定量遥感第二章遥感物理基础
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遥感概论第2章遥感的物理基础
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第2章
2.1.1 电磁波谱
电磁波的性质
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
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第2章
2.1.2 电磁波谱
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
电磁波谱 电磁波谱：按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增 或递减排列构成的图表。
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第2章
2.1.2 电磁波谱
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
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第2章
2.1.1 电磁波谱
电磁波
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
电磁波——电磁振动的传播
横波（具有波的一切特征量（波长λ、频率f、周期T、波速V、振幅 A、相位ф等）
8
第2章
2.1.1 电磁波谱
电磁波的性质
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
A：是横波； B：不需要介质，在真空中以光速传播； C：满足 c=f×λ E=h×f c—光速 f—频率 λ—波长 h—普氏常数 E—能量 D：波粒二象性——波动性（干涉、衍射、偏振）、粒子性
2.1.4 电磁辐射源
地球辐射
遥感的物理基础
2.1 电磁波谱与电磁辐射
太阳辐射近似于温度 为8000K的黑体辐射， 而地球辐射接近300K 的黑体辐射。 太阳辐射出射曲线最 大值对应的波长为 0.47μm，而地球辐射 出射曲线最大值对应 的波长为9.66μm，属 于远红外波段
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第2章
2.1.4 电磁辐射源
激光辐射源在遥感技术中逐渐得到应用。其中应用较为广泛的为激 光雷达。激光雷达使用脉冲激光器，可精确测量卫星的位置、高度、 速度等，也可测量地形、绘制地图、记录海面波浪情况，还可利用 物体的散射及荧光、吸收等性能进行污染监测和资源勘查等。
第二章 遥感的物理基础
响。
大气外层：800～35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影
大气对辐射的吸收
大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围 内（ <0.2um 的电磁波几乎被氮气或氧气吸收）。 大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3um的电磁波 具有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐 射中，已不存在小于0.3um 的短波辐射。 真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少 量的气体，其中作用最为显著的有臭氧，二氧化碳， 甲烷和水汽。
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。 可见光：波长范围：0.38～0.76μm，人眼对可见光有 敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。 红外线：波长范围为0.76～1000μm，根据性质分为近 红外、中红外、远红外和超远红外。 微波：波长范围为1 mm～1 m，穿透性好，不受云雾的 影响。
水蒸气对太阳光谱的吸收
二氧化碳对太阳光谱的吸收
大气中其它气体对太阳光谱的吸收
大气散射
散射的概念：电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来 的传播方向的一种现象。 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。
红外线的划分
近红外：0.76～3.0 µm，与可见光相似。 中红外：3.0～6.0 µm，地面常温下的辐射波长， 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。
大气外层：800～35 000 km ,空气极稀薄，对卫星基本上没有影
大气对辐射的吸收
大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围 内（ <0.2um 的电磁波几乎被氮气或氧气吸收）。 大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3um的电磁波 具有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐 射中，已不存在小于0.3um 的短波辐射。 真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少 量的气体，其中作用最为显著的有臭氧，二氧化碳， 甲烷和水汽。
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。 可见光：波长范围：0.38～0.76μm，人眼对可见光有 敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。 红外线：波长范围为0.76～1000μm，根据性质分为近 红外、中红外、远红外和超远红外。 微波：波长范围为1 mm～1 m，穿透性好，不受云雾的 影响。
水蒸气对太阳光谱的吸收
二氧化碳对太阳光谱的吸收
大气中其它气体对太阳光谱的吸收
大气散射
散射的概念：电磁波与物质相互作用后电磁波偏离原来 的传播方向的一种现象。 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。
红外线的划分
近红外：0.76～3.0 µm，与可见光相似。 中红外：3.0～6.0 µm，地面常温下的辐射波长， 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。
遥感的物理基础 (2)
遥感原理
教学ppt
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烟台师范学院地理与资源管理学院
Solar Spectrum = Shortwave spectrum =visible spectrum:
Sun at 6000K; peak emission at 0.5 mm
遥感原理
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烟台师范学院地理与资源管理学院
Terrestrial Spectrum = Longwave Spectrum = Infrared Spectrum =
❖ 波粒二象性的程度与电磁波的波长有关： 波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈 长，辐射的波动特性愈明显。
教学ppt
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遥感原理
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。
2、遥感常用的电磁波波段的特性
教学ppt
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Th遥感e原理Electromagnetic Spectrum
More than meets the eye!
