02遥感物理基础
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辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能量
总辐射通量：各波段辐射通量之和或辐射通量的 积分值
(3)维恩位移定律 随着温度的升高，辐射最大值对应
的峰值波长向短波方向移动。
max •T b
b=2897±0.4m ·k
温度 300 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 波长 9.66 5.80 2.90 1.45 0.97 0.72 0.58 0.48 0.41
四、大气窗口
1、大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收或 散射的透射率较高的电磁辐射波段。
大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。
常见的大气窗口
0.3～1.3μm 紫外 可见 近红外 1.5～1.8μm和2.0～3.5μm 近红外、中红外 3.5～5.5μm 中红外 8～14μm 远红外 0.8～2.5cm 微波
2kT
W() 2
k波尔兹曼常数
4）微波波段与红外波段发射率的比较
1.2 1
0.8 0.6 0.4 0.2
0 λ=4μm λ=10μm
λ=3mm
λ=3cm
水 干沙 混凝土
结论：一些在红外波段不容易识别的 地物，在微波波段中则容易识别。
6、地物的发射光谱
① 发射光谱：地物的发射率随波长变 化的规律。
② 发射光谱曲线：按照发射率和波长 之间的关系绘成的曲线。
三、地物的透射光谱特性
透射率：入射光透射过地物的能量与入射 总能量的百分比。
透射率随着电磁波的波长和地物的性质而 不同。
可见光、红外、微波的透射能力
2.3 大气和环境对遥感的影响
大气的成分和结构 大气对太阳辐射的影响 大气窗口 环境对地物光谱特性的影响
三、电磁辐射源
1. 自然辐射源 ➢ 地球的电磁辐射：
小于2.5μm的波长主要是太阳辐射的 能量；大于6μm的波长，主要是地物 本身的热辐射；2.5-6μm之间，太阳 和地球的热辐射都要考虑。
2. 人工辐射源
主动式遥感的辐射源,被称为 雷 达探测;分为微波雷达和激光雷达。
微波辐射源：0.8-30cm、优点
一、大气的成分
大气的传输特性：大气对电磁波的吸收、 散射和透射的特性。这种特性与电磁波波 长、大气的成分和环境的变化有关。
大气的成分：多种气体、固态和液态悬浮 的微粒混合组成的。
大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐 射衰减的重要原因。
二、大气的结构
大气的垂直分层：对流层、平流层、中间层、 热层和大气外层。
植被、 土壤、水体、岩石的光谱曲线
3) 同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差 异性。不同植物；植物病虫害
4) 地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。
时间特性
空间特性
5) 同物异谱，异物同谱
课下阅读课本41页2.3.4 地物波谱特性的测量
二、地物的发射光谱特性
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。 2. 黑体辐射(Black Body Radiation )：黑体 的热辐射称为黑体辐射。
入射电磁波的波长 入射角的大小 地表颜色与粗糙度
地物的反射率总是小于等于1
2. 地物的反射光谱：地物的反射率随入射波 长变化的规律。
1) 地物反射光谱曲线：根据地物反射率与 波长之间的关系而绘成的曲线。地物电 磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性 质的基本原理。
2) 不同地物在不同波段反射率存在差异：
大气的透射率 透射率与路程、大气的吸收、散射有关。
1.大气的吸收作用
A. 氧气：小于0.2 μm；0.155为峰值。高空遥 感很少使用紫外波段的原因。
B. 臭氧：数量极少，但吸收很强。对航空遥感 影响不大。0.2-0.36 μm, 0.6 μm
C. 水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都 是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光 的红光部分。因此，水气对红外遥感有极大 的影响。
4、实际物体的辐射
1) 地物发射率：地物的辐射出射度（单位面积
上发出的辐射总通量）W与同温下的黑体辐
射出射度W黑的比值。它也是遥感探测的基础
和出发点。 影响地物发射率的因素：
W W黑
地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯
量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作
用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。
得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件 的波段中，任何波段的散射强度相同。
➢ 水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选 择性散射。
➢ 云雾为什么通常呈现白色？
结论
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。 微波为何穿云透雾？
三种散射作用
1）瑞利散射：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，因此，瑞利散射 的强度随着波长变短而迅速增大。
➢ 瑞利散射的影响：对可见光的影响 ，对红外 辐射的影响 ，对微波的影响 。
