第二章 电磁辐射与地物光谱特征
二章电磁辐射与地物光谱特征ppt课件
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。
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
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。
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。
遥感概论复习
问题第一章--绪论1、遥感的基本概念2、遥感探测系统组成3、遥感与常规观测手段的区别重点：遥感的概念及应用领域1．遥感的广义理解和狭义理解？P12．遥感探测系统包括哪几个部分？P13．遥感的特点？P54．遥感的信息源？遥感探测的依据？P35．遥感的类型？P3第二章--电磁辐射与地物光谱特征1、电磁波谱与电磁辐射的概念及特点2、太阳辐射及大气对辐射的影响3、地球的辐射与地物波谱重点：地物波谱特征难点：电磁辐射原理1．大气层次与成分？P262．散射现象的实质？P293．大气散射的三种情况？P294．根据不同散射类型的特点分析可见光遥感与微波遥感的区别，说明为什么微波具有穿云透雾能力而可见光不能？P295．物体的反射状况？（镜面反射、漫反射、实际物体反射）P376．大气窗口对于遥感探测的重要意义？P317．综合论述太阳辐射传播到地球表面又返回到遥感传感器这一整个过程中所发生的物理现象？8．从地球辐射的分段特性说明为什么对于卫星影象解译必须了解地物反射波谱特性？P35 9．黑体辐射定律？P19第三章--电磁辐射与地物光谱特征1、了解主要的遥感平台及各平台的工作特点。
2、摄影成像的基本原理及图像特征。
3、扫描成像的基本原理及扫描图像的特征。
4、微波成像与摄影、扫描成像的区别。
5、评价遥感图像质量的方法。
重点：摄影成像的基本原理及图像特征、评价遥感图像质量的方法难点：中心投影的原理1．主要遥感平台是什么，各有何特点？P462．摄影成像的基本原理是什么？其图象有什么特征？P53、P573．扫描成像的基本原理是什么？P674．扫描成像和摄影图象有何区别？5．微波成像与摄影、扫描成像有何本质的区别？6．如何评价遥感图象的质量？P80-P837．气象卫星特点？P488．海洋遥感的特点？P529．中心投影与垂直投影的区别？P5810．中心投影的透视规律？P5911．光/机扫描成像的概念？P6712．瞬时视场角（像元）的概念？P6813．总视场角的概念？P6814．固体自扫描成像的概念？P6915．高光谱成像光谱扫描的概念？P7016．微波遥感的特点？P7217．微波遥感方式和传感器？P74-P8018．遥感解译人员需要通过遥感图像获取的信息？P8019．遥感图像的特征？P80-P83第四章--遥感图象处理1、光学原理与光学处理2、数字图像的校正3、数字图像增强4、多源信息复合重点：数字图象的增强难点：数字图象的校正及数字图象增强的原理与计算方法1．影响亮度值的两个物理量？P982．引起辐射畸变的两个原因？P983．辐射校正的方法（直方图最小值去除法、回归分析法）？P1004．遥感影像变形的原因？P1035．几何畸变校正的方法（最近邻法、双线性内插法、三次卷积内插法）？P1076．空间滤波的概念以及手段？P1167．彩色变换？P1208．图像运算（差值运算、比值运算）？P1229．多光谱变换（主成分变换、缨帽变换）？P12310．遥感信息的复合（不同传感器的遥感数据复合、不同时相的遥感数据复合）？P128 11．遥感与非遥感信息的复合？P13012．简述多波段彩色变换的不同方法？P120第五章--遥感图像目视解译与制图1、遥感图像目视解译原理2、遥感图像目视解译基础3、遥感制图1．遥感图像目标地物识别特征？P1352．图像知觉形成的客观条件？P1423．摄影像片的特点？P1454．摄影像片的解译标志？P1455．遥感摄影像片的判读方法？P1496．遥感扫描影像的判读？P1537．遥感扫描影像特征？P1618．遥感影像主要解译方法？P1619．微波影像的特点？P16310．微波影像解译标志及地物影像特征？P16611．微波影像的判读方法？P17112．目视解译方法？P17113．目视解译步骤？P17414．遥感影像地图的主要特征？P17615．对比分析MSS影像与TM影像的不同特点？P154第六章--遥感数字图像计算机解译1、遥感数字图像的性质与特点2、遥感数字图像的计算机分类3、遥感图像多种特征的抽取重点与难点：遥感数字图像的计算机分类方法1．遥感数字图像计算机解译的概念及其难度？P1872．按波段数量，遥感数字图像的类型？P1903．多波段数字图像的存储与分发通常采用的数据格式？P1904．