遥感电磁辐射基础
遥感应用知识体系-电磁辐射与辐射传输基础
3、电磁波谱：根据电磁波在真空传播的波长或频率，按
递增或递减顺序排列成的图表叫电磁波谱 Wavelength l
无线电波 微波 红外线 可见光 紫外线
Energy
X射线 射线
电磁波谱
习惯上将电磁波谱分成7个区： 射线x射线紫外线可见光红外线微波无线 电波
电磁波谱
波段
长波 无线电波 中波和短波 超短波 微 波 超远红外波段
遥感技术系统和遥感过程
分析结果、图表 输出
地面接收站
接收
预处 理
用户应用 处理 1
电磁辐射与辐射传输
一、电磁波及电磁波谱 二、电磁辐射 三、大气对电磁辐射的影响
四、辐射传输方程
2
一、电磁波与电磁波谱
1、电磁波：交互变化的电磁场在空间的传播。
电场强度 V 传播方向 磁场强度
传播速度
3
2、电磁波性质
2.2 一般物体的发射辐射
自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量都比相同条件
下绝对黑体的低。以黑体作为标准来研究自然界中实际物
体的发射辐射：用发射率来表示它们之间的关系。
W /W
发射率：实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率 之比。发射率是一个介于0和1的数，用于比较辐射源接近
黑体的程度。发射率与波长和温度有关，还与构成物体的
黑体辐射波谱曲线
变化特点： (1) 辐射通量密度随波 长连续变化，只有 一个最大值； (2) 温度越高，辐射通 量密度越大，不同 温度的曲线不相交； (3) 随温度升高，辐射 最大值向短波方向 移动。
(2)斯忒藩－玻耳兹曼定律
Joseph Stefan, 1835-1893, 奥地利物理 学家，1865获得诺贝尔奖。
遥感原理与应用_第2章_2遥感物理基础-辐射传输基础
• 米氏散射：如果介质中不均匀
颗粒的直径a与入射波长同数 量级；(气溶胶)
• 非选择性散射（均匀散射）：
当不均匀颗粒的直径a>>λ时
发生。(大粒子尘埃)
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遥感影像判读
遥感平台特点
遥感
影像识别分类
遥感物理基础
遥感技术应用
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SWJTU
遥 1 2感 3物 4 5理 6基 7 础
遥感电磁辐射基础 辐射传输基础
地物波谱特性与遥感光学基础
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SWJTU
大 大气成分 气 不变成分：氮、氧、氩、二氧化碳、甲烷、氧化氮、氢； 对 这些气体在80km以上的相对比例保持不变，称为不变气体。 1 2 电 可变成分：臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、 3磁 4 冰等）、盐粒、尘烟；这些气体的含量随高度、温度、位置 5辐 6 射 而变，称为可变成分。 7 的 气溶胶：固体或液体分散在气体中的分散体系叫做气溶胶。 影 比如，烟、尘、雾、云等都是气溶胶 。气溶胶是气体和在重 响 力场中具有一定稳定性和较小沉降速度的物质颗粒组成的混
散射影响：使原传播方向的辐射强度减弱，而增加向其他各方向
的辐射。尽管强度不大，但太阳辐射在照到地面又反射到传感器的 过程中，二次通过大气，在照射地面时，由于增加了漫入射的成分， 使地物反射的成分有所改变。 对遥感图像来说，增加了信号中的噪声成分，降低了传感器接收 数据的质量，造成图像模糊不清。 不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。 大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。
遥感物理基础
X
10-6m 1nm 0.38m 0.76m 3m 6m 15m 1mm 1m
紫可近中远超微无
射射 外 见 红 红 红 远 波线
线线 线 光 外 外 外 红
电
外
波
1mm=1000 m；1m=1000nm
电磁波谱的划分
紫外波段 可见光波段
紫色光 蓝色光 青色光 绿色光 黄色光 橙 色光 红色光 近红外（摄影红外）波段 近红外（反射红外）波段 中红外波段（热红外）
❖ 灰体：0< α <1，α不随波长而变 化。
❖ 选择性辐射体： 0< α <1，α随 波长而变化。
概念——辐射度量
❖ 辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位J。 ❖ 辐射通量（Φ）：单位时间内通过某一面积的
辐射能量,Φ=dW/dt，单位W。辐射通量是波长 的函数，总辐射通量是各谱段辐射通量之和或 辐射通量的积分值。 ❖ 辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面 积的辐射能量，E=dΦ/dS，单位W/M2，S为面 积。
普朗克公式表示出了黑体辐射通量密度与温 度的关系及按波长分布的情况。反映黑体 辐射的三个特性：
