第二章遥感的电磁学基础
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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 。
2021/6/3
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。
2021/6/3
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
2021/6/3
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 。
2021/6/3
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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
2021/6/3
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几种岩石的反射波谱曲线
2021/6/3
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不同含水量的玉米叶子反射特性曲线
2021/6/3
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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。
遥感概论第2章 遥感电磁辐射基础 22.2 第2章 遥感电磁辐射基础
大气的散射作用
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。 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。 大气发生的散射主要有三种：
瑞利散射：d <<λ 如气体分子散射蓝光（天空变蓝原因） 米氏散射：d ≈λ 如尘埃 非选择性散射：d >>λ 对任何波长的反射强度相同（云
基尔霍夫辐射定律
给定温度下，任何地物的辐射通量密度M与吸收率α 之比 是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量密度。 M黑 M
代表发射率。发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的
发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射该波长 的电磁波。
维恩位移定律
黑体辐射的峰值波长λmax与绝对温度T的乘积是常量 ， 即：
或雾变白的原因）
大气窗口
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。
微波：波长范围为1 mm～1 m，穿透性好，不受云雾的影 响，能够实现全天候的工作。
无线电波：波长范围1～ 104m之间，主要用于广播、通信 等方面。
2 辐射基本定律
黑体辐射 黑体是绝对黑体的简称，指在任何温度下，对各种波长的 电磁辐射的吸收系数恒等于1（100%）的物体。黑体的热 辐射称为黑体辐射。实验表明，辐射能量密度只跟频率和 黑体的绝对温度T有关，跟物体的形状和组成物质无关。
4 太阳辐射与大气的相互作用
大气结构 从地面到大气上界，大气的结构分层为：
对流层：高度在7～12 km,温度随高度而降低，天气变化 频繁，航空遥感主要在该层内。
第二章 遥感的物理基础
遥感概论_____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。
应用遥感技术探测和研究远距离的物体，依赖于不同物体具有各自的电磁波反射或辐射特性。
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。
第二章电磁波及遥感物理基础1.电磁波与电磁波谱2.电磁辐射源3.地物波谱1电磁波与电磁波谱电磁波交互变化的电磁场在空间的传播。
描述电磁波特性的指标波长、频率、振幅、相位电磁波的特性电磁波是横波，传播速度为3×108m/s ，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。
1.1电磁波与电磁波谱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。
电磁波谱示图1.1电磁波与电磁波谱1.1电磁波与电磁波谱——遥感应用谱段❖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2000m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1mm～1m，穿透性好，不受云雾的影响。
1.1电磁波与电磁波谱——红外划分◼近红外：0.76～3.0 µm，与可见光相似。
◼中红外：3.0～6.0 µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。
◼远红外：6.0～15.0 µm，地面常温下的辐射波长，有热感，又叫热红外。
◼超远红外：15.0～1 000 µm，多被大气吸收，遥感探测器一般无法探测。
1.2 电磁辐射的度量单位在遥感探测过程中，需要测量从目标地物反射或辐射的电磁波能量，为了定量描述电磁辐射，需要了解下面一些辐射度量的术语及其定义。
第二章遥感电磁辐射基础1
（分谱）辐射通量
辐射通量是波长λ的函数，单位波长间隔内 的辐射通量称为分谱辐射通量：
辐
Φλ=Φ/λ
射 通
量
波长
