第二章 电磁波谱与地物波谱特征
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大气发生的散射主要有三种： 瑞利散射、 米氏散射和非选择性散射。
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
设φ i、θ i分别为入射方向的方 位角和天顶角，φ r、θ r分 别为某一反射方向的方位角 和天顶角。那么方向反射因 子ρ ’可以表示为：
Lr ( r r ) ( i i , r r ) I i ( i i )
'
Ii为某一方向入射辐射的照度；Lr为观察方向的反射 亮度。这些物理量均与方位角和天顶角有关，只有当 朗伯体时才都成为与角度无关的量。
2898 mm K 0.483 mm 6000 K
Blackbody Radiation Curves
Blackbody radiation curves for several objects including the Sun and the Earth which approximate 6,000 K and 300 K blackbodies, respectively. The area
under each curve may be summed to compute the total radiant energy (Ml) exiting each object.
Thus, the Sun produces more radiant exitance than the Earth because its temperature is greater. As the
实际物体反射
Lr ( r r ) ( i i , r r ) I i ( i i )
'
入射辐照度Ii应该由两部分组成: 太阳的直接辐射，是由太阳辐射来的平行光束穿过 大气直接照射地面，其辐照度大小与太阳天顶角 和日地距离有关； 太阳辐射经过大气散射后又漫入射到地面的部分， 因为是从四面八方射入，其辐照度大小与入射角 度无关。
太阳辐射及大气对辐射的影响
大气的吸收作用
O2吸收带 O3吸收带 H2O吸收带 CO2吸收带 尘埃 主要吸收0.76、0.69，1.27，2.53，5.0等 几个窄波段，强度不大 强烈吸收紫外线等短波
主要吸收处在红外和可见光中的红光部分， 强烈吸收中红外光、微波 主要吸收红外区，特别在热红外区 吸收量很小
遥感应用的电磁波波谱段
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。
遥感应用的电磁波波谱段
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。
电磁波与电磁辐射
遥感应用的电磁波波谱段
微波：波长范围为1 mm～1 m，穿透性好， 不受云雾的影响， 可以采用主动或被 动成像的方式。
电磁辐射能量传播时遵循的物理定律
1. Stephen Boltzmann Law 斯忒藩-玻耳兹曼公式
The total emitted radiation (Ml) from a blackbody is proportional to the fourth power of its absolute temperature. This is known as the Stefan-Boltzmann law and is expressed as:
Spectral Bandwidths of Landsat and SPOT Sensor Systems
Jensen 2007
电磁波与电磁辐射
电磁辐射的度量
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 ，单位是 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亮 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，单位是W/M2，S为面积。
电磁波与电磁辐射
电磁辐射的度量
辐射亮度（ L）：假定有一辐射源呈面状，向外辐 射的强度随辐射方向而不同，则 L 定义为辐射源在 某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通 量，即
朗伯源：辐射亮度与观察角无关的辐射源，称为朗 伯源。太阳通常近似地被看作朗伯源。严格地说， 只有绝对黑体才是朗伯源。
第二章 电磁波谱与地物反射波谱特征
主讲老师：刘玉杰 云南大学资环学院区域与资源规划系
主要内容
电磁波与电磁辐射 太阳辐射及大气对辐射的影响 地球辐射及地物反射波谱
一、电磁波与电磁辐射
电磁波的概念和性质 电磁波谱 电磁波的度量
电磁波与电磁辐射
电磁波的概念与性质
振动的传播称为波。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，这种变化的电场和磁场交替产生，以有限速度 由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。
地球表面的太阳辐射 光谱曲线
大气对遥感的影响
海平面处的太阳辐照度曲线与大气层外的曲线有很 大不同，主要是地球大气对太阳辐射的吸收和散射 的结果。 大气对通过的电磁波产生吸收、散射、反射、透射 的特性。这种特性与电磁波波长和大气的成分有关。 大气对经过其中的电磁辐射的吸收、反射、散射对 电磁波具有衰减作用 大气对电磁辐射具有吸收与散射作用， 可见光段：分子散射 紫外、红外与微波区：大气吸收
大气对辐射的吸收
三、地球的辐射及地物波谱
地球辐射 地物波谱 不同电磁波段中地物波谱特性 常见的几种地物类型波谱特征
地球的辐射及地物波谱
地球辐射
地球辐射是地球表面和大气电磁辐射的总称， 是被动辐射的辐射源。
地球辐射的分段特性
地球的辐射及地物波谱
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， 可用于森林火灾监测。 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。
太阳辐射及大气对辐射的影响
大气的散射作用
1. 散射是指电磁波与物质相互作用后，偏离了原来的 传播方向。 2. 大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。 对遥感来说，降低了传感器接收数据的质量，造成 遥感图像模糊不清，影响判读。 散射主要发生在在太阳辐射能量最强可见光区。 散射的类型与强弱和波长密切相关。
temperature of an object increases, its dominant wavelength (lmax ) shifts toward the shorter wavelengths of the spectrum.
