电磁波普与地物波普特征
遥感概论ppt课件第二章--电磁辐射与地物光谱特征
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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
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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.
第二章 电磁辐射与地物波谱特征
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§2.太阳辐射和地球辐射
太阳是太阳系唯一的恒星，它集中了太阳系 99.865%的质量。太阳是一个炽热的气体星球，没 有固体的星体或核心。太阳从中心到边缘可分为 核反应区、辐射区、对流区和大气层。其能量的 99%是由中心的核反应区的热核反应产生的。太阳 中心的密度和温度极高。太阳大气的主要成分是 氢（质量约占71%）与氦（质量约占27%）。
偏振面
E 电场，M 磁场，C 传播方向
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电磁波特性
波动性
1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的 理论。 光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、 偏振、反射、折射。
粒子性
1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论， 1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于 光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时 表现出粒子性，如光的反射、吸收、散射。
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 0.47µm，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 µm，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 µm，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 µm以上的热 红外区段。 在2.5-6 µm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。 （重叠区）
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二、电磁辐射的测量
Concept of Radiant Flux Density
Radiant flux, Φ
辐射通量密度 （radiant flux density）
Irradiance
2电磁波谱与地物波谱特征
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
辐射传输
辐射传输是电磁辐射与不同介质相 互作用的复杂过程
地球辐射
地球表面和大气电磁辐射的总称
地球辐射的分段特性
0.3-2.5微米波段（主要在可见光与近红 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 2.5-6.0微米波段（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 6.0微米以上的热红外波段，地球自身的 热辐射为主，地表反射太阳辐射可以忽 略不计
电磁波的度量
遥感信息是从遥感器定量记录的地表物 体电磁辐射数据中提取的
–辐射测量（radiometry） –光度测量（photometry） –比辐射率 –亮温
太阳辐射
太阳发出的电磁波辐射 太阳辐射在从近紫外到中红外这一波段内能量最 集中而且相对来说最稳定，太阳强度变化最小
Irradiance (W m-2 µm-1)
200 0 150 0 100 0 500 0 0
Exoatmospheric solar irradiance F0(λ) Solar irradiance reaching the surface F(λ)
Wavelength (µm)
1
2
3
太阳辐照度分布曲线
大气成分
大气成分主要有：
–气体分子（氮气\氧气\二氧化碳） –其它微粒(水汽\气溶胶\其他粒子等)
地物的反射
镜 面 反 射 漫反射 实 际 地 物反射
常见的几种地物类型波谱特征
植被 水体 土壤 岩石
植被的波谱特征
可见光波段：在0.45微米附近区间（兰色波段）有一个 吸收谷，在0.55微米附近区间（绿色波段）有一个反射 峰，在0.67微米附近区间（红色波段）有一个吸收谷 近红外波段：从0.76μm处反射率迅速增大，形成一个 爬升的的“陡坡”，至1.1μm附近有一峰值，反射率最 大可达50%，形成植被的独有特征 中 红 外 波 段 ： 1.5-1.9 微 米 光 谱 区 反 射 率 增 大 ， 在 1.45μm ， 1.95μm 和 2.7μm 为中心的附近区间受到绿色 植物含水量的影响，反射率下降，形成低谷
第二章 电磁波谱与地物波谱特征
❖ 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。
本节结束
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§2 太阳辐射
• 太阳辐射：太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳光，在大气 上界和海平面测得的太阳辐射曲线如图所示。
• 从太太阳阳辐光射谱的曲能线量可主以要看集出中(…在)可：见光，其中0.38 ～ 0.76 µm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 µm左右；
太阳光谱相当于6000 K的黑体辐射；
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；
的热辐射，其峰值波长为9.66 μm，主要集中返回在长波下，一即节 6μm以上的热红外区段。
