一讲遥感概述遥感物理基础

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1、遥感概述遥感概述遥遥 感感n现代空间科学、空间技术的重要组成部分；现代空间科学、空间技术的重要组成部分；n对地观测系统的技术支柱；对地观测系统的技术支柱；n“3S”（GIS，GPS，RS）构成之一；）构成之一；n全方位、多时相、定量地获取地表信息；全方位、多时相、定量地获取地表信息；n数字地球、全球变化、持续发展等研究：数字地球、全球变化、持续发展等研究：n20世纪人类的重要成就之一，是深刻改变了人世纪人类的重要成就之一，是深刻改变了人类生存方式的技术：信息战争、精准农业等。类生存方式的技术：信息战争、精准农业等。主要内容n遥感基础：概念、技术组成、分类、特点、发遥感基础：概念、技术组成、分类

2、、特点、发 展、应用等；展、应用等；n物理基础：电磁波谱、地物电磁波谱特征；物理基础：电磁波谱、地物电磁波谱特征；n技术系统：传感器、遥感平台、信息传输与处理、技术系统：传感器、遥感平台、信息传输与处理、应用；应用；n遥感数据特点与评价：几何、辐射、时间分辨率；遥感数据特点与评价：几何、辐射、时间分辨率；n数据处理：校正、增强、分类；数据处理：校正、增强、分类；n信息提取：人工、自动、人信息提取：人工、自动、人机协同；机协同；n遥感应用：资源环境调查、动态监测、数据更新等。遥感应用：资源环境调查、动态监测、数据更新等。一、遥感概述一、遥感概念（一、遥感概念（Remote Sensing）广义：

3、广义：一种远离目标、通过非直接接触一种远离目标、通过非直接接触/非物理接触而获非物理接触而获取目标物数据，对数据进行分析来判定、测量目标物取目标物数据，对数据进行分析来判定、测量目标物性质的技术；性质的技术；狭义：狭义：指在高空和外层空间的各种平台上，运用各种传指在高空和外层空间的各种平台上，运用各种传感器（如摄影仪、扫描仪、雷达等），获取地表的信感器（如摄影仪、扫描仪、雷达等），获取地表的信息，通过数据的传输和处理，从而实现研究地面物体息，通过数据的传输和处理，从而实现研究地面物体形状、大小、位置、性质及其与环境的相互关系的一形状、大小、位置、性质及其与环境的相互关系的一门现代化应用技术学科

4、；门现代化应用技术学科；二、遥感技术系统的构成二、遥感技术系统的构成 1、传感器传感器(remote sensor)：接受从目标物接受从目标物 辐射（发射、反射等）的电磁波信息的装置；辐射（发射、反射等）的电磁波信息的装置；2、遥感平台遥感平台(platform)：搭载传感器的移动搭载传感器的移动物体；物体；n 近地面平台：汽车、高塔等；近地面平台：汽车、高塔等；n航航 空空 平平 台：飞机、气球等；台：飞机、气球等；n航航 天天 平平 台：人造卫星、宇宙飞船、航天台：人造卫星、宇宙飞船、航天飞机；飞机；3、遥感信息的传输与处理；遥感信息的传输与处理；4、遥感信息的分析与应用。遥感信息的分析与

5、应用。三、遥感技术的特点三、遥感技术的特点2、光谱特点光谱特点：多谱段，如紫外线、可见光、红：多谱段，如紫外线、可见光、红 外线、微波等；外线、微波等；3、时间特点时间特点：实时、周期性，如：实时、周期性，如Landsat 16 天天,Spot 26天天,NOAA 1/2天。天。1、空间特点空间特点：宏观：宏观如如Landsat-TM 185185km2,SPOT 6060km2;四、遥感技术的分类四、遥感技术的分类1、按平台分：近地面遥感、航空遥感、按平台分：近地面遥感、航空遥感、航天遥感；航天遥感；2、按传感器的工作波段：可见光遥感、按传感器的工作波段：可见光遥感、红外遥红外遥 感、微波遥

6、感等；感、微波遥感等；3、按传感器的工作方式：被动遥感、主、按传感器的工作方式：被动遥感、主 动遥感；动遥感；4、按数据的表示方式：成像遥感、非成、按数据的表示方式：成像遥感、非成 像遥感。像遥感。2、按传感器的工作波段：、按传感器的工作波段：紫外遥感：探测波段紫外遥感：探测波段0.05-0.38um可见光遥感：探测波段可见光遥感：探测波段0.38-0.76um红外遥感：探测波段红外遥感：探测波段0.76-1 000um微波遥感：探测波段微波遥感：探测波段1mm-10m多波段遥感：探测波段在可见光波段和红外波段多波段遥感：探测波段在可见光波段和红外波段范围内，再分成若干窄波段来探测目标。范围内

7、，再分成若干窄波段来探测目标。3、按传感器的工作方式：、按传感器的工作方式：被动遥感被动遥感：不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物：不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量的自身发射和对自然辐射源的反射能量主动遥感主动遥感：由探测器主动发射一定电磁波能量并接收：由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射信号目标的后向散射信号主动遥感与被动遥感主动遥感与被动遥感反射太阳辐射反射太阳辐射被动遥感被动遥感目标物发射目标物发射被动遥感被动遥感主动遥感主动遥感4、按数据的表示方式：、按数据的表示方式：成像遥感成像遥感：传感器接收的目标电磁辐射信号可：传感器接收的目标