二、太阳辐射及大气对辐射的影响
太阳辐射 大气成分 大气吸收和散射作用 大气窗口
太阳辐射及大气对辐射的影响
大气成分
大气主要由气体 分子、悬浮的 微粒、水蒸气、 水滴等组成。 –气体分子称为不变成 分（N2，O2，CO2， CO，CH4，O3） –其它微粒称为可变成 分(水汽\气溶胶\ 尘埃其他粒子等)
太阳辐射及大气对辐射的影响
大气的吸收作用
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，引起这 些波段的太阳辐射强度 衰减。
太阳辐射及大气对辐射的影响
太阳光谱曲线的特点
太阳辐射的光谱是连续的，它的辐射特性与绝对 黑体的辐射特性基本一致。 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较稳定。在X射线、射线、 远紫外及微波波段，能量小但变化大。 被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射。
太阳辐射及大气对辐射的影响
电磁波与电磁辐射
电磁辐射的度量
辐射通亮密度又分为辐照度（I）与辐射出射度（M）， 两者都与波长λ有关。 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，单位是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，单位是W/M2，S为面积。
lmax
k T
where k is a constant equaling 2898 mm K, and T is the absolute temperature in kelvin. Therefore, as the Sun approximates a 6000 K blackbody, its dominant wavelength (lmax ) is 0.48 mm:
电磁波
电磁波与电磁辐射
电磁波的性质
1. 电磁波是横波；其不需要传播介质，在真空中以光速 传播； 2. 在传播过程中具有波动性和粒子性两重特性；电磁波 在传播中 遵循波的反射，折射，吸收，散射，衍射， 干涉和偏振等传播规律。描述电磁波的物理量有波长、 频率、振幅、位相等； 3. 满足方程：fλ= c，E= hf （其中，E是能量，f是频率，c是光速，h是普朗克常数， 6.626×10-34 J/S）；
M l T
4
where is the Stefan-Boltzmann constant, 5.6697 x 10 -8 W m-2 K -4. Thus, the amount of energy emitted by an object such as the Sun or the Earth is a function of its temperature.
太阳辐射及大气对辐射的影响
TM 6波段
Panchromatic
Black and White Infrared
Tivoli North Bay on the Hudson River, NY
Jensen, 2007
地物反射波谱特征
太阳辐射到达地面后，物体除了反射作用外，还有对 电磁辐射的吸收作用，如黑色物体的吸收能力较强。 最后，电磁辐射未被吸收和反射的其余部分则是透 过的部分，即 到达地面的太阳辐射能量= 反射能量+吸收能量+透射能量 在物体反射、吸收、透射等物理性质中，使用最普遍 最常用的仍是反射这一性质，也是本节的主要内容。
波长与频率的反比关系
电磁波与电磁辐射
电磁波谱
1. 各种电磁波在真空中按照波长递增（或频率递减） 顺序排列，构成了电磁波谱。 电磁波谱区段的界线是渐变的。一般按照产生电 磁波的方法或测量电磁波的方法来划分。 2. 不同波长或频率电磁波差别很大：传播的方向性、 穿透性、可见性、颜色不同，但也有共同性：在 真空（或空气中）中传播速度相同，遵守相同的 反射、折射、透射、吸收和散射定律。
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
设φ i、θ i分别为入射方向的方 位角和天顶角，φ r、θ r分 别为某一反射方向的方位角 和天顶角。那么方向反射因 子ρ ’可以表示为：
Lr ( r r ) ( i i , r r ) I i ( i i )
'
Ii为某一方向入射辐射的照度；Lr为观察方向的反射 亮度。这些物理量均与方位角和天顶角有关，只有当 朗伯体时才都成为与角度无关的量。
2898 mm K 0.483 mm 6000 K
Blackbody Radiation Curves
Blackbody radiation curves for several objects including the Sun and the Earth which approximate 6,000 K and 300 K blackbodies, respectively. The area
under each curve may be summed to compute the total radiant energy (Ml) exiting each object.
