第二章 遥感物理基础
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第2章 遥感的物理基础
散射的类型
dp << l dp =l Rayleigh scattering Sr 瑞利散射 Mie scattering Sm 米氏散射
Non-selective scattering Sn dp >> l 非选择性散射
1 瑞利（Rayleigh） 散射
质点的直径 d << λ(电磁波波长)时，一般认为
电磁波的传输满足：
v c
1 ， 1
其中，ε为物质的介电常数，μ为物质的磁导率。
E=h*f
其中h为普朗克常数
2.1.1.2 电磁波的性质
1） 不需要传播介质 2） 横波：质点振动方向与波的传播方向垂直 3） 波动性：电磁波传播到气体、液体、固体介质时，会 发生反射、折射、吸收、透射等现象 4） 粒子性：传播过程中，若碰到会发生散射现象， 从而引起电磁波的强度、方向等发生改变。 5） 叠加原理（干涉Interference和衍射Diffraction）： 两列以上的波在同一空间传播时，空间质点的振动表 现为各单列波质点振动的矢量合成。 6） 偏振(Polarization)（遥感器的几何图象分辨率，波 长越长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）
透射率（τλ） ：入射光透过物体的能量与入射总能 量之比。 举例：
1）水体在蓝绿波段，混水1-2米，一般水体10-20米。
2）微波对地物具有明显的透射能力，由入射波的波长 决定。
3 地物的反射光谱
反射率：物体反射的辐射能量占总入射能 量的百分比 地物反射光谱曲线：是指地物的反射率随 波长的变化而变化的曲线图。通常用平面 坐标曲线表示，横坐标表示波长λ，纵坐 标表示反射率ρ。
当质点直径大于电磁波波长时（d >λ）, 散射率
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。
遥感的物理基础简
折射现象：电磁波传过大气层时出现传播方向的改变，大气密度越大，折射率越大。
01
反射现象：电磁波在传播过程中，通过两种介质的交界面时会出现反射现象，反射现象出要出现在云顶（云造成的噪声）。
02
大气窗口
太阳辐射经过大气传输时，反射，吸收和散射共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。
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。
了解地球辐射的分段特性的意义
可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反射特性。 中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射的信息，也有地球自身的热辐射的信息。 热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐射特性。
BACK
地物波谱的特性 地物波谱
01
03
02
STEP3
STEP2
STEP1
可见光和近红外波段：主要表现地物反射作用和地物的吸收作用。（树叶苍翠欲滴、水下温度）
热红外波段：主要表现地物热辐射作用。（热红外灵敏遥感器夜间成像河流为亮色条带，但热红外白天成像河流为暗色条带）
微波波段：主动遥感利用地物后向散射；被动遥感利用地物微波辐射。
不同电磁波段中地物波谱特性
地物反射
可见光和近红外波段地物波谱特征——地物反射波谱特征
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。 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。 地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。
遥感的物理基础1
❖ 大气气体的：成分N：2，多O种2，气体H2、O固，态C和O液2，态C悬O浮，的C微H4，
粒混合组成的。
O3
大减气气的溶重物胶要质原与因太。阳辐射相互作用，是太阳辐射衰
❖ 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）。
（3）大气结构
大气厚度约为1000km,从地面到大气上界， 可垂直分为4层：
➢ 对流层：高度在7～12 km,温度随高度而降低，空气明显垂 直对流，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。上界随纬 度和季节而变化。
➢ 平流层：高度在12～50 km，没有对流和天气现象。底部 为同温层（航空遥感活动层），同温层以上为暖层，温度由 于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。
➢ 电离层：高度在50～1 000 km，大气中的O2、N2受紫外 线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。
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。
第二节 太阳辐射及大气对辐射的影响
(1) 太阳辐射 (2) 大气作用 大气的成分与结构 大气吸收 大气散射 大气窗口 大气透射的定量分析
分析结果、图表 输出
接收 预处 理
用户应用 处理
（1）太阳辐射
太阳辐射：太阳是被动遥感主要的辐射源，又叫太
☆ 辐射能量（W）：电磁辐射的能量。 ☆ 辐射通量（Φ ）：单位时间内通过某一面积的
辐射能量。 ☆ 辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上