8、电磁辐射信号可转换成（数字或模拟）图像转换成（数字或模拟）图像非成像遥感非成像遥感：传感器接收的目标电磁辐射信号：传感器接收的目标电磁辐射信号输出或记录在磁带上而不产生图像。输出或记录在磁带上而不产生图像。5、按波段宽度及波谱的连续性：、按波段宽度及波谱的连续性：高光谱遥感高光谱遥感：利用很多狭窄的电磁波波段（波：利用很多狭窄的电磁波波段（波段宽度通常小于段宽度通常小于10nm）产生光谱连续的图像）产生光谱连续的图像数据数据常规遥感常规遥感：宽波段遥感，波段宽度一般大于：宽波段遥感，波段宽度一般大于100nm,波段在波谱上不连续。波段在波谱上不连续。6、按遥感应用领域：、按遥感应用领域：l大的

9、研究领域：外层空间遥感，大气层遥感，大的研究领域：外层空间遥感，大气层遥感，陆地遥感，海洋遥感等陆地遥感，海洋遥感等l具体应用领域：资源遥感，环境遥感，农业遥具体应用领域：资源遥感，环境遥感，农业遥感，林业遥感，渔业遥感，地质遥感，气象遥感，感，林业遥感，渔业遥感，地质遥感，气象遥感，水文遥感，城市遥感，工程遥感及灾害遥感，军水文遥感，城市遥感，工程遥感及灾害遥感，军事遥感等。事遥感等。l按应用空间尺度分类按应用空间尺度分类 可分为全球遥感、区域遥可分为全球遥感、区域遥感和城市遥感。感和城市遥感。全球遥感：全面系统地研究全球性资源与环境问题的遥感的统称全球遥感：全面系统地研究全球性资源与环境问

10、题的遥感的统称 区域遥感：以区域资源开发和环境保护为目的的遥感信息工程，它通常按行区域遥感：以区域资源开发和环境保护为目的的遥感信息工程，它通常按行政区划（国家、省区等）和自然区划（如流域）或经济区进行。政区划（国家、省区等）和自然区划（如流域）或经济区进行。城市遥感：以城市环境、生态做为主要调查研究对象的遥感工程。城市遥感：以城市环境、生态做为主要调查研究对象的遥感工程。五、遥感技术的发展五、遥感技术的发展1、简要回顾：、简要回顾：无记录地面遥感（无记录地面遥感（1608年年-1838年）年）有记录地面遥感（有记录地面遥感（1839年年-1857年）年）16081608年年 汉斯李波尔塞制造

11、了世界第一架望远镜汉斯李波尔塞制造了世界第一架望远镜16091609年年 伽利略制作了放大伽利略制作了放大3 3倍的科学望远镜倍的科学望远镜18391839年年 达盖尔和尼普斯拍摄照片，第一次成功地把事达盖尔和尼普斯拍摄照片，第一次成功地把事物形象地记录在胶片上物形象地记录在胶片上18491849年法国人艾米年法国人艾米 劳萨达特制定摄影测量计划，成为劳萨达特制定摄影测量计划，成为有目的、有记录的地面遥感发展阶段的标志有目的、有记录的地面遥感发展阶段的标志望远镜和照相机的出现，突破了远距离遥感的第一关；望远镜和照相机的出现，突破了远距离遥感的第一关；空中摄影遥感阶段（空中摄影遥感阶段（1859

12、-1956年）年）1859年年 G.F.陶纳乔陶纳乔 系留气球系留气球 法国巴黎鸟瞰像片法国巴黎鸟瞰像片1860年年J.W.布莱克与布莱克与S.金乘气球升空至金乘气球升空至630m 美国波美国波士顿市照片士顿市照片1861 年年4月月 Thaddeus Lowe 教授在俄亥教授在俄亥俄州辛辛那提登上气球进行气象观测俄州辛辛那提登上气球进行气象观测“鸽子队”：70mm航空相机,试验性的空中摄影，19031903年莱特兄弟发明飞机，年莱特兄弟发明飞机，1909年第一次从飞机上年第一次从飞机上拍摄意大利森托塞尔地区上空像片，促使航空遥感拍摄意大利森托塞尔地区上空像片，促使航空遥感向实用化迈进。向实用

13、化迈进。第一次世界大战期间，航空摄影成为军事侦察的重第一次世界大战期间，航空摄影成为军事侦察的重要手段要手段一次大战中欧洲战壕一次大战中欧洲战壕战争后期研制的航空摄影立体自动测图、二战前战争后期研制的航空摄影立体自动测图、二战前夕（夕（1935年）研制成功的彩色摄影胶片，使航空年）研制成功的彩色摄影胶片，使航空遥感的几何分析与光谱分析前进了一大步遥感的几何分析与光谱分析前进了一大步1926 年的Robert Goddard(1889-1945)及他的第一个液体燃料火箭二次世界大战二次世界大战，航空技术，航空技术的发展，又突破了地面平的发展，又突破了地面平台的限制，出现了台的限制，出现了航空遥感

14、航空遥感 微波雷达出现，红外技术应用于军事侦察，使遥微波雷达出现，红外技术应用于军事侦察，使遥感探测的电磁波谱段得到了扩展感探测的电磁波谱段得到了扩展著作：航空遥感方法与理论的总结：著作：航空遥感方法与理论的总结：航空像片：航空像片：应用与判读应用与判读、航空摄影与航空测量航空摄影与航空测量期刊：期刊：摄影测量工程摄影测量工程即即摄影测量工程与遥摄影测量工程与遥感感的前身的前身1945年创刊。年创刊。航天遥感阶段（航天遥感阶段（1957年年-）20世纪世纪50年代末，年代末，人造卫星人造卫星的发射，使遥感技术平台的发射，使遥感技术平台上升到远离地球表面的太空，出现了上升到远离地球表面的太空，出

