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第二章 电磁波谱与地物波谱特征

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遥感概论ppt课件第二章--电磁辐射与地物光谱特征

遥感概论ppt课件第二章--电磁辐射与地物光谱特征
自然界的物体与绝对黑体作辐射比较，都有与石英晶体类似的性质，只不过吸收 系数不同而已(表2．3)。由基尔霍夫定律可以知道，绝对黑体不仅具有最大的吸 收率，也具有最大的发射率，却丝毫不存在反射。对于实际物体，都可以看作辐 射源，如果物体的吸收本领大，即吸收率越接近1，它的发射本领也大，即越接 近黑体辐射。这也是为什么吸收率又可叫作发射率的原因。
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2.2 太阳辐射及大气对辐射的 影响
l太阳是被动遥感最主要的辐射源，太阳 辐射有时习惯称作太阳光，太阳光通过 地球大气照射到地而，经过地面物体反 射又返回，再经过大气到达传感器，这 时传感器探测到的辐射强度与太阳辐射 到达地球大气上空时的辐射强度相比， 已有了很大的变化，包括入射与反射后 二次经过大气的影响和地物反射的影响。 本节主要讨论大气的影响。
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2.1.2 电磁辐射的度量
1. 辐射源 任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐
射，也能够向外辐射。 因此对辐射源的认识不仅限于太阳、 炉子等发光发热的物体。能发出紫外辐射、 X射线、微波辐 射等的物体也是辐射源，只是辐射强度和波长不同而已。 电 磁波传递就是电磁能量的传递。因此遥感探测实际上是辐射 能量的测定。
一般辐射体和发射率
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以石英的辐射为例，对不同波长测出对 应于该波长的光谱辐射出射度Mλ,这时
石英温度假定为250 K。分别作出250 K 时绝对黑体的辐射曲线和石英的辐射曲 线(图2．9)，从图可以看出，石英的辐 射显然比黑体辐射弱，而且随波长不同 而不同，也就是说比辐射率(或吸收系 数)与波长有关。虚线各点的纵坐标是 石英对应于每一波长的光谱辐射出射度 ．曲线下面积是整个电磁波谱的总辐 射出射度。
l 方向:由电 磁振荡向各个 不同方向传播 的.

第二章_电磁辐射与地物光谱特征

第二章_电磁辐射与地物光谱特征

二、电磁波谱
按电磁波波长的长短（或频率的大小）， 依次排列制成的图表称电磁波谱。
三、遥感应用电磁波段
紫外线、可见光、红外线、微波
遥感应用各电磁波波长
紫外线
波长范围为0.01-0.4μm。太阳辐射含有紫外线， 通过大气层时，波长短于 0.3μm的能量几乎都被 吸收，只有0.3- 0.4μm波长到达地面。 主要用于测定碳酸盐岩分布，碳酸盐岩对紫外线 的反射比其它类型的岩石要强。另外，紫外线对 水面飘浮的油膜比周围的水面反射强烈，因此可 以用于油污染的监测。
黑体：
绝对黑体，指能够将外来辐射能量全部吸收的物体。
发射率：地物单位面积上发射（辐射）能量M与同一温度下同 面积黑体发射能量M黑之比值。即：ε=M/M黑
反射率：地物的反射能量与入射总能量之比。
透射率：地物的透射度与其表面的辐照度之比。 吸收率：地物的吸收度与其表面的辐照度之比。
一、热辐射基本定律
1.3-2.5μm：
近红外波段的中段。仍属于地物反射光谱，但不 能用胶片摄影，仅能用光谱仪和扫描仪来记录地 物的电磁波信息。透射率都接近80％。
目前近红外窗口应用不多，但在某些波段对区分 蚀变岩石有较好的效果，因此在遥感地质应用方 面很有潜力。TM设有1.55-1.75μm和2.082.35μm两个波段。
2）大气的散射作用
大气散射集中于可见光区，是太阳辐射能衰减的 主要原因。散射的强弱可用散射系数表示：
ϕ为波长的指数，它由微粒直径（d）的大小决定。
根据波长与散射微粒的大小之间的关系，散射可 分为三种：
瑞利散射
当大气微粒的直径（d）比辐射波长（λ）小得多 时，即：当d＜λ/10时，ϕ＝4，发生的散射称瑞 利散射。
任何地物当温度高于绝对温度0K时，就存在着分子运 动，不断地向外发射电磁波。实际上，世界上任何物体的 温度都高于0K（0K=273.15℃）。所以，任何物体都有热 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。 物体根据吸收率的大小分为：黑体、灰体、选择性辐射体。 黑体：其ελ＝ε=1，不随波长变化。 灰体：其ελ ＝ε=常数＜1(因而吸收率α＜1，ε不随波 长变化。 选择性辐射体：其ελ随波长而变化，而且ελ ＜1（因 而吸收率a也随波长变化，并且a＜1。

