CH1电磁波与遥感物理基础
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电磁波及遥感的物理基础
薛定谔在1926年首先提出了用于描述微观粒子状态随时间变化的状态的波函数所满足 的运动方程，即薛定谔方程，它是坐标和时间的复函数。
海森伯在1927年首先提出了测不准原理，成功得说明了当微观粒子处于某一状态时， 它的力学量(如坐标、动量、角动量、能量等)一般不具有确定的数值，而具有一系列可能 值，每个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确定时，力学量具有某一可能值的 几率也就完全确定。而在同时，玻尔提出了并协原理，对量子力学给出了进一步的阐释。
紫外波段
• 波长：0.001—0.38μm
• 特征：1.大气对紫外线吸收较强；
•
2.能使溴化银底片感光；
•
3.太阳光谱中只有0.3~0.38 μm的
光到达地面，对油污染敏感
• 应用：1.用于测定碳酸岩的分布
•
2.用于油污的监测
可见光波段
波长：0.38—0.76μm
特征：1.由红,橙,黄,绿,青,蓝,紫光组成；
23
麦克斯韦 （1831-1879）
波动性
普朗克 （1858-1947）
爱因斯坦 （1879-1955）
粒子性
24
❖叠加原理：
当空间同时存在由两个或两个以上的波源产生的波时，每个波 并不因其它的波的存在而改变其传播规律，仍保持原有的频率 （或波长）和振动方向，按照自己的传播方向继续前进，而空 间相遇点的振动的物理量则等于各个独立波在该点激起的振动 的物理量之和。
❖相干性与非相干性：
由叠加原理可知，当两列频率、振动方向相同，相位相同 或相位差恒定的电磁波叠加时，在空间会出现某些地方的 振动始终加强，另一些地方的振动始终减弱或完全抵消， 这种现象叫电磁波的相干性。没有固定相位关系的两列电 磁波叠加时，没有一定的规律可循，这种现象叫电磁波的 非相干性。
海森伯在1927年首先提出了测不准原理，成功得说明了当微观粒子处于某一状态时， 它的力学量(如坐标、动量、角动量、能量等)一般不具有确定的数值，而具有一系列可能 值，每个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确定时，力学量具有某一可能值的 几率也就完全确定。而在同时，玻尔提出了并协原理，对量子力学给出了进一步的阐释。
紫外波段
• 波长：0.001—0.38μm
• 特征：1.大气对紫外线吸收较强；
•
2.能使溴化银底片感光；
•
3.太阳光谱中只有0.3~0.38 μm的
光到达地面，对油污染敏感
• 应用：1.用于测定碳酸岩的分布
•
2.用于油污的监测
可见光波段
波长：0.38—0.76μm
特征：1.由红,橙,黄,绿,青,蓝,紫光组成；
23
麦克斯韦 （1831-1879）
波动性
普朗克 （1858-1947）
爱因斯坦 （1879-1955）
粒子性
24
❖叠加原理：
当空间同时存在由两个或两个以上的波源产生的波时，每个波 并不因其它的波的存在而改变其传播规律，仍保持原有的频率 （或波长）和振动方向，按照自己的传播方向继续前进，而空 间相遇点的振动的物理量则等于各个独立波在该点激起的振动 的物理量之和。
❖相干性与非相干性：
由叠加原理可知，当两列频率、振动方向相同，相位相同 或相位差恒定的电磁波叠加时，在空间会出现某些地方的 振动始终加强，另一些地方的振动始终减弱或完全抵消， 这种现象叫电磁波的相干性。没有固定相位关系的两列电 磁波叠加时，没有一定的规律可循，这种现象叫电磁波的 非相干性。
第1章电磁波及遥感物理基础
人工辐射源：
微波辐射源：0.8-30 cm 激光辐射源：激光雷达(测定卫星的位臵、高度、 速度、测量地形等)。
32
太阳辐射
太阳是被动遥感最主要的辐射源，遥感传感 器从空中或空间接收地物反射的电磁波。 地球系统的能量绝大多数（>99％）来源于太 阳。
太阳辐射:
5% 紫外线 45% 可见光 50% 红外线
21
普朗克定律
1900年普朗克用量子理论推导出普朗克定律 在给定温度、单位时间、面积、波长范围内黑体 的辐射通量密度为：公式1-4
W(λ)—— 分谱辐射通量密度，单位W／（cm2·μm）； λ—— 波长，单位是μm； h—— 普朗克常数(6.6256×10-34J· s)； c—— 光速(3×1010cm/s)； k—— 玻耳兹曼常数(1.38×10-23J／K)； T—— 绝对温度（绝对温度=摄氏温度+273.15），单位是K。
33
太阳辐射照度分布曲线
太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内， 垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接 收的太阳辐射能量：I⊙=135.3 mW/m2 被动遥感主要利 用可见光、红外 等稳定辐射，因 而太阳的活动对 遥感的影响没有 太大影响可以忽 略。
图1-6 太阳辐射照度分布曲 线
13
（5）多普勒效应
概念：电磁辐射因辐射源或观察者相对于传播
