电磁波与遥感物理基础
电磁波在遥感探测领域的应用研究
电磁波在遥感探测领域的应用研究引言：遥感技术是通过感知地球表层现象的能力，获取地球表面特点的一种技术。
作为遥感技术的重要组成部分，电磁波的应用对于遥感探测领域的研究具有重要意义。
本文将从物理定律的角度出发，详细解读电磁波在遥感探测领域的应用，并探讨其在实际应用中的意义。
一、电磁波的物理定律和基本性质1. Maxwell方程组Maxwell方程组描述了电磁场的产生和传播规律。
其中包括麦克斯韦第一、第二、第三和第四个方程。
这些方程的解决了电磁波的存在和传播问题，为电磁波的应用奠定了理论基础。
2. 电磁波的频率与波长电磁波的频率和波长是两个基本的物理性质。
频率决定了电磁波的能量，而波长则决定了电磁波的传播特性。
根据频率的不同，电磁波可分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等等。
二、电磁波在遥感探测领域的应用1. 遥感图像的获取借助电磁波的能量和传播特性，遥感技术可以获取地球表面的遥感图像。
通过无线电波和微波，遥感技术可以突破大气层的干扰，获取地下和云层下的图像。
而可见光和红外线则可以用于实时监测大气、海洋、陆地等表面特征。
2. 地质和资源勘探电磁波的不同频段对地质和资源勘探具有重要意义。
例如，微波和雷达可以用于矿产资源的探测，通过反射和干涉原理，可以获取地下矿体的信息。
红外遥感则可以用于发现热区，进而识别地下地热资源。
3. 环境监测与灾害预警电磁波对于环境监测和灾害预警也起到了重要作用。
红外线遥感技术可以实时监测森林火灾，测量火焰的温度和面积。
微波和可见光则可以用于监测海洋表面的水质和河流的水位。
这些数据可以提供及时的环境信息，为灾害预警和紧急救援提供依据。
三、电磁波在遥感探测中的实验准备和过程1. 实验准备在进行电磁波遥感探测实验之前，需要准备合适的遥感仪器和设备。
这些设备主要包括传感器、天线、辐射源、数据采集器等。
传感器用于接收地球表面反射或辐射出的电磁波，而辐射源则用于发射电磁波。
遥感物理基础
X
10-6m 1nm 0.38m 0.76m 3m 6m 15m 1mm 1m
紫可近中远超微无
射射 外 见 红 红 红 远 波线
线线 线 光 外 外 外 红
电
外
波
1mm=1000 m；1m=1000nm
电磁波谱的划分
紫外波段 可见光波段
紫色光 蓝色光 青色光 绿色光 黄色光 橙 色光 红色光 近红外（摄影红外）波段 近红外（反射红外）波段 中红外波段（热红外）
❖ 灰体：0< α <1，α不随波长而变 化。
❖ 选择性辐射体： 0< α <1，α随 波长而变化。
概念——辐射度量
❖ 辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位J。 ❖ 辐射通量（Φ）：单位时间内通过某一面积的
辐射能量,Φ=dW/dt，单位W。辐射通量是波长 的函数，总辐射通量是各谱段辐射通量之和或 辐射通量的积分值。 ❖ 辐射通量密度（E）：单位时间内通过单位面 积的辐射能量，E=dΦ/dS，单位W/M2，S为面 积。
普朗克公式表示出了黑体辐射通量密度与温 度的关系及按波长分布的情况。反映黑体 辐射的三个特性：
E0
6000K 3000K
❖ 辐射通量密度随波长连续变化，温度一定 时，辐射通量密度随波长变化的曲线只有 一个最大值
1000K 200K
❖ 温度越高，辐射通量密度也越大，不同温
度下的曲线不相交。
❖ 随着温度的升高，辐射最大值所对应的波 长向短波方向移动。
由上式可见（在遥感技术上的意义）： ❖ 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，对于一般物体, 可用上式概略推算出总辐射能与绝对温度的 关系。 ❖ 黑体总辐射通量密度与温度的四次方成正比， 因而随温度的增加迅速增大——红外测温的 理论依据。
遥感物理电磁波的产生原理
遥感物理电磁波的产生原理遥感物理电磁波的产生原理涉及到电磁场的概念和电磁波的特性。
电磁波是一种由电场和磁场相互作用而产生的波动现象，它的产生和传播在遥感领域具有重要的应用。
首先，我们来了解电磁场的概念。
电磁场是由电荷和电流产生的一种物理场。
任何电荷和电流都会产生电场和磁场，它们是相互作用的，互相影响。
