第二章遥感物理基础综合讲解
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第03讲 遥感物理基础之二_太阳辐射
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地球大气对太阳辐射传输特性的遥感应用：
1.选择大气窗口。 2.认识大气传输对遥感图像判读的影响： ①大气散射使短波波段（如0.5-0.6μm）的地物 影像增加亮度，使景物反差减小； ②大气的吸收使长波波段（如0.8-1.1μ m）减低 亮度。 3.为图像恢复或辐射校正提供依据。
返 回
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思考题
1、大气的散射现象有几种类型？根据不同散射类 型的特点分析可见光遥感与微波遥感的区别，说 明为什么微波具有穿云透雾能力而可见光不能？ 2、综合论述太阳辐射传播到地球表面又返回到遥 感器这一整个过程中所发生的物理现象。
3、什么是大气窗口？大气窗口有哪些波段区间？
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河北工程大学 资源学院
遥感地质学
Remote Sensing Geology 遥感物理基础（2） －地球大气对太阳辐射传输的影响
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遥感地质学章节内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 绪论 遥感物理基础（电磁波谱与电磁辐射） 遥感成像原理与图像特征 遥感图像处理 遥感图像地质解译标志 遥感图像地貌解译 遥感图像的岩性解译 遥感图像构造解译 遥感应用
3）中红外波段3.0－5.0μm，3.5－4.2μm和4.6－5.0μm； •（ 地球大气对太阳辐射的传输影响有吸收作用、散 1、选择大气窗口。 电磁波通过地球大气层时较少被反射、吸收或散射，透 2 、认识大气传输对遥感图像判读的影响：①大气散射使短 射作用、反射作用和折射作用。 （ 4 ）远红外波段8.0－14.0μm； 过率较高的波段，称为大气窗口。
折射角度大。
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大气窗口
• 大气窗口 • 主要大气窗口和遥感波谱通道(波段)：P13表2-4 电磁波通过地球大气层时较少被反射、吸收或散射，透过率 （ 1） 0.3-1.3μm：紫外波段、可见光波段、近红外波段 较高的波段，称为大气窗口。 微波波段：其常用的波段为0.8cm，3cm，5cm，10cm等等, （2） 1.5-2.5μm：近红外波段 包括部分紫外（ 电磁波信息来自地面目标物的反射光谱；可以用摄影方式来获 0.3－0.38μm ）、全部可见光（ 0.38－0.76μm） 有时也可将该窗口扩展为 0.05cm 至300cm波段。 （3） 3.0-5.0μm：中红外波段 及近红外波段（ 得和记录地物的电磁波信息 0.76－1.3μm ；电磁波的透射率在 ），是摄影成像的最佳波段，也 90％以上。 近红外窗口，在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段， 电磁波信息仍来自地面目标物的反射光谱，但不能用胶片摄影， 其特点是：微波穿云透雾的能力强，这一区间可以全天候工作； 是许多卫星传感器扫描成像的常用波段，比如， Landsat 卫星 比如 TM 的 5 、 7 波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于 只能用扫描仪和光谱仪以及射线测试仪来测量和记录；由于水 （ 4 ） 814μm：远红外波段 中红外波段电磁波信息由地面物体反射太阳辐射和地面物体自 主要用于主动遥感，如侧视雷达。 中红外波段，物体的热辐射较强。如NOAA卫星的AVHRR传 的 TM 的1-4 波段，SPOT 卫星的 HRV 波段等。 地质制图等。 汽、二氧化碳等的作用， 1.8μm 附近有一个吸收带，因此使此 身的发射辐射混合而成，用扫描仪和光谱仪探测和记录；也分 （ 5 ） 0.8-100cm ：微波波段 感器用 3.553.93μm 探测海面温度，获得昼夜云图。 远红外波段：主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测 远红外波段：探测或记录目标物的发射光谱，利用扫描仪和热 窗口又分为两个小窗口 1.5－透过率为 1.75μm和 2.1 －2.4μm 。 透过率 为两个小窗口： 3.5 － 4.2μm 95 ％， 4.6 － 5μm 量探测目标的地物温度。 辐射计、光谱计；是地表物体在常温下辐射能量最强的波段； 约为 60－ 70％。 在9.6μm 附近处，分为两个小窗口，透射率约在 60－80％。
