1、遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS内容提要：内容提要：本章是遥感的理论基础，主要介本章是遥感的理论基础，主要介绍电磁辐射的基本概念，电磁波谱，电磁辐绍电磁辐射的基本概念，电磁波谱，电磁辐射的性质；物体的反射波谱，发射波谱，太射的性质；物体的反射波谱，发射波谱，太阳和地球的电磁辐射；电磁辐射的大气传输阳和地球的电磁辐射；电磁辐射的大气传输特性以及大气窗口。特性以及大气窗口。重点和难点：重点和难点：电磁辐射的本质，电磁波谱，电磁辐射的本质，电磁波谱，物体的反射波谱特性，发射辐射能力，以及物体的反射波谱特性，发射辐射能力，以及大气对电磁辐射的衰减
2、特点。大气对电磁辐射的衰减特点。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RSEHx遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 电磁辐射的本质电磁辐射的本质 波动性波动性：电磁辐射是振源发出的电磁场在空间：电磁辐射是振源发出的电磁场在空间以速度以速度v传播的横波，具有波动的特性。传播的横波，具有波动的特性。 物理量：波长物理量：波长、周期、频率、周期、频率、振幅、振幅、波数、圆波数波数、圆波数k、角频率、角频率、波速、波速、初相位、初相位、是波函数，参数之间的关系：是波函数，参数之间的关系：Asin(tkx)遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2
3、.1 电磁辐射电磁辐射 电磁辐射的本质电磁辐射的本质 粒子性粒子性：电磁辐射是一种在时空上不连续的物：电磁辐射是一种在时空上不连续的物质微粒的随机性运动过程，携带一定的能量。质微粒的随机性运动过程，携带一定的能量。 光子光子 电磁辐射量子化的单位电磁辐射量子化的单位 光子的能量光子的能量 光子的动量光子的动量 h 6.62510尔格尔格秒，普朗克常数秒，普朗克常数遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 电磁辐射的本质电磁辐射的本质 波粒二象性波粒二象性：波是粒子流的统计平均，粒子是：波是粒子流的统计平均，粒子是波的量子化；在传播过程中以波动性为主，遵守波的
4、量子化；在传播过程中以波动性为主，遵守波动规律，当与物质作用时又以粒子性为主。波波动规律，当与物质作用时又以粒子性为主。波长较长、能量较小的波动性明显；波长较短，能长较长、能量较小的波动性明显；波长较短，能量较大的粒子性显著。量较大的粒子性显著。 粒子流密度，粒子流密度，A波的振幅波的振幅遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 电磁波谱电磁波谱 定义定义：为了便于比较电磁辐射的内部差异和进：为了便于比较电磁辐射的内部差异和进行描述，按照它们的波长行描述，按照它们的波长(或频率或频率)大小，依次排大小，依次排列画成图表，该图表就叫做电磁波谱。列画成图表，该图
5、表就叫做电磁波谱。 电磁辐射波段电磁辐射波段：宇宙射线、：宇宙射线、射线、射线、射线、紫射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波、工业用电外线、可见光、红外线、无线电波、工业用电遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 电磁波谱电磁波谱 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 电磁波谱电磁波谱 紫外线紫外线(Uitraviolet Ray UV) 波长波长0.38，由原子或分子外层电，由原子或分子外层电子跃迁产生，分成近紫外子跃迁产生，分成近紫外(0.38300)、远紫外远紫外(300200)和超远紫外和超远紫外(200)
6、，粒子性明显。粒子性明显。0.3者被大气吸收，者被大气吸收，0.30.38的通过大气，用感光胶片和光电探测器进行探的通过大气，用感光胶片和光电探测器进行探测。测。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 电磁波谱电磁波谱 可见光可见光(Visible Light) 波长波长0.380.76，由分子外层电子跃，由分子外层电子跃迁产生，眼睛能够观察的唯一波区。通过透镜聚迁产生，眼睛能够观察的唯一波区。通过透镜聚焦，经过棱镜色散，分成各种色光波段，具光化焦，经过棱镜色散，分成各种色光波段，具光化作用和光电效应，用胶片和光电探测器收集记录。作用和光电效应，用胶片和光
