遥感物理基础概念
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遥感原理与应用
第一章遥感物理基础1 遥感：即遥远感知，在不接触的情况下，对目标或自然现象远距离探测和感知的一门技术。
具体讲，是在高空和外层各种平台上，运用各种传感器获取反映地表特征的各种数据，通过传输，变换，和处理，提取有用的信息，实现研究第五空间形状.位置.性质.变化及其与环境互相关系的一门现代运用技术科学。
2电磁波谱：把各种电磁波按照波长或频率的大小依次排列，就形成了电磁波谱。
3绝对黑体：能够完全吸收任何波长入射能量的物体4灰体：在各种波长处的发射率相等。
5色温：用嘴接近回头辐射曲线的黑体辐射曲线作为参照，这是的黑体辐射温度。
6大气窗口：电磁波有些波段通过大气层时减弱较少，透过率较高，这些电磁波段被称为大气窗口。
7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。
8光谱反射率：物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比。
9波粒二象性：电磁波具有波动性和粒子性。
10光谱反射特性曲线：发射波普是某物体的反射率随波长的变化规律，以波长为横轴，反射率为纵轴的曲线。
11.地物波普特性：是指各种地物各自所具有的电磁波特性，包括发射辐射和反射辐射。
二．简答1黑体辐射遵循哪些规律？（1）凡是吸收热辐射能力强的物体，它的热发射能力也强。
凡是吸收热辐射能力弱的物体他们的热发射能力也弱（1）普朗克定律：（2）斯忒藩-波耳兹曼定律：（3）基尔霍夫定律：（4）瑞利-琴斯定律：5）维恩位移定律：2电磁波谱由哪些不同特性的电磁波段组成？遥感中所用的电磁波段主要有哪些？电磁波包含了从波长最短的r射线到最长的无线电波段，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。
遥感中所用的为从紫外线到微波波段，包括紫外线、可见光、红外波段、微波波段。
3、物体的辐射通量密度与哪些因素有关？常温下黑体的辐射峰值波长是多少？a.温度和波长利用波长乘温度=2897.84叙述沙土、植物、和水的光谱反射率随波长变化的一般规律。
自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值，一般来讲土壤的光谱特性曲线与一下因素有关，即土壤类别、含水量、有几只含量、砂等含量有关。
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。
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
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冯新伟
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冯新伟
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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%）。
遥感复习总结
遥感复习总结遥感复习总结（⽶杏当年⾃⼰总结的哈，标红是重点，当年还是很多考到了的，不过重点还是看那份卷⼦，绝⼤部分考原题，还有⼀定⼀定要重视最后⼀次实验，当年最后⼀道题就是考最后⼀次实验，还有复习的时候也把每次的实验看⼀下）第⼀章：绪论⼀、遥感的基本概念即遥远的感知。
利⽤探测仪器，在不直接接触的情况下，收集⽬标或⾃然现象的电磁波信息，对电磁波信息进⾏处理和分析，从⽽获取事物特性的综合性探测技术。
⼆、遥感系统包括被测⽬标的信息特征、信息的获取（遥感平台、遥感器）、信息的传输与记录（信息传输和接收设备）、信息的处理（图像处理设备）和信息的应⽤⼯作原理：⽬标地物通过发射、反射（太阳辐射）和回射（雷达）作⽤发出电磁波信号，装载在遥感平台上的遥感器接受和获取信息源的电磁波信号，记录在数字磁介质或胶⽚上，送⾄地⾯回收或传输给地⾯的卫星接收站，进⾏⼀系列的信息处理（如光学处理、计算机处理、解译），转换成可供⽤户使⽤的数据格式。
三、遥感的分类☆按遥感平台分类：近地⾯遥感、航空遥感、航天遥感。
☆按传感器的探测波段分类：紫外、可见光、红外、微波。
☆按⼯作⽅式分类：主动遥感：由探测器主动发射⼀定电磁波能量并接收⽬标的反向散射信号。
被动遥感：传感器不向⽬标发射电磁波，仅被动接收⽬标物的⾃⾝发射和对⾃然辐射源的反射能量。
☆按资料记录形式分类：成像⽅式、⾮成像⽅式。