2电磁波谱与地物波谱特征

2电磁波谱与地物波谱特征

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
辐射传输
辐射传输是电磁辐射与不同介质相 互作用的复杂过程
地球辐射
地球表面和大气电磁辐射的总称
地球辐射的分段特性
0.3-2.5微米波段（主要在可见光与近红 外波段），地表以反射太阳辐射为主， 地球自身的辐射可以忽略 2.5-6.0微米波段（主要在中红外波段）， 地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射 均为被动遥感的辐射源 6.0微米以上的热红外波段，地球自身的 热辐射为主，地表反射太阳辐射可以忽 略不计
电磁波的度量
遥感信息是从遥感器定量记录的地表物 体电磁辐射数据中提取的
–辐射测量（radiometry） –光度测量（photometry） –比辐射率 –亮温
太阳辐射
太阳发出的电磁波辐射 太阳辐射在从近紫外到中红外这一波段内能量最 集中而且相对来说最稳定，太阳强度变化最小
Irradiance (W m-2 µm-1)
200 0 150 0 100 0 500 0 0
Exoatmospheric solar irradiance F0(λ) Solar irradiance reaching the surface F(λ)
Wavelength (µm)
1
2
3
太阳辐照度分布曲线
大气成分
大气成分主要有：
–气体分子（氮气\氧气\二氧化碳） –其它微粒(水汽\气溶胶\其他粒子等)
地物的反射
镜 面 反 射 漫反射 实 际 地 物反射
常见的几种地物类型波谱特征
植被 水体 土壤 岩石
植被的波谱特征
可见光波段：在0.45微米附近区间（兰色波段）有一个 吸收谷，在0.55微米附近区间（绿色波段）有一个反射 峰，在0.67微米附近区间（红色波段）有一个吸收谷 近红外波段：从0.76μm处反射率迅速增大，形成一个 爬升的的“陡坡”，至1.1μm附近有一峰值，反射率最 大可达50%，形成植被的独有特征 中 红 外 波 段 ： 1.5-1.9 微 米 光 谱 区 反 射 率 增 大 ， 在 1.45μm ， 1.95μm 和 2.7μm 为中心的附近区间受到绿色 植物含水量的影响，反射率下降，形成低谷

第二章 电磁波谱与地物波谱特征ppt课件

第二章 电磁波谱与地物波谱特征ppt课件
部分占总能量的份额称为吸收率，其值在0-1之间。黑颜 色的物体吸收能力大于白颜色的物体，吸收系数也比较大。 如黑色的煤烟，其吸收系数接近99%，被认为是最接近绝对 黑体的自然物质。恒星和太阳的辐射也被看做是接近黑体 辐射的辐射源。但实际上自然界并不存在绝对黑体。
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2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在2008春节期间我国南方地区的冰雪灾害过程中，在历 次洪涝灾害过程中，在我国南方地区农作物生长的关键 时刻，经常是阴云密布，或大雨滂沱，只有SAR能够工作 得到遥感图像。
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2.1.4 黑体辐射
绝对黑体（black body） 如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，即吸收
率α=1，则这种物体称为绝对黑体，或简称黑体。 一般物体收到辐射时，对辐射能量总是有吸收、反射。吸收
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2.1.3 遥感应用电磁波段
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2.1.3 遥感应用电磁波段
可见光 波长范围从0.38-0.76μm。它由红、橙、黄、绿、青、
蓝、紫色光组成。人眼对可见光有敏锐的感觉，不仅对可 见光的全色光，而且对不同波段的单色光，也都具有敏锐 的分辨能力，其中对0.55 μm最敏感，所以可见光是作为 鉴别物质特征的主要波段。
2.2.1 太阳辐射 2.2.2 大气吸收 2.2.3 大气散射 2.2.4 大气窗口
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2.2.1 太阳辐射 太阳是被动遥感最主要的辐射源。
0 太阳光谱曲线
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2.2.1 太阳辐射
从太阳光谱曲线可看出： 到达地面的太阳辐射包括近紫外、可见光和红外； 太阳辐射的光谱是连续光谱； 太阳辐射的能量主要集中在可见光； 最大辐射强度位于波长0.47µm左右； 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。

第二章电磁辐射和地物波普特征

第二章电磁辐射和地物波普特征

第二章 电磁辐射和地物波普特征电磁波普：是按电磁波在真空中的波长递增或频率递减而排列的，它包括γ射线、X 射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波等。