7、电探测器收集记录。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 电磁波谱电磁波谱 红外线红外线(Infrared Ray IR) 波长波长0.761000，由分子振动与转动产生，由分子振动与转动产生，分成近红外分成近红外(0.763)，中红外，中红外()，远红外远红外(15)超远红外超远红外(15300)和赫兹和赫兹波波(3001000)。其中。其中0.761.4的辐射可以的辐射可以用摄影方式探测，称摄影红外；中远红外是物体用摄影方式探测，称摄影红外；中远红外是物体发射的热辐射（热红外），用光学机械扫描方式发射的热辐射（热红外），用光学机械扫描方式获取。红外线能
8、聚焦、色散、反射，具有光电效获取。红外线能聚焦、色散、反射，具有光电效应。应。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 电磁波谱电磁波谱 微波微波(Micro wave) 微波波长微波波长0.1100cm，由固体金属分子转动，由固体金属分子转动所产生。分为毫米波、厘米波和分米波，特点是所产生。分为毫米波、厘米波和分米波，特点是能穿云透雾，穿透冰层和地面松散层，其它辐射能穿云透雾，穿透冰层和地面松散层，其它辐射和物体对它干扰小。物体辐射微波的能量很弱，和物体对它干扰小。物体辐射微波的能量很弱，接收和记录均较困难，要求传感器非常灵敏。接收和记录均较困难，要求传感
9、器非常灵敏。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 基本性质基本性质 波的叠加原理波的叠加原理：数列波在传播过程中，相遇后：数列波在传播过程中，相遇后仍能保持它们各自原有的特性仍能保持它们各自原有的特性(频率、波长、振频率、波长、振幅、振动方向等幅、振动方向等)不变，按照自己原来的传播方不变，按照自己原来的传播方向继续前进，在相遇区域内，任一点的振动为各向继续前进，在相遇区域内，任一点的振动为各波所引起的振动的合成。波所引起的振动的合成。 遥感中，所遇到的电磁波的波形都很复杂，遥感中，所遇到的电磁波的波形都很复杂，可以用多个正弦波的叠加构成。可以用多个正弦
10、波的叠加构成。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 基本性质基本性质 电磁波的干涉电磁波的干涉：频率相同、振动方向相同、相：频率相同、振动方向相同、相位相同或相位相差恒定的两位相同或相位相差恒定的两(数数)列波相遇时，使列波相遇时，使某些地方振动始终加强，而在另一些地方振动始某些地方振动始终加强，而在另一些地方振动始终减弱的现象叫做波的干涉现象。终减弱的现象叫做波的干涉现象。 作用作用：利用能量增大趋势，使图像清晰，方：利用能量增大趋势，使图像清晰，方向性强；向性强； 影响影响：造成同一物质所表现的性质不同。：造成同一物质所表现的性质不同。遥遥 感感 原
11、原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 基本性质基本性质 电磁波的衍射电磁波的衍射：辐射在传播过程中遇到阻碍物：辐射在传播过程中遇到阻碍物时，其传播方向发生改变，能够绕过障碍物边缘时，其传播方向发生改变，能够绕过障碍物边缘继续前进的现象。继续前进的现象。 ）通过传感器孔径的电磁辐射发生衍射，通过传感器孔径的电磁辐射发生衍射，数量、质量和方向都发生变化，结果测不准；数量、质量和方向都发生变化，结果测不准； ）光学仪器的最小分辨角光学仪器的最小分辨角1.22 / D电磁辐射的波长，电磁辐射的波长，D光学仪器的孔径；光学仪器的孔径； ）缩小阴影区域。缩小阴影区域。遥遥 感感
12、原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 基本性质基本性质 电磁波的偏振电磁波的偏振(极化极化) 概念概念：电磁波在各方向上振幅大小不同，且：电磁波在各方向上振幅大小不同，且没有固定位相关系，极大值与极小值之间的夹角没有固定位相关系，极大值与极小值之间的夹角为为90的的现象称偏振现象。的的现象称偏振现象。 作用作用：偏振摄影，侧视雷达成像接收的完全：偏振摄影，侧视雷达成像接收的完全是偏振波，利用偏振原理制作立体镜进行遥感影是偏振波，利用偏振原理制作立体镜进行遥感影像立体观察等。像立体观察等。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 基