航空像片的数字化过程？P1925．遥感数字图像计算机分类原理？P1936．遥感数字图像计算机分类方法（监督分类方法、非监督分类方法）？P195、P196 7．遥感数字图像计算机分类基本过程？P1958．植被、水体及土壤反射波谱特征？P399．计算机分类存在的问题？P20110．地物边界跟踪的方法？P20311．遥感图像解译专家系统的组成？P214-P21712．计算机解译的主要技术发展趋势？P219第七章--遥感应用1、地质遥感的主要原理与应用2、水体遥感的主要原理与应用3、植被遥感的主要原理与应用4、土壤遥感的主要原理与应用5、高光谱遥感的应用1．地质遥感的任务？基础？P2252．从遥感影像上识别地质构造的内容？P2313．岩石的反射光谱特征是什么？如何对沉积岩、岩浆岩、变质岩的影像进行识别？P225-P230 4．如何进行地质构造识别？P2315．水体的光谱特征是什么？水体识别可包括哪些内容？P237-P2396．植物的光谱特征是什么？如何区分植物类型，监测植物长势？P240-P2447．作物估产的原理和方法是什么？P2458．土壤的光谱特征是什么？如何进行土类的识别？P249-P2529．什么是高光谱遥感？它与传统遥感手段有何区别？P25310．高光谱提取地质矿物成分的主要技术方法是什么？P25411．高光谱在植被研究中有哪些应用？主要技术方法是什么？P256第八章--3S综合应用1．GIS的基本概念及其基本功能？P2612．GPS的基本原理、作用及其组成？P2643．RS的作用？P267概念第一章--绪论1．传感器（遥感器）：接收、记录目标物电磁波特征的仪器2．遥感平台：装载传感器的平台，包括地面平台、空中平台、空间平台3．地面遥感：传感器设置在地面平台上，如车载、船载、手提、固定或活动高架平台等4．航空遥感：传感器设置于航空器上，主要是飞机、气球等5．航天遥感：传感器设置于环地球的航天器上，如人造地球卫星、航天飞机、空间站、火箭等6．航宇遥感：传感器设置于星际飞船上，指对地月系统外的目标的探测7．主动遥感：由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射信号8．被动遥感：传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量9．成像遥感：传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成（数字或模拟）图象10．非成像遥感：传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图象第二章--电磁辐射与地物光谱特征1．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2．朗伯源：辐射亮度与观察角无关的辐射源3．绝对黑体：一个对于任何波长的电磁辐射都全部吸收的物体4．太阳常数：不受大气影响，在距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5．太阳光谱：通常指光球产生的光谱，是连续光谱，且辐射特性与绝对黑体辐射特性基本一致6．散射：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7．大气窗口：电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或者散射的，透过率较高的波段8．比辐射率=发射率第三章--电磁辐射与地物光谱特征1．遥感平台：搭载传感器的工具2．低轨：近极地太阳同步轨道，卫星每天在固定的时间（地方时）经过每个地点的上空，使资料获得时具有相同的照明条件3．高轨：指地球同步轨道4．摄影机：成像遥感最常用的传感器，有分幅式和全景式摄影机之分，通常的遥感探测和制图大都采用分幅式摄影5．垂直摄影：摄影机主光轴垂直于地面或偏离垂线在3°以内，取得的像片称水平像片或垂直像片6．倾斜摄影：摄影机主光轴偏离垂线大于3°，有时为了获取较好的立体效果且对制图要求不高时采用7．像点位移：在中心投影的像片上，地形的起伏除引起像片比例尺变化外，还会引起平面上的点位在像片位置上的移动的现象，位移量就是中心投影与垂直投影在同一水平面上的"投影误差"，位移量与摄影高度（航高）成反比8．感光特征曲线：横坐标为曝光量的对数值，纵坐标为胶片的光学密度9．光学密度：指胶片经感光显影后，影象表现出的深浅程度10．感光度：指胶片的感光速度。
第二章 电磁波谱与地物波谱特征
太阳辐射及大气对辐射的影响
大气窗口ห้องสมุดไป่ตู้