遥感原理
教学ppt
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烟台师范学院地理与资源管理学院
遥感原理
遥感原理
Examples from Space
教学ppt
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烟台师范学院地理与资源管理学院
遥感原理
Wavelength Units
• Meters (like on last slide and in book, p. 613)
• More commonly in nanometers (1 nm = 10-9 meters)
遥感技术与应用-2-遥感物理基础
4 微波（Microwave） 主动遥感，全天候。1mm—1m
第二章 遥感物理基础
三、大气窗口（Atmospheric Window） 是指在大气中传播受到衰减作用较轻因而透射率较高的电磁波段 遥感中常用的大气窗口如下：
Tห้องสมุดไป่ตู้ansmissivity
第二章 遥感物理基础
四、大气对太阳辐射的效应 1 太阳辐射 是地球上能量的主要来源 约5.1×1024 J是遥感的主要辐射源 光源和热源。太阳辐射主要集中在0.3—3um. 2 大气组成 大气对电磁波传输过程的影响包括5个方面：散射（Scattering）、吸收 （Absorption）、扰动（Turbulence）、折射（Refraction）和偏振 （Polarizaion），而对于遥感数据而言，最主要的因素是散射和吸收 。由于大气 分子和气溶胶粒子的影响，太阳辐射的电磁波在大气层传输时一部分被吸收， 一部分被散射，剩下的部分穿过大气层到达地面；地物反射或本身辐射的电磁波 部分被吸收，部分被散射，部分到达传感器的接收系统；大气本身的反射或辐射 同时也进入传感器。所以，传感器接收的电磁波辐射既有地物的辐射又有大气的 辐射——“综合辐射”，其中地物辐射是所需要的“信号-Signal”，大气辐射是遥感过程 应当尽量减弱其效应的“噪声-Noise”，由于综合辐射，就会降低遥感图像的“信噪比” （Signal to Noise Ratio， S/N比），表现为图像模糊。 气态成分：N2、O2、H2O、CO、CO2、CH4、O3等 固态成分：尘埃、冰晶、盐晶、气溶胶等 3 大气厚度对太阳辐射的影响 4大气对太阳辐射的吸收作用（选择性吸收，Selective Absorption）
4
C至D
5
超过D “反转部分”,暴光量继续增加而光学密度反而降低
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。
第二章遥感的物理基础
☆ 辐射亮度（L）：面辐射源在单位时间内通过垂直面元法线方向上单位面、 单位立体角的辐射能。
四、黑体辐射
绝对黑体(简称黑体）：对于任何波长
的电磁辐射都全部吸收的物体。
绝对黑体的特性：
α（λ，T）≡1 ; ρ（λ，T）≡ 0
任何物体： α（λ，T）+ ρ（λ，T） ≡ 1 绝对白体： α（λ，T）≡0 ρ（λ，T）≡ 1
得到：
= 1- ρ
根据能量守恒定律，入射到地表的辐射功率E等于 吸收功率E吸、透射功率E透、反射功率E反三个分量 之和。即：
E=E吸+ E透+ E反 由上式得到：
1=α+τ+ρ
式中α—吸收率，τ—透射率，ρ—反射率 对于不透射电磁波的物体：
1=α+ρ
即有：α= 1- ρ
由第一节的基尔霍夫定律推导得到：
由于有：1=α+ρ
尘埃
吸收量很小
Absorption of EM energy by the atmosphere
大气的散射作用
散射：辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播 方向改变，并向各个方向散开的物理现象，称 为散射。 散射作用：大气中的粒子与细小微粒如烟、尘 埃、雾霭、小水滴及气溶胶等对大气具有散射 作用。散射的作用使在原传播方向上的辐射强 度减弱，增加了向其他各个方向的辐射。 散射作用的结果是降低了遥感数据的质量、使 影像模糊，从而影响判读。
电磁波是横波 在真空中以光速传播 满足方程：f λ=c , E=h f 电磁波具有波粒二象性 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。
遥感导论第2章遥感物理基础
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 对于一般物体来讲，传感器检测到它的辐射能后就可以用 此公式概略推算出物体的总辐射能量或绝对温度（T）。
地球信息系 赵珊珊
概述
黑体辐射特性（2）
• 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。
地球信息系 赵珊珊
概述
植被、水体、土壤的反射波谱特性曲线
地球信息系 赵珊珊
概述
（补充）影响地物光谱反射率变化的因素
太阳高度（日期、时间）
大气条件
地形（阴影）
地形（坡度）
气候、植物的病变
地球信息系 赵珊珊
环境状况
概述
地物波谱特性
地物波谱也称地物光谱。 地物波谱特性是指各种地物各自所具有的电磁波 特性（发射辐射或反射辐射）。 测量地物的反射波谱特性曲线主要作用：
