常数， k=1.38×10－23 J/K； h为普朗克常数， h=6.63×10-34Js； M为辐射出射度。
于遥感研究不需要对太阳分层考虑，因而通常 认为光球发射的几乎是全部的太阳辐射。
图2.11 太阳辐照度分布曲线
二、大气分层
大气厚度约1000km，并且在垂直方向有层次的区别，自下而上大致 分层为：（各层之间逐渐过渡，没有截然的界线）。
对流层：高度在7～12 km,温度随高度而降低，包含大气 总量的3/4和几乎全部水汽，天气变化频繁，航空遥感主要 在该层内，对遥感数据产生很大影响。 平流层：高度在12～80 km，几乎没有天气现象，底部为 同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧 层对紫外线的强吸收而逐渐升高（在地面观测不到0.29µ m 波长的太阳辐射）。 电离层：高度在80～1 000 km，大气中的O2、N2受紫外线 照射而电离，主要反射地面发射的无线电波，对遥感波段 是透明的，是陆地卫星活动空间。 大气外层：800～35 000 km ,空气极稀薄，对遥感基本 上没有影响。
3.实际物体的辐射 （1）地物的发射率 • 发射率是指地物的辐射出射度(即地物 单位面积发出的辐射通量)M与同温度的黑 体的辐射出射度(即黑体单位面积发出的辐 射总通量M黑的比值。
M M黑
• 地物的发射率与地物的性质、表面状况(如 粗糙度、颜色等)有关，且是温度和波长的 函数。
遥感概论第02章_电磁辐射与地物光谱特征
黑体辐射光谱中最强辐射的波长（主波长） max与黑体绝对温度T成反比
2.4大气对辐射的影响
2.5地物波谱
普朗克定律 (Plank law)
温度越高，辐射 通量密度越大，不 同温度的曲线不同
随着温度的升高， 辐射最大值所对应 的波长向短波方向 移动
实际物体辐射
按发射率变化情况，将物体分为以下 几个类型：
绝对黑体： = =1 灰体： = 0< <1 选择性体: =f() 理想反射辐射体: = =0
实际地物的发射分两种情况
（1）选择性辐射体 在各波长处的发射率不同；
1
c, 真空中的光速；
2.4大气对辐射的影响 2.5地物波谱
k, 波尔兹曼常数，为1.38*10-23 J/K； h, 普朗克常数，6.63*10-34 Js; M, 辐射出射度；
T温度 波长
根据量子理论，将辐射、 波长和温度联系起来，可 以解释上述所有经验关系
黑体的辐射三个特 性:
黑体辐射通量密 度随波长连续变化, 每条曲线只有一个 峰值
1.2GHz，波长多少
受大气层中云、雾的散射影响小，穿透性好， 不受光照等条件限制，白天、晚上均可进行地物微波成像 因此能全天候进行遥感
由于微波遥感可以采用主动方式进行，其特点是对云层、地表 植被、松散沙层和干燥冰雪具有一定的穿透能力。 微波越长，穿透能力越强 ，例如干沙：几十米； 冰层：100米； 潮湿土壤：几厘米到几米
Ω为立体角，θ为方向角度
第二章
黑体辐射
遥感物理基础
任何温度高于0K物体都会产生电磁辐射
2.1电磁波 2.2黑体辐射定律 2.3太阳和地球辐射 2.4大气对辐射的影响
黑体（Blackbody）：如果一个物体对于任何波长 的电磁辐射都全部吸收，又能全部发射，则该物 体是绝对黑体。
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顶部平均位于距地表面1000km的高度，是大气 的外层。层内气温随高度增加而急剧递增，在 300km的高度上，气温可达600-800ºC以上。这 一层之所以称为热层，是因为氧原子和氨原子 在分解和游离时吸收了多余的能量，使空气气 温升高。热层对遥感使用的可见光、红外直至 微波的影响较小，基本上是透明的。该层大气 十分稀薄，处于电离状态，故称为电离层，正 因为如此，无线电波才能绕地球作远距离传递。 热层受太阳活动影响很大，它是人造地球卫星 绕地球运行的主要空间层。