不是所有波长的电磁波都可以顺利通过大气。传感器 只能接受利用那些可以比较顺利通过大气的电磁波。 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 对于传感器而言，只能选择透过率较高的波段，才具有 观测意义。否则，地物反射、发射的电磁波在穿越大气 时就被衰弱了，传感器根本捕捉不到。因此，传感器 选择的探测波段应包含在大气窗口之内。
电磁波与电磁辐射
电磁波与电磁辐射
电磁波与电磁辐射
遥感应用的电磁波波谱段
遥感器是通过探测或感测不同波段电磁辐 射的发射、反射的辐射能级而成像的。 紫外线： 可见光： 红外线： 微波：波长范围为1 mm～1 m，穿透性 好，不受云雾的影响。
遥感应用的电磁波波谱段
紫外线：波长范围 为0.01～0.38μm， 太阳光谱中，只有 0.3～0.38μm波长 的光到达地面，对 油污染敏感，但探 测高度在2000 m以 下。
2. Wein’s Displacement Law 维恩位移定律
In addition to computing the total amount of energy exiting a theoretical blackbody such as the Sun, we can determine its dominant wavelength (辐射峰值波长 lmax) based on Wein's displacement law:
实际物体反射
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
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 电磁波谱与地物波谱特征
返回 下一节
§2 太阳辐射
在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所示。
太阳辐射：太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳光，
从太阳光谱曲线可以看出(…)：
太阳光谱相当于6000
K的黑体辐射； 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 µm波段， 包括近紫外、可见光、近红外和中红外； 经过大气层的太阳辐射有很大的衰减； 本节结束 各波段的衰减是不均衡的。 返回 下一节
五、大气窗口
折射改变了太阳辐射的方向，并不改变太阳辐射的强度。 因此，就辐射强度而言，太阳辐射经过大气传输后，主要是 反射、吸收和散射的共同影响衰减了辐射强度，剩余部分即 为透过的部分。对遥感传感器而言，只能选择透过率高的波 段，才对观测有意义。
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。 大气窗口的光谱波段主要有： 0.3～1.15um，即紫外、可见光、近红外波段 1.3～2.5um和3.5～5.0um，即近、中红外波段
BACK
概念：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。
紫外可见光 0.3～1.3 μm 近红外 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
§1 遥感的电磁波原理
电磁波谱
按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表 叫电磁波谱。 依次为： γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外 线—微波—无线电波。 电磁波谱示图
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
学
与
工
程
系
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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息
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工
程
系
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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程
系
一、电磁波谱
波 电磁波及其性质 电磁波谱
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系
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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学
