遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院第二章 遥感的物理基础本章主要内容
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遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院第一节 电磁波与电磁波谱
电磁波及其特性
电磁波谱
电磁辐射源遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院一、电磁波及其特性
1,波的概念,波是振动在空间的传播。
2,机械波,声波、水波和地震波
3,电磁波 （ ElectroMagnetic Spectrum )
由振源发出的电磁振荡在空气中传播。
演示遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
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。
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
6,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。
波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性
粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有 规律的运动。
电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：
波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院二、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，其按波长可分为长波、中波、短波和微波。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。
2,遥感常用的电磁波波段的特性遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
The Electromagnetic Spectrum
More than meets the eye!
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
Examples from Space!
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
Wavelength
The distance from one wave crest to the
next
Radio waves have longest wavelength and
Gamma rays have shortest!
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
Wavelength Units
Meters (like on last slide and in
book,p,613)
More commonly in nanometers (1
nm = 10-9 meters)
Angstroms still used
Named for Swedish Astronomer who
first named these wavelengths
1 nanometer = 10 Ao
烟台师范学院地理与资源管理学院
Speed of light = wavelength (l) x frequency
= 3 x 108 m/s in vacuum
Wavenumber = 1/ wavelength ( cm-1)
Frequency in GHz (1 Hz = sec –1)
Language of the Energy Cycle:
The Electromagnetic Spectrum
EnergyWavelength l
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Solar Spectrum = Shortwave spectrum
=visible spectrum:
Sun at 6000K; peak emission at 0.5 mm
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CO2 H2OO3
Terrestrial Spectrum = Longwave
Spectrum = Infrared Spectrum =
Thermal Spectrum:
Sahara Desert on Nimbus 4 Satellite
Theoretical Planck curves:
Earth ~300K,
peak emission ~15 mm
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Earth Spectrum
Incoming from Sun:
High energy,
short wavelength
Outgoing from Earth
Low energy
Long wavelength
0.5 mm
10 mm20 mm
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Electromagnetic Spectrum
High energy
Short wavelength / high frequency
Emitted at high T
SunEarth
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
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 。近红外 0.76-3.0
μm ’中红外 3.0-6.0 μm ；远红外 6.0-15.0 μm ；超远红外 15-1000 μm 。（近红外又称光红外或反射红外；
中红外和远红外又称热红外。
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。
2,遥感常用的电磁波波段的特性遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院三、电磁辐射源
1,自然辐射源
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。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 的波长主要是太阳辐射的能量；大于 6 μm 的波长，主要是地物本身的热辐射； 3-6 μm 之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。
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2,人工辐射源,主动式遥感的辐射源。雷达探测。分为微波雷达和激光雷达。
微波辐射源,0.8-30cm
激光辐射源,激光雷达 —测定卫星的位置、高度、速度、测量地形 等。
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院第二节 地物的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。少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为：地物的光谱特性。
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地物的反射率、吸收率和透射率
– 对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，
即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
1,地物的反射率 （ 反射系数或亮度系数）,
地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。反射率随入射波长而变化。
影响地物反射率大小的因素：
入射电磁波的波长
入射角的大小
地表颜色与粗糙度遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
2,地物的反射光谱,地物的反射率随入射波长变化的规律。
1) 地物反射光谱曲线,根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。
2) 不同地物在不同波段反射率存在差异：
雪,沙漠、湿地、小麦的光谱曲线遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
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 )
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3) 同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性。 不同植物 ； 植物病虫害
4) 地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。
时间特性
空间特性
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院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，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于 1（ 100%）的物体。
2,黑体辐射 (Black Body Radiation ),黑体的热辐射称为黑体辐射。
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1,Power Source,Blackbody Radiation
Planck’s Law:
The amount and spectrum of
radiation emitted by a blackbody is
uniquely determined by its
temperatureMax Planck (1858 – 1947)
Nobel Prize 1918
Emission from warm
bodies peak at short
wavelengths
wavelength
620 K
380 K
3、黑体辐射定律
(1)朗克热辐射定律表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律。
1/5
2 12
)( kTch
e
hcTW
ll l
l,
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院黑体辐射的三个特性 ( p20 )
A,辐射通量密度随波长连续变化，每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。
(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。是红外装置测定温度的理论基础。
4
0
0 1/
1
5
22
TdkTch
e
hcW?l
ll
温度 300 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
波长 9。 66 5。 80 2。 90 1。 45 0。 97 0。 72 0。 58 0。 48 0。 41
(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。
bTm a xl
4、地物的发射率和基尔霍夫定律
1) 发射率 (Emissivity ),地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量） W与同温下的黑体辐射出射度 W黑 的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。
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，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。
黑
W
W
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院按照发射率与波长的关系，把地物分为：
黑体或绝对黑体：发射率为 1，常数。
灰体 (grey body)：发射率小于 1，常数
选择性辐射体：反射率小于 1，且随波长而变化。
2) 基尔霍夫定律,在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量 W和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量 W 黑。
黑W
W?