E0
6000K 3000K
❖ 辐射通量密度随波长连续变化，温度一定 时，辐射通量密度随波长变化的曲线只有 一个最大值
1000K 200K
❖ 温度越高，辐射通量密度也越大，不同温
度下的曲线不相交。
❖ 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。
由上式可见（在遥感技术上的意义）： ❖ 绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能
与绝对温度的四次方成正比，对于一般物体, 可用上式概略推算出总辐射能与绝对温度的 关系。 ❖ 黑体总辐射通量密度与温度的四次方成正比， 因而随温度的增加迅速增大——红外测温的 理论依据。
遥感电磁辐射基础
电磁辐射的有关概念
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，也能够向外辐射电磁波。
太阳辐射：可见光及近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）
基本物理名词：辐射能量（Q）、辐射通量（辐射功率，φ）、辐射出射度 （辐射通量密度W）、辐射照度（E）、辐射强度（I）、辐射亮度(L)
1
d
M (T ) T 4
σ：斯忒藩－玻耳兹曼常数，5.6697（±0.00297）×10-2 Wcm-2K-4
维恩位移定律
ch maxT 2897.8 k 4.96511
表明：黑体的绝对温度增高时，它的最大辐射本领向短
波方向位移。若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐 射的波段。在遥感技术上，常用这种方法选择遥感器和确 定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。
分谱？？？ 分谱辐射通量 分谱辐照度、分谱辐射出射度 分谱辐射强度
“分谱”两字可以忽略
小
辐射量 辐射能量 辐射通量 符号 Q Φ
结
单位 焦耳(J)
辐射度量一览表
定义
(2) Q/ t( λ)
瓦(W)
辐照度
辐射出射度 辐射强度 辐射亮度
E
M I L
(2) Φ / A ( λ)
(2) Φ / A ( λ) (2) Φ / Ω ( λ) 2(3) Φ / A Ω ( λ)
电离层：高度在50～1 000 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。
大气外层：800～35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上
遥感概论习题
第一章遥感概述1.简述遥感的基本概念2.与传统对地观测手段比较,遥感有什么特点?举例说明.3.简述遥感卫星地面站，其生产运行系统的构成及各自的主要任务。
4.遥感有哪几种分类？分类依据是什么？5.试述当前遥感发展的现状及趋势。
6.举例说明“3S”集成系统中各子系统的作用GIS：在“3S”技术中具有采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球上与空间和地理分布有关的数据的作用。
GPS：精确的定位能力、准确定时及测速能力、提供实时定位技术RS：GIS数据库的数据源第二章遥感电磁辐射基础1.已知由太阳常数推算出太阳表面的总辐射出射度M=6.284×107 W/㎡,求太阳的有效温度和太阳光谱中辐射最强波长。
2.电磁波波谱区间主要分为哪几段？其中遥感探测利用最多的是什么波段？仔细分析原因。
3.阐述太阳辐射和地球辐射的特点，当这些电磁辐射经过大气时产生哪些物理过程？4.为什么地物光谱的测量十分重要？理解书中介绍的垂直测量和非垂直测量的方法。
5.你能说出几种主要地物的光谱特点吗？6.你能说出地面接受的辐射有哪几个来源，到达传感器时电磁波辐射又含有几部分吗？7.对照卫星传感器所涉及波段区间和大气窗口的波段区间，理解大气窗口对于遥感探测的重要意义。
第三章传感器与遥感图像特点1.传感器主要由哪些部件组成？2.摄影类型传感器与扫描类型传感器的工作原理有何差异？3.简述光谱分辨率与空间分辨率的关系。
4.何谓高光谱遥感？5.成像光谱仪的特点及结构是什么？6.按摄影机主光轴与铅垂线的关系，航空摄影可分为哪几类？7.影响航空像片比例尺的因素有哪些？怎样测定像片的比例尺？8.比较航空像片光学特性的因素主要有哪些？9.比较航空摄影像片与地形图的投影性质有什么差别？10.什么是像点位移？引起像点位移的主要原因是什么？11.在垂直摄影的航空像片上像点位移有什么规律？12.目前国际上有哪些比较流行的航空成像光谱仪？13.航天遥感与航空遥感相比有什么特点？14.遥感卫星轨道参数有哪些？15.遥感卫星的轨道分类是怎样的？16.航天遥感平台主要有哪些？各有什么特点？17.扫描成像的基本原理是什么？扫描图像与摄影图像有何区别？18.AVHRR的光谱段是怎样划分的？为什么？19.地球资源卫星主要有哪些？常用的产品有哪几类？20.海洋卫星有什么用途？21.未来的航天遥感有哪些发展方向？22.ETM+与TM的区别是什么？Mss、TM影像与SPOT的HRV影像的异同？23.微波波段在电磁波谱中的什么位置？微波接其波长或频率又可分为什么波段？24.与可风光和近红外遥感相比，微波遥感有什么优缺点？近年来对其不足有什么改进？25.微波传感器主要分为哪两种？举例说明/26.为什么合成孔径雷达可以提高分辨率？27.简述雷达图像的距离分辨率和方位分辨率与什么有关？它们在图像上的变化规律是什么？28.画图解释透视收缩，叠掩和阴影的产生条件，理解这些几何变形对影像解译的影响。