较大，很小，可以不计 ➢ 在微波波段
一般发生瑞利散射，但强度甚小。
3、黑体辐射定律
(1)普朗克热辐射定律
表示出了黑体辐射出射度与温度的关系以
及按波长分布的规律。
M(、 T)2h5c2ech/1kT1
P19
辐射出射度：辐射源物体表面 在单位时间内，从单位面积上 辐射出的辐射能量
黑体辐射的三个特性
ห้องสมุดไป่ตู้
A. 辐射出射度随波长连 续变化，每条曲线只 有一个最大值。
B. 温度越高，辐射出射
➢无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？ ➢朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？ ➢多波段遥感中一般不用蓝紫光，为何？
2. 米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时
的大气散射。
➢ 云、雾的粒子大小与红外线的波长（0.76-15 μm ）接近，所以云雾对红外线的米氏散射 不可忽视。
3. 无选择性散射：当微粒的直径比辐射波长大
1. 对流层 ：航空遥感活动区。遥感侧重研究电 磁波在该层内的传输特性。
2. 平流层：较为微弱。 3. 中间层：温度随高度增加而递减。 4. 热层：增温层。电离层。卫星的运行空间。 5. 大气外层：1000公里以外的星际空间。
三、大气对太阳辐射的影响
太阳辐射的衰减过程： 30%被云层反射回宇宙空间；17%被大 气吸收；22%被大气散射；31%到达地 面。
激光辐射源：激光雷达—测定卫星 的位置、高度、速度、测量地形等。
2.2 地物的光谱特性
❖地物的反射光谱特性 ❖地物的发射光谱特性 ❖地物的透射光谱特性
一、地物的反射光谱特性
1. 地物的反射率（反射系数或亮度系数）：
地物对某一波段的反射能量与入射能量之 比。反射率随入射波长而变化。 ➢ 影响地物反射率大小的因素：
D. 二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。 可以忽略不计。
2.大气的散射作用
散射作用：太阳辐射在长波过程中遇到小微 粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。 改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接 收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影 响判读。
大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见 光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原 因。
五、环境对地物光谱特性的影响
1. 地物的物理性状 2. 光源的辐射强度：
纬度与海拔高度 3. 季节：太阳高度角
不同 4. 探测时间：时间不
同，反射率不同。 5. 气象条件
谢谢大家！
度越大，不同温度的
辐 射
曲线是不相交的。
出 射
度
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。
(2)斯忒藩-玻耳兹曼定律 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 红外装置测定温度的理论基础。
W 0 02h 5c2ech/1kT1dT4
三、电磁辐射源
1. 自然辐射源
➢ 太阳辐射：太阳是被动遥感主要的辐射源，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。
太阳辐射的能量主要集中在可见光和近红外，其 中0.38 - 0.76 µm的可见光能量占太阳辐射总能量 的43.5%，最大辐射强度位于波长0.47 µm左右； 到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 -3.0 µm波段， 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。
W W 黑 W 黑 T4
红外遥感的理论依据
5、黑体的微波辐射
1) 任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红 外辐射，也发射微波辐射。二者基本相似。 但微波是地物低温状态下的重要辐射特性， 温度越低，微波辐射越明显。
2) 微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以 经过处理来接收。
3) 瑞里—金斯公式
黑体辐射的微波功率与温度成正比，与 波长的平方成反比。
是遥感最常用的波段。 ➢ 红外线(IR) ：0.76-1000 μm。近红外0.76-3.0 μm;
中红外3.0-6.0 μm；远红外6.0-15.0 μm；超远红外 15-1000 μm。（近红外又称光红外或反射红外；中红 外和远红外又称热红外。） ➢ 微波：1mm-1m。全天时、全天候遥感；有主动与被 动之分；具有穿透能力；发展潜力大。
按照发射率与波长的关系，把地物分为：
➢ 黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。 ➢ 灰体(grey body)：发射率小于1，常数 ➢ 选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。
2) 基尔霍夫定律： 3) 在一定温度下，地物单位面积上的辐射
通量W和吸收率之比，对于任何物体都是 一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐 射通量W黑。
❖ 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。
二、电磁波谱
1. 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。