13、本性质基本性质 偏振偏振(极化极化)的产生的产生 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 基本性质基本性质 电磁波的多普勒效应电磁波的多普勒效应 概念概念：电磁辐射因辐射源或观察者相对于传：电磁辐射因辐射源或观察者相对于传播介质的运动，而使观察者接收到的频率发生变播介质的运动，而使观察者接收到的频率发生变化的现象，称为多普勒效应。化的现象，称为多普勒效应。 作用作用：确定目标物运动速度，进行信息处理：确定目标物运动速度，进行信息处理遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 基本性质基本性质 光电效应光电效应 电磁辐射的能
14、量激发物体，释放出带电粒子，电磁辐射的能量激发物体，释放出带电粒子，形成光电流，称电磁辐射的光电效应。形成光电流，称电磁辐射的光电效应。 1) 具有一定的截止频率，其数值为具有一定的截止频率，其数值为vA/h 2)电子的初动能与辐射的频率成线性关系电子的初动能与辐射的频率成线性关系 3)光电流的强度和入射的电磁辐射强度成正比光电流的强度和入射的电磁辐射强度成正比遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 电磁辐射的产生电磁辐射的产生 物质内部结构物质内部结构：分子原子原子核与电子：分子原子原子核与电子 运动规律运动规律：电子的绕核运动、原子核在平衡位：电子的绕
15、核运动、原子核在平衡位置上的振动、分子以其质量中心为轴的转动置上的振动、分子以其质量中心为轴的转动 3 种种 当没有外来能量刺激时，这些运动状态是稳定的，当没有外来能量刺激时，这些运动状态是稳定的，具有一定的能量，并且该能量并不因为电子、原子、分具有一定的能量，并且该能量并不因为电子、原子、分子不停地运动而有所衰减，当与其它粒子碰撞，或者在子不停地运动而有所衰减，当与其它粒子碰撞，或者在电磁场中被照射而吸收足够的能量时，它就会改变运动电磁场中被照射而吸收足够的能量时，它就会改变运动状态，从低能量轨道跃升到高能量轨道上去。状态，从低能量轨道跃升到高能量轨道上去。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方
16、 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 电磁辐射的产生电磁辐射的产生 基态基态 根据最低能量原理，在正常情况下，粒子处根据最低能量原理，在正常情况下，粒子处于最低能量的运动状态，这个状态称为基态。对任一于最低能量的运动状态，这个状态称为基态。对任一频率的粒子，基态能量为频率的粒子，基态能量为1激发态激发态 基态粒子接收外来能量后，跃升到较高能基态粒子接收外来能量后，跃升到较高能量的运动状态，这种状态称为激发态。激发态的能量量的运动状态，这种状态称为激发态。激发态的能量Enn。为电子层数，表示电子离核的距离。为电子层数，表示电子离核的距离。 激发激发 粒子从低能级跃迁到高能级的过程叫激发粒子
17、从低能级跃迁到高能级的过程叫激发 激发能激发能 激发态与基态的能量之差，称激发能激发态与基态的能量之差，称激发能 激发方式激发方式 电能激发、热能激发和辐射能激发。电能激发、热能激发和辐射能激发。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 电磁辐射的产生电磁辐射的产生 电磁辐射的产生电磁辐射的产生 粒子受激从基态进入高能量状态时，是瞬时粒子受激从基态进入高能量状态时，是瞬时的跃迁，不允许有中间的能量状态；处于激发态的跃迁，不允许有中间的能量状态；处于激发态的粒子十分不稳定，在的粒子十分不稳定，在10秒内就要往基态转秒内就要往基态转化。这种转化可以有两种情况：一
18、是与另一个粒化。这种转化可以有两种情况：一是与另一个粒子碰撞，能量传递给另一个粒子，这时没有电磁子碰撞，能量传递给另一个粒子，这时没有电磁辐射产生；二是粒子向下跃迁到一个较低的能级，辐射产生；二是粒子向下跃迁到一个较低的能级，释放出多余的能量，以光子的形式带走，产生电释放出多余的能量，以光子的形式带走，产生电磁辐射。磁辐射。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 电磁辐射的产生电磁辐射的产生 电磁辐射的频率与波长电磁辐射的频率与波长 以以表示各能级的激发能，光子的能量为表示各能级的激发能，光子的能量为，二者相等。即较高状态的粒子跃迁到较低，二者相等。即较高