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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（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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27
各种道路的波谱特性
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28
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。
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)
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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
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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
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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)
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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
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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
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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。
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%）。
遥感导论第二章
M
(,
T
)
(,
T
)
•
M
(,
T
)
0
精品PPT
比辐射率（发射率）
波谱特性曲线的形态
特征反映(fǎnyìng)：
地面物体本身的特性，
包括物体本身的组成、
温度、表面粗糙度等
物理特性。
精品PPT
曲线的形态特殊时可以用发射率曲线来识别地面物体，
尤其在夜间，太阳辐射消失(xiāoshī)后，地面发出的
第2章 电磁辐射与地物光谱特征
2.1 电磁波谱与电磁辐射
一、电磁波谱 ；二、电磁辐射的度量（自学为主)
1、电磁波谱按频率由高到低排列主要
由 、 、 、 、 、 、
等组成。
2、遥感(yáogǎn)应用的电磁波波谱段有哪些？有什么特点？
3、名次解释：辐射能量（W）、辐射通量(Φ)、辐射通量密度。
三、黑体(hēitǐ)辐射（问题讨论）
的相互作用
太阳辐射主要
(zhǔyào)集中在0.32.5μm，在紫外、可见
光、到近红外区段
地球(dìqiú)自身辐射
主要集中在6μm以上的
热红外区段
2.5-6μm，即中红外
波段两种辐射共同起
作用（避免太阳辐射）
精品PPT
太阳辐射近似温度为6000K的黑体辐射，而地球
辐射接近于温度为300K的黑体辐射。最大辐射的对
2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响
(yǐngxiǎng)
2.3 地球的辐射与地物波谱
精品PPT
2.1 电磁波谱与电磁辐射
(diàn cí fú shè)
(1) 电磁波谱
◆电磁波：
◆电磁波性质
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。
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
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？
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• 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）
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• 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
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• 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？
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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
