第02章 电磁辐射及地物光谱特征

1、中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理高等学校测绘工程专业核心课程高等学校测绘工程专业核心课程中国矿业大学（北京）测绘工程专业学位课中国矿业大学（北京）测绘工程专业学位课中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理遥感原理与应用遥感原理与应用Remote Sensing Principles and its Applications中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理遥感原理与应用遥感原理与应用一

2、、遥感绪论一、遥感绪论 二、电磁辐射与地物光谱特征二、电磁辐射与地物光谱特征 三、遥感平台与遥感图像特征三、遥感平台与遥感图像特征四、遥感图像的成像原理四、遥感图像的成像原理 五、遥感数字图像处理基础五、遥感数字图像处理基础六、遥感图像处理六、遥感图像处理 七、遥感数字图像计算机解译七、遥感数字图像计算机解译 八、遥感应用八、遥感应用 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理二、电磁辐射与地物光谱特征二、电磁辐射与地物光谱特征 2.1、电磁波谱与电磁辐射、电磁波谱与电磁辐射2.2、太阳辐射及大气对辐射的影响、太阳辐射及大气对辐射

3、的影响2.3、地球的辐射与地物波谱、地球的辐射与地物波谱中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理1 1、波、波(wave)(wave)波的概念波的概念：波是振动在空间的传播。：波是振动在空间的传播。机械波：声波、水波和地震波机械波：声波、水波和地震波电磁波（电磁波（ElectroMagnetic wave ) 由振源发出的电磁振荡在空气中传播。由振源发出的电磁振荡在空气中传播。2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥

4、感机理2 2、电磁波、电磁波(electromagnetic wave)(electromagnetic wave)遥感（电磁波遥感）技术遥感（电磁波遥感）技术的的物理基础物理基础主要是电磁波理主要是电磁波理论。论。电磁场电磁场在空间的传播过程就是在空间的传播过程就是电磁波电磁波。电磁波电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的。是通过电场和磁场之间相互联系传播的。2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理2 2、电磁波、电磁波(electromagnetic wave)(ele

5、ctromagnetic wave) 是横波；是横波；具有波粒二象性具有波粒二象性(wave-particle duality)：电磁波在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，主要表现为粒子性时，主要表现为粒子性；在真空中以光速传播；在真空中以光速传播；满足：满足：=c，E=k 。：频率：频率：波长：波长c：光速：光速E：能量（：能量（J）k：普朗克常数：普朗克常数（6.62610-34 Js）电磁波的性质电磁波的性质2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北

6、京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理3、电磁波谱、电磁波谱(electromagnetic spectrum)电磁波谱电磁波谱：电磁波在真空传播中，电磁波在真空传播中，按按波长递增波长递增、频率递减频率递减的顺序可以划分为：的顺序可以划分为：射线、射线、射线、紫外线、可见光、射线、紫外线、可见光、红外线，微波和无线电波。红外线，微波和无线电波。2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理肉眼看得见的是电磁波中肉眼看得见的是电磁波中很短的一段很短的一段，从，从0.38-

7、0.760.38-0.76微米这部分称为微米这部分称为可见光可见光(visible light)(visible light)。可分光成。可分光成一条由一条由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色组成的七色组成的光带光带，这光带称为这光带称为光谱光谱(spectrum)(spectrum)。中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理电磁波电磁波是由不同波长是由不同波长的波组成的合成波。的波组成的合成波。其波长范围从其波长范围从10-10m (1m =10-4cm)的的宇宙宇宙射线射线到波长到波长达几公里达几公里的

8、无线电波的无线电波。波长长于红光的波长长于红光的(0.76微米微米)有有红外线红外线和和无线无线电波电波；波长；波长短于紫色短于紫色光光的的(0.38微米微米)有有紫紫外线外线，射线射线、X射线射线等。这些辐射虽然肉等。这些辐射虽然肉眼看不见，但可用仪眼看不见，但可用仪器测出。器测出。中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理 紫外线紫外线(UV)：0.01-0.38m，碳，碳酸盐岩分布、水面油污染。酸盐岩分布、水面油污染。 可见光：可见光：0.38-0.76 m，鉴别，鉴别物质特征的主要波段；是遥感物质特征的主要波段；是遥感最常