地球信息系 赵珊珊
概述
地物的反射类型
• 镜面反射 • 漫反射 • 方向反射
• 从空间对地面观察时，对于平面地区，并且地面物体均匀分布，可以 看成漫反射；对于地形起伏和地面结构复杂的地区，为方向反射。
地球信息系 赵珊珊
概述
2.2.1 地物的反射辐射
• 反射率是地物对某一波段电磁波的反射能 量与入射总能量之比：
地球信息系 赵珊珊
概述
城市道路、建筑物的反射波谱特性曲线
• 城市道路、建筑物的光谱反射特性 • 红外波段较可见光波段反射强 • 石棉瓦较其他材料反射强 • 沥青较其他材料反射弱
地球信息系 赵珊珊
概述
土壤的反射波谱特性曲线
地球信息系 赵珊珊
概述
土壤的反射波谱特性曲线
第二章.遥感物理基础
第二章 遥感物理基础
地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反
射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的 形式——电磁波。不同的物体具有不同的物质 组成和结构；由此导致其电磁波谱特征（特征 光谱）不同。 遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁 波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物 体的信息，完成远距离识别物体。
2 非选择性散射
质点直径和电磁波波长差不多时（d ≈ λ ）
( )
1
2
主要是大其中的气溶胶引起的散射。 云、雾等的悬 浮粒子的直径和0.76－15 um之间的红外线波长差不多， 需要注意。
（二）大气吸收
大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧。
1）水：分为气态水和液态水
水汽吸收电磁辐射的波段范围较宽，从可见光、红外直至微波， 都有水汽的吸收带。
∴ ρ＝ 1 － ε
则 ε＝1－ρ 即各种地物发射电磁波的特性可以通过间接地测试各种地物反射电 磁波的特性得到。
正因为各种地物反射、发射电磁波能力各不相同，才构 成遥感据以探测和识别各种目标物的依据。
二、地物反射波谱特征
（一）地物反射波谱特性
对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸 收率高的地物，其反射率就低。 当电磁波从较稀疏的空气介质入射到较密介质时，将产生反射。依 照界面的平滑程度不同，有镜面反射、漫反射和混合反射三种情况。 一般用反射率来表示地物反射能力。 通常反射率定义为物体的反射能量与入射能量之比。 即：ρ＝Eρ／E 显然，反射率高，在遥感图像上就越亮，反之则越暗。 因为波长不同，同一地物其反射率也不同。 反射率。 遥感中更常用的是光谱
光谱反射率：地物在某波段的反射能量与该波段的入射能量之比 即 ρλ＝Eρλ／Eλ
地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反
射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的 形式——电磁波。不同的物体具有不同的物质 组成和结构；由此导致其电磁波谱特征（特征 光谱）不同。 遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁 波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物 体的信息，完成远距离识别物体。
2 非选择性散射
质点直径和电磁波波长差不多时（d ≈ λ ）
( )
1
2
主要是大其中的气溶胶引起的散射。 云、雾等的悬 浮粒子的直径和0.76－15 um之间的红外线波长差不多， 需要注意。
（二）大气吸收
大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、二氧化碳和臭氧。
1）水：分为气态水和液态水
水汽吸收电磁辐射的波段范围较宽，从可见光、红外直至微波， 都有水汽的吸收带。
∴ ρ＝ 1 － ε
则 ε＝1－ρ 即各种地物发射电磁波的特性可以通过间接地测试各种地物反射电 磁波的特性得到。
正因为各种地物反射、发射电磁波能力各不相同，才构 成遥感据以探测和识别各种目标物的依据。
二、地物反射波谱特征
（一）地物反射波谱特性
对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即为弱辐射体；反之，吸 收率高的地物，其反射率就低。 当电磁波从较稀疏的空气介质入射到较密介质时，将产生反射。依 照界面的平滑程度不同，有镜面反射、漫反射和混合反射三种情况。 一般用反射率来表示地物反射能力。 通常反射率定义为物体的反射能量与入射能量之比。 即：ρ＝Eρ／E 显然，反射率高，在遥感图像上就越亮，反之则越暗。 因为波长不同，同一地物其反射率也不同。 反射率。 遥感中更常用的是光谱
光谱反射率：地物在某波段的反射能量与该波段的入射能量之比 即 ρλ＝Eρλ／Eλ
遥感第2章-遥感物理基础
02
(设计遥感器空间分辨率具有重要意义。)