大气窗口：指电磁波通过大气层时较少被反射、散射和吸收的，透过率较高的波段。

反射波谱：指地物反射率随波长的变化规律，通常用平面坐标曲线表示，横坐标表示波长，纵坐标表示反射率，同一物体的波谱曲线反映出不同波段的不同反射率，将此与遥感传感器的对应波段接收的辐射数据相对照，可以得到遥感数据与对应地物的识别规律。

瑞利散射：大气粒子的直径比辐射的波长小得多时发生的散射，通常是由大气分子和原子引起的，对可见光波段影响非常明显。

米氏散射：当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射，这种散射主要由大气中的微粒引起，例如气溶胶、小水滴。

散射强度与波长的二次方成反比，并且向前散射强度大于向后散射强度，具有明显的方向性。

无选择性散射：当大气中粒子的直径比辐射的波长大得多时发生的散射，散射的特点是散射强度与波长无关。

辐射亮度：假设有一辐射源是面状的，向外辐射的强度随辐射的方向不同而不同，则辐射亮度L 定义为辐射源在某一方向上，单位投影表面，单位立体角的辐射通量。

太阳天顶角：太阳入射光线与地面垂线方向构成的夹角，与太阳高度角之和为90°。

后向散射：在两个均匀介质的分界面上，当电磁波从一个介质中入射时，会在分界面上产生散射，这种散射叫做表面散射。

在表面散射中，散射面的粗糙度是非常重要的，所以在不是镜面的情况下必须使用能够计算的量来衡量。

通常散射截面积是入射方向和散射方向的函数，而在合成孔径雷达及散射计等遥感器中，所观测的散射波的方向是入射方向，这个方向上的散射就称作后向散射。

绝对黑体：如果有一种物体对任何波长的辐射能量都全部吸收，这个物体叫绝对黑体。

维恩位移定律：在一定温度下，绝对黑体的与辐射本领最大值相对应的波长λ和绝对温度T 的乘积为一常数，即λT=b 。

上述结论称为维恩位移定律，式中，b=0.002897m ·K ，称为维恩常量。

电磁波普与地物波普特征

电磁波普与地物波普特征

第二章电磁波普与地物波普特征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，形成遥感影象。

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。

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。

2.1.2 电磁辐射的传播电磁辐射通过不同的介质时，其强度、波长、相位、传播方向和偏振面等将发生变化，这些变化可能是单一的，也可能是复合的。

电磁波可以采用频率、相位、能量、极化等物理参数来描述。

电磁波在传播中遵循波的反射，折射，衍射，干涉，吸收，散射等传播规律。

2.1.3 电磁辐射的测量与度量单位遥感信息是从遥感器定量记录的地表物体电磁辐射数据中提取的。

2 第二章 电磁辐射与地物光谱特征

2 第二章 电磁辐射与地物光谱特征
遥感导论
第二章 电磁辐射与地物
光谱特征
文 管理学院 力 地理科学系
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
本章主要内容
电磁波与电磁波谱 地物的光谱特性 大气和环境对遥感的影响
§2.1 电磁波谱与电磁辐射
电磁波
– 波：振动的传播称为波。
纵波：如果质点的振动方向与波的传播方向相同，称纵波。 横波：若质点的振动方向与波的传播方向垂直，称横波。
§2.1 电磁波谱与电磁辐射
辐射源：能够向外辐射电磁波的物体。任何物体都能够吸收
其他物体对它的辐射，也能向外辐射电磁波。
太阳辐射——可见光及红外遥感的重要辐射源 自然辐射源 地球电磁辐射——远红外遥感的辐射源
人工辐射源——人为发射，如雷达（微波雷达辐射源，激光雷达辐射源）
§2.1 电磁波谱与电磁辐射

§2.1.3 黑体辐射 2.黑体辐射规律
(2)玻耳兹曼定律
Stefan-Boltzmann‘s law ：即黑体总 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。是红外装臵测定温度的理论基础。
M=σT4
σ为玻尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W·-2· -4 m K
电磁波谱
–将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制 成的图表。
–按照波长递增频率递减的顺序可以划分为：γ射线、 χ射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。
–遥感中多使用可见光、红外和微波波段。
§2.1 电磁波谱与电磁辐射
紫外线 波长：0.01~0.38μm 特征：1.对紫外线吸收较强。 2.能使溴化银底片感光。 应用：1.用于测定碳酸岩的分布。 2.用于油污检测。

