第一章电磁波及遥感的物理基础
1wq物理基础
根据所接收到的电磁波谱分为： 可见光遥感 红外遥感 微波遥感 多光谱遥感 紫外遥感
根据传感器所接收到的能量来源分为： 主动遥感: 主动遥感: 指使用人工辐射源从遥感平台上先向目标发射电 磁辐射，然后接收和记录目标物反射或散射回来 的电磁波的遥感。如雷达 被动遥感: 被动遥感: 指不利用人工辐射源，而是直接接收与记录目标 反射物反射的太阳辐射或者目标物本身发射的热 辐射和微波遥感。
大气对太阳辐射的吸收 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。 臭氧：小于0.3μm；0.155为峰值。高空遥感很 臭氧：小于0.3μm；0.155为峰值。高空遥感很 少使用紫外波段的原因。 氧气：主要对微波处有2 氧气：主要对微波处有2个吸收带对航空遥感影 响不大。 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。 二氧化碳：吸收作用主要在红外区内。
中巴卫星
风云一号
二）遥感技术发展趋势: 二）遥感技术发展趋势: 1）多层次遥感 2）传感器高分辨率，高光谱，小型，立体遥感 3) 自动识别分类 4）定量遥感 5）3S技术的综合应用 3S技术的综合应用
五、电磁波谱
一）、电磁波 :当电磁振荡进入空间，变化的磁 场激发了涡旋电场，变化的电场又激发了涡旋磁 场，使电磁振荡在空间传播 电磁波在传播中遵循波的反射，折射，衍射，干 涉，吸收，散射等传播规律
1.1.7 遥感发展
对地立体观测系统
•地球同步轨道卫星(35,000km)； •太阳同步卫星(600～1,000km)； •太空飞船(200～300km)； •航天飞机(240～350km)； •探空火箭(200～1,000km)； •高、中、低空飞机； •升空气球； •无人飞机； •地面遥感车、塔；
遥感物理基础电磁波与电磁波谱
第二章遥感物理基础遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论基础上的。
由于不同物体具有各自的电磁波反射或辐射特性，才可能应用遥感技术探测和研究远距离的物体。
理解并掌握地物的电磁波发射、反射、散射特性，电磁波的传输特性，大气层对电磁波传播的影响是正确解释遥感数据的基础。
本章重点是掌握可见光近红外、热红外和微波遥感机理，以及地物波谱特征。
图2-1第一节电磁波与电磁波谱2.1.1 电磁波与电磁波谱1. 电磁波一个简单的偶极振子的电路，电流在导线中往复震荡，两端出现正负交替的等量异种电荷，类似电视台的天线，不断向外辐射能量，同时在电路中不断的补充能量，以维持偶极振子的稳定振荡。
当电磁振荡进入空间，变化的磁场激发了涡旋电场，变化的电场又激发了涡旋磁场，使电磁振荡在空间传播，这就是电磁波。
2. 电磁辐射电磁场在空间的直接传播称为电磁辐射。
1887 年德国物理学家赫兹由两个带电小球的火花放电实验，证实了电磁场在空间的直接传播，验证了电磁辐射的存在。
装载在遥感平台上的遥感器系统，接收来自地表、地球大气物质的电磁辐射，经过成像仪器，形成遥感影像。
3. 电磁波谱γ射线、X 射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波（微波、短波、中波、长波和超长波等）在真空中按照波长或频率递增或递减顺序排列，构成了电磁波谱。
目前遥感技术中通常采用的电磁波位于可见光、红外和微波波谱区间。
可见光区间辐射源于原子、分子中的外层电子跃迁。
红外辐射则产生于分子的振动和转动能级跃迁。
无线电波是由电容、电感组成的振荡回路产生电磁辐射，通过偶极子天线向空间发射。
微波由于振荡频率较高，用谐振腔及波导管激励与传输，通过微波天线向空间发射。
由于它们的波长或频率不同，不同电磁波又表现出各自的特性和特点。
可见光、红外和微波遥感，就是利用不同电磁波的特性。
电磁波与地物相互作用特点与过程，是遥感成像机理探讨的主要内容。
图2-2电磁辐射的性质4. 电磁辐射的性质电磁辐射在传播过程中具有波动性和量子性两重特性。
遥感原理与应用重点
第一章遥感物理基础1 遥感：使用某种传感器，不直接接触被研究的目标，感测目标的特征信息（一般是电磁波的反射或者发射辐射），经过传输、处理，从中提取人们感兴趣的信息的过程。
2电磁波谱：把各种电磁波按照波长或频率的大小依次排列，就形成了电磁波谱。
3绝对黑体：指能够全部吸收而没有反射电磁波的理想物体。
4灰体：在各种波长处的发射率相等的实际物体。