§5 地物的热辐射
温度一定时，物体的热辐射遵循基尔霍夫定律。
地物的发射率随波长变化的曲线叫发射光谱曲线。
地物的发射率与地表的粗糙度、颜色和温度有关。
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。
§6 微波与地物的作用
与微波的作用机理。 §7 各典型地物的光谱曲线
§1 遥感的电磁波原理
• 电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播。
• 描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等。
• 电磁波的特性 电磁波是横波，传播速度为3×108 m/s，不需要 媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、 透射、散射等，并遵循同一规律。To be continued…
第二章 电磁波谱与地物波谱特征ppt课件
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2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在2008春节期间我国南方地区的冰雪灾害过程中，在历 次洪涝灾害过程中，在我国南方地区农作物生长的关键 时刻，经常是阴云密布，或大雨滂沱，只有SAR能够工作 得到遥感图像。
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2.1.4 黑体辐射
绝对黑体（black body） 如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，即吸收
率α=1，则这种物体称为绝对黑体，或简称黑体。 一般物体收到辐射时，对辐射能量总是有吸收、反射。吸收
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2.1.3 遥感应用电磁波段
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2.1.3 遥感应用电磁波段
可见光 波长范围从0.38-0.76μm。它由红、橙、黄、绿、青、
蓝、紫色光组成。人眼对可见光有敏锐的感觉，不仅对可 见光的全色光，而且对不同波段的单色光，也都具有敏锐 的分辨能力，其中对0.55 μm最敏感，所以可见光是作为 鉴别物质特征的主要波段。
2.2.1 太阳辐射 2.2.2 大气吸收 2.2.3 大气散射 2.2.4 大气窗口
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2.2.1 太阳辐射 太阳是被动遥感最主要的辐射源。
0 太阳光谱曲线
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2.2.1 太阳辐射
从太阳光谱曲线可看出： 到达地面的太阳辐射包括近紫外、可见光和红外； 太阳辐射的光谱是连续光谱； 太阳辐射的能量主要集中在可见光； 最大辐射强度位于波长0.47µm左右； 经过大气层的太阳辐射有很大的衰减； 各波段的衰减是不均衡的。
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。
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。
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
第2章电磁辐射地物光谱特征
大连市建成区及周边地表温度分布图
六、地物的反射波谱特征
1）地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改变 而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物波谱。 地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种表 现。
2）地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波响应 的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地物的基 础。 3）太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收， 一部分透射，即：
电磁波谱
4、遥感技术使用的电磁波分类
名称和波长（λ）范围： 名称 紫外线 可见光 波长范围 0.01 ---- 0.38 0.38 ---- 0.76 μｍ μｍ
近红外
中红外 远红外
0.76 ---- 3.0
3.0 6.0 ---- 6.0 ---- 15.0
μｍ
μｍ μｍ
超远红外
微 波 无线电波
大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3
µ m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0.3 µ m 的短波辐射。 的气体，其中作用最为显著的有臭氧，二氧化碳，甲 烷和水汽
真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量
O 吸收波长<0.2μm
O3 吸收紫外光 CO2、H2O 吸收红外及长波
2）大气散射
辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生
改变，向各个方向散开，称散射。
太阳辐射通过大气二次影响增加了信号中的噪声
成分，造成遥感图像质量的下降。
大气散射的三种情况：
瑞利散射：当大气中粒子的直径比波长小得多时
发生的散射；主要由大气中的原子和分子引起。
散射强度与波长的四次方成反比。
----天为什么是蓝的？朝霞和夕阳偏橘 红色？
电磁波谱和常见地物的波谱特征
1.何谓电磁波谱？试述其划分依据及其谱段的特性。
电磁波谱是指将各种电磁波按其波长的（频率）大小所依次排列成的图表。
电磁波谱的划分依据是不同波长电磁波的特性。
按照这一划分依据可以把电磁波谱划分为：宇宙射线、γ—射线、X—射线、紫外线、可见光、红外线、微波。