遥感原理与应用_第2章_3遥感物理基础-地物波谱特性与遥感光学基础
植被指数已广泛用来定性和定量评价植被覆盖及其生长活力。由 于植被光谱受到植被本身、土壤亮度、环境条件、阴影、土壤颜色 和湿度、大气空间—时相变化等因素的影响，因此植被指数往往具 有明显的地域性和时效性，没有一个普遍的值，其研究经常表明不 同的结果。20多年来，已研究发展了几十种不同的植被指数。
在植被指数中，通常选用对绿色植物强吸收的可见光红波段和对 绿色植物强反射的近红外波段。这两个波段不仅是植物光谱、光合 作用中的最重要的波段，而且它们对同一生物物理现象的光谱响应 截然相反，形成的明显反差，这种反差随着叶冠结构、植被覆盖度 而变化。
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SWJTU
典 型 地 1 2物 3反 4 5射 6 7波 谱 特 性
在短波红外波段
植物基本上吸收或反射电磁波能量，透射很少。 植物的光谱特性受叶片总含水量的控制，叶片的反 射率与叶内总含水量互相关。反射总量是叶内水分含 量以及叶片厚度的函数。
类能力。
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SWJTU
典 型 地 1 2物 3反 4 5射 6 7波 谱 特 性
主要植被指数一览表
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
定性。
在进行遥感图象解译的时候，要充分认识到地物波谱特
性的复杂性，减少外界因素的影响。 为提高定量遥感的精度，需要通过大量的地面样本分析 建立先验知识，确定遥感模型的约束条件。
在植被指数中，通常选用对绿色植物强吸收的可见光红波段和对 绿色植物强反射的近红外波段。这两个波段不仅是植物光谱、光合 作用中的最重要的波段，而且它们对同一生物物理现象的光谱响应 截然相反，形成的明显反差，这种反差随着叶冠结构、植被覆盖度 而变化。
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SWJTU
典 型 地 1 2物 3反 4 5射 6 7波 谱 特 性
在短波红外波段
植物基本上吸收或反射电磁波能量，透射很少。 植物的光谱特性受叶片总含水量的控制，叶片的反 射率与叶内总含水量互相关。反射总量是叶内水分含 量以及叶片厚度的函数。
类能力。
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典 型 地 1 2物 3反 4 5射 6 7波 谱 特 性
主要植被指数一览表
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定性。
在进行遥感图象解译的时候，要充分认识到地物波谱特
性的复杂性，减少外界因素的影响。 为提高定量遥感的精度，需要通过大量的地面样本分析 建立先验知识，确定遥感模型的约束条件。
遥感物理基础电磁波基础物体的发射辐射PPT精品
地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物 微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这 种特征构成了红外遥感的理论基础。
地物光谱发射特 性曲线
地物在不同波段上 光谱发射率不同， 波长与发射率的对 应关系绘制而成的 曲线即为地物光谱 发射特性曲线。
The emission of ground object
Type
1. 原子光谱——核外电子能级跃迁； 2. 分子光谱——跃迁、振动及转动； 3. 晶体光谱——包括晶体振动。
晶体振动 3 ~ 30m
中红外、远红外
Definition
电磁波谱：按电磁波在真空中传播的波长或频率， 递增或递减排列，则构成电磁波谱。
电磁波的分类及其在遥感中的应用
电磁波分类 Υ射线 [小于10-6μm]
面积的辐射能 • 辐射通量密度（E=dΦ/ds）：单位时间通过单
位面积的辐射能
Measurement of electromagnetic radiation
辐照度(irradiation) （I=dΦ/ds）：被辐射物 体表面单位面积上的辐 射通量
辐射出射度(radiant exitance) （M=dΦ/ds）： 辐射源物体表面单位面 积上的辐射通量
按照发射率与波长的关系， 把地物分为： 1）黑体：发射率=1 2）灰体(grey body)：发射 率<1，常数 3）选择性辐射体(Selective radiator)：发射率<1，且随 波长而变化。
不同类型地物的发射率
影响地物发射率的因素：
地物的性质、表面状况、温度：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。一般 常用平均发射率来表示地物的发射能力。
对普朗克公式微分求极值：
地物光谱发射特 性曲线
地物在不同波段上 光谱发射率不同， 波长与发射率的对 应关系绘制而成的 曲线即为地物光谱 发射特性曲线。
The emission of ground object
