遥感物理基础
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第二章 遥感物理基础
第二章 遥感物理基础
第一节
电磁波与电磁波谱 第二节 太阳辐射与大气窗口 第三节 地物波谱特征 第四节 色度学
地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反
射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的 形式——电磁波。不同的物体具有不同的物质 组成和结构；由此导致其电磁波谱特征（特征 光谱）不同。 遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁 波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物 体的信息，完成远距离识别物体。
＝V
电磁波在真空中以光速C＝2.998×108米／秒(m／s)传播 ，在大气中小于光速但接近于光速传播。 一般可用波长或频率来描述或定义电磁波谱的范围。在 可见光一红外遥感中多用波长，如m、nm等：在微波遥感中 多用频率，如MHz、GHz等。
几个辐射Βιβλιοθήκη Baidu量概念
辐射能W——电磁辐射所携带（或传递）的能量，它表
示在给定的时间间隔内由辐射源辐射出的全部能量。 辐射能的单位是焦尔（符号J）
辐射通量——辐射能传递的时间速率，是单位时间内
所传递的能量。常用单位是瓦（符号W）。大多数传感 器响应的是辐射能传递的时间速率，而不是所传递的 总能量
辐射通量密度——单位面积所截获的辐射通量。 辐照度——投射到表面上的辐射通量密度。用符号E表 示（单位为W· m-2)
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。
0.38～0.76μm 0.76～1000μm
0.01～0.38μm
微波：1000 μm ～1.0m
蓝0.38～0.50μm，绿0.50～0.60μm，红0.60～0.76μm。
各种电磁波的特点
波长范围 γ 射 线 X 射 线 紫外 线 可见 光 红外 线 微 波 小于 10 10
P h/
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。
电磁辐射传播的基本特性
干涉
衍射
偏振
杨氏干涉
小孔衍射
A天然光；B偏振光；C部分偏振光
二、电磁波谱
电磁波是能量的一种动态形式。只有当它与物质相互作用 时才表现出来。
在自然界中，无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线 、X射线、γ射线都是电磁波，不过它们产生的方式不同，波长 也不同。 根据电磁场理论，变化的电场能够在它的周围激起磁场的 变化，同样，变化的磁场也能够在它周围激起电场的变化，这 种交变的电磁场在空间由近及远的传播过程称为电磁波。
不同地物的光谱曲线不同。 同一种物体在不同的情况下，在各波段的反射率也
不同。
第一节
电磁波与电磁波谱
不同类型的地物具有反射或辐射不同波长电磁波的特性，遥 感技术是利用地物反射和辐射电磁微波的固有特性来探测地面 目标的。因此，关于电磁波辐射的基本原理就成为遥感技术的 理论基础。本章仅从“遥感”的角度简述一些有关问题。 一、电磁波
波长0.38—0.76 m ，电磁波谱中人眼所唯一 能见到的波区。还可分出更窄的谱段，如红、 橙、黄、绿、青、兰、紫，也可粗分为： 蓝0.38—0.50 m 绿0.50—0.60 m 红0.60—0.76 m
周期：波前进一个波长那样距离所需的时间（T） 频率 (frequency) ： 指单位时间内，完成振动或振荡的 次 数 或 周 期 （ T ） . 用 V 示 。 单 位 为 赫 兹 (Hz) 、 千 赫
(KHz)、兆赫(MHz)、吉赫(GHz)等 。
波长与频率
振幅(Amplitude)：表示电场振动的强度。它被定义为振动物 理量偏离平衡位置的最大位移。即每个波峰的高度。单位为 瓦特／米2· 厘米 电磁波的波长、频率、及速度间有如下关系：
明显的波粒二象性
可见光 遥感 红外遥 感
分子振动或转动的能级跃迁 电磁电感组成的振荡回路 波动性明显
微波遥 感
电磁波谱中各谱段的主要特点