的辐射通量。 ☆ 辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积
上的辐射通量。
❖I为物体接收的辐射，M为物体发出的辐射。
22
四、黑体辐射
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。
遥感的物理基础
• Named for Swedish Astronomer who first named these wavelengths
• 1 nanometer = 10 Ao
Language of the Energy Cycle: The Electromagnetic Spectrum
Wavelength l
遥感原理
影响地物发射率的因素：
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
有之保发温射作 率用 就的 小地 。物，一般WWW发W黑黑射率大，反
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。
2. 平流层：较为微弱。 3. 电离层：（中间层、热层散
辐射亮度
L 2(3) Φ / A Ω ( λ)
瓦/米²•球面度 (W/m² • Sr)
遥感原理
四、黑体辐射
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，对任何波长的电磁 辐射都全部吸收,则 这个物体是绝对黑体 。 2. 黑体辐射(Black Body Radiation )：黑体的 热辐射称为黑体辐射。黑色烟煤 恒星太阳
由振源发出的电磁振荡在空气中传播。
遥感原理
4. 电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原
理
5. 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。
遥感原理
6.
电磁波的特性
电磁波是横波
在真空中以光速传播
满足：频率与波长的乘积是光速
能量等于普朗克常数h与频率f的 乘积
• 1 nanometer = 10 Ao
Language of the Energy Cycle: The Electromagnetic Spectrum
Wavelength l
遥感原理
影响地物发射率的因素：
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
有之保发温射作 率用 就的 小地 。物，一般WWW发W黑黑射率大，反
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。
2. 平流层：较为微弱。 3. 电离层：（中间层、热层散
辐射亮度
L 2(3) Φ / A Ω ( λ)
瓦/米²•球面度 (W/m² • Sr)
遥感原理
四、黑体辐射
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，对任何波长的电磁 辐射都全部吸收,则 这个物体是绝对黑体 。 2. 黑体辐射(Black Body Radiation )：黑体的 热辐射称为黑体辐射。黑色烟煤 恒星太阳
由振源发出的电磁振荡在空气中传播。
遥感原理
4. 电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的：原
理
5. 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。
遥感原理
6.
电磁波的特性
电磁波是横波
在真空中以光速传播
满足：频率与波长的乘积是光速
能量等于普朗克常数h与频率f的 乘积
遥感物理基础电磁波与电磁波谱
第二章遥感物理基础遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。
由于不同物体具有各自的电磁波反射或辐射特性，才可能应用遥感技术探测和研究远距离的物体。
理解并掌握地物的电磁波发射、反射、散射特性，电磁波的传输特性，大气层对电磁波传播的影响是正确解释遥感数据的基础。
本章重点是掌握可见光近红外、热红外和微波遥感机理，以及地物波谱特征。
图2-1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，形成遥感影像。
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。
图2-2电磁辐射的性质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。
CH2 遥感的物理基础
μm；中红外 μm ；中红外3.0 3.0-6.0μm 6.0μm；远红外 ；远红外6.0 6.0-15.0μm； 15.0μm； 超远红外15超远红外15 -1000μm 1000μm。 。 近红外又称光红外或反射红外（ 近红外又称光红外或反射红外（主要是地表面反 主要是地表面反 射太阳的红外辐射） 射太阳的红外辐射）：在遥感技术中采用摄影方 射太阳的红外辐射 ） 在遥感技术中采用摄影方 ）：在遥感技术中采用摄影方 式和扫描方式，接收和记录地物对太阳辐射的红 外反射；其中摄影方式只能感测0.76 外反射；其中摄影方式只能感测 0.76-1.3μm 1.3μm波长 波长 范围，近红外也是遥感的常用波段 范围， 近红外也是遥感的常用波段。 。 中红外、远红外、超远红外又称热红外：
射线。
电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。
The Electromagnetic Spectrum
More than meets the eye!