19、状态的粒子跃迁到较低能级时多余的能量能级时多余的能量就以光子的能量就以光子的能量辐射辐射出去。出去。 21 这一过程发射的电磁波的频率和波长分别为这一过程发射的电磁波的频率和波长分别为 =/ =C/=C h/E遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 电磁辐射的产生电磁辐射的产生 辐射形式辐射形式 共振辐射共振辐射：受激跃迁到激发态的粒子，直接回到：受激跃迁到激发态的粒子，直接回到基态，辐射的光子频率与吸收的光子频率一样。基态，辐射的光子频率与吸收的光子频率一样。 荧光现象荧光现象：受激跃迁到激发态的粒子，通过中间：受激跃迁到激发态的粒子，通过中间能级回到基
20、态，发射的光子频率比吸收的光子频率低。能级回到基态，发射的光子频率比吸收的光子频率低。 热辐射热辐射：物质受激发时，将激发能转变成热能，：物质受激发时，将激发能转变成热能，发生热运动，引起粒子互相碰撞，从而使粒子运动发发生热运动，引起粒子互相碰撞，从而使粒子运动发生改变，产生能级跃迁。由碰撞而产生的高能量运动生改变，产生能级跃迁。由碰撞而产生的高能量运动状态可以自发的转变到低能运动状态，发出电磁辐射。状态可以自发的转变到低能运动状态，发出电磁辐射。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.1 2.1 电磁辐射电磁辐射 电磁辐射的度量电磁辐射的度量 辐射能辐射能Q 电磁辐射所携带的能量，表
21、示在给定时间间电磁辐射所携带的能量，表示在给定时间间隔内由辐射源辐射出的全部能量，量纲是焦耳（隔内由辐射源辐射出的全部能量，量纲是焦耳（J）。）。辐射通量辐射通量 单位时间内传输的辐射能，量纲是单位时间内传输的辐射能，量纲是焦耳焦耳/秒（秒（J/s），或瓦（），或瓦（W）。）。辐射通量密度（辐射通量密度（E、M） 单位面积上的辐射通量：单位面积上的辐射通量： 辐照度辐照度E 投射到表面上的辐射通量密度（投射到表面上的辐射通量密度（W/cm2） 出射度出射度M 从表面发出的辐射通量密度（从表面发出的辐射通量密度（W/cm2） 辐射强度辐射强度I 单位立体角所发出的辐射通量单位立体角所发出的辐射通
22、量(W/sr) 光谱量：特定波长上的辐射量光谱量：特定波长上的辐射量遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 概概 念：念：电磁辐射在传播过程中，一旦与物体接电磁辐射在传播过程中，一旦与物体接触，就与物体发生相互作用，进行能量交换，使触，就与物体发生相互作用，进行能量交换，使电磁辐射在强度、方电磁辐射在强度、方向、波长向、波长(或频率或频率)、相位等方面发生变化，相位等方面发生变化，甚至产生偏振。表现甚至产生偏振。表现形式为物体使入射的形式为物体使入射的电磁辐射发生反射、电磁辐射发生反射、透射以及吸收和再发透射以及吸收和再发射
23、等。射等。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 本本 质：质：入射到物体的电磁辐射使物体表入射到物体的电磁辐射使物体表面的自由电荷和束缚电荷发生振荡运动，面的自由电荷和束缚电荷发生振荡运动，这种运动转而辐射出次级场返回初始介质，这种运动转而辐射出次级场返回初始介质，或者向前进入第二种介质。或者向前进入第二种介质。 根据能量守恒律，入射的电磁辐射根据能量守恒律，入射的电磁辐射(Q)受到反射受到反射(Qr)、透射、透射(Q)和吸收和吸收(Q) QQQQ 1 r 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐
24、射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 遥感基本原理：遥感基本原理：不同物体，由于组成它们不同物体，由于组成它们的物质结构不同的物质结构不同(分子、原子分子、原子)，与电磁辐，与电磁辐射作用时，这些分子和原子在旋转和振动射作用时，这些分子和原子在旋转和振动过程中，所产生的能级跃迁就不同，进而过程中，所产生的能级跃迁就不同，进而所反射或吸收的电磁辐射的频率和强度也所反射或吸收的电磁辐射的频率和强度也不一样。这种不同被传感器接收、记录下不一样。这种不同被传感器接收、记录下来，就构成我们识别与区分物体的依据。来，就构成我们识别与区分物体的依据。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2