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工
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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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系
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
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息
科
学
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
贺巧宁
主要内容：
• § 2.1电磁波谱与电磁辐射 • § 2.2太阳辐射及大气对辐射的影响 • § 2.3地球的辐射与地物波谱
本章小结
§2.1 电磁波谱与电磁辐射
• 一. 电磁波谱 • 二. 电磁辐射的度量 • 三. 黑体辐射
一. 电磁波谱
• 1.电磁波的产生 • 2.电磁波的特性 • 3.电磁波谱
入射电磁波 镜面反射
物
体
吸收
表
面
漫反射 透射/折射
反射率（p)=反射能量/入射能量*100% 吸收率（a)=吸收能量/入射能量*100% 透射率（T)=透射能量/入射能量*100%
3.电磁波谱
• 电磁波谱：按照电磁波在真空中传播的 波长或频率，递增或者递减排列构成的 谱带则称电磁波谱。
• 以频率从高到低或者波长从短到长排列 可以划分为r射线、X射线、紫外线、可 见光、红外线、微波、无线电波
大气透射分析
• 反射30%，散射22%，吸收17%，透过31%。
• 臭氧吸收3%，云层反射散射25%，尘埃气 体吸收散射19%，地面反射8%，地表吸收 45%。
2.3 地球的辐射与地物波谱
• 1、地球的辐射:太阳辐射与地表相互
作用,地表自身的热辐射
• 2、地物反射波谱:地物的反射率,地物
反射波谱特征
土壤、岩石
作业
• 教材P44-45思考题 • 第2、6、8、9题
几种典型地物反射光谱曲线
• (1) 植被 • (2) 土壤 • (3) 水体 • (4) 岩石 • (5) 其他
• 植被：0.55μm，绿色，叶绿素的影响
•
0.70-0.80μm有反射陡坡
•
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。
《遥感导论》课后练习题
《遥感导论》课后练习题第一章遥感概述1. 遥感的基本概念，并区分遥感的广义和狭义。
2. 简述遥感探测系统组成。
3. 根据不同目的或手段，简述遥感的类型。
4. 简述遥感的特点，并举例。
5. 试述全球及我国遥感技术的进展和发展趋势，并结合地学发展阐述个人的看法或观点。
第二章电磁辐射与地物光谱特征1. 电磁波含义及电磁波的性质。
2. 电磁波谱的含义，电磁波区段的划分是怎样的？3. 辐射通量，辐射通量密度的物理意义。
4. 简述辐照度，辐射出射度和辐射亮度的物理意义，其共同点和区别是什么？5.朗伯源和黑体的概念？6.大气的散射现象有几种类型？根据不同散射类型的特点分析可见光遥感和微波遥感的区别，说明为什么微波具有穿云透雾的能力而可见光不能？7. 什么是大气窗口？对照书内卫星传感器表中所列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。
8. 综合论述太阳辐射传播到地球表面又返回到遥感传感器这一整体过程中所发生的物理现象。
9. 从地球辐射的分段特性说明为什么对于卫星影像解译必须了解地物反射波谱特性。
10. 列举几种可见光与近红外波段植被、土壤、水体、岩石的地物反射波谱曲线实例。
11. 在真空中电磁波速为3×108 s m（1）可见光谱的波长范围从约3.8×10-7 m 的紫色光到约7.6×10-7m 的红色光，其对应的频率范围为多少?（2）X 射线的波长范围约5×10-9—1.0×10-11m,其对应的频率范围是多少？（3）短波无线电的频率范围约为1.5MH Z ---300MH Z 其对应的波长范围是多少？12.在地球上测得太阳的平均辐照度I=1.4×1032m w设太阳到地球的平均距离约为1.5×1011m 试求太阳的总辐射能量。
13.假定恒星表面的辐射与太阳表面辐射一样都遵循黑体辐射规律。
如果测得到太阳辐射波谱λ=0.51μm,的北极星的λ=0.35μm ，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？ 14.已知日地平均距离为天文单位，1天文单位≈1.496×103m ，太阳的线半径约为6.96×105KM（1）通过太阳常数I 0,计算太阳的总辐射通量E 。
