地球的辐射与地物波谱教案

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二章电磁辐射与地物光谱特征ppt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
二氧化碳（CO2）：
它的吸收作用主要在红外区内。在1.35-2.85μm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很少，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。
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第二章电磁辐射与地物光谱特征《遥感导论》课件
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。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：
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第二章电磁辐射与地物光谱特征《遥感导论》课件
第二章电磁辐射与地物光谱特征《遥感导论》课件
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。
γ∞1/λ4
可见光对瑞利散射的影响较大。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。
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第二章电磁辐射与地物光谱特征《遥感导论》课件
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。

地球的辐射与地物波谱(精)

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19
2.3 地球的辐射与地物波谱
2.3.4、地物波谱特性的测量—测量理论
（1）双向反射分布函数BRDF( bidirectional reflectance distribution function) 七十年代初Nicodemus给出了二向性反射分布函数的迄今最完善的定义
dLr (i i ;r r ; ) 意义：引起反射的 f r ( i , i ; r , r ; ) 增量/入射有一微增 dIi (i i ; ) 量
3
2.3 地球的辐射与地物波谱
2.3.2、地表自身热辐射
发射波谱曲线：温度一定时，物体的比辐射率随波长变化，表示这种变化的曲线称物体的发射波谱曲线。
发射波谱曲线，是识别地物的重要方法之一。
4
2.3 地球的辐射与地物波谱
2.3.3、地物反射波谱特征
• 研究地物反射光谱的意义： – 被动遥感在遥感探测中占重要地位，主要为反射太阳辐射 – 可准确识别地面目标 • 到达地面的太阳辐射能量（I）可分为三部分：反射（R）、吸收（A）、透射（T） • 绝大多数物体对可见光不具备透射能力。有些物体对特定波长电磁波具有透射能力。
入射辐射天顶角；反射辐射天顶角；入射辐射方位角；反射辐射方位角；
分子分母均为两个无穷小量，实际测量中很少采用。 20
2.3 地球的辐射与地物波谱
2.3.4、地物波谱特性的测量—测量理论
（2）二向反射因子（BRF）
BRF：在给定的立体角锥体所限制的方向内，在一定的辐照度和观测条件下，目标的反射辐射通量与处于同一辐照度和观测条件的标准参考面（理想朗伯反射面）的反射辐射通量之比。
9
2.3 地球的辐射与地物波谱

第二章电磁辐射与地物波幅特征

2.1 电磁波谱与电磁辐射
2.1.1 电磁波谱 2.1.2 电磁辐射的度量 2.1.3 黑体辐射
2.1.1 电磁波谱
1、波
振动的转播称为波。
波
机械波电磁波
如光波、热辐射、微波、无线电波等
波动形式
纵波/P波横波/S波
如声波如电磁波
2、电磁波
电磁波是指在真空或物质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波。
朗伯源：如果一个辐射源的辐射亮度L与观测角无关, 则该辐射源称为朗伯源。一些粗糙表面可近似看成朗伯源；
涂有氧化镁等物质的表面也可近似看作朗伯源，常被用作遥感光谱测量时的标准板；
通常将太阳近似看作朗伯源。严格地说，只有绝对黑体是朗伯源。
2.1.3 黑体辐射
1、绝对黑体
• 对任何波长的电磁辐射全部吸收的物体。
• 对任何波长的辐射，反射率和透射率都等于0。当电磁波入射到一个不透明的物体上，在物体上只出现对电磁波的反射和吸收现象时，物体的光谱吸收系数和反射系数之和恒等于1。实际物体的温度不同或入射电磁波的波长不同，都会导致不同的吸收和反射。
黑体吸收系数α（λ，T）=100%
黑体反射系数ρ（λ，T）=0% • 黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。 • 黑色的烟煤、恒星、太阳接近绝对黑体。
I和M都是辐射通量密度, 不同点I指被辐射物，M指辐射源。
辐射亮度(L): 指辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通量。设辐射源为面状,面积为A, 且在不同方向上辐射强度不同, 则：L = /[(Acos)] 其中为立体角，=S/R2； S是球面上面元的面积;R是球半径。无量纲。整个球面的立体角为4。辐射源向外辐射电磁波时，L往往随角而改变。也就是说，接收辐射的观察者以不同角观察辐射源时L值不同。