—射线
的穿透能力。来自太阳辐射中的全被大气吸收，因此 不能用于遥感。但来自放射性矿物的可被低空遥感所 探测，有遥感前景。
波长小于0.03nm,波长短、频率高，具很大能量，很高
电磁波的特点和遥感意义
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） 相干性和非相干性 7） 衍射和偏振 （遥感器的几何图象分辨率，波长越 长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）
8）多谱勒效应 （合成孔径侧视雷达）
电磁波的粒子性
能量：E 动量：P
E hv hc /
电磁波示意图
电磁波的电（E）、磁（H）向量
电磁波
电磁能量有以下几个主要参数
波长 (Wavelength) ： 指波在一个振动周期内传播的距 离。即沿波的传播方向，两个相邻的同相位点(如波峰
或波谷 )间的距离。用 表示，单位为厘米 (cm) 、毫米
(mm)、微米(m)、纳米(nm)等
出射率——从表面发出的辐射通量密度。用符号M表示 （单位为W· m-2）
辐射强度I ——辐射源每单位立体角所发出的辐射通 量密度，单位为瓦· 球面度-1（W · Sr-1)
立体角是辐射通量定量测量的一个基本概念，采用类 似弧度的度量方法。
辐射率L——在扩展源的某一方向上的单位立体角内， 由垂直于那个方向的平面上辐射源的投影单位面积所 发射的辐射通量。
－6 －6
产生机理 原子核受激后产生 原子中内层电子受激后产生
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
用途 医学 医学
μm
－
μm ~10 3 μm ~0.38 μm
10
－3
0.38 ~0 .76 μm 0.76μm ~ 1 mm 1mm ~ 1m
原子、分子中外层电子受激发 后跃迁到低能态
X—射线
波长0.03—3nm，在大气中全部被吸收，不能 用于遥感
紫外线（UV）
波长3nm—0.38 m
3nm—0.01m 超远紫外 0.01—0.2 m 远紫外 0.2—0.3 m 中紫外 0.3—0.38 m 近紫外（摄影紫外） 具较高能量，在大气中散射严重
可见光(Visible light)
第二章 遥感物理基础
第一节
电磁波与电磁波谱 第二节 太阳辐射与大气窗口 第三节 地物波谱特征 第四节 色度学
地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反
射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的 形式——电磁波。不同的物体具有不同的物质 组成和结构；由此导致其电磁波谱特征（特征 光谱）不同。 遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁 波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物 体的信息，完成远距离识别物体。
＝V
电磁波在真空中以光速C＝2.998×108米／秒(m／s)传播 ，在大气中小于光速但接近于光速传播。 一般可用波长或频率来描述或定义电磁波谱的范围。在 可见光一红外遥感中多用波长，如m、nm等：在微波遥感中 多用频率，如MHz、GHz等。
几个辐射Βιβλιοθήκη Baidu量概念
辐射能W——电磁辐射所携带（或传递）的能量，它表
示在给定的时间间隔内由辐射源辐射出的全部能量。 辐射能的单位是焦尔（符号J）
辐射通量——辐射能传递的时间速率，是单位时间内
所传递的能量。常用单位是瓦（符号W）。大多数传感 器响应的是辐射能传递的时间速率，而不是所传递的 总能量
辐射通量密度——单位面积所截获的辐射通量。 辐照度——投射到表面上的辐射通量密度。用符号E表 示（单位为W· m-2)
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。
0.38～0.76μm 0.76～1000μm
0.01～0.38μm
微波：1000 μm ～1.0m
蓝0.38～0.50μm，绿0.50～0.60μm，红0.60～0.76μm。
各种电磁波的特点
波长范围 γ 射 线 X 射 线 紫外 线 可见 光 红外 线 微 波 小于 10 10