介质的运动，而使观察者接收到的频率发生 变化的现象，称为多普勒效应。如：
cv f1 f c v1
f：电磁波辐射源的频率 f1：观察者接收到的频率 c：波速 v：辐射源相对于介质的速度 v1：观察者相对于介质的速度
14
电磁波的粒子性
25
第 4 章 遥感原理-电磁波及遥感物理基础
（2）光谱反射率以及地物反射光谱特性 1）反射率是物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比，这个反射率是在 理想漫反射体的情况下，整个电磁波长的反射率
ρ = Eρ E
σ为斯忒藩——玻耳兹曼常数，T为绝对黑体 的绝对温度（K）。 从上式可以看出：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，称为斯忒藩－玻耳兹曼公式。 对于一般物体来讲，传感器检测到它的辐射能后就可以用此公式概略推算 出物体的总辐射能量或绝对温度（T）。热红外遥感就是利用这一原理探测和 识别目标物的。
（1）电磁波 麦克斯韦电磁场理论——电磁波是一种横波
电磁波的几个重要性质 1）单色波可以用波函数来描述，是一个时空周期性函数，具有振幅、相 位、波长。 一般成像：记录振幅 全息成像：记录振幅和相位 2）干涉 3）衍射 4）偏振
（2）电磁波波谱 1）遥感信息获取，一般指收集、探测、记录地物的电磁波特征，即地物的发射 辐射或反射辐射电磁波特性。由于电磁波传播的是能量，实际上也是记录辐射能 量的过程。 2）电磁波具有不同的频率和波长，因而具有不同的特性。
6）辐射传输方程
传感器从高空探测地面物体时，所接收 到的电磁波能量包括： – 太阳经大气衰减后照射地面，经地 物反射后，又经大气第二次衰减进入传 感器的能量 – 地面物体本身辐射的能量经大气后 进入传感器 – 大气散射和辐射的能量等 电磁波辐射与大气相互作用的复杂性， 从遥感应用角度需要简化 假设1：忽略大气折射、湍流和偏振 假设2：天空为均匀朗伯体，各向同性辐 射；地表为均质朗伯体，各向同性反射。
传感器入瞳辐射亮度
地面辐射亮度
向上大气光谱辐射亮度
Lsλ = Lgλ exp(− δ λ sec θV ) + Ldλ ↑ = {(ρ gλ π ) E0 (λ ) cos θ 2 exp(− δ λ sec θ 2 ) + Edλ ↓ }exp(− δ λ sec θV ) + Ldλ ↑ = Lgλτ λ + Ldλ ↑
2遥感的物理基础PPT优秀课件
三、物体的反射辐射
2.光谱反射率及地物反射光谱特性 （1）光谱反射率:物体的反射辐射通量与入射辐
射通量之比 。
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22
（1）光谱反射率
物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红 外，尤其是后两个波段。
一个物体的反射波谱的特征主要取决于该 物体与入射辐射相互作用的波长选择。
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23
2021/6/3
31
第二章 电磁波及遥感物理基础
三、物体的反射辐射
3.影响地物光谱反射率变化的因素
太阳位置、传感器位置、地理位置、地 形、季节、气候变化、地面湿度变化、地物 本身的变异、大气状况等
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32
第二章 电磁波及遥感物理基础
四、地物波谱特性的测定
1. 地物波谱特性是指各种地物各自所具有的电 磁波特性（发射辐射或反射辐射）。
2021/6/3
25
春小麦在不同生长期的反射波谱特性曲线
2021/6/3
26
不同地物
各种建筑物屋顶的波谱特性
2021/6/3
27
各种道路的波谱特性
2021/6/3
28
几种岩石的反射波谱曲线
2021/6/3
29
不同含水量的玉米叶子反射特性曲线
2021/6/3
30
三种低含水量土壤的反射特性曲线
第二章 电磁波及遥感物理基础
一、电磁波 二、物体的发射辐射 三、物体的反射辐射 四、地物波谱特性的测定 五、大气对辐射的影响
2021/6/3
1
第二章 电磁波及遥感物理基础
遥感技术是建立在物体电磁波辐射 理论基础上的。本章主要学习电磁波的 发射和反射特性、地物波谱特性曲线及 应用。
2.光谱反射率及地物反射光谱特性 （1）光谱反射率:物体的反射辐射通量与入射辐
射通量之比 。
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（1）光谱反射率
物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红 外，尤其是后两个波段。
一个物体的反射波谱的特征主要取决于该 物体与入射辐射相互作用的波长选择。
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第二章 电磁波及遥感物理基础
三、物体的反射辐射