遥感技术基本原理
遥感技术基本原理
遥感技术基本原理可分为以下几个方面：
1. 电磁辐射原理：遥感技术利用传感器测量地球表面反射、辐射或发射的电磁辐射。
根据不同波长范围的辐射，遥感可分为光学遥感、红外遥感和微波遥感等。
2. 辐射能量与物体相互作用：物体在接收到辐射能量后，会发生不同的反射、散射、吸收和发射现象。
通过测量这些现象，可以推断出地表物体的特性和状况。
3. 数字图像处理：遥感数据一般以数字图像的形式存储。
数字图像处理技术用于提取、增强和解译遥感图像中的信息，包括图像融合、分类、变换等。
4. 地球表面特征的预测和解译：通过遥感技术获取的数据，结合地物特征、统计学方法等，可以对地球表面的特征进行预测、解译和分析，如土地利用覆盖、植被分布、水资源等。
5. 地学模型与遥感数据的集成：遥感技术与地学模型的集成，可通过模型求解来推断遥感数据所反映的地球表面现象，如气候变化、地表沉降等。
6. 数据获取与传输技术：遥感技术依赖于卫星、飞机等平台获取数据，并通过无线传输技术将数据传输到地面站和数据中心，进行处理和存储。
通过了解和应用上述原理，遥感技术可以广泛应用于环境监测、资源调查、灾害监测、农业管理等领域，为人类社会的可持续发展提供重要支持。
遥感导论 电磁波及电磁辐射特性.
1.电磁波及其特性 2.电磁波谱 3.电磁波的传播特性 4.物质的电磁辐射特性 5.电磁辐射的物理和化学效应 6.电磁辐射度量 7. 光度的基本物理量 8. 辐射交换过程中的物理量 9. 辐射度与光度中的基本定律 10. 基尔霍夫定律的导出 11. 物体的温度
《遥感技术与应用》武汉大学资源与环境学院
实验室条件下的光谱测试分析技术与遥感电磁辐 射探测分析技术的异同： ¾ 基本物理原理相同。
但遥感是远距离探测，而且是对野外实地目标的探测， 因此二者在对目标物光谱探测的精细程度上有很大的 差别。此外，远距离探测还存在尺度效应(探测单元的 尺度不同引起的辐射特性的变化)、大气效应(大气层对 辐射传输的影响)等现象，由此带来电磁辐射的某些物 理规律、定理的适应性的变化，需要研究一些新的理 论和分析方法以适应这种变化。
《遥感技术与应用》武汉大学资源与环境学院
《遥感技术与应用》武汉大学资源与环境学院
介质吸收
散射效应 在不均匀介质中(存在微粒质点、分子涨落等)， 电磁波偏离原来传播方向而向各个方向散开的 现象称为散射。
在遥感中电磁辐射要通过厚厚的大气层，产生严重的散 射。因此散射是遥感的一个非常重要的概念。 散射的成因与介质的不均匀性 有关。介质的不均匀性可以是 由胶体(如大气中的气溶胶)、 烟、雾、灰尘等悬浮质点导 致，也可以是由分子热运动造 成的密度局部涨落产生。后者 引起的散射称为分子散射。
《遥感技术与应用》武汉大学资源与环境学院
干涉：两列或两列以上(离散)的波，因波的迭加 而引起传播的交迭区域内振动强度重新分布 (加强或削弱)的现象称为波的干涉。
相干条件：两列波的频率相同、存在相互平行的振动矢 量以及相位差稳定。稳定的相位差这一条只对微观客 体发射的电磁波是必要的。微波遥感中的SAR和InSAR (干涉雷达)都用到干涉。
遥感的物理基础
• 1 nanometer = 10 Ao
Language of the Energy Cycle: The Electromagnetic Spectrum
Wavelength l
遥感原理
影响地物发射率的因素：
地物的性质、表面状况、温度（比热、 热惯量）：比热大、热惯量大，以及具
有之保发温射作 率用 就的 小地 。物，一般WWW发W黑黑射率大，反
表面粗糙、颜色暗，发射率高，反之发射率低。 地物的辐射能量与温度的四次方成正比，比热、 热惯性大的地物，发射率大。如水体夜晚发射率大， 白天就小。
2. 平流层：较为微弱。 3. 电离层：（中间层、热层散
辐射亮度
L 2(3) Φ / A Ω ( λ)
瓦/米²•球面度 (W/m² • Sr)
遥感原理
四、黑体辐射
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。 1. 黑体：在任何温度下，对任何波长的电磁 辐射都全部吸收,则 这个物体是绝对黑体 。 2. 黑体辐射(Black Body Radiation )：黑体的 热辐射称为黑体辐射。黑色烟煤 恒星太阳
由振源发出的电磁振荡在空气中传播。
遥感原理
4. 电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原
理
5. 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。
遥感原理
6.