25、2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐射的反射电磁辐射的反射 概念概念：电磁辐射与物体作用后产生的次级波返：电磁辐射与物体作用后产生的次级波返回原来的介质，这种现象就称为反射，该次级波回原来的介质，这种现象就称为反射，该次级波便称之为反射波便称之为反射波(辐射辐射)。 反射能力的大小是波长、入射角、偏振和物反射能力的大小是波长、入射角、偏振和物体性质的函数，主要取决于物体性质。体性质的函数，主要取决于物体性质。 物体的性质物体的性质电学性质、磁学性质、物体电学性质、磁学性质、物体表面粗糙程度表面粗糙程度 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁
26、辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐射的反射电磁辐射的反射 反射系数反射系数：反射波的电矢量振幅和入射波的电：反射波的电矢量振幅和入射波的电矢量振幅之比称反射系数，其实质是入射角、物矢量振幅之比称反射系数，其实质是入射角、物体的介电常数及磁导率的函数，在入射角相同情体的介电常数及磁导率的函数，在入射角相同情况下，由于物体的结构不同，介电常数和磁导率况下，由于物体的结构不同，介电常数和磁导率不一样，因此有不同的反射系数。不一样，因此有不同的反射系数。 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐射的反射电磁辐
27、射的反射 物体表面状况对反射的影响物体表面状况对反射的影响 表面类型：表面类型：光滑表面光滑表面镜面；粗糙表面镜面；粗糙表面 划分准则：划分准则： cos 式中：式中：是入射波的波长，是入射波的波长，是入射角。是入射角。 物体表面起伏度物体表面起伏度，为光滑表面，为光滑表面 物体表面起伏度，为粗糙表面物体表面起伏度，为粗糙表面 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐射的反射电磁辐射的反射 物体表面状况对反射的影响物体表面状况对反射的影响 漫反射漫反射镜面反射镜面反射方向反射方向反射遥遥 感感 原原 理理 与与 方方
28、法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐射的发射电磁辐射的发射 黑体辐射黑体辐射概念概念 黑体是指在任何温度下，对所有波长黑体是指在任何温度下，对所有波长的电磁辐射都能够完全吸收，同时能够在的电磁辐射都能够完全吸收，同时能够在热力学定律所允许的范围内最大限度地把热力学定律所允许的范围内最大限度地把热能变成辐射能的理想辐射体。它是作为热能变成辐射能的理想辐射体。它是作为研究物体发射的计量标准。研究物体发射的计量标准。黑体辐射黑体辐射辐射现象辐射现象 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS 黑体辐射黑体辐射辐射现辐射现象象遥遥 感感 原原 理理 与与
29、方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐射的发射电磁辐射的发射 黑体辐射黑体辐射辐射定律辐射定律 普朗克定律：普朗克定律：在给定温度下，黑体的光谱出在给定温度下，黑体的光谱出射率随波长而变化；温度愈高，射率随波长而变化；温度愈高，愈大，即光愈大，即光谱辐射能力越强。谱辐射能力越强。 5210) 1(TCeCM遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐射的发射电磁辐射的发射 黑体辐射黑体辐射辐射定律辐射定律 斯蒂芬斯蒂芬波尔兹曼定律波尔兹曼定律 0式中：式中：5.66910-1
30、2c-4 黑体的总出射率黑体的总出射率(辐射通量密度辐射通量密度)随温度的升随温度的升高而迅速增大，相当小的温度变化就可以引起辐高而迅速增大，相当小的温度变化就可以引起辐射通量密度射通量密度(出射率出射率)的很大变化。的很大变化。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐射的发射电磁辐射的发射 黑体辐射黑体辐射辐射定律辐射定律 维恩位移定律维恩位移定律：黑体的峰值波长与其绝对：黑体的峰值波长与其绝对温度成反比，即当温度增加时，黑体出射率的极温度成反比，即当温度增加时，黑体出射率的极大值向短波长方向移动。大值向短波长方向移
31、动。 0 2898 / T式中，式中，0的单位为的单位为，为绝对温度，为绝对温度遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐射的发射电磁辐射的发射 物体的发射物体的发射基尔霍夫定律基尔霍夫定律 在给定温度下，物体对任一波长的发射本领在给定温度下，物体对任一波长的发射本领和它的吸收本领成正比，比值与物体的性质无关，和它的吸收本领成正比，比值与物体的性质无关，只是波长和温度的函数，其表达式为：只是波长和温度的函数，其表达式为： (、)式中式中为物体对波长为物体对波长的光波出射率，的光波出射率，为物体为物体对波长对波长的吸收率。