☆按应⽤领域分类：陆地遥感、海洋遥感、农业遥感、城市遥感……四、遥感的特点☆感测范围⼤，具有综合、宏观的特点。
☆信息量⼤，具有⼿段多，技术先进的特点。
☆获取信息快，更新周期短，具有动态监测特点。
☆遥感还具有⽤途⼴，效益⾼的特点。
五、遥感技术发展简况遥感技术发展趋势：3 全（全天候、全天时、全球）3 ⾼（⾼空间、⾼光谱、⾼时间分辨率）3个结合（⼤-⼩卫星，航空-航天，技术-应⽤）六、遥感技术应⽤领域：林业、农业、⽔⽂与海洋产业、国⼟资源、⽓象、环境监测、测绘、城市、考古、军事、突发事件等。
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
遥感的物理基础
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（云造成噪声）。
遥感基础与应用
大气窗口
不同波段的电磁波受到大气的衰减作用轻重不 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。
遥感传感器选择的探测波段应包含在大气窗口 之内。
(2) 地物的发射光谱特性
同一地物，其表面粗糙或颜色较深的，发射率 往往较高，反之，发射率则较小。
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。
例如水体，在白天水面光滑明亮，表面反射强 而温度较低，发射率亦较低；而夜间，水的比 热大，热惯量也高，故而发射率较高。
遥感基础与应用
结果输出（图、表）
接收 预处理
用户处 理应用
遥感基础与应用
太阳辐射曲线
太阳辐射的能量主要集中 在可见光，其中0.38 ～ 0.76 µ m的可见光能量占太阳辐射 总能量的46%，最大辐射强 度位于波长0.47 µ m左右； 到达地面的太阳辐射主要 集中在0.3 ～ 3.0 µ m波段，
包括近紫外、可见光、近
土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在 水的各个吸收带（1.4um、1.9um、2.7um处附近 区间），反射率的下降尤为明显。
遥感基础与应用
三种不同类型土壤在干燥环境下的光谱曲线
水的吸收带（1.4um、1.9um、2.7um） 干燥土壤的波谱特征主要 与土壤物质组成（成土矿 物和土壤有机质）有关。 土壤含水量增加，土壤的 反射率就会下降，
遥感基础与应用
不同地物的反射波谱特征
遥感基础与应用
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
遥感教案 1第一章 电磁波及遥感物理基础
遥感概念的理解
遥感:遥远的感知,是在不直接接触的情况下,对 目标或自然现象远距离探测和感知的一种技术. 一般指的是电磁波遥感.
全球昼夜温差
98年长江洪水的遥感监测 （雷达与TM影象的复合）
北京地区4米遥感影图 （美国SPACE IMAGE 公司的IKONOS卫星）
北京地区1米遥感影象图 （同时也发布了北朝鲜导弹基地的 1米影象图）
.平流层(stratosphere) 厚度 从对流层顶向上，一直到55km左右为平 流层。这一层集中了大气中的大部分臭氧， 空气密度很小。 气温随高度而升高；平流层顶气温可达3 —-17℃ 空气以水平运动为主，气流运行平稳，没 有强烈的对流 水汽和尘埃很少，很少有云，透明度好
4.热层(thermosphere) 从中 间层顶向上，到大约800km左右为热层 （又称热成层、暖层）。其主要特点有： 气温随高度而升高；300km处气温可达 1000℃，顶部可高达2000℃ 空气在强烈的太阳紫外线与宇宙射线作用 下处于高度电离状态，故又称为电离层 （ionosphere）
M B (T) = 0 M Bl (T) dl
由实验及理论都可以得到斯忒藩—玻尔兹曼定律
M B (T ) = s T
s=
8
4
2 4
5.67 10 w.m .K
推导2 维恩（Wien)位移定律
M B（T） 最大值所对应的波长为 λ λ
维恩位移定律:
M Bλ（T）
m
Tλ
m
=
b
-3
b = 2.897 10 m . K
C 同类地物的反射光谱具有相似性，但也 有差异性。（不同植物）并且地物的光 谱特性具有时间特性和空间特性。
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伽马
波段响应函数Γ(λ)是遥感器的固有参数。仪器 出厂时，厂家会给出遥感器各个波段的响应函 数曲线（可以从说明书中查到）；在遥感器运 行过程中，随着仪器的磨损，包括波段响应函 数在内的许多光学参数都可能发生变化。