宇宙射线的波长<10-8 um，来自宇宙天体，其特性是具有很大的能量和贯穿能力，人工还无法能产生，目前遥感未能用得上这个波段；γ—射线的波长范围为10-8~10-6 um，是原子衰变裂解时放出的射线之一，也具有很高的能量和穿透性；X—射线的波长范围为10-6~10-2 um，高能但是穿透能力较γ—射线弱，被大气层全部吸收，不能用于遥感工作；紫外线的波长范围为0.01~0.38 um，穿透力很弱而且散射严重，易于被臭氧吸收，只有波长0.28~0.38 um的紫外线，能部分穿地大气层，但散射严重，只有部分投射到地面，并使感光材料所感应，可作为遥感工作波段，称为摄影紫外。
现已开始用于监测气体污染及水体的油污染；可见光的波段范围为0.38~0.76um，可分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色光,在太阳辐射能中所占的的比例较高，信息量大，可用摄影、扫描等各种方式成像，是遥感最常用的波段；红外线的波长范围为0.76 — 1000um，红外线按其特性又可以分为近红外（0.76~3um）、中红外（3~6um）、远红外（6~15um）、超远红外（15~1000um），近红外是地表层反射太阳的红外辐射，其中的0.76~1.3um波段可以使胶片感光，常被成为摄影红外，中远红外是地表物体发射的红外线，一般用于热红外遥感；微波的波长为1mm~1m，其特性是具有很强的穿透云雾和一定厚度的植被、冰层和土壤的能力，可以用人工制造的仪器发射微波，因为在遥感使用上具有全天候的能力。
2.试述水体、植被和土壤的波谱特征。
水体的波谱特征：清洁水体的反射率在各波段都很低（一般在3%左右），在可见光部分为4-5%，在0.6处降至2-3%，到0.75以后的近红外波段，水成了全吸收体。
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
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。
第二章 电磁辐射与地物波谱特征
遥感中部分光谱仪的分光 器件----衍射光栅等，正是运 用多缝衍射原理。
小孔的衍射
3．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。它可以是垂直于传播方向的任 何方向。它可以是不变的，也可以随时间按一定方式变化或按一定 规律旋转，即 出现偏振现象（微波中称为“极化” ）。
辐
射
出
射
度
辐射体
辐射通量密度的单位是瓦/米²（W/m²） 法向
三、电磁辐射的度量
辐指射点强辐度射源I 在（单r位ad立ian体t i角nt、en单sit位y）时间内，向某一方向
发出的辐射能量，即点辐射源(O)在某一方向上(、)单位 立体角(d)内发出的辐射通量，单位为 瓦/球面度 (w sr-1 )， 表达为：
一列波在空间传播时，将引起空间各点的振动；两列（或多列） 波在同一空间传播时，空间各点的振动是各列波在该点产生的振动 的叠加合成。这种波的叠加合成不是简单的代数和，而是矢量和。
同振幅、频率和初位相（具固定位 相关系）的两列（或多列）波（相干波） 的叠加合成而引起振动强度重新分 布的现象称为“干涉现象”。
量密度越大，不同 度
温度的曲线不同。
C. 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。
太阳温度 白炽灯温度
5. 电磁辐射:电磁能量随电磁波的传递过程（包括辐
射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。其传播表现为 光子（或称为量子）组成的粒子流的运动。
6. 电磁波的特性
1) 电磁波是横波
2) 在真空中以光速传播
环境遥感技术及应用02电磁波谱和地物波谱特性
❖ 一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力， 而有些物体如水，对一定波长的电磁波透射能力较强， 特别是对0.45 － 0.56μm的蓝绿光波段，一般水体的 透射深度可达10-20 m，清澈水体可达100 m的深度。
❖ 对于一般不能透过可见光的地面物体，波长5 cm的电磁 波却有透射能力，如超长波的透射能力就很强，可以透
❖ 微波：波长范围为1 mm～1 m，穿透性好，不受云雾
的影响。
2020/5/19
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§2 太阳辐射
太阳辐射：太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳 光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线。
从太阳光谱曲线可以看出：
太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中 0.38 ～ 0.76 µm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 µm左右； 太阳光谱相当于6000 K的黑体辐射； 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； 各20波20/5/1段9 的衰减是不均衡的。
§3 地物的光谱特征
地物反射光谱的特征 地物的反射率 地物的反射光谱 典型地物的光谱曲线
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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，即：
到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透 射能量 • 地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。 • 一般而言，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力， 而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强 ，特别是0. 45-0. 56μm的蓝绿光波段。一般水体的透 射深度可达10-20 m，清澈水体可达100 m的深度。 • 地表吸收太阳辐射后具有约300 K的温度，从而形成自 身的热辐射，其峰值波长为9.66μm，主要集中在长波 ，2即020/56/19μm以上的热红外区段。