λ1- λ2波段间隔内的 Φ(λ1- λ2)? 总辐射通量Φ ？ 分谱辐射通量的单位是瓦/微米（W/μm）
分谱？？？
分谱辐射通量 分谱辐照度、分谱辐射出射度 分谱辐射强度
“分谱”两字可以忽略
辐射亮度 (radiance) L
单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射 通量称为辐射亮度：
L=³ Φ / ( A cosθ λ Ω)
亮度 L
θ
辐射源
面辐射源 A
辐射亮度（L）的单位是瓦 / 米²•微米•球面度 （W/m²• μm • Sr）
辐亮度L与观测角θ无关的辐射源为朗伯源体
立体角
一个半径为r的的球面，从球心向球面做任意形状 的锥面，锥面与球面相交的面积为A，则A/r2就是 此锥面的立体角。一般用符号Ω表示，单位为球面 度sr。
能量和动量是粒子属性，频率和波长是波动属性。 Y射线、X射线、紫外线；可见光，红外线；微波和无线电波。
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 ）
2.2.1 普朗克公式
描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。
Mb(,T
)
5
2h c2
(ehc kT 1)
h: 普朗克常数6.6260755*10-34 W·s2 k: 玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 W·s·K-1 c: 光速; λ: 波长（μm）; T: 绝对温度（K）
遥感导论第2章遥感物理基础
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）。
地球信息系 赵珊珊
概述
黑体辐射特性（2）
• 分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移 动。可微分普朗克公式，并求极值。
地球信息系 赵珊珊
概述
植被、水体、土壤的反射波谱特性曲线
地球信息系 赵珊珊
概述
（补充）影响地物光谱反射率变化的因素
太阳高度（日期、时间）
大气条件
地形（阴影）
地形（坡度）
气候、植物的病变
地球信息系 赵珊珊
环境状况
概述
地物波谱特性
地物波谱也称地物光谱。 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）。 测量地物的反射波谱特性曲线主要作用：
地球信息系 赵珊珊
概述
地物的反射类型
• 镜面反射 • 漫反射 • 方向反射
• 从空间对地面观察时，对于平面地区，并且地面物体均匀分布，可以 看成漫反射；对于地形起伏和地面结构复杂的地区，为方向反射。
地球信息系 赵珊珊
概述
2.2.1 地物的反射辐射
• 反射率是地物对某一波段电磁波的反射能 量与入射总能量之比：
地球信息系 赵珊珊
概述
城市道路、建筑物的反射波谱特性曲线
• 城市道路、建筑物的光谱反射特性 • 红外波段较可见光波段反射强 • 石棉瓦较其他材料反射强 • 沥青较其他材料反射弱
地球信息系 赵珊珊
概述
土壤的反射波谱特性曲线
地球信息系 赵珊珊
概述
土壤的反射波谱特性曲线
《遥感技术基础》第2章 电磁波与地物电磁波特性
2020/7/24
பைடு நூலகம்
2020/7/24
温度下的黑体波谱辐射曲线
斯忒藩－玻耳兹曼定律：
：为斯忒藩一玻耳兹曼常数 T ：为绝对黑体的绝对温度（K）
2020/7/24
维恩位移定律:
分谱辐射能量密度的峰值波长 随温度增加向短波方向移动 黑体的绝对温度增高时，它的最大辐射本领向短波方向位移
2020/7/24
2020/7/24
地物反射
➢ 3种形式：镜面反射、漫反射、方向反射
2020/7/24
➢ 光谱特征或波谱特征
• 定义：物质在电磁波相互作用下，由于电子跃迁，原子，
分子振动与转动等复杂作用，会在某些特定的波长位置形 成反映物质成份和结构信息的光谱吸收和反射特征。
• 作用：遥感方法探测各种物质性质和形状的重要依据； 植物光谱诊断的基础。
《遥感技术基础》第2章 电磁波与地 物电磁波特性
本节主要内容
▪ 电磁波与电磁辐射 ▪ 太阳辐射及大气对辐射的影响 ▪ 地球的辐射及地物波谱
2020/7/24
电磁波
▪ 电磁波：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，使电磁 振荡在空间传播。
▪ 电磁波在传播中遵循波的反射、折射、衍射、干涉、
2020/7/24
2020/7/24 ASD FieldSpec Pro FRTM光谱仪
冠层光谱测定
光谱观测时间为 10:30~14:00
2020/7/24
多方位、多角度光谱测定
2020/7/24
地物反射率公式 ：
2020/7/24
反射波谱特性曲线的应用举例
2020/7/24
➢地物的光谱特性一般随时间季节变化，为时间效应； ➢处在不同区域的同种地物具有不同的光谱，为空间效应。
பைடு நூலகம்
2020/7/24
温度下的黑体波谱辐射曲线
斯忒藩－玻耳兹曼定律：
：为斯忒藩一玻耳兹曼常数 T ：为绝对黑体的绝对温度（K）
2020/7/24
维恩位移定律:
分谱辐射能量密度的峰值波长 随温度增加向短波方向移动 黑体的绝对温度增高时，它的最大辐射本领向短波方向位移
2020/7/24
2020/7/24
地物反射
➢ 3种形式：镜面反射、漫反射、方向反射
2020/7/24
➢ 光谱特征或波谱特征
• 定义：物质在电磁波相互作用下，由于电子跃迁，原子，
分子振动与转动等复杂作用，会在某些特定的波长位置形 成反映物质成份和结构信息的光谱吸收和反射特征。
• 作用：遥感方法探测各种物质性质和形状的重要依据； 植物光谱诊断的基础。
《遥感技术基础》第2章 电磁波与地 物电磁波特性
