遥感应用分析原理与方法习题和答案.docx

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遥感应用分析原理与方法习题和答案

绪论思考题

1.如何理解“遥感”是以电磁波与地球表面物质相互作用为基础来探测、研究地面目标的科学。

遥感—是一种远离目标，通过非直接接触而感知、测量、分析并判定目标性质，其空间展布、类型及其数量的探测技术。

广义上的遥感：

泛指一切不接触物体而进行的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等的探测。

狭义上的遥感：

指不与探测目标相接触，利用传感器（遥感器），把目标的电磁波特性记录下来，通过对数据的处理、综合分析，揭示出物体的特点及其变化规律的综合性探测技术。

地物波谱特性

然界任何物体都具有反射、吸收、发射电磁波的能力，这是由于组成物质的最小微粒不同运动状态造成的；

不同的物质由于物质组成和内部结构、表面状态不同，具有相异的电磁波谱特性，这是遥感识别目标的前提；

地物波谱特征可通过各种光谱测量仪器测得。

遥感的物理基础

任何物体都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，物体与电磁波的相互作用，形成了物体的电磁波特性，这是遥感探测物体的依据。

2.遥感的特点（优势）主要有哪些？

遥感的特点（优势）：

面状信息获取：

时效性：

快速准确连续性：

动态观测多维信息：

平面、高程（立体）生动、形象、直观：

经济：

节约人力、物力、财力、时间……

3.说明遥感应用的基本步骤。

遥感应用的基本步骤：

•根据研究的目标选择合适的遥感数据源

考虑空间分辨率、时间分辨率、光谱波段等因素，目标不同、尺度不同、时相要求不同、光谱特点不同

•进行图像的（预）处理

多时相图像配准、几何纠正、图像镶嵌、数据融合

•特征参数选择

波段选择bandselection、特征提取featureextraction（通过一定的数学方法对原始波段进行处理，得到能反映目标地物特性的新的参数，如植被指数、主成分等等）

•建立分类系统

各类及亚类分类指标（定性、定量）

•专题信息提取（分类）与综合分析

分类，并对分类结果进行分析（数量、质量、分布、发展变化特点与趋势、产生的原因）

•结果检验与成果输出

对结果进行验证（直接验证、间接验证），满足需要则输出结果，反之，返回第三步、第四步，进行相关的修改、调整。

4结合个人的专业背景，试举例说明遥感的应用及前景。

5.试说明遥感技术的发展特点和趋势。

遥感技术的发展趋势

多层次:

地面、航空、航天、宇宙从单一传感器---多传感器

分辨率不断提高：

空间、时间、辐射和光谱分辨率不断提高

全天候、全天时：

可见光/近红外、短波红外、热红外、微波

静态---动态：

短周期、多时相

定性---定量：

新的算法、半自动化、自动化、智能化遥感和非遥感资料结合遥感和GIS、GNSS（全球导航卫星系统，GlobalNavigationSatelliteSystem，GPS、北斗、伽利略计划等）结合

遥感技术的新特点

1三高

（1）高空间分辨率

（2）高光谱分辨率

（3）高时间分辨率

2两全

（1）全频段（全天时、全天候、多角度）

（2）全方位（天、机、球）

3一体化

（1）遥感、导航定位、通讯、信息技术

（2）空间、地面、应用技术

第一章思考题

1.掌握辐射出射度M、辐射照度E、辐射亮度L的概念。

辐射通量Φ（radiantflux），又称辐射功率，

指单位时间内，通过某一表面的辐射能量。

单位为瓦（w），即焦耳/秒（Js-1），表达为：

Φ=dQ/dt辐射通量是波长的函数。

下图:

光谱辐射通量：

表示单位波长间隔内的辐射通量

表达为：

Φ（λ）=dΦ/dλ=dQ/dt.dλ单位为瓦/微米（wμm-1）。

辐射出射度M（radiantexitance），

指面辐射源在单位时间内，从单位面积上发射出的辐射能量，即物体单位面积上发出的辐射通量，单位为瓦/米2（wm-2），表达为：

M=dΦ/dAΦ/dA

辐射照度E（irradiance），简称辐照度，指面辐射体在单位时间内，单位面积上接收的辐射能量，即照射到物体单位面积上的辐射通量，单位为瓦/米2（wm-2），表达为：