15、现了航天遥感航天遥感；19571957年年1010月月4 4日日苏联第一颗人造地球卫星发射成功苏联第一颗人造地球卫星发射成功19591959年年9 9月月美国美国“先驱者先驱者2 2号号”探测器拍摄了地球云探测器拍摄了地球云图，图，1010月月苏联苏联“月球月球3 3号号”航天器拍摄月球背面照片航天器拍摄月球背面照片19601960年年美国美国“泰罗斯泰罗斯”与与“雨云雨云”气象卫星云图，气象卫星云图，美国海军研究局的普鲁伊特最早使用美国海军研究局的普鲁伊特最早使用“遥感遥感”一词一词19711971年年美国美国“阿波罗阿波罗”宇宙飞船对月球表面航空摄宇宙飞船对月球表面航空摄影测量影测量197

16、21972年年美国地球资源卫星美国地球资源卫星ERS-1ERS-1（后成为陆地卫星）（后成为陆地卫星）上天上天第一颗人造地球卫星Sputnik I(前苏联)October 4,1957(about the size of a basketball,weighing 83 kg 182 lb),with radio and one scientific instrument)发射Sputnik I 用的Semiorka火箭Apollo 8于 1968 年圣诞期间经过月球表面拍摄到的地球照片2020世纪世纪8080年代年代美国第二代试验型地球资源卫星，美国第二代试验型地球资源卫星，Landsat

17、4,5Landsat 4,5。19861986年，法国开始发射年，法国开始发射SPOTSPOT卫星系列。卫星系列。2020世纪世纪9090年代年代欧空局、日本相继发射欧空局、日本相继发射ERSERS、JERSJERS系列卫系列卫星，印度和俄罗斯发射星，印度和俄罗斯发射IRSIRS和和RESURSRESURS 1995 1995年，加拿大发射年，加拿大发射RADARSAT-1,RADARSAT-1,微波遥感技术重大进微波遥感技术重大进展。展。19991999年，美国宇航局和地质调查局合作发射年，美国宇航局和地质调查局合作发射Landsat 7Landsat 7 1999 1999年年1010月，

18、中巴地球资源卫星（月，中巴地球资源卫星（ZY-1ZY-1）20002000年，美国光谱成像公司成功发射高分辨率小卫星年，美国光谱成像公司成功发射高分辨率小卫星IKONOSIKONOS，携带数字相机，携带数字相机，1m1m与与4m4m分辨率分辨率 20002000年，美国奋进号年，美国奋进号SRTMSRTM合成孔径雷达干涉成像雷达合成孔径雷达干涉成像雷达系统系统世界第一个直接获取全球三维地形信息的双世界第一个直接获取全球三维地形信息的双天线合成孔径雷达干涉测量系统天线合成孔径雷达干涉测量系统2、中国遥感发展概况、中国遥感发展概况2020世纪世纪5050年代年代开始系统的航空摄影，用于地形图编制开

19、始系统的航空摄影，用于地形图编制和更新等和更新等2020世纪世纪7070年代年代-80-80年代起步，年代起步，8080年代后期年代后期-90-90年代前期的试年代前期的试验应用阶段，验应用阶段，9090年代后期实用化产业化。年代后期实用化产业化。2020世纪世纪7070年代以来年代以来遥感事业取得显著成就，成功发射遥感事业取得显著成就，成功发射多颗人造卫星，自行研制多类型传感器航空摄影测绘已进多颗人造卫星，自行研制多类型传感器航空摄影测绘已进入业务化阶段，全国范围内地形图普遍采用航空摄影测量，入业务化阶段，全国范围内地形图普遍采用航空摄影测量，开展航空专题遥感试验、大规模卫星遥感技术应用研究

20、开展航空专题遥感试验、大规模卫星遥感技术应用研究19701970年年4 4月月2424日日发射第一颗人造卫星发射第一颗人造卫星“东方红东方红1 1号号”，此后相继发射了数十颗不同类型的人造卫星，风云此后相继发射了数十颗不同类型的人造卫星，风云1 1号，号，2 2号，中巴资源卫星，北斗定位导航卫星，北京号，中巴资源卫星，北斗定位导航卫星，北京1 1号小卫星号小卫星等等传感器传感器机载地物光谱仪、多光谱扫描仪、红外扫描相机载地物光谱仪、多光谱扫描仪、红外扫描相机、真实孔径雷达、微波辐射计、激光高度计等。机、真实孔径雷达、微波辐射计、激光高度计等。自自1970年发射第一颗年发射第一颗“东方红东方红”

21、一号卫星以来，中一号卫星以来，中国共向空间发射了国共向空间发射了47颗国产卫星和颗国产卫星和3艘试验飞船，其中：艘试验飞船，其中：气象卫星气象卫星 6 返回式遥感卫星返回式遥感卫星 17 通信卫星通信卫星 7 科学实验卫星科学实验卫星 14 地球资源卫星地球资源卫星 2 “神舟号神舟号”试验飞船试验飞船 3 3 海洋卫星海洋卫星 1 13、遥感技术发展的四个阶段：、遥感技术发展的四个阶段：（1）瞬时遥感信息的定性分析）瞬时遥感信息的定性分析 利用单波段的遥感信息，目视解译的方法定性分析利用单波段的遥感信息，目视解译的方法定性分析（2）空间遥感信息的定位分析）空间遥感信息的定位分析 利用遥感信息