3.影响地物光谱反射率变化的因素
太阳位置、传感器位置、地理位置、地 形、季节、气候变化、地面湿度变化、地物 本身的变异、大气状况等
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第二章 电磁波及遥感物理基础
四、地物波谱特性的测定
1. 地物波谱特性是指各种地物各自所具有的电 磁波特性（发射辐射或反射辐射）。
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春小麦在不同生长期的反射波谱特性曲线
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不同地物
各种建筑物屋顶的波谱特性
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各种道路的波谱特性
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几种岩石的反射波谱曲线
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不同含水量的玉米叶子反射特性曲线
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三种低含水量土壤的反射特性曲线
第二章 电磁波及遥感物理基础
一、电磁波 二、物体的发射辐射 三、物体的反射辐射 四、地物波谱特性的测定 五、大气对辐射的影响
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第二章 电磁波及遥感物理基础
遥感技术是建立在物体电磁波辐射 理论基础上的。本章主要学习电磁波的 发射和反射特性、地物波谱特性曲线及 应用。
遥感课件第一章电磁波及遥感物理基础
第一章电磁波及遥感物理基础主要介绍：1 电磁波和电磁波谱2 物体的发射辐射（电磁波辐射源——黑体、太阳、一般物体）3 物体的反射辐射4 大气对辐射的作用（辐射传输方程）5 地物波谱特征及测定一切物体因其种类、特征和环境条件的不同，而具有完全不同的电磁波反射与发射辐射特性，遥感即建立在物体反射与发射电磁波的原理之上1.1 电磁波和电磁波谱1.1.1 电磁波波：是振动在空间的传播。
如声波、水波、地震波等。
机械波：振动的是弹性媒质中质点的位移矢量。
电磁波：电场矢量和磁场矢量在空间的传播。
])sin[(ϕ+−ω=ψkx t A 波函数由振幅和位相组成，一般遥感器仅仅记录电磁波的振幅信息，丢失位相信息。
全息摄影中，同时记录了振幅信息和相位信息。
雷达遥感也要记录相位信息波函数：λ/hc hv E ==λ/h P =动量：P 能量：Eh : 普朗克常数，6.6260755×10－34J sc : 光速；v : 频率能量和动量是粒子属性，频率和波长是波动属性。
可见光，红外线；微波和无线电波；紫外线和X射线Y射线。
电磁波的粒子性电磁波的叠加原理当两列波在同一空间传播时，空间上各点的振动为各列波单独振动的合成。
任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波；比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波。
（白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理，混合像元的分解）d物镜的有效孔径也是进行一些遥感图像处理（如图像平滑等）的依据•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，部分偏振电磁波的多普勒效应电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为多普勒效应。
类似声波的多普勒效应。
（合成孔径雷达的工作原理）1.1.2电磁波谱按照电磁波的波长（频率的大小）长短，依次排列支撑的图表，成为电磁波谱。
（图1-3）1.1.2电磁波谱（续）传播的方向性、穿透性、可见性、颜色不同。
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。
电磁波及遥感物理基础
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。
电磁波的特性
1) 电磁波是横波
2) 在真空中以光速传播
3) 电磁波具有波粒二象性：电磁波在传播过
程中，主要表现为波动性；在与物质相互作用时，主 要表现为粒子性，这就是电磁波的波粒二象性。
光的波动性充分表现在光的干涉、衍射、 偏振等现象中；而光在光电效应、黑体 辐射中则显示出粒子性。
• 在遥感中常用近红外波段确定水体的位置和轮廓， 在此波段的黑白正片上，水体的色调很黑，与周 围的植被和土壤有明显反差，很容易识别和判读。
• 在水中含有其他物质时，反射光谱曲线会发生变 化，含泥沙时，由于泥沙的散射，可见光波段发 射率会增加，峰值出现在黄红区。
不同浊度下水体的波谱特性曲线