E=dΦ/dA

辐射亮度L：

辐射亮度，简称辐亮度，指面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积（法向面积，Acosθ）上发射出的辐射能量，即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量，如右图所示，单位为瓦/米2·球面度（wm-2sr-1），表达为：

遥感观测到的是辐射亮度值L。

2.试说明黑体的概念及黑体辐射的三大定律。

黑体：

是一个完全的吸收体和完全的发射体，即吸收率和发射率均为1的物体（无反射，也无透射）；它是一个自然界并不存在的假设的理想辐射体；但可由人工方法制作，它的行为表现可被实验室设备所模拟。

黑体辐射遵循普朗克辐射定律、斯特藩—玻耳兹曼辐射定律

（Stefan—Boltzmann）和维恩位移定律三条基本的物理定律。

3.被动遥感的主要‘能源’是什么？

试分析它们的特点。

地表与大气的最主要能源是太阳辐射以及相伴的地球辐射。

30%：

被大气里的云、其他大气成分反射回太空

17%：

被大气吸收

22%：

被散射，以漫射的形式到达地表

31%：

直射到达地表

地面接收的太阳辐射照度E与太阳天顶角θ有关。

地面接收的太阳辐照度还与大气的吸收及散射有关。

（感觉不太对）

2、地球辐射

·长波辐射（6μm以上）：

指地表物体自身的热辐射。

此范围短波辐射可忽略不计。

·短波辐射（0.3～2.5μm）：

指地球表面对太阳的反射辐射。

此范围长波辐射可忽略不计。

·中红外辐射（2.5～6μm）：

太阳辐射和热辐射的影响均有，均不能忽略。

4.试分析遥感在研究地表辐射平衡中的作用和局限性。

利用遥感研究地表净辐射

α为地表反照率（半球反射率）（可由VIS—NIR遥感反演获得）；Ts为地表温度（可由TIR、MW遥感反演获得）；

Ta为大气温度，可用红外测温仪对天空测得；εa为大气发射率，是大气温度Ta、大气水汽压ea、天空云量C的函数，

无云天气下公式：

多云天气下公式：

εs为地表发射率，是波长的函数，约为0.9-0.98，可测量；

σ为斯特藩—玻耳兹曼常数为：

第一项表示入射的短波辐射能量和反射的短波辐射能量差，即收入的短波辐射；第二项为大气的热辐射部分，第三项为地物向上的热辐射部分，三项之和为地面的净收入。

（参看书p432）

需要说明几点：

遥感所测得的数据：

RS（反射太阳的短波辐射）和长波辐射RL具有非连续（窄波段）、窄视场、特定方向的特点；

而自然界地物的反射与发射具有全波段、半球视场、各向异性的特点；

两者间的差异是影响遥感反演地表参数反照率α与温度Ts精度的重要原因，是定量遥感迫切需解决的问题。

目前的研究途径：

①通过方向模型，把地表方向反射率ρ转换为地表光谱反照率α；

②通过野外（同步）试验，用遥感、地面、大气数据，建立宽波段辐射值（反射或发射），与窄波段遥感数据间的关系（多为统计模型）。

3.散射的概念及大气散射作用对遥感的影响。

大气散射（Atmosphericscattering）散射——指电磁波在非均匀或各向异性介质中传播时,改变原来传播方向的现象。

大气散射对遥感的影响

大气散射降低了太阳光直射的强度，改变了太阳辐射的方向；造成遥感图像辐射畸变、图像模糊。

大气散射产生天空散射光，增强了地面的辐照和大气层本身“亮度”；使人们有可能在阴影处得到物体的部分信息，使暗色物体表现得比它自身的要亮；降低了遥感影像的反差（对比度），降低了图像的质量（清晰度）及图像上空间信息的表达能力（灵敏度）。

因此，遥感器常利用滤光片，阻止蓝紫散射光透过。

散射对低层大气尤为重要（约低于3km，湿度大、气溶胶集中。

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。

6.大气纠正及其基本方法。

大气纠正:

为了从遥感图像数据中提取真实地表信息，必须对传感器进行大气校正。

这已成为定量遥感的必要条件之一。

大气纠正就是消除这些大气效应（吸收、散射等）的处理。

大气纠正模型

1）基于图像特征模型

2）地面线性回归经验模型

3）基于大气辐射传输理论模型（具体的查看书本p25）

7.试分析电磁波与地表相互作用的基本物理过程及影响因素。

主要有三种基本的物理过程：

反射（Reflection）吸收（Absorption）透射（Transmission）

其中，能量R、A、T的比例及每个过程的性质，对不同的地表特征是变化的,它既依赖于地表特征的性质与状态（如物质组成、几何特征、光照角度等），又依赖于电磁波的波长。

8.反射率的概念。

反射特征用反射率（Reflectivity）ρ表示。

它是波长的函数，又称光谱反射率ρρ（λ），被定义为：

以百分数表示，其值在0—1之间，为无量纲的量.

9.朗伯体的概念。

当入射波长比地表高度小或比地表组成物质粒度（直径）小（粗糙表面）时，入射能量均匀地向各方向反射，则为漫反射（朗伯反--Lambert），即L在2π空间上各向同性。

一个完全的漫射体称为朗伯体。

严格讲自然界只存在近似意义下的朗伯体。

只有黑体才是真正的朗伯体。

对可见光而言，土石路面、均一的草地表面可属漫射体即是朗伯体。

第二章思考题

1.试说明遥感数据的空间、光谱、时间、辐射分辨率及其在遥感应用上的意义。

空间分辨率（地面分辨率）

前者是针对遥感器或图像而言的，指图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小；后者是针对地面而言，指可以识别的最小地面距离或最小目标物的大小。

在应用上的意义：

（1）空间分辨率高——划分地物越细，识别地物细节能力强。

（2）不一定是空间分辨率越高越好，要根据应用的特定目的选择合适的空间分辨率。

不同的研究目标、尺度需要相应的数据（城市、地质；区域、全球）。

光谱分辨率（答案不一定对）

•遥感器所选用的波段数量的多少；

•各波段的中心波长位置；

•波长间隔的大小。

意义：

光谱信息丰富，可探测到地物光谱的细微变化、微小差异

时间分辨率：

指遥感器重复观测的最小时间间隔。

时间分辨率的意义：

动态监测；时序分析时间分辨率的大小，除了主要决定于飞行器的回归周期外，还与遥感探测器、遥感系统的设计等因素直接相关（如：

卫星测摆等）。

辐射分辨率——指遥感器探测目标光谱信号强弱的敏感程度、区分能力（能分辨的最小辐射度差），即探测器的灵敏度。

辐射分辨率一般用灰度的分级数来体现（量化级数）。

图像的灰度级越多，视觉效果越好（分辨能力越强,但数据量越大）。

2.遥感所利用的电磁波谱范围有哪些？

它们各有哪些主要特性？

光学波段----反射波段（0.3-5μm）、发射波段（3-15μm）

反射波段：

遥感器主要接收来自太阳辐射和地面物体的反射辐射

的能量,包括UV（0.3-0.38μm）、VIS（0.38-0.76μm）、NIR（0.76-1.3μm）、SWIR（1.3-3μm）、MIR（3-6μm）；其中的紫外—近红外波段（0.3-0.9μm）又称摄影波段；

发射波段：

遥感器主要接收来自地面物体自身的发射辐射的能量，又称热红外波段（TIR）；包括MIR（3-6μm）、FIR（6-15μm），其中6.0-8.0μm因水汽强吸收地面遥感无法利用）。