22、分析地球表面物质能量的空间分布规律利用遥感信息分析地球表面物质能量的空间分布规律（3）时间遥感信息的趋势分析）时间遥感信息的趋势分析 利用周期性遥感信息，分析某现象的变化规律，预利用周期性遥感信息，分析某现象的变化规律，预 测其变化的趋势测其变化的趋势（4）多种遥感信息的复合分析）多种遥感信息的复合分析4、现代遥感技术发展趋势与展望、现代遥感技术发展趋势与展望60年代的奠基年代的奠基70年代的发展年代的发展80年代的巩固年代的巩固90年代以来大发展年代以来大发展(1)多样化的遥感平台并存多样化的遥感平台并存 不同高度和用途的卫星形成对地球和宇宙空间的多角不同高度和用途的卫星形成对地球和宇宙空间

23、的多角度、多周期观测。度、多周期观测。航空遥感逐渐业务化；航空遥感逐渐业务化；2020世纪世纪30003000余颗人造卫星升空。余颗人造卫星升空。航天平台成系列，大型化与微小型化平台相辅相成，其航天平台成系列，大型化与微小型化平台相辅相成，其中将近中将近500500颗提供遥感、定位、通信传输的数据和图像服颗提供遥感、定位、通信传输的数据和图像服务。世界各国建成遥感卫星地面接收站务。世界各国建成遥感卫星地面接收站3030多个。多个。航宇平台：飞出太阳系的航宇平台：飞出太阳系的“旅行者旅行者1号号”、2号号航天平台：载人空间站、空间实验室、返回式卫星、航航天平台：载人空间站、空间实验室、返回式卫星

24、、航天飞机；小卫星群天飞机；小卫星群(2)新型传感器不断涌现新型传感器不断涌现，向更高分辨率方向向更高分辨率方向发展，微波遥感和高光谱遥感迅速升温。发展，微波遥感和高光谱遥感迅速升温。成像光谱技术成像光谱技术探测波段从几百个到上千个，光谱可探测波段从几百个到上千个，光谱可细分达到细分达到5-6nm水平，在特定光谱域内以超多光谱数的海水平，在特定光谱域内以超多光谱数的海量数据同时获得目标影像和多维光谱信息，形成图谱合量数据同时获得目标影像和多维光谱信息，形成图谱合一的影像立方体一的影像立方体激光测距与遥感成像结合激光测距与遥感成像结合三维实时成像三维实时成像传感器空间分辨率提高传感器空间分辨率提

25、高航空航天遥感界限模糊航空航天遥感界限模糊数字成像技术数字成像技术打破传统摄影与扫描成像的界限打破传统摄影与扫描成像的界限(3)全数字化、可视化、智能化和网络化的遥感信息处理全数字化、可视化、智能化和网络化的遥感信息处理 信息提取、模式识别、数据融合信息提取、模式识别、数据融合大容量、高速度的计算机与功能强大的专业图大容量、高速度的计算机与功能强大的专业图像处理软件结合像处理软件结合PCI,ERDAS,ENVI,ER-MAPPER,IDRISI 遥感图像处理方法遥感图像处理方法分形理论，小波变换、分形理论，小波变换、人工神经网络人工神经网络(4)遥感信息定量化研究遥感信息定量化研究 传感器性能

26、指标分析与评价、大气参量计算与大传感器性能指标分析与评价、大气参量计算与大气订正、目标信息反演等气订正、目标信息反演等(5)3S技术综合集成技术综合集成,遥感应用的实用化、商业化、国际化遥感应用的实用化、商业化、国际化趋势趋势七、遥感应用1)农林应用农业资源调查、自然灾害监测、作物估产等。2）地矿应用区域构造、地质填图、矿产堪察、地貌研究等3）水文海洋水资源调查、冰雪研究、海洋参数（化学、动力、物理）、渔业资源等4）环境监测水源污染、赤潮、城市热岛、土地利用与覆盖变化等5）军事侦察制制 图图 卫星成象的视角广，因而能使地理学家相当方便地卫星成象的视角广，因而能使地理学家相当方便地绘制具有细腻区

27、域地理特点（例如断层、地貌轮廓线、绘制具有细腻区域地理特点（例如断层、地貌轮廓线、地貌或岩性接触）的地图，几乎终年有云层在妨碍获得地貌或岩性接触）的地图，几乎终年有云层在妨碍获得常规的光学卫星图象。在这些地区正在使用雷达图象以常规的光学卫星图象。在这些地区正在使用雷达图象以可以接受的定位精确度制作比例为可以接受的定位精确度制作比例为1 1：200,000200,000的最新地的最新地图。图。卫星图象常常与有限的地面抽样结合使用，在欧洲卫星图象常常与有限的地面抽样结合使用，在欧洲联盟各国根据共同的农业政策方案确定和测量作物面积联盟各国根据共同的农业政策方案确定和测量作物面积和可耕地面积。和可耕地

28、面积。使用干涉测量或雷达测量方法可以从卫星雷达图象使用干涉测量或雷达测量方法可以从卫星雷达图象中制得数字正视模型。中制得数字正视模型。监监 测测 可持续发展中的一个关键因素是要了解某一现有资源的可持续发展中的一个关键因素是要了解某一现有资源的消耗速度，遥感卫星的反复覆盖通过提供关于植被（森林、消耗速度，遥感卫星的反复覆盖通过提供关于植被（森林、牧场）、土壤和皮表水源等各种重要资源牧场）、土壤和皮表水源等各种重要资源按时间排序的信息按时间排序的信息来促进实现这项目标。来促进实现这项目标。经常地获得卫星图象有助于经常地获得卫星图象有助于侦查污染水流侦查污染水流和分析它们的和分析它们的轨迹。这种数据