电场是由电荷在空间中形成的，根据库仑定律，电荷之间的相互作用力是通过电场进行传递的。
磁场则是由电流产生的，根据安培定律，电流在周围形成的闭合环路上产生磁场。
在遥感物理中，电磁波是一种通过空间传播的电磁辐射。
电磁波具有特定的频率和波长，可以分为不同的频段，如无线电波、可见光、红外线、紫外线、X射线和γ射线等。
电磁波可以在真空和介质中传播，速度为光速。
那么，电磁波是如何产生的呢？它的产生涉及到一个物体的振荡和加速运动。
当一个物体振动或加速运动时，它会在周围产生变化的电场和磁场。
如果振动或加速运动的频率和电场波长相匹配，物体周围的电荷就会被激发，导致电荷的运动和电流的产生。
以无线电波为例，当一个带电物体振动或加速运动时，会产生电场和磁场的变化。
根据麦克斯韦方程组，变化的电场会产生变化的磁场，而变化的磁场又会产生变化的电场，这样形成的电场和磁场的变化就是电磁波。
电磁波会沿着传播方向传播，并且速度为光速。
当这些电磁波到达接收器时，可以被接收，并转化为我们可以理解和利用的信号。
在遥感领域，电磁波的产生和传播是非常重要的。
我们可以通过遥感传感器向地球表面发射电磁波，然后接收并记录反射回来的电磁波。
通过分析接收到的电磁波信号，我们可以获取到地表的信息，如地表的反射率、温度、湿度、地形等。
这样的遥感技术在农业、测绘、城市规划、环境保护等方面有重要的应用。
总之，遥感物理电磁波的产生原理是基于电磁场相互作用而产生的。
当物体振动或加速运动时，会产生变化的电场和磁场，形成电磁波进行传播。
通过遥感技术，我们可以利用电磁波向地球发送和接收信号，获取地表的信息。
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。
4-2遥感——遥感的物理基础+光的三原色
颜色库。
2014-6-26
• 2、三种光的颜色可以设置成： 1）R=200，G=30，B=15——偏红色（显示器） 2）R=40，G=220，B=15——偏绿色 3）R=0，G=0，B=0——得到“黑色”（没有光） 4）R=255，G=255，B=255——得到“白色”（最强光，均 等） 5）0<R=G=B<255——得到“灰色”
•
黎明和黄昏时（此时地球与太阳之间距离很远），可见光要通过 较厚的大气层，波长小的紫光、蓝光在传播这么长的路程后几乎全被 大气吸收了，只剩下波长大的红光、橙光，直射光中红光成分大于蓝 光成分，∴太阳呈现红色。
•
大气中的瑞利散射对可见光影响较大，而对红外的影响很小，对
微波基本没有多大影响。
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决定。
•
如果气溶胶粒径与入射波长同数量级，发生米
氏散射；例如冬季燃煤产生的固体气溶胶浓度大，
发生米氏散射，常常一整天天空都是淡黄色、灰
蒙蒙的。
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• 3）粗粒散射（又叫非选择性散射或均匀散射）（r>>λ）：大气
中的液、固态水滴和固态杂质（比如粒度较大的沙尘暴）——
“颗粒物”的半径>1μm，都远大于可见光的波长，当天空有云层 或雨层时，满足均匀反射的条件，各个波长的可见光散射强度相 同，因而云呈现白色，此时散射较大，可见光难以通过云层，这 就是阴天时候不利于用可见光进行遥感探测地物的原因。夏季暴 雨来之前，天空呈现暗黑色，就是大气中的小水滴这些颗粒物将 所有波长的光全部进行散射。 • 而太阳的电磁波辐射几乎包括电磁辐射的各个波段，因此，
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• 【反射≠散射≠漫反射≠镜面反射】 • 镜面反射：发生在光滑物体表面的一种反射，入射角=反射角。 • 漫反射：发生在粗糙物体表面的一种反射，入射角=反射角。而且漫反 射向四面八方的反射是相等的。 • 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，而是向各个方向传播的现象，它实质是反射、折射和衍射的综 合反映。散射主要发生在可见光波段。 • 电磁波在传播过程中遇到小微粒而使传播方向发生改变，并向各个 方向散开，称散射。尽管强度不大，但是从遥感数据角度分析，太阳辐 照到地面又反射到传感器的过程中，二次通过大气，传感器所接收到的