第2章电磁辐射地物光谱特征

第2章电磁辐射地物光谱特征

大连市建成区及周边地表温度分布图
六、地物的反射波谱特征
1）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。
2）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。 3）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：
电磁波谱
4、遥感技术使用的电磁波分类
名称和波长（λ）范围： 名称 紫外线 可见光 波长范围 0.01 ---- 0.38 0.38 ---- 0.76 μｍ μｍ
近红外
中红外 远红外
0.76 ---- 3.0
3.0 6.0 ---- 6.0 ---- 15.0
μｍ
μｍ μｍ
超远红外
微 波 无线电波
大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3
µ m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，已不存在小于0.3 µ m 的短波辐射。 的气体，其中作用最为显著的有臭氧，二氧化碳，甲 烷和水汽
真正对电磁波传播起重要吸收作用的是一些非常少量
O 吸收波长<0.2μm
O3 吸收紫外光 CO2、H2O 吸收红外及长波
2）大气散射
辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生
改变，向各个方向散开，称散射。
太阳辐射通过大气二次影响增加了信号中的噪声
成分，造成遥感图像质量的下降。
大气散射的三种情况：
瑞利散射：当大气中粒子的直径比波长小得多时
发生的散射；主要由大气中的原子和分子引起。
散射强度与波长的四次方成反比。
----天为什么是蓝的？朝霞和夕阳偏橘 红色？

遥感导论：第二章 电磁辐射与地物波谱特征

遥感导论：第二章 电磁辐射与地物波谱特征

二、电磁波谱
1. 电磁波谱：将各种电磁波在真空中的波长按其长
短，依次排列制成的图表。
在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其次是 红外线、可见光、紫外线、X射线；波长最短的是γ
射线
电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。
无线电波是振荡电路中自由电子作周期性的运动产生 的．红外线是由于分子的振动和转动能级跃迁时产生的.可 见光、紫外线是原子外层电子受激发产生的． X射线是原 子内层电子受激发产生的．γ射线是原子核受激发产生的．
• 遥感技术得以实现的基础就是不同地物具有不 同的吸收、反射和发射电磁辐射能力。
第二章 电磁辐射与地物光谱特征
本章主要内容
➢ 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
第一节 电磁波谱与电磁辐射
❖电磁波及其特性 ❖电磁波谱 ❖电磁辐射的度量 ❖黑体辐射
一、电磁波及其特性
3．偏振 （Polarization）
通常把电场振动方向的平面称为偏振面。若偏振面方向固定， 不随时间而改变，则为线性偏振（线性极化或平面极化）。沿一个固 定方向振动的光为偏振光。
一些人造“光源”（如激光和无线电、雷达发射）常有明确的极 化状态；太阳光是非偏振光（所有方向的振幅相等，无一优势方向）； 介于两者之间的为部分偏振光--许多散射光、反射光、透射光均属 此类。
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 Asint kx ；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。
❖ 波动性：把电磁振动的传播作为光滑连续的波对待， 用波长、频率、振幅等来描述。
❖ 粒子性：把电磁辐射能分解为非常小的微粒子---光 子，其能量大小用频率来描述。