黑W
W
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。
4TW
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。
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5、黑体的微波辐射
1) 任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红外辐射，也发射微波辐射。二者基本相似。但微波是地物低温状态下的重要辐射特性，温度越低，微波辐射越明显。
2) 微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。
3) 瑞里 —金斯公式黑体辐射的微波功率与温度成正比，
与波长的平方成反比。
微波波段与红外波段发射率的比较：不同地物之间微波发射率的差异比红外发射率要明显得多，因此，在可见光和红外波段中不易识别的地物，在微波波段中则容易识别。 （表 2-6）
2)(
2
l
l
kT
W?
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6、地物的发射光谱
① 发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。
② 发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。
③ 岩石的发射光谱分析 （图 2-12）
亮度温度,衡量地物辐射特征的重要指标。指等物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时，
该黑体的绝对温度即为亮度温度。
The temperature of the black body which radiates
the same radiant energy as an observed object is
called the brightness temperature of the object,
亮度温度与实地温度的关系：总小于实地温度。
TT B
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透射率,入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比。
透射率随着电磁波的波长和地物的性质而不同。
可见光、红外、微波的透射能力。
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院第三节 大气和环境对遥感的影响
大气的成分和结构
大气对太阳辐射的影响
大气窗口
环境对地物光谱特性的影响遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院一、大气的成分
大气的传输特性,大气对电磁波的吸收、散射和透射的特性。这种特性与 波长 和 大气的成分有关。
大气的成分,多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。
大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院二、大气的结构
大气的垂直分层：对流层、
平流层、中气层、热层和大气外层。
1,对流层,航空遥感活动区。遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性。
2,平流层：较为微弱。
3,中气层：温度随高度增加而递减。
4,热层：增温层。电离层。
卫星的运行空间。
5,大气外层,1000公里以外的星际空间。
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院三、大气对太阳辐射的影响
太阳辐射的衰减过程,30%被云层反射回； 17%被大气吸收； 22%被大气散射； 31%到达地面。 （图 2-3）
大气的透射率公式,透射率与路程、大气的吸收、
散射有关。
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（一）大气的吸收作用
A,氧气：小于 0.2 μm ； 0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。
B,臭氧：数量极少，但吸收很强。两个吸收带；
对航空遥感影响不大。
C,水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此,水对红外遥感有极大的影响。
D,二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。
可以忽略不计。
烟台师范学院地理与资源管理学院遥感原理
Absorption
In contrast to scatter,atmospheric absorption results in the
effective loss of energy to atmospheric constituents.
This normally involves absorption of energy at a given
wavelength.
The most efficient absorbers of solar radiation in this
regard are:
– Water Vapour
– Carbon Dioxide
– Ozone
Absorption of EM energy by the atmosphere
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（二）大气的散射作用散射作用,太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。 改变了电磁波的传播方向；
干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。
大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。 因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。
Scattering
Atmospheric scattering is the unpredictable
diffusion of radiation by particles in the
atmosphere.