5色温：在实际测定物体的光谱辐射通量密度曲线时，常常用一个最接近灰体辐射曲线的黑体辐射曲线作为参照这时的黑体辐射温度就叫色温。
6大气窗口：电磁波通过大气层时较少被反射、吸收和散射的，透过率较高、对遥感有利的波段。
7发射率：实际物体与同温度的黑体在相同条件下的辐射功率之比。
8光谱反射率：物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比。
9波粒二象性：电磁波具有波动性和粒子性。
10光谱反射特性曲线：反射波谱曲线是物体的反射率随波长变化的规律，以波长为横轴，反射率为纵轴的曲线。
11 方向反射：实际地物表面由于地形起伏，在某个方向上反射最强烈的现象。
12 漫反射：如果入射电磁波波长λ不变，表面粗糙度h逐渐增加，知道h和λ同数量级，这时整个表面均匀反射入射光电磁波，入射到此表面的电磁辐射按照朗伯余弦定律反射。
13 波谱特性：是指各种地物各自具有的电磁波特性（发射辐射或反射辐射）。
二、问答题1黑体辐射遵循哪些规律？(1由普朗克定理知与黑体辐射曲线下的面积成正比的总辐射通量密度W随温度T的增加而迅速增加。
(2 绝对黑体表面上，单位面积发射的总辐射能与绝对温度的四次方成正比。
（玻尔兹曼公式）(3 黑体的绝对温度升高时，它的辐射峰值向短波方向移动。
（维恩位移定律）(4 好的辐射体一定是好的吸收体。
（基尔霍夫）(5 在微波段黑体的微波辐射亮度与温度的一次方成正比。
（瑞利金斯公式）2电磁波谱由哪些不同特性的电磁波段组成？遥感中所用的电磁波段主要有哪些？a. 包括无线电波、微波、红外波、可见光、紫外线、x射线、伽玛射线等b. 微波、红外波、可见光3 物体的辐射通量密度与哪些因素有关？常温下黑体的辐射峰值波长是多少？（1 与光谱反射率，太阳入射在地面上的光谱照度，大气光谱透射率，光度计视场角，光度计有效接受面积。
遥感习题
第一章电磁波及遥感物理基础名词解释：1、遥感2、遥感技术3、电磁波4、电磁波谱5、大气窗口6、光谱反射率7、光谱反射特性曲线问答题：1、叙述沙土、植物和水的光谱反射率随波长变化的一般规律。
2、地物光谱反射率受哪些主要的因素影响？3、何为大气窗口？分析形成大气窗口的原因，并列出用于从空间对地面遥感的大气窗口的波长范围。
第二章遥感平台及运行特点名词解释：1、遥感平台2、遥感传感器3、卫星轨道参数4、升交点赤经5、轨道倾角5、近地点角距6、卫星姿态角7、重复周期8、近圆形轨道9、与太阳同步轨道10、近极地轨道11、小卫星问答题：2、以Landsat-1为例，说明遥感卫星轨道的四大特点及其在遥感中的作用。
3、叙述地心直角坐标系与地心大地直角坐标系的差别和联系。
4、获得传感器姿态的方法有哪些？简述其原理。
5、简述遥感平台的发展趋势。
6、LANDSAT系列卫星、SPOT系列卫星、RADARSAT系列卫星传感器各有何特点？第三章遥感传感器及其成像原理名词解释：1、遥感传感器2、红外扫描仪3、多光谱扫描仪4、推扫式成像仪5、成像光谱仪6、MSS7、TM8、HRV9、SAR 10、INSAR 11、CCD 12、真实孔径侧视雷达13、合成孔径侧视雷达14、全景畸变15、动态全景畸变16、静态全景畸变17、距离分辨率18、方位分辨率19、雷达盲区20、粗加工产品21、精加工产品22、多中心投影填空题：1、目前遥感中使用的传感器大体上可分为等几种。
2、遥感传感器大体上包括几部份。
3、MSS成像板上有个探测单元;TM有个探测单元。
4、LANDSAT系列卫星具有全色波段的是,其空间分辨率为。
5、利用合成孔径技术能堤高侧视雷达的分辨率。
6、扫描仪产生的全景畸变，使影像分辨率发生变化，x方向以变化，y 方向以变化。
7、实现扫描线衔接应满足。
选择题：(单项或多项选择)1、全景畸变引起的影像比例尺变化在X方向①与COSθ成正比②在X方向与COSθ成反比③在X方向与COS²θ成正比④在X方向与COS²θ成反比。
电磁波及遥感物理基础
射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。
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。
光的波动性充分表现在光的干涉、衍射、 偏振等现象中；而光在光电效应、黑体 辐射中则显示出粒子性。
• 在遥感中常用近红外波段确定水体的位置和轮廓， 在此波段的黑白正片上，水体的色调很黑，与周 围的植被和土壤有明显反差，很容易识别和判读。