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。 偏振光，非偏振光，部分偏振
最小分辨角:
物镜的有效孔径
电磁波的衍电磁波谱与电磁辐射
电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长（或频率）按其长短，依次排列制成的图表称为电磁波谱。（P17，F2.3）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
§2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响
大气对太阳辐射的衰减 2、大气的散射作用 大气对太阳辐射吸收的明显特点是吸收带主要位于太阳辐射的紫外和红外区，而对可见光区基本上是透明的。但当大气中含有大量云、雾、小水滴时，由于大气散射使得可见光区也变成不透明了（P25 T2.11中两条连续曲线的差值，表示大气对太阳辐射散射时所造成的损失）。散射使原传播方向的辐射强度减弱，而增加向其它各方向的辐射。 （1）大气散射改变了部分辐射方向，干扰了传感器的接收，降低了遥感数据的质量，造成影像的模糊，影响遥感资料的判读。 （2）大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区。 （3）大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。
光谱辐射通量
以上各辐射量都是波长的函数。 右图表示单位波长间隔内的辐射通量，称为光谱辐射通量。 Φ(λ)=dΦ/dλ 单位： 瓦/微米（W• μm-1）
2.1 电磁波谱与电磁辐射
2.1.3 黑体辐射 绝对黑体（简称黑体）：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。 光谱吸收系数（吸收率）： α（λ，T） 光谱反射系数（反射率）： ρ（λ，T） 绝对黑体特性： α（λ，T）= 1 ， ρ（λ，T）= 0， 与温度和波长无关
2.1 电磁波谱与电磁辐射
定量遥感-第二章遥感物理基础精讲
• 上式中太阳常数是对太阳光谱的积分。太阳对地球 的张角很小(<9)，因此太阳光可以认为是平行光束。 • 太阳总辐射量和表面辐出度分别是多少？
25
通量密度很多时候简称通量
•太阳常数与太阳辐射亮度
基本物理量
太阳光是平行光入射，即只在Ω0方向存在 亮度，注意到公式：
Lλ =³ Φ / A λ Ω
波长与穿透性的关系？
32
• 地物反射光谱特性
物体反射率随波长而改变的特性称为地物 反射光谱特性。
光谱曲线：
植物？ 水体？ 土壤？ 云？雪？
水体+叶绿素？ 水体+泥沙？ 新雪、旧雪？
地物波谱（特性）
33
• 电磁波与介质的相互作用总结：
作用类型
散射
反射 透射
吸收（发射）
率：以比例形式表征的反射、透射和吸收强度 与入射辐射强度无关 ρ + τ + α = 1（无自身发射）
Ω0
Fλ =² Φ / A λ
因此，太阳的辐射亮度与Ω0方向上的辐射通量 （即太阳常数）之间的关系为：
L0=δ(Ω,Ω0)F0
26
• 各向同性辐射时亮度与通量的关系 基本物理量
假设地表为各向同性辐射，即辐射亮度L 在各方向分布均一，则其垂直地表向上的辐射
通量为：
F L cosd 2 θ
由于dΩ = dσ/r2 = sinθdθdφ 因此：
这三种反射形式分别在什么情 况下发生？
根据表面光滑或粗糙？
37
二、瑞利判据分析
L.Rayleigh提出表面为光滑或粗糙的标准为：
θi θr
镜面反射
当 h cos 为光滑表面
8
当 h cos 为粗糙表面
25
通量密度很多时候简称通量
•太阳常数与太阳辐射亮度
基本物理量
太阳光是平行光入射，即只在Ω0方向存在 亮度，注意到公式：
Lλ =³ Φ / A λ Ω
波长与穿透性的关系？
32
• 地物反射光谱特性
物体反射率随波长而改变的特性称为地物 反射光谱特性。
光谱曲线：
植物？ 水体？ 土壤？ 云？雪？
水体+叶绿素？ 水体+泥沙？ 新雪、旧雪？
地物波谱（特性）
33
• 电磁波与介质的相互作用总结：
作用类型
散射
反射 透射
吸收（发射）
率：以比例形式表征的反射、透射和吸收强度 与入射辐射强度无关 ρ + τ + α = 1（无自身发射）
Ω0
Fλ =² Φ / A λ
因此，太阳的辐射亮度与Ω0方向上的辐射通量 （即太阳常数）之间的关系为：
L0=δ(Ω,Ω0)F0
26
• 各向同性辐射时亮度与通量的关系 基本物理量
假设地表为各向同性辐射，即辐射亮度L 在各方向分布均一，则其垂直地表向上的辐射
通量为：
F L cosd 2 θ
由于dΩ = dσ/r2 = sinθdθdφ 因此：
这三种反射形式分别在什么情 况下发生？
根据表面光滑或粗糙？
37
二、瑞利判据分析
L.Rayleigh提出表面为光滑或粗糙的标准为：
θi θr
镜面反射
当 h cos 为光滑表面
8
当 h cos 为粗糙表面
第二章 遥感的物理基础-1
Ey
Ey
E E
Ex
Ex
椭圆偏振光和圆偏振光
偏振在微波技术中称为“极化” 水平极化---垂直极化---19
（2）电磁波特性的遥感应用—偏振
影像判读意义重大
20
（2）电磁波的特性遥感应用