二、电磁波谱
按电磁波波长的长短（或频率的大小），依次 排列制成的图表称电磁波谱。
三、 遥感应用电磁波段
紫外线-可见光-红外线-微波
遥感应用电磁波
可见光波段波长
1 紫外线 介于可见光与X射线之间，波长范围为0.01— 0.4μm。太阳辐射含有紫外线，通过大气层 时，波长短于 0.3μm的能量几乎都被吸收， 只有0.3—0.4μm波长到达地面。 目前，用于测定碳酸盐岩分布，碳酸盐岩处于 0．4μm以下的短波区域，它对紫外线的反射 比其它类型的岩石要强。 紫外线对水面飘浮的油膜比周围的水面反射强 烈，因此可以用于油污染的监测。
三、大气窗口
大气层的反射、吸收和散射作用，削弱了太 阳辐射的能量。通常我们把太阳辐射通过大 气层时，反射、吸收和散射比较低，即透射 率高的波段范围，称为大气窗口。 主要的大气窗口：
0.3-1.3μm： 包括部分紫外（0.3-0.38μm）、可见光 （ 0.4-0.76μm ） 和 部 分 近 红 外 波 段 （0.76-1.3μm），属于地物的反射光谱。 这个窗口对电磁波的透射率达90%以上。在 日照条件好的情况下，可以采用摄影方式 成象，也可以用扫描方式成象。目前胶卷 感 光 的 波 谱 区 间 在 0.32-1.32μm 范 围 之 内，超出这个波谱范围则不能采用摄影方 式的传感器。
自然界中任何物体，当温度高于绝对温度0 K （-273.160C）时能向外辐射红外线。物体在 常温范围内发射红外线的波长多在3一40μm 之间，而15μm以上的超远红外线被大气和水 分子吸收，所以在遥感技术中主要利用 3— 15μm波段，更多的是利用3—5μm和8— 14μm波段。 红外遥感采用热感应方式探测地物本身的热 辐射，所以它的工作不仅白天可以进行，夜 间也可以进行。由于红外线不易为天空微粒 散射，所以红外遥感比可见光遥感优越在于 不受日照条件的限制。
4 微波 微波的波长范围1mm—lm。 微波遥感是借助微波散射现象来探测地物的性 质，它的优点主要有： （1）微波易于聚成较窄的发射波束 （2）微波近似直线传播，不受电离层影响。 （3）地面目标对微波散射性能好。 （4）受自然界中的电磁波干扰小。 （5）具有一定的穿透性。
2.2 大气层对电磁辐射的影响
2）米氏散射 当大气中微粒的直径与辐射波长相近时，即 d≈λ，ϕ=2 ， γ=1/λ2 称为米氏散射。 它是由大气中气溶胶所引起的散射。云雾等 悬浮粒子的大小与0.76-15μm的红外线的波 长差不多，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 当微粒的直径比波长大得多时，即d＞λ， ϕ＝0， γ＝ 1， 所发生的散射称为非选择性散射。 这种散射与波长无关，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，常常会出现这种散射。 云或雾之所以看起来是白色，是因为它对各 种波长的电磁波的散射是一样的。
3 红外线 波长范围为0.76—1000μm。分为：近红外 （0.76-3.Oμm）、中红外（3.0—6.0μm）、远 红外（6.0—15.0μm）和超远红外（15一 1000μm）。 近红外在性质上与可见光相似，所以又称为光 红外。在遥感技术中采用摄影方式和扫描方 式，接收和记录地物对太阳辐射的光红外反射。 中红外、远红外和超远红外是产生热感的原 因，所以又称为热红外。
4）大气外层 该位于离地面1000km高度以上直至几万 公里。该层空气极为稀薄。并不断向星 际空间散逸。该层对卫星运行基本上没 有影响。
2 大气成分