微波：

（1mm-1m）,遥感常用0.8～30cm，波段Ka、K、Ku、X、C、S、L、P

3.如何理解地物的波谱反射与辐射特征研究是遥感研究的基础？

自然界的任何物体自身都具有反射、吸收、发射电磁波的能力和特征。

物质的这种基本特征是由于组成物质的最小微粒——分子，原子、电子的不同运动状态所造成的。

从高能向低能状态的转动，将释放（发射）能量；从低能向高能状态的转化，将吸收外来能量。

由于不同物质的分子结构、原子组成、运动方式不同，发出的光的频率也就不同，则具有不同的电磁波谱特性。

地物的反射、吸收、发射电磁波的特征随波长而变化。

人们以波谱曲线的形式表示地物波谱特性,即地物波谱。

物波谱可以通过各种光谱测量仪器测得。

（不全好像也不对）

地物波谱特性

地物波谱特性受多种因素的控制和干扰，变化十分复杂；本身也是因时因地在变化着，是一种综合作用的结果。

地物波谱特性的复杂性，决定了遥感影像解译的不确定性，以及定量遥感的艰巨性。

由于难以将这些干扰因素逐项加以定量消除，因而定量遥感研究中需要通过大量地面样本分析，建立先验知识，确定遥感模型的约束条件，以便提高定量遥感的精度。

地物波谱研究

地物波谱是遥感识别目标的前提，对它的研究与分析，是遥感重要的基础性研究工作；

地物波谱是遥感定量化的依据，是联系遥感基础研究与遥感应用的桥梁；是选择遥感仪器最佳探测波段，以及遥感图像分析与处理中最佳波段选择、专题信息提取等的重要依据；也是遥感应用分析的基础；

4.简述植被、土壤、水体的反射波谱特征，并分析它们的影响因素。

随着植物的生长、发育或水分亏缺等状态不同，植物叶片的组分、结构均会变化，使叶片光谱特性变化。

（参看书§12.1p366）

叶片光谱特性的变化在近红外区最为明显。

这对于植物/非植物的区分、不同植被类型的识别、植物长势监测等是很有价值的。

红边位移

“红边”是指红光区外叶绿素吸收减少部位到近红外高反射肩之间，健康植物的光谱响应陡然增加（其亮度增加约10倍）的这一窄条带区（约0.68-0.78um）。

它是植物敏感的特征光谱段。

它的移动反映了叶绿素含量、物候期、健康状况及类别等多种信息

实验证明：

作物从生长发育到成熟，会发生光谱红边红移；而植物受地球化学元素异常的影响（诱发中毒性病变），则其光谱红边蓝移。

红移与蓝移的幅度大致7—10nm，在严重受压抑情况下，蓝移可达40nm。

（参看书p98）

植物波谱特性的影响因素

植物波谱特性受多种因素的控制和干扰，变化十分复杂；本身也是因时因地在变化着，是一种综合作用的结果。

影响因素：

·植物冠层的组分、形状结构（与叶的类型、植物生长阶段等有关）；

·植物背景----主要指土壤（土壤湿度、土壤有机质含量等）；

应该说，野外植物波谱并非植物的生理波谱而是植物的环境波谱；

·辐照及观测方向（包括地形起伏改变辐照方向）；

·大气状况、气候变化、大气透过率等。

因此，如果忽略了对其他环境因子的相关研究，植物波谱研究也就失去实用价值。

土壤的光谱特性

土壤对所有入射能均吸收或反射，透射很少。

土壤的反射率总体上是随着波长的增加而增加，并且此趋势在可见光和近红外波段尤为明显。

土壤波谱与土壤湿度的关系：

土壤湿度增大则反射率下降。

土壤光谱的水吸收带：

在0.45μm附近有一弱吸收带，在1.42、1.97、2.21μm处有三个强吸收带。

这为遥感反演土壤水分含量奠定了理论基础。

不同类型干土反射率

大部分粘土在1.4μm、2.2μm处有较强的吸收带。

这是区分土壤类型的依据之一。

土壤是一种由物理和化学性质各不相同的物质组成的复杂混合物，这些物质均不同程度的影响着土壤的光谱特性。

土壤反射率的影响因素：

水分含量、有机质含量、氧化铁的存在、土壤颜色、结构、表面粗糙度、植物残体或生长着的植被以及太阳——目标地物——遥感器三者的几何关系等。

这些因素是复杂的、变化的和相关的。

如何有效地识别土壤？

谱特征、几何形态特征、地理位置（地貌位置、坡度、坡向、海拔高度）、土壤母质、地下水状况（水深、水质）….

