遥感技术基础课件第二章 遥感电磁辐射基础2
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遥感概论ppt课件第二章--电磁辐射与地物光谱特征
自然界的物体与绝对黑体作辐射比较，都有与石英晶体类似的性质，只不过吸收 系数不同而已(表2．3)。由基尔霍夫定律可以知道，绝对黑体不仅具有最大的吸 收率，也具有最大的发射率，却丝毫不存在反射。对于实际物体，都可以看作辐 射源，如果物体的吸收本领大，即吸收率越接近1，它的发射本领也大，即越接 近黑体辐射。这也是为什么吸收率又可叫作发射率的原因。
22
2.2 太阳辐射及大气对辐射的 影响
l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。
6
2.1.2 电磁辐射的度量
1. 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。 因此对辐射源的认识不仅限于太阳、 炉子等发光发热的物体。能发出紫外辐射、 X射线、微波辐 射等的物体也是辐射源，只是辐射强度和波长不同而已。 电 磁波传递就是电磁能量的传递。因此遥感探测实际上是辐射 能量的测定。
一般辐射体和发射率
21
以石英的辐射为例，对不同波长测出对 应于该波长的光谱辐射出射度Mλ,这时
石英温度假定为250 K。分别作出250 K 时绝对黑体的辐射曲线和石英的辐射曲 线(图2．9)，从图可以看出，石英的辐 射显然比黑体辐射弱，而且随波长不同 而不同，也就是说比辐射率(或吸收系 数)与波长有关。虚线各点的纵坐标是 石英对应于每一波长的光谱辐射出射度 ．曲线下面积是整个电磁波谱的总辐 射出射度。
l 方向:由电 磁振荡向各个 不同方向传播 的.
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2.2 太阳辐射及大气对辐射的 影响
l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。
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2.1.2 电磁辐射的度量
1. 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。 因此对辐射源的认识不仅限于太阳、 炉子等发光发热的物体。能发出紫外辐射、 X射线、微波辐 射等的物体也是辐射源，只是辐射强度和波长不同而已。 电 磁波传递就是电磁能量的传递。因此遥感探测实际上是辐射 能量的测定。
一般辐射体和发射率
21
以石英的辐射为例，对不同波长测出对 应于该波长的光谱辐射出射度Mλ,这时
石英温度假定为250 K。分别作出250 K 时绝对黑体的辐射曲线和石英的辐射曲 线(图2．9)，从图可以看出，石英的辐 射显然比黑体辐射弱，而且随波长不同 而不同，也就是说比辐射率(或吸收系 数)与波长有关。虚线各点的纵坐标是 石英对应于每一波长的光谱辐射出射度 ．曲线下面积是整个电磁波谱的总辐 射出射度。
l 方向:由电 磁振荡向各个 不同方向传播 的.
遥感概论第2章 遥感电磁辐射基础 22.2 第2章 遥感电磁辐射基础
大气的散射作用
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。 对遥感图像来说，降低了传感器接收数据的质量，造成图
像模糊不清。 散射主要发生在可见光区。 大气发生的散射主要有三种：
瑞利散射：d <<λ 如气体分子散射蓝光（天空变蓝原因） 米氏散射：d ≈λ 如尘埃 非选择性散射：d >>λ 对任何波长的反射强度相同（云
基尔霍夫辐射定律
给定温度下，任何地物的辐射通量密度M与吸收率α 之比 是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量密度。 M黑 M
代表发射率。发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的
发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长 的电磁波。
维恩位移定律
黑体辐射的峰值波长λmax与绝对温度T的乘积是常量 ， 即：
或雾变白的原因）
大气窗口
由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各 波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各 不相同。我们就把受到大气衰减作用较轻、透射率较高的 波段叫大气窗口。
微波：波长范围为1 mm～1 m，穿透性好，不受云雾的影 响，能够实现全天候的工作。
无线电波：波长范围1～ 104m之间，主要用于广播、通信 等方面。
2 辐射基本定律
黑体辐射 黑体是绝对黑体的简称，指在任何温度下，对各种波长的 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。实验表明，辐射能量密度只跟频率和 黑体的绝对温度T有关，跟物体的形状和组成物质无关。
4 太阳辐射与大气的相互作用
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。
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
《遥感技术基础》PPT课件 (2)
电子技术的发展使遥感传感器的不断更新和发展成为可能。
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第一讲：遥感技术概述
遥感技术发展的特点
不断研制新型传感器，既有框幅式可见光黑白摄影、多光谱 摄影、彩色摄影、彩红外摄影、紫外摄影，又有全景摄影机、 红外扫描仪，红外辐射计、多光谱扫描仪、成象光谱仪， CCD线阵列扫描和矩阵摄影机、微波辐射计、散射计，合成 孔径雷达及各种雷达和激光测高仪等。从目前的发展动向看， 微波遥感、同一颗卫星装载多种传感器，如已发射的欧洲空 间局欧洲遥感卫星一号和日本地球资源卫星一号装载的多种