• 在水中含有其他物质时，反射光谱曲线会发生变 化，含泥沙时，由于泥沙的散射，可见光波段发 射率会增加，峰值出现在黄红区。
不同浊度下水体的波谱特性曲线
• 水中含有叶绿素时，近红外波段明显抬升，这些 都是影像分析的重要依据。
植物
• 由于植物均进行光合作用，所以各类绿色植物具有很相似 的反射波谱特征：在可见光波段0.55um(绿光)附近有个波 峰，两侧0.45um(蓝光)和0.67um(红)则有两个吸收带。在 近红外波段0.8-10.um间有一个反射的陡坡，至1.1um附近 有一个峰值，形成植被的独有特征。在近红外波段1.32.5um受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率 大大下降，特别是以1.45、1.95、2.7um为中心是水的吸收 带，形成低谷。
度、速度、测量地形等。
自然辐射源（被动式遥感的辐射源）
➢ 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，即0.3-2.5um。 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
遥感原理及应用总结
绪论第一章遥感物理基础Chapter 1 Physical basis of remote sensing电磁波：在真空或物质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波。
（在真空或介质中传播的交变电磁场）电磁波是通过电场和磁场之间相互联系和转化传播的，是物质运动能量的一种特殊传递形式。
原子光谱、分子光谱和晶体光谱波粒二象性：1 波动性：表现出干涉、衍射、偏振等现象。
一般成像只记录了电磁波的振幅，只有全息成像时才同时记录振幅和相位，在遥感成像时，只有雷达成像是如此。
干涉的影响：利—利用能量增大的趋势使图像清晰，方向性强；弊—造成同一物质所表现的性质不同SAR成像时，斑点的产生就是由于电磁波的干涉引起的。
衍射的影响：(1)使电磁辐射通量的数量、质量和方向都发生变化，结果测量不准确，对目标物的解译也带来困难。
(2)缩小阴影区域。
(3)影响遥感仪器的分辨能力。
光的偏振现象说明光波是横波，在微波技术中称为“极化”。
多普勒效应：电磁辐射因辐射源或观察者相对于传播介质的移动，而使观察者接受到的频率发生变化的现象。
2 粒子性的基本特点是能量分布的量子化光电效应应用：扫描成像、电视摄像等，把光像变成电子像，把对人眼无作用的电磁辐射变成人们可以看见的影像。
3、波粒二象性的关系电磁波的波动性与粒子性是对立统一的，E（能量）、P（动量）是粒子的属性，υ（频率），λ（波长）是波动的属性，二者通过h联系起来。
光的波动性和粒子性是光在不同条件下的不同表现：从数量上看：少量光子的运动表现出粒子性；大量光子的运动表现出波动性。
从频率上看：频率高的光子粒子性强，频率低的光子波动性强。
当光和其它物质发生相互作用时表现为粒子性，当在传播时表现为波动性。
为什么说遥感的物理基础是电磁波理论？➢不同地物电磁波特性不同（表现为不同颜色，不同温度）➢传感器接收的是电磁波➢数据传输是电磁波➢数据处理的是地物电磁波信息➢应用的是地物电磁波特性电磁波谱：将电磁波在真空中按照波长或频率的依大小顺序划分成波段，排列成谱。
《遥感概论》word版
遥感概论第一章绪论一、遥感（狭义）：在不直接接触目标物的情况下，使用特定的探测仪器来接受目标物体的电磁波信息，再经过对信息的传输、加工、处理、判读，从而识别目标物体的技术。
二、遥感平台：用来装载传感器的运载工具。
三、遥感的原理：1．物理依据：地球上的物体都在不停地辐射、反射和吸收电磁波，并且不同物体的电磁波特征是不同的。
2．原理：利用传感器接收地物反射或辐射出的电磁波，通过分析电磁波的特性区分不同的地物及其环境，主要基于两点：不同地物在不同波段反射率存在差异；同类地物的光谱是相似的，但随着该地物的内在差异而有所变化。
四、遥感技术系统：遥感技术系统是一个从地面到空中直至空间，从信息收集、存储、传输处理到分析判读、应用的完整技术系统，包括：被测目标的信息特征、信息的获取、信息的传输与记录、信息的处理和信息的应用。
五、遥感技术特点：1. 大面积的同步观测；便于发现和研究宏观现象（平台越高，视角越广，同步探测范围越大）2. 时效性：可以在短时间内对同一地区进行重复探测，有利于发现地球表面事物的动态变化，对天气预报，火灾、水灾的灾害监测等非常重要。