电磁波谱
2、遥感常用的电磁波波段的特性
名称 紫外线 可见光 红 外 线 近红外 中红外 远红外 毫米波 厘米波 分米波 波长范围 0.01-0.4μm 0.4-0.76μm 0 76-3 0.76 3.0μm 0μm 3-6μm 6-15μm 1-10mm 1-10cm 10cm-1m 可见光 波长范围 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红 0.40-0.43μm 0 43-0 0.43 0.47μm 47μm 0.47-0.50μm 0.50-0.56μm 0.56-0.59μm 0.59-0.62μm 0.62-0.76μm
Sun at 6000K; peak emission at 0.5 m
太阳辐射涵盖了很宽的波长范围，包括γ射线、 太阳辐射涵盖了很宽的波长范围，包括γ 紫外线、红外线、微波及无线电波。太阳辐射 能集中在0.3 能集中在 0.3-3μm，峰值位于波长 3μm，峰值位于波长0.47μm 0.47μm, ,其 中大部分集中在0.4 中大部分集中在 0.4-0.76μm 0.76μm之间的可见光波 之间的可见光波 段，所以一般称太阳辐射为短波辐射。
第二章：遥感物理基础
⑤ 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
Application and Theory of Remote Sensing
Chp2:Physical Basis of RS
Co ncept o f Radiant Flux Density
Rad ian t flux,
Application and Theory of Remote Sensing
Chp2:Physical Basis of RS
能量传播的三种方式：
传导（Conduction） 对流（Convection） 通过直接接触来传递分子或原子 的运动能量 物体的能量通过物体的物理运动 将能量从一个地方传递到另一个 地方。
Chp2:Physical Basis of RS
2.大气对辐射的吸收( Absorption )作用
• 特定的气体吸收特定的波长，如 Ozone 吸收 紫外线，carbon dioxide ：吸收远红外线，可产 生热量（greenhouse ) • 大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用， 从而引起这些波段太阳辐射强度的衰减，甚至 某些波段的电磁波完全不能通过大气。
Chp2:Physical Basis of RS
Application and Theory of Remote Sensing
Chp2:Physical Basis of RS
电磁波的性质: ① 是横波 ② 电磁波具有波粒二向性 ③ 在真空以光速传播 ④ 电磁波满足:
f c E h f h c
本章讲授内容及要求
遥 感 的 物 理 基 础
电磁波及电磁波谱的概念 （掌握遥感所用的谱段） 大气对辐射的影响（了解） 大气窗口（理解并掌握） 太阳及地球的辐射特性（了解） 地物波谱曲线及典型地物波 谱曲线特征（理解并掌握）
Application and Theory of Remote Sensing
Chp2:Physical Basis of RS
Co ncept o f Radiant Flux Density
Rad ian t flux,
Application and Theory of Remote Sensing
Chp2:Physical Basis of RS
能量传播的三种方式：
传导（Conduction） 对流（Convection） 通过直接接触来传递分子或原子 的运动能量 物体的能量通过物体的物理运动 将能量从一个地方传递到另一个 地方。
Chp2:Physical Basis of RS
2.大气对辐射的吸收( Absorption )作用
• 特定的气体吸收特定的波长，如 Ozone 吸收 紫外线，carbon dioxide ：吸收远红外线，可产 生热量（greenhouse ) • 大气分子对电磁波的某些波段有吸收作用， 从而引起这些波段太阳辐射强度的衰减，甚至 某些波段的电磁波完全不能通过大气。
Chp2:Physical Basis of RS
Application and Theory of Remote Sensing
Chp2:Physical Basis of RS
电磁波的性质: ① 是横波 ② 电磁波具有波粒二向性 ③ 在真空以光速传播 ④ 电磁波满足:
f c E h f h c
本章讲授内容及要求
遥 感 的 物 理 基 础
电磁波及电磁波谱的概念 （掌握遥感所用的谱段） 大气对辐射的影响（了解） 大气窗口（理解并掌握） 太阳及地球的辐射特性（了解） 地物波谱曲线及典型地物波 谱曲线特征（理解并掌握）
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