• 水中含有叶绿素时，近红外波段明显抬升，这些 都是影像分析的重要依据。
植物
• 由于植物均进行光合作用，所以各类绿色植物具有很相似 的反射波谱特征：在可见光波段0.55um(绿光)附近有个波 峰，两侧0.45um(蓝光)和0.67um(红)则有两个吸收带。在 近红外波段0.8-10.um间有一个反射的陡坡，至1.1um附近 有一个峰值，形成植被的独有特征。在近红外波段1.32.5um受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率 大大下降，特别是以1.45、1.95、2.7um为中心是水的吸收 带，形成低谷。
度、速度、测量地形等。
自然辐射源（被动式遥感的辐射源）
➢ 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，即0.3-2.5um。 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
射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。
电磁波的特性
1) 电磁波是横波
2) 在真空中以光速传播
3) 电磁波具有波粒二象性：电磁波在传播过
程中，主要表现为波动性；在与物质相互作用时，主 要表现为粒子性，这就是电磁波的波粒二象性。
光的波动性充分表现在光的干涉、衍射、 偏振等现象中；而光在光电效应、黑体 辐射中则显示出粒子性。
• 在遥感中常用近红外波段确定水体的位置和轮廓， 在此波段的黑白正片上，水体的色调很黑，与周 围的植被和土壤有明显反差，很容易识别和判读。
• 在水中含有其他物质时，反射光谱曲线会发生变 化，含泥沙时，由于泥沙的散射，可见光波段发 射率会增加，峰值出现在黄红区。
不同浊度下水体的波谱特性曲线
• 水中含有叶绿素时，近红外波段明显抬升，这些 都是影像分析的重要依据。
植物
• 由于植物均进行光合作用，所以各类绿色植物具有很相似 的反射波谱特征：在可见光波段0.55um(绿光)附近有个波 峰，两侧0.45um(蓝光)和0.67um(红)则有两个吸收带。在 近红外波段0.8-10.um间有一个反射的陡坡，至1.1um附近 有一个峰值，形成植被的独有特征。在近红外波段1.32.5um受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率 大大下降，特别是以1.45、1.95、2.7um为中心是水的吸收 带，形成低谷。
度、速度、测量地形等。
自然辐射源（被动式遥感的辐射源）
➢ 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，即0.3-2.5um。 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
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第一章 电磁波及遥感物理基础
一、电磁波与电磁波谱 二、物体的电磁波特性 三、地物波谱特性的测定
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1
一、电磁波与电磁波谱
电磁波的来源
电磁辐射产生于各种形式的能量 （机械能、化学能、热能、电能、磁能、核能）
凡是温度高于绝对零度（-273.16摄氏度)的物体都发射电磁波， 波长由物质内部状态的变化决定
0
黑体是一种理想的模型， 在自然界里则很难找到。
自然界里有些物质的性质 接近黑体，如黑色的烟煤、恒 星和太阳等。
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6
黑体辐射定律
（1）普朗克定律：
W
2hc2 5
1
ch
ekT 1
其中：h为普朗克恒量 6.6 31 034J.s
K为波耳兹曼常数 1.3 81023J/K
普朗克定律表明：黑体的单色辐射度是温度和波长的函数。
➢大气上层臭氧的存在，对小于 0.3m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，很少存在波长小于 0.3m 的短波辐射。
➢对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量的 气体，其中作用最为显著的有臭氧、二氧化碳、甲 烷和水汽。
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大气在0~15 m波长的吸收
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20
• 散射作用 —主要是气体分子和气溶胶的散射
是气态分子的散射
当气体分子的尺度远小于光波的波长时会 发生Rayleigh散射。
Rayleigh散射属于小颗粒散射。
散射光强度与波长的4次方成反比，由此可 以解释天空为什么呈蓝色。
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22