第二章电磁辐射与地物波谱特征

第二章电磁辐射与地物波谱特征

第二章电磁辐射与地物波谱特征电磁辐射（Electromagnetic Radiation）是一种包括可见光、红外线、紫外线、无线电波等各种波长的能量传播方式。

它是电磁场在空间中传播形成的波动现象。

地物波谱特征则是指地球表面物体在不同波长的电磁辐射下所表现出的不同特征。

电磁辐射具有波动性和小粒子性的双重本质，速度等物理特性由自由空间的固有性质决定。

它在空间中的传播速度近似为光速，即每秒约30万公里。

电磁辐射的波长与频率呈反比关系，波长越长频率越低，波长越短频率越高。

根据波长的不同，电磁辐射被分为不同的区域，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。

地物波谱特征是指地球表面物体在不同波长的电磁辐射下所表现出的不同特征。

不同物体对电磁辐射的散射、吸收和反射特性不同，因此它们在不同波长下的反射率也会有所差异。

通过对这些反射率的观测和分析，可以研究地球表面的物质组成和结构。

在可见光波段下，地物的颜色和明暗程度是反射率的重要特征。

例如，植被通常呈现绿色，因为植被对绿色光的吸收率较低，反射率较高。

而水体则呈现蓝色，因为水对蓝色光的吸收较少，反射率较高。

在红外线波段下，地物的辐射特征主要与物体的温度有关。

根据斯特藩-玻尔兹曼定律，物体的辐射功率与温度的四次方成正比。

因此，相同温度下的物体，辐射功率也会有所差异。

通过红外线遥感技术，可以测量物体的表面温度，以及区分不同物体的各个部分的温度差异。

在微波和雷达波段下，地物的散射特征是研究的重点。

微波和雷达波可以穿透云层和雾霾，因此在大气透明波段具有独特的优势。

微波与地物的相互作用主要是散射和吸收。

地面、植被和建筑物等物体对微波有不同的散射特征，可以通过微波遥感技术获取地物的三维结构信息。

总之，电磁辐射与地物波谱特征密切相关。

通过对不同波长电磁辐射的观测和分析，可以研究地球表面的物质组成、结构和温度等特征。

这对于遥感技术的应用具有重要意义，可以广泛应用于气候变化、环境保护、资源调查和自然灾害监测等领域。

第二章 电磁波谱与地物波谱特征

第二章 电磁波谱与地物波谱特征

返回 下一节
§2 太阳辐射
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：太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳光，
从太阳光谱曲线可以看出(…)：
太阳光谱相当于6000
K的黑体辐射； 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 µm波段， 包括近紫外、可见光、近红外和中红外； 经过大气层的太阳辐射有很大的衰减； 本节结束 各波段的衰减是不均衡的。 返回 下一节
五、大气窗口
折射改变了太阳辐射的方向，并不改变太阳辐射的强度。 因此，就辐射强度而言，太阳辐射经过大气传输后，主要是 反射、吸收和散射的共同影响衰减了辐射强度，剩余部分即 为透过的部分。对遥感传感器而言，只能选择透过率高的波 段，才对观测有意义。
通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的， 透过率较高的波段称为大气窗口。 大气窗口的光谱波段主要有： 0.3～1.15um，即紫外、可见光、近红外波段 1.3～2.5um和3.5～5.0um，即近、中红外波段
BACK
概念：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。
紫外可见光 0.3～1.3 μm 近红外 近红外 近-中红外 中红外 远红外 微波 1.5～1.8 μm 2.0～3.5 μm 3.5～5.5 μm 8～14 μm 0.8～2.5cm
§1 遥感的电磁波原理
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

第二章电磁辐射与地物光谱特征

第二章电磁辐射与地物光谱特征

第二章电磁辐射与地物光谱特征第二章电磁辐射与地物光谱特征02107021 张波一、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、后向散射：在两个均匀介质的分界面上，当电磁波从一个介质中入射时，会在分界面上产生散射，这种散射叫做表面散射。

在表面散射中，散射面的粗糙度是非常重要的，所以在不是镜面的情况下必须使用能够计算的量来衡量。

通常散射截面积是入射方向与散射方向的函数，而在合成孔径雷达及散射计等遥感器中，所观测的散射波的方向是入射方向，这个方向上的散射就称作后向散射3、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，这就是电磁波。

4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。

5绝对黑体：能够完全吸收任何波长入射能量的物体6、瑞利散射：当大气中的粒子的直径比波长小得多时发生的散射。

这种散射主要由大气中的原子和分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起的。

7灰体：在各种波长处的发射率相等的实际物体。

8、绝对温度：按热力学温标度量的温度。

单位为开[尔文]，符号“K”。

9、辐射温度：如果实际物体的总辐射出射度（包括全部波长）与某一温度绝对黑体的总辐射出射度相等，则黑体的温度称为该物体的辐射温度。

10、光辐射通量密度：单位时间内通过单位面积的辐射通量，E=，单位：。

S为面积。

11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为大气窗口。

12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。

13、米氏散射：当大气中的粒子的直径与辐射的波长相当时发生散射。

这种散射主要由大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴以及气溶胶等引起的。

14、地球辐射：地球及地球大气系统所发射的辐射。

15反射率：物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比。

16光谱反射特性曲线：反射波普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。

第二章 电磁辐射与地物波谱特征

第二章 电磁辐射与地物波谱特征
1.22 / d.
遥感中部分光谱仪的分光 器件----衍射光栅等，正是运 用多缝衍射原理。
小孔的衍射
3．偏振 （Polarization）
偏振是横波中呈现出的一种特殊现象。电磁波作为一种横波， 其相互垂直的电场和磁场的振动方向是与传播方向垂直的。传播方 向确定后其振动方向并不是唯一的。它可以是垂直于传播方向的任 何方向。它可以是不变的，也可以随时间按一定方式变化或按一定 规律旋转，即 出现偏振现象（微波中称为“极化” ）。
辐
射
出
射
度
辐射体
辐射通量密度的单位是瓦/米²（W/m²） 法向
三、电磁辐射的度量
辐指射点强辐度射源I 在（单r位ad立ian体t i角nt、en单sit位y）时间内，向某一方向
发出的辐射能量，即点辐射源(O)在某一方向上(、)单位 立体角(d)内发出的辐射通量，单位为 瓦/球面度 (w sr-1 )， 表达为：
一列波在空间传播时，将引起空间各点的振动；两列（或多列） 波在同一空间传播时，空间各点的振动是各列波在该点产生的振动 的叠加合成。这种波的叠加合成不是简单的代数和，而是矢量和。
同振幅、频率和初位相（具固定位 相关系）的两列（或多列）波（相干波） 的叠加合成而引起振动强度重新分 布的现象称为“干涉现象”。
量密度越大，不同 度
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。
太阳温度 白炽灯温度
5. 电磁辐射:电磁能量随电磁波的传递过程（包括辐
射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。其传播表现为 光子（或称为量子）组成的粒子流的运动。
6. 电磁波的特性
1) 电磁波是横波
2) 在真空中以光速传播