29、还有助于评价污染对海洋和近海环境的影响。轨迹。这种数据还有助于评价污染对海洋和近海环境的影响。印度尼西亚，经常使用卫星遥感数据印度尼西亚，经常使用卫星遥感数据监测珊瑚礁监测珊瑚礁的生长情况的生长情况和和评估海洋渔类资源评估海洋渔类资源。使用高分辨率图象监测各个农场的使用高分辨率图象监测各个农场的作物作物有助于在作物开有助于在作物开始显示出可见的症状之前许久就查明缺水、缺肥或受到疾病始显示出可见的症状之前许久就查明缺水、缺肥或受到疾病影响的地区。影响的地区。与周边国家或有争议领土中重大与周边国家或有争议领土中重大环境趋势环境趋势有关的资料就属有关的资料就属于这种信息。遥感信息是讨论潜在有争议问题

30、的公正的媒介于这种信息。遥感信息是讨论潜在有争议问题的公正的媒介。制作模型（预测）制作模型（预测）与气象学和土壤数据等其他资料结合并用，以在收割前若干星期制作产量预测模型。预测厄尔尼诺现象何时在太平洋来临。遥感预测疾病风险。研究委内瑞拉的马脑炎、土耳其东南地区传病媒介传染的疾病、巴西的利什曼病和孟加拉国的霍乱。显示积雪覆盖范围的卫星图象可用作水文学模型的投入 雷达卫星还可改善为近海活动和南北极地区航船路线而进行的海冰和冰山监测。含有海冰状况历史观测资料的数据库有助于确定航船和近海平台的设计参数并选择最佳航行路线。过去和当前的旱情资料非常有助于旱灾预报。测量（发现）测量（发现）各种地表特点在电磁

31、频谱的不同区段（通常从可见光到近红外、短波红外、中红外、热红外和微波区段）有截然不同的反应，所以大多数卫星图象的多谱特性能使人们识别和区分各种地表特点。超光谱传感器，能够摄取几十上百个谱带的图象。超光谱图象不仅能够发现农作物的生长困难，而且还能发现其规模和原因。生长困难可以是各种因素造成的，包括施肥不足或过多或缺水。遥感物理基础遥感物理基础遥感物理基础遥感物理基础一、电磁波与电磁波谱一、电磁波与电磁波谱1、电磁波、电磁波 波：振动在空间的传播。波：振动在空间的传播。电磁波：由振源发出的电磁振动在空间的传播。电磁波：由振源发出的电磁振动在空间的传播。即：变化的电场与磁场交替产生，以即：变化的电场

32、与磁场交替产生，以 一定的速度在空间中传播的过程被一定的速度在空间中传播的过程被 称为电磁波。称为电磁波。2.电磁波的特性电磁波的特性电磁波具有波粒二相性，电磁波具有波粒二相性，即波动性和粒子性即波动性和粒子性（1）波动性：）波动性：干涉：干涉：叠加原理叠加原理在同一空间有两列频率相同的在同一空间有两列频率相同的波传播时，空间各点的振动就是各列波单独在该点产生的波传播时，空间各点的振动就是各列波单独在该点产生的振动的叠加合成。振动的叠加合成。衍射：衍射：光线偏离直线路径的现象。光线偏离直线路径的现象。偏振：偏振：电磁波是横波，是由两个相互垂直的振动矢量电磁波是横波，是由两个相互垂直的振动矢量即

33、电场强度即电场强度E E和磁场强度和磁场强度H H来表征。在光波中，产生感来表征。在光波中，产生感光作用和生理作用的是光作用和生理作用的是E E，因此，将，因此，将E E称为光矢量。如称为光矢量。如果光矢量在一个固定平面内沿一个固定方向振动，则果光矢量在一个固定平面内沿一个固定方向振动，则这种光称为偏振光。这种光称为偏振光。（2）粒子性：）粒子性：电磁波实际上也是一种以光速传播的粒子流电磁波实际上也是一种以光速传播的粒子流 粒子性的基本特点是能量分布的量子化：粒子性的基本特点是能量分布的量子化：一个原子不能连续的吸收或发射辐射能，只能不一个原子不能连续的吸收或发射辐射能，只能不连续的一份一份的

34、吸收或发射能量。连续的一份一份的吸收或发射能量。（3）波动性与粒子性的关系）波动性与粒子性的关系 连续的波动性和不连续的粒子性既是相互排连续的波动性和不连续的粒子性既是相互排斥相互对立的，又是相互联系的，并在一定条件斥相互对立的，又是相互联系的，并在一定条件下相互转化的，构成电磁波的波粒二相性。下相互转化的，构成电磁波的波粒二相性。波是粒子流的统计平均；粒子是波的量子化。波是粒子流的统计平均；粒子是波的量子化。3、电磁波的、电磁波的4个要素个要素（1）波长）波长/频率；频率；（2）传播方向；）传播方向；（3）振幅：电场振动的强度；）振幅：电场振动的强度；（4）偏振面：包含电场方向的平面；）偏振

35、面：包含电场方向的平面；电磁波电磁波4 4要素与遥感信息的对应关系要素与遥感信息的对应关系4、电磁波、电磁波4个要素与地物特征信息的关系个要素与地物特征信息的关系（1 1）波长：波长：对应可见光中目标的颜色，包含了与目标物有对应可见光中目标的颜色，包含了与目标物有关的丰富信息，不同的地物具有特定的波谱曲线；关的丰富信息，不同的地物具有特定的波谱曲线；（3 3）振幅：振幅：同样可得到物体的空间配置及形状等同样可得到物体的空间配置及形状等 信息；信息；（2 2）传播方向：传播方向：据此可得到物体的空间配置及形状等信据此可得到物体的空间配置及形状等信息；息；（4 4）偏振面：偏振面：对于微波雷达非常