9、用的波段。最常用的波段。 红外线红外线(IR) ：0.76-1000 m。近红外近红外0.76-3.0 m,中红外中红外3.0-6.0 m；远红外远红外6.0-15.0 m；超远红外超远红外15-1000 m。（近红（近红外又称光红外或反射红外；中外又称光红外或反射红外；中红外和远红外又称热红外。）红外和远红外又称热红外。） 微波：微波：1mm-1m。全天候遥感；。全天候遥感；有主动与被动之分；具有穿透有主动与被动之分；具有穿透能力；发展潜力大。能力；发展潜力大。不同波长的电磁波特性差别很大。不同波长的电磁波特性差别很大。中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与

10、测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理可见光可见光(visible light)（0.38m0.76m）B：0.380.50m， G：0.500.60m， R：0.600.76m。红外线红外线(infrared ray)（0.76m1mm）NIR：0.763m，MIR：36m，FIR：

11、615m，UFIR：151000m。微波微波(microwave)（1mm1m）毫米波：毫米波：1mm10mm，厘米波：厘米波：1cm10cm，分米波：分米波：1dm10dm。3 3、电磁波谱、电磁波谱(electromagnetic spectrum)(electromagnetic spectrum)2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理美国资源卫星（美国资源卫星（Landsat） LandSat 7上上ETM+技术参数技术参数3030303030603015蓝色蓝色绿

12、色绿色红色红色近红外近红外短波红外短波红外热红外热红外短波红外短波红外全色波段全色波段0.450.520.520.60.630.690.760.901.551.7510.412.52.082.350.50.91234567PAN地面分辨率地面分辨率/m波段名称波段名称波长波长/um波段序号波段序号2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理法国资源卫星（法国资源卫星（SPOT） SPOT 5 技术参数技术参数10m10m10m20m2.5m 或或 5m60km绿色绿色红色红色近红

13、外近红外短波红外短波红外全色波段全色波段0.490.610.610.680.780.891.581.750.450.69123SWIRPAN视场视场地面分辨率地面分辨率波段名称波段名称波长波长/um波段序号波段序号2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理4 4、电磁辐射、电磁辐射(electromagnetic radiation)(electromagnetic radiation)与度量与度量辐射源辐射源(radiation source) 自然界中的一切物体，只要温度在

14、自然界中的一切物体，只要温度在绝对温度零绝对温度零度（度（-273.15）以上，都以电磁波的形式时刻不停以上，都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热量，这种传送能量的方式称为地向外传送热量，这种传送能量的方式称为辐射辐射(radiation)。 辐射是以电磁波的形式向外放散的。是以波动辐射是以电磁波的形式向外放散的。是以波动的形式传播能量。的形式传播能量。2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理辐射源辐射源辐射源辐射源中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京

15、）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理4 4、电磁辐射、电磁辐射(electromagnetic radiation)(electromagnetic radiation)与度量与度量电磁辐射：电磁辐射：这种电磁能量的传递过程（包括这种电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射电磁辐射。电磁波传递就是电磁能量的传递。因此遥感探测实际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。上是辐射能量的测定。2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射 电磁波电磁波 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北

16、京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理4 4、电磁辐射、电磁辐射(electromagnetic radiation)(electromagnetic radiation)与度量与度量辐射测量辐射测量(radiation measurement)2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射 辐射能量（辐射能量（W W）：）：电磁辐射的能量，单位：电磁辐射的能量，单位：J J；辐射通量（辐射通量（ ）：）：单位时间内通过单位时间内通过某一面积某一面积的的辐射能量辐射能量；辐射通量密度（辐射通量密度（E E）：）：单位时间内通过单位时间内通过单位面积单位面积的的辐射能量辐射能量；

17、辐照度（辐照度（I I）：）：被辐射的物体表面被辐射的物体表面单位面积上的辐射能量单位面积上的辐射能量；辐射出射度（辐射出射度（M M）：）：辐射源的物体表面辐射源的物体表面单位面积上的辐射能量单位面积上的辐射能量；辐射亮度（辐射亮度（L L）：）：假定有一辐射源呈面状假定有一辐射源呈面状，向外，向外辐射的强度随辐射方向而不同，则辐射的强度随辐射方向而不同，则L定义：定义：为辐射源在某一方向，单位投影表面，单位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：立体角内的辐射通量，即：)cos(AL中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院