Thus, the Sun produces more radiant exitance than the Earth because its temperature is greater. As the
实际物体反射
Lr ( r r ) ( i i , r r ) I i ( i i )
'
入射辐照度Ii应该由两部分组成: 太阳的直接辐射，是由太阳辐射来的平行光束穿过 大气直接照射地面，其辐照度大小与太阳天顶角 和日地距离有关； 太阳辐射经过大气散射后又漫入射到地面的部分， 因为是从四面八方射入，其辐照度大小与入射角 度无关。
太阳辐射及大气对辐射的影响
大气的吸收作用
O2吸收带 O3吸收带 H2O吸收带 CO2吸收带 尘埃 主要吸收0.76、0.69，1.27，2.53，5.0等 几个窄波段，强度不大 强烈吸收紫外线等短波
主要吸收处在红外和可见光中的红光部分， 强烈吸收中红外光、微波 主要吸收红外区，特别在热红外区 吸收量很小
遥感应用的电磁波波谱段
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。
遥感应用的电磁波波谱段
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。
电磁波与电磁辐射
遥感应用的电磁波波谱段
微波：波长范围为1 mm～1 m，穿透性好， 不受云雾的影响， 可以采用主动或被 动成像的方式。
电磁辐射能量传播时遵循的物理定律
1. Stephen Boltzmann Law 斯忒藩-玻耳兹曼公式
The total emitted radiation (Ml) from a blackbody is proportional to the fourth power of its absolute temperature. This is known as the Stefan-Boltzmann law and is expressed as:
Spectral Bandwidths of Landsat and SPOT Sensor Systems
Jensen 2007
电磁波与电磁辐射
电磁辐射的度量
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 ，单位是 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亮 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，单位是W/M2，S为面积。
电磁波与电磁辐射
电磁辐射的度量
辐射亮度（ L）：假定有一辐射源呈面状，向外辐 射的强度随辐射方向而不同，则 L 定义为辐射源在 某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通 量，即
朗伯源：辐射亮度与观察角无关的辐射源，称为朗 伯源。太阳通常近似地被看作朗伯源。严格地说， 只有绝对黑体才是朗伯源。
第二章 电磁波谱与地物反射波谱特征
主讲老师：刘玉杰 云南大学资环学院区域与资源规划系
主要内容
电磁波与电磁辐射 太阳辐射及大气对辐射的影响 地球辐射及地物反射波谱
一、电磁波与电磁辐射
电磁波的概念和性质 电磁波谱 电磁波的度量
电磁波与电磁辐射
电磁波的概念与性质
振动的传播称为波。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，这种变化的电场和磁场交替产生，以有限速度 由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。
地球表面的太阳辐射 光谱曲线
大气对遥感的影响
海平面处的太阳辐照度曲线与大气层外的曲线有很 大不同，主要是地球大气对太阳辐射的吸收和散射 的结果。 大气对通过的电磁波产生吸收、散射、反射、透射 的特性。这种特性与电磁波波长和大气的成分有关。 大气对经过其中的电磁辐射的吸收、反射、散射对 电磁波具有衰减作用 大气对电磁辐射具有吸收与散射作用， 可见光段：分子散射 紫外、红外与微波区：大气吸收
大气对辐射的吸收
三、地球的辐射及地物波谱
地球辐射 地物波谱 不同电磁波段中地物波谱特性 常见的几种地物类型波谱特征
地球的辐射及地物波谱
地球辐射
地球辐射是地球表面和大气电磁辐射的总称， 是被动辐射的辐射源。
地球辐射的分段特性
地球的辐射及地物波谱
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， 可用于森林火灾监测。 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。
太阳辐射及大气对辐射的影响
大气的散射作用
1. 散射是指电磁波与物质相互作用后，偏离了原来的 传播方向。 2. 大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。 对遥感来说，降低了传感器接收数据的质量，造成 遥感图像模糊不清，影响判读。 散射主要发生在在太阳辐射能量最强可见光区。 散射的类型与强弱和波长密切相关。
temperature of an object increases, its dominant wavelength (lmax ) shifts toward the shorter wavelengths of the spectrum.