36、重要，因为从水平偏振对于微波雷达非常重要，因为从水平偏振与垂直偏振中得到的图像是不同的。与垂直偏振中得到的图像是不同的。5、电磁波谱、电磁波谱n把电磁波按波长的长短把电磁波按波长的长短/频率的大小依次频率的大小依次排列成的图表，称为电磁波谱。排列成的图表，称为电磁波谱。n电磁波谱从波长短的一侧开始，依此叫电磁波谱从波长短的一侧开始，依此叫r射线、射线、x射线、紫外线、可见光、红外线、射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等；微波、无线电波等；目前遥感技术所用的电磁波目前遥感技术所用的电磁波紫外线的一部分紫外线的一部分 (0.3 m 0.38 m)(0.3 m 0.38 m)可见光可见光

37、(0.38 m 0.76 m)(0.38 m 0.76 m)红外线的一部分红外线的一部分，一般称一般称0.76 m1.3 m0.76 m1.3 m为近红外，为近红外，1.3 m3 m1.3 m3 m为短波红外，为短波红外，3 m6 m3 m6 m为中红外，为中红外，6 6 m40 mm40 m为远红外或热红外，为远红外或热红外，40 m100 m40 m100 m为极为极远红外。远红外。微波微波 (1mm1m)(1mm1m)注：注：微米微米 1 m=101 m=10-3-3mm=10mm=10-4-4 cmcm =10=10-6-6 m m 纳米纳米 1nm=101nm=10-3-3 m m

38、埃埃 1A=101A=10-4-4 m m 二、二、物体的发射辐射物体的发射辐射任何物体，只要温度高于绝对零度任何物体，只要温度高于绝对零度0K0K（-273-273），都能向外发射电磁辐射。），都能向外发射电磁辐射。通常地物发射电磁波的能力，是以发射率（通常地物发射电磁波的能力，是以发射率（）作为测量标准，而地物的发射率又是以黑体作为作为测量标准，而地物的发射率又是以黑体作为基准。基准。1 1、黑体辐射、黑体辐射黑体（黑体（black bodyblack body）是指在任何温度下，对任何波长的辐是指在任何温度下，对任何波长的辐射能量完全吸收（射能量完全吸收（=1=1），并且有最大发射率的物

39、体。），并且有最大发射率的物体。黑体辐射（黑体辐射（black body radiationblack body radiation）即指黑体的热辐射，即指黑体的热辐射，它是在一切方向上都均等的辐射。它是在一切方向上都均等的辐射。黑体辐射定律黑体辐射定律可以用普朗克（可以用普朗克（planck.mplanck.m）公式表示：）公式表示：1e1rc2wkT/ch52W W 为光谱辐射通量密度，单位（为光谱辐射通量密度，单位（W W.cmcm-2.-2.m m-1-1）；）；为波长，单位（为波长，单位（m m）；）；h h为普朗克常数为普朗克常数=（6.62566.62560.00050.0005

40、）x10 x10-34-34W W.s s2 2；c c为光速为光速=3x10=3x101010cm/scm/s；T T为绝对温度，单位（为绝对温度，单位（K K）；）；k k为玻尔兹曼常数为玻尔兹曼常数=（1.380541.380540.000180.00018）x10 x10-23-23W W.S S.K K-1-1；e e为自然对数的底为自然对数的底=2.718=2.718。普朗克公式给出了黑体辐射通量密度与温度的普朗克公式给出了黑体辐射通量密度与温度的关系及按波长分布情况，因而又称普朗克定律。关系及按波长分布情况，因而又称普朗克定律。可见光辐射能量波段可见光辐射能量波段与大气顶层太阳辐

41、射等温度下的黑体辐射与大气顶层太阳辐射等温度下的黑体辐射曲线曲线与白炽灯等温度下的黑体辐射与白炽灯等温度下的黑体辐射曲线曲线与地球表面等温度下的黑体辐射曲线与地球表面等温度下的黑体辐射曲线各种温度下的黑体波谱辐射曲线各种温度下的黑体波谱辐射曲线（1 1）物体的总辐射能是随温度的增加而迅速增加；）物体的总辐射能是随温度的增加而迅速增加；（2 2）光谱辐射通量密度的峰值波长随温度增加而向短波方）光谱辐射通量密度的峰值波长随温度增加而向短波方向移动；向移动；（3 3）温度升高，所有波长上的波谱辐射通量密度也越大，）温度升高，所有波长上的波谱辐射通量密度也越大，每根曲线不相交。每根曲线不相交。对于全部

42、波长范围的辐射通量密度，可用斯忒藩对于全部波长范围的辐射通量密度，可用斯忒藩-玻尔玻尔兹曼（兹曼（stefan-boltzmannstefan-boltzmann）公式表示：）公式表示：W W黑黑=T 4=T 4：斯忒藩：斯忒藩玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数=（5.66975.66970.002970.00297）10-10-12W.cm-2.K-412W.cm-2.K-4 从斯忒藩从斯忒藩-玻尔兹曼公式可以看出：辐射通量密度随温玻尔兹曼公式可以看出：辐射通量密度随温度增加而增加，并且与温度的四次方成正比。度增加而增加，并且与温度的四次方成正比。从不同温度下黑体辐射图可以看出从不同温度下黑体辐射图可