Three types of scattering can be
distinguished,depending on the
relationship between the diameter of the
scattering particle (a) and the wavelength
of the radiation (l).
Scattering of EM energy by the atmosphere
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Rayleigh Scatter
a < l
Rayleigh scatter is common when radiation interacts
with atmospheric molecules (gas molecules) and other
tiny particles (aerosols) that are much smaller in
diameter that the wavelength of the interacting radiation.
The effect of Rayleigh scatter is inversely proportional to
the fourth power of the wavelength,As a result,short
wavelengths are more likely to be scattered than long
wavelengths.
Rayleigh scatter is one of the principal causes of haze in
imagery,Visually haze diminishes the crispness or
contrast of an image.
Relationship between path length of EM radiation
and the level of atmospheric scatter
Mie Scatter
a <=> l
Mie scatter exists when the atmospheric particle
diameter is essentially equal to the energy
wavelengths being sensed,
Water vapour and dust particles are major causes of
Mie scatter,This type of scatter tends to influence
longer wavelengths than Rayleigh scatter,
Although Rayleigh scatter tends to dominate under
most atmospheric conditions,Mie scatter is significant
in slightly overcast ones.
Non-selective scatter
a > l
Non-selective scatter is more of a problem,and occurs
when the diameter of the particles causing scatter are
much larger than the wavelengths being sensed,
Water droplets,that commonly have diameters of
between 5 and 100mm,can cause such scatter,and can
affect all visible and near - to - mid-IR wavelengths
equally,
Consequently,this scattering is,non-selective” with
respect to wavelength,In the visible wavelengths,equal
quantities of blue green and red light are scattered.
Non-Selective scatter of EM radiation by a cloud
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院三种散射作用
1,瑞利散射,当微粒的直径比辐射波长小得多时，
此时的散射称为瑞利散射。
散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的 30倍,0.4微米的蓝光是 4微米红外线散射的 1万倍。
瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。
多波段中不使用蓝紫光的原因：
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院颜色 红 橙黄 黄 绿 青兰 紫 紫外线波长 0.7 0.62 0.57 0.53 0.47 0.4 0.3
散射率 1 1.6 2.2 3.3 4.9 5.4 30.0
无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？
朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？
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2,米氏散射,当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。
云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，
所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视。
3,无选择性散射,当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件的波段中，任何波段的散射强度相同。
水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。
云雾为什么通常呈现白色？
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院结论
1,太阳辐射衰减的原因是什么？
2,在可见光和近红外波段，大气最主要的散射作用是什么？
3,无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？
4,朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？
5,微波为什么具有极强的穿透云层的作用？
6,为什么在选择遥感工作波段时，要考虑大气层的散射和吸收作用？
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院四、大气窗口
1、大气窗口,通过大气而较少被反射、吸收或散射的投射率较高的电磁辐射波段。
大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据 。
常见的大气窗口,
Atmospheric Windows
Some sensors,especially those on meteorological
satellites,seek to directly measure absorption
phenomena such as those associated with CO2 and
other gaseous molecules.
Note that the atmosphere is nearly opaque to EM
radiation in the mid and far IR
In the microwave region,by contrast,most of the EM
radiation moves through unimpeded - so that radar at
commonly used wavelengths will nearly all reach the
Earth surface unimpeded - although specific
wavelengths are scattered by raindrops.
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院五、环境对地物光谱特性的影响
1,地物的物理性状
2,光源的辐射强度,纬度与海拔高度
3,季节,太阳高度不同
4,探测时间,时间不同，反射率不同。
5,气象条件
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遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院第一节 电磁波与电磁波谱
电磁波及其特性
电磁波谱
电磁辐射源遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院一、电磁波及其特性
1,波的概念,波是振动在空间的传播。
2,机械波,声波、水波和地震波
3,电磁波 （ ElectroMagnetic Spectrum )
由振源发出的电磁振荡在空气中传播。
演示遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
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。
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6,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。
波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性
粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有 规律的运动。
电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：
波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院二、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，其按波长可分为长波、中波、短波和微波。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。
2,遥感常用的电磁波波段的特性遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
The Electromagnetic Spectrum
More than meets the eye!