二、太阳辐射及大气对辐射的影响
太阳辐射 大气成分 大气吸收和散射作用 大气窗口
太阳辐射及大气对辐射的影响
大气成分
大气主要由气体 分子、悬浮的 微粒、水蒸气、 水滴等组成。 –气体分子称为不变成 分（N2，O2，CO2， CO，CH4，O3） –其它微粒称为可变成 分(水汽\气溶胶\ 尘埃其他粒子等)
太阳辐射及大气对辐射的影响
大气的吸收作用
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，引起这 些波段的太阳辐射强度 衰减。
太阳辐射及大气对辐射的影响
太阳光谱曲线的特点
太阳辐射的光谱是连续的，它的辐射特性与绝对 黑体的辐射特性基本一致。 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较稳定。在X射线、射线、 远紫外及微波波段，能量小但变化大。 被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射。
太阳辐射及大气对辐射的影响
电磁波与电磁辐射
电磁辐射的度量
辐射通亮密度又分为辐照度（I）与辐射出射度（M）， 两者都与波长λ有关。 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，单位是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，单位是W/M2，S为面积。
lmax
k T
where k is a constant equaling 2898 mm K, and T is the absolute temperature in kelvin. Therefore, as the Sun approximates a 6000 K blackbody, its dominant wavelength (lmax ) is 0.48 mm:
电磁波
电磁波与电磁辐射
电磁波的性质
1. 电磁波是横波；其不需要传播介质，在真空中以光速 传播； 2. 在传播过程中具有波动性和粒子性两重特性；电磁波 在传播中 遵循波的反射，折射，吸收，散射，衍射， 干涉和偏振等传播规律。描述电磁波的物理量有波长、 频率、振幅、位相等； 3. 满足方程：fλ= c，E= hf （其中，E是能量，f是频率，c是光速，h是普朗克常数， 6.626×10-34 J/S）；
M l T
4
where is the Stefan-Boltzmann constant, 5.6697 x 10 -8 W m-2 K -4. Thus, the amount of energy emitted by an object such as the Sun or the Earth is a function of its temperature.
太阳辐射及大气对辐射的影响
TM 6波段
Panchromatic
Black and White Infrared
Tivoli North Bay on the Hudson River, NY
Jensen, 2007
地物反射波谱特征
太阳辐射到达地面后，物体除了反射作用外，还有对 电磁辐射的吸收作用，如黑色物体的吸收能力较强。 最后，电磁辐射未被吸收和反射的其余部分则是透 过的部分，即 到达地面的太阳辐射能量= 反射能量+吸收能量+透射能量 在物体反射、吸收、透射等物理性质中，使用最普遍 最常用的仍是反射这一性质，也是本节的主要内容。
波长与频率的反比关系
电磁波与电磁辐射
电磁波谱
1. 各种电磁波在真空中按照波长递增（或频率递减） 顺序排列，构成了电磁波谱。 电磁波谱区段的界线是渐变的。一般按照产生电 磁波的方法或测量电磁波的方法来划分。 2. 不同波长或频率电磁波差别很大：传播的方向性、 穿透性、可见性、颜色不同，但也有共同性：在 真空（或空气中）中传播速度相同，遵守相同的 反射、折射、透射、吸收和散射定律。