18、杨可明杨可明遥感机理中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理5 5、黑体、黑体(black body)(black body)辐射辐射绝对黑体绝对黑体 如果一个物体对于任何波长的电磁辐射如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是都全部吸收，则这个物体是绝对黑体绝对黑体。 实验表明，实验表明，当电磁波入射到一个当电磁波入射到一个不透明的物体不透明的物体上，在上，在物体上只出现对物体上只出现对电磁波的反射现象电磁波的反射现象和和吸收现象吸收现象时，这时，这一物体的一物体的光谱吸收系数与光谱反射系数之和光谱吸收系数与光

19、谱反射系数之和恒等于恒等于1。 实际上，实际上，物体的物体的温度不同温度不同或入射电磁波的或入射电磁波的波长不同波长不同，都会导致都会导致不同的吸收和反射不同的吸收和反射，而而绝对黑体绝对黑体则是吸收率则是吸收率1，反射率，反射率0，与，与物体的温度和电磁波波长无关物体的温度和电磁波波长无关。 显然：显然：黑体吸收系数（率）黑体吸收系数（率） ；反射系数；反射系数 ； 透射率透射率 。 1),(t002.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理（1）普朗克黑体辐射规律普朗克黑体辐

20、射规律1860年，年，基尔霍夫基尔霍夫在实验中发现：在实验中发现：同一温度下，任何物体发同一温度下，任何物体发射某一波长电磁波能力，与它对该波长电磁波的吸收能力成射某一波长电磁波能力，与它对该波长电磁波的吸收能力成正比。正比。黑体吸收电磁波的能力最强，因而它的发射能力也强。黑体吸收电磁波的能力最强，因而它的发射能力也强。1900年，普朗克用量子论概念推导出了热辐射定律，年，普朗克用量子论概念推导出了热辐射定律，它表明它表明了了黑体辐射通量密度黑体辐射通量密度与与其温度和辐射波长其温度和辐射波长的关系，可以用普的关系，可以用普朗克公式表示，其解析式如下：朗克公式表示，其解析式如下： 112),(

21、/52kTchehcTM式中，式中，为分子光谱辐射通量密度，单位为为分子光谱辐射通量密度，单位为W/m3；h h为普朗为普朗克常数，其值为克常数，其值为6.62610-34Ws2，k k是波耳兹曼常数，数值是波耳兹曼常数，数值为为1.380610-23焦焦Ws/K；T T为黑体的绝对温度，单位为为黑体的绝对温度，单位为K。 2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射 5 5、黑体、黑体(black body)(black body)辐射辐射黑体辐射规律黑体辐射规律中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理（2）斯忒藩玻耳

22、兹曼规律斯忒藩玻耳兹曼规律 在在全部波长范围全部波长范围内，对普朗克公式进行积分，得到内，对普朗克公式进行积分，得到：绝对黑体的总辐射出射度绝对黑体的总辐射出射度与与黑体温度的四次方黑体温度的四次方成成正正比比：4TM3245152hck式中式中 ，称为斯忒藩玻耳兹曼常数，其，称为斯忒藩玻耳兹曼常数，其数值为数值为5.6710-8W W/(m m2 KK4)。2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射 5 5、黑体、黑体(black body)(black body)辐射辐射黑体辐射规律黑体辐射规律中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院

23、杨可明杨可明遥感机理（2）斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼规律玻尔兹曼规律4TM由此可见，由此可见，黑体通量密度的增加黑体通量密度的增加与与绝对温度的四次方绝对温度的四次方成正比，成正比，也就是说，也就是说，当温度有当温度有很小的变化很小的变化时，都会引起辐射通时，都会引起辐射通量密度的量密度的很大变化很大变化。这还说明，这还说明，不同物体具有不同的辐射能量，不同物体具有不同的辐射能量，记录下它记录下它们之间的辐射能量差别就为区别它们提供了基础，这们之间的辐射能量差别就为区别它们提供了基础，这也是在遥感图像上识别不同物体的基础。也是在遥感图像上识别不同物体的基础。 2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波

24、谱与电磁辐射 5 5、黑体、黑体(black body)(black body)辐射辐射黑体辐射规律黑体辐射规律中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理（3）维恩位移定律维恩位移定律 随着温度的升高，随着温度的升高，辐射通量密度最大值辐射通量密度最大值向短波方向向短波方向移动移动，称为，称为维恩位移定律维恩位移定律。对普朗克公式微分并求。对普朗克公式微分并求极值，得到表达式：极值，得到表达式： bT max式中：式中：max为辐射通量密度的峰值波长；为辐射通量密度的峰值波长；b为常数，为常数，b=2897.80.4（mk）。）。