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Examples from Space!
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Wavelength
The distance from one wave crest to the
next
Radio waves have longest wavelength and
Gamma rays have shortest!
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Wavelength Units
Meters (like on last slide and in
book,p,613)
More commonly in nanometers (1
nm = 10-9 meters)
Angstroms still used
Named for Swedish Astronomer who
first named these wavelengths
1 nanometer = 10 Ao
烟台师范学院地理与资源管理学院
Speed of light = wavelength (l) x frequency
= 3 x 108 m/s in vacuum
Wavenumber = 1/ wavelength ( cm-1)
Frequency in GHz (1 Hz = sec –1)
Language of the Energy Cycle:
The Electromagnetic Spectrum
EnergyWavelength l
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Solar Spectrum = Shortwave spectrum
=visible spectrum:
Sun at 6000K; peak emission at 0.5 mm
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Terrestrial Spectrum = Longwave
Spectrum = Infrared Spectrum =
Thermal Spectrum:
Sahara Desert on Nimbus 4 Satellite
Theoretical Planck curves:
Earth ~300K,
peak emission ~15 mm
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Earth Spectrum
Incoming from Sun:
High energy,
short wavelength
Outgoing from Earth
Low energy
Long wavelength
0.5 mm
10 mm20 mm
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Electromagnetic Spectrum
High energy
Short wavelength / high frequency
Emitted at high T
SunEarth
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
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 。近红外 0.76-3.0
μm ’中红外 3.0-6.0 μm ；远红外 6.0-15.0 μm ；超远红外 15-1000 μm 。（近红外又称光红外或反射红外；
中红外和远红外又称热红外。
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。
2,遥感常用的电磁波波段的特性遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院三、电磁辐射源
1,自然辐射源
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。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 的波长主要是太阳辐射的能量；大于 6 μm 的波长，主要是地物本身的热辐射； 3-6 μm 之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。
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2,人工辐射源,主动式遥感的辐射源。雷达探测。分为微波雷达和激光雷达。
微波辐射源,0.8-30cm
激光辐射源,激光雷达 —测定卫星的位置、高度、速度、测量地形 等。
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院第二节 地物的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。少数还有透射电磁波的特性。地物的这种特性称为：地物的光谱特性。
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地物的反射率、吸收率和透射率
– 对于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，
即为弱辐射体；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。
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1,地物的反射率 （ 反射系数或亮度系数）,
地物对某一波段的反射能量与入射能量之比。反射率随入射波长而变化。
影响地物反射率大小的因素：
入射电磁波的波长
入射角的大小
地表颜色与粗糙度遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
2,地物的反射光谱,地物的反射率随入射波长变化的规律。
1) 地物反射光谱曲线,根据地物反射率与波长之间的关系而绘成的曲线。地物电磁波光谱特征的差异是遥感识别地物性质的基本原理。
2) 不同地物在不同波段反射率存在差异：
雪,沙漠、湿地、小麦的光谱曲线遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
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 )
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3) 同类地物的反射光谱具有相似性，但也有差异性。 不同植物 ； 植物病虫害
4) 地物的光谱特性具有时间特性和空间特性。
时间特性
空间特性
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院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，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于 1（ 100%）的物体。
2,黑体辐射 (Black Body Radiation ),黑体的热辐射称为黑体辐射。
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1,Power Source,Blackbody Radiation
Planck’s Law:
The amount and spectrum of
radiation emitted by a blackbody is
uniquely determined by its
temperatureMax Planck (1858 – 1947)
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Emission from warm
bodies peak at short
wavelengths
wavelength
620 K
380 K
3、黑体辐射定律
(1)朗克热辐射定律表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律。
1/5
2 12
)( kTch
e
hcTW
ll l
l,
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院黑体辐射的三个特性 ( p20 )
A,辐射通量密度随波长连续变化，每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。
(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。是红外装置测定温度的理论基础。
4
0
0 1/
1
5
22
TdkTch
e
hcW?l
ll
温度 300 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
波长 9。 66 5。 80 2。 90 1。 45 0。 97 0。 72 0。 58 0。 48 0。 41
(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。
bTm a xl
4、地物的发射率和基尔霍夫定律
1) 发射率 (Emissivity ),地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量） W与同温下的黑体辐射出射度 W黑 的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。
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，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。
黑
W
W
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院按照发射率与波长的关系，把地物分为：
黑体或绝对黑体：发射率为 1，常数。
灰体 (grey body)：发射率小于 1，常数
选择性辐射体：反射率小于 1，且随波长而变化。
2) 基尔霍夫定律,在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量 W和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量 W 黑。
黑W
W?