半波高，响应50％处 算作有效信号
例：MODIS 32（11.77-12.27μm）波段响应函数
前向通量、后向通量；向上通量、向下通量
各向同性辐射时亮度与通量的关系
10/14
假设地表为各向同性辐射，即辐射亮度在各方 向分布均一，则其垂直地表向上的辐射通量为 ：
dΩ = dσ/r2 =dcosθdφ=sinθdθdφ
微分立体角dΩ展开
r dφ
dσ (球体表面微分面积元)
沿经线边长：r dθ ；沿纬线边长：r sinθ dφ 因此：dσ= r2 sinθdθdφ dΩ = dσ/r2 = sinθdθdφ
波段响应函数（Spectral Response Function/Curve）
辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）
5/14
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
Φ (λ) = Φ / λ
射 通
量
波长
分谱辐射通量的单位是瓦/微米（W/μm）
λ1- λ2间隔内的 Φ(λ1- λ2)? 总辐射通量Φ ？
6/14
分谱？？？
大气窗口
0%
0.3 μm 1.0 μm 3.0 μm 10.0 μm
1 mm
1 cm
1m
紫外 近红外
可见
氢原子的大小约为1.04埃
中红外
热红外
Ka K Ku X C S L P 微波
遥感分类
依据所感应的电磁波波长，可以将遥感 分为：
• 光学遥感 0.4 μm - 2.5 μm • 热红外遥感 8 μm - 14 μm • 微波遥感 1 mm – 1 m
L L(, s, t, , p)
当遥感以数据形式记录电磁波信号时，数据本身就 隐含了一定的电磁波特性，例如以特定波长的特定 偏振状态在特定时间和特定观测方向上记录特定空 间范围内的电磁波通量或强度。所以我们所获取的 遥感数据通常是反映目标物特征的全部电磁波信息 的一个子集。
该数据通过转换，可以反射率表示：
F 0()()d
F0 0
0 ()d
以上三个例子中的积分式在数值运算时都可以用加法 替代，上下限可以用给出的Γ(λ)的上下限替代，dλ用 △λ（即Γ函数中的每一小段波长间隔）替代。
冲击(激)函数（Impulse Function）
冲击函数δ是狄拉克最初提出并定义的，所以又 称狄拉克函数。在信号处理中被广泛应用，反映 一种持续时间极短、函数值极大的信号类型。 在定量遥感中通常用来描述物理量只在某一个方 向上存在，以δ(Ω,Ω’)表示。
R R(, s, t, , p)
由上式可以看出，遥感数据是波长、空间位置s、 时间t、观测方向和偏振状态p的函数。
由此我们可以定义遥感数据的五种基本特征，即光
谱特征、空间特征、时间特征、角度特征和偏振特
征。
有且只有五种特征，正 交，独立
如果我们固定其它特征，而变化某一特征时，就得 到在相应特征维上展开的遥感数据子集。如:
δ
Ω’
Ω
Ω’
Ω
此时冲击函数单位为球面度Sr的倒数，具有性质：
( , ')
, 0,
' '
(,') d1 4
冲击函数具有抽样特性，设某函数 A(Ω)与冲击函数相 乘，并对 4π空间积分，则有：
4 A() (,')d A(')
积分结果得到了函数 A(Ω)在Ω’方向（冲击方向）的函 数值，即将该函数在该方向的值抽取出来，因此称为 抽样特性。
• 在光谱维上展开的多光谱遥感数据 • 在时间维上展开的多时相遥感数据
multi direction
多角度遥感数据是在角度维上展开的遥感数据，它 与在其它特征维上展开的遥感数据共同构成多维遥 感数据。因此集中反映了遥感数据角度特征的多角 度遥感数据是多维遥感数据集合的一个子集，即：
R R
辐射能量（Q）的单位是焦耳（J）
2/14
辐射通量 (radiant flux) Φ
在单位时间内通过的辐射能量称为辐射 通量：
Φ=Q/ t
辐射通量（Φ）的单位是瓦特=焦耳/秒 （W=J/S）
3/14
辐射通量密度 (irradiance) E、(radiant exitance) M
单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度： E辐照度= Φ / A M辐出度= Φ / A
遥感科学
第二章 遥感基础概念
第一节 遥感常用术语 第二节 遥感数据基本特征 第三节 表征电磁辐射的物理量 第四节 物体表面的反射特性 第五节 遥感数据定标中的定量化
1/14
辐射能量 Q
电磁辐射是具有能量的，它表现在：
• 使被辐照的物体温度升高 • 改变物体的内部状态 • 使带电物体受力而运动 ……
入射
反射
反射与透射区别在于电磁 波出射的方向：2π？