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第二章电磁波普与地物波普特征
第一节电磁波与电磁波谱
2.1.1 电磁波与电磁波谱
1．电磁波
一个简单的偶极振子的电路，电流在导线中往复震荡，两端出现正负交替的等量异种电荷，类似电视台的天线，不断向外辐射能量，同时在电路中不断的补充能量，以维持偶极振子的稳定振荡。
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。
2．电磁辐射
电磁场在空间的直接传播称为电磁辐射。
1887年德国物理学家赫兹由两个带电小球的火花放电实验，证实了电磁场在空间的直接传播，验证了电磁辐射的存在。
装载在遥感平台上的遥感器系统，接收来自地表、地球大气物质的电磁辐射，经过成像仪器，形成遥感影象。
3．电磁波谱
γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波（微波、短波、中波、长波和超长波等）在真空中按照波长或频率递增或递减顺序排列，构成了电磁波谱。
目前遥感技术中通常采用的电磁波位于可见光、红外和微波波谱区间。
可见光区间辐射源于原子、分子中的外层电子跃迁。
红外辐射则产生于分子的振动和转动能级跃迁。
无线电波是由电容、电感组成的振荡回路产生电磁辐射，通过偶极子天线向空间发射。
微波由于振荡频率较高，用谐振腔及波导管激励与传输，通过微波天线向空间发射。
由于它们的波长或频率不同，不同电磁波又表现出各自的特性和特点。
可见光、红外和微波遥感，就是利用不同电磁波的特性。
电磁波与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的主要内容。
4．电磁辐射的性质
电磁辐射在传播过程中具有波动性和量子性两重特性。
2.1.2 电磁辐射的传播
电磁辐射通过不同的介质时，其强度、波长、相位、传播方向和偏振面等将发生变化，这些变化可能是单一的，也可能是复合的。
电磁波可以采用频率、相位、能量、极化
等物理参数来描述。
电磁波在传播中遵循波的反射，折射，衍射，干涉，吸收，散射等传播规律。
2.1.3 电磁辐射的测量与度量单位
遥感信息是从遥感器定量记录的地表物体电磁辐射数据中提取的。
为了测量从目标地物反射或辐射的电磁波的能量，这里介绍两种电磁辐射的测量方式和度量单位： 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。
第二节大气对电磁辐射的影响
2.2.1 大气的吸收与散射
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面，经过地面物体反射又返回，再经过大气到达航空或航天遥感平台，被安装在平台上的传感器接收。
这时传感器探测到的地表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，这种变化主要受到大气主要成分影响。
大气主要成分可分为二类：气体分子和其它微粒。
它们对电磁辐射具有吸收与散射作用。
1 大气吸收作用
太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用，吸收作用使辐射能量变成分子的内能，引起这些波段的太阳辐射强度衰减。
2 大气散射作用。
大气中的粒子与细小微粒如烟、尘埃、雾霾、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。
我们把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。
散射现象的实质是电磁波传输中遇到大气微粒产生的一种衍射现象，大气散射有以下三种情况：
（1）瑞利散射。
当大气中粒子的直径小于波长1/10或更小时发生的散射。
（2）米氏散射。
当大气中粒子的直径大于波长1/10到与辐射的波长相当时发生的散射。
（3）无选择性散射。
当大气中粒子的直径大于波长时发生的散射。
这种散射的特点是散射强度与波长无关，任何波长的散射强度相同，因此称为无选择性散射。
大气折射现象电磁波穿过大气层时，除了吸收和散射两种影响以外，还会产生传播方向的改变，产生折射现象。
大气的折射率与大气圈层的大气密度直接相关。
大气透射现象太阳电磁辐射经过大气到达地面时，可见光和近红外波段电磁辐射被云层或其它粒子反射的比例约占30％，散射约占22％，大气吸收约占17％，透过大气到达地面的能量仅占入射总能量的31％。
反射、散射和吸收作用共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。
剩余强度越高，透过率越高。
对遥感传感器而言，透过率高的波段，才对遥感有意义。
辐射传输是电磁辐射与不同介质相互作用的复杂过程。
遥感器，无论是航空器或航天器所载，所接收的电磁辐射都包括来自地面的辐射和来自大气的辐射。
在可见光与近红外波段，遥感器观测方向的目标反射辐射经大气散射和吸收之后进入遥感器视场，这一部分经过大气衰减的能量中含有目标信息。
但由于太阳入射辐射中，有一部分能量在未到达地面之前就被大气散射和吸收了，其中有一部分散射能量进入了遥感器视场，这一部分能量（通常称之为程辐射）中不含有任何目标信息。
另外，由于周围环境的存在，入射到环境表面的辐射被其反射后有一部分经过大气散射后而进入遥感器视场，另一部分又被大气反射到目标表面，再被目标表面反射和大气透过进入遥感器视场。
这样，遥感器对地观测获取的信息中，既包括了目标地物信息，也包括了部分大气信息和地物周围环境的信息，这直接影响到遥感图象解译和定量分析。
为此，多年来研究者一直对辐射传输过程进行研究，建立了辐射传输理论。
辐射传输理论是描述电磁辐射传播通过介质时与介质发生相互作用（如吸收、散射、发射等）而使辐射能按照一定规律传输的规律性知识。
这一规律集中体现在辐射传输方程（表征电磁辐射在介质中传播过程的方程）上。
电磁辐射在地--气系统中传输的过程受到多种因素影响，因此辐射传输方程的求解非常复杂。
为了求得方程解，一般需要对辐射传输方程进行简化。
第三节地物波谱特征
地物的电磁波响应特性随电磁波长改变而变化的规律，称为地物波谱。
地物波谱是电磁辐射与地物相互作用的结果。
不同的物质反射、透射、吸收、散射和发射电磁波的能量是不同的，它们都具有本身特有的变化规律，表现为地物波谱随波长而变的特性，这些特性叫做地物波谱特性。
地物的波谱特征是遥感识别地物的基础。
2.3.1 太阳辐射与地物反射波谱。