叠加、相干、多普勒效应 • 波的叠加：几列波在相遇的区域内，质点的 振动为各波存在时单独引起的位移矢量和。
波的叠加原理--遥感中的作用
11
（2）电磁波特性的遥感应用--衍射
衍射---光通过有限大小的障碍物时偏离直线 路径的现象。
12
（2）电磁波特性的遥感应用--衍射
13
（2）电磁波特性的遥感应用--衍射
14
（2）电磁波特性的遥感应用--衍射
15
（2）电磁波特性的遥感应用--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。
Max Planck (1858 – 1947) Nobel Prize 1918
2hc 1 W (、T ) 5 ch/ kT 1 e
2
表示出了黑体辐射通量密 度与温度的关系以及按波长分 布的规律。
28
（3）物体的发射辐射
三个特性
黑体辐射
1、温度越高，总的辐射通量密度 越大，不同温度的曲线不同。 2、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。 3、辐射通量密度随波长连续变化， 每条曲线只有一个最大值。
等效温度： 为了分析物体的辐射能力，常用最接近灰体辐 射曲线的黑体辐射曲线来表达，这时黑体辐射温度 称为该物体的等效辐射温度。 等效温度与实地温度的关系：也总小于实地温度。
T等效 T
Ey
E E
Ex
Ex
椭圆偏振光和圆偏振光
偏振在微波技术中称为“极化” 水平极化---垂直极化---19
（2）电磁波特性的遥感应用—偏振
影像判读意义重大
20
（2）电磁波的特性遥感应用
叠加、相干、多普勒效应 • 波的叠加：几列波在相遇的区域内，质点的 振动为各波存在时单独引起的位移矢量和。
波的叠加原理--遥感中的作用
11
（2）电磁波特性的遥感应用--衍射
衍射---光通过有限大小的障碍物时偏离直线 路径的现象。
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（2）电磁波特性的遥感应用--衍射
13
（2）电磁波特性的遥感应用--衍射
14
（2）电磁波特性的遥感应用--衍射
15
（2）电磁波特性的遥感应用--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。
Max Planck (1858 – 1947) Nobel Prize 1918
2hc 1 W (、T ) 5 ch/ kT 1 e
2
表示出了黑体辐射通量密 度与温度的关系以及按波长分 布的规律。
28
（3）物体的发射辐射
三个特性
黑体辐射
1、温度越高，总的辐射通量密度 越大，不同温度的曲线不同。 2、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。 3、辐射通量密度随波长连续变化， 每条曲线只有一个最大值。
等效温度： 为了分析物体的辐射能力，常用最接近灰体辐 射曲线的黑体辐射曲线来表达，这时黑体辐射温度 称为该物体的等效辐射温度。 等效温度与实地温度的关系：也总小于实地温度。
T等效 T
遥感原理与应用_第2章_3遥感物理基础-地物波谱特性与遥感光学基础
植被指数已广泛用来定性和定量评价植被覆盖及其生长活力。由 于植被光谱受到植被本身、土壤亮度、环境条件、阴影、土壤颜色 和湿度、大气空间—时相变化等因素的影响，因此植被指数往往具 有明显的地域性和时效性，没有一个普遍的值，其研究经常表明不 同的结果。20多年来，已研究发展了几十种不同的植被指数。
在植被指数中，通常选用对绿色植物强吸收的可见光红波段和对 绿色植物强反射的近红外波段。这两个波段不仅是植物光谱、光合 作用中的最重要的波段，而且它们对同一生物物理现象的光谱响应 截然相反，形成的明显反差，这种反差随着叶冠结构、植被覆盖度 而变化。
C o p y r i g h t © 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n
SWJTU
典 型 地 1 2物 3反 4 5射 6 7波 谱 特 性
在短波红外波段
植物基本上吸收或反射电磁波能量，透射很少。 植物的光谱特性受叶片总含水量的控制，叶片的反 射率与叶内总含水量互相关。反射总量是叶内水分含 量以及叶片厚度的函数。
类能力。
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典 型 地 1 2物 3反 4 5射 6 7波 谱 特 性
主要植被指数一览表
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定性。
在进行遥感图象解译的时候，要充分认识到地物波谱特
性的复杂性，减少外界因素的影响。 为提高定量遥感的精度，需要通过大量的地面样本分析 建立先验知识，确定遥感模型的约束条件。
在植被指数中，通常选用对绿色植物强吸收的可见光红波段和对 绿色植物强反射的近红外波段。这两个波段不仅是植物光谱、光合 作用中的最重要的波段，而且它们对同一生物物理现象的光谱响应 截然相反，形成的明显反差，这种反差随着叶冠结构、植被覆盖度 而变化。
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典 型 地 1 2物 3反 4 5射 6 7波 谱 特 性