吸收使电磁波强度减弱
透射
在热红外和微波区域，还存 在介质自身发射的电磁波， 增强电磁波强度。
地物反射光谱特性
由于物体自身成分和结构特点，对于不同波长 的电磁波有选择性的反射。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？
Sensor AVHRR MVISR
JAMI S-VISSR
ETM HRV MODIS
依据遥感平台种类，可以将遥感分为：
• 地面遥感 • 机载遥感 • 星载遥感
电磁波的散射和吸收
当电磁波在介质中传播时，会发生散射 (scattering)和吸收(absorption)，其中散射又 造成反射(reflection)和透射(transmission)。
窄波段数据可以假设为方波，假设光谱仪测试的反射 率数据为ρ(λ)，则拟合到具有响应函数Γ(λ)的某一宽 波段上的反射率为：
()()d
0
0 ()d
例3 计算某一遥感器波段的太阳辐射
由于遥感器接收的是地物的辐射亮度，因此该工作主 要用于推导某一遥感器波段上的地物反射率。反射率 定标过程中离不开这一方法。假设已知太阳辐射分布 F0(λ)，则在具有响应函数Γ(λ)的某一波段上的太阳辐 射为：
综合上述，我们可以定义一个电磁波，形如函数：
F (L, , s, t, , p) 0 方向
式中，L、 分别为电磁波强度和波长，s、t 分别 为电磁波的空间和时间位置， 为电磁波传输电磁波的强度信息， 通过量化，以数据形式记录下来。变换前式，即得 到：
水体+叶绿素？ 水体+泥沙？ 新雪、旧雪？
地物波谱（特性）
分辨率
• 空间分辨率：平台高度、遥感器瞬时视 场角(IFOV)、成像角度
• 时间分辨率：轨道周期、覆盖范围 • 光谱分辨率：遥感器设计
例： 1. OMIS: 3mrad，1000m, 机下与斜视45度时的空间分辨率？
NOAA-AVHRR瞬时视场角（星下点1.1km, 卫星高700km)? 2. TM、AVHRR重复周期的区别 3. OMIS，0.4-1.1μm范围内64通道，光谱分辨率？
电磁波特性
可以用下列三个参量描述一个电磁波，即： • 强度（振幅） • 波长 • 偏振（极化）程度
此外，为表述电磁波在四维时空的位置及其传输
规律，还需要引入四个参量， 即：
• 时间 • 空间位置（同时包括了相位信息） • 传输方向 • 传输速度
上述七个参量中，除传输速度固定（光速）外， 改变任何一项都可以完整地定义一个新的电磁波， 因此称这六个参量为电磁波的六种特性，即强度 特性、波长特性、偏振特性、时间特性、空间特 性和方向特性。
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小结
辐射度量一览表
辐射量 符号
定义
单位
辐射能量 Q
焦耳(J)
辐射通辐量射通量密Φ度 辐照度 E
(2) Q/ t( λ) (2) Φ / A ( λ)
瓦(W) 瓦/米²(W/m²)
辐出度 M
(2) Φ / A ( λ)
瓦/米²(W/m²)
辐射强度 I
(2) Φ / Ω ( λ) 瓦/球面度(W/Sr)
遥感科学
第二章 遥感基础概念
第一节 遥感常用术语 第二节 遥感数据基本特征 第三节 表征电磁辐射的物理量 第四节 物体表面的反射特性 第五节 遥感数据定标中的定量化
遥感数据的特征
针对复杂的地表状况和变化规律，遥感数据 中存在着多种与目标有关的特征。
遥感是利用电磁波对目标物进行信息采集的， 电磁波在介质中传输时，会与介质发生相互 作用而改变特性，通过观测分析遥感所获取 的电磁波特性，可以识别目标及目标物存在 的环境。因此分析遥感数据的各种特征必须 从分析电磁波特性入手。
遥感器的某一波段可以探测一段波谱范围的信号，例 如MODIS 32通道可以感应11.77-12.27μm的信号。理 想的遥感器应该是“方波”，即对小于11.77μm 、大 于12.27μm的波谱信号响应度为0，而在两者之间的 信号响应度为1。
Γ
1
0 11.77
12.27
λ
理想的遥感器（以MODIS 32为例）
遥感科学
第二章 遥感基础概念
第一节 遥感常用术语 第二节 遥感数据基本特征 第三节 表征电磁辐射的物理量 第四节 物体表面的反射特性 第五节 遥感数据定标中的定量化
电磁波谱
电磁波信号是遥感研究的对象，区分电
磁波特性的主要因子之一是波长（频率）， 电磁波依据波长轴线的分布称为电磁波谱。
波段响应函数Γ(λ)是遥感器的固有参数。仪器 出厂时，厂家会给出遥感器各个波段的响应函 数曲线（可以从说明书中查到）；在遥感器运 行过程中，随着仪器的磨损，包括波段响应函 数在内的许多光学参数都可能发生变化。
半波高，响应50％处 算作有效信号