25、2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射 5 5、黑体、黑体(black body)(black body)辐射辐射黑体辐射规律黑体辐射规律中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理bT max 它说明随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长它说明随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动，下表给出不同温度时向短波方向移动，下表给出不同温度时max的数值。的数值。2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电磁辐射 （3）维恩位移定律维恩位移定律 5 5、黑体、黑体(black body)(black bo

26、dy)辐射辐射黑体辐射规律黑体辐射规律中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理（1）基尔霍夫定律）基尔霍夫定律 把实际物体看作辐射源，研究其辐射的特性，将其把实际物体看作辐射源，研究其辐射的特性，将其与绝对黑体进行比较。与绝对黑体进行比较。 在任何一个在任何一个给定的温度给定的温度T下，任何一个物体的下，任何一个物体的发射发射度度M(T)与其与其吸收率吸收率a(T)之比之比都等于都等于在在同一温度同一温度T下下的的黑体的发射度黑体的发射度M黑黑(T)，即：即：)()()(TMTTM黑2.1 2.1 电磁波谱与电磁辐射电磁波谱与电

27、磁辐射 5 5、黑体、黑体(black body)(black body)辐射辐射实际物体的辐射实际物体的辐射中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理1 1、太阳辐射、太阳辐射 在电磁波遥感技术中，传感器从空中收集在电磁波遥感技术中，传感器从空中收集载有目标特载有目标特征的信息征的信息，主要是收集，主要是收集太阳太阳对这些目标的辐射的反射信息对这些目标的辐射的反射信息。2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明

28、杨可明遥感机理 太阳是太阳是被动遥感被动遥感最主要的辐射源。最主要的辐射源。太阳辐射习惯称作太阳辐射习惯称作太阳光太阳光。太阳光太阳光通过地球大气通过地球大气照射到地面，经过地面照射到地面，经过地面物体物体反射又返回反射又返回，再经过大气再经过大气到达到达传感器。传感器。2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 1、太阳辐射、太阳辐射(Solar Radiation)中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理太阳辐射光谱太阳辐射光谱 在这段波长范围内，在这段波长范围内，又可分为三个主要区域，又可分为三个

29、主要区域，即波长较短的即波长较短的紫外光区紫外光区、波长较长的波长较长的红外光区红外光区和介和介于二者之间的于二者之间的可见光区可见光区。 太阳辐射的能量主要太阳辐射的能量主要分布在分布在可见光区和红外区可见光区和红外区，前者占太阳辐射总量的前者占太阳辐射总量的44，后者占后者占47。紫外区紫外区只占能量的只占能量的9。太阳辐射的波长范围，太阳辐射的波长范围，大约在大约在0.15-4m之间。之间。2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 1、太阳辐射、太阳辐射(Solar Radiation)中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测

30、绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理Sun at 6000K; peak emission at 0.48 m mm在波长在波长0.47微米微米的地方，的地方，太阳辐射的太阳辐射的能力达到最能力达到最高值高值，数值约为，数值约为3.0卡卡/cm2分以上。分以上。2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 太阳辐射光谱太阳辐射光谱1、太阳辐射、太阳辐射(Solar Radiation)中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理太阳常数（太阳常数（Solar constant)2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射

31、的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 1、太阳辐射、太阳辐射(Solar Radiation) 在日地平均距离（一个天文单位）的在日地平均距离（一个天文单位）的条件下，在地球大气上界，垂直于太阳光条件下，在地球大气上界，垂直于太阳光线的单位面积单位时间内所接受的太阳辐线的单位面积单位时间内所接受的太阳辐射能量，就称为射能量，就称为太阳常数太阳常数。它是用来表达。它是用来表达太阳辐射能量的一个物理量。太阳辐射能量的一个物理量。IO1360103W/m2 太阳常数在一定程度上代表了垂太阳常数在一定程度上代表了垂直到达大气上界的太阳辐射强度，但直到达大气上界的太阳辐射强度，但太阳常数到达水平面上的太阳辐