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时间 14:00 ～ 15:35 14:00 ～ 15:35 13:30 ~ 15:05 13:30 ~ 15:05 13:30 ~ 15:05 13:30 ~ 15:05 13:30 ~ 15:05 13:30 ~ 15:05 13:30 ~ 15:05 13:30 ~ 15:05 13:30 ~ 15:05 13:30 ~ 15:05
2，3，4高分辨率可见光的10米、20米到印度资源卫星的米，德国资
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第一讲：遥感技术概述
遥感应 用实例
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第一讲：遥感技术概述
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第一讲：遥感技术概述
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第一讲：遥感技术概述
三、遥感的特点
可获取大范围数据资料
一幅Landsat卫星的TM图像可覆盖185km×185km地面面积。
微波遥感：探测波段在1mm～1m之间；
多光谱(Multispectral)遥感：将可见光和近红外光谱段细分割成 数十个波段对目标地物进行探测的遥感技术；
《遥感电磁辐射基础》课件
数据安全与隐私保
护
在遥感数据的应用中，如何保障 数据的安全和隐私不被侵犯是需 要关注的问题。
感谢您的观看
THANKS
成波。
电磁波的反射与散射
反射
当电磁波遇到不同介质的分界面时，部分能 量会反射回原介质。
吸收
电磁波在传播过程中会逐渐被介质吸收，转 化为热能或其他形式的能量。
散射
当电磁波遇到小尺寸物体时，能量会向各个 方向散射。
透射
当电磁波穿过不同介质的分界面时，部分能 量会透射进入另一介质。
电磁波的吸收与透射
吸收
电磁波的干涉与衍射
干涉
当两列或多列同频率的电磁波相遇时，它们会相互叠加，形成新的合成波。合 成波的振幅和相位取决于各个波的振幅和相位。
衍射
当电磁波遇到障碍物或孔洞时，能量会绕过障碍物或穿过孔洞继续传播，形成 衍射现象。衍射现象的程度取决于障碍物或孔洞的大小和形状。
ห้องสมุดไป่ตู้3
遥感电磁辐射的测量与处 理
遥感电磁辐射的测量方法
卫星遥感
01
利用卫星轨道高度测量地球表面电磁辐射，具有覆盖范围广、
信息获取速度快等优点。
航空遥感
02
利用飞机搭载遥感器进行电磁辐射测量，适用于高分辨率、局
部区域的测量。
地面遥感
03
通过地面设备测量电磁辐射，具有灵活性高、针对性强的特点
，但测量范围有限。
遥感电磁辐射的数据处理
数据预处理
特征提取
对原始数据进行校准、去噪等处理，提高 数据质量。
遥感电磁辐射的原理
辐射传输
传感器设计
电磁辐射在传输过程中受到大气中气 体分子、气溶胶和水汽等物质的吸收 和散射作用，导致能量衰减和方向改 变。
遥感电磁辐射基础(2)
1）黑体 2）灰体 3）选择性辐射体
编辑ppt
9
2.3 一般辐射体和发射率
编辑ppt
10
2.4 基尔霍夫定律
在给定温度下，任何地物的辐射通量密度W与吸收 率α之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量 密度。
(,T)M (,T)M b(,T)
发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，
如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长
针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。
编辑ppt
8
2.3 一般辐射体和发射率
对于一般物体而言，需要引入发射率（热辐射率、比 辐射率），表明物体的发射本领。
(,T)M (,T)M b(,T)
非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值。 发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波长有关。 按照发射率与波长的关系，辐射源可以分为：
人工制造的接近黑体的吸收体
编辑ppt
3
2.2 黑体辐射的定律
2.2.1 普朗克公式 2.2.2 斯蒂芬－玻尔兹曼定律 2.2.3 维恩位移定律
编辑ppt
4
2.2.1 普朗克公式
描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。
Mb(,T)5(e2hchkcT21)
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）
地表温度是地球、太阳、大气相互作用的 结果
编辑ppt
21
水的循环
编辑ppt
22
地表热学性质
•比热specific heat (c) :
一定条件下单位质量的物质升高1 ℃ 所需的热量， 单位为Jg-1 ℃ -1
编辑ppt
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2.3 一般辐射体和发射率
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2.4 基尔霍夫定律
在给定温度下，任何地物的辐射通量密度W与吸收 率α之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量 密度。
(,T)M (,T)M b(,T)
发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体，
