02遥感物理基础
合集下载
《遥感原理与应用》习题答案解析
《遥感原理与应用》习题答案解析遥感原理与应用习题第一章遥感物理基础一、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遥感技术：遥感技术是从人造卫星、飞机或其他飞行器上收集地物目标的电磁辐射信息，判认地球环境和资源的技术。
3电磁波：电磁波（又称电磁辐射）就是由同相震荡且互相横向的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向旋转轴电场与磁场形成的平面，有效率的传达能量和动量。
电磁辐射可以按照频率分类，从高频率至高频率，包含存有无线电波、微波、红外线、红外线、紫外光、4电磁波五音：把各种电磁波按照波长或频率的大小依次排序，就构成了电磁波五音5绝对黑体：能够完全吸收任何波长入射能量的物体6灰体：在各种波长处的发射率相等的实际物体。
7绝对温度：热力学温度，又叫做热力学温标，符号t，单位k（开尔文，缩写上开）8色温：在实际测量物体的光谱电磁辐射通量密度曲线时，常常用一个最吻合灰体电磁辐射曲线的黑体电磁辐射曲线做为参考这时的黑体电磁辐射温度就叫做色温。
9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。
10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。
11光谱反射率：物体的散射电磁辐射通量与入射光电磁辐射通量之比。
12波粒二象性：电磁波具备波动性和粒子性。
13光谱反射特性曲线：反射波谱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。
问答题1黑体电磁辐射遵从哪些规律？（1由普朗克定理知与黑体辐射曲线下的面积成正比的总辐射通量密度w随温度t的增加而迅速增加。
(2绝对黑体表面上，单位面积升空的总辐射能与绝对温度的四次方成正比。
(3黑体的绝对温度增高时，它的电磁辐射峰值向短波方向移动。
(4不好的辐射体一定就是不好的吸收体。
(5在微波段黑体的微波辐射亮度与温度的一次方成正比。
2电磁波五音由哪些相同特性的电磁波段共同组成？遥感技术中所用的电磁波段主要存有哪些？a.包括无线电波、微波、红外波、可见光、紫外线、x射线、伽玛射线等b.微波、红外波、可见光3物体的电磁辐射通量密度与短萼有关？常温下黑体的电磁辐射峰值波长就是多少？（1与光谱反射率，太阳入射在地面上的光谱照度，大气光谱透射率，光度计视场角，光度计有效接受面积。
遥感原理与应用_第2章_2遥感物理基础-辐射传输基础
a小于入射电磁波波长的十分 之一；(气体分子)
• 米氏散射：如果介质中不均匀
颗粒的直径a与入射波长同数 量级；(气溶胶)
• 非选择性散射（均匀散射）：
当不均匀颗粒的直径a>>λ时
发生。(大粒子尘埃)
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
遥感影像判读
遥感平台特点
遥感
影像识别分类
遥感物理基础
遥感技术应用
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
遥 1 2感 3物 4 5理 6基 7 础
遥感电磁辐射基础 辐射传输基础
地物波谱特性与遥感光学基础
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
大 大气成分 气 不变成分：氮、氧、氩、二氧化碳、甲烷、氧化氮、氢； 对 这些气体在80km以上的相对比例保持不变，称为不变气体。 1 2 电 可变成分：臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、 3磁 4 冰等）、盐粒、尘烟；这些气体的含量随高度、温度、位置 5辐 6 射 而变，称为可变成分。 7 的 气溶胶：固体或液体分散在气体中的分散体系叫做气溶胶。 影 比如，烟、尘、雾、云等都是气溶胶 。气溶胶是气体和在重 响 力场中具有一定稳定性和较小沉降速度的物质颗粒组成的混
散射影响：使原传播方向的辐射强度减弱，而增加向其他各方向
的辐射。尽管强度不大，但太阳辐射在照到地面又反射到传感器的 过程中，二次通过大气，在照射地面时，由于增加了漫入射的成分， 使地物反射的成分有所改变。 对遥感图像来说，增加了信号中的噪声成分，降低了传感器接收 数据的质量，造成图像模糊不清。 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。
• 米氏散射：如果介质中不均匀
颗粒的直径a与入射波长同数 量级；(气溶胶)
• 非选择性散射（均匀散射）：
当不均匀颗粒的直径a>>λ时
发生。(大粒子尘埃)
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
遥感影像判读
遥感平台特点
遥感
影像识别分类
遥感物理基础
遥感技术应用
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
遥 1 2感 3物 4 5理 6基 7 础
遥感电磁辐射基础 辐射传输基础
地物波谱特性与遥感光学基础
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
大 大气成分 气 不变成分：氮、氧、氩、二氧化碳、甲烷、氧化氮、氢； 对 这些气体在80km以上的相对比例保持不变，称为不变气体。 1 2 电 可变成分：臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、 3磁 4 冰等）、盐粒、尘烟；这些气体的含量随高度、温度、位置 5辐 6 射 而变，称为可变成分。 7 的 气溶胶：固体或液体分散在气体中的分散体系叫做气溶胶。 影 比如，烟、尘、雾、云等都是气溶胶 。气溶胶是气体和在重 响 力场中具有一定稳定性和较小沉降速度的物质颗粒组成的混
散射影响：使原传播方向的辐射强度减弱，而增加向其他各方向
的辐射。尽管强度不大，但太阳辐射在照到地面又反射到传感器的 过程中，二次通过大气，在照射地面时，由于增加了漫入射的成分， 使地物反射的成分有所改变。 对遥感图像来说，增加了信号中的噪声成分，降低了传感器接收 数据的质量，造成图像模糊不清。 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。