32、射强度之间，存在着下面的数学关系式：太阳常数到达水平面上的太阳辐射强度之间，存在着下面的数学关系式： I=I0 sinh式中，为太阳高度角，式中，为太阳高度角，I0为太阳常数为太阳常数,I为投射到大气上界水平面上的太阳辐射强度。上式为投射到大气上界水平面上的太阳辐射强度。上式表明：当太阳高度角为表明：当太阳高度角为90时，太阳辐射强度就等于太阳常数。时，太阳辐射强度就等于太阳常数。中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理 大气层次与成分大气层次与成分2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 2、大气吸

33、收、大气吸收(Atmospheric Absorption) 整个地球大气层象是一座高整个地球大气层象是一座高大的而又独特的大的而又独特的“楼房楼房”， 按其成分、温度、密度等物按其成分、温度、密度等物理性质在垂直方向上的变化，世理性质在垂直方向上的变化，世界气象组织把这座界气象组织把这座“楼楼”分为分为五五层层， 自下而上依次是：自下而上依次是：对流层、对流层、平流层、中间层、暖层平流层、中间层、暖层和和散逸层散逸层。中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理 大气层次与成分大气层次与成分2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影

34、响太阳辐射及大气对辐射的影响 2、大气吸收、大气吸收(Atmospheric Absorption) 在在80-100公里以下的低层大气中，公里以下的低层大气中，气体成为可分为两部分：气体成为可分为两部分： 不可变气体成分不可变气体成分：主要指主要指氮氮、氧氧、氩氩三种气体，约占三种气体，约占99%。这几种气体这几种气体成分之间维持固定的比例，基本上不成分之间维持固定的比例，基本上不随时间、空间而变化。随时间、空间而变化。 易变气体成分易变气体成分：以以水汽水汽、二氧化二氧化碳碳和和臭氧臭氧为主，为主，其中变化最大的是水其中变化最大的是水汽。汽。 总之，总之，大气大气这种含有各种物质成这种含有

35、各种物质成分的分的混合物混合物，可以大致分为，可以大致分为干洁空气干洁空气、水汽水汽、微粒杂质微粒杂质和和新的污染物新的污染物。气气 体体按容积按容积百分比百分比按质量按质量百分比百分比分子量分子量氮氮78.08475.5228.0134氧氧20.94823.1531.9988氩氩0.9341.2839.948二氧二氧化碳化碳0.0330.0544.0099中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理 大气对辐射的吸收作用大气对辐射的吸收作用 太阳辐射通过大气时，分别受到大气中的太阳辐射通过大气时，分别受到大气中的水汽、二氧化碳、水

36、汽、二氧化碳、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分子的微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分子的吸收、散射、吸收、散射、反射反射等作用，而使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面。等作用，而使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面。 太阳辐射穿过大气层时，太阳辐射穿过大气层时，大气中某些成分大气中某些成分具有具有选择吸收一定选择吸收一定波长辐射性能波长辐射性能的特性。的特性。 太阳辐射被大气吸收后变成太阳辐射被大气吸收后变成热能热能，因而使因而使太阳辐射减弱太阳辐射减弱。甚至某些波段的。甚至某些波段的电磁波完全不能通过大气。电磁波完全不能通过大气。因此在太阳因此在太阳辐射到达地面时，

37、形成了电磁波的某些辐射到达地面时，形成了电磁波的某些缺失带。缺失带。2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 2、大气吸收、大气吸收(Atmospheric Absorption)中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理 水汽水汽虽然在可见光区和红外区都有不少吸收带，但虽然在可见光区和红外区都有不少吸收带，但吸收最强的是在红外区。吸收最强的是在红外区。吸收带主要有：吸收带主要有：2.53.0m，5

38、7m，0.94m，1.13m，1.38m，1.86m，3.24m以及以及24m以上对微波的强吸收带。以上对微波的强吸收带。 二氧化碳二氧化碳对太阳辐射的吸收比较弱，仅对红外区对太阳辐射的吸收比较弱，仅对红外区4.3m附近的辐射吸收较强，附近的辐射吸收较强，但这一区域的太阳辐射很但这一区域的太阳辐射很微弱，被吸收后对整个太阳辐射影响不大。吸收峰主要是微弱，被吸收后对整个太阳辐射影响不大。吸收峰主要是2.8m，4.3m。 大气对辐射的吸收作用大气对辐射的吸收作用2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 2、大气吸收、大气吸收(Atmospheric Absorption

39、)中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理 臭氧臭氧在大气中含量虽少，但对太阳辐射的吸收很强。在大气中含量虽少，但对太阳辐射的吸收很强。在在1040km高度对高度对0.20.32m有很强的吸收带，有很强的吸收带，使小于使小于0.29微米的太阳辐射不能到达地面。此外微米的太阳辐射不能到达地面。此外0.6m和和9.6m的吸收也很强；的吸收也很强； 氧气氧气主要吸收小于主要吸收小于0.2m的辐射，的辐射，0.6m和和0.76m也也有窄带吸收，吸收能力较弱。有窄带吸收，吸收能力较弱。 大气对辐射的吸收作用大气对辐射的吸收作用2.2 2.