Type
1. 原子光谱——核外电子能级跃迁； 2. 分子光谱——跃迁、振动及转动； 3. 晶体光谱——包括晶体振动。
晶体振动 3 ~ 30m
中红外、远红外
Definition
电磁波谱：按电磁波在真空中传播的波长或频率， 递增或递减排列，则构成电磁波谱。
电磁波的分类及其在遥感中的应用
电磁波分类 Υ射线 [小于10-6μm]
面积的辐射能 • 辐射通量密度（E=dΦ/ds）：单位时间通过单
位面积的辐射能
Measurement of electromagnetic radiation
辐照度(irradiation) （I=dΦ/ds）：被辐射物 体表面单位面积上的辐 射通量
辐射出射度(radiant exitance) （M=dΦ/ds）： 辐射源物体表面单位面 积上的辐射通量
按照发射率与波长的关系， 把地物分为： 1）黑体：发射率=1 2）灰体(grey body)：发射 率<1，常数 3）选择性辐射体(Selective radiator)：发射率<1，且随 波长而变化。
不同类型地物的发射率
影响地物发射率的因素：
地物的性质、表面状况、温度：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。一般 常用平均发射率来表示地物的发射能力。
对普朗克公式微分求极值：
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
第二章遥感的物理基础
28
传感器探测波段的设计，是通过分析
比较地物光谱数据而确定的。
多光谱扫描仪（MSS）的波段设计：
MSS1(0.5-0.6 μm) MSS2(0.6-0.7 μm) MSS3(0.7-0.8 μm) MSS4(0.8-1.1 μm)
TM的波段： TM１ 0.45~0.52μm TM２ 0.52~0.60μm TM３ 0.63~0.69μm TM４ 0.76~0.90μm TM５ 1.55~1.75μm TM６ 10.4~12.5μm TM７ 2.08~2.35μm
2 k 4 4 4 W0 T T 2 2 15c h
40
(3)维恩位移定律：Wien's displacement law
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
温度 波长 300 9.66 500 5.80 1000 2.90 2000 1.45 3000 0.97 4000 0.72 5000 0.58 6000 0.48 7000 0.41
W
W黑
W W黑
4
在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波 段）；吸收率越大，发射率也越大。
第二章：遥感的物理基础
第一节：电磁波与电磁波谱 第二节：地物的光谱特性 第三节：大气对电磁辐射的影响 第四节：彩色合成原理
1
第一节：电磁波与电磁波谱
一、电磁波：电磁场在空间以一定的 速度由近及远的传播过程。从能量的 角度又称为电磁辐射。
二、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：
37
1.
2.
3、黑体辐射定律
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第二章 遥感物理基础综合讲解
不同地物有不同的光谱反射率,同一地物在不同波段有不同 的光谱反射率,因此在同一幅影像上不同的地物会有不同的 色彩,同一地物在不同的波段的影像也会有不同的色彩.
第二章 遥感物理基础综合讲解
第二章 遥感物理基础综合讲解
各典型地物的光谱曲线
植被光谱曲线 土壤光谱曲线 水体光谱曲线 岩石光谱曲线 常见地物比较光谱曲线
第二章 遥感物理基础综合讲解
§2 .2 物体的发射辐射
1.黑体辐射 2.普朗克辐射(Planck)定律 3.玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律 4.基尔霍夫（Kirchhoυυ)辐射定律 5.维恩(Wien)位移定律
第二章 遥感物理基础综合讲解
1.黑体
黑体是一个理想的辐射体，是衡量地物发射电磁波能力 大小的一个标准 定义：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸 收，则这个物体是黑体。黑色的烟煤是最接近绝对黑体 的自然物质。
第二章 遥感物理基础综合讲解
第二章 遥感物理基础综合讲解
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。
本章提要(…)
§2.1 电磁波及电磁波谱 §2.2 物体的发射辐射 §2.3 地物的反射光谱特性§2.4 太阳辐射
第二章 遥感物理基础综合讲解
λMAX *T=b， b为常数
0.8
说明：黑体温度越高，其
分光 谱辐
射通
曲线的峰顶越往波长短的
量密 度wλ 0.6
方
向
移
动
。
在
实
际
生
活
中
，（瓦 /厘
米 2●
火焰的燃烧就是随着温度 微米）
的升高变化，波长逐渐变 0.4
短，颜色由红外到红色再
逐渐变蓝紫
0.2
900k