在短波红外波段
植物基本上吸收或反射电磁波能量，透射很少。 植物的光谱特性受叶片总含水量的控制，叶片的反 射率与叶内总含水量互相关。反射总量是叶内水分含 量以及叶片厚度的函数。
类能力。
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典 型 地 1 2物 3反 4 5射 6 7波 谱 特 性
主要植被指数一览表
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定性。
在进行遥感图象解译的时候，要充分认识到地物波谱特
性的复杂性，减少外界因素的影响。 为提高定量遥感的精度，需要通过大量的地面样本分析 建立先验知识，确定遥感模型的约束条件。
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。。
.
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
• 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 )
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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。。
.
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
第二章遥感的物理基础简
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。
（2）电 磁辐射的度量
1、辐射测量（radiometry），以伽玛射线到电磁波的整个波 段范围为对象的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。
2、光度测量（photometry），由人眼的视觉特性（标准光 度观察）评价的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。
BACK
大气对辐射的吸收
❖ 大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外 的范围内（ <0.2um 的电磁波几乎被氮气或 氧气吸收）。
❖ 大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3um 的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地 面的太阳短波辐射中，已不存在小于0.3um 的短波辐射。
❖ 真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些 非常少量的气体，其中作用最为显著的有臭 氧，二氧化碳，甲烷和水汽（28页图）。
臭氧的总含量具有明显的地域分布特征及季节 变化，在赤道上空臭氧含量最少，在高纬度地 区60 °～70°区域内达到极大值。
70年代，近极地上空臭氧层厚度是很大的，但 随着时间发展，臭氧层厚度逐渐在减小，目前 在南极上空已形成臭氧空洞。
第二章遥感的物理基础简
大气成分
大气是由多种气体及气溶胶所组成的混合 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）与可变成分两个部分（水汽，气溶 胶）。
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
第二章遥感的物理基础简
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。
遥感探测器一般无法探测。
（2）电 磁辐射的度量
1、辐射测量（radiometry），以伽玛射线到电磁波的整个波 段范围为对象的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。
2、光度测量（photometry），由人眼的视觉特性（标准光 度观察）评价的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。
BACK
大气对辐射的吸收
❖ 大气中氮气对电磁波的作用都在紫外光以外 的范围内（ <0.2um 的电磁波几乎被氮气或 氧气吸收）。
❖ 大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3um 的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地 面的太阳短波辐射中，已不存在小于0.3um 的短波辐射。
❖ 真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些 非常少量的气体，其中作用最为显著的有臭 氧，二氧化碳，甲烷和水汽（28页图）。
臭氧的总含量具有明显的地域分布特征及季节 变化，在赤道上空臭氧含量最少，在高纬度地 区60 °～70°区域内达到极大值。