由气体、水蒸气和悬浮的微粒混合组成。 主要气体：N2、O2、H2O、CO、CO2、N2O、CH4及 O3。 悬浮微粒：尘埃、冰晶、盐晶、水滴等，这些弥散 在大气中的悬浮物统称为气溶胶，它们形成霾、 雾和云。 在80km以下的大气中，除H2 、O2、O3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80km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，是使太阳辐射能 衰减的主要原因。
三、地物光谱特征
地物的光谱特性是遥感技术的重要理论依据，因为 它既为传感器工作波段的选择提供依据，又是遥感 数据正确分析和判读的理论基础。同时也可作为利 用计算机进行数字图像处理和分类时的参考标准。 1 地物的反射光谱特征 2 地物的发射光谱特征
1 地物的反射光谱特征
辐射能量入射到任何地物表面上，一部分入射能量被地物 反射；一部分入射能量被地物吸收，；一部分入射能量被地 物透射。根据能量守恒定律可得：
2 大气的散射作用
大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见 光区。是太阳辐射能衰减的主要原因。散 射的强弱可用散射系数表示：
ϕ为波长的指数，它由微粒直径（d）的大 小决定。 根据波长与散射微粒的大小之间的关系， 散射可分为三种：
1）瑞利散射 当大气微粒的直径（d）比辐射波长（λ） 小得多时，即：当d＜λ/10时，ϕ＝4， γ∞1/λ4 ， 发生的散射称瑞利散射。 可见光对瑞利散射的影响较大。红外线可 以不考虑瑞利散射的影响。 常见雨过天睛后，晴朗天空呈碧蓝色，大 气中的粗粒物质被雨水带走，大气中的气体 分子粒径较小，把波长较短的蓝光散射到天 空中的缘故。
第二章
电磁辐射与地物光谱特征 (遥感物理基础)
2.1 电磁波与电磁波谱 2.2 大气层对电磁辐射的影响 2.3 地物光谱特征
２.1 电磁波谱与电磁辐射
一、电磁波 二、电磁波谱 三、遥感应用电磁波段
一、电磁波
1 概念： 电磁波是交变电场和磁场在空中的转化和传播 2 特点： 横波：振动方向与传播方向垂直 周期性： 速度：光速 规律性：反射、折射、透射、吸收和散射等
2）平流层 平流层顶部平均高度80km，层内气流比较 稳定，没有垂直对流。在25km以下气温一 般保持恒温约为-55ºC。在25-315km以上气 温随高度递增（这是臭氧吸收了太阳紫外 光的缘故），在该层内电磁波的传播特性 与对流层内的传播特性是一样的，只不过 在平流层中电磁波传播表现较为微弱。
3）电离层
它的吸收作用主要在红外区内。在1.352.85μm 有 3 个 宽 弱 吸 收 带 。 另 外 在 2.7μm、4.3μm与14.5μm为强吸收带。 由于太阳辐射在红外区能量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 发等现象发生时，大气中尘埃急剧增 加，这时它的吸收作用才比较显著。
二、大气层对太阳辐射的影响
太阳辐射进入地球之前必须通过大气层，在通 过大气层时，约有30％被云层和其它大气成分 反射回宇宙空间，约有17 ％被大气吸收，约 有22％被大气散射。因此，仅有31％的太阳辐 射直射到地面。 太阳辐射通过大气的透射率（τ）为： τ=e-(α+γ)χ
α：为大气中气体分子对太阳辐射的吸收系数。 γ：为大气中气体分子、烟和霾等对太阳辐射的散射系数。 χ：为路程长度（即通过大气的厚度）
气态和液态，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， 到处都有水汽的吸收带。主要吸收带是处 于红外线和可见光中的红光波段内，其中 红外部分吸收最强。在0.5-0.9μm有四个 窄吸收带，在0.95-2.85μm有5个宽吸收 此外，在6.25μm附近有一个强吸收带。
二氧化碳（CO2）：
二、大气层对电磁辐射的影响
1 大气层结构
在垂直方向上可分为对流层、平流层、电离层 和大气外层。