40、2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 2、大气吸收、大气吸收(Atmospheric Absorption)中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理 悬浮在大气中的悬浮在大气中的水滴、尘埃等杂质水滴、尘埃等杂质，也能吸收一部分，也能吸收一部分太阳辐射，但其量甚微。只有当大气中尘埃等杂质很太阳辐射，但其量甚微。只有当大气中尘埃等杂质很多多(如有沙暴、烟幕或浮尘如有沙暴、烟幕或浮尘)时，吸收才比较显著。时，吸收才比较显著。 大气大气对太阳辐射的吸收是具有选择性的，因而使穿过对太阳辐射的吸收是具有选择性的，因而使穿

41、过大气的太阳辐射光谱变得极不规则。大气的太阳辐射光谱变得极不规则。2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 2、大气吸收、大气吸收(Atmospheric Absorption) 大气对辐射的吸收作用大气对辐射的吸收作用中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理 太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘粒、云滴等质太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时，都要发生散射。点时，都要发生散射。 但散射并不象吸收那样把辐射能转变为热能，而只是但散射并不象吸收那样把辐射能转变为热能，而只是改变辐射方向，使太

42、阳辐射以质点为中心向四面八方改变辐射方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来。传播开来。 经过散射之后，有一部分经过散射之后，有一部分太阳辐射就到不了地面。太阳辐射就到不了地面。2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 3、大气散射、大气散射(Atmospheric Scattering)中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理 瑞利散射瑞利散射(Rayleigh Scattering) 当微粒的直径（当微粒的直径（d）比辐射波长（）比辐射波长（）小得多时，此）小得多时，此时散射称分子散射或时散

43、射称分子散射或瑞利散射瑞利散射，散射光分布均匀且对称。，散射光分布均匀且对称。这种散射主要是大气中的分子对可见光的散射引起的。这种散射主要是大气中的分子对可见光的散射引起的。 辐射的波长愈短，被散射愈厉害。其散射能力与波辐射的波长愈短，被散射愈厉害。其散射能力与波长的对比关系是：对于一定大小的分子来说，长的对比关系是：对于一定大小的分子来说，散射能力散射能力和波长的四次方成反比，这种散射是有选择性的。和波长的四次方成反比，这种散射是有选择性的。 瑞利对可见光的影响很大。雨后天晴，瑞利对可见光的影响很大。雨后天晴，天空呈青兰色就是因为辐射中青兰色波长天空呈青兰色就是因为辐射中青兰色波长较短，容易

44、被大气散射的缘故。较短，容易被大气散射的缘故。2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 3、大气散射、大气散射(Atmospheric Scattering)中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理 瑞利散射瑞利散射(Rayleigh Scattering)2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 3、大气散射、大气散射(Atmospheric Scattering)中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理

45、米氏散射米氏散射(Mie Scattering) 当微粒的直径与辐射光的波长差不多时（即当微粒的直径与辐射光的波长差不多时（即d），）， 称为称为米氏散射米氏散射。这种散射主要由大气中的气溶胶所引起。这种散射主要由大气中的气溶胶所引起的反射。的反射。 米氏散射的散射强度与波长的二次方成反比。米氏散射的散射强度与波长的二次方成反比。由于由于大气中云、雾等悬浮粒子的大小与大气中云、雾等悬浮粒子的大小与 0.7615m的红外的红外线的波长差不多，因此，云、雾对红外线的米氏散射是线的波长差不多，因此，云、雾对红外线的米氏散射是不可忽视的。不可忽视的。2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及

46、大气对辐射的影响 3、大气散射、大气散射(Atmospheric Scattering)中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理 无选择性散射无选择性散射 当微粒的直径比波长大得多时（即当微粒的直径比波长大得多时（即 d）所发生的）所发生的散射称为散射称为无选择性散射无选择性散射。如空气中存在较多的尘埃或雾粒，一定范围的如空气中存在较多的尘埃或雾粒，一定范围的长短波都被同样的散射，使天空呈灰白色的。长短波都被同样的散射，使天空呈灰白色的。有时为了区别有选择性的散射和没有选择性的有时为了区别有选择性的散射和没有选择性的散射，将前者