黑W
W
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。
4TW
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。
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5、黑体的微波辐射
1) 任何物体在一定的温度下，不仅向外发射红外辐射，也发射微波辐射。二者基本相似。但微波是地物低温状态下的重要辐射特性，温度越低，微波辐射越明显。
2) 微波辐射比红外辐射弱得多，但技术上可以经过处理来接收。
3) 瑞里 —金斯公式黑体辐射的微波功率与温度成正比，
与波长的平方成反比。
微波波段与红外波段发射率的比较：不同地物之间微波发射率的差异比红外发射率要明显得多，因此，在可见光和红外波段中不易识别的地物，在微波波段中则容易识别。 （表 2-6）
2)(
2
l
l
kT
W?
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6、地物的发射光谱
① 发射光谱：地物的发射率随波长变化的规律。
② 发射光谱曲线：按照发射率和波长之间的关系绘成的曲线。
③ 岩石的发射光谱分析 （图 2-12）
亮度温度,衡量地物辐射特征的重要指标。指等物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时，
该黑体的绝对温度即为亮度温度。
The temperature of the black body which radiates
the same radiant energy as an observed object is
called the brightness temperature of the object,
亮度温度与实地温度的关系：总小于实地温度。
TT B
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透射率,入射光透射过地物的能量与入射总能量的百分比。
透射率随着电磁波的波长和地物的性质而不同。
可见光、红外、微波的透射能力。
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院第三节 大气和环境对遥感的影响
大气的成分和结构
大气对太阳辐射的影响
大气窗口
环境对地物光谱特性的影响遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院一、大气的成分
大气的传输特性,大气对电磁波的吸收、散射和透射的特性。这种特性与 波长 和 大气的成分有关。
大气的成分,多种气体、固态和液态悬浮的微粒混合组成的。
大气物质与太阳辐射相互作用，是太阳辐射衰减的重要原因。
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院二、大气的结构
大气的垂直分层：对流层、
平流层、中气层、热层和大气外层。
1,对流层,航空遥感活动区。遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性。
2,平流层：较为微弱。
3,中气层：温度随高度增加而递减。
4,热层：增温层。电离层。
卫星的运行空间。
5,大气外层,1000公里以外的星际空间。
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院三、大气对太阳辐射的影响
太阳辐射的衰减过程,30%被云层反射回； 17%被大气吸收； 22%被大气散射； 31%到达地面。 （图 2-3）
大气的透射率公式,透射率与路程、大气的吸收、
散射有关。
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（一）大气的吸收作用
A,氧气：小于 0.2 μm ； 0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。
B,臭氧：数量极少，但吸收很强。两个吸收带；
对航空遥感影响不大。
C,水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此,水对红外遥感有极大的影响。
D,二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。
可以忽略不计。
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Absorption
In contrast to scatter,atmospheric absorption results in the
effective loss of energy to atmospheric constituents.
This normally involves absorption of energy at a given
wavelength.