3. 数据的综合性和可比性：综合性包括：自然和人文信息的综合、多层空间的综合、多波段的综合、多时相的综合；可比性指获得的数据具有同一性或相似性，并且不同传感器具有兼容性。
4. 经济性；与传统方法相比，遥感可大大节省人力、物力、财力和时间，同时具有很高的经济效益和社会效益。
5. 局限性：一方面，遥感技术所利用的电磁波段很有限；另一方面，已利用的电磁波段对许多地物的某些特征不能准确反映。
六、遥感分类：1．按照遥感的工作平台分为：航天遥感、航空遥感、地面遥感。
2．按照资料的记录方式分为：成像方式、非成像方式。
3．按照电磁波的工作波段分为：紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感、多波段遥感。
〓多波段遥感：探测波段在可见光与近红外波段范围内，再分为若干窄波段来探测目标。
遥感原理与应用-第1章
图1-5 几种温度下的黑体波谱辐 射曲线
从上式可以看出：绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能 与绝对温度的四次方成正比，称为斯忒藩－玻耳兹曼公式。
12
黑体辐射特性
• 分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动。 可微分普朗克公式，并求极值。
维恩位移定律：
温度 波长 300 9.66 500 5.80 1000 2.90 2000 1.45 3000 0.97 4000 0.72 5000 0.58 6000 0.48 7000 0.41
27
瑞利散射中，散射强度与波长的关系
I ∝ E s' ∝
2
sin 2 θ
λ4
蓝光散射较强 红光散射较弱
为什么微波具有穿透云雾的能力？
28
(2)大气对太阳辐射的反射
• 由于大气中有云层，当电磁 波到达云层时，就象到达其 他物体界面一样，不可避免 的要产生反射现象，这种反 射同样满足反射定律。而且 各波段受到不同程度的影 响，削弱了电磁波到达地面 的程度。因此应尽量选择无 云的天气接收遥感信号。
7
可见光的范围 紫 0.38～0.43μm 蓝 0.43～0.47μm 青 0.47～0.50μm 绿 0.50～0.56μm 黄 0.56～0.59μm 橙 0.59～0.62μm 红 0.62～0.76μm
• • •
电磁波谱的范围非常宽，从波长最短的γ 射线到最长的无线电波，波长之比高达 1022倍以上 遥感采用的电磁波段可以从紫外线一直到 微波波段 遥感就是根据感兴趣的地物的波谱特性， 选择相应的电磁波段，通过传感器探测不 同的电磁波谱的发射或反射辐射能量而成 像的。
24
•
气溶胶的来源
• 自然：
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最小分辨角:
0
1.22
d
(设计遥感器空间分辨率具有重要意义
也是进行一些遥感图像处理（如图像平滑等）的依据
电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝地振动 分量，称为电磁破的偏振。
2.人眼对可见光有敏锐的分辨率；
是遥感技术应用中的重要波段。
应用：1.鉴别物质特性的主要波段
2.以光学摄影或扫描方式接收和记
录地物对可见光的反射特征
红外波段
微波波段
（2）电磁辐射测量
辐射源：任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物 体对它的辐射，也能够向外（发出）辐射。 遥感的辐射源可分自然电磁辐射源和人工电磁辐射源 两类：
（3）黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑 体绝对温度成反比。（维恩位移定律）。随 着温度的升高，辐射最大值所对应的波长移 向短波方向。
（2）电 磁辐射测量
1、辐射测量（radiometry），以伽玛射线到电磁波的整个波 段范围为对象的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。
2、光度测量（photometry），由人眼的视觉特性（标准光 度观察）评价的物理辐射量的测定，其度量单位见下表。
BACK
（1）黑体辐射和实际物体辐射
绝对黑体 如果一个物体在任何温度下对任何波长的电磁辐射
电磁波因辐射源（或者观察者）相对于 传播介质的运动，而使观察者接受到的 频率发生变化，这种现象称为多普勒效 应。类似声波的多普勒效应。
（合成孔径雷达的工作原理）
电磁波的特点及与遥感的意义