水体光谱特征

的光谱特征主要是由水本身的物质组成决定，并受到

各种水状态的影响。

水的反射率总体比较低，且随着波长增

大反射率降低。

•VIS＜0.6μm，水的吸收少、反射较低、大量透射。

清水在蓝绿波段反射率4－5％，并随着太阳高度角的变化呈3－10％不等的变化。

•VIS＞0.6μm的红光波段反射率降到2－3％。

•NIR-MIR，水几乎吸收全部的入射能量，反射很小。

（参看书p414）

这与植被、土壤光谱形成十分明显的差异。

•水体的光学特征由可见光在水体中的辐射传输过程决定。

•对清水而言，入水的透射光对水中微粒（水分子和溶解性物质）产生瑞利散射，峰值位于蓝波段（约0.48μm，清水呈蓝色）；

•对较大悬浮物质颗粒产生米氏散射，峰值位于黄橙波段（约0.58μm，浑浊）；

•水中物质分子吸收光---再发射（浮游生物叶绿素光合作用所发出的荧光），峰值位于橙红波段（约0.68μm）；

水体光谱特征

水体的光谱特征（即水色）主要表现为体散射，即不仅反映一定的表面特征，且包含了一定厚度水体的信息（与陆地特征不同），且这个厚度及反映的光谱特性是随时空而变化的。

水色主要决定于水体中浮游生物含量（叶绿素浓度）、悬浮泥沙含量（混浊度大小）、营养盐含量（黄色物质、溶解有机物质、盐度指标）以及其它污染物、水底部形态（水下地形）、水深等因素。