如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长
针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。
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2.3 一般辐射体和发射率
对于一般物体而言，需要引入发射率（热辐射率、比 辐射率），表明物体的发射本领。
(,T)M (,T)M b(,T)
非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值。 发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波长有关。 按照发射率与波长的关系，辐射源可以分为：
人工制造的接近黑体的吸收体
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3
2.2 黑体辐射的定律
2.2.1 普朗克公式 2.2.2 斯蒂芬－玻尔兹曼定律 2.2.3 维恩位移定律
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2.2.1 普朗克公式
描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。
Mb(,T)5(e2hchkcT21)
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）
地表温度是地球、太阳、大气相互作用的 结果
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水的循环
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地表热学性质
•比热specific heat (c) :
一定条件下单位质量的物质升高1 ℃ 所需的热量， 单位为Jg-1 ℃ -1
遥感课程第二章遥感电磁辐射基础
b) 衍射(diffraction) 光通过有限大小的障碍物时偏离直线路径的现象称为光的衍射。研 究电磁波的衍射现象对设计遥感仪器和提高遥感图像几何分辨率具有重 要意义。另外在数字影像的处理中也要考虑光的衍射现象。 c) 偏振(Polarization) 偏振是横波中呈现出的一种特殊现象。电磁波作为一种横波，其相 互垂直的电场和磁场的振动方向是与传播方向垂直的。传播方向确定后 其振动方向并不是唯一的,也可以随时间按一定方式变化或按一定规律 旋转，出现偏振现象。纵波则不同，它沿着波的传播方向振动，传播方 向确定后其振动方向便是唯一的，所以不会有偏振现象。 通常把包含电场振动方向的平面称为偏振面。如果振动方向是唯一 的，不随时间而改变，即偏振面方向固定，则为线偏振(线性极化或平 面极化)。沿一个固定方向振动的光为偏振光；太阳光是非偏振光(所有 方向的振幅相等，无一优势方向)；一些人造光源(如激光和无线电、雷 达发射)是偏振光源，常有明确的极化状态。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(其部分能量有明确的 极化状态)。
（2） 电磁波谱中各谱段的特点
• —射线 波长短、频率高，具很大能量，很高的穿透能力。来自太阳辐射中的全被 大气吸收，因此不能用于遥感。但来自放射性矿物的可被低空遥感所探测，有 遥感前景。 • X—射线 在大气中全部被吸收，不能用于遥感。 • 紫外线（UV） 波长0.001ᵤm～0.38 ᵤm，具较高能量，在大气中散射严重。可再细分为： 超远紫外 远紫外 中紫外 近紫外（摄影紫外） • 可见光(Visible light) 波长0.38～0.76 ，电磁波谱中人眼所唯一能见到的波区。还可分出更窄 的谱段，如红、橙、黄、绿、青、兰、紫，也可粗分为： 蓝0.38～0.50 ᵤm 绿0.50～0.60 ᵤm 红0.60～0.76 ᵤm
石大遥感导论课件02遥感电磁辐射基础
想态开始研究，然后再根
据实际情况做修正，以此
为基础和标准来研究实际
物体….
黑体
§1 电 磁 波 谱 与 黑 体 辐 射
二、黑体辐射和实际物体辐射
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，对各种波长的电磁辐射的 吸收系数等于1（100%）的物体。
第二章 遥感电磁辐射基础
2.1电磁波谱与黑体辐射 2.2太阳辐射和地球辐射 2.3地球大气及其对太阳辐射的影响 2.4地面物体反射光谱
本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电磁波 特性、辐射基本定律、太阳辐射、大气和地面与太阳 辐射的相互作用、大气窗口的概念、地物反射太阳光 谱的特性、三种遥感模型等。
• 遥感技术由多种技术支持，其具体系统组成：传感器、 平台、中继卫星、地面站、用户。目前已应用在生产 生活的各个领域。
• 遥感技术的发展简史和未来趋势：相机，飞机，卫星， 新式传感器，海洋、陆地、气象卫星，高中低轨道、 大中小卫星，纯民用卫星，各国竞争，军用和民用各 展天地
§1 电 磁 波 谱 与 黑 体 辐 射
上章内容复习
• 遥感是20世纪60年代兴起的对地观测技术，原理： 利用对电磁波敏感的仪器，接收地物反射别地物及地物 某些特征。理论上遥感可识别万物及万物的细微差别， 但由于种种原因，遥感影像对地物及地物参数的定量判 断，常带有较大错误。
• 优点：从高处观察地球，具宏观性、同步准同步性， 可重复观测性，经济性等，极大地改变了人类获取地 表及地表以下一定深度信息的方式。
• 维恩位移定律：最强辐射对应波长λmax与黑体绝对 温度T成反比，满足公式：
max • T b b=2897±0.4m ·k
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
遥感概论课件第二章 电磁辐射与地物光谱特征
方向:由电 磁振荡向各个 不同方向传播 的.