70年代，近极地上空臭氧层厚度是很大的，但 随着时间发展，臭氧层厚度逐渐在减小，目前 在南极上空已形成臭氧空洞。
第二章遥感的物理基础简
大气成分
大气是由多种气体及气溶胶所组成的混合 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）与可变成分两个部分（水汽，气溶 胶）。
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
第二章遥感的物理基础简
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。
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28
第二章 遥感物理基础
§2.1 表征电磁辐射的物理量 √§2.2 电磁波与介质的相互作用
§2.3 物体表面的反射特性 §2.4 遥感数据定标
29
• 电磁波的散射和吸收
当电磁波在介质中传播时，会发生散射 (scattering)和吸收(absorption)，其中散射又 分为反射(reflection)和透射(transmission)。
波长与穿透性的关系？
32
• 地物反射光谱特性
物体反射率随波长而改变的特性称为地物 反射光谱特性。
光谱曲线：
植物？ 水体？ 土壤？ 云？雪？
水体+叶绿素？ 水体+泥沙？ 新雪、旧雪？
地物波谱（特性）
33
• 电磁波与介质的相互作用总结：
作用类型
散射
反射 透射
吸收（发射）
率：以比例形式表征的反射、透射和吸收强度 与入射辐射强度无关 ρ + τ + α = 1（无自身发射）
Γ
1
0 11.77
12.27
λ
理想的遥感器（以MODIS 32为例）
但是限于工艺水平，制作时只能尽量接近“方波” ， 实际的遥感器波段响应均有一定误差。
9
• b 波段响应函数
预备知识
波段响应函数表征了遥感器的某一波段对各个精
细的电磁波谱的感应程度。因此在很多涉及到光谱转 换的工作中，应该利用波段响应函数对待求参数进行 加权平均。
预备知识
遥感器的某一波段可以探测一段波谱范围的信号， 例如MODIS 32通道可以感应11.77-12.27μm的信号。
例：MODIS 32（11.77-12.27μm）波段响应函数
8
• b 波段响应函数
预备知识
理想的遥感器应该是“方波”，即对小于11.77μm ， 大于12.27μm的波谱信号响应度为0，而在两者之间的信 号响应度为1。
• 漫反射(diffuse reflection)
整个表面都均匀地向各向反射入射光称为漫反射
• 方向反射(directional reflection)
介于漫反射和镜面反射之间，各向都有反射， 但各向反射强度不均一。
36
一、物体表面的反射辐射 物体表面对电磁波的反射三种形式： • 镜面反射(mirror reflection) • 漫反射(diffuse reflection) • 方向反射(directional reflection)
第二章 遥感物理基础
武汉大学遥感信息工程学院 龚龑
第二章 遥感物理基础
√§2.1 表征电磁辐射的物理量 §2.2 电磁波与介质的相互作用 §2.3 物体表面的反射特性 §2.4 遥感数据定标
3
一、预备知识 •立体角 •波段响应函数 •冲击函数
4
• a 立体角
预备知识
立体角是球坐标系中重要的度量参数之一，其定 义为球面对球心的张角，即Ω = σ/r2，立体角单位为 球面度Sr (steradians)。
22
• 辐射度量小 结
基本物理射能量 Q
Q
焦耳(J)
辐射通量 Φ
(2) Q/ t( λ)
瓦(W)
辐照度 E
(2) Φ / A ( λ)
瓦/米²(W/m²)
辐出度 M
(2) Φ / A ( λ)
瓦/米²(W/m²)
辐射强度 I
(2) Φ / Ω ( λ) 瓦/球面度(W/Sr)
基本物理量
在单位时间内通过的辐射能量 称为辐射通量：
Φ=Q/ t
辐射通量（Φ）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）
17
基本物理量
• 辐射通量密度 (irradiance) E、(radiant exitance) M
单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度： E辐照度= Φ / A M辐出度= Φ / A
这三种反射形式分别在什么情 况下发生？
根据表面光滑或粗糙？
37
二、瑞利判据分析
L.Rayleigh提出表面为光滑或粗糙的标准为：
θi θr
镜面反射
当 h cos 为光滑表面
8
当 h cos 为粗糙表面
8
漫反射
方向反射
38
二、瑞利判据分析
h
粗糙度推导示意图
两波差
2
相位为完全抵消，差0
为完全相重合，介乎之间差
辐射源
被辐照物 辐射照射度
辐射体
辐 射 出 射 度
法向
辐射通量密度的单位是瓦/米²（W/m²） 18
• 辐射强度 (radiant intensity) I
基本物理量
辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的， 指在某一方向上单位立体角内的辐射通量.