遥感物理基础
10
《遥感技术基础》
第二章:遥感物理基础
§2-1 电磁波及电磁波谱
Electromagnetic Wave & Electromagnetic Spectrum
1.电磁波的定义与特性：Definition & Characteristics
2）电磁波的特性： （1）波动性
C 偏振（polarization）：电磁波由两个相互垂直的振 动矢量即电场强度E和磁场强度H来表征。而E和H都 与电磁波的传播方向相垂直，光是电磁波的特例。
2）电磁波的特性：
（2）粒子性
波粒二象性（wave-particle duality）
电磁波是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射实
际上是光子微粒流的有规则运动，波是光子微粒流的
宏观统计平均状态，而粒子是波的微观量子化。电磁
辐射在传播过程中，主要表现为波动性；当电磁辐射
与物质相互作用时，主要表现为粒子性，此时电磁波
电磁波四要素与电磁波具有的信息之间存在着一定的 关系：
14
《遥感技术基础》
第二章:遥感物理基础
§2-1 电磁波及电磁波谱
Electromagnetic Wave & Electromagnetic Spectrum
电磁波四要素与电磁波具有的信息之间的关系
15
《遥感技术基础》
第二章:遥感物理基础
§2-1电磁波及电磁波谱
2）遥感中常用的各光谱段的主要特征及其应用
可见光：是遥感中最常用的波段。
尽管大气对它也有一定的吸收和散射作用，它仍是遥感成 像所使用的主要波段之一。在此波段大部分地物都具有良好的 亮度反差特性，不同地物在此波段的图象易于区分。
23
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
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 )
.
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
2.1遥感的物理基础-电磁波
第二章 遥感的物理基础
本章主要介绍遥感的物理基础， 包括地物的电磁波特性、太阳辐 射、大气对太阳辐射的影响、大 气窗口的概念、地物反射太阳光 谱的特性、地物的热辐射、地物 与微波的作用机理。 本章重点是掌握电磁波谱，大 气窗口，可见光、近红外、热红 外和微波遥感机理，以及地物波 谱特征。
第二章 遥感的物理基础
紫外线
可见光
红外线
微波
§2 太阳辐射
1 自然辐射源 太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；
常用5900的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围 极大；辐射能量集中-短波辐射。大气层对太 阳辐射的吸收、反射和散射。 地球的电磁辐射：小于3 μm的波长主要是 太阳辐射的能量；大于6 μm的波长，主要是 地物本身的热辐射；3-6 μm之间，太阳和地 球的热辐射都要考虑。
电磁波谱
电磁波谱示图
遥感应用的电磁波波谱段
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。
电磁波的波动性
波函数由振幅和位相组成。一般传感器仅记录电磁波 的振幅信息，而舍弃位相信息。在全息摄影中，除了 记录电磁波的振幅信息，同时记录位相信息
§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。
§1 遥感的电磁波原理 §2 太阳辐射 §3 太阳辐射与大气的作用 §4 太阳辐射与地物的作用 §5 地物的热辐射 §6 微波与地物的作用 §7 各典型地物的光谱曲线
本章主要介绍遥感的物理基础， 包括地物的电磁波特性、太阳辐 射、大气对太阳辐射的影响、大 气窗口的概念、地物反射太阳光 谱的特性、地物的热辐射、地物 与微波的作用机理。 本章重点是掌握电磁波谱，大 气窗口，可见光、近红外、热红 外和微波遥感机理，以及地物波 谱特征。
第二章 遥感的物理基础
紫外线
可见光
红外线
微波
§2 太阳辐射
1 自然辐射源 太阳辐射：是可见光和近红外的主要辐射源；
常用5900的黑体辐射来模拟；其辐射波长范围 极大；辐射能量集中-短波辐射。大气层对太 阳辐射的吸收、反射和散射。 地球的电磁辐射：小于3 μm的波长主要是 太阳辐射的能量；大于6 μm的波长，主要是 地物本身的热辐射；3-6 μm之间，太阳和地 球的热辐射都要考虑。
电磁波谱
电磁波谱示图
遥感应用的电磁波波谱段
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。
电磁波的波动性
波函数由振幅和位相组成。一般传感器仅记录电磁波 的振幅信息，而舍弃位相信息。在全息摄影中，除了 记录电磁波的振幅信息，同时记录位相信息