本节主要内容
▪ 电磁波与电磁辐射 ▪ 太阳辐射及大气对辐射的影响 ▪ 地球的辐射及地物波谱
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电磁波
▪ 电磁波：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，使电磁 振荡在空间传播。
▪ 电磁波在传播中遵循波的反射、折射、衍射、干涉、
2020/7/24
2020/7/24 ASD FieldSpec Pro FRTM光谱仪
冠层光谱测定
光谱观测时间为 10:30~14:00
2020/7/24
多方位、多角度光谱测定
2020/7/24
地物反射率公式 ：
2020/7/24
反射波谱特性曲线的应用举例
2020/7/24
➢地物的光谱特性一般随时间季节变化，为时间效应； ➢处在不同区域的同种地物具有不同的光谱，为空间效应。
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。
第二章-遥感的物理基础简
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
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。
❖ 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。
❖ 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
❖ 地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改 变而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物 波谱。
❖ 地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种 表现。
❖ 地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波响 应的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地 物的基础。
臭氧的总含量具有明显的地域分布特征及季节 变化，在赤道上空臭氧含量最少，在高纬度地 区60 °～70°区域内达到极大值。
70年代，近极地上空臭氧层厚度是很大的，但 随着时间发展，臭氧层厚度逐渐在减小，目前 在南极上空已形成臭氧空洞。
大气成分
大气是由多种气体及气溶胶所组成的混合 物。 气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4， O3 气溶胶 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）。
（1）电 磁波与电磁波谱
红电外磁目和波前微遥波谱感波技谱术区中间通。常由采于用它的们电的磁波波长位或于频可率见不光同、，
不按同电电磁磁波波又波表长现的出长各短自，的依特性次和排特列点制。成可的见图光表、红叫 电外磁和微波波谱遥。感，就是利用不同电磁波的特性。电磁波 与主依要地次内物为容相。：互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的
电磁波谱
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。
❖ 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。
❖ 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
❖ 地物波谱：地物的电磁波响应特性随电磁波长改 变而变化的规律，称为地表物体波谱，简称地物 波谱。
❖ 地物波谱特性是电磁辐射与地物相互作用的一种 表现。
❖ 地物波谱的作用：不同类型的地物，其电磁波响 应的特性不同，因此地物波谱特征是遥感识别地 物的基础。
臭氧的总含量具有明显的地域分布特征及季节 变化，在赤道上空臭氧含量最少，在高纬度地 区60 °～70°区域内达到极大值。
70年代，近极地上空臭氧层厚度是很大的，但 随着时间发展，臭氧层厚度逐渐在减小，目前 在南极上空已形成臭氧空洞。
大气成分
大气是由多种气体及气溶胶所组成的混合 物。 气体：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4， O3 气溶胶 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）。
（1）电 磁波与电磁波谱
红电外磁目和波前微遥波谱感波技谱术区中间通。常由采于用它的们电的磁波波长位或于频可率见不光同、，
不按同电电磁磁波波又波表长现的出长各短自，的依特性次和排特列点制。成可的见图光表、红叫 电外磁和微波波谱遥。感，就是利用不同电磁波的特性。电磁波 与主依要地次内物为容相。：互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的
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
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辐射出射度和辐照度都是辐射通量密度的概念，不同的是，辐射出射
度为物体发出的辐射，而辐照度为物体接收的辐射。
14
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黑体辐射