I= Φ / Ω
辐射强度
点辐射源
Ω=A/R² 2π、4 π
• 上式中太阳常数是对太阳光谱的积分。太阳对地球 的张角很小(<9)，因此太阳光可以认为是平行光束。 • 太阳总辐射量和表面辐出度分别是多少？
25
通量密度很多时候简称通量
•太阳常数与太阳辐射亮度
基本物理量
太阳光是平行光入射，即只在Ω0方向存在 亮度，注意到公式：
Lλ =³ Φ / A λ Ω
《定量遥感技术与应用》后续课程学习内容
• 遥感物理基础（电磁波与介质）
• 辐射传输（微分形式）
• 辐射传输方程（方程求解）
• 典型地物分析模型 • 红外定量遥感模型
• 冠层反射率模型 • 叶片光学特性模型
• 微波辐射模型（VRT） • 生化组分遥感反演
• 土壤二向反射特性
• 水色模型
1
1/27
《定量遥感技术与应用》
反射率定标过程中离不开这一方法。假设已知
太阳辐射分布F0(λ)，则在具有响应函数Γ(λ)的某一波
段上的太阳辐射为：
以上三个例子中的积分式
F 0()()d
F0 0
0 ()d
在数值运算时都可以用加法替 代，上下限可以用给出的Γ(λ) 的上下限替代，dλ用△λ（即Γ 函数中的每一小段波长间隔）
替代。
Ω0
Fλ =² Φ / A λ
因此，太阳的辐射亮度与Ω0方向上的辐射通量 （即太阳常数）之间的关系为：
L0=δ(Ω,Ω0)F0
26
• 各向同性辐射时亮度与通量的关系 基本物理量
假设地表为各向同性辐射，即辐射亮度L 在各方向分布均一，则其垂直地表向上的辐射
通量为：
F L cosd 2 θ
由于dΩ = dσ/r2 = sinθdθdφ 因此：
Wien’s displacement law
24
• 太阳常数
基本物理量
在日地平均距离处通过与太阳光束垂直的 单位面积上的太阳辐射通量称为太阳常数。
F0 = 1353(±21) W/m2 (1976, NASA)
左图大气顶的通量密度为
为什么是平方关系?
F = F0(dm/d)2cosθ0
0.9674<(dm/d)2<1.0344
2 / 2
F
L cos sindd L
00
通量密度针对垂直穿过某个平面的量，为半球积分。
27
基本辐射量总结：
基本物理量
表征辐射的物理量很多：能量、通量、密度、强 度、亮度，以及谱（分谱）……
需要注意的是： • 文献中的称谓不尽相同，关键看单位 • 最重要的是密度（通量）和亮度 • 凡是涉及面积的都要注意使用法向面积，即cosθ
12
• b 冲击(激)函数（Impulse Function） 预备知识
冲击函数δ是狄拉克最初提出并定义的，所以又 称狄拉克函数。在信号处理中被广泛应用，反映一 种持续时间极短、函数值极大的信号类型。
在定量遥感中通常用来描述物理量只在某一个方 向上存在，以δ(Ω,Ω’)表示。 常量？ 变量？
δ
Ω’
一般情况下，“分谱”两字可以忽略
21
• 辐射亮度 (radiance) L
基本物理量
单位面积、单位波长、单位立体角内的 辐射通量称为辐射亮度。
方向空间分布规律(LED)
L=³ Φ / A λ Ω
亮度 L
θ
面辐射源 A
辐射亮度（L）的单位是瓦 / 米²•微米•球面度 （W/m²• μm • Sr）
4
（光程差） 2h cos （相位差）
4
h 8 cos
其中：h 为粗糙度； 为光的入射角； 为光波长。 39
二、瑞利判据分析
光谱反射率、地物光谱特性
34
第二章 、 遥感物理基础
§2.1 表征电磁辐射的物理量 §2.2 电磁波与介质的相互作用 √ §2.3 物体表面的反射特性 §2.4 遥感数据定标
35
一、物体表面的反射辐射
物体表面对电磁波的反射有三种形式： • 镜面反射(mirror reflection)
反射能量集中在一个方向，反射角=入射角
窄波段数据可以假设为方波，假设光谱仪测试
的反射率数据为ρ(λ)，则拟合到具有响应函数Γ(λ)的
某一宽波段上的反射率为：
()()d
0
0 ()d
11
• b 波段响应函数
预备知识
Exp3 计算某一遥感器波段的太阳辐射
由于遥感器接收的是地物的辐射亮度，因此该 工作主要用于推导某一遥感器波段上的地物反射率。
入射
反射
反射与透射区别在于电磁 波出射的方向：2π？
透射
•吸收使电磁波强度减弱
•在热红外和微波区域，还存在介 质自身发射的电磁波，增强电磁 波强度。
30
• 反射率 ρ
以比例形式表征的反射辐射强度，反射率为 反射辐射（亮度）与入射辐射（亮度）之比：