电磁波谱示图
2、遥感常用的电磁波波段的特性
➢ 紫外线：0.01-0.38μm，碳酸盐岩分布、水面油污染。 ➢ 可见光：0.38-0.76 μm，鉴别物质特征的主要波段；
总辐射通量：各波段辐射通量之和或辐射通量的 积分值
(3)维恩位移定律 随着温度的升高，辐射最大值对应
的峰值波长向短波方向移动。
max •T b
b=2897±0.4m ·k
温度 300 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 波长 9.66 5.80 2.90 1.45 0.97 0.72 0.58 0.48 0.41
四、大气窗口
1、大气窗口：通过大气而较少被反射、吸收或 散射的透射率较高的电磁辐射波段。
大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。
常见的大气窗口
0.3～1.3μm 紫外 可见 近红外 1.5～1.8μm和2.0～3.5μm 近红外、中红外 3.5～5.5μm 中红外 8～14μm 远红外 0.8～2.5cm 微波
2kT
W() 2
k波尔兹曼常数
4）微波波段与红外波段发射率的比较
1.2 1
0.8 0.6 0.4 0.2
0 λ=4μm λ=10μm
λ=3mm
λ=3cm
水 干沙 混凝土
结论：一些在红外波段不容易识别的 地物，在微波波段中则容易识别。
6、地物的发射光谱
① 发射光谱：地物的发射率随波长变 化的规律。
② 发射光谱曲线：按照发射率和波长 之间的关系绘成的曲线。
三、地物的透射光谱特性
透射率：入射光透射过地物的能量与入射 总能量的百分比。
透射率随着电磁波的波长和地物的性质而 不同。
可见光、红外、微波的透射能力
2.3 大气和环境对遥感的影响
大气的成分和结构 大气对太阳辐射的影响 大气窗口 环境对地物光谱特性的影响
三、电磁辐射源
1. 自然辐射源 ➢ 地球的电磁辐射：
小于2.5μm的波长主要是太阳辐射的 能量；大于6μm的波长，主要是地物 本身的热辐射；2.5-6μm之间，太阳 和地球的热辐射都要考虑。
2. 人工辐射源
主动式遥感的辐射源,被称为 雷 达探测;分为微波雷达和激光雷达。
微波辐射源：0.8-30cm、优点
一、大气的成分
大气的传输特性：大气对电磁波的吸收、 散射和透射的特性。这种特性与电磁波波 长、大气的成分和环境的变化有关。
大气的成分：多种气体、固态和液态悬浮 的微粒混合组成的。
大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐 射衰减的重要原因。
二、大气的结构
大气的垂直分层：对流层、平流层、中间层、 热层和大气外层。
植被、 土壤、水体、岩石的光谱曲线
3) 同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差 异性。不同植物；植物病虫害
4) 地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。
时间特性
空间特性
5) 同物异谱，异物同谱
课下阅读课本41页2.3.4 地物波谱特性的测量
二、地物的发射光谱特性
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。 2. 黑体辐射(Black Body Radiation )：黑体 的热辐射称为黑体辐射。
入射电磁波的波长 入射角的大小 地表颜色与粗糙度
地物的反射率总是小于等于1
2. 地物的反射光谱：地物的反射率随入射波 长变化的规律。
1) 地物反射光谱曲线：根据地物反射率与 波长之间的关系而绘成的曲线。地物电 磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性 质的基本原理。
2) 不同地物在不同波段反射率存在差异：
大气的透射率 透射率与路程、大气的吸收、散射有关。
1.大气的吸收作用
A. 氧气：小于0.2 μm；0.155为峰值。高空遥 感很少使用紫外波段的原因。
B. 臭氧：数量极少，但吸收很强。对航空遥感 影响不大。0.2-0.36 μm, 0.6 μm
C. 水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都 是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光 的红光部分。因此，水气对红外遥感有极大 的影响。
4、实际物体的辐射
1) 地物发射率：地物的辐射出射度（单位面积
上发出的辐射总通量）W与同温下的黑体辐
射出射度W黑的比值。它也是遥感探测的基础
和出发点。 影响地物发射率的因素：
W W黑
地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯
量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作
用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。
得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件 的波段中，任何波段的散射强度相同。
➢ 水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选 择性散射。
➢ 云雾为什么通常呈现白色？
结论
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。 微波为何穿云透雾？
三种散射作用
1）瑞利散射：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，因此，瑞利散射 的强度随着波长变短而迅速增大。
➢ 瑞利散射的影响：对可见光的影响 ，对红外 辐射的影响 ，对微波的影响 。
较大，很小，可以不计 ➢ 在微波波段
一般发生瑞利散射，但强度甚小。
3、黑体辐射定律
(1)普朗克热辐射定律