1） 不需要传播介质 2） 横波 3） 波动性 4） 粒子性 5） 叠加原理 6） 衍射和偏振（遥感器的几何图象分辨率，
第二章 遥感的电磁辐射（物理）基 础
本章主要介绍遥感的物理基础， 包遥括感地技物术是的建电立磁在波物体特电性磁、波太辐射阳理辐 论射基、础大上的气。对由太于阳不同辐物射体的具影有各响自、的大 电感并气 谱磁技掌窗的波术握口 特反探地射测物的 性或和的概、辐研电念地射究磁物、特远波性距发地的，离射物热才的、反辐可物反射射能体射应。、太、用理散阳地遥解射光物 特与性微，波电的磁波作的用传机输理特。性，大气层对电 磁基气波础本窗传。章口播的重，影点可响是见是掌光正确握、解电近释磁红遥波外感数谱、据，热的大红 外地物波谱特征。
全部吸收（即吸收系数恒等于1），则这个物体称为绝对 黑体。
黑体辐射 能够在热力学定律所允许的范围内，最大限度的把
热能转换成辐射能的理想热辐射体。它是在一切方向上 都均等的辐射。
黑体辐射特性
（1）黑体辐射出射度随波长连续变化，每 条曲线只有一个最大值。
（2）温度愈高，黑体的辐射出射度也愈大， 不同温度的曲线是不相交的。绝对黑体的总 辐射出射度与黑体温度的4次方成正比。（斯 忒藩—玻尔兹曼定律）
（吸收率、反射率、透射率）
电磁波的叠加原理(干涉)
当两列波在同一空间传播时，空间 上各点的振动为各列波单独振动的 合成。 任何复杂的电磁波都可以分解成许 多比较简单的电磁波； 比较简单的电磁波也可以合成为复 杂的电磁波。
（白光的色散和合成，计算机显示器的工 作原理， 混合像元的分解 ）
电磁波的衍射和偏振
偏振光，非偏振光，部分偏振
电磁波的粒子性
能量：E 动量：P
Eh vh/c
Ph/
h : 普朗克常数，6.6260755×10－34 J s c : 光速； v : 频率
能量和动量是粒子属性，频率和波长是波动属性。可见光， 红外线；微波和无线电波；紫外线和X射线Y射线。
电磁波波长、频率
电磁波的多普勒效应
的影响。
BACK
紫外波段
波长：0.001—0.38μm
特征：1.大气对紫外线吸收较强；
2.能使溴化银底片感光；
3.太阳光谱中只有0.3~0.38 μm
的光到达地面，对油污染敏感
应用：1.用于测定碳酸岩的分布
2.用于油污的监测
可见光波段
波长：0.38—0.76μm
特征：1.由红,橙,黄,绿,青,蓝,紫光组成；
电磁波谱 按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱。 依次为： γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。 （波长由短到长，频率由高到低）
电磁波谱
遥感应用的电磁波波谱段
遥感对地观测 ❖ 紫外线：波长范围为0.01～0.38μm，太阳光谱中，
只有0.3～0.38μm波长的光到达地面，对油污染敏感， 但探测高度在2000 m以下。 ❖ 可见光：波长范围：0.38～0.76μm，人眼对可见光 有敏锐的感觉，是遥感技术应用中的重要波段。 ❖ 红外线：波长范围为0.76～1000μm，根据性质分为 近红外、中红外、远红外和超远红外。 ❖ 微波：波长范围为1 mm～1 m，穿透性好，不受云雾
波长越长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达 成像） 7）多谱勒效应（合成孔径侧视雷达电磁波位于可见光、红外和微波波谱区间。由 于它们的波长或频率不同，不同电磁波又表现出各自的特性和特点。可见光、 红外和微波遥感，就是利用不同电磁波的特性。电磁波与地物相互作用特点 与过程，是遥感成像机理探讨的主要内容。
电 磁波
电磁波
交互变化的电磁场在空间的传播。
描述电磁波特性的指标
波长、频率、振幅、位相等。
电磁波的传输特性
电磁波是横波(质点的震动方向与传播方向垂直)， 传播速度为3×108 m/s，并且等于其频率与波长的 乘积，不需要媒质也能传播，与物质发生作用时会 有反射、吸收、透射、散射等，并遵循同一规律。
（1）自然辐射源：有太阳辐射(被动式遥感系统中 重要的自然辐射源)和地球的电磁辐射（地球辐射可分 为两个部分：短波（0.3—2.5μm）和长波（6μm 以上） 部分。）
（2）人工辐射源 主动遥感采用人工辐射源，是指人为发射的具有一
定波长（或一定频率）的波束。工作时接收地物散射 该光束返回的后向反射信号强弱，从而探知地物或测 距，称为雷达探测。雷达又可分为微波雷达和激光雷 达。在微波遥感中，目前常用的主要为侧视雷达。