遥感的物理基础
反射现象：电磁波在传播过程中，通过两种介 质的交界面时会出现反射现象，反射现象出要 出现在云顶（云造成噪声）。
遥感基础与应用
大气窗口
不同波段的电磁波受到大气的衰减作用轻重不 同。
电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和 散射的，透射率较高的波段称为大气窗口。
遥感传感器选择的探测波段应包含在大气窗口 之内。
(2) 地物的发射光谱特性
同一地物，其表面粗糙或颜色较深的，发射率 往往较高，反之，发射率则较小。
比热大，热惯量大，以及具有保温作用的地物， 一般发射率大，反之发射率就小。
例如水体，在白天水面光滑明亮，表面反射强 而温度较低，发射率亦较低；而夜间，水的比 热大，热惯量也高，故而发射率较高。
遥感基础与应用
结果输出（图、表）
接收 预处理
用户处 理应用
遥感基础与应用
太阳辐射曲线
太阳辐射的能量主要集中 在可见光，其中0.38 ～ 0.76 µ m的可见光能量占太阳辐射 总能量的46%，最大辐射强 度位于波长0.47 µ m左右； 到达地面的太阳辐射主要 集中在0.3 ～ 3.0 µ m波段，
包括近紫外、可见光、近
土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在 水的各个吸收带（1.4um、1.9um、2.7um处附近 区间），反射率的下降尤为明显。
遥感基础与应用
三种不同类型土壤在干燥环境下的光谱曲线
水的吸收带（1.4um、1.9um、2.7um） 干燥土壤的波谱特征主要 与土壤物质组成（成土矿 物和土壤有机质）有关。 土壤含水量增加，土壤的 反射率就会下降，
遥感基础与应用
不同地物的反射波谱特征
遥感基础与应用
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
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h : 普朗克常数，6.6260755×10－34 J s c : 光速； v : 频率
能量越大，波长越短，粒子性越强，直线性越强。
❖ 波粒二象性的程度与电磁波的波长有关： 波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈 长，辐射的波动特性愈明显。
电磁波谱
定义：按照电磁波的波长（频 率的大小）长短，依次排列成的 图表，称为电磁波谱。
M, 辐射出射度
变化特点：
(1) 辐射通量密度随波 长连续变化，只有一个 最大值；
(2) 温度越高，辐射通 量密度越大，不同温度 的曲线不相交；
(3) 随温度升高，辐射 最大值向短波方向移动。
②斯蒂芬－玻尔兹曼定律
整个电磁波谱的总辐射出射度 M, 可以用某一单位波长 间隔的辐射出射度Mλ对波长 λ 由 O 到无穷大的整个电磁 波段积分，
依次为： γ射线—X射线—紫外线—
可见光—红外线—微波—无线电 波。
各种电磁波的特点
γ射 线
X射 线 紫外 线 可见 光 红外 线 微 波
波长范围
小于 10－6 μm
10－6 μm ~10－ 3 μm
10－3 ~0.38 μm
0.38 ~0 .76 μm
0.76μm ~ 1 mm
1mm ~ 1m
黑体辐射光谱中最强辐射的波长max与黑体绝对温度T成反 比：
max T b
b为常数， b =2.898 10-3mK
波长越长，最强辐射波长越短 例如太阳光 =490nm ，可估计出太阳表面温度近似为 5900K；地表温度为300K，地表辐射的约为10mm。
电磁波与遥感物理基础
§2.1 电磁波与电磁波谱
电磁波
波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。 电磁波：在空间传播的交变电磁场。当电磁振荡进入空间时，变化 的磁场激发了变化的电场，使电磁振荡在空间传播，形成电磁波， 也称电磁辐射。
பைடு நூலகம்
§2.1 电磁波与电磁波谱
电磁波
波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。
M 0 M ()d
用普朗克公式对波长积分，得到斯忒藩一玻尔兹曼定律，即 绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比，
