第二章 电磁辐射与地物光谱特征
第二章电磁辐射和地物波普特征
第二章 电磁辐射和地物波普特征电磁波普：是按电磁波在真空中的波长递增或频率递减而排列的，它包括γ射线、X 射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波等。
大气窗口：指电磁波通过大气层时较少被反射、散射和吸收的，透过率较高的波段。
反射波谱：指地物反射率随波长的变化规律，通常用平面坐标曲线表示，横坐标表示波长，纵坐标表示反射率，同一物体的波谱曲线反映出不同波段的不同反射率，将此与遥感传感器的对应波段接收的辐射数据相对照，可以得到遥感数据与对应地物的识别规律。
瑞利散射：大气粒子的直径比辐射的波长小得多时发生的散射，通常是由大气分子和原子引起的，对可见光波段影响非常明显。
米氏散射：当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射，这种散射主要由大气中的微粒引起，例如气溶胶、小水滴。
散射强度与波长的二次方成反比，并且向前散射强度大于向后散射强度，具有明显的方向性。
无选择性散射：当大气中粒子的直径比辐射的波长大得多时发生的散射，散射的特点是散射强度与波长无关。
辐射亮度：假设有一辐射源是面状的，向外辐射的强度随辐射的方向不同而不同，则辐射亮度L 定义为辐射源在某一方向上，单位投影表面，单位立体角的辐射通量。
太阳天顶角：太阳入射光线与地面垂线方向构成的夹角，与太阳高度角之和为90°。
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和散射方向的函数，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。
绝对黑体：如果有一种物体对任何波长的辐射能量都全部吸收，这个物体叫绝对黑体。
维恩位移定律：在一定温度下，绝对黑体的与辐射本领最大值相对应的波长λ和绝对温度T 的乘积为一常数，即λT=b 。
上述结论称为维恩位移定律，式中，b=0.002897m ·K ，称为维恩常量。
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。
遥感导论-习题及参考答案第二章 电磁辐射与地物光谱特征答案
第二章电磁辐射与地物光谱特征·名词解释辐射亮度：由辐射表面一点处的单位面积在给定方向上的辐射强度称为辐射亮度。
普朗克热辐射定律：在一定温度下，单位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位波长间隔内辐射出的能量为B(λ，T)=2hc2 /λ5 ·1/exp(hc/λRT)-1灰度波谱：用该类型在该波段上的灰度值反应的波谱曲线黑体辐射：任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领，为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。
电磁波谱：将电磁波按大小排列制成图表。
太阳辐射：太阳射出的辐射射线瑞利散射：大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射米氏散射：当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射地球辐射：地面吸收太阳辐射能后，向外辐射的射线。
地物波谱特性：各种地物因种类和环境条件不同,都有不同的电磁波辐射或反射特性反射率：地物反射能量与入射总能量之比。
比辐射率：某一物体在一特定波长和温度下的发射辐射强度与理想黑体在相同波长和温度下所发射的辐射强度之比。
后向散射·问答题地球辐射的分段特性是什么？当太阳辐射到达地表后，就短波而言，地表反射的太阳辐射成为地表的主要辐射来源，而来自地球本身的辐射，几乎可以忽略不计。
地球自身的辐射主要集中在长波，即6um以上的热红外区段，该区段太阳辐射的影响几乎可以忽略不计，因此只考虑地表物体自身的热辐射。
两峰交叉之处是两种辐射共同其作用的部分，在2.5~6um，即中红外波段，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。
什么是大气窗口?试写出对地遥感的主要大气窗口答：大气窗口的定义：通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的，透过率较高的波段成为大气窗口。
包括：部分紫外波段，0.30mμ~0.40mμ，70%透过。
全部可见光波段，0.40mμ~0.76mμ，95%透过。
最新二章电磁辐射与地物光谱特征
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
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
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。
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第二章 电磁辐射与地物光谱特征 《遥感导论》课件
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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。
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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：