电磁波的特性
电磁波是横波
在真空中以光速传播
满足：频率与波长的乘积是光速
能量等于普朗克常数h与频率f的 乘积
遥感的物理基础
反射现象：电磁波在传播过程中，通过两种介 质的交界面时会出现反射现象，反射现象出要 出现在云顶（云造成噪声）。
遥感基础与应用
大气窗口
不同波段的电磁波受到大气的衰减作用轻重不 同。
电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和 散射的，透射率较高的波段称为大气窗口。
遥感传感器选择的探测波段应包含在大气窗口 之内。
(2) 地物的发射光谱特性
同一地物，其表面粗糙或颜色较深的，发射率 往往较高，反之，发射率则较小。
比热大，热惯量大，以及具有保温作用的地物， 一般发射率大，反之发射率就小。
例如水体，在白天水面光滑明亮，表面反射强 而温度较低，发射率亦较低；而夜间，水的比 热大，热惯量也高，故而发射率较高。
遥感基础与应用
结果输出（图、表）
接收 预处理
用户处 理应用
遥感基础与应用
太阳辐射曲线
太阳辐射的能量主要集中 在可见光，其中0.38 ～ 0.76 µ m的可见光能量占太阳辐射 总能量的46%，最大辐射强 度位于波长0.47 µ m左右； 到达地面的太阳辐射主要 集中在0.3 ～ 3.0 µ m波段，
包括近紫外、可见光、近
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（1.4um、1.9um、2.7um处附近 区间），反射率的下降尤为明显。
遥感基础与应用
三种不同类型土壤在干燥环境下的光谱曲线
水的吸收带（1.4um、1.9um、2.7um） 干燥土壤的波谱特征主要 与土壤物质组成（成土矿 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，
遥感基础与应用
不同地物的反射波谱特征
遥感基础与应用
遥感原理与应用-第1章
图1-5 几种温度下的黑体波谱辐 射曲线
从上式可以看出：绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能 与绝对温度的四次方成正比，称为斯忒藩－玻耳兹曼公式。
12
黑体辐射特性
• 分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动。 可微分普朗克公式，并求极值。
维恩位移定律：
温度 波长 300 9.66 500 5.80 1000 2.90 2000 1.45 3000 0.97 4000 0.72 5000 0.58 6000 0.48 7000 0.41
27
瑞利散射中，散射强度与波长的关系
I ∝ E s' ∝
2
sin 2 θ
λ4
蓝光散射较强 红光散射较弱
为什么微波具有穿透云雾的能力？
28
(2)大气对太阳辐射的反射
• 由于大气中有云层，当电磁 波到达云层时，就象到达其 他物体界面一样，不可避免 的要产生反射现象，这种反 射同样满足反射定律。而且 各波段受到不同程度的影 响，削弱了电磁波到达地面 的程度。因此应尽量选择无 云的天气接收遥感信号。
7
可见光的范围 紫 0.38～0.43μm 蓝 0.43～0.47μm 青 0.47～0.50μm 绿 0.50～0.56μm 黄 0.56～0.59μm 橙 0.59～0.62μm 红 0.62～0.76μm
• • •
电磁波谱的范围非常宽，从波长最短的γ 射线到最长的无线电波，波长之比高达 1022倍以上 遥感采用的电磁波段可以从紫外线一直到 微波波段 遥感就是根据感兴趣的地物的波谱特性， 选择相应的电磁波段，通过传感器探测不 同的电磁波谱的发射或反射辐射能量而成 像的。
24
•
气溶胶的来源
• 自然：
2遥感技术与应用-遥感电磁辐射基础(2)
大气对电磁辐射的影响作用：
折射、反射、吸收、散射、透射 。（自身辐射）
6
大气折射 （Refraction）
电磁波穿过大气层时，会产生传播方向改变，即折射现象。 大气密度越大，折射率越大；离地面高度越大，空气越稀薄， 折射率越小。
地面接收的电磁波方向与实际太阳辐射方向偏离了一个角度， 称为折射值。
Atmospheric Refraction
16
3、无选择性散射(Non-selective scattering)
发生在大气粒子的直径比波长大得多时。散射的特点 时散射强度与波长无关，任何波长的散射强度相同
尘埃、云和雾 云和雾：白色，（对所有可见光波长同等散射）
17
散射特征总结
散射强度遵循的规律与波长密切相关。在大气状况相同时，同 时会出现各种类型的散射。
地表接受的太阳辐射曲线
与大气外的曲线不同，差异 主要由大气引起。
太阳辐照度分布曲线
1
2.2 太阳辐射和地球辐射
2 地球辐射
地表自身热辐射 地球辐射与相应的黑体辐射的关系：地球辐射接近于 300K黑体辐射，但由于大气影响（主要是吸收），实际 的辐射曲线为不平滑的折线。
2
2.2 太阳辐射和地球辐射
3 太阳辐射和地球辐射的分段性：