47、称为散射，散射，将前者称为散射，后者称为漫射后者称为漫射（又称朗伯反射又称朗伯反射）。）。2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 3、大气散射、大气散射(Atmospheric Scattering)中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理4、大气反射、大气反射(Atmospheric Reflection) 大气中云层和较大颗粒的埃尘能将太阳辐射中的一部大气中云层和较大颗粒的埃尘能将太阳辐射中的一部分能量反射到宇宙空间去。分能量反射到宇宙空间去。其中反射最明显的是云。不同的云量，不同的云其中反射最

48、明显的是云。不同的云量，不同的云状，云的不同厚度所发生的反射是不同的。状，云的不同厚度所发生的反射是不同的。高云平均反射高云平均反射25，中云平均反射，中云平均反射50，低云平，低云平均反射均反射65，很厚的云层反射可达，很厚的云层反射可达90。笼统地。笼统地讲，云量反射平均达讲，云量反射平均达5055。2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理假设大气层顶的太阳辐射是假设大气层顶的太阳辐射是100。那么太阳辐。那么太阳辐射通过大气后发生散射、吸收和反射射通过大

49、气后发生散射、吸收和反射(反射量反反射量反射表示射表示)：向上散射占向上散射占4大气吸收占大气吸收占21云量吸收占云量吸收占3云量反射占云量反射占232.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 4、大气反射、大气反射(Atmospheric Reflection)中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理 光在到达大气与透明物体的分界面，或者光在到达光在到达大气与透明物体的分界面，或者光在到达密度不同的两层大气的分界面时，会发生传播方向的屈密度不同的两层大气的分界面时，会发生传播方向的屈折，我们把这种现象

50、称之为折，我们把这种现象称之为光的折射光的折射。光的折射遵从折光的折射遵从折射定律。射定律。 2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 5、大气折射、大气折射(Atmospheric Refraction)中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理 由于大气的反射、吸收和散射等作用，削弱了大气由于大气的反射、吸收和散射等作用，削弱了大气层对层对电磁辐射的透明度电磁辐射的透明度。 电磁波与大气相互作用产生的效应，使得能够穿透电磁波与大气相互作用产生的效应，使得能够穿透地球大气的辐射，局限在某些波长范围内，

51、地球大气的辐射，局限在某些波长范围内，通常将通常将这些这些吸收率和散射率都很小吸收率和散射率都很小，而，而透射率高透射率高的电磁辐的电磁辐射波段称为射波段称为大气窗口大气窗口。6、大气窗口、大气窗口(Atmospheric Window)2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理 遥感使用的探测波段都在遥感使用的探测波段都在大气窗口大气窗口之内。之内。根据地面物体的电磁辐射特性，以及探测技术的发根据地面物体的电磁辐射特性，以及探测技术的发展，常用有开发的潜力的波

52、段如表所示。展，常用有开发的潜力的波段如表所示。 6 6、大气窗口、大气窗口(Atmospheric Window )(Atmospheric Window )2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理0.31.3m：紫外、可见光、近红外波段。：紫外、可见光、近红外波段。这一波是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像这一波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。如的常用波段。如Landsat卫星的卫星的TM14波段，波段，SPOT卫星

53、的卫星的HRV波段。波段。1.51.8m、2.03.5m：近红外、中红外波段。：近红外、中红外波段。是白天日照条件好时扫描成像的常用波段，如是白天日照条件好时扫描成像的常用波段，如TM的的5、7波段波段等，用以探测植物含水量以及云、雪，或用于地质制图等。等，用以探测植物含水量以及云、雪，或用于地质制图等。6 6、大气窗口、大气窗口(Atmospheric Window )(Atmospheric Window )2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理6 6、