1）对流层 对流层是大气的底层，顶部平均位于 12km。度每增加1km，温度下降6.5 K， 气象变化强，是现代航空遥感主要活动 的区域。在对流层内，由于大气气体及 气溶胶的吸收作用，使电磁波传播受到 衰减。遥感研究电磁波在大气中的传播 主要要位层。
2 可见光 波长范围从0.38—0.76μm。它由红、橙、黄、 绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对可见光有敏 锐的感觉，不仅对可见光的全色光，而且对不 同波段的单色光，也都具有敏锐的分辨能力， 所以可见光是作为鉴别物质特征的主要波段。 在遥感技术中是以光学摄影方式和扫描方式接 收和记录地物对可见光的反射特征。
一、 太阳辐射 二、 大气层对电磁辐射的影响 三、 大气窗口
一、太阳辐射
太阳辐射是地球及大气电磁辐射的能源，也 是被动式遥感系统中主要的辐射源。
太阳表面温度约有6000 K。 它与5800K的理想黑体所产生的光谱曲线很相似。 在遥感理论计算中就利用这种黑体来模拟太阳辐射 光谱。 太阳辐射能主要集中在0.3--3.0μm； 最大辐射强度位于波长0.47μm左右。 太阳辐射总能量的46％集中在0.4一0.76μm之间的 可见光波段。
臭氧（O3）： 对太阳辐射能量吸收很强。有两个吸收 带，一个波长为0.2一0.36μm的强吸收带， 另一个波长为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10km的航空遥感影响 不大，而对航天遥感则有影响。
水（H2O）：
1.3-2.5μm： 近红外波段的中段。仍属于地物反射光谱， 但不能用胶片摄影，仅能用光谱仪和扫描仪 来记录地物的电磁波信息。它们的透射率都 接近80％。目前近红外窗口应用不多，但在 某些波段对区分蚀变岩石有较好的效果，因 此在遥感地质应用方面很有潜力。TM设有 1.55-1.75μm和2.08-2.35μm两个波段。
3.5-4.2μm： 中红外波段。包括地物反射光谱、发射光 谱，属于混合光谱范围。中红外窗口应用 很少，目前多用于航空多光谱扫描方式成 象。
二、电磁波谱
按电磁波波长的长短（或频率的大小），依次 排列制成的图表称电磁波谱。
三、 遥感应用电磁波段
紫外线-可见光-红外线-微波
遥感应用电磁波
可见光波段波长
1 紫外线 介于可见光与X射线之间，波长范围为0.01— 0.4μm。太阳辐射含有紫外线，通过大气层 时，波长短于 0.3μm的能量几乎都被吸收， 只有0.3—0.4μm波长到达地面。 目前，用于测定碳酸盐岩分布，碳酸盐岩处于 0．4μm以下的短波区域，它对紫外线的反射 比其它类型的岩石要强。 紫外线对水面飘浮的油膜比周围的水面反射强 烈，因此可以用于油污染的监测。
三、大气窗口
大气层的反射、吸收和散射作用，削弱了太 阳辐射的能量。通常我们把太阳辐射通过大 气层时，反射、吸收和散射比较低，即透射 率高的波段范围，称为大气窗口。 主要的大气窗口：
0.3-1.3μm： 包括部分紫外（0.3-0.38μm）、可见光 （ 0.4-0.76μm ） 和 部 分 近 红 外 波 段 （0.76-1.3μm），属于地物的反射光谱。 这个窗口对电磁波的透射率达90%以上。在 日照条件好的情况下，可以采用摄影方式 成象，也可以用扫描方式成象。目前胶卷 感 光 的 波 谱 区 间 在 0.32-1.32μm 范 围 之 内，超出这个波谱范围则不能采用摄影方 式的传感器。
自然界中任何物体，当温度高于绝对温度0 K （-273.160C）时能向外辐射红外线。物体在 常温范围内发射红外线的波长多在3一40μm 之间，而15μm以上的超远红外线被大气和水 分子吸收，所以在遥感技术中主要利用 3— 15μm波段，更多的是利用3—5μm和8— 14μm波段。 红外遥感采用热感应方式探测地物本身的热 辐射，所以它的工作不仅白天可以进行，夜 间也可以进行。由于红外线不易为天空微粒 散射，所以红外遥感比可见光遥感优越在于 不受日照条件的限制。
4 微波 微波的波长范围1mm—lm。 微波遥感是借助微波散射现象来探测地物的性 质，它的优点主要有： （1）微波易于聚成较窄的发射波束 （2）微波近似直线传播，不受电离层影响。 （3）地面目标对微波散射性能好。 （4）受自然界中的电磁波干扰小。 （5）具有一定的穿透性。
2.2 大气层对电磁辐射的影响
2）米氏散射 当大气中微粒的直径与辐射波长相近时，即 d≈λ，ϕ=2 ， γ=1/λ2 称为米氏散射。 它是由大气中气溶胶所引起的散射。云雾等 悬浮粒子的大小与0.76-15μm的红外线的波 长差不多，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 当微粒的直径比波长大得多时，即d＞λ， ϕ＝0， γ＝ 1， 所发生的散射称为非选择性散射。 这种散射与波长无关，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，常常会出现这种散射。 云或雾之所以看起来是白色，是因为它对各 种波长的电磁波的散射是一样的。
3 红外线 波长范围为0.76—1000μm。分为：近红外 （0.76-3.Oμm）、中红外（3.0—6.0μm）、远 红外（6.0—15.0μm）和超远红外（15一 1000μm）。 近红外在性质上与可见光相似，所以又称为光 红外。在遥感技术中采用摄影方式和扫描方 式，接收和记录地物对太阳辐射的光红外反射。 中红外、远红外和超远红外是产生热感的原 因，所以又称为热红外。
4）大气外层 该位于离地面1000km高度以上直至几万 公里。该层空气极为稀薄。并不断向星 际空间散逸。该层对卫星运行基本上没 有影响。
2 大气成分
由气体、水蒸气和悬浮的微粒混合组成。 主要气体：N2、O2、H2O、CO、CO2、N2O、CH4及 O3。 悬浮微粒：尘埃、冰晶、盐晶、水滴等，这些弥散 在大气中的悬浮物统称为气溶胶，它们形成霾、 雾和云。 在80km以下的大气中，除H2 、O2、O3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80km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，是使太阳辐射能 衰减的主要原因。
三、地物光谱特征
地物的光谱特性是遥感技术的重要理论依据，因为 它既为传感器工作波段的选择提供依据，又是遥感 数据正确分析和判读的理论基础。同时也可作为利 用计算机进行数字图像处理和分类时的参考标准。 1 地物的反射光谱特征 2 地物的发射光谱特征
1 地物的反射光谱特征
辐射能量入射到任何地物表面上，一部分入射能量被地物 反射；一部分入射能量被地物吸收，；一部分入射能量被地 物透射。根据能量守恒定律可得：
2 大气的散射作用
大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见 光区。是太阳辐射能衰减的主要原因。散 射的强弱可用散射系数表示：
ϕ为波长的指数，它由微粒直径（d）的大 小决定。 根据波长与散射微粒的大小之间的关系， 散射可分为三种：
1）瑞利散射 当大气微粒的直径（d）比辐射波长（λ） 小得多时，即：当d＜λ/10时，ϕ＝4， γ∞1/λ4 ， 发生的散射称瑞利散射。 可见光对瑞利散射的影响较大。红外线可 以不考虑瑞利散射的影响。 常见雨过天睛后，晴朗天空呈碧蓝色，大 气中的粗粒物质被雨水带走，大气中的气体 分子粒径较小，把波长较短的蓝光散射到天 空中的缘故。
第二章
电磁辐射与地物光谱特征 (遥感物理基础)
2.1 电磁波与电磁波谱 2.2 大气层对电磁辐射的影响 2.3 地物光谱特征
２.1 电磁波谱与电磁辐射
一、电磁波 二、电磁波谱 三、遥感应用电磁波段
一、电磁波
1 概念： 电磁波是交变电场和磁场在空中的转化和传播 2 特点： 横波：振动方向与传播方向垂直 周期性： 速度：光速 规律性：反射、折射、透射、吸收和散射等
2）平流层 平流层顶部平均高度80km，层内气流比较 稳定，没有垂直对流。在25km以下气温一 般保持恒温约为-55ºC。在25-315km以上气 温随高度递增（这是臭氧吸收了太阳紫外 光的缘故），在该层内电磁波的传播特性 与对流层内的传播特性是一样的，只不过 在平流层中电磁波传播表现较为微弱。
3）电离层
它的吸收作用主要在红外区内。在1.352.85μm 有 3 个 宽 弱 吸 收 带 。 另 外 在 2.7μm、4.3μm与14.5μm为强吸收带。 由于太阳辐射在红外区能量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 发等现象发生时，大气中尘埃急剧增 加，这时它的吸收作用才比较显著。
二、大气层对太阳辐射的影响
太阳辐射进入地球之前必须通过大气层，在通 过大气层时，约有30％被云层和其它大气成分 反射回宇宙空间，约有17 ％被大气吸收，约 有22％被大气散射。因此，仅有31％的太阳辐 射直射到地面。 太阳辐射通过大气的透射率（τ）为： τ=e-(α+γ)χ
α：为大气中气体分子对太阳辐射的吸收系数。 γ：为大气中气体分子、烟和霾等对太阳辐射的散射系数。 χ：为路程长度（即通过大气的厚度）
气态和液态，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， 到处都有水汽的吸收带。主要吸收带是处 于红外线和可见光中的红光波段内，其中 红外部分吸收最强。在0.5-0.9μm有四个 窄吸收带，在0.95-2.85μm有5个宽吸收 此外，在6.25μm附近有一个强吸收带。
二氧化碳（CO2）：
二、大气层对电磁辐射的影响
1 大气层结构
在垂直方向上可分为对流层、平流层、电离层 和大气外层。
1）对流层 对流层是大气的底层，顶部平均位于 12km。度每增加1km，温度下降6.5 K， 气象变化强，是现代航空遥感主要活动 的区域。在对流层内，由于大气气体及 气溶胶的吸收作用，使电磁波传播受到 衰减。遥感研究电磁波在大气中的传播 主要要位层。
2 可见光 波长范围从0.38—0.76μm。它由红、橙、黄、 绿、青、蓝、紫色光组成。人眼对可见光有敏 锐的感觉，不仅对可见光的全色光，而且对不 同波段的单色光，也都具有敏锐的分辨能力， 所以可见光是作为鉴别物质特征的主要波段。 在遥感技术中是以光学摄影方式和扫描方式接 收和记录地物对可见光的反射特征。
一、 太阳辐射 二、 大气层对电磁辐射的影响 三、 大气窗口
一、太阳辐射
太阳辐射是地球及大气电磁辐射的能源，也 是被动式遥感系统中主要的辐射源。
太阳表面温度约有6000 K。 它与5800K的理想黑体所产生的光谱曲线很相似。 在遥感理论计算中就利用这种黑体来模拟太阳辐射 光谱。 太阳辐射能主要集中在0.3--3.0μm； 最大辐射强度位于波长0.47μm左右。 太阳辐射总能量的46％集中在0.4一0.76μm之间的 可见光波段。
臭氧（O3）： 对太阳辐射能量吸收很强。有两个吸收 带，一个波长为0.2一0.36μm的强吸收带， 另一个波长为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10km的航空遥感影响 不大，而对航天遥感则有影响。
水（H2O）：
1.3-2.5μm： 近红外波段的中段。仍属于地物反射光谱， 但不能用胶片摄影，仅能用光谱仪和扫描仪 来记录地物的电磁波信息。它们的透射率都 接近80％。目前近红外窗口应用不多，但在 某些波段对区分蚀变岩石有较好的效果，因 此在遥感地质应用方面很有潜力。TM设有 1.55-1.75μm和2.08-2.35μm两个波段。
3.5-4.2μm： 中红外波段。包括地物反射光谱、发射光 谱，属于混合光谱范围。中红外窗口应用 很少，目前多用于航空多光谱扫描方式成 象。