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。
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。
2遥感物理基础
遥感的基本出发点
河南农业大学资源与环境学院 冯新伟 河南农业大学资源与环境学院
冯新伟
河南农业大学资源与环境学院 冯新伟 河南农业大学资源与环境学院
冯新伟
河南农业大学资源与环境学院 冯新伟 河南农业大学资源与环境学院
冯新伟
河南农业大学资源与环境学院 冯新伟 河南农业大学资源与环境学院
冯新伟
2、地物的发射光谱特性 黑体 普朗克公式 斯蒂芬－玻尔兹曼定律（Stephen Boltzmann Law） 维恩位移定律（Wien’s Displacement Law） 基尔霍夫定律 地物的发射光谱
100-106cm ＞106cm
用于无线电通讯，分超短波、短波、中波、长波
冯新伟
常用的遥感波段有：紫外线、可见光、红外线、微波
紫外线：波长范围0.1---0.38μm，太阳辐射只有0.3--0.4μm到达地面，能量较少；可探测的高度在2000m以 下，目前多用于探测碳酸岩分布，油污染的监测，能提 供土壤水份和作物病类信息。 可见光：波长范围0.38---0.76μm，人眼对该波段具有 敏锐的分辨能力，是鉴别物质的主要波段。遥感技术中 主要用摄影和扫描方式接收和纪录地物对可见光的反射 特征，是现在遥感中最常用的波段。
河南农业大学资源与环境学院 冯新伟 河南农业大学资源与环境学院
冯新伟
太阳
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%）。
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。
4-2遥感——遥感的物理基础+光的三原色
∴显示器有2563个色值（或颜色级别），但小于自然界的
颜色库。
2014-6-26
• 2、三种光的颜色可以设置成： 1）R=200，G=30，B=15——偏红色（显示器） 2）R=40，G=220，B=15——偏绿色 3）R=0，G=0，B=0——得到“黑色”（没有光） 4）R=255，G=255，B=255——得到“白色”（最强光，均 等） 5）0<R=G=B<255——得到“灰色”
•
黎明和黄昏时（此时地球与太阳之间距离很远），可见光要通过 较厚的大气层，波长小的紫光、蓝光在传播这么长的路程后几乎全被 大气吸收了，只剩下波长大的红光、橙光，直射光中红光成分大于蓝 光成分，∴太阳呈现红色。
•
大气中的瑞利散射对可见光影响较大，而对红外的影响很小，对
微波基本没有多大影响。
2014-6-26
决定。
•
如果气溶胶粒径与入射波长同数量级，发生米
氏散射；例如冬季燃煤产生的固体气溶胶浓度大，
发生米氏散射，常常一整天天空都是淡黄色、灰
蒙蒙的。
2014-6-26
• 3）粗粒散射（又叫非选择性散射或均匀散射）（r>>λ）：大气
中的液、固态水滴和固态杂质（比如粒度较大的沙尘暴）——
“颗粒物”的半径>1μm，都远大于可见光的波长，当天空有云层 或雨层时，满足均匀反射的条件，各个波长的可见光散射强度相 同，因而云呈现白色，此时散射较大，可见光难以通过云层，这 就是阴天时候不利于用可见光进行遥感探测地物的原因。夏季暴 雨来之前，天空呈现暗黑色，就是大气中的小水滴这些颗粒物将 所有波长的光全部进行散射。 • 而太阳的电磁波辐射几乎包括电磁辐射的各个波段，因此，
2014-6-26
• 【反射≠散射≠漫反射≠镜面反射】 • 镜面反射：发生在光滑物体表面的一种反射，入射角=反射角。 • 漫反射：发生在粗糙物体表面的一种反射，入射角=反射角。而且漫反 射向四面八方的反射是相等的。 • 散射：是指电磁辐射与结构不均匀的物体作用后，产生的次级辐射无干 涉抵消，而是向各个方向传播的现象，它实质是反射、折射和衍射的综 合反映。散射主要发生在可见光波段。 • 电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生改变，并向各个 方向散开，称散射。尽管强度不大，但是从遥感数据角度分析，太阳辐 照到地面又反射到传感器的过程中，二次通过大气，传感器所接收到的
颜色库。
2014-6-26
• 2、三种光的颜色可以设置成： 1）R=200，G=30，B=15——偏红色（显示器） 2）R=40，G=220，B=15——偏绿色 3）R=0，G=0，B=0——得到“黑色”（没有光） 4）R=255，G=255，B=255——得到“白色”（最强光，均 等） 5）0<R=G=B<255——得到“灰色”
•
黎明和黄昏时（此时地球与太阳之间距离很远），可见光要通过 较厚的大气层，波长小的紫光、蓝光在传播这么长的路程后几乎全被 大气吸收了，只剩下波长大的红光、橙光，直射光中红光成分大于蓝 光成分，∴太阳呈现红色。
•
大气中的瑞利散射对可见光影响较大，而对红外的影响很小，对
微波基本没有多大影响。
2014-6-26
决定。
•
如果气溶胶粒径与入射波长同数量级，发生米
氏散射；例如冬季燃煤产生的固体气溶胶浓度大，
发生米氏散射，常常一整天天空都是淡黄色、灰
蒙蒙的。
2014-6-26
• 3）粗粒散射（又叫非选择性散射或均匀散射）（r>>λ）：大气
中的液、固态水滴和固态杂质（比如粒度较大的沙尘暴）——
“颗粒物”的半径>1μm，都远大于可见光的波长，当天空有云层 或雨层时，满足均匀反射的条件，各个波长的可见光散射强度相 同，因而云呈现白色，此时散射较大，可见光难以通过云层，这 就是阴天时候不利于用可见光进行遥感探测地物的原因。夏季暴 雨来之前，天空呈现暗黑色，就是大气中的小水滴这些颗粒物将 所有波长的光全部进行散射。 • 而太阳的电磁波辐射几乎包括电磁辐射的各个波段，因此，
2014-6-26
• 【反射≠散射≠漫反射≠镜面反射】 • 镜面反射：发生在光滑物体表面的一种反射，入射角=反射角。 • 漫反射：发生在粗糙物体表面的一种反射，入射角=反射角。而且漫反 射向四面八方的反射是相等的。 • 散射：是指电磁辐射与结构不均匀的物体作用后，产生的次级辐射无干 涉抵消，而是向各个方向传播的现象，它实质是反射、折射和衍射的综 合反映。散射主要发生在可见光波段。 • 电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生改变，并向各个 方向散开，称散射。尽管强度不大，但是从遥感数据角度分析，太阳辐 照到地面又反射到传感器的过程中，二次通过大气，传感器所接收到的
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
❖ 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；
度越大，不同温度的
辐 射曲线是不相交的。Fra bibliotek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
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。
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。
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
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？
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：
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。
➢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
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。
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：
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
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
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。
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。
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。
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。
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！
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。
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。
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
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
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
❖ 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；
度越大，不同温度的
辐 射曲线是不相交的。Fra bibliotek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
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。
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。
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
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？
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：
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。
➢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
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。
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：
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
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
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。
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。
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。
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。
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！
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。
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。
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
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