绝对黑体：对任何波长的电磁辐射全部吸收的物体 黑体辐射的普朗克公式：
M , t
2 hc 2
5
1 ehc / kT 1
h: 普朗克常数＝6.6260755*10-34W· s2 k: 玻尔兹曼常数=1.380658*10-23 W· s· K-1 c: 光速; λ: 波长（μm）; T: 绝对温度（K） 左图为不透明的空腔，几乎吸收了所 有入射光线，可视为理想黑体。 15
2
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课程回顾
3
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3
2.1 电磁波谱与电磁辐射
电磁波及其特性
电磁波谱
电磁辐射源
黑体辐射
实际物体的辐射
4
西安电子科技大学
4
电磁波的概念
电磁波：电磁场在空间的交替变化和传播 电磁辐射：电磁能量（电磁波）的传递过程 电磁性质（8种）
1.电磁波是横波；2.在真空中以光速传播；3.波长与频率 关系： λ× f = c；4.波粒二象性；5.波的干涉现象；6.衍 射现象；7.波的偏振现象；8.多普勒效应
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11
电磁辐射的度量
（1）辐射能量 Q：以电磁波形式传播的能量，单位为
Jቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（2）辐射通量 ：单位时间内通过某一面积的辐射能量， 单位为
W
Q t
（3）辐射强度 I ：点辐射源在某方向上单位立体角内所发射 的辐射通量，单位为 W sr 1
I lim 0
遥 感 技 术
授课老师： 周 峰
Email：fzhou@
1
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第二章 电磁辐射与地物光谱特征
主要内容：
电磁波谱与电磁辐射 太阳辐射及大气对辐射的影响 地球的辐射与地物波谱 地物反射或辐射的电磁波信息是遥感成像的基础， 也是遥感影像判读、处理、分析的依据。
21
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基尔霍夫定律的意义 在一定温度下，任何物体单位面积上的辐射通量 W与吸收率之比，是常数，并等于该温度下同面 积黑体辐射通量W黑 W W W黑 W黑 发射率等于吸收率
好的吸收体也是好的发射体 如果不吸收某些波长的电磁波，则也不发射该波长的电 磁波
22
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基尔霍夫定律的意义
23
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地物波谱曲线
即一地物对不同波长测出对应于该波长的光谱辐射出射度所 绘制的曲线。
24
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例题
2 1.已知太阳表面的辐射出射度为 M 6.284，求太阳的有效温度和太阳光 107 W m 谱中辐射最强波长？
太阳
黑体
根据斯 玻定律： M T 4 4
根据恩位移定律：
max T b max
M 5770 K T b 0.50 m T
2.金属材料接近于灰体，已知已氧化的铜表面的温度为1000K，比辐射率 （吸收率为0.7），求该物体的总辐射出射度。 金属为实际物体
黑体为量温标准
利用斯—玻定律和基尔霍夫定律求解
25
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12
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（4）辐射亮度 I：扩展源在某方向上单位投影面积向单位立 体角反射的辐射通量，单位为 W m2 sr 1
2 I lim A 0, 0 A 2 A 2 A cos
13
电磁波的4要素
1. 频率；2幅度；3.传播方向；4.偏振面；
电磁4要素的物理意义
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5
电磁波谱（Electromagnetic Spectrum）：
按电磁波在真空中传播的波长或频率，按大小顺序 排列就构成了电磁波谱。
6
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波段：
将电磁波谱划分成区间，每个区间为一个波段 γ射线、x射线、紫外线、可见光、红外线、微波、 无线电波等
全天时 微波： ，主动遥感、被动遥感、全天时、全天候 1mm ~ 1m
9
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电磁辐射源
1. 电磁辐射的来源 2. 电磁辐射的度量
10
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2. 电磁辐射的度量
辐射能量：以辐射形式发射、传输或接受的能 量。单位：焦耳(J) 辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能 量。单位：瓦特(W=J/S) 辐射通量密度：通过单位面积的辐射通量。单 位：W/m2 辐射强度：点辐射源在单位立体角内发出的辐 射通量。单位：W/Sr 辐射亮度：面状辐射源在某一方向、单位投影 表面、单位立体角内辐射通量。单位：W/Sr· m2
16
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黑体辐射的三个特性：