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
辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量， I=dφ/dS单位： W/m2 , S为面积。 辐射出射度(M)：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量， M=dφ/dS，单位w／m2，S为面积。 辐照度(I)与辐射出射度(M)都是辐射通量密度的概念，不过I为 物体接收的辐射，M为物体发出的辐射。它们都与波长λ有关。
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。
2. 辐射测量
(2) 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。绝 对黑体的总辐射出射度与温度的4次方成正比。
T Wb 4
σ: 斯蒂藩－玻尔兹曼常数，5.6697＋－ 0.00297）×10－8Wm-2K-4
由图2．7可以看出每条曲线 下面所围面积为积分值，即 该温度时绝对黑体的总辐射 出射度M 。右图可以看出， 温度越高，绝对黑体的总辐 射出射度（曲线下面所围面 积）越大。
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
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
辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量， I=dφ/dS单位： W/m2 , S为面积。 辐射出射度(M)：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量， M=dφ/dS，单位w／m2，S为面积。 辐照度(I)与辐射出射度(M)都是辐射通量密度的概念，不过I为 物体接收的辐射，M为物体发出的辐射。它们都与波长λ有关。
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。
2. 辐射测量
(2) 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。绝 对黑体的总辐射出射度与温度的4次方成正比。
T Wb 4
σ: 斯蒂藩－玻尔兹曼常数，5.6697＋－ 0.00297）×10－8Wm-2K-4
由图2．7可以看出每条曲线 下面所围面积为积分值，即 该温度时绝对黑体的总辐射 出射度M 。右图可以看出， 温度越高，绝对黑体的总辐 射出射度（曲线下面所围面 积）越大。
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
遥感技术基础遥感物理基础ppt课件
◇地物的反射类别 方向反射 (directional reflection)
• 由于地形起伏和地面结构的复杂性，往往在某
些方向上反射最强烈，这种现象称为方向反射。
对于地形起伏和地面 结构复杂地区，为方向反 射。
.
29
遥感物理基础>物体的反射辐射( Reflection )
§ 2-3 物体的反射辐射
◇地物的光谱反射特性
反射率（reflectivity）ρ：
• 物体反射的辐射能量Pρ占总射能量P0的百
分比，称为反射率ρ ：
P 100%
P0
• 不同物体的反射率不同，这主要取决于物体本
身的性质（表面状况），以及入射电磁波的波 长和入射角。利用反射率可以判断物体的性质。
.
30
遥感物理基础>物体的反射辐射( Reflection )
.
20
遥感物理基础>物体的发射辐射（ Emission ）
§ 2-2 物体的发射辐射
◇一般物体的发射辐射
发射率（emissivity）ε： – 物体的光谱发射能量与同一条件下黑体发射能
量之比，称为发射率ε。 – 发射率随物质的介电常数、表面的粗糙度、温
度、波长、观测方向等条件变化，取0到1之 间的值。
§ 2-3 物体的反射辐射
◇地物的光谱反射特性
• 不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、 沙
漠、湿地、小麦的光谱曲线
• 任何同类地物的反射光谱具有相似性，但也有
差异性。并且地物的光谱特性具有时间特性和 空间特性。。
.
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遥感物理基础>物体的反射辐射( Reflection )
§ 2-3 物体的反射辐射
◇遥感应用的电磁波波谱段
• 由于地形起伏和地面结构的复杂性，往往在某
些方向上反射最强烈，这种现象称为方向反射。
对于地形起伏和地面 结构复杂地区，为方向反 射。
.
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遥感物理基础>物体的反射辐射( Reflection )
§ 2-3 物体的反射辐射
◇地物的光谱反射特性
反射率（reflectivity）ρ：
• 物体反射的辐射能量Pρ占总射能量P0的百
分比，称为反射率ρ ：
P 100%
P0
• 不同物体的反射率不同，这主要取决于物体本
身的性质（表面状况），以及入射电磁波的波 长和入射角。利用反射率可以判断物体的性质。
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遥感物理基础>物体的反射辐射( Reflection )
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遥感物理基础>物体的发射辐射（ Emission ）
§ 2-2 物体的发射辐射
◇一般物体的发射辐射
发射率（emissivity）ε： – 物体的光谱发射能量与同一条件下黑体发射能
量之比，称为发射率ε。 – 发射率随物质的介电常数、表面的粗糙度、温
度、波长、观测方向等条件变化，取0到1之 间的值。
§ 2-3 物体的反射辐射
◇地物的光谱反射特性
• 不同地物在不同波段反射率存在差异：雪、 沙
漠、湿地、小麦的光谱曲线
• 任何同类地物的反射光谱具有相似性，但也有
差异性。并且地物的光谱特性具有时间特性和 空间特性。。
.