Mie 散射
云滴、气溶胶的散射。
当颗粒的直径与入射光的波长相当时，往往发生Mie散射。
Mie散射是强烈的前向散射。
物体的反射辐射
➢ 地物的反射波谱 ——可见光和近红外遥感的理论基础
物体的微波后向散射辐射
➢ 地物的后向散射波谱 ——微波遥感的理论基础
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物体的发射辐射
1、黑体辐射 2、实际地物的发射辐射
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5
黑体辐射
黑体是一种理想的辐射体。 能够完全吸收任何波长入 射能量的物体，称为黑体。
1
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大气层对太阳辐射的作用
✓大气层次结构与成分
✓大气层对太阳辐射的作用
射作用
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✓大气层次结构与成分
大气物理状况的物理量一般有气压、大气温度和大气 湿度。它们在垂直方向上的变化远远大于水平方向上的 梯度，所以在研究大气效应问题时可以假定大气具有水 平均一、垂直的分层结构。
外大气层（1000KM以外的大气层）， 大气厚度一般认为约1000KM。
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大气成分
大气是由多种气 体及气溶胶所组成 的混合物
大气的气体成份可 分为常定成份和可 变成份两部分
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18
✓大气层对太阳辐射的作用
• 吸收作用 ——主要是气态分子的吸收。可使电磁辐射的能量衰减。
➢大气中含量最高的氮气对电磁波的作用都在紫外光 以外的范围。
大气中云、粒子的散射。
当颗粒的直径远大于入射波的波长时， 会发生无选择性 散射。由此可解释雾为什 么呈现白色。
散射强度与波长无关。
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大气散射的特点；
（4）瑞利-琴斯定律：当波长大于1mm时，普朗克定律 可以近似为：
L 2kT 2
1
黑体的微波辐射亮度 与温度的一次方成正比。
（5）维恩位移定律：
maxT b
m a x 为分谱辐射通量密度曲线的峰值所对应波长；
b为常数2898m.k 。
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实际地物的发射辐射
发射率 太阳辐射与大气窗口 地球辐射 地物的辐射波谱特性
对流层：（0~12KM）温度、密度、气压随高度的增加而降低，空气明 显垂直对流，上界随季节和温度而变化。
平流层：（12~80KM），空气密度继续随高度增加而降低，几乎没有对 流和天气现象。其中25~30KM处，臭氧含量较大，为臭氧层。
电离层：（80~1000KM），空气稀薄，分子被太阳辐射作用而电离成离 子和自由电子状态。该层对无线电波可全反射。
➢ 散射是由于电磁辐射与物质相互作用导致部 分能量再辐射到其他 方向而引起的，散射使入射波束的能量有所衰减。
➢ 与吸收作用不同的是，散射并未引起能量的损失，而只是导致能量 在其他方向上重新分配。
➢ 三种散射：
• Rayleigh 散射
• Mie 散射
• Nonselective 散射
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Rayleigh散射
属于大颗粒散射。大颗粒散射的特征：
• 电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒内部。
• 由于颗粒的尺寸与波长相当，所以颗粒的不同部位往往处在不 同的电场强度下，导致诱发电流的产生，一方面这种高度电流会 产生高变的磁场，另一方面电流的存在意味着焦耳热损耗的出
现——电磁波的吸收。
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Nonselective 散射
电磁波的特性
电磁波是横波 电磁波具有波粒二象性
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2
电磁波谱
把各种电磁波（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）按照波长或频率的大小依次排列，就形成了电磁波谱。
遥感中所用的电磁波段：微波、红外波、可见光
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3
物体的电磁波特性
物体的发射辐射
➢ 地物的辐射波谱 ——热红外遥感的理论基础
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7
黑体的辐射度曲线