A. 辐射通量密度随波长连续变化，每
物体温度不同，曲线也不同， 虽然形状相似却不相交。
条曲线只有一个最大值。
B. 温度越高，辐射通量密度越大，不 同温度的曲线不同。 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。
17
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黑体辐射规律
太阳高度角（solar elevation）:
太阳光与该点水平面的夹角。成像时刻的太阳高度角可根据成像时刻 的时间、季节和地理位置来确定。
sinh sin sin cos cos cos t
：图像对应地质的地理纬度 ：成像时太阳垂直点的地理纬度 t ：时角（地区纬度与成像时太阳垂直点的地理纬度） 、 t ：可以由成像的季节日期计算得到
斯蒂芬—玻尔兹曼定律：
M M d
0
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。
W0
18
0
2 hc 2 1 4 d T 5 hc / kT e 1
31
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太阳是一个巨大的电磁辐射源
地球能量的主要来源是太阳 也是被动遥感最主要的辐射源
传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波，主 要是来自太阳辐射
太阳辐射的波长范围很广
从小于10-14m的γ射线，到大于10Km的无线 电波
32
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太阳辐射的特点
波长/µm 小于10-3 10-3-0.2 0.2-0.31 0.31-0.38 0.38-0.76 0.76-1.5 1.5-5.6 5.6-1000 大于1000 波段名称 X、γ射线 远紫外 中紫外 近紫外 可见光 近红外 中红外 远红外 微波 能量比例/%
7
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波段 长波 中波和短波 超短波 微波 红 外 波 段 超远红外 远红外
波长 大于3Km 10-3Km 1-10m 1mm-1m 15-1000µm 6-15µm
中红外
近红外 红光
3-6µm
0.76-3µm 0.62-0.76µm
橙
黄
0.59-0.62µm
0.56-0.59µm 0.50-0.56µm 0.47-0.50µm 0.43-0.47µm 0.38-0.43µm 1nm-0.38µm 10-3ns-1ns 10-3 ns
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（5）辐射出射度 ：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量， M 单位为 W m 2
M lim A0 A A （6）辐照度 ：被照物体表面单位面积上接收到的辐射通量， E 单位是 W m 2 E lim A0 A A
为了减小太阳高度角的影响，遥感卫星轨道大多设计成在每天 的同一 时间通过同
一地方上空，但季节变化和地理纬度的差异 造成太阳高度角和方位角的变化是不可
30避免的。
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大气上界的太阳辐射强度取决于太阳的高度角、日地距离和日照时间 太阳高度角或纬度：太阳高度角越大，穿越大气的路径就越短，到达 地面的太阳辐射越强;太阳高度角越大，等量太阳辐射散布的面积越小， 太阳辐射越强。例如，中午的太阳辐射强度比早晚的强。 海拔高度：海拔越高空气越稀薄，则到达地面的太阳辐射越强。例如， 青藏高原是我国太阳辐射最强的地区。 天气状况：晴天云少，对太阳辐射的削弱作用小，到达地面的太阳辐 射强。例如四川盆地多云雾阴雨天气，太阳辐射成为我国最低值区。 大气透明度：大气透明度高则对太阳辐射的削弱作用小，使到达地 面的太阳辐射强。污染重，则对太阳辐射消弱强，到达地面太阳辐射少。 白昼时间的长短 大气污染的程度 太阳辐射活动：小于1%
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实际地物的辐射
基尔霍夫定律：在热平衡条件下，所有物体在给定温度下，对某一波 长来说，物体反射本领和吸收本领的比值与物体自身的性质无关，它对 一切物体都是一个恒量。
M1 , T M 2 , T M n ,T 1 , T 2 , T n ,T M B ,T M B ,T B ,T
2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响
太阳辐射特性
大气特性 大气吸收 大气散射 大气窗口及透射分析
26
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26
1、太阳辐射
太阳常数：指不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳 光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量。
I 1.360 103W / m2
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黑体（绝对黑体） 对任何波长的电磁辐射全部吸收的物体 吸收率=100％；反射率=0％；透射率=0％ 是理想的吸收体，自然界不存在 黑色的烟煤，吸收率=99% 是实际吸收体的比较标准 黑体辐射(Black Body Radiation ) 黑体的热辐射称为黑体辐射 黑体是理想的发射体，在同样的温度下，各个方向上， 黑体所发射的各波长的辐射能比任何其它物体都多