54、大气窗口、大气窗口(Atmospheric Window )(Atmospheric Window )2.2 2.2 太阳辐射及大气对辐射的影响太阳辐射及大气对辐射的影响 3.55.5m：中红外波段。：中红外波段。该波段除通透反射光外，也通透该波段除通透反射光外，也通透地面物体自身发射的热辐射能量。如地面物体自身发射的热辐射能量。如NOAA卫星的卫星的AVHRR传感传感器用器用3.553.93um探测海面温度，获得昼夜云图。探测海面温度，获得昼夜云图。814m：热（远）红外波段。：热（远）红外波段。主要通透来自地物热辐射的能量，适于夜间成像。主要通透来自地物热辐射的能量，适于夜间成像。0.82

55、5cm：微波波段。：微波波段。 由于微波穿云透雾能力强，这一区由于微波穿云透雾能力强，这一区间可以全天候观测，而用是主动遥感方式，如侧视雷达。间可以全天候观测，而用是主动遥感方式，如侧视雷达。中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理电磁波性质电磁波性质大气窗口大气窗口遥感光谱通道遥感光谱通道应用条件与成像方式应用条件与成像方式反射光谱反射光谱0.31.3m紫外波段紫外波段0.3000.315m0.3150.380m必须在强光照射下，必须在强光照射下，采用摄影方式和扫描采用摄影方式和扫描方式成像（只能在白方式成像（只能在白天作业）

56、天作业）可见光波段可见光波段近红外波段近红外波段0.380.7m0.70.9m0.91.1m1.51.8m2.03.5m近红外波段近红外波段1.551.75m2.2052.35m强光照射下白天成像强光照射下白天成像反射和发射光谱反射和发射光谱3.55.5m中红外波段中红外波段3.55.5m白天和夜间都能扫白天和夜间都能扫描成像描成像发射光谱发射光谱814m热红外波段热红外波段1011m10.412.6m814m0.05300cmW波段波段0.530.3cm有光照和无光照下有光照和无光照下都能扫描成像都能扫描成像V波段波段0.530.63cmQ波段波段0.630.83cmKa波段波段0.831.

57、13cmK波段波段1.131.67cmK波段波段1.672.75cmX波段波段2.755.2cmC波段波段5.217.69cmS波段波段7.6919.4cmL波段波段19.476.9cmP波段波段76.9133cm中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理 自然界中任何地物都具有其自身的电磁辐射规律，如：自然界中任何地物都具有其自身的电磁辐射规律，如： 具有具有反射，吸收反射，吸收外来的紫外线、可见光、红外线和微波外来的紫外线、可见光、红外线和微波的某些波段的特性；又都具有的某些波段的特性；又都具有发射发射某些红外线、微波的特性；

58、某些红外线、微波的特性；少数地物还具有少数地物还具有透射透射电磁波的特性，这种特性称为电磁波的特性，这种特性称为地物的光地物的光谱特性谱特性。2.3 2.3 地球的辐射与地物波谱地球的辐射与地物波谱 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理1、地物反射波谱特征、地物反射波谱特征 当电磁辐射能量入射到地物表面上，将出现三种过程：当电磁辐射能量入射到地物表面上，将出现三种过程：一部分入射能量被地物反射；一部分入射能量被地物反射；一部分入射能量被地物吸收，成为地物本身内一部分入射能量被地物吸收，成为地物本身内能或部分再发射出来，能或部

59、分再发射出来，一部分入射能量被地物透射。一部分入射能量被地物透射。根据能量守恒定律可得：根据能量守恒定律可得：P=P+P+P 式中：式中：P入射的总能量；入射的总能量；P地物的反射能量；地物的反射能量；P地地物的吸收能量；物的吸收能量；P地物的透射能量。地物的透射能量。2.3 2.3 地球的辐射与地物波谱地球的辐射与地物波谱 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理2 2、地物的反射类型、地物的反射类型镜面反射镜面反射：发生镜面反射时，对于不透明物体，其反射发生镜面反射时，对于不透明物体，其反射的能量等于入射能量减去物体吸收的能

60、量；对于透明物的能量等于入射能量减去物体吸收的能量；对于透明物体，其反射的能量等于入射能量减去物体吸收的能量及体，其反射的能量等于入射能量减去物体吸收的能量及透射的能量。透射的能量。反射的能量集中在一个方面上，反射方向反射的能量集中在一个方面上，反射方向可根据入射的方向求取，反射角等于入射角。可根据入射的方向求取，反射角等于入射角。2.3 2.3 地球的辐射与地物波谱地球的辐射与地物波谱 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 杨可明杨可明遥感机理漫反射漫反射(Diffusion)(Diffusion)：指不论入射方向如何，虽然反指不论入射方向如何