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8
（2）斯忒藩-波耳兹曼定律：
对普朗克公式积分得
W02h52cec/hk1 T1dT4
-斯忒藩-波耳兹曼常数：5.6 7 11 0(2 W /c2 m .k4) （3）基尔霍夫定律：好的吸收体一定是好的辐射体。
W(,T) a(,T)
Wb(,T)
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11
（1）发射率
(,T) M(,T) Mb(,T)
(,T) 为无量纲纯数
根据发射率可将实际地 物分为三类：
（1）黑体 (,T)1 （2）灰体 (,T)01
（3）选择性辐射体 发射率随波长 变化而
变化。
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12
（2）太阳辐射与大气窗口
太阳辐射 大气层对太阳辐射的作用 大气窗口 大气透射的定量分析
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13
太阳辐射
➢被动遥感最主要的辐射源
➢太阳辐射接近6000K的黑体辐射，能量集中在0.3~2.5 微米的波段之间。
➢太阳常数：不受大气影响， 距太阳一个天文单位，垂 直太阳光入射方向上，单位时间单位面积黑体所接受的
太阳辐射能量。I☉ 13.35 mW /m2
➢太阳光谱
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一、电磁波与电磁波谱 二、物体的电磁波特性 三、地物波谱特性的测定
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1
一、电磁波与电磁波谱
电磁波的来源
电磁辐射产生于各种形式的能量 （机械能、化学能、热能、电能、磁能、核能）
凡是温度高于绝对零度（-273.16摄氏度)的物体都发射电磁波， 波长由物质内部状态的变化决定
0
黑体是一种理想的模型， 在自然界里则很难找到。
自然界里有些物质的性质 接近黑体，如黑色的烟煤、恒 星和太阳等。
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6
黑体辐射定律
（1）普朗克定律：
W
2hc2 5
1
ch
ekT 1
其中：h为普朗克恒量 6.6 31 034J.s
K为波耳兹曼常数 1.3 81023J/K
普朗克定律表明：黑体的单色辐射度是温度和波长的函数。
➢大气上层臭氧的存在，对小于 0.3m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，很少存在波长小于 0.3m 的短波辐射。
➢对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量的 气体，其中作用最为显著的有臭氧、二氧化碳、甲 烷和水汽。
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19
大气在0~15 m波长的吸收
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20
• 散射作用 —主要是气体分子和气溶胶的散射
是气态分子的散射
当气体分子的尺度远小于光波的波长时会 发生Rayleigh散射。
Rayleigh散射属于小颗粒散射。
散射光强度与波长的4次方成反比，由此可 以解释天空为什么呈蓝色。
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Mie 散射
云滴、气溶胶的散射。
当颗粒的直径与入射光的波长相当时，往往发生Mie散射。
Mie散射是强烈的前向散射。
物体的反射辐射
➢ 地物的反射波谱 ——可见光和近红外遥感的理论基础
物体的微波后向散射辐射
➢ 地物的后向散射波谱 ——微波遥感的理论基础
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4
物体的发射辐射
1、黑体辐射 2、实际地物的发射辐射
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5
黑体辐射
黑体是一种理想的辐射体。 能够完全吸收任何波长入 射能量的物体，称为黑体。
1
15
大气层对太阳辐射的作用
✓大气层次结构与成分
✓大气层对太阳辐射的作用
射作用
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✓大气层次结构与成分
大气物理状况的物理量一般有气压、大气温度和大气 湿度。它们在垂直方向上的变化远远大于水平方向上的 梯度，所以在研究大气效应问题时可以假定大气具有水 平均一、垂直的分层结构。
外大气层（1000KM以外的大气层）， 大气厚度一般认为约1000KM。
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17
大气成分