M= σT4
式中，σ为斯忒藩一玻尔兹曼常数，σ =5.67 × 10-8 W/m2K4。
③维恩位移定律： 实验发现：当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最
大值对应的波长向短波方向移动
（5）辐射强度（I） 点辐射源在某一方向单位立体角内
的辐射通量。
I = d F / dW，单位：W . sr-1
2.物体的热辐射
热辐射——由于物体内部微观粒子的热运动所引起的 电磁辐射。
物体热辐射的强弱取决于地物自身性质和温度，辐射能 量分布随波长的不同而变化。
太阳（表面温度6000K） 热辐射体
电磁波的基本特征： 1.电磁波的传播
电磁波是横波，质点的震动方向与波的传播方向垂直， 传播速度为3×108 m/s，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。电磁波是遥感信息 的载体，电磁波理论是遥感的物理理论基础。
E 电场，M 磁场，
C 传播方向
描述电磁波的物理量：波长、频率、振幅、位相等。 c=f*, f 频率，波长
（2）黑体辐射规律：
①普朗克公式
1900年，普朗克由量子论推导出热辐射定理，即普朗克公式：
Mb(,T )
2 5 (ehc
hc2 kT 1)
h: 普朗克常数, 6.6260755*10-34 W·s2 k: 玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 W·s·K-1
c: 光速; λ: 波长（μm）; T: 绝对温度（K）
麦克斯韦 （1831-1879）
波动性
普朗克 （1858-1947）
爱因斯坦 （1879-1955）
粒子性
电磁波的叠加原理
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
地球（平均温度300K）
3.绝对黑体 （1）绝对黑体：对任何波长的辐射，吸收率等于1，
反射率和透射率都等于0。与温度和波长无关。
黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。
用不透明材料制成的开有小孔的空腔(如上图)就是一个 黑体模型。空腔外面的辐射能够通过小孔进入空腔，进入空 腔的射线，在空腔内进行多次反射，每反射一次内壁吸收一 部分能量，最后全部被吸收掉，从小孔穿出的辐射能可以略 去不计。小孔即相当于黑体的表面。
➢ 地球的电磁辐射：小于3 μm的波长主要是太阳辐射 的能量；大于6 μm的波长 ，主要是地物本身的热辐射 ；3-6 μm之间，太阳和地
球的热辐射都要考虑。
1.电磁辐射的度量术语
（3）辐照度（E） 单位面积上接收的辐射通量。 E= d F / dA ，单位：W . m-2
（4）辐射出射度（M） 单位面积上辐射出的辐射通量。 M= d F / dA ，单位：W . m-2
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
电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而 弯曲地向障碍物地后面传播。把这种通过障碍物边缘改变传 播方向地现象，称为电磁波的衍射。
电磁波的偏振
电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝的振动 分量，称为电磁波的偏振。
3.粒子性
产生机理 原子核受激后产生 原子中内层电子受激后产生
原子、分子中外层电子受激发 后跃迁到低能态
分子振动或转动的能级跃迁 电磁电感组成的振荡回路
特点 非常强的穿透力，很难观
察到波动性 较强的穿透力，粒子性突
出
明显的波粒二象性
波动性明显
用途 医学
医学
可见光 遥感 红外遥 感 微波遥 感
常用的遥感波段：
§2.2 物体的发射辐射
电磁辐射源：能辐射任何波长电磁波 的物质。
自然辐射源 人工辐射源 (主动式遥感的辐射源
，雷达探测。分为微 波雷达和激光雷达)
不同辐射源的电磁辐射信息存在一定的差异，可由相 应探测波段的遥感器以成像或非成像的方式进行记录。
自然辐射源
➢ 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。大气层对太 阳辐射的吸收、反射和散射 。