43、以看出：对于某个绝对温度，辐射通量密度在某个波对于某个绝对温度，辐射通量密度在某个波长上有个最大值。这个最大值所对应的波长长上有个最大值。这个最大值所对应的波长max max 可可以用维恩（以用维恩（WienWien，W.W.）位移定律表示：）位移定律表示：maxmax.T=bT=bb b为常数为常数=2897.8=2897.80.40.4（mm.K K）从维恩定律可以看出以下三点：从维恩定律可以看出以下三点：1.1.随温度的升高，辐射能量的峰值向短波方向偏移。随温度的升高，辐射能量的峰值向短波方向偏移。2.2.低温地物发射波长较长的电磁波。低温地物发射波长较长的电磁波。3.3.常温地物发射波

44、长常温地物发射波长10m10m的红外线。的红外线。四、大气对电磁波传输的影响四、大气对电磁波传输的影响1 1 地球大气地球大气 地球大气的成分：地球大气的成分：洁净大气的成分洁净大气的成分 N N2 2，O O2 2，H H2 2O O，COCO，COCO2 2，N N2 2O O，CHCH4 4，O O3 3，HeHe，ArAr，H H等等大气气溶胶的成分大气气溶胶的成分 微粒、尘埃、冰晶、水滴等统称微粒、尘埃、冰晶、水滴等统称为大气气溶胶，是形成雾、云的主要原因。为大气气溶胶，是形成雾、云的主要原因。地球大气垂直分层地球大气垂直分层对流层（平均高度对流层（平均高度12km12km）该层内时

45、常有气象变化，该层内时常有气象变化，是现代航空遥感的主要活动区域。该层内由于大气气体是现代航空遥感的主要活动区域。该层内由于大气气体及气溶胶的吸收作用，使电磁波的传播受到衰减。及气溶胶的吸收作用，使电磁波的传播受到衰减。平流层（平流层（1280km1280km）这一层中不变成分（这一层中不变成分（N N、O O、COCO2 2等）等）的气体含量与对流层的相对比例的气体含量与对流层的相对比例关系一致关系一致，但绝对密度小，但绝对密度小，水蒸气含量很少，臭氧含量增大（从地面向上的水蒸气含量很少，臭氧含量增大（从地面向上的80Km80Km以下以下的区间，除的区间，除H H2 2O O，O O3 3外

46、，其它气体均匀混合，因此又称均匀外，其它气体均匀混合，因此又称均匀层。是太阳辐射衰减的主要原因）。层。是太阳辐射衰减的主要原因）。电离层（电离层（801000km801000km）：）：空气稀薄，因太阳辐射作用而空气稀薄，因太阳辐射作用而发生电离现象，分子被电离成离子和自由电子状态。无发生电离现象，分子被电离成离子和自由电子状态。无线电波在电离层发生全反射现象。资源卫星、航天飞机、线电波在电离层发生全反射现象。资源卫星、航天飞机、侦察卫星及部分气象卫星主要活动于该层内。侦察卫星及部分气象卫星主要活动于该层内。外大气层（外大气层（1000km1000km以上）：以上）：10002500km100

47、02500km间主要是氮离间主要是氮离子，称氮层；子，称氮层；250025000km250025000km外主要是氢离子，又称为质外主要是氢离子，又称为质子层，温度可达子层，温度可达10001000。2.大气传输特性大气传输特性 太阳辐射到达地球表面之前，必须先通过大气层，因太阳辐射到达地球表面之前，必须先通过大气层，因而其辐射能量会被衰减，其中：而其辐射能量会被衰减，其中：被云层和其它大气成分反射回宇宙空间约被云层和其它大气成分反射回宇宙空间约30%；被大气吸收约被大气吸收约17%；被大气散射约被大气散射约22%；最终到达地面的仅有最终到达地面的仅有31%。由此可以看出，电磁波穿过大气时被衰

48、减的主要原因由此可以看出，电磁波穿过大气时被衰减的主要原因是：是：大气的散射大气的散射、大气的吸收大气的吸收、大气厚度的影响。大气厚度的影响。大气散射：大气散射：大气的散射作用影响透明度。大气的散射作用影响透明度。大气散射的性质与强度取决于大气散射的性质与强度取决于大气分子大气分子或或微粒的半径微粒的半径与被散射光的与被散射光的波长波长之间的之间的对比关系对比关系。根据根据辐射光的波长辐射光的波长与辐射与辐射微粒半径的大小微粒半径的大小之间关系，之间关系，散射作用在理论上可以分以下三种：散射作用在理论上可以分以下三种：瑞利散射（瑞利散射（Rayleigh scatteringRayleigh

49、scattering）当微粒的直径（当微粒的直径（d d）比辐射波长（）比辐射波长（）小得多时，所发生的散射）小得多时，所发生的散射称为称为“瑞利散射瑞利散射”。即即d d /10/1041中41 由于这种散射是由大气分子对可见光的散射引起由于这种散射是由大气分子对可见光的散射引起的，所以又称为分子散射。的，所以又称为分子散射。米氏散射（米氏散射（Mie scattering）当微粒的直径与辐射波长差不多即当微粒的直径与辐射波长差不多即d 所发生所发生的散射，称米氏散射。的散射，称米氏散射。21中在21它是由大气中气溶胶所引起的散射，散射作用最强。它是由大气中气溶胶所引起的散射，散射作用最强。

50、非选择性散射非选择性散射（nonselective scattering）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，所发生的散射称为非选择性散射。所发生的散射称为非选择性散射。01中在1非选择性散射与波长无关非选择性散射与波长无关水滴、雾、烟雾常常出现这种散射水滴、雾、烟雾常常出现这种散射结论结论综上所述：太阳辐射衰减主要是由于散射造成的。综上所述：太阳辐射衰减主要是由于散射造成的。散射衰减的类型与强弱是和波长密切相关的：散射衰减的类型与强弱是和波长密切相关的：可见光、近红外可见光、近红外瑞利散射是主要的。当波长超过瑞利散射是主要的。当波长超过1微米微米时，瑞利散射可以忽