福师《遥感导论》第二章课堂笔记
大气散射作用
•
大气散射指电磁辐射在大气中传输时偏离其初始
方向，并向各个方向散开的现象。 散射元：指大气分子密度差异、大气中悬浮的微 小水滴、固体微尘。 由“米氏散射理论”给出的散射元直径d、辐射波 长λ与散射能量I间的关系： (1) d<<λ时，I∝λ－4 瑞利散射
•
•
(2) d =λ时，I∝λ－2 米氏散射
现在用人工方法产生的电磁波的波长，长的已经达几
千米，短的不到一百万亿分之一厘米，覆盖了近20个
数量级的波段。电磁波传播的速度大，波段又如此宽
广，已成为信息传递的非常有力的工具。
电磁波的性质决定了传感器的类型，或者说各种传感
器是为接受不同特性的电磁波而设计的。例如，可见
光可以使摄影胶片感光，而经过箐类染料增感的胶片 ，更可以将感受波长延伸到近红外波段的1.1μ m左右 。
实际物体的辐射
基尔霍夫定律：物体的光谱辐射出射度与吸收系数之比，
和物体本身的性质无关，是波长、温度的普适函数。该
定律反映在一定温度下的物体，如它对某一波长的辐射 有强吸收，则发射这一波长辐射的能力亦强；若为弱吸 收，则发射亦弱。由此可知，只要确定物体的温度和吸 收系数，就可以确定物体的热辐射强度。
•
•
•
黑体在遥感中的应用：经常在辐射量测量仪器上用作 热辐射的绝对校准源或参考源。
与黑体有关的重要术语和定律
朗伯源：辐射亮度L与观察角θ 无关的辐射源称为“ 朗伯源”。朗伯源在各个方向上辐射率都相同。实验 上常用涂有氧化镁的表面（俗称“白板”）近似表示 朗伯源；自然界里，一些粗糙的表面也可近似看作朗 伯源。 灰体：对于各种波长的电磁波，吸收系数为常数（即 吸收系数与波长无关）的物体称为“灰体”。其吸收 系数介于0与1之间。 选择性辐射体：发射本领随波长的变化而变化的物体 。这类辐射体的辐射频谱曲线有明显的最大值和最小 值，大多数金属，特别是金属氧化物及其它一些化合 物属此类辐射体。
遥感导论重要知识点
第一章绪论1遥感（侠义）：运用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术2遥感系统包括：被测目标的信息特征，信息的获取，信息的传输与记录，信息的处理，信息的应用3遥感的特点①大面积的同步观测②时效性③数据的综合性和可比性④经济性⑤局限性第二章电磁辐射与地物光谱特征1电磁波共性：①在真空中都以光速传播，传播速度都是相同的②遵守同一反射，折射，干涉，衍射及偏振定律③电磁波铺区段的界限是渐变的5电磁波性质：①是横波②在真空以光速传播③满足频率×波长=光速，能量=普朗克常数×频率④电磁波具有波粒二相性（16）2电磁波：由振源发出的电磁振荡在空中的传播，是电磁振荡在空间传播，3电磁波谱：按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列就构成了~。
（P15）4可见光波段对遥感有重要意义5辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能量。
辐射通量是波长的函数。
总辐射通量是各普段辐射通量之和或辐射辐射通量的积分值6辐射通量密度：单位时间内通过单位面积的辐射能量7辐照度：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量8辐射出射度：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量9绝对黑体（朗伯源）：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。
10绝对黑体不仅有最大的吸收率，也具有最大的发射率，却丝毫不存在反射11黑体辐射规律：①辐射通量密度随波长变化连续，每条曲线只有一个最大值②温度越高，辐射通量密度也越大，不同温度曲线不相交③随着温度增加，辐射最大值所对应的波长移向短波方向第二节太阳辐射及大气对太阳辐射的影响1太阳常数：指不受大气影响，在距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。
太阳常数的变化不会超过1%2太阳光谱的特征①太阳辐射的光谱是连续光谱，但是有许多费吸收线②辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本相同③太阳辐射从近紫外到中红外这一波段区间能量最集中而且相对来说最稳定，太阳强度变化最小3太阳光谱特征对遥感的启示：（1）被动遥感主要利用可见光，红外等稳定辐射，使太阳活动对遥感的影响降到最小（2）由于大气的影响，需要对遥感影像进行矫正4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，并向各个方向散开，5散射使原来传播方向上的辐射强度减弱，而增加其他方向上的辐射，但通过二次影响增加了信号中的噪声成分，造成遥感图像的质量下降6散射现象的实质：电磁波在传输过程中遇到大气微粒而产生的一种衍射现象7常见的大气散射及其特点（1）瑞丽散射：大气中粒子的直径比波长小得多时发生的散射。