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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。
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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
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
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。
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
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2章 电磁辐射与地物光谱特征(2)090922
14
这里不包括固态水中的水滴。水汽一般出现在低空。 H20：这里不包括固态水中的水滴。水汽一般出现在低空。它的含 量随时间、地点的变化很大(约从0.1—3%) 量随时间、地点的变化很大(约从0.1 3%)，而且水汽的吸收辐 0.1 3%)， 射是所有其它大气组分的吸收辐射的几倍 水的吸收带： 水的吸收带：
◊
◊
31
微波波段：
◊ ◊ ◊
属于发射光谱范围 属于发射光谱范围 这个窗口不受大气干扰，完全透明，透射率可达 这个窗口不受大气干扰，完全透明，透射率可达100% 全天候的遥感波段，而且是主动遥感方式， 全天候的遥感波段，而且是主动遥感方式，如侧视雷达 的遥感波段 主动遥感方式
32
第三节 地球的辐射与地物波谱
23
散射对遥感数据传输的影响
散射对遥感数据传输的影响极大 大气散射降低了太阳光直射的强度，改变了太阳辐射的方向，削弱 大气散射降低了太阳光直射的强度，改变了太阳辐射的方向， 了到达地面或地面向外的辐射，产生了天空散射光， 了到达地面或地面向外的辐射，产生了天空散射光，增强了地面的 辐照和大气层本身的“亮度” 辐照和大气层本身的“亮度” 它是造成遥感图像辐射畸变 图像模糊的主要原因 造成遥感图像辐射畸变、 的主要原因。 它是造成遥感图像辐射畸变、图像模糊的主要原因。散射使地面阴 影呈现暗色而不是黑色， 影呈现暗色而不是黑色，使人们有可能在阴影处得到物体部分信息 散射使暗色物体表现得比它自身的要亮， 散射使暗色物体表现得比它自身的要亮，使亮物体表现得比它自身 的要暗。因此，它降低了遥感影像的反差(对比度) 的要暗。因此，它降低了遥感影像的反差(对比度)，降低了图像的 质量(清晰度) 质量(清晰度)以及图像上空间信息的详度
第2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
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。
空
间
信
息
科
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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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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？
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第2章 电磁辐射与地物光谱特征
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。
第二章地球的辐射与地物波谱
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
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无选择性散射
发生条件：大气中的微粒直径远大于辐射波长 d >>λ，如 云雾。 散射强度与波长无关，即任何波长的反射强度相同。
？？？为什 么云雾呈白 色
5、大气窗口
概念：太阳辐射通过大气时，受到大气衰减作用较 轻、透射率较高的波段叫大气窗口。
大气窗口的主要波段有
大气窗口 紫外可见光 近红外 波段 0.3～1.3 μm 透射率/% ＞90 应用举例 TM1-4、SPOT的HRV TM5（可探测植物 含水量） TM7 NOAA的AVHRR(探测 海面温度） 60～70 100 TM6（夜间成像） Radarsat（全天候 全天时观测，不受 云雾天气影响）
4
对可见光，瑞利散射非常明显。而红外和微波 可认为几乎不受瑞利散射影响。
为什么无云的天空呈现蓝色？ 为什么早霞和夕阳呈现橘红色？
米氏散射
发生条件：d ≈λ，主要由于大气中的微粒如烟，尘 埃，小水滴和气溶胶引起。 米氏散射与波长的二次方成反比，且散射向前比向后 强。 主要发生在红外波段。
5、几种地物的发射光谱曲线
植被光谱曲线 土壤光谱曲线 水体光谱曲线 岩石光谱曲线
（1）植被反射波谱曲线
植被反射波谱曲线特点 1）在绿光附近有反射率波峰，两侧蓝光和红光附 近有两个吸收带。 2）在近红外波段有一反射的“陡坡”，近红外波 段的反射率比可见光大许多。 3）1.3～2.5um，受含水量的影响，反射率降低。
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
主讲人 张利
河北农大国土学院
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
§1 电磁波谱与电磁辐射