51、略不计。时，瑞利散射可以忽略不计。紫外紫外红外红外 均存在米氏散射（短波中瑞利散射、米氏散均存在米氏散射（短波中瑞利散射、米氏散射都存在，波长超过射都存在，波长超过0.5微米时，米氏散射是主要的。）微米时，米氏散射是主要的。）微波波段微波波段 波长大于小雨滴直径，所以小雨滴在微波波波长大于小雨滴直径，所以小雨滴在微波波段也是瑞利散射。因此微波有较强的穿透力。（红外也有一段也是瑞利散射。因此微波有较强的穿透力。（红外也有一定的穿透能力，比可见光大定的穿透能力，比可见光大10倍。）倍。）大气吸收：大气吸收：大气中一些成分如水蒸气、大气中一些成分如水蒸气、COCO2 2、O O3 3等对电磁波谱中某

52、些等对电磁波谱中某些波长的电磁波能量有或多或少的吸收波长的电磁波能量有或多或少的吸收O O3 3：主要吸收：主要吸收0.3m0.3m以下的紫外线；以下的紫外线；9.6m9.6m处有弱吸收处有弱吸收COCO2 2：吸收带：吸收带2.6-2.8m 2.6-2.8m 2.72.7（峰值（峰值2.7m2.7m）；4.10-4.45m 4.10-4.45m 4.34.3；9.1-10.9m9.1-10.9m10.010.0；12.9-17.1m12.9-17.1m14.414.4H H2 2O(O(气）：吸收带气）：吸收带0.7-1.95m0.7-1.95m1.381.38和和1.871.87；2.5-

53、3.0m2.5-3.0m2.72.7；4.9-8.7m4.9-8.7m6.36.3；15m-1mm15m-1mm；0.164cm0.164cm；1.348cm1.348cm其他成分的气体都是对称分子，无极性，因此对电磁波不其他成分的气体都是对称分子，无极性，因此对电磁波不存在吸收存在吸收大气路径与太阳高度角大气路径与太阳高度角大气路径越长，对电磁波反射衰减越严重；大气路径越长，对电磁波反射衰减越严重；太阳高度角变化，导致大气路径变化。太阳高度角变化，导致大气路径变化。大气的太阳辐射能量分布：大气的太阳辐射能量分布：曲线曲线1 1：大气上界太阳辐射能量分布；：大气上界太阳辐射能量分布；曲线曲线2

54、 2：太阳在天顶时，太阳通过大气后的能量分布；：太阳在天顶时，太阳通过大气后的能量分布；曲线曲线3 3、4 4：太阳高度角：太阳高度角3030、1010时，太阳通过大气后的能时，太阳通过大气后的能量分布。量分布。3.3.大气窗口大气窗口 由于受大气对电磁波散射、吸收等因素的影响，致由于受大气对电磁波散射、吸收等因素的影响，致使电磁波谱上许多波段透过率变小，甚至完全无法透过电磁波。使电磁波谱上许多波段透过率变小，甚至完全无法透过电磁波。这些波段就难于甚至不能供遥感使用。反之，那些透过率较高这些波段就难于甚至不能供遥感使用。反之，那些透过率较高的波段，即对电磁辐射在大气中的传输损耗较小的波段，则对

55、的波段，即对电磁辐射在大气中的传输损耗较小的波段，则对遥感十分有利，这些波区通常称之为遥感十分有利，这些波区通常称之为“大气窗口大气窗口”。目前遥感中使用的一些大气窗口目前遥感中使用的一些大气窗口0.3-1.15m：部分紫外光、全部可见光、部分红外线：部分紫外光、全部可见光、部分红外线 透过率透过率70-95%；1.4-1.9m：近红外窗口，透过率近红外窗口，透过率60-95%；2.0-2.5m：近红外窗口，透过率近红外窗口，透过率80%；3.5-5.0mm：中红外，透过率中红外，透过率60-70%60-70%；8-14mm：热红外，透过率热红外，透过率80%80%；1.0-1.8mm：微波，

56、透过率微波，透过率35-40%；2-5mm：微波，透过率微波，透过率50-70%；8-1000mm：微波，透过率微波，透过率100%大大 气气 窗窗 口口4.辐射传输方程辐射传输方程传感器从高空探测地物时，所接收的电磁波能量包括：传感器从高空探测地物时，所接收的电磁波能量包括：（1）太阳辐射经大气衰减后照射地面，经地物反射后又）太阳辐射经大气衰减后照射地面，经地物反射后又 经大气第二次衰减进入传感器的能量；经大气第二次衰减进入传感器的能量；（2）地面物体本身辐射的能量经大气衰减后进入传感器；）地面物体本身辐射的能量经大气衰减后进入传感器；（3）大气散射和辐射的能量。）大气散射和辐射的能量。辐射传输方程：辐射传输方程：bWdNKLesinKNeW：传感器光谱响应系数；：传感器光谱响应系数；：大气光谱透射率；：大气光谱透射率；：太阳入射的光谱能量；：太阳入射的光谱能量；：太阳高度角；：太阳高度角；：地物光谱反射率：地物光谱反射率：地面温度时的黑体：地面温度时的黑体光谱辐射通量密度；光谱辐射通量密度；：地物的光谱发射率；：地物的光谱发射率；：大气散射和辐射的：大气散射和辐射的能量。能量。b