度为物体发出的辐射，而辐照度为物体接收的辐射。
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黑体辐射
绝对黑体：对任何波长的电磁辐射全部吸收的物体 黑体辐射的普朗克公式：
M , t
2 hc 2
5
1 ehc / kT 1
h: 普朗克常数＝6.6260755*10-34W· s2 k: 玻尔兹曼常数=1.380658*10-23 W· s· K-1 c: 光速; λ: 波长（μm）; T: 绝对温度（K） 左图为不透明的空腔，几乎吸收了所 有入射光线，可视为理想黑体。 15
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2.1 电磁波谱与电磁辐射
电磁波及其特性
电磁波谱
电磁辐射源
黑体辐射
实际物体的辐射
4
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4
电磁波的概念
电磁波：电磁场在空间的交替变化和传播 电磁辐射：电磁能量（电磁波）的传递过程 电磁性质（8种）
1.电磁波是横波；2.在真空中以光速传播；3.波长与频率 关系： λ× f = c；4.波粒二象性；5.波的干涉现象；6.衍 射现象；7.波的偏振现象；8.多普勒效应
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电磁辐射的度量
（1）辐射能量 Q：以电磁波形式传播的能量，单位为
Jቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（2）辐射通量 ：单位时间内通过某一面积的辐射能量， 单位为
W
Q t
（3）辐射强度 I ：点辐射源在某方向上单位立体角内所发射 的辐射通量，单位为 W sr 1
I lim 0
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第二章 电磁辐射与地物光谱特征
主要内容：
电磁波谱与电磁辐射 太阳辐射及大气对辐射的影响 地球的辐射与地物波谱 地物反射或辐射的电磁波信息是遥感成像的基础， 也是遥感影像判读、处理、分析的依据。
21
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基尔霍夫定律的意义 在一定温度下，任何物体单位面积上的辐射通量 W与吸收率之比，是常数，并等于该温度下同面 积黑体辐射通量W黑 W W W黑 W黑 发射率等于吸收率
好的吸收体也是好的发射体 如果不吸收某些波长的电磁波，则也不发射该波长的电 磁波
22
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基尔霍夫定律的意义
23
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地物波谱曲线
即一地物对不同波长测出对应于该波长的光谱辐射出射度所 绘制的曲线。
24
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例题
2 1.已知太阳表面的辐射出射度为 M 6.284，求太阳的有效温度和太阳光 107 W m 谱中辐射最强波长？
太阳
黑体
根据斯 玻定律： M T 4 4
根据恩位移定律：
max T b max
M 5770 K T b 0.50 m T
2.金属材料接近于灰体，已知已氧化的铜表面的温度为1000K，比辐射率 （吸收率为0.7），求该物体的总辐射出射度。 金属为实际物体
黑体为量温标准
利用斯—玻定律和基尔霍夫定律求解
25
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（4）辐射亮度 I：扩展源在某方向上单位投影面积向单位立 体角反射的辐射通量，单位为 W m2 sr 1
2 I lim A 0, 0 A 2 A 2 A cos
13
电磁波的4要素
1. 频率；2幅度；3.传播方向；4.偏振面；
电磁4要素的物理意义
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5
电磁波谱（Electromagnetic Spectrum）：
按电磁波在真空中传播的波长或频率，按大小顺序 排列就构成了电磁波谱。
6
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波段：
将电磁波谱划分成区间，每个区间为一个波段 γ射线、x射线、紫外线、可见光、红外线、微波、 无线电波等
全天时 微波： ，主动遥感、被动遥感、全天时、全天候 1mm ~ 1m
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电磁辐射源
1. 电磁辐射的来源 2. 电磁辐射的度量
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2. 电磁辐射的度量
辐射能量：以辐射形式发射、传输或接受的能 量。单位：焦耳(J) 辐射通量：单位时间内通过某一面积的辐射能 量。单位：瓦特(W=J/S) 辐射通量密度：通过单位面积的辐射通量。单 位：W/m2 辐射强度：点辐射源在单位立体角内发出的辐 射通量。单位：W/Sr 辐射亮度：面状辐射源在某一方向、单位投影 表面、单位立体角内辐射通量。单位：W/Sr· m2
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黑体辐射的三个特性：