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 0.48m，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 m，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 m，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 m以上的热 红外区段。 在2.5-6 m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
遥感技术的基本原理
遥感技术的基本原理
遥感技术是利用航天器、飞机和地面观测点等平台，通过对地球表面物体反射、辐射和散射等信息的获取和分析，来研究和监测地球表面和大气变化的一种技术手段。
它的基本原理可以简单概括为以下几个方面：
1. 电磁辐射原理：遥感技术主要基于物体对电磁波的相互作用来获取信息。
地球表面物体受到太阳辐射的照射后，会根据其属性和组成的不同，吸收、反射或散射不同波长的电磁辐射。
利用遥感仪器可以测量到各种波长的电磁辐射，并通过光谱分析等手段，推断出地面物体的属性和组成。
2. 多光谱成像原理：遥感技术通常采用多光谱成像，即利用不同波段的光谱信息来获取地面物体的特征。
多光谱成像可以提供物体的颜色和反射率等信息，从而识别地表物体的类型如植被、水体或城市建筑等。
3. 高光谱成像原理：高光谱遥感技术相比多光谱遥感技术能够获取更高维度的光谱信息。
它可以对地面物体的光谱进行更加精细的分析，从而提供更多的物质信息和精准的物体识别能力。
4. 合成孔径雷达（SAR）原理：合成孔径雷达利用雷达波束的连续接收和信号处理技术，来获取地球表面物体的雷达信号。
相比传统光学遥感技术，SAR不受天气和时间的限制，且可
以获取地表的极化参数、高程数据等。
5. 精度定位原理：遥感技术的数据处理中需要对获取的影像进
行精度定位，以获取地理空间信息。
这通常通过电磁辐射学和地理配准等方法来实现。
总之，遥感技术的基本原理在于利用不同传感器和平台获取地球表面物体的电磁辐射信息，通过对这些信息的分析和处理，来研究和监测地球表面和大气的变化。
遥感原理与应用知识点总结
遥感原理与应用知识点总结遥感原理与应用是地理信息科学和地球科学领域中的重要学科，主要涉及利用遥感技术获取地球表面信息的方法、原理和应用。
以下是遥感原理与应用的重要知识点总结：1、遥感定义：遥感是指通过非接触传感器，从远处获取地球表面各类信息的技术。
2、电磁波谱：遥感技术主要利用电磁波谱中的可见光、红外线、微波等波段，不同波段的信息携带的地面信息不同。
3、辐射与反射：遥感传感器接收到的辐射包括目标物体的自身辐射和反射太阳光。
反射率是物体反射能量与入射能量之比，是遥感影像分析的重要参数。
4、分辨率：分辨率是遥感影像中能够识别的最小细节，可分为空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率。
5、图像增强：通过图像处理技术，对遥感影像进行色彩调整、滤波、边缘增强等操作，以提高影像的可读性和目标物体的识别精度。
6、图像分类：基于遥感影像的像素值和特征，利用计算机视觉和图像处理技术进行自动或半自动的分类，得到专题图层。
7、动态监测：遥感技术可以对同一地区不同时相的影像进行对比分析，发现地表信息的动态变化，如土地利用变化、环境污染监测等。
8、应用领域：遥感技术在环境保护、城市规划、资源调查、灾害监测、全球变化研究等领域有广泛应用。
9、遥感数据融合：将不同来源的遥感数据融合在一起，可以提高遥感影像的质量和精度，为应用提供更加准确可靠的数据支持。
10、3S技术：遥感（Remote Sensing）、地理信息系统（Geographic Information System）和全球定位系统（Global Positioning System）的结合，可以实现空间数据的快速获取、处理和应用。
以上知识点是遥感原理与应用学科的核心内容，理解和掌握这些知识点有助于更好地应用遥感技术解决实际问题。
同时，随着遥感技术的发展，新的理论和方法不断涌现，需要不断学习和更新知识。
除了上述知识点外，遥感原理与应用还包括许多其他重要内容。
例如，传感器设计和制造涉及的技术和标准，遥感数据的预处理和后处理方法，以及遥感应用中涉及的法规和政策等。
高光谱遥感理论基础.pptx
地物反射率：主要在可见光、近红外波段反射太阳的辐射， 反射率等于物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比
E
E
反射波谱特性曲线：是某物体的反射率（或反射辐射能）随 波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的 曲线即称为该物体的反射波谱特性曲线。
31
1.岩矿
高光谱遥感最早是人们研究岩石和矿物的光谱特性时提 出来的，因此，地质是高光谱遥感应用中最广泛的领域 之一。
33
2）分子振动产生光谱特征 晶体结构不同，受到外来能量的时候，发生振动 而产生的光谱特性并不一致。