§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。
§1 遥感的电磁波原理 §2 太阳辐射 §3 太阳辐射与大气的作用 §4 太阳辐射与地物的作用 §5 地物的热辐射 §6 微波与地物的作用 §7 各典型地物的光谱曲线
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2hc2 B( , T ) 5 hc /( kT ) (e 1)
λ K=(°F-32)/1.8+273.15
维恩位移定律
mT = 2897.9 m K
计算黑体辐射峰值所对应的波长
Earth @ 300K: ~ Sun @ 6000K: ~
10 μ m 0.5 μ m
地球辐射
BRDF (Ω, Ω' ) dLe (Ω, Ω' ) sr 1 dEi (Ω' )
• is viewing vector (v, v) are view zenith and azimuth angles; ’ is illum. vector (i, i) are illum. zenith and azimuth angles •So in sun-sensor example, is position of sensor and ’ is position of sun
exitant solid angle
incident solid angle
v
i
大气散射效应
•
瑞利散射（Rayleigh-Scattering）
选择性散射要求条件为微粒半径 r <<
IS
为波长
~
1
4
I S 为散射光光强（Intensity of Scattering light）
由此可见，瑞利散射对紫外、紫、兰光散射量很大，而对红光、 红外散射量极小。 这是晴朗无污染天气天空呈兰色的原因，也是清洁水发兰的原
大气相互作用：折射
斯涅尔定律（Snell's Law）因荷 兰物理学家威理博·斯涅尔而命 名，是一条描述光的折射规律的 定律，即：光入射到不同介质的 界面上会发生反射和折射。其中 入射光和折射光位于同一个平面 上，并且与界面法线的夹角满足 如下关系： n1sinθ 1 = n2sinθ 2 其中，n1和n2分别是两个介质的 折射率，θ 1和θ 2分别是入射光 （或折射光）与界面法线的夹角， 叫做入射角和折射角。
0~3 5~8
m m m
mm
占有 0.2 % 占有 10 %
3~5 8 ~ 14
m 占有 0.6 % m 占有 50 %
9%
14 ~ 30
>1
占有 30 %
占有 0.2 %
30 ~ 100 m 占有
这就是热红外的波段划分的依据。
注意： 遥感夜晚成象可以反映地表温度。
地球辐射的分段特性
地球辐射的分段特性
电磁辐射基础
Electromagnetic energy is emitted in waves
Amount of radiation emitted from an object depends on its temperature
Planck Curve
普朗克定律
描述黑体的辐射出射度(W m-2m-1) T 为绝对温度
•电磁波通过有尘土的空气或胶质溶液等媒 质时，部分光线向多方面改变方向的现象 大气散射是重要而且普遍发生的 现象，大部分进入我们眼睛的光 都是散射光。如果没有大气散射， 则除太阳直接照射的地方外，都 将是一片黑暗。大气散射作用削 弱了太阳的直接辐射，同时又使 地面除接收到经过大气削弱的太 阳直接辐射外，还接收到来自大 气的散射辐射，大大增加了大气 辐射问题的复杂性。
第二章 遥感基本原理
遥感成像过程
遥感基本原理
13日，CCTV4 《海峡两岸》节目中，军事专家张召忠 谈马航MH370失联事件，当讲到红外遥感卫星时，说 “零下700度以上的物体”都能被观测到。 地球上任何物体都在不停吸收、发射和反射信息和能量 （电磁波），不同物体的电磁波特性是不同的，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自身发射的电 磁波，来提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。
应用实例：被动遥感与主动遥感
被动遥感和主动遥感
大气能量-物质交换作用
电磁波传输的几种方式
电磁波与大气相互作用
大气折射与反射
折射现象：电磁波传过大气层时出现传播方向的改变，大气 密度越大，折射率越大。 反射现象：电磁波在传播过程中，通过两种介质的交界面时 会出现反射现象，反射现象出要出现在云顶（云造成的噪 声）。
地球自身热辐射近似 300K 的黑体辐射，能量集中在 6.0um以上的波段。（热红外）
太阳辐射
大气上界太阳照度
58000K黑体辐射
海平面太阳照度
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.4 2.6 2.8 3.0
大地辐射
大地也近似可看为黑体，向外辐射能量。 大地辐射能量分布为：
双向反射: BRDF