大气是由多种气 体及气溶胶所组成 的混合物
大气的气体成份可 分为常定成份和可 变成份两部分
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✓大气层对太阳辐射的作用
• 吸收作用 ——主要是气态分子的吸收。可使电磁辐射的能量衰减。
➢大气中含量最高的氮气对电磁波的作用都在紫外光 以外的范围。
大气中云、粒子的散射。
当颗粒的直径远大于入射波的波长时， 会发生无选择性 散射。由此可解释雾为什 么呈现白色。
散射强度与波长无关。
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大气散射的特点；
（4）瑞利-琴斯定律：当波长大于1mm时，普朗克定律 可以近似为：
L 2kT 2
1
黑体的微波辐射亮度 与温度的一次方成正比。
（5）维恩位移定律：
maxT b
m a x 为分谱辐射通量密度曲线的峰值所对应波长；
b为常数2898m.k 。
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实际地物的发射辐射
发射率 太阳辐射与大气窗口 地球辐射 地物的辐射波谱特性
对流层：（0~12KM）温度、密度、气压随高度的增加而降低，空气明 显垂直对流，上界随季节和温度而变化。
平流层：（12~80KM），空气密度继续随高度增加而降低，几乎没有对 流和天气现象。其中25~30KM处，臭氧含量较大，为臭氧层。
电离层：（80~1000KM），空气稀薄，分子被太阳辐射作用而电离成离 子和自由电子状态。该层对无线电波可全反射。
➢ 散射是由于电磁辐射与物质相互作用导致部 分能量再辐射到其他 方向而引起的，散射使入射波束的能量有所衰减。
➢ 与吸收作用不同的是，散射并未引起能量的损失，而只是导致能量 在其他方向上重新分配。
➢ 三种散射：
• Rayleigh 散射
• Mie 散射
• Nonselective 散射
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Rayleigh散射
属于大颗粒散射。大颗粒散射的特征：
• 电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒内部。
• 由于颗粒的尺寸与波长相当，所以颗粒的不同部位往往处在不 同的电场强度下，导致诱发电流的产生，一方面这种高度电流会 产生高变的磁场，另一方面电流的存在意味着焦耳热损耗的出
现——电磁波的吸收。
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Nonselective 散射
电磁波的特性
电磁波是横波 电磁波具有波粒二象性
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电磁波谱
把各种电磁波（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）按照波长或频率的大小依次排列，就形成了电磁波谱。
遥感中所用的电磁波段：微波、红外波、可见光
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物体的电磁波特性
物体的发射辐射
➢ 地物的辐射波谱 ——热红外遥感的理论基础
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黑体的辐射度曲线
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（2）斯忒藩-波耳兹曼定律：
对普朗克公式积分得
W02h52cec/hk1 T1dT4
-斯忒藩-波耳兹曼常数：5.6 7 11 0(2 W /c2 m .k4) （3）基尔霍夫定律：好的吸收体一定是好的辐射体。
W(,T) a(,T)
Wb(,T)
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（1）发射率
(,T) M(,T) Mb(,T)
(,T) 为无量纲纯数
根据发射率可将实际地 物分为三类：
（1）黑体 (,T)1 （2）灰体 (,T)01
（3）选择性辐射体 发射率随波长 变化而
变化。
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（2）太阳辐射与大气窗口
太阳辐射 大气层对太阳辐射的作用 大气窗口 大气透射的定量分析
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太阳辐射
➢被动遥感最主要的辐射源
➢太阳辐射接近6000K的黑体辐射，能量集中在0.3~2.5 微米的波段之间。
➢太阳常数：不受大气影响， 距太阳一个天文单位，垂 直太阳光入射方向上，单位时间单位面积黑体所接受的
太阳辐射能量。I☉ 13.35 mW /m2
➢太阳光谱
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