§2
§3 §4
太阳辐射及大气对辐射的影响★
地球辐射及地物波谱★ 微波与地物的作用
§1 电磁波谱及电磁辐射
1、基本概念 （1）电磁波：电磁振荡在空间传播，就是电磁波。
（2）电磁波谱
按电磁波波长，依次排列制成的图表叫电磁波谱。
近红外
近-中红外 中红外 远红外 微波
1.5～1.8 μm
2.0～3.5 μm 3.5～5.5 μm 8～14 μm 0.8～2.5cm
80
80
§3太阳辐射与地物的作用
1、太阳辐射与地表的相互作用 太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部 分透射 地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。
2、地物的反射率
反射率（ρ）：地物的反射能量与入射总能量的 比，即ρ=(Pρ/ P 0)×100%。
(1)地物在不同波段的反射率是不同的。 (2)反射率与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关， 总小于1。 (3)反射率是可以测定的。 (4)反射率的大小在影像上表现为影像的色调不同。
反 射 率 高 …
5、测定地物反射光谱的作用
传感器波段选择、验证、评价的依据。
建立地面、航空和航天遥感数据的关系
将地物光谱数据直接与地物特征进行相关分析 并建立应用模型
6、地物反射率的测定
地物的测量值
V ( ) s ( ) Vs ( )
标准板测量值
标准板的反射率
标准板用近似朗伯体，如BaSO4，MgO等。
电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空 间。 星基本上没有影响。
大气外层：800～35 000 km ,空气极稀薄，对卫
2、大气成分
大气主要由气体分子、悬浮的微粒、水蒸气、水滴等组成。 气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3 悬浮微粒：尘埃
3、大气的吸收作用
大气的吸收作用： 大气中的各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成 太阳辐射的大气吸收带（如下表）。
O2吸收带 O3吸收带 <0.2μm，0.155 μm最强 0.2～0.36 μm，0.6 μm
0.5～0.9 μm , 0.95～2.85 μm，6.25 μm
1.35～2.85 μm, 2.7 μm,4.3 μm,14.5 μm
H2O吸收带
CO2吸收带
尘埃
吸收量很小
4、大气散射
（1）概念：太阳辐射在传播过程中由于大气微粒 而使传播方向改变，向各个方向散开，称为大气 散射。 （2）特点 1）只改变传播方向，不转变为内能。 2）大气的散射是太阳辐射衰减的主要 原因之一。 3）散射主要发生在可见光区。
（3）大气散射的类型
大气发生的散射主要有三种： 瑞利散射：d <<λ 米氏散射：d ≈λ 非选择性散射：d >>λ
d：指大气微粒直径； λ—波长
瑞利散射
发生条件：（d <<λ）,主要是由大气中的分子 和原子引起的，如CO2, O2等。 瑞利散射的强度与波长的四次方成反比。
I 波长越长，散射越小。
植物光谱特征曲线与植物种类、季节、病虫害影响、 含水量多少等有关系
（2）土壤反射波谱曲线
（3）水体反射波谱曲线
1）对各色光反射率都较低， 反射主要在蓝绿波段。
2）近红外波段吸收较强，基 本无反射。 3）当水中含有其他物质时， 反射光谱曲线会发生变化。
（4）岩石反射波谱曲线
不同地物反射光谱曲线比较
§2 太阳辐射及大气对辐射的影响
1、太阳辐射
2、在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线
由太阳光谱曲线可以看出：
太阳光谱是连续光谱；
太阳辐射的能量主要集中在可见光，占太阳辐射 总能量的46%，最大辐射强度位于波长0.47 µm左 右； 到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 ～ 3.0 µm波 段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外；
太阳辐射经过大气层有很大的衰减； 各波段的衰减是不均衡的。
二、大气吸收
Hale Waihona Puke 1、大气结构从地面到大气上界，大气的结构分层为：
对流层： 7～12 km, 天气变化频繁，航空遥感 平流层：12～50 km，底部为同温层（航空遥感
活动层），
电离层：50～1 000 km，O2、N2受紫外线照射而
γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波
2、电磁波的性质
（1）描述电磁波特性的指标： 波长、频率、振幅、位相等 （2）电磁波的性质 ①横波； ②光速传播；满足f· λ=c； ③波粒二象性； ④与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等
3、常用的电磁波谱段
紫外线，0.01～0.38μm，对油污敏感，近紫外常用 可见光：0.38～0.76μm，光学摄影，多光谱摄影，扫描方 式 红外线：0.76～1000μm，近红外、中红外、远红外和超远 红外。 微波：1 mm～1 m，穿透性好，不受云雾的影响。
反射 率低
IKONOS全色图像
3.地物的反射
物体的反射分为以下三种情况：
镜面反射(…) 漫反射(…) 不论入射方向如何，其反射出来的能量在各 个方向是一致的。 实际地物反射(…) 一般地物的反射近似漫反射，但各个方向反 射的能量大小不同。
4.地物的反射光谱
地物的反射光谱指地物反射率随波长变化的曲线。