例：MODIS 32（11.77-12.27μm）波段响应函数
前向通量、后向通量；向上通量、向下通量
各向同性辐射时亮度与通量的关系
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假设地表为各向同性辐射，即辐射亮度在各方 向分布均一，则其垂直地表向上的辐射通量为 ：
dΩ = dσ/r2 =dcosθdφ=sinθdθdφ
微分立体角dΩ展开
r dφ
dσ (球体表面微分面积元)
沿经线边长：r dθ ；沿纬线边长：r sinθ dφ 因此：dσ= r2 sinθdθdφ dΩ = dσ/r2 = sinθdθdφ
波段响应函数（Spectral Response Function/Curve）
辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）
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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
Φ (λ) = Φ / λ
射 通
量
波长
分谱辐射通量的单位是瓦/微米（W/μm）
λ1- λ2间隔内的 Φ(λ1- λ2)? 总辐射通量Φ ？
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分谱？？？
大气窗口
0%
0.3 μm 1.0 μm 3.0 μm 10.0 μm
1 mm
1 cm
1m
紫外 近红外
可见
氢原子的大小约为1.04埃
中红外
热红外
Ka K Ku X C S L P 微波
遥感分类
依据所感应的电磁波波长，可以将遥感 分为：
• 光学遥感 0.4 μm - 2.5 μm • 热红外遥感 8 μm - 14 μm • 微波遥感 1 mm – 1 m
L L(, s, t, , p)
当遥感以数据形式记录电磁波信号时，数据本身就 隐含了一定的电磁波特性，例如以特定波长的特定 偏振状态在特定时间和特定观测方向上记录特定空 间范围内的电磁波通量或强度。所以我们所获取的 遥感数据通常是反映目标物特征的全部电磁波信息 的一个子集。
该数据通过转换，可以反射率表示：
F 0()()d
F0 0
0 ()d
以上三个例子中的积分式在数值运算时都可以用加法 替代，上下限可以用给出的Γ(λ)的上下限替代，dλ用 △λ（即Γ函数中的每一小段波长间隔）替代。
冲击(激)函数（Impulse Function）
冲击函数δ是狄拉克最初提出并定义的，所以又 称狄拉克函数。在信号处理中被广泛应用，反映 一种持续时间极短、函数值极大的信号类型。 在定量遥感中通常用来描述物理量只在某一个方 向上存在，以δ(Ω,Ω’)表示。
R R(, s, t, , p)
由上式可以看出，遥感数据是波长、空间位置s、 时间t、观测方向和偏振状态p的函数。
由此我们可以定义遥感数据的五种基本特征，即光
谱特征、空间特征、时间特征、角度特征和偏振特
征。
有且只有五种特征，正 交，独立
如果我们固定其它特征，而变化某一特征时，就得 到在相应特征维上展开的遥感数据子集。如:
δ
Ω’
Ω
Ω’
Ω
此时冲击函数单位为球面度Sr的倒数，具有性质：
( , ')
, 0,
' '
(,') d1 4
冲击函数具有抽样特性，设某函数 A(Ω)与冲击函数相 乘，并对 4π空间积分，则有：
4 A() (,')d A(')
积分结果得到了函数 A(Ω)在Ω’方向（冲击方向）的函 数值，即将该函数在该方向的值抽取出来，因此称为 抽样特性。
• 在光谱维上展开的多光谱遥感数据 • 在时间维上展开的多时相遥感数据
multi direction
多角度遥感数据是在角度维上展开的遥感数据，它 与在其它特征维上展开的遥感数据共同构成多维遥 感数据。因此集中反映了遥感数据角度特征的多角 度遥感数据是多维遥感数据集合的一个子集，即：
R R
辐射能量（Q）的单位是焦耳（J）
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辐射通量 (radiant flux) Φ
在单位时间内通过的辐射能量称为辐射 通量：
Φ=Q/ t
辐射通量（Φ）的单位是瓦特=焦耳/秒 （W=J/S）
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辐射通量密度 (irradiance) E、(radiant exitance) M
单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度： E辐照度= Φ / A M辐出度= Φ / A