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2
对 中层 流 C电离层 层 下层
大 气 垂 直 分 层 示 意 图
飞机 一般飞机、气球
大气主要成分
• 分子:氮气(N2)，氧气(O2) 臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)，水(H2O) 及(N2O，CH4，NH3)等 • 其他微粒:烟、尘埃、雾霾、小水滴、气溶 胶等。
大气散射
• 包括：瑞利散射、米氏散射和无选择性散射。
习题
• 假定恒星表面的辐射与太阳表面的辐射 一样都遵循黑体辐射规律.如果测得到太 阳辐射波谱的入太max =0.51 μm,北极星
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
白天晚上都不可扫描 75%
8-14 0.05-300cm
白天晚上都可扫描 有无光照都能扫描
60% 100%
大气透射分析
• 反射30%，散射22%，吸收17%，透过31%。
• 臭氧吸收3%，云层反射散射25%，尘埃气 体吸收散射19%，地面反射8%，地表吸收 45%。
2.3 地球的辐射与地物波谱
• 1、地球的辐射:太阳辐射与地表相互
外 35000 大 气 1000 层
通讯卫星,气象卫星36000km
质子层
氦层
散逸层
资源卫星,气象卫星800-900km
航天飞机200-250km, 侦察飞机150-200km
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
上层 冷层 D电离层
气球
12 6
气球,喷气式飞机
作用,地表自身的热辐射
• 2、地物反射波谱:地物的反射率,地物
反射波谱特征
• 3、地物波谱特征的测量
所谓地物光谱特性，是指自然界中任何地物都具有其自身的电 磁辐射规律，如具有反射、吸收外来的紫外线、可见光、红外 线和微波的某些波段的特性；它们又都具有发射某些红外线、 微波的特性；少数地物还具有透射电磁波的特性，这种特性称 为地物光谱特性，其中最常用的是反射信息。
不同植物光谱曲线的比较
不同季节狗牙根草的光谱反射曲线
春小麦在不同生长阶段的波谱特性曲线
花期的春小麦反射率明显高于灌浆期和乳熟期。至于黄叶期， 由于不具备绿色植物特征，其反射光谱近似于一条斜线。这是 因为黄叶的水含量降低， 导致在1.45、l.95和2.7 微米附近3 个水吸收带的减弱。当叶片有病虫害时．也有与其黄叶期类似 的反射率。
• 雪：与太阳光谱相似，0.40-0.60μm ，P=100%；随着 波长增加，反射率降低，到红外全吸收
• 沙漠：0.60μm,P=65%,呈橙色，0.80μm,P=50%
• 湿地：都偏低，反射率在10％以下，到红外为深色。
本章重点
• 1.电磁波谱与电磁辐射 • 2.太阳辐射及大气对其的影响 • 3.常见地物反射波谱特征：水体、植被、 土壤、岩石
• 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 • 漫反射：也叫朗伯反射，向四周均匀反射，在各个 方向上亮度和强度一样，航天遥感中多为这种现象。 • 实际反射：介于两者之间，在某一方向上较强。
100 散射强度曲线
蓝 绿 红 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
瑞利散射
无选择散射
大气散射
瑞利散射 米氏散射 d<<入 d≈入 d>>入 I∝入-4 I∝入-2 大气中原子和 分子 微粒 可见光 红外线
无选择性 散射
I与入无 关
大气折射
折射值τ =τ0 - β
τ0
大气折射后 太阳高度角 太阳高度角
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
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
M=δT4
δ=5.67x10-8 W/m2•K4
400K 300K 0 5
波
10
长
15 20
（2）维恩位移定律:
入max • T= b
b =2.898 x10-3 m•K
3.实际物体的辐射
• 基尔霍夫定律:
M1/a1= M2/a2=Mi/ai= M0= I
M=εM0
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；而实际物体，如果吸收本 领越大，它的发射本领也越大，越接近黑体。
第二章 电磁辐射与地物的光谱特征
贺巧宁
主要内容：
• § 2.1电磁波谱与电磁辐射 • § 2.2太阳辐射及大气对辐射的影响 • § 2.3地球的辐射与地物波谱
本章小结
§2.1 电磁波谱与电磁辐射
• 一. 电磁波谱
• 二. 电磁辐射的度量
• 三. 黑体辐射
一. 电磁波谱
• 1.电磁波的产生
• 2.电磁波的特性
• 地物反射波谱——地物的反射率随着入射 波长变化而变化的规律。 • 按照地物反射率与波长之间的关系所绘制 的曲线图称为地物反射光谱曲线，其中横 坐标表示波长，纵坐标表示反射率。
几种典型地物反射光谱曲线
• (1) 植被
• (2) 土壤
• (3) 水体
• (4) 岩石
• (5) 其他
• 植被：0.55μm，绿色，叶绿素的影响 • 0.70-0.80μm有反射陡坡 • 1.1μm，植被叶细胞影响 • 1.3-2.5μm，反射率大大下降，受 水分影响
• 3.电磁波谱
1.电磁波的产生
• 电磁波:由振源发出的电磁振荡在空间的 传播,有热辐射、微波、无线电波等,也 称为电磁辐射。
• 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。
2.电磁波的特性
• （1）是横波
• （2）在真空中以光速传播
• （3）满足：
f · = C ； E = h· 入 f
0.38μm 0.76μm 3μm 6μm 15μm 1000μm
10km
100km
可见光
近红外
中红外 远红外 超远红外
紫
蓝
青
绿
黄
橙
红
二. 电磁辐射的度量
• 辐射能量(W)：电磁辐射的能量，J。
• 辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能 量，W，J/s。
• 辐照度(I)：被辐照的物体表面单位面积上的 辐射通量，W/m2。 • 辐射出射度(M)：温度为T的辐射源物体表面单 位面积上的辐射通量, W/m2 。
W1ຫໍສະໝຸດ I11三. 黑体辐射
• 1.绝对黑体
• 2.黑体辐射的规律
• 3.实际物体的辐射
1.绝对黑体
• 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。
• 黑色的煤烟、恒星、太阳等。
2.黑体辐射的规律
（1）斯忒藩-玻尔兹曼定律:
辐 射 出 射 度
700K 600K 500K
• （4）电磁波具有波粒二象性
入射电磁波
镜面反射
吸收 透射/折射
物 体 表 面
漫反射
反射率（p)=反射能量/入射能量*100%
吸收率（a)=吸收能量/入射能量*100%
透射率（T)=透射能量/入射能量*100%
3.电磁波谱
• 电磁波谱：按照电磁波在真空中传播的 波长或频率，递增或者递减排列构成的 谱带则称电磁波谱。
• 太阳辐射与地表相互作用: 地球辐射的分段特性： 0.3-2.5 2.5-6
>6
• 地表自身的热辐射:
温度 波长
• 地物的发射特性－自然界中的一切物体， 无论是固体的、液体的，当其温度高于 绝对0度时都会不断地向四周空间发射电 磁波（以红外、微波为主），物体的温 度越高，辐射出的能量就越多，这种现 象称为热辐射。 • 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。
作业
• 教材P44-45思考题 • 第2、6、8、9题
• 探测地物的热辐射特性的热红外遥感在 夜间和白天进行的结果是不同的。 • 热红外遥感探测的地物热辐射量用亮度 温度表示，它不同于地面温度，是接收 的热辐射能量的转换值，图像上表示为 亮度。
地物反射波谱特征
• 反射波谱:地物反射率随波长的变化规律。
• 反射率P
• 定义：地物的反射能量与入射总能量的 百分比，称为反射率。 ρ=(Pρ/ P0)×100%。
8
10
12
14
16
18
20
22
0.3-1.3
1.5-1.8 2.0-3.5
3.5-5.5
8-14
大气窗口
电磁性质 大气窗口(μm) 应用条件成像方式 透过率 0.3-1.3 反射光谱 1.5-1.8 2.0-2.5 混合光谱 3.5-5.5 发射光谱
强光条件下摄影扫描 90% 强光条件下扫描
80%
大气上界
β
地平面
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。 • 大气窗口的主要光谱段: • 0.3-1.3、1.5-1.8和2.0-3.5、3.5-5.5、 8-14、0.8-2.5cm