32
遥感物理基础>物体的反射辐射( Reflection )
§ 2-3 物体的反射辐射
◇遥感应用的电磁波波谱段
遥感电磁辐射基础培训课件
随着对电磁波 性质的认识逐渐 深化，人们发现 很多辐射都具有 共同的性质。而 且按照它们在真 空中传播的频率 或波长排列可以 形成一个连续的 谱带，这个谱带 就是电磁波谱 （图2.5）。
以频率从高到低排列划分为γ射线、X射线、紫外线， 可见光、红外线、微波、无线电波。人们习惯使用的波 长单位除了千米、米、厘米、毫米，还有微米 （1μm=10-6m）、毫微米或纳米（1nm=10－3μm）、埃 （1＝10-10m）等。此外电磁波还可以用频率表示。电 磁波谱区的划分界线不是十分明确，常常相互渗透。一 般是按照产生电磁波的方法或测量电磁波的方法来划分， 习惯上电磁波区域的划分方法如下：
电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而 弯曲地向障碍物地后面传播。把这种通过障碍物边缘 改变传播方向地现象，称为电磁波的衍射。
最小分辨角:
0 1.22
d
(设计遥感器地空间分辨率 具有重要意义。)
d 物镜的有效孔径
电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝地振动 分量，称为电磁破的偏振。
Ψ：波函数 k： 圆波数
A：振幅 ω：圆频率 t: 时间变量 x：空间变量 φ：初始位相
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。
3 电磁波的粒子性
能量：E E hv hc /
动量：P
P h/
h : 普朗克常数，6.6260755×10－34 J s c : 光速； v : 频率
辐照度I：是表示在辐射接收面单位面积上辐射通量， 记为：I＝dФ/dS。单位是W／m2，S为面积。
辐射出射度M：是表示单位面积上的辐射通量，记为： dФ/dS。单位也是W／m2，S为面积。
以频率从高到低排列划分为γ射线、X射线、紫外线， 可见光、红外线、微波、无线电波。人们习惯使用的波 长单位除了千米、米、厘米、毫米，还有微米 （1μm=10-6m）、毫微米或纳米（1nm=10－3μm）、埃 （1＝10-10m）等。此外电磁波还可以用频率表示。电 磁波谱区的划分界线不是十分明确，常常相互渗透。一 般是按照产生电磁波的方法或测量电磁波的方法来划分， 习惯上电磁波区域的划分方法如下：
电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而 弯曲地向障碍物地后面传播。把这种通过障碍物边缘 改变传播方向地现象，称为电磁波的衍射。
最小分辨角:
0 1.22
d
(设计遥感器地空间分辨率 具有重要意义。)
d 物镜的有效孔径
电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝地振动 分量，称为电磁破的偏振。
Ψ：波函数 k： 圆波数
A：振幅 ω：圆频率 t: 时间变量 x：空间变量 φ：初始位相
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。
3 电磁波的粒子性
能量：E E hv hc /
动量：P
P h/
h : 普朗克常数，6.6260755×10－34 J s c : 光速； v : 频率
辐照度I：是表示在辐射接收面单位面积上辐射通量， 记为：I＝dФ/dS。单位是W／m2，S为面积。
辐射出射度M：是表示单位面积上的辐射通量，记为： dФ/dS。单位也是W／m2，S为面积。
遥感电磁辐射基础2.pptx
水 K 0.0014 c 1.0 d 1.0 P 0.038
几种地物的热学度量
沙土 0.0014
0.24 1.82 0.024
玄武岩 0.0050
0.20 2.80 0.053
不锈钢 0.030 0.12 7.83 0.168
以上物质中，哪种物质在一天24小时的周期中， 温度波动最大？
K热传导率 c比热 d密度 P热惯量（不锈钢最大）
•如何获得表面比辐射率？
✓ 根据室内、外测量 ➢波谱辐射仪 ➢辐射仪结合CO2激光仪（主动与被动结合） ➢黑箱子 需要假定表面温度和比辐射率在测量过程中不变
✓ 从卫星上测定 ➢ 根据可见光和近红外光谱信息的统计关系 ➢ 根据热红外光谱仪里最小和在最大相对比辐射率 之差（MMD）的统计关系 ➢利用多时相数据假定： day = night 或 day1 = day2
•热惯量Thermal Inertia (P):
物质对温度变化的热反应的一种量度（一种材料对温 度变化的阻抗，保持原有温度的能力），决定于热传 导率(K)，热容量(C)和密度(r)。
P = (Kcρ )1/2 单位：Jm-2s-1/2℃ -1