A. 辐射通量密度随波长连续变化，每
物体温度不同，曲线也不同， 虽然形状相似却不相交。
条曲线只有一个最大值。
B. 温度越高，辐射通量密度越大，不 同温度的曲线不同。 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。
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黑体辐射规律
太阳高度角（solar elevation）:
太阳光与该点水平面的夹角。成像时刻的太阳高度角可根据成像时刻 的时间、季节和地理位置来确定。
sinh sin sin cos cos cos t
：图像对应地质的地理纬度 ：成像时太阳垂直点的地理纬度 t ：时角（地区纬度与成像时太阳垂直点的地理纬度） 、 t ：可以由成像的季节日期计算得到
斯蒂芬—玻尔兹曼定律：
M M d
0
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。
W0
18
0
2 hc 2 1 4 d T 5 hc / kT e 1
31
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太阳是一个巨大的电磁辐射源
地球能量的主要来源是太阳 也是被动遥感最主要的辐射源
传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波，主 要是来自太阳辐射
太阳辐射的波长范围很广
从小于10-14m的γ射线，到大于10Km的无线 电波
32
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太阳辐射的特点
波长/µm 小于10-3 10-3-0.2 0.2-0.31 0.31-0.38 0.38-0.76 0.76-1.5 1.5-5.6 5.6-1000 大于1000 波段名称 X、γ射线 远紫外 中紫外 近紫外 可见光 近红外 中红外 远红外 微波 能量比例/%
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波段 长波 中波和短波 超短波 微波 红 外 波 段 超远红外 远红外
波长 大于3Km 10-3Km 1-10m 1mm-1m 15-1000µm 6-15µm
中红外
近红外 红光
3-6µm
0.76-3µm 0.62-0.76µm
橙
黄
0.59-0.62µm
0.56-0.59µm 0.50-0.56µm 0.47-0.50µm 0.43-0.47µm 0.38-0.43µm 1nm-0.38µm 10-3ns-1ns 10-3 ns
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（5）辐射出射度 ：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量， M 单位为 W m 2
M lim A0 A A （6）辐照度 ：被照物体表面单位面积上接收到的辐射通量， E 单位是 W m 2 E lim A0 A A
为了减小太阳高度角的影响，遥感卫星轨道大多设计成在每天 的同一 时间通过同
一地方上空，但季节变化和地理纬度的差异 造成太阳高度角和方位角的变化是不可
30避免的。
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大气上界的太阳辐射强度取决于太阳的高度角、日地距离和日照时间 太阳高度角或纬度：太阳高度角越大，穿越大气的路径就越短，到达 地面的太阳辐射越强;太阳高度角越大，等量太阳辐射散布的面积越小， 太阳辐射越强。例如，中午的太阳辐射强度比早晚的强。 海拔高度：海拔越高空气越稀薄，则到达地面的太阳辐射越强。例如， 青藏高原是我国太阳辐射最强的地区。 天气状况：晴天云少，对太阳辐射的削弱作用小，到达地面的太阳辐 射强。例如四川盆地多云雾阴雨天气，太阳辐射成为我国最低值区。 大气透明度：大气透明度高则对太阳辐射的削弱作用小，使到达地 面的太阳辐射强。污染重，则对太阳辐射消弱强，到达地面太阳辐射少。 白昼时间的长短 大气污染的程度 太阳辐射活动：小于1%
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实际地物的辐射
基尔霍夫定律：在热平衡条件下，所有物体在给定温度下，对某一波 长来说，物体反射本领和吸收本领的比值与物体自身的性质无关，它对 一切物体都是一个恒量。
M1 , T M 2 , T M n ,T 1 , T 2 , T n ,T M B ,T M B ,T B ,T
2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响
太阳辐射特性
大气特性 大气吸收 大气散射 大气窗口及透射分析
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1、太阳辐射
太阳常数：指不受大气影响，在距太阳一个天文单位内，垂直于太阳 光辐射方向上，单位面积单位时间黑体所接收的太阳辐射能量。
I 1.360 103W / m2
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黑体（绝对黑体） 对任何波长的电磁辐射全部吸收的物体 吸收率=100％；反射率=0％；透射率=0％ 是理想的吸收体，自然界不存在 黑色的烟煤，吸收率=99% 是实际吸收体的比较标准 黑体辐射(Black Body Radiation ) 黑体的热辐射称为黑体辐射 黑体是理想的发射体，在同样的温度下，各个方向上， 黑体所发射的各波长的辐射能比任何其它物体都多