大量研究表明，叶绿素、悬浮泥沙等主要水色要素的垂直分布并非均匀。

大量研究表明，叶绿素、悬浮泥沙等主要水色要素的垂直分布并非均匀。

叶绿素浓度大致在18米左右达到最大值，然后下降，在20米左右降到最低值并趋于恒值；

对于温度，水体表层最高，15米左右为最低值，然后趋于恒值；

盐度相反，是表层低，20米左右达到最高值，然后趋于恒值。

5.试说明光谱特性的‘时间效应’与‘空间效应’的

含义，及在遥感中的应用。

时相变化

面对象都有时相变化过程，即它的发生、发展和演化的自然发展过程。

同时，有些地物或自然现象在它发展的时间序列中表现出某种周期性重复的规律。

如，植物生长的“季相节律”。

遥感研究中，必须考虑研究对象的时相变化特性（农事历、物候期、耕作制度等），抓住合适的遥感信息获取时机，以达到专题应用目的。

时间效应：

遥感研究时相变化主要反映在地物目标光谱特性的时间变化上。

这种光谱特性随时间的变化，称为光谱特性的时间效应。

它可通过遥感来动态监测。

充分认识地物的时间变化特性以及

地物光谱的时间效应有利于选择有效时段的遥感数据，提高目

标识别能力和遥感应用效果。

空间效应：

同种地物在同一时刻、不同空间位置会具有不同的光谱响应，这种光谱特性随地点的变化，称为光谱特性的空间效应。

它的空间尺度可以只有几米（如作物行距或植物形态变化造成的变化），也可以几公里、几百公里较大地理范围（体现为地物的区域性，要区别对待）。

（在遥感中的应用自己总结）

第三章思考题

1.试说明摄影成像与扫描成像的基本原理、各自优势？

（一）摄影系统

摄影系统选用光学摄影波段（紫外—近红外0.3--0.9μm）的电磁辐射能量，通过照相机直接成像。

因为紫外（0.3--0.38μm）多被大气吸收与散射，目前较少被遥感利用。

摄影系统是一种分幅成像系统。

一幅像片为瞬间成像，多为中心投影。

因地面常有起伏、多数物体具有高度、像片又有倾斜，所以会产生像点位移、图像变形。

变形规律：

以像主点（相片上框标连线的交点，或者相机主光轴对应相片上的点。

）为中心呈辐射状，越往边缘变形越大，地形起伏越大变形越大。

像点位移量（d），可表示为：

d=hr/H

h--物体高度，r--物体距像主点的距离，H--飞行高度。

摄影系统的优势

•空间分辨率高；

•视场大（可达80°，甚至更大）；

•立体像对，利于精确地测量与分析；

•高度的灵活性、实用性、成本低；

•……

因此，尽管摄影系统与多波段扫描系统相比，胶片的光谱响应范围要窄得多，但仍有很大的应用领域，被广泛应用，并派生出一门技术成熟的摄影测量学。

光学机械扫描系统是利用平台的行进和旋转扫描镜对与平台行进的垂直方向的地面（物平面）进行扫描，获得二维遥感数据，故又称物面扫描系

上图5通道光机扫描仪的成像过程。

入射光束通过一个二色镜分离成可见光和红外能量。

可见光部分再通过棱镜进一步分离成三个子波段，同时红外能量的分离成两个子波段。

分离后的这5个较窄波段的光分别感应相应的探测器产生不同的电信号并被放大和记录在多波段磁带记录仪上。

特点：

行扫描、多中心投影，离投影中心越远，像点位移量越大。

优势在课本p76五条

2.试比较彩红外像片与标准假彩色合成影像的异同；结合地物光谱特性，理解植被、水体、裸地、土壤居民地等地物的颜色规律。

假彩色合成：

根据加色法彩色合成原理，选择遥感影像的某三个波段，分别赋予红、绿、蓝三种颜色，就可以合成彩色影像。

由于原色的选择与原来遥感波段所代表的真实颜色不同，因此生成的合成色不是地物的真是颜色，因此这种合成叫做假彩色合成。

彩色红外像片又称假彩色像片。

指用彩色红外摄影拍摄的像片。

记录景物反射的绿、红、近红外光，并在像片上呈现由蓝、绿、红3色组成的假彩色影像。

本质上也是一种多波段摄影像片。

只是集三波段摄影、假彩色合成成像于同一感光胶片。

彩红外摄影像片的色彩

主要取决于地物对红、绿、红外光的反射特性。

•绿色植物叶子反射绿光（G）和近红外光（NIR）。

在彩红外像片上，

健康绿色植物呈红色系列（如水稻-暗红色、作物生长旺季呈鲜红色针叶林呈紫红色、阔叶林呈红色、幼林呈粉红色等）。

枫叶、红果实等反射红光（呈绿）、红外光（呈红），在正片上什么颜色？

植物病虫害时，其红光反射增强（呈绿），绿光、红外光反射大大减弱，在正片上什么颜？

（课本p74）

水体强烈吸收红外光，并吸收红光而反射兰绿光，在正片上呈黑+蓝的蓝黑色、蓝灰色。

当水体含泥沙或被污染时，便较多地反射红光、红外光，则影像色彩从蓝→青→黄色变化。

因此，彩红外像片对清水、浊水、污染水及土壤湿度等易于判别。

裸地或土壤对红外、红、绿、蓝光均有反射。

随着水分和有机质含量的不同，颜色变化较大。

若水分含量少，则呈淡黄、棕色；若湿度大些则呈不同的灰青色。

盐碱地、沙地为白色、黄白色。

云和雪均呈亮白色。

居民地（城区），因多为水泥材料，青灰屋顶反射兰、绿光反射率较低，而呈灰蓝色，若为红瓦房反射较强的红光、红外光而呈淡黄色。

3.了解高光谱遥感的概念，掌握其主要特点（与宽波段遥感相比）。

高光谱遥感概念

高光谱遥感—用很窄的（波段带宽约5—10nm）、大量的（可有几十至上百个波段）、近连续的光谱波段，对地面物体进行遥感成像。

地物波谱研究表明，地表物质在0.4—2.45μm光谱区间内均有可以作为识别标志的光谱吸收带，其带宽约20—40nm。

成像光谱的特点

●波段多，光谱分辨率高，光谱分辨率为纳米级。

如AVIRIS在0.4-2.5um范围有224个波段，Hyperion有242个波段，“图谱合一”（和地物的实际光谱更为接近，有更多的“诊断”波段，可进行地物的精细分类，获取更多的地物信息，提高分类精度）；

●高光谱数据的空间分辨率也在不断提高：

MODIS的空间分辨率250m-1000m），Hyperion的空间分辨率30m；

●波段间相关性强，数据“冗余”明显（特征参数选择问题更为重要）；

●数据量大，计算量大、复杂（对算法、计算机软硬件提出新的要求）

第四章思考题

1.什么是比辐射率？

地物比辐射率受哪些主要因素影响？

比辐射率

真实物体并非黑体。

它的辐射出射度小于同温下黑体的辐射

出射度。

因而引出了“比辐射率”的概念，用ε（T,λ）表示。

比辐射率（又称发射率）被定义为：

物体在温度