第2章 电磁辐射与地物光谱特征

第2章 电磁辐射与地物光谱特征
➢ 主要成分：N2、 O2
均匀层，对 太阳辐射的 相互作用是 太阳能衰减 的主要原因
1、大气组成：
➢ 两类：分子和其他微粒； ➢ 分子: 氮和氧占99%，臭氧、二氧化碳、水分子
及其它（N2O, CH4, NH3等）约占1%；
➢ 颗粒：烟、尘埃、雾、小水滴和气溶胶。气溶胶
是一种固体、液体的悬浮物，直径0.01-30m。
一个天文单位=日地距离d=1.496×108 m. 是在地球大气顶端接受的太阳能量，没有大气影响。 已知日地距离d（天文单位），计算太阳辐射通
量… 已知太阳线半径r，计算太阳辐射出射度…
➢太阳光谱：光球所产生的光谱。 太阳辐射能量集中于可见光波段（近紫外到中红
外）该波段区间不但能量集中，而且辐射强度最稳 定
这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星 传感器扫描成像的常用波段。比如，Landsat 卫 星的TM的1-4波段，SPOT卫星的HRV波段等。
➢ 1.5-1.8μm, 2.0-3.5μm，即近、短波、中
n3 O pt ic a lly less dense at m osphe re
2
Path of energy in ho mogeneo us at mosphere
3
Path of radiant energy af fected
四、大气对辐射的吸收作用
➢ 大气分子对电磁波的某些波段吸收缺失带
第二章 电磁辐射与地物 光谱特征
➢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
电磁波谱原理 第一节 电磁辐射度量参数
特殊电磁波——黑体辐射
➢ 任何地物都能辐射电磁波。 ➢ 地球表面最重要的电磁波能量来源是太阳。 ➢ 遥感： 对电磁波能量的测定。

第二章 电磁辐射与地物光谱特征

第二章 电磁辐射与地物光谱特征

2、黑体辐射规律 普朗克公式：
M ( , T ) 2hc
2

5

1 e ch / KT 1
此式有两个自变量： λ、 T ，其它都是常数，因而 可写为： W = ƒ (λ, T ) 其函数曲线可表示为：
c为真空中的光速； k为波尔兹曼常数， k=1.38×10－23 J/K； h为普朗克常数， h=6.63×10-34Js； M为辐射出射度。
于遥感研究不需要对太阳分层考虑，因而通常 认为光球发射的几乎是全部的太阳辐射。
图2.11 太阳辐照度分布曲线
二、大气分层
大气厚度约1000km，并且在垂直方向有层次的区别，自下而上大致 分层为：（各层之间逐渐过渡，没有截然的界线）。
对流层：高度在7～12 km,温度随高度而降低，包含大气 总量的3/4和几乎全部水汽，天气变化频繁，航空遥感主要 在该层内，对遥感数据产生很大影响。 平流层：高度在12～80 km，几乎没有天气现象，底部为 同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧 层对紫外线的强吸收而逐渐升高（在地面观测不到0.29µ m 波长的太阳辐射）。 电离层：高度在80～1 000 km，大气中的O2、N2受紫外线 照射而电离，主要反射地面发射的无线电波，对遥感波段 是透明的，是陆地卫星活动空间。 大气外层：800～35 000 km ,空气极稀薄，对遥感基本 上没有影响。
3.实际物体的辐射 （1）地物的发射率 • 发射率是指地物的辐射出射度(即地物 单位面积发出的辐射通量)M与同温度的黑 体的辐射出射度(即黑体单位面积发出的辐 射总通量M黑的比值。
M M黑
• 地物的发射率与地物的性质、表面状况(如 粗糙度、颜色等)有关，且是温度和波长的 函数。