P是对热传过两种材料边界处的速率的度量，比如空气/土壤。
大的P对应一个加热/制冷周期的小的温度变化。
第44页/共49页
穿衣人：裸露部位（脸部、颈部、胳膊）温度高、 衣服覆盖处温度低
第45页/共49页
热红外检测疾病，白色部位为意思病变部位
第46页/共49页
• 课后小作业： 假设森林火的温度为1000度，请问用那个波段最适宜监测森林火灾。
第47页/共49页
本次课程结束，请提问！
第48页/共49页
TM 2
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3
3
上午
2
正午
4
东西 5
下午
6
日1
3
4
5
2
6
7日
出
A
落
地球上的某一点A的太阳高度角（日）变化6
不不同同纬纬度度的的太太阳阳高高度度角角
季节
7
3.太阳辐射和地球辐射
因此太阳倾斜照射时的辐照度一定比垂直入射时 少（弱），由于太阳的高度角一年内随时间，季 节及纬度不同而不同，因此太阳辐照度是变化的。 对于遥感所追求的定量遥感，无时不变的太阳辐 照度将成为挑战。
❖ 地球自身热辐射近似300K的黑体辐射，能量集中在 6.0 μm以上的波段。（热红外）
11
太阳辐射和地球辐射的分段特性
❖ 在0.3～2.5μm波段（主要在可见光和近红外波段）， 地表以反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以忽 略 。即在该波段范围内，对地观测遥感主要以太阳 的短波辐射对地表进行探测和成像。
1.35～2.85 μm, 2.7 μm,4.3 μm,14.5 μm
22
大气的散射
散射：悬浮在空气中的粒子 （分子、尘埃、烟尘、水滴 等直径不同的粒子）引起电 磁波能量方向的改变。
大气散射集中在太阳辐射能 量最强的可见光区。
23
大气的散射
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。 降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不 清。 大气散射性质和强度主要取决于大气分子或微粒 半径,主要有三种：
20
大气的吸收
大气中的各种成分对太阳辐射有选择性的吸 收，形成太阳辐射的大气吸收带。 吸收作用使辐射的能量转变为分子的内能， 从而引起这些波段太阳辐射强度的衰减，甚 至某些波段的电磁波完全不能通过大气。
21
O2吸收带 O3吸收带 H2O吸收带
CO2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
瑞利散射强度与波长的关系
25
瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影 响很小，对微波的影响可以不计。
多波段中不使用蓝紫光的原因 晴朗的天空为什么呈蓝色? 夕阳红？
26
➢当日光与大气相互作用时，可见光中的蓝光散射要 比可见光中其他光线的散射强，因而天空呈现蓝色。
27
➢清晨日出和傍晚日落时，较长波长的红光 不易被散射，故呈现出红色霞光。
28
米氏散射
质点直径和电磁波波长差不多时（ d ≈λ）
大气中的悬浮颗粒：霾、水滴、尘埃、烟、 花粉、微生物、海上盐粒、火山灰等颗粒对 红外波段的散射属于此类。其强度受气候影 响较大。
15
大气组成的混合 物。 气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4， O3 气溶胶 大气的成分可分为常定成分（ N2，O2 ， CO2等）与可变部分（水汽，气溶胶）。
BACK 17
折射作用
折射：电磁波传播方向 发生了改变。 电磁波传播过程中折射 率的变化，使电磁波在 大气中传播的轨迹成为 一条曲线，地面接收的 电磁波方向与实际太阳 辐射的方向相比偏离了 一个角度，称为折射值。
2
3.太阳辐射和地球辐射
太阳常数：不受大气影响，在距离太阳一个天文 单位的区域内，地球大气层上界垂直于太阳辐射 方向上单位面积和单位时间黑体所接收到的太阳 辐射能量。通常表示为：I=1360W/m2
太阳常数是在地球大气顶端接受的太阳能量。该 值基本稳定，变化幅度不超过1%。
太阳常数对研究太阳辐射非常重要，对遥感探测 和进一步应用于气象，农业，环境等领域也非常 重要。
18
大气的折射率与大气密度相关，密度越大 折射率越大。地面越高，空气越稀薄折射 也越小。
当太阳垂直入射时，天顶距为0，折射值也 为0；随太阳天顶距加大，折射值增加；当 天顶距为90度时，折射值达到最大。这也 是为什么早晨看到的太阳比中午时看到的 太阳大的缘故。
19
反射作用