•Reflectance of most real surfaces is a function of not only λ, but viewing and illumination angles
•Described by the Bi-Directional Reflectance Distribution Function (BRDF)
在6.0um以上的热红外波段，以地球自身的热辐射为
主，地表反射太阳辐射可以忽略。（热红外成像）
了解地球辐射的分段特性的意义
可见光和近红外波段遥感图像上的信息来自地物反 射特性。 中红外波段遥感图像上，既有地表反射太阳辐射的 信息，也有地球自身的热辐射的信息。 热红外波段遥感图像上的信息来自地球自身的热辐 射特性。
大气窗口
Atmospheric windows
大气窗口
• 示例应用 – 如果希望观测地表信息 • 选择大气窗口段的波段 – 如果希望观测大气信息，可以选择非大气窗口段
思考题
• 结合电磁波谱以及大气窗口的概念分析遥感应用 的电磁波波段主要有哪些
遥感应用的电磁波波谱段
遥感应用的电磁波波谱段
辐射源
电磁辐射波谱
• 按电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递 减顺序排列，就得到电磁波谱
电磁波谱
黑体
• 黑体概念：实验室理想的热辐射特征研究对象—物理学概念 —（黑体=全吸收体） • 黑体是对外界辐射量完全吸收的理想物体，自然界并不存在。 • 自然界存在着灰体，即一部分能量吸收，一部分能量反射。 灰体辐射的规律接近黑体。
Incident radiation
Optically less dense
1
n1
n2
Optically more dense
2
n3
Optically less dense
3
Path unaffected by atmosphere Path affected by atmosphere
大气相互作用：散射
紫外线：波长范围为0.01～0.38μ m，太阳光谱中，只 有0.3～0.38μ m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：0.38～0.76μ m，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0.76～1000μ m，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。
大气窗口
太阳辐射经过大气传输时，反射，吸收和散射共同衰减了辐 射强度，剩余部分即为透过的部分。 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。 电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的，透射率较 高的波段称为大气窗口。（对地遥感要用的部分）
•perfect specular (mirror-like) - incidence angle = exitance angle •perfectly diffuse (Lambertian) - same reflectance in all directions independent of illumination angle)
地球辐射：地球表面和大气电磁辐射的总称。 地球辐射是被动遥感中传递地物信息的载体。
装载在航天航空平台上的遥感器，接受来自地球辐 射携带的地物信息，经过处理形成遥感影像。
被动遥感的辐射源
太阳辐射近似 6000K 的黑体辐射，能量集中在 0.3 ～ 2.5um波段之间。（可见光和近红外）
因。
•
米氏散射（miler-scattering ）
要求条件微粒半径 r >
一般灰尘、水蒸汽可满足此条件，这种物质在化学上有胶体 的性质，称气溶胶。
非选择散射致使天空呈灰白色。 遥感利用这两种散射效应可测试大气污染程度。
瑞利散射具有如下特点：①散射光强与波长四次方成反比。②粒 子前半部和后半部的散射光通量相等。③前向和后向的散射光最 强，都比垂直方向强一倍。
(a) (b)
•Most surfaces have some level of anisotropy
(c)
(d)
Figure 2.1 Four examples of surface reflectance: (a) Lambertian reflectance (b) non-Lambertian (directional) reflectance (c) specular (mirror-like) reflectance (d) retro-reflection peak (hotspot).
米氏散射①散射强度比瑞利散射大得多，散射强度随波长的变 化不如瑞利散射那样剧烈。随着粒子增大，散射的总能量很快 增加，并最后以振动的形式趋于一定值。②散射光强随角度变 化出现许多极大值和极小值。③当粒子尺度参数增大时，前向 散射与后向散射之比增大，使粒子前半球散射增大