P h/
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。
电磁辐射传播的基本特性
干涉
衍射
偏振
杨氏干涉
小孔衍射
A天然光；B偏振光；C部分偏振光
二、电磁波谱
电磁波是能量的一种动态形式。只有当它与物质相互作用 时才表现出来。
在自然界中，无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线 、X射线、γ射线都是电磁波，不过它们产生的方式不同，波长 也不同。 根据电磁场理论，变化的电场能够在它的周围激起磁场的 变化，同样，变化的磁场也能够在它周围激起电场的变化，这 种交变的电磁场在空间由近及远的传播过程称为电磁波。
不同地物的光谱曲线不同。 同一种物体在不同的情况下，在各波段的反射率也
不同。
第一节
电磁波与电磁波谱
不同类型的地物具有反射或辐射不同波长电磁波的特性，遥 感技术是利用地物反射和辐射电磁微波的固有特性来探测地面 目标的。因此，关于电磁波辐射的基本原理就成为遥感技术的 理论基础。本章仅从“遥感”的角度简述一些有关问题。 一、电磁波
波长0.38—0.76 m ，电磁波谱中人眼所唯一 能见到的波区。还可分出更窄的谱段，如红、 橙、黄、绿、青、兰、紫，也可粗分为： 蓝0.38—0.50 m 绿0.50—0.60 m 红0.60—0.76 m
周期：波前进一个波长那样距离所需的时间（T） 频率 (frequency) ： 指单位时间内，完成振动或振荡的 次 数 或 周 期 （ T ） . 用 V 示 。 单 位 为 赫 兹 (Hz) 、 千 赫
(KHz)、兆赫(MHz)、吉赫(GHz)等 。
波长与频率
振幅(Amplitude)：表示电场振动的强度。它被定义为振动物 理量偏离平衡位置的最大位移。即每个波峰的高度。单位为 瓦特／米2· 厘米 电磁波的波长、频率、及速度间有如下关系：
明显的波粒二象性
可见光 遥感 红外遥 感
分子振动或转动的能级跃迁 电磁电感组成的振荡回路 波动性明显
微波遥 感
电磁波谱中各谱段的主要特点
—射线
的穿透能力。来自太阳辐射中的全被大气吸收，因此 不能用于遥感。但来自放射性矿物的可被低空遥感所 探测，有遥感前景。
波长小于0.03nm,波长短、频率高，具很大能量，很高
电磁波的特点和遥感意义
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） 相干性和非相干性 7） 衍射和偏振 （遥感器的几何图象分辨率，波长越 长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）
8）多谱勒效应 （合成孔径侧视雷达）
电磁波的粒子性
能量：E 动量：P
E hv hc /
电磁波示意图
电磁波的电（E）、磁（H）向量
电磁波
电磁能量有以下几个主要参数
波长 (Wavelength) ： 指波在一个振动周期内传播的距 离。即沿波的传播方向，两个相邻的同相位点(如波峰
或波谷 )间的距离。用 表示，单位为厘米 (cm) 、毫米
(mm)、微米(m)、纳米(nm)等
出射率——从表面发出的辐射通量密度。用符号M表示 （单位为W· m-2）
辐射强度I ——辐射源每单位立体角所发出的辐射通 量密度，单位为瓦· 球面度-1（W · Sr-1)
立体角是辐射通量定量测量的一个基本概念，采用类 似弧度的度量方法。
辐射率L——在扩展源的某一方向上的单位立体角内， 由垂直于那个方向的平面上辐射源的投影单位面积所 发射的辐射通量。
－6 －6
产生机理 原子核受激后产生 原子中内层电子受激后产生
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
用途 医学 医学
μm
－
μm ~10 3 μm ~0.38 μm
10
－3
0.38 ~0 .76 μm 0.76μm ~ 1 mm 1mm ~ 1m
原子、分子中外层电子受激发 后跃迁到低能态
X—射线
波长0.03—3nm，在大气中全部被吸收，不能 用于遥感
紫外线（UV）
波长3nm—0.38 m
3nm—0.01m 超远紫外 0.01—0.2 m 远紫外 0.2—0.3 m 中紫外 0.3—0.38 m 近紫外（摄影紫外） 具较高能量，在大气中散射严重
可见光(Visible light)