800k 700k 600k
3.波尔滋曼定律
绝对黑体的总辐射出射度与温度的四次方成正比
M=σT4 ， σ是波尔滋曼常数 说明：随着温度的增加，辐射能的增加更加迅速
第二章 遥感物理基础综合讲解
4.基尔霍夫定律
给定温度下，任何地物的辐射通量密度W与吸收率M0之比 是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量密度。
M /M0 =ε=α （M为任何地物辐射能量，M0为黑体辐射能量，ε
电磁波谱示图
第二章 遥感物理基础综合讲解
遥感所使用的电磁波的波长是：
➢紫外线(UV)：0.01-0.4μm，碳酸盐岩分布、水面油污染。
➢可见光：0.4-0.76 μm，鉴别物质特征的主要波段；是 遥感最常用的波段。
➢红外线(IR) ：0.76-1000 μm。
➢微波：1mm-1m。全天候遥感；有主动与被动之分；具 有穿透能力；发展潜力大。
第二章 遥感物理基础综合讲解
4.电磁波性质： 电磁波是横波，传播速度为 3×108 m/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。
满足： c=v *λ (c为光速) E=h * v (h为普朗克常数)
描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、位相等
第二章 遥感物理基础综合讲解
第二章 遥感物理基础综合讲解
植物的光谱曲线
可见光波段：0.45 μm附近区间（蓝色波段）有一个吸收谷， 0.55 μm附近区间（绿色波段）有一个反射峰，0.67 μm附近区间 （红色波段）有一个吸收谷。这一特征是由于叶绿素对蓝光和 红光的吸收作用强，而对绿光反射作用强。 近红外波段：从0.76 μm处反射率迅速增大，形成一个爬生的“陡 坡”，至1.1 μm附近有一峰值，反射率最大可达50%，形成植被 的独有特征。这一特征是由于植被叶细胞结构形成的高反射。
❖ 反射率（ρ）：地物的反射能量与入射总能量的比，即 ρ=(Pρ/ P 0)×100%
❖ 地物在不同波段的反射率是不同的。 ❖ 反射率是可以测定的。 ❖ 反射率也与地物的表面颜色、粗糙度和湿度等有关。 ❖ 地物的反射光谱曲线：反射率随波长变化的曲线。
地物反射光谱曲线
地物的反射率随入射波长变化的规律，叫地 物反射光谱。按地物反射率与波长之间关系绘成 的曲线（横坐标为波长值，纵坐标为反射率）称 为地物反射光谱曲线。
为吸收系数, α为发射系数）
(,T)M (,T)M b(,T)
说明：地物的吸收率越大，发射率也会越大，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。
5.维恩位移定律：
波普辐射能量密度的峰值波长λMAX随温度的增加向短波方向 移动。即黑体辐射光谱中最强辐射的波长λMAX与绝对温度T成 反比：
第二章 遥感物理基础综合讲解
§2.1 电磁波及电磁波谱
电磁波传播示意图Байду номын сангаас
1、波的概念：波是振动在空间的传播。
第二章 遥感物理基础综合讲解
2、电磁波（ElectroMagnetic Spectrum ) 通过电场和磁场之间相互联系传播的过程
3、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。
黑体模型
2. 普朗克辐射(Planck)定律
第二章 遥感物理基础综合讲解
普朗克给出了黑体辐射的能量（E）与频率（v）之间
的关系：
E= h* v
H为普朗克常量，v为频率
v *λ=c (c为光速)
说明：辐射能量与它的波长成反比，即辐射的波长越短， 频率越高，其辐射能量越高，因此遥感探测系统对能量 高的信号容易感应。
5.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 次排列制成的表叫做电磁波谱。
电磁波的波段从波长短的一侧开始，依次叫做线、线、 紫外（UV）、可见光（visible light）、红外 （infrared=IR）、微波。 依次为：
γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。
500k
波长
0
2
4
6
8
10
12
在遥感技术中，若知道了某物体的温度，就可以推算出它的
辐射的峰值波段，常用这种方法选择传感器和确定对目标物进
行热红外遥感的最佳波段。
第二章 遥感物理基础综合讲解
§2.3 地物的反射光谱特性
任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸 收电磁波的特性。这种特性称为地物的光谱特性。在可 见光和近红外波段（0.3－2.5um）.地表发出的波谱主要 以反射太阳辐射为主，自身发射辐射几乎为零。
可见光是人眼可以看见的电磁波，它可以细分为7色—紫、 蓝、青、绿、黄、橙、红，也可以粗分为蓝、绿、红3色， 即 3 个 光 谱 段 ： 蓝 为 0.38μm ～ 0. 50μm ， 绿 为 0. 50μm ～ 0.60μm ， 红 为 0.60μm ～ 0.76μm 。 可 见 光 是 遥感中最早和最常使用的波段。