环境遥感技术及应用02电磁波谱和地物波谱特性

环境遥感技术及应用02电磁波谱和地物波谱特性
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透射能力较强， 特别是对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。
❖ 对于一般不能透过可见光的地面物体，波长5 cm的电磁 波却有透射能力，如超长波的透射能力就很强，可以透
❖ 微波：波长范围为1 mm～1 m，穿透性好，不受云雾
的影响。
2020/5/19
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§2 太阳辐射
太阳辐射：太阳是遥感主要的辐射源，又叫太阳 光，在大气上界和海平面测得的太阳辐射曲线。
从太阳光谱曲线可以看出：
太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中 0.38 ～ 0.76 µm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 µm左右； 太阳光谱相当于6000 K的黑体辐射； 到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 ～ 3.0 µm波 段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外； 经过大气层的太阳辐射有很大的衰减； 各20波20/5/1段9 的衰减是不均衡的。
§3 地物的光谱特征
地物反射光谱的特征 地物的反射率 地物的反射光谱 典型地物的光谱曲线
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太阳辐射与地表的相互作用
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 • 地表反射的太阳辐射成为遥感记录的主要辐射能量。 • 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。 • 地表吸收太阳辐射后具有约300 K的温度，从而形成自 身的热辐射，其峰值波长为9.66μm，主要集中在长波 ，2即020/56/19μm以上的热红外区段。
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大气发生的散射主要有三种： 瑞利散射、 米氏散射和非选择性散射。
太阳辐射及大气对辐射的影响
大气窗口ห้องสมุดไป่ตู้
不是所有波长的电磁波都可以顺利通过大气。传感器 只能接受利用那些可以比较顺利通过大气的电磁波。 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 对于传感器而言，只能选择透过率较高的波段，才具有 观测意义。否则，地物反射、发射的电磁波在穿越大气 时就被衰弱了，传感器根本捕捉不到。因此，传感器 选择的探测波段应包含在大气窗口之内。
电磁波与电磁辐射
电磁波与电磁辐射
电磁波与电磁辐射
遥感应用的电磁波波谱段
遥感器是通过探测或感测不同波段电磁辐 射的发射、反射的辐射能级而成像的。 紫外线： 可见光： 红外线： 微波：波长范围为1 mm～1 m，穿透性 好，不受云雾的影响。
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。
2. Wein’s Displacement Law 维恩位移定律
In addition to computing the total amount of energy exiting a theoretical blackbody such as the Sun, we can determine its dominant wavelength (辐射峰值波长 lmax) based on Wein's displacement law:
实际物体反射
设φ i、θ i分别为入射方向的方 位角和天顶角，φ r、θ r分 别为某一反射方向的方位角 和天顶角。那么方向反射因 子ρ ’可以表示为：
Lr ( r r ) ( i i , r r ) I i ( i i )
'
Ii为某一方向入射辐射的照度；Lr为观察方向的反射 亮度。这些物理量均与方位角和天顶角有关，只有当 朗伯体时才都成为与角度无关的量。
2898 mm K 0.483 mm 6000 K
Blackbody Radiation Curves
Blackbody radiation curves for several objects including the Sun and the Earth which approximate 6,000 K and 300 K blackbodies, respectively. The area
under each curve may be summed to compute the total radiant energy (Ml) exiting each object.
Thus, the Sun produces more radiant exitance than the Earth because its temperature is greater. As the
实际物体反射
Lr ( r r ) ( i i , r r ) I i ( i i )
'
入射辐照度Ii应该由两部分组成: 太阳的直接辐射，是由太阳辐射来的平行光束穿过 大气直接照射地面，其辐照度大小与太阳天顶角 和日地距离有关； 太阳辐射经过大气散射后又漫入射到地面的部分， 因为是从四面八方射入，其辐照度大小与入射角 度无关。
太阳辐射及大气对辐射的影响
大气的吸收作用
O2吸收带 O3吸收带 H2O吸收带 CO2吸收带 尘埃 主要吸收0.76、0.69，1.27，2.53，5.0等 几个窄波段，强度不大 强烈吸收紫外线等短波
主要吸收处在红外和可见光中的红光部分， 强烈吸收中红外光、微波 主要吸收红外区，特别在热红外区 吸收量很小
遥感应用的电磁波波谱段

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。
遥感应用的电磁波波谱段
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。
电磁波与电磁辐射
遥感应用的电磁波波谱段