32、的吸收率。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐射的发射电磁辐射的发射 物体的发射物体的发射基尔霍夫定律基尔霍夫定律 黑体黑体 0(、) 0(、) 任意物体任意物体 (、) 0遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐射的发射电磁辐射的发射 物体的发射物体的发射发射率发射率 概念概念：发射率：发射率是指物体的辐射通量密度和是指物体的辐射通量密度和同温度的黑体辐射通量密度同温度的黑体辐射通量密度0之比，之比，0. 对于任意波长对于任意波长 0式中
33、，式中，物体的光谱出射率，物体的光谱出射率，0黑体的光黑体的光谱出射率。谱出射率。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐射的发射电磁辐射的发射 物体的发射物体的发射发射率发射率 0 即：物体的光谱发射率等于物体的光谱吸收率即：物体的光谱发射率等于物体的光谱吸收率 对于波长为对于波长为的辐射是不透明的物体的辐射是不透明的物体 只要测出物体的反射率，就可求得其发射率。只要测出物体的反射率，就可求得其发射率。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐
34、射的发射电磁辐射的发射 物体的类型物体的类型黑体黑体：，总辐射通量密度，总辐射通量密度 0灰体灰体： 为一常数，介于之间，为一常数，介于之间， c，总，总辐射通量密度辐射通量密度 选择性辐射体选择性辐射体：，0 为一变化值为一变化值 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐射的发射电磁辐射的发射 物体的类型物体的类型遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐射的发射电磁辐射的发射 遥感辐射源遥感辐射源 凡是能够产生电磁辐射的物体，叫做辐射源。凡是
35、能够产生电磁辐射的物体，叫做辐射源。分为两大类：人工辐射源和天然辐射源。在自然分为两大类：人工辐射源和天然辐射源。在自然界最大的天然辐射源是太阳和地球，它们是遥感界最大的天然辐射源是太阳和地球，它们是遥感信息的主要提供者。信息的主要提供者。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐射的发射电磁辐射的发射 遥感辐射源遥感辐射源太阳辐射太阳辐射 大气上界太阳辐射：大气上界太阳辐射：140010w/cm 太阳常数：太阳常数：S*1.99cal/cm2m 到达地球表面能量：到达地球表面能量：90310-4w/ cm2 地球表面太
36、阳辐射：时空分布不均衡，是太阳高地球表面太阳辐射：时空分布不均衡，是太阳高度角的函数度角的函数 sinh=sin sin +cos cos sin 太阳辐射的波谱组成：能量主要集中在太阳辐射的波谱组成：能量主要集中在0.23m之间，峰值出现在之间，峰值出现在0.5m附近的绿色光。附近的绿色光。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS 遥感辐射源遥感辐射源太阳辐射太阳辐射遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 电磁辐射的发射电磁辐射的发射 遥感辐射源遥感辐射源地球辐射地球辐射 辐射状况：地球辐射近似于辐射状况：地球辐射近似
37、于300的黑体辐射的黑体辐射 波谱范围：从近红外到微波，集中在波谱范围：从近红外到微波，集中在530m 能量分布：能量分布：03m段段0.2，35m段段0.6，58m段段10，814m段段50，1430m段段30，301000m段段9，1mm以上微波以上微波0.2。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 物体的波谱特性物体的波谱特性 所有物体都具有所有物体都具有反射反射和和发射发射电磁辐射的本领，电磁辐射的本领，但是，在但是，在不同波长不同波长处其反射或发射电磁辐射的能处其反射或发射电磁辐射的能力存在差异。这种辐射能力随波长