表示出了黑体辐射出射度与温度的关系以
及按波长分布的规律。
M(、 T)2h5c2ech/1kT1
P19
辐射出射度：辐射源物体表面 在单位时间内，从单位面积上 辐射出的辐射能量
黑体辐射的三个特性
ห้องสมุดไป่ตู้
A. 辐射出射度随波长连 续变化，每条曲线只 有一个最大值。
B. 温度越高，辐射出射
➢无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？ ➢朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？ ➢多波段遥感中一般不用蓝紫光，为何？
2. 米氏散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时
的大气散射。
➢ 云、雾的粒子大小与红外线的波长（0.76-15 μm ）接近，所以云雾对红外线的米氏散射 不可忽视。
3. 无选择性散射：当微粒的直径比辐射波长大
1. 对流层 ：航空遥感活动区。遥感侧重研究电 磁波在该层内的传输特性。
2. 平流层：较为微弱。 3. 中间层：温度随高度增加而递减。 4. 热层：增温层。电离层。卫星的运行空间。 5. 大气外层：1000公里以外的星际空间。
三、大气对太阳辐射的影响
太阳辐射的衰减过程： 30%被云层反射回宇宙空间；17%被大 气吸收；22%被大气散射；31%到达地 面。
激光辐射源：激光雷达—测定卫星 的位置、高度、速度、测量地形等。
2.2 地物的光谱特性
❖地物的反射光谱特性 ❖地物的发射光谱特性 ❖地物的透射光谱特性
一、地物的反射光谱特性
1. 地物的反射率（反射系数或亮度系数）：
地物对某一波段的反射能量与入射能量之 比。反射率随入射波长而变化。 ➢ 影响地物反射率大小的因素：
D. 二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。 可以忽略不计。
2.大气的散射作用
散射作用：太阳辐射在长波过程中遇到小微 粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。 改变了电磁波的传播方向；干扰传感器的接 收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影 响判读。
大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见 光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原 因。
五、环境对地物光谱特性的影响
1. 地物的物理性状 2. 光源的辐射强度：
纬度与海拔高度 3. 季节：太阳高度角
不同 4. 探测时间：时间不
同，反射率不同。 5. 气象条件
谢谢大家！
度越大，不同温度的
辐 射
曲线是不相交的。
出 射
度
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。
(2)斯忒藩-玻耳兹曼定律 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 红外装置测定温度的理论基础。
W 0 02h 5c2ech/1kT1dT4
三、电磁辐射源
1. 自然辐射源
➢ 太阳辐射：太阳是被动遥感主要的辐射源，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。
太阳辐射的能量主要集中在可见光和近红外，其 中0.38 - 0.76 µm的可见光能量占太阳辐射总能量 的43.5%，最大辐射强度位于波长0.47 µm左右； 到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 -3.0 µm波段， 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。
W W 黑 W 黑 T4
红外遥感的理论依据
5、黑体的微波辐射
1) 任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红 外辐射，也发射微波辐射。二者基本相似。 但微波是地物低温状态下的重要辐射特性， 温度越低，微波辐射越明显。
2) 微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以 经过处理来接收。
3) 瑞里—金斯公式
黑体辐射的微波功率与温度成正比，与 波长的平方成反比。
是遥感最常用的波段。 ➢ 红外线(IR) ：0.76-1000 μm。近红外0.76-3.0 μm;
中红外3.0-6.0 μm；远红外6.0-15.0 μm；超远红外 15-1000 μm。（近红外又称光红外或反射红外；中红 外和远红外又称热红外。） ➢ 微波：1mm-1m。全天时、全天候遥感；有主动与被 动之分；具有穿透能力；发展潜力大。
按照发射率与波长的关系，把地物分为：
➢ 黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。 ➢ 灰体(grey body)：发射率小于1，常数 ➢ 选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。
2) 基尔霍夫定律： 3) 在一定温度下，地物单位面积上的辐射
通量W和吸收率之比，对于任何物体都是 一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐 射通量W黑。
❖ 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。
二、电磁波谱
1. 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。
电磁波谱示图
2、遥感常用的电磁波波段的特性
➢ 紫外线：0.01-0.38μm，碳酸盐岩分布、水面油污染。 ➢ 可见光：0.38-0.76 μm，鉴别物质特征的主要波段；