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辐射能量 Q
电磁辐射是具有能量的，它表现在：
• 使被辐照的物体温度升高 • 改变物体的内部状态 • 使带电物体受力而运动 ……
入射
反射
反射与透射区别在于电磁 波出射的方向：2π？
吸收使电磁波强度减弱
透射
在热红外和微波区域，还存 在介质自身发射的电磁波， 增强电磁波强度。
地物反射光谱特性
由于物体自身成分和结构特点，对于不同波长 的电磁波有选择性的反射。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？
Sensor AVHRR MVISR
JAMI S-VISSR
ETM HRV MODIS
依据遥感平台种类，可以将遥感分为：
• 地面遥感 • 机载遥感 • 星载遥感
电磁波的散射和吸收
当电磁波在介质中传播时，会发生散射 (scattering)和吸收(absorption)，其中散射又 造成反射(reflection)和透射(transmission)。
窄波段数据可以假设为方波，假设光谱仪测试的反射 率数据为ρ(λ)，则拟合到具有响应函数Γ(λ)的某一宽 波段上的反射率为：
()()d
0
0 ()d
例3 计算某一遥感器波段的太阳辐射
由于遥感器接收的是地物的辐射亮度，因此该工作主 要用于推导某一遥感器波段上的地物反射率。反射率 定标过程中离不开这一方法。假设已知太阳辐射分布 F0(λ)，则在具有响应函数Γ(λ)的某一波段上的太阳辐 射为：
综合上述，我们可以定义一个电磁波，形如函数：
F (L, , s, t, , p) 0 方向
式中，L、 分别为电磁波强度和波长，s、t 分别 为电磁波的空间和时间位置， 为电磁波传输电磁波的强度信息， 通过量化，以数据形式记录下来。变换前式，即得 到：
水体+叶绿素？ 水体+泥沙？ 新雪、旧雪？
地物波谱（特性）
分辨率
• 空间分辨率：平台高度、遥感器瞬时视 场角(IFOV)、成像角度
• 时间分辨率：轨道周期、覆盖范围 • 光谱分辨率：遥感器设计
例： 1. OMIS: 3mrad，1000m, 机下与斜视45度时的空间分辨率？
NOAA-AVHRR瞬时视场角（星下点1.1km, 卫星高700km)? 2. TM、AVHRR重复周期的区别 3. OMIS，0.4-1.1μm范围内64通道，光谱分辨率？
电磁波特性
可以用下列三个参量描述一个电磁波，即： • 强度（振幅） • 波长 • 偏振（极化）程度
此外，为表述电磁波在四维时空的位置及其传输
规律，还需要引入四个参量， 即：
• 时间 • 空间位置（同时包括了相位信息） • 传输方向 • 传输速度
上述七个参量中，除传输速度固定（光速）外， 改变任何一项都可以完整地定义一个新的电磁波， 因此称这六个参量为电磁波的六种特性，即强度 特性、波长特性、偏振特性、时间特性、空间特 性和方向特性。
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辐射量 符号
定义
单位
辐射能量 Q
焦耳(J)
辐射通辐量射通量密Φ度 辐照度 E
(2) Q/ t( λ) (2) Φ / A ( λ)
瓦(W) 瓦/米²(W/m²)
辐出度 M
(2) Φ / A ( λ)
瓦/米²(W/m²)
辐射强度 I
(2) Φ / Ω ( λ) 瓦/球面度(W/Sr)
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遥感数据的特征
针对复杂的地表状况和变化规律，遥感数据 中存在着多种与目标有关的特征。
遥感是利用电磁波对目标物进行信息采集的， 电磁波在介质中传输时，会与介质发生相互 作用而改变特性，通过观测分析遥感所获取 的电磁波特性，可以识别目标及目标物存在 的环境。因此分析遥感数据的各种特征必须 从分析电磁波特性入手。
遥感器的某一波段可以探测一段波谱范围的信号，例 如MODIS 32通道可以感应11.77-12.27μm的信号。理 想的遥感器应该是“方波”，即对小于11.77μm 、大 于12.27μm的波谱信号响应度为0，而在两者之间的 信号响应度为1。
Γ
1
0 11.77
12.27
λ
理想的遥感器（以MODIS 32为例）
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电磁波谱
电磁波信号是遥感研究的对象，区分电
磁波特性的主要因子之一是波长（频率）， 电磁波依据波长轴线的分布称为电磁波谱。