38、改变而改变的力存在差异。这种辐射能力随波长改变而改变的特性，称为物体的特性，称为物体的波谱特性波谱特性。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 物体的波谱特性物体的波谱特性 反射波谱特性反射波谱特性 基本概念：基本概念：物体对不同波长的电磁辐射反射物体对不同波长的电磁辐射反射能力的变化，亦即物体的反射系数能力的变化，亦即物体的反射系数(率率)随入射波长随入射波长的变化规律叫做该物体的反射波谱。的变化规律叫做该物体的反射波谱。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS反射波谱特性曲线反射波谱特性曲线 几种典型的反射波谱曲线遥
39、遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 物体的波谱特性物体的波谱特性 反射波谱特性反射波谱特性岩石的反射波谱岩石的反射波谱 岩石的反射波谱主要取决于矿物类型、化学岩石的反射波谱主要取决于矿物类型、化学成分，以及覆盖于其上的土壤、植被。成分，以及覆盖于其上的土壤、植被。超基性岩超基性岩 大大理岩理岩 砂岩砂岩 玄武岩玄武岩 花岗闪长岩花岗闪长岩 花岗岩花岗岩 页岩页岩 安山岩安山岩遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 物体的波谱特性物体的波谱特性 反射波谱特
40、性反射波谱特性岩石的反射波谱岩石的反射波谱 石灰石的波谱反射特性曲线石灰石的波谱反射特性曲线 岩石反射率的大岩石反射率的大小与暗色矿物含量的小与暗色矿物含量的多少有关，多少有关，基性岩基性岩中性岩中性岩酸性岩酸性岩。风。风化的岩石比新鲜岩石化的岩石比新鲜岩石的反射率高。的反射率高。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 物体的波谱特性物体的波谱特性 反射波谱特性反射波谱特性水体的反射波谱水体的反射波谱 水体的反射率，从蓝光段的水体的反射率，从蓝光段的15降至红光段降至红光段的，红外波段几乎等于零。影响水体反射率的，红外波段几
41、乎等于零。影响水体反射率的主要因素是水的混浊度、水深、以及波浪起伏、的主要因素是水的混浊度、水深、以及波浪起伏、水面污染、水中生物等。水面污染、水中生物等。 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 物体的波谱特性物体的波谱特性 反射波谱特性反射波谱特性水体的反射波谱水体的反射波谱 波长（m）遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 物体的波谱特性物体的波谱特性 反射波谱特性反射波谱特性植物的反射波谱植物的反射波谱 反射特征反射特征：绿色植物的叶子由表皮、栅栏
42、组：绿色植物的叶子由表皮、栅栏组织和多孔薄壁细胞组织构成，入射到叶子上的太织和多孔薄壁细胞组织构成，入射到叶子上的太阳辐射透过上表皮，蓝、红光波段被构成栅栏组阳辐射透过上表皮，蓝、红光波段被构成栅栏组织的叶绿素吸收进行光合作用，绿光大部分也被织的叶绿素吸收进行光合作用，绿光大部分也被吸收，仅有少部分被反射；近红外线穿透栅栏组吸收，仅有少部分被反射；近红外线穿透栅栏组织，被多孔薄壁细胞组织反射，形成强反射。织，被多孔薄壁细胞组织反射，形成强反射。 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 物体的波谱特性物体的波谱特性 反射波谱特
43、性反射波谱特性植物的反射波谱植物的反射波谱 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 物体的波谱特性物体的波谱特性 反射波谱特性反射波谱特性植物的反射波谱植物的反射波谱 影响因素影响因素：植被类型、植物种类、季节、生长状：植被类型、植物种类、季节、生长状况、健康水平，以及下垫面。况、健康水平，以及下垫面。1 健康叶片，3、5、7 褪色期的老叶片小麦 柳 红枫树 枯黄阔叶树 松 不同植物的反射波谱曲线遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS 植物叶片重植物叶片重叠时，反射辐射叠时，反射辐射在可见光部分不在可见光部分不变近红外
44、部分由变近红外部分由于透射于透射(50(50左左右右) )和重复反射，和重复反射，反射率增加反射率增加20204040，可以，可以根据反射红外线根据反射红外线的强弱来确定植的强弱来确定植物的长势。物的长势。(：入射能,：反射能，：透射能)图2-15 多片叶子层对植物反射率影响有效反射: R1+T3 = 5/8 I入射能IR1=1/2IT3=1/2R2T1=1/2IR3=1/2R2R2=1/2T1第2片叶子T2=1/2T1=1/4I第1片叶子遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 物体的波谱特性物体的波谱特性 反射波谱特性反射