电磁波传播过程中，若通过两种介质的 交界面，还会出现反射现象。气体、尘埃 的反射作用很小，反射现象主要发生在云 层顶部，取决于云量，而且各波段均受到 不同程度的影响，削弱了电磁波到达地面 的强度。因此，应该选择无云的天气接收 遥感信号。
瑞利散射：d <<λ 米氏散射：d ≈λ 非选择性散射：d >>λ
24
瑞利（Rayleigh）散射
当微粒的直径比辐射 波长小得多时，此时 的散射称为瑞利散射。
散射率与波长的四次 方成反比，瑞利散射 的强度随着波长变短 而迅速增大。紫外线 是红光散射的30倍， 0.4微米的蓝光是4微米 红外线散射的1万倍。
❖ 在 2.5 ～ 6.0 μm波段（主要在中红外波段），地表 反射太阳辐射和地球自身的热辐射均为被动遥感的 辐射源。
❖ 在6.0 μm以上的热红外波段，以地球自身的热辐射 为主，地表反射太阳辐射可以忽略。（热红外成像）
12
了解地球辐射的分段特性的意义
❖ 可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反 射特性。
❖ 中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射的 信息，也有地球自身的热辐射的信息。
❖ 热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐 射特性。
13
4 电磁波在大气传输中的影响
电磁波经过大气时,会被大气衰减: 太阳辐射衰减的主要原因：大气吸收, 散射和反射
14
大气对电磁波的影响
受大气中微小颗粒的影响，将产生散射、折射和吸收。
第二章遥感电磁辐射基础
2.1.1电磁波及电磁波谱 2.1.2黑体辐射和实际物体辐射 2.2太阳辐射和地球辐射 2.3电磁波在大气传输中的影响 2.4物体的反射辐射 2.4各典型地物的光谱曲线
1
3.太阳辐射和地球辐射
地球上的能源主要来自太阳。 地球绕太阳运动的轨道是一个椭圆，一般认为日地
平均距离（日地系统的椭圆轨道半径）等于一个天 文单位（149 597 870KM）。 由于地球距太阳很远，因此太阳照射到地球的光线 都被看作平行光，即入射的空间方向一致。
8
3.太阳辐射和地球辐射
除了太阳以外，遥感探测中被动遥感的辐射源还来自地球。
CO
O3 H2O
2
从卫星上测出的地球辐射与相应黑体辐射对比
9
太 阳 与 地 球 辐 射 的 电 磁 波 谱
10
被动遥感的辐射源
❖ 太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中在0.3～ 2.5μm波段之间。（可见光和近红外）
3
上午
2
正午
4
东西 5
下午
6
日1
3
4
5
2
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7日
出
A
落
地球上的某一点A的太阳高度角（日）变化6
不不同同纬纬度度的的太太阳阳高高度度角角
季节
7
3.太阳辐射和地球辐射
因此太阳倾斜照射时的辐照度一定比垂直入射时 少（弱），由于太阳的高度角一年内随时间，季 节及纬度不同而不同，因此太阳辐照度是变化的。 对于遥感所追求的定量遥感，无时不变的太阳辐 照度将成为挑战。
❖ 地球自身热辐射近似300K的黑体辐射，能量集中在 6.0 μm以上的波段。（热红外）
11
太阳辐射和地球辐射的分段特性
❖ 在0.3～2.5μm波段（主要在可见光和近红外波段）， 地表以反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以忽 略 。即在该波段范围内，对地观测遥感主要以太阳 的短波辐射对地表进行探测和成像。
1.35～2.85 μm, 2.7 μm,4.3 μm,14.5 μm
22
大气的散射
散射：悬浮在空气中的粒子 （分子、尘埃、烟尘、水滴 等直径不同的粒子）引起电 磁波能量方向的改变。
大气散射集中在太阳辐射能 量最强的可见光区。
23
大气的散射
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。 降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不 清。 大气散射性质和强度主要取决于大气分子或微粒 半径,主要有三种：
20
大气的吸收
大气中的各种成分对太阳辐射有选择性的吸 收，形成太阳辐射的大气吸收带。 吸收作用使辐射的能量转变为分子的内能， 从而引起这些波段太阳辐射强度的衰减，甚 至某些波段的电磁波完全不能通过大气。
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O2吸收带 O3吸收带 H2O吸收带
CO2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
瑞利散射强度与波长的关系
25
瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影 响很小，对微波的影响可以不计。
多波段中不使用蓝紫光的原因 晴朗的天空为什么呈蓝色? 夕阳红？
26
➢当日光与大气相互作用时，可见光中的蓝光散射要 比可见光中其他光线的散射强，因而天空呈现蓝色。
27
➢清晨日出和傍晚日落时，较长波长的红光 不易被散射，故呈现出红色霞光。
28
米氏散射
质点直径和电磁波波长差不多时（ d ≈λ）
大气中的悬浮颗粒：霾、水滴、尘埃、烟、 花粉、微生物、海上盐粒、火山灰等颗粒对 红外波段的散射属于此类。其强度受气候影 响较大。
15
大气组成的混合 物。 气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4， O3 气溶胶 大气的成分可分为常定成分（ N2，O2 ， CO2等）与可变部分（水汽，气溶胶）。
BACK 17
折射作用
折射：电磁波传播方向 发生了改变。 电磁波传播过程中折射 率的变化，使电磁波在 大气中传播的轨迹成为 一条曲线，地面接收的 电磁波方向与实际太阳 辐射的方向相比偏离了 一个角度，称为折射值。
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3.太阳辐射和地球辐射
太阳常数：不受大气影响，在距离太阳一个天文 单位的区域内，地球大气层上界垂直于太阳辐射 方向上单位面积和单位时间黑体所接收到的太阳 辐射能量。通常表示为：I=1360W/m2
太阳常数是在地球大气顶端接受的太阳能量。该 值基本稳定，变化幅度不超过1%。
太阳常数对研究太阳辐射非常重要，对遥感探测 和进一步应用于气象，农业，环境等领域也非常 重要。
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大气的折射率与大气密度相关，密度越大 折射率越大。地面越高，空气越稀薄折射 也越小。
当太阳垂直入射时，天顶距为0，折射值也 为0；随太阳天顶距加大，折射值增加；当 天顶距为90度时，折射值达到最大。这也 是为什么早晨看到的太阳比中午时看到的 太阳大的缘故。
19
反射作用
电磁波传播过程中，若通过两种介质的 交界面，还会出现反射现象。气体、尘埃 的反射作用很小，反射现象主要发生在云 层顶部，取决于云量，而且各波段均受到 不同程度的影响，削弱了电磁波到达地面 的强度。因此，应该选择无云的天气接收 遥感信号。
瑞利散射：d <<λ 米氏散射：d ≈λ 非选择性散射：d >>λ
24
瑞利（Rayleigh）散射
当微粒的直径比辐射 波长小得多时，此时 的散射称为瑞利散射。
散射率与波长的四次 方成反比，瑞利散射 的强度随着波长变短 而迅速增大。紫外线 是红光散射的30倍， 0.4微米的蓝光是4微米 红外线散射的1万倍。
❖ 在 2.5 ～ 6.0 μm波段（主要在中红外波段），地表 反射太阳辐射和地球自身的热辐射均为被动遥感的 辐射源。
❖ 在6.0 μm以上的热红外波段，以地球自身的热辐射 为主，地表反射太阳辐射可以忽略。（热红外成像）
12
了解地球辐射的分段特性的意义
❖ 可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反 射特性。
❖ 中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射的 信息，也有地球自身的热辐射的信息。
❖ 热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐 射特性。
13
4 电磁波在大气传输中的影响
电磁波经过大气时,会被大气衰减: 太阳辐射衰减的主要原因：大气吸收, 散射和反射
14
大气对电磁波的影响
受大气中微小颗粒的影响，将产生散射、折射和吸收。
第二章遥感电磁辐射基础
2.1.1电磁波及电磁波谱 2.1.2黑体辐射和实际物体辐射 2.2太阳辐射和地球辐射 2.3电磁波在大气传输中的影响 2.4物体的反射辐射 2.4各典型地物的光谱曲线
1
3.太阳辐射和地球辐射
地球上的能源主要来自太阳。 地球绕太阳运动的轨道是一个椭圆，一般认为日地
平均距离（日地系统的椭圆轨道半径）等于一个天 文单位（149 597 870KM）。 由于地球距太阳很远，因此太阳照射到地球的光线 都被看作平行光，即入射的空间方向一致。
8
3.太阳辐射和地球辐射
除了太阳以外，遥感探测中被动遥感的辐射源还来自地球。
CO
O3 H2O
2
从卫星上测出的地球辐射与相应黑体辐射对比
9
太 阳 与 地 球 辐 射 的 电 磁 波 谱
10
被动遥感的辐射源
❖ 太阳辐射近似6000K的黑体辐射，能量集中在0.3～ 2.5μm波段之间。（可见光和近红外）