3）除此之外，还受到温度和矿物粒度的影响，温度升高，向短 波方向移动。
34
岩石
野外的岩石光谱是矿物光谱的混合而成，可 见光和红外只有几厘米的穿透率，因此，分析岩石 表面情况很重要： （1）风化，水化物的影响 （2）岩石表面结构：颗粒减小，反射率增大 （3）岩石表面颜色：铁，碳的影响 （4）大气环境
26
• 野外光谱测量的光源主要来自三个方面：太阳直射，太阳散射和周围物体的散射光源。
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光谱地面测量
以美国ASD公司生产的野外光谱分析仪 FieldSpec Pro为例，它是一种测量可见光到近 红外波段地物波谱的有效工具。它能快速扫描地 物，光纤探头能在毫秒内得到地物单一光谱。 可以测量：相对反射率，辐射照度与辐射亮度。
镜面反射(…) 清 ➢反地澈射水物近体在似可不漫达同反10波0射m段，的的深但反度各。射个率方是向不反同射的的。能量大小不同。 主 ➢地反要表集射物吸中率体收在是太的长阳可波反辐以，射射即测满后6定足μ具m的有反以。约射上3定0的0热律K红的，外温入区度射段，角。从而等形于成反自射身角的热。辐只射有，在其反峰值射波波长射为出9.6的6 μ方m向， ➢才时荧反能很光射探暗，率测，物也体到就被与电是单地磁这一物波个波的，原长表辐水因射面面造照颜是成射色近的而、似。发粗射的出糙镜另度面外和反一湿射种度波，长等在辐有遥射关感的。图现象像。上比水如面硫有化物时，很亮，有 ➢地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。
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地物光谱发射特 性曲线
地物在不同波段上 光谱发射率不同， 波长与发射率的对 应关系绘制而成的 曲线即为地物光谱 发射特性曲线。
The emission of ground object
Type
1. 原子光谱——核外电子能级跃迁； 2. 分子光谱——跃迁、振动及转动； 3. 晶体光谱——包括晶体振动。
晶体振动 3 ~ 30m
中红外、远红外
Definition
电磁波谱：按电磁波在真空中传播的波长或频率， 递增或递减排列，则构成电磁波谱。
电磁波的分类及其在遥感中的应用
电磁波分类 Υ射线 [小于10-6μm]
面积的辐射能 • 辐射通量密度（E=dΦ/ds）：单位时间通过单
位面积的辐射能
Measurement of electromagnetic radiation
辐照度(irradiation) （I=dΦ/ds）：被辐射物 体表面单位面积上的辐 射通量
辐射出射度(radiant exitance) （M=dΦ/ds）： 辐射源物体表面单位面 积上的辐射通量
按照发射率与波长的关系， 把地物分为： 1）黑体：发射率=1 2）灰体(grey body)：发射 率<1，常数 3）选择性辐射体(Selective radiator)：发射率<1，且随 波长而变化。
不同类型地物的发射率
影响地物发射率的因素：
地物的性质、表面状况、温度：比热大、 热惯量大，以及具有保温作用的地物， 一般发射率大，反之发射率就小。一般 常用平均发射率来表示地物的发射能力。
对普朗克公式微分求极值：
简述遥感的基本原理
简述遥感的基本原理
遥感是一种通过探测和记录地球表面的电磁辐射来获取地球信息的技术。
它利用遥感卫星、飞机等载体，通过接收地球表面反射的电磁波或地球自身辐射的电磁波，来获取地球表面的信息。
遥感的基本原理是利用电磁波与地物之间的相互作用来获取地球表面的信息。
电磁波是一种由电场和磁场相互作用而产生的能量传播现象，它在空间中以波的形式传播。
电磁波包括可见光、红外线、微波等不同波长的波段，而不同波段的电磁波与地物之间的相互作用也不同。
例如，可见光主要与地表物体的颜色和纹理有关，红外线则与地表物体的温度有关，微波则可以穿透云层和植被，获取地表物体的内部信息。
遥感技术通过感知和记录电磁波在地球上的分布和变化，来获取地球表面的信息。
遥感卫星或飞机上搭载的传感器可以接收到地球表面反射的电磁波或地球自身辐射的电磁波，并将其转化为数字信号。
接收到的数字信号经过处理和解译，可以得到地球表面的各种信息，如地表反射率、温度、湿度、植被覆盖程度等。
这些信息可以用于地质勘探、环境监测、农业生产、城市规划等领域。
遥感技术的基本原理是通过探测和记录地球表面的电磁辐射来获取地球信息。
它利用电磁波与地物之间的相互作用，通过感知和记录电磁波在地球上的分布和变化，来获取地球表面的各种信息。
这种
技术可以广泛应用于各个领域，为人们提供了更多的地球信息，促进了人类社会的发展。
遥感电磁辐射基础
城市环境监测
遥感技术可以监测城市环境状况，如绿地覆盖、噪声污染等，为城 市环境治理提供依据。
交通状况监测
遥感技术可以实时监测城市交通状况，为交通管理部门提供决策支 持。
06 遥感电磁辐射的未来发展
新技术与新方法
人工智能与机器学习
资源开发与环境保护
遥感技术的应用涉及到资源开发和环境保护等方面的问题。在利用遥感技术进行 资源开发的同时，需要注重环境保护和可持续发展，避免对生态环境造成不良影 响。
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农业应用
作物长势监测
通过遥感技术，可以实时监测作物的生长状况，如叶面积指数、 生物量等，为精准农业提供决策支持。
灾害预警
遥感技术可以及时发现农业灾害，如病虫害、旱涝等，为农民提 供预警信息。
农业资源调查
遥感技术可以调查土地利用状况、土壤类型等信息，为农业规划 提供数据支持。
城市规划与管理
城市扩张监测
利用人工智能和机器学习技术对遥感数据进行高效处理和解析， 提高遥感数据的准确性和可靠性。
微波遥感技术
发展微波遥感技术，实现对云层、水汽、植被等复杂地表的精细观 测，提高遥感数据的穿透性和覆盖率。
高光谱遥感技术
利用高光谱遥感技术获取地物光谱信息，实现对地物的精细分类和 识别，提高遥感数据的精度和分辨率。
遥感传感器
遥感传感器是用来接收和测量电磁辐射的设备，根据不同的应用需求， 可以选择不同的传感器来获取地表信息。
03
信息传递
遥感技术通过接收和测量电磁辐射，将地表信息转化为数字信号，经过
处理和分析，提取出有用的信息，为人类提供决策依据。
电磁遥感的基本原理有哪些
电磁遥感的基本原理有哪些电磁遥感是利用电磁波与地物相互作用的原理，通过感知、记录和解释地球表面物质的辐射能量，以获取地球表面、大气和水体的信息。
它是利用电磁波在空间中传播与相互作用的方法，通过遥感技术获取地球属性、层次和空间分布的方法。
电磁遥感的基本原理主要有辐射传输、能谱特征、散射特征、吸收特征和辐射热平衡等。
电磁辐射传输是指地物对电磁波的辐射能量的吸收、散射和透射过程。
地物对电磁波的响应是通过地物的辐射、散射、吸收等表面过程和体积过程来实现的。
地球表面物体辐射的能量谱分布是其物理性质的反映，不同地物具有不同的能谱特征。
通过分析地物的能谱特征，可以推断地物的组成、结构和即时变化等信息。
电磁散射是指电磁波在地物上表面或内部遇到不同的物理介质时，部分波被物质散射回来的过程。
通过分析散射光的强度和散射方向，可以推断出地物的几何结构、粗糙度和纹理等信息。
电磁吸收是指地物在电磁波作用下，部分或全部吸收电磁波能量并转化为其他形式的能量的过程。
地物的吸收特征与其材料的性质密切相关。
不同材料对电磁波的吸收具有不同的特征，通过分析地物的吸收特征可以推断出地物的组成和成分等信息。
辐射热平衡是指地物表面和大气之间辐射能量的平衡过程。
地球表面与大气之间通过辐射传输作用相互连通，形成一个动态的辐射热平衡状态。
通过对地物表面和大气辐射的测量和分析，可以推断地球表面的温度、热动力学特性和热平衡状态等信息。
综上所述，电磁遥感的基本原理主要包括辐射传输、能谱特征、散射特征、吸收特征和辐射热平衡。
通过对电磁波与地球表面物质相互作用的研究和分析，可以获取地球表面、大气和水体的信息，从而实现对地球环境的全面感知和监测。
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镜面反射的例子
辐射源
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。
遥感的辐射源分为自然辐射源和人工辐射源两类。自 然辐射源主要包括太阳辐射和地物的热辐射；太阳辐 射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。人工辐射源是指人为发射的具 有一定波长的波束；主动遥感采用人工辐射源，目前 较常用的人工辐射源为微波辐射源和激光辐射源。
发生一系列现象如：镜面反射、漫反射、方向反射、 折射、吸收和透射。全部反射、吸收和透射的能量之 和与入射的总能量相等。
方向反射
方向反射：实际地物表面由于地形起伏，在某个方向 上反射最强烈，这种现象称为方向反射，是镜面反射 和漫反射的结合。它发生在地物粗糙度继续增大的情 况下，这种反射没有规律可寻。
黑体辐射
绝对黑体：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射 都全部吸收，则这个物体是绝对黑体（理想状态）。
光谱吸收系数α：当物体的温度一定，波长在λ~ λ ＋Δλ范围内，α为吸收能量与入射能量之比。
光谱反射系数ρ：当物体的温度一定，波长在λ~ λ ＋Δλ范围内，ρ为反射能量与入射能量之比。
光谱透射系数T：当物体的温度一定，波长在λ~ λ ＋Δλ范围内， T为透射能量与入射能量之比。
太阳光谱
通常指光球产生的光谱，光球发射的能量大部分集中 于可见光波段。
图中描绘出了黑体在6 000K时的辐射曲线，在大气层 外接收到的太阳辐照度曲线以及太阳辐射穿过大气层 后在海平面接收的太阳辐照度曲线。从图中可知：
电磁波谱
按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排 列，则构成了电磁波谱。
遥感技术中常用的是可见光、红外和微波波段。 1）可见光部分可被人眼观察到，所以应该广泛。 2）红外区间探测不可见的辐射信息，远红外可以探测 热辐射。
3）微波探测可称之为全天候探测，不受白天黑夜和天 气状况的影响。
波段
波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等 。分为横波和纵波两种,如果质点的振动方向与波的传 播方向相同,称纵波;若质点振动方向与波的传播方向垂 直,称横波。电磁波是横波。
电磁波示意图
电场
磁场
电磁波的性质
（1）是横波； （2）在真空以光速传播； （3）满足 c=f•λ （c=3×108 m/s） E=h•f； （4）电磁波具有波粒二象性； （5）电磁波在传播中遇到气体、液体或固体介质时会
基尔霍夫定律
基尔霍夫定律 给定温度下，黑体向外的辐射出射度和吸收的能量
必然相等，任何地物的辐射出射度与吸收率α之比是 常数。基尔霍夫证明下式之比仅与波长和温度有关。
黑体：最大的吸收率 最大的发射率 没有反射
实体：吸收本领大、发射本领也大
§2.2 太阳辐射和地球辐射
太阳光通过地球大气照射到地面，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过地球大气上空时的辐射强 度相比，已有了很大的变化。
黑体辐射规律
普郎克公式： 描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。
h: 普朗克常数6.6260755*10-34 W·s2 k: 玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 W·s·K-1 c: 光速; λ: 波长（μm）; T: 绝对温度（K）
斯忒藩—玻尔兹曼定律
对普朗克定律在全波段内积分，得到斯忒潘－玻尔兹 曼定律。
地球上的能源主要来源于太阳，太阳被动遥感最主 要的辐射源。传感器从空中或空间接收地物反射的电 磁波，主要是来自太阳辐射的一种转换形式。
太阳常数
太阳常数：是指不受大气影响，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 间黑体所接受的太阳辐射能量。通常表示为：
太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量，所以 没有大气的影响。太阳常数值基本稳定，即使有变化 也不会超过1%。太阳常数对遥感探测和进一步应用于 气象、农业、环境等领域也很重要。
常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长 9.66μm ）
接近黑体的人造吸收体
自然中并不存在绝对的黑体，实用的黑体是由人工方 法制成的，它只是一种理想的黑体模型，基本结构是 能保持恒定温度的空腔。
空腔壁由不透明的材料制 成，空腔器壁对辐射只有 吸收和反射作用，当从小 孔进入的辐射照射器壁上 时大部分辐射被吸收，仅 有少量通过小孔射出。
电磁辐射测量
辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J
辐射通量（Φ）：单位时间内通过某一面积的辐射 能量，Φ =dW/dt ，单位：W
辐照度（I）：被辐射(接收辐射)的物体表面单位 面积上的辐射通量，I=dΦ /dS ，单位： W/m2
辐射出射度（M）：辐射源物体(发射辐射)表面单 位面积上的辐射通量，M=dΦ /dS ，单位：W/m2
辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方 成正比。
σ: 斯蒂藩－玻尔兹曼常数，5.6697×10－8Wm-2K4
T：绝对黑体的绝对温度（K）
维恩位移定律
黑体辐射光谱最强的波长与黑体绝对温度T成反比：
波谱辐射曲线
维恩位移定律
黑体温度越高，曲线的顶峰就越往左移，即往波 长短的方向移动。高温物体发射较短的电磁波， 低温物体发射较长的电磁波。
长波 中波和短波
超短波 微波 超远红外 远红外 中红外 近红外 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 紫外线
X射线 γ 射线
波长 大于3000m 10~3000m
1 ~10 m 1mm~1m 15~1000μm 6~15 μm 3~6 μm 0.76~3 μm 0.62~0.76 μm 0.59~0.62 μm 0.56~0.59 μm 0.50~0.56 μm 0.47~0.50 μm 0.43~0.47 μm 0.38~0.43 μm 10-3~3.8×10-1 μm 10-6 ~ 10-3 μm 小于10-6μm
遥感电磁辐射基础
§2. 1电磁波谱与黑体辐射
电磁波：也称为电磁辐射，根据麦克斯韦电磁场理论 ，变化的电场能够在它周围引起变化的磁场，这一变 化的磁场又在较远的区域内引起新的变化电场，并在 更远的区域内引起新的变化磁场。这种变化的电场和 磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播 的过程称为电磁波。