微波：波长范围为1 mm～1 m，穿透性好， 不受云雾的影响， 可以采用主动或被 动成像的方式。
电磁辐射能量传播时遵循的物理定律
1. Stephen Boltzmann Law 斯忒藩-玻耳兹曼公式
The total emitted radiation (Ml) from a blackbody is proportional to the fourth power of its absolute temperature. This is known as the Stefan-Boltzmann law and is expressed as:
Spectral Bandwidths of Landsat and SPOT Sensor Systems
Jensen 2007
电磁波与电磁辐射
电磁辐射的度量
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 ，单位是 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亮 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，单位是W/M2，S为面积。
电磁波与电磁辐射
电磁辐射的度量
辐射亮度（ L）：假定有一辐射源呈面状，向外辐 射的强度随辐射方向而不同，则 L 定义为辐射源在 某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通 量，即
朗伯源：辐射亮度与观察角无关的辐射源，称为朗 伯源。太阳通常近似地被看作朗伯源。严格地说， 只有绝对黑体才是朗伯源。
第二章 电磁波谱与地物反射波谱特征
主讲老师：刘玉杰 云南大学资环学院区域与资源规划系
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 地球辐射及地物反射波谱
一、电磁波与电磁辐射
电磁波的概念和性质 电磁波谱 电磁波的度量
电磁波与电磁辐射
电磁波的概念与性质
振动的传播称为波。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，这种变化的电场和磁场交替产生，以有限速度 由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。
地球表面的太阳辐射 光谱曲线
大气对遥感的影响
海平面处的太阳辐照度曲线与大气层外的曲线有很 大不同，主要是地球大气对太阳辐射的吸收和散射 的结果。 大气对通过的电磁波产生吸收、散射、反射、透射 的特性。这种特性与电磁波波长和大气的成分有关。 大气对经过其中的电磁辐射的吸收、反射、散射对 电磁波具有衰减作用 大气对电磁辐射具有吸收与散射作用， 可见光段：分子散射 紫外、红外与微波区：大气吸收
大气对辐射的吸收
三、地球的辐射及地物波谱
地球辐射 地物波谱 不同电磁波段中地物波谱特性 常见的几种地物类型波谱特征
地球的辐射及地物波谱
地球辐射
地球辐射是地球表面和大气电磁辐射的总称， 是被动辐射的辐射源。
地球辐射的分段特性
地球的辐射及地物波谱
地球辐射的分段特性
0.3-2.5微米波段（主要在可见光与近红外波段）， 地表以反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以忽略。 2.5-6.0微米波段（主要在中红外波段），地表反射 太阳辐射和地球自身的热辐射均为被动遥感的辐射源， 可用于森林火灾监测。 6.0微米以上的热红外波段，地球自身的热辐射为主， 地表反射太阳辐射可以忽略不计。
太阳辐射及大气对辐射的影响
大气的散射作用
1. 散射是指电磁波与物质相互作用后，偏离了原来的 传播方向。 2. 大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。 对遥感来说，降低了传感器接收数据的质量，造成 遥感图像模糊不清，影响判读。 散射主要发生在在太阳辐射能量最强可见光区。 散射的类型与强弱和波长密切相关。
temperature of an object increases, its dominant wavelength (lmax ) shifts toward the shorter wavelengths of the spectrum.
二、太阳辐射及大气对辐射的影响
太阳辐射 大气成分 大气吸收和散射作用 大气窗口
太阳辐射及大气对辐射的影响
大气成分
大气主要由气体 分子、悬浮的 微粒、水蒸气、 水滴等组成。 –气体分子称为不变成 分（N2，O2，CO2， CO，CH4，O3） –其它微粒称为可变成 分(水汽\气溶胶\ 尘埃其他粒子等)
太阳辐射及大气对辐射的影响
大气的吸收作用
太阳辐射穿过大气层时， 大气分子对电磁波的某些 波段有吸收作用，引起这 些波段的太阳辐射强度 衰减。
太阳辐射及大气对辐射的影响
太阳光谱曲线的特点
太阳辐射的光谱是连续的，它的辐射特性与绝对 黑体的辐射特性基本一致。 太阳辐射从近紫外到中红外这一波段区间能量 最集中而且相对来说较稳定。在X射线、射线、 远紫外及微波波段，能量小但变化大。 被动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射。
太阳辐射及大气对辐射的影响
电磁波与电磁辐射
电磁辐射的度量
辐射通亮密度又分为辐照度（I）与辐射出射度（M）， 两者都与波长λ有关。 辐照度（ I ）：被辐射的物体表面单位面积上的辐 射通量，I=dφ/Ds，单位是W/M2，S为面积。 辐射出射度（M）：辐射源物体表面单位面积上的 辐射通量，M=dφ/Ds，单位是W/M2，S为面积。
lmax
k T
where k is a constant equaling 2898 mm K, and T is the absolute temperature in kelvin. Therefore, as the Sun approximates a 6000 K blackbody, its dominant wavelength (lmax ) is 0.48 mm: