遥感原理和应用
刘丹丹
第一章电磁波及遥感物理基础
? 1 遥感的概念
? 2 电磁波和电磁波谱
? 3 物体的发射辐射
? 1)黑体辐射
? 2)太阳辐射
? 3)大气对辐射的影响
? 4) 一般物体的发射
辐 射
? 5)地球发射
4 地物的反射辐射
? 1)地物的反射类别
? 2)光谱反射率以及
地物的反射光谱特性
? 3) 影响地物光谱反射率变
化的因素
? 5 地物波谱特性的测定
? 1)地物波谱特性的概念
? 2) 地物波谱特性的测定原
理
? 3)地物波谱特性的测定步骤
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）
陈述彭先生指出, 没有遥感, 就提不出全球变化这样的科学问题 。 所以
遥感对地学本身有巨大的推动作用, 就象望远镜对天文学和物理学的推
动作用一样 。
? 电磁波,根据麦克斯韦电磁场理论,变化的
电场能够在它的周围引起变化的磁场,这个
变化的磁场又在较远的区域内引起新的变
化电场,并在更远的区域内引起新的变化磁
场,这种变化的电场和磁场交替产生,以有限
的速度由近及远在空间内传播的过程称为
电磁波,
? 电磁波的特点：波粒二象性,波动性 和粒
子性
? 波动性形成了光的干涉，衍射，偏振现象
?
电磁波谱
? 不同的电磁波由不同的波源产生．如果按
照电磁波在真空中传播的波长递增（或频
率递减）的顺序排列，就能得到电磁波谱
图,
对于任何温度，任何波长吸收
比始终等于一的物体
B T a l (,) = 1
显然，绝对黑体的单色吸收比等于一，即,
绝对黑体 绝对黑体
模型 模型
绝对黑体 绝对黑体
1.2 物体的发射辐射
理解基尔霍夫定律的假想实验 理解基尔霍夫定律的假想实验
黑体
真空容器内处于
热平衡状态
温
度
为
T
因为温度不变，所以
每个物体吸收辐射能应等
于它发射的辐射能。
吸收本领大的物体也
是辐射本领大的物体
所以各物体辐出度和
吸收比之比为一常量。
B
2 A
1 A
3 A
基尔霍夫定律 基尔霍夫定律,任何物体的单色辐出度和
单色吸收比之比，等于同一温度绝对黑体的
单色辐出度。
绝对黑体的辐射定律
T
绝对黑体
实验装置
1、绝对黑体单色辐出度按波长分布实验
e n = h
- = 34 6 63 ? 10 h J s,,
式 中 h 称为普朗克常数
振子在辐射或吸收能量 时，从一个状态跃迁
到另一个状态。
在能量子假说基础上，普朗克得到了黑
体辐射公式,
对于频率为 ν 的谐振子最小能量为
B hc
k T
M hc
e
t l
l
l p l (,) = -
-
2 5
1 2
1
这一公式称为普朗克公式,它和实验符合得很好。
c —— 光速
k —— 玻尔兹曼恒量
e —— 自然对数的底
λ λ B 曲线下的面积等于绝对黑体在一
定温度下的辐射出射度 即,
B B M M T T d ( ) ( ) = l l
由实验及理论都可以得到
B M T T ( ) = s
4
斯忒藩 — 玻尔兹曼定律
( ) T M ~
B ( ) T M
s = 5.67 10 8 w.m K 2, 4
推导 1 斯忒藩（ Stefan)—— 玻尔兹曼定律
0
? ?
M B λ （ T） 最大值所对应的波长为 λ m
维恩位移定律,
维恩位移定律指出，当绝对黑体的温度升高
时，单色辐出度最大值向短波方向移动。
例子：低温火炉辐射能集中在红光。
高温物体辐射能集中在蓝、绿色。
m b K = - 3 10, 2.897
T λ m b = λ
m
M B λ （ T）
λ
推导 2 维恩（ Wien)位移定律
推导 3 温度越高,所有波长上的波谱辐射通量越大
下图为绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线
M B λ （ T）
0 1 2 3 4 5 6
λ
(μm)
1.2.2 太阳辐射
? 太阳常数,就是指在日地平均距离处垂直于太阳光线的平
面上，在单位时间内单位面积上所接收到的太阳辐射能。
? 1.36× 1000瓦每平方米,
? 太阳光谱辐照度指投射到单位面积上的太阳辐射通量密度，
该值随波长不同而异。太阳表面发出的连续光谱，近似于
5800。 K的黑体辐射。而且由于太阳大气的吸收，光谱辐
照度按波长的分布具有不连续性，这种太阳光谱中的吸收
线称为, 夫琅和费谱线, 。这些吸收谱线与太阳大气中的
化学成份一一对应。如在波长为 5892A处的吸收线对应于
钠原子的吸收。图 2.7显示了太阳辐射能量的分布情况，
比较大气上界和海平面上的太阳辐照度，可见由于地球大
气的吸收，在红外波段形成若干个吸收带。
太阳辐照度分布曲线
1.2.3 大气对辐射的影响
? １地球大气
? 组成,不变成分 （氮．氧．氩．二氧化
碳．氦．）
? 可变成分 （甲烷．氢．水蒸
汽．液态和固态水．盐粒．尘烟）
? 垂直分布,
? 大气层中的温度分布和铅直分层
? 大气层中的温度分布和铅直分层
? 1.对流层 (troposphere)
厚度,0— 12km（低纬
17— 18km，高纬 8— 9km；
夏季高于冬季） 对流层的主
要特点,
? 集中了 80%以上的大气质量
和几乎全部的水汽
? 温度随高度的升高而降低，
平均每 100m降低 0.65℃
? 具有强烈的对流
(convection)与乱流
(turbulence)运动
? 气象要素 (meteorological
element)的水平分布很不均
匀
?,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）
? 5.散逸层 ( exosphere) 热成
层以上为外层（又称散逸层），是大气圈
与星际空间的过渡带。其主要特点有,
? 空气非常稀薄
? 空气质点的运动速度很快，受到的地球引
力很小，可逃逸到星际空间
２．大气对太阳辐射的吸收，散射，辐射作用
? 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。
吸收作用使辐射的能量转变为分子的内能，从而引起这些波段太阳 辐射强度的衰减，甚至某些波段的电磁波完全不能通过大气。
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。
?
? 辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开，称为
散射。散射使原传播方向的辐射强度减弱，而增加其他各方向的辐射。由于
太阳辐射需二次通过大气至传感器，且二次影响增加了信号中的噪声成分，
造成遥感图像的质量下降。
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。
?
散射现象的实质是电磁波在传输中遇到大气微粒而产生的一种衍射现象。因
此，这种现象只有当大气中的分子或其他微粒的直径小于或相当于辐射波长
时才发生。 大气散射 有三种情况,
? 1.瑞利散射
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,
? 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？
?
颜
色
红 橙
黄
黄 绿 青
兰
紫 紫
外
线
波
长
0
.
7
0
.
6
2
0
.
5
7
0
.
5
3
0
.
4
7
0
.
4
0.
3
散
射
率
1 1
.
6
2
.
2
3
.
3
4
.
9
5
.
4
3
0.
0
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？
? 大气反射作用
? 电磁波在传播过程中，如果通过两种介质
的交界面，会出现反射现象。反射主要发
生在云层顶部，取决于云量，而且各波段
受到不同程度的影响，因此应尽量选择无
云的天气接收遥感信号。
? 30%被云层反射回； 17%被大气吸收； 22%被
大气散射； 31%到达地面。
３大气窗口
? 因为折射并不改变辐射强度，所以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。
大气窗口的光谱段主要有,
? 遥感中的常用大气窗口如下,
? (1) 0.3-1.5μm，可见光、部分紫外
和近红外；
? (2) 1.3-2.5μm，部分近红外；
? (3) 3.5-5.5μm，中红外；
? (4) 8-14μm，远红外；
? (5) >8mm，微波。
５）地球的辐射
? 主动遥感
? 遥感 太阳
? 被动遥感
? 地球,辐射集中在长波
波段名称
波长
地球辐射的分
段特性特性
可见光和近红外
0.3-2.5微米
地表反射太阳
辐射为主
中红外
2.5-6微米
地表反射太阳辐射
和自身的热辐射
远红外
大于 6微米
地表物体自身热
辐射为主
? ７．与大气吸收作用有关的因子有哪些？
? ８．试述大气窗口的概念。
? ９,大气散射元的成分有哪些？
? １０,试述由米氏散射理论描述的散射元直
径、入射光波长和散射能量之间的关系。
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 (理想 )。
?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。
?绝对白体 （ 理想）
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
地物的反射光谱,地物的反射率随入射波
长变化的规律。
A 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。
B 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
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。
时间特性
空间特性
?
不同植物光谱曲线比较
植被的病虫害
时间特征
? 地物的波谱特性：指各种地物各自具有的
电磁波特性（发射辐射和反射辐射）
? 测定原理
? 测定方法
? 测定步骤
几个常数