45、波谱特性土壤的反射波谱土壤的反射波谱 土壤对电磁辐射的反射状况很复杂，许多可土壤对电磁辐射的反射状况很复杂，许多可变因素，如土壤类型、表面粗糙度、矿物成分、变因素，如土壤类型、表面粗糙度、矿物成分、土壤有机质和水分含量等，都影响土壤的反射波土壤有机质和水分含量等，都影响土壤的反射波谱特性。一般在可见光区土壤的反射率高于植物，谱特性。一般在可见光区土壤的反射率高于植物，而在近红外波段则相反。而在近红外波段则相反。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 物体的波谱特性物体的波谱特性 发射波谱特性发射波谱特性 物体对电磁辐射的发射
46、能力随波长的不同而物体对电磁辐射的发射能力随波长的不同而变化的规律，叫做物体的发射波谱。变化的规律，叫做物体的发射波谱。 物体的发射本领取决于它的表面性质(颜色和光洁度)和内部热学性质。表面比较粗糙和颜色较深的物体，具有较高的发射本领；反之，发射率较低。金属的发射率很低，且随温度的升高而增加，当表面形成氧化层时，成数十倍增加。非金属的发射率一般大于0.8，并且在地面常温下，随温度的增高而减小。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 物体的波谱特性物体的波谱特性 发射波谱特性发射波谱特性火焰的发射波谱 各种不同类型火焰的发射光
47、谱相似，强辐射带各种不同类型火焰的发射光谱相似，强辐射带在在之间，弱带在之间，弱带在以下。以下。相对光谱辐射亮度相对光谱辐射亮度A 燃烧天然气的发射波谱 B 林火的发射波谱遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 图2-17 物体的微波辐射曲线发射波谱特性发射波谱特性 冰、水、土壤发射波谱冰、水、土壤发射波谱 冰、水和土壤的发射能力在微冰、水和土壤的发射能力在微 波波段有较大差异波波段有较大差异 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 物体的波谱特性物体的波
48、谱特性 地物波谱特性测量地物波谱特性测量实验室测定实验室测定 不受环境影响的物体均可在实验室进行波谱不受环境影响的物体均可在实验室进行波谱特性测量。主要用于对岩石、矿物、土壤和植物特性测量。主要用于对岩石、矿物、土壤和植物进行模拟试验，从理论上研究影响波谱特性的因进行模拟试验，从理论上研究影响波谱特性的因素及其变化规律。素及其变化规律。 优点优点：测量条件稳定，测量精度高。：测量条件稳定，测量精度高。 缺点缺点：采样破坏了物体的物理与几何特性，：采样破坏了物体的物理与几何特性，测量条件不易达到野外天然的状态。测量结果不测量条件不易达到野外天然的状态。测量结果不能反映真实情况。能反映真实情况。
49、遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.2 2.2 电磁辐射与物体的相互作用电磁辐射与物体的相互作用 物体的波谱特性物体的波谱特性 地物波谱特性测量地物波谱特性测量野外测定野外测定 地物波谱特性地物波谱特性主要是在野外进行主要是在野外进行测量测量 优点优点：测定结：测定结果比较接近实际情果比较接近实际情况况 缺点缺点：测量精：测量精度较低度较低遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.3 2.3 电磁辐射的大气传输电磁辐射的大气传输 大气传输特性大气传输特性 电磁辐射穿过大气时，会被大气衰减，衰减电磁辐射穿过大气时，会被大气衰减，衰减后的辐射强度后的辐射强度I为为 IIo 式中：
50、式中：衰减系数或消光系数，衰减系数或消光系数， Io入射辐射强度，入射辐射强度，大气路程大气路程 根据透射率定义，有根据透射率定义，有 IIo式中式中主要包括大气散射系数主要包括大气散射系数和吸收系数，即和吸收系数，即 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS2.3 2.3 电磁辐射的大气传输电磁辐射的大气传输 大气散射大气散射 散射概念：散射概念：散射是指电磁辐射与结构不均匀的散射是指电磁辐射与结构不均匀的物体作用后，产生的次级辐射无干涉抵消，向各物体作用后，产生的次级辐射无干涉抵消，向各个方向传播的现象，它实质是反射、折射和衍射个方向传播的现象，它实质是反射、折射和衍射的综合反映。的综