The most efficient absorbers of solar radiation in this
regard are:
– Water Vapour
– Carbon Dioxide
– Ozone
Absorption of EM energy by the atmosphere
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（二）大气的散射作用散射作用,太阳辐射在长波过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开。 改变了电磁波的传播方向；
干扰传感器的接收；降低了遥感数据的质量、影像模糊，影响判读。
大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。 因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。
Scattering
Atmospheric scattering is the unpredictable
diffusion of radiation by particles in the
atmosphere.
Three types of scattering can be
distinguished,depending on the
relationship between the diameter of the
scattering particle (a) and the wavelength
of the radiation (l).
Scattering of EM energy by the atmosphere
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Rayleigh Scatter
a < l
Rayleigh scatter is common when radiation interacts
with atmospheric molecules (gas molecules) and other
tiny particles (aerosols) that are much smaller in
diameter that the wavelength of the interacting radiation.
The effect of Rayleigh scatter is inversely proportional to
the fourth power of the wavelength,As a result,short
wavelengths are more likely to be scattered than long
wavelengths.
Rayleigh scatter is one of the principal causes of haze in
imagery,Visually haze diminishes the crispness or
contrast of an image.
Relationship between path length of EM radiation
and the level of atmospheric scatter
Mie Scatter
a <=> l
Mie scatter exists when the atmospheric particle
diameter is essentially equal to the energy
wavelengths being sensed,
Water vapour and dust particles are major causes of
Mie scatter,This type of scatter tends to influence
longer wavelengths than Rayleigh scatter,
Although Rayleigh scatter tends to dominate under
most atmospheric conditions,Mie scatter is significant
in slightly overcast ones.
Non-selective scatter
a > l
Non-selective scatter is more of a problem,and occurs
when the diameter of the particles causing scatter are
much larger than the wavelengths being sensed,
Water droplets,that commonly have diameters of
between 5 and 100mm,can cause such scatter,and can
affect all visible and near - to - mid-IR wavelengths
equally,
Consequently,this scattering is,non-selective” with
respect to wavelength,In the visible wavelengths,equal
quantities of blue green and red light are scattered.
Non-Selective scatter of EM radiation by a cloud
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院三种散射作用
1,瑞利散射,当微粒的直径比辐射波长小得多时，
此时的散射称为瑞利散射。
散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的 30倍,0.4微米的蓝光是 4微米红外线散射的 1万倍。
瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。
多波段中不使用蓝紫光的原因：
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院颜色 红 橙黄 黄 绿 青兰 紫 紫外线波长 0.7 0.62 0.57 0.53 0.47 0.4 0.3
散射率 1 1.6 2.2 3.3 4.9 5.4 30.0
无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？
朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院
2,米氏散射,当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。
云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，
所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视。
3,无选择性散射,当微粒的直径比辐射波长大得多时所发生的散射。符合无选择性散射条件的波段中，任何波段的散射强度相同。
水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。
云雾为什么通常呈现白色？
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院结论
1,太阳辐射衰减的原因是什么？
2,在可见光和近红外波段，大气最主要的散射作用是什么？
3,无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？
4,朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？
5,微波为什么具有极强的穿透云层的作用？
6,为什么在选择遥感工作波段时，要考虑大气层的散射和吸收作用？
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院四、大气窗口
1、大气窗口,通过大气而较少被反射、吸收或散射的投射率较高的电磁辐射波段。
大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据 。
常见的大气窗口,
Atmospheric Windows
Some sensors,especially those on meteorological
satellites,seek to directly measure absorption
phenomena such as those associated with CO2 and
other gaseous molecules.
Note that the atmosphere is nearly opaque to EM
radiation in the mid and far IR
In the microwave region,by contrast,most of the EM
radiation moves through unimpeded - so that radar at
commonly used wavelengths will nearly all reach the
Earth surface unimpeded - although specific
wavelengths are scattered by raindrops.
遥感原理烟台师范学院地理与资源管理学院五、环境对地物光谱特性的影响
1,地物的物理性状
2,光源的辐射强度,纬度与海拔高度
3,季节,太阳高度不同
4,探测时间,时间不同，反射率不同。
5,气象条件