遥感地质学-第04讲遥感物理基础之三_地球辐射与地物波谱

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土壤波谱特征
土壤粉况砂下波土光谱壤谱特不反同射征含率基水曲本量线情图的影响因素有腐殖质和 ◆土氧壤化表面铁反的射含光谱量曲、线湿比较度平、滑粒，没度有大明小显的、峰矿谷物。一成般情况◆土下分壤，、含土质水盐越量分细对和反土射壤表率反土越射结高光，谱构有曲。机线质的含影量响越土低壤，含反水射量率增越加高，，土
朗★实了伯际解面物物：体对体反于反射漫射（反类混射型合面的反，意射当义）入：是射处照于度镜一面定反时射，和从漫任反何射角之度间观察1的、反一遥射种感面反器，射获其。取反其的射特辐亮点射度是亮是这度一种与个反物常射体数面的，对反这太射种阳类反辐型射射密面的切称反相朗射关伯具。面辐。射如亮有新度各鲜既向的与异M辐性g射，O入、即射B实a方际S位O物4角体、有的M关表gC，面O也在3表与有面反入。射射太方波阳向时在的，天方各顶位个角角方有向关。 θ2都≤、4有在5°反遥时射感地能器面量成近，像似但时为大间朗小选伯不择反同上射。，面应。避免中午成像，防止在遥感图像上形成镜面反射。
三、地球辐射与地物波谱特征
（一）太阳辐射与地表的相互作用（二）地表自身的热辐射（三）地物波谱特征
本节主要内容
• 地表物体的辐射 •◆地可物见光波与谱近曲红外线波（段反遥感射图波像谱上的、信发息射来自波地谱物）反射特 •性 ◆ 地水有是较典。物中低强波型红反反谱外射射地：体，波物物，在段纯其体的遥净它在感波水可同图的见谱一反光像时射波特上率段间既征随吸、有波收空地长都间增很表条加强反而，件射减至下太小红，阳。外其水几辐发体乎射在全射的蓝部、信绿被反息光吸射波收，、段。 •也吸反水地有收射体地和波波物球透谱谱波自射：特谱身电是征热磁某的辐波物时射的体空的特的信性反效息是射应。波率长（的或函反数射，辐以射横能坐）标随代波表长波变

地物的反射光谱与地物波谱特性

地物的反射光谱曲线
不同的地物在不同波段反射率存在差异。
右图为雪地、小
麦地的光谱曲线。
植物反射波谱特性
由于植物均进行光合作用，因此各类绿色植物具有很相似的反射波谱特性：在可见光波段 0.55μm（绿光）附近有反射率为10%-20%的一个波峰；在近红外波段0.81.0μm间有一个反射的陡坡，至1.1μm附近有一个峰值，形成植被的独有特征。
地物的反射光谱
物体是反射波谱限于紫外、可见光
和近红外，尤其是后两波段。
物体的反射波谱是特征主要取决于该
物体与入射辐射相互作用的波长选择，即：
对入辐射是反射、吸收和投射的选择性，其中反射作用是主要的。
地物的反射光谱
地物的反射光谱有如下特征：（1）不同的地物在不同波段反射率存在差异（如雪地、小麦地的光谱曲线）（2）相同地物光谱曲线有相似性，但是也存在差异性（如患虫害的小麦与正常小麦的光谱曲线）（3）地物光谱特征具有事件性和空间性（不同时间与空间光谱特征不同
完善等很多问题仍然缺乏一套系统的、规范的我
国典型地物的波普数据。
国外地物波谱库研究现状

美国NASA于70年代初就初步建立了地
球资源信息系统（ERSIS）。包括植被、土
壤、岩矿和水体等2000余种地物的实验室反射波谱数据。
地物波谱仪
地物波谱仪
逐渐摆脱“看图识字”的阶段，越来越依赖于地
物波谱特性的研究和发展。
我国地物波谱特性发展现状

地物波谱特性是遥感探测的基础，遥感优
化组合的依据，是定量遥感的技术与应用发展的先决条件，但我国在地物波谱特性研究中还存在在很多问题，尽管我国近年引进了一大批代表国际前沿的地物波谱测试的设备，但其辅助装置不

遥感导论第二章

M
(,
T
)

(,
T
)
•
M
(,
T
)
0
精品PPT
比辐射率（发射率）
波谱特性曲线的形态
特征反映(fǎnyìng)：
地面物体本身的特性，
包括物体本身的组成、
温度、表面粗糙度等
物理特性。
精品PPT
曲线的形态特殊时可以用发射率曲线来识别地面物体，
尤其在夜间，太阳辐射消失(xiāoshī)后，地面发出的
第2章电磁辐射与地物光谱特征
2.1 电磁波谱与电磁辐射
一、电磁波谱；二、电磁辐射的度量（自学为主)
1、电磁波谱按频率由高到低排列主要
由、、、、、、
等组成。
2、遥感(yáogǎn)应用的电磁波波谱段有哪些？有什么特点？
3、名次解释：辐射能量（W）、辐射通量(Φ)、辐射通量密度。
三、黑体(hēitǐ)辐射（问题讨论）
的相互作用
太阳辐射主要
(zhǔyào)集中在0.32.5μm，在紫外、可见
光、到近红外区段
地球(dìqiú)自身辐射
主要集中在6μm以上的
热红外区段
2.5-6μm，即中红外
波段两种辐射共同起
作用（避免太阳辐射）
精品PPT
太阳辐射近似温度为6000K的黑体辐射，而地球
辐射接近于温度为300K的黑体辐射。最大辐射的对
2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响
(yǐngxiǎng)
2.3 地球的辐射与地物波谱
精品PPT
2.1 电磁波谱与电磁辐射
(diàn cí fú shè)
(1) 电磁波谱
◆电磁波：
◆电磁波性质

地物反射波谱实验指导1

实验一地物反射波谱实验一、实验目的：1、通过实验认识地物光谱反射率的规律，熟悉典型地物的波谱曲线；2、掌握从感兴趣区中提取典型地物波谱信息方法。

二、实验设备：计算机、ENVI、遥感数据。

三、实验任务：1、从ENVI软件JHU波谱库中打开植被、水、土壤等典型地物的波谱曲线，并指出各地物波谱曲线的典型特征；2、通过ENVI从高光谱数据中采集各种岩石的波谱曲线；并从Jpll波谱库中提起相应岩石的波谱，对比两种方法获得曲线的异同，并分析原因。

四、实验原理：遥感的物理基础是地物对电磁波的反射、吸收和发射特性；遥感研究的最终目的是应用，遥感技术及其应用实质上是一个地物电磁波谱特性成像与反演的问题，要想利用遥感图像正确有效地分析问题、解决问题，必须对各类地物波谱特性及其变化规律有较全面、深入的认识。

详细内容参考课本与讲义。

五、实验步骤：JHU波谱库中打开植被、水、土壤等典型地物的波谱曲线1、选择“查看波谱库”按钮；2、在Spectral Library Input File 对话框，选择Open > Spectral Library.3、出现文件选择对话框时，选择一个波谱库文件名（如jhu_lib>water.sli），它将在Spectral Library Input File对话框中供你选择利用。

选择一个波谱库，点击其名字，点击“OK”。

4、Spectral Library Viewer 对话框将出现，供你选择个别的库波谱，并用于图示。

5、重复以上步骤，分别打开植被、水体、土壤等地物波谱库，并分析各地物波谱曲线的特征。

高光谱数据提取岩石波谱并对比分析波谱库中的相应波谱曲线1、在ENVI主菜单中，选择File>Open Image File，然后选择cup95_at.int文件，点击open弹出可用波段列表，它将列出50个波段的名字。

2、在可用波段列表对话框中，选择Band193.3、点击Gray Scale单选按钮，然后点击Load Band。

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。

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04讲遥感物理基础之三_地球辐射与地物波谱

3）中红外波段3.0－5.0μm，3.5－4.2μm和4.6－5.0μm； •（地球大气对太阳辐射的传输影响有吸收作用、散 1、选择大气窗口。电磁波通过地球大气层时较少被反射、吸收或散射，透 2 、认识大气传输对遥感图像判读的影响：①大气散射使短射作用、反射作用和折射作用。（ 4 ）远红外波段8.0－14.0μm；过率较高的波段，称为大气窗口。
（一）太阳辐射与地表的相互作用
（二）地表自身的热辐射（三）地物波谱特征
本节主要内容
• 地表物体的辐射可见光与近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特 •◆地物波谱曲线（反射波谱、发射波谱）水是低反射体，纯净水的反射率随波长增加而减小。水体在蓝绿光波段性。 •地物波谱：物体在同一时间、空间条件下，其发射、反射、有较强反射，在其它可见光波段吸收都很强，至红外几乎全部被吸收。 ◆典型地物的波谱特征中红外波段遥感图像上既有地表反射太阳辐射的信息，也有地球自身热辐射的信息。水体波谱特征 •吸收和透射电磁波的特性是波长的函数，以横坐标代表波地物波谱的时空效应反射波谱：是某物体的反射率（或反射辐射能）随波长变
土壤波谱特征
粉砂土壤不同含水量情土壤波谱特征基本的影响因素有腐殖质和况下光谱反射率曲线图 ◆土壤表面反射光谱曲线比较平滑，没有明显的峰谷。一般情氧化铁的含量、湿度、粒度大小、矿物成况下，土质越细反射率越高，有机质含量越低，反射率越高， ◆土壤含水量对土壤反射光谱曲线的影响土壤含水量增加，土分、盐分和表土结构。土壤含水量越低反射率越高。土壤反射波谱曲线呈比较平滑的壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带（ 1.4、1.95、2.7微 ◆土壤波谱还受土壤理化参数（盐分类型，含量，碱化度等）特征，在不同光谱的遥感影像上，土壤的亮度区别不明显。米处），反射率的下降尤为明显。的影响。从 0.4-1.05μm波谱曲线在总轮廓上是上升的，盐渍 ◆土壤基岩上的风化残积物，因颗粒细，反射波谱与基岩相似。 ◆不同质地的土壤，其波谱反射率是不同的，如粉沙反射波谱土的反射率要比非盐渍土高的多，并随着盐渍程度的加重，曲干燥残积土的反射率要比基岩高，当残积土比较湿润时，其反曲线整体都高，腐殖土则最低，反射率在0.1左右。反射率与线向上平移。射率则比湿润基岩的低。机械组分有关。返回

遥感第2章电磁辐射与地物的光谱特征

彩红外照片
4 56 7 1 2. 3. 4.
陆地卫星多光谱扫描仪
卫星红外扫描仪
5.
6.
陆地卫星TM专题制图仪
1. 2. 3. 1. 2. 3.
SPOT全色波段 SPOT多光谱扫描仪
5. 6.7.8.
JERS-1 OPS
100
大气透过率 (％)
0
波长
红外 H2O
500 um 0.1cm
1.6um X band C band S band L band
对于大气微粒引起的米氏散射从近紫外到红外波段都有影响，当进入红外波段后米氏散射的影响超过瑞利散射。
无选择性散射
当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射。符合条件的波段中，任何波长的散射强度相同。
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大气结构
从地面到大气上界，大气的结构分层为：
➢ 对流层：高度在7～12 km,温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。
➢ 平流层：高度在12～80 km，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。
➢ 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，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间在上部的散逸层（800～900 km ）。
➢ 大气外层：1000～35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。
大气窗口
波段
透射率/%
应用举例
紫外可见光近红外
0.3～1.3 μm
＞90
TM1-4、SPOT的 HRV
近红外 1.5～1.8 μm
80
TM5
近-中红外 2.0～3.5 μm

第二章地球的辐射与地物波谱

岩浆岩的反射强度与 SiO2含量成正比；
在不同波长位置处的吸收与Fe离子、OH-、 H2O有关
沉积岩反射波谱特性
沉积岩的反射波谱特性与 Fe离子、 OH-、 H2O以及 CO32-有关
变质岩反射波谱特性
变质岩的反射波谱特性与 Fe离子、OH-、 H2O、CO32-以及Al离子有关
镜面反射
光射到任何物体的表面上都会反射。平滑的表面，如镜面、刨光的金属表面、平静的水面等，能使平行的入射光线反射后仍是平行光线。入射波和反射波在同一平面内，入射角与反射角相等，这种反射叫做镜面反射。（平静的水面）
漫反射
整个表面都均匀地反射入射光称为漫反射。反射波方向与入射波方向无关，且从任何角度观察反射面，其反射辐射亮度为一常数时。漫反射的反射面称为朗伯面。当入射照度一定时，从任何角度观察反射面，其反射亮度是一个常数，这种反射面称朗伯面。
植被的反射波谱曲线
共性
可见光波段形成绿反射峰（0.55μm）及其两侧的蓝（0.45 μm ）、红（0.67 μm ）两个吸收带近红外0.74-1.3 μm处形成高反射区近红外1.35-2.5 μm处形成分别以1.45 μm、1.95 μm和 2.7 μm为中心的三个水吸收带
差异性
雪
I、雪的反射光谱和太阳光谱很相似，
在0.4—0.6μm 波段有一个很强的反射峰，反射率几乎接近 100% ，因而看上去是白色；
II 、随着波长的增加，反射率逐渐降
低，进入近红外波段吸收逐渐增强，而变成了吸收体。
雪的这种反射特性在这些地物中是独一无二的。
道路
建筑
种类季节病虫害含水量

地球辐射与地物光谱特性

航天遥感中，地球表面相对于遥感器的高度，可近似视为朗伯面。
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2.4.2 地物的反射光谱
※ 地物的光谱特性任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、
吸收电磁波的特性，少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为地物光谱特性。
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