一、遥感科学与技术部分基础知识思维导图

 二、知识点补充理解

（1）电磁辐射的度量

前置补充定义：什么是立体角？

     遥感中视场角一般都为锥体。锥体的立体角大小定义为以锥体的顶点为球心作球面，该锥体在球表面截取的面积（锥体底部在球体表面的投影）与球半径平方之比。单位为球面度（sr）。

                                                                        dΩ=dS/R²

  在球坐标系中，单位立体角的值为dΩ=SINθ*dθ*dψ。

1、辐射能量：电磁波向外传播自身所具有的能量（电磁辐射能量），符号Q，单位为焦耳（J）。

2、辐射功率：单位时间内通过某一表面的辐射能量，单位为瓦（W）。

3、辐射通量密度：面辐射源在单位时间内从单位面积上辐射出的辐射能量，单位为W/㎡。

辐射通量密度的延申推导补充：

4、辐射照度：地物面在单位时间内从单位面积上接收到的辐射能量，单位为W/㎡。

5、辐射强度：点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐射能量，单位为瓦/球面度（W/sr）。

6、辐射亮度：面辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量，单位为瓦/球面度平方米（W/（sr*㎡））。

7、比辐射率：地物的发射率ε也称比辐射率或发射系数，是指地物发射的辐射通量W‘与同温度下黑体的辐射通量W之比。（一般情况下，不同地物的发射率是不同的，同一地物在不同波段的光谱发射系数ελ也是不同的）

8、光谱反射率：地物在某波段的反射通量Epλ与该波段的入射通量Eλ之比。（光谱反射率随波长变化而变化的规律就是地物反射光谱曲线，其体现了不同地物间光谱反射特性的不同，构成了遥感识别地物的基础）

（2）从电磁波特性分析遥感

1、电磁波的衍射

定义：电磁波衍射指电磁波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象，任何波都具有衍射的固有性质。

说到电磁波的衍射，便不得不提起著名的“泊松亮斑”实验，当单色光照射到与其波长大小相当的小圆板上时，会在之后的接收屏上出现环状的同心圆环，其圆心处出现一亮斑。了解到此现象后我们来理解一下电磁波衍射在遥感中的影响~

摄影测量作为遥感科学中的一门学科，其奠基石原理之一便是小孔成像（用一个带有小孔的板遮挡在墙体与物之间，墙体上会形成一个倒立的实像。同时，在将遮挡板靠近物体的过程中，实像的大小会随着变大，反之变小）。对于小孔成像我们知道当小孔的口径越小时，成像越清晰（小孔口径越大，那么进入的光线就会增多从而在成像板某些点处出现电磁波叠加现象从而造成图像模糊），那么随着清晰度的高要求，我们持续将小孔直径缩小（在当前机械水平允许下），那总会使得小孔的口径与射入电磁波的波长大小相当，此时无疑将会产生电磁波的衍射现象。那到底是不是对于遥感来说，尽可能缩小小孔成像口径就是有利的呢？

由右图可看出，当两地物如果极为接近时，所呈的图像会出现部分重叠现象甚至合为一体的情况；根据左图电磁波的衍射原理图像可看出衍射现象会使得成像相比于光沿直线传播较大。那么根据遥感的实际应用，我们当然不仅要图像清晰而且也需要对地物进行区分识别，因此小孔口径并不是越小越好。

补充：艾里斑（亮斑）的物理关系： SINθ1（艾里斑角半径）/1.22≈λ（入射电磁波波长）/D（小孔口径大小）

结论：在保证图像清晰的要求内，由于摄影被动遥感中我们所接收到的光的波长是既定的，那么我们仅能通过适当增加小孔口径大小来减小成像光点从而可以较好地区别两个距离相近的地物，如此即可提高传感器的空间分辨率。

2、电磁波的偏振（极化）（一般适用于微波遥感）

定义：只有横波才具有偏振现象。电磁波是一种横波，其振动方向和电磁波前进方向构成的平面叫做振动面，电磁波的振动面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振或线偏振。

 所谓极化，就是电磁波电场振动方向变化的趋势。根据电场矢量E顶端在三维空间中电磁波传播方向垂直的平面画出的一条轨迹曲线形状可以确定电磁波的极化方式，常见有线极化-极化平面波（轨迹为直线）、圆极化（轨迹为圆）或椭圆极化（轨迹为椭圆）。然而极化平面波又分为水平极化（H）、垂直极化（V）。

水平极化：电场矢量与多条入射电磁波构成的平面垂直。

垂直极化：电场矢量与多条入射电磁波构成的平面平行。

 联系遥感：对于极化的雷达图像而言，某些目标物在不同的极化雷达图像上的色调是不一样的。对雷达图像判读意义重大，地物对不同极化的波具有不同的散射能力，微波可以用来分辨更多的物体。

3、电磁波的相干现象（绝大多数出现在微波遥感范畴）

定义：频率相同，振动方向相同，相位差恒定的两列波，在重叠处两列简谐波所引起的质点的简谐运动具有相同的频率，相同的振动方向。由于产生相干波的要求较为严苛，在自然条件下很少电磁波同时满足以上三个要求，因此该现象主要发生在主动遥感（雷达等）。

遥感联系：用雷达遥感时进行成像时，获取的图像上有的地方有可能没有接收到任何功率，有的地方从远处相近两个物体接收到的反射功率可能是其中一个物体的平均反射功率的四倍。正因为波的相干性，微波雷达图像的像片上会出现颗粒状或斑点状的特征。

4、电磁波的叠加原理

定义：介质中同时存在几列波时，每列波能保持各自的传播规律而不互相干扰。在多列波重叠区域里各点的振动物理量等于各列波在该点引起的物理量的矢量和。

遥感联系：在实际遥感问题中，我们知道被传感器接收到的电磁波必是地面物体本身发射出的电磁波、大气散射的电磁波以及其他影响的电磁波的复杂组合。运用电磁波叠加原理我们基本可以把所研究的地物本身发射出的电磁波给分离出来。

5、多普勒效应

定义：波源和接收器相对介质运动，则接收器接收到的波的频率和波源的振动频率不同，此种现象称为多普勒效应。过观察点垂直于地物运动方向的直线与地物运动方向直线交点称为零多普勒点，该点的接收到电磁波频率不会变化。

 （若波源和接收器移动方向不在一条直线上，那么直接对两者的速度分解到两者连线上计算即可，垂直连线方向不具有多普勒效应）

特别注意：对于机械波而言，我们需要考虑波在介质中的传播速度、波源的移动速度以及接收器移动速度三个因素。而对于电磁波而言，我们可以看作光速不变，仅考虑波源移动速度和接收器移动速度即可。机械波需要介质传递振动状态，电磁波不需要。

遥感联系：在微波遥感成像过程中，利用零多普勒点的相关关系可以用来压缩和提高遥感影像的分辨率（多用于航空遥感）。利用多普勒效应可以实现对汽车速度的监测和对人造卫星的跟踪（将电磁波主动发射向汽车与卫星，利用反射波与原信号合成拍，通过测拍频计算出多普勒频移值，从而推算汽车或卫星速度）以及。

补充：波速 u=λ*f,对于电磁波而言有C（光速）=λ*f

（3）物体电磁波的发射定律

1、能量守恒定律

2、黑体热辐射定律（母定律）

 普朗克定律表示了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布和变化的情况：

（1：辐射通量密度随着波长连续变化，与曲线下的面积成正比的总辐射通量W随温度T的增加而迅速增加；

（2：光谱辐射通量的峰值波长λm随温度的增加而向短波方向移动；

（3：每根曲线彼此不相交，故温度越高，所有波长上的光谱辐射通量密度也越大。

3、斯特潘-玻尔兹曼定律

 该公式表明了黑体的半球空间总辐射通量与其绝对温度的四次方成正比，即温度的微小变化就会引起辐射通量密度很大的变化。

热红外遥感可通过探测物体的辐射通量推算物体的绝对温度，并能根据地物辐射通量的差异来识别地物的类别。

4、瑞里-金斯公式（仅适用于长波或高温下）

定义：黑体辐射的微波亮度与温度成正比，与波长的平方成反比。

综合利用微波与热红外更好地解决地表温度问题以及地物识别。 

5、维恩位移定律

 若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的波段和峰值波长，进而选择传感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。

6、基尔霍夫定律

 联系光谱发射率可知：吸收率＝发射率

联系斯特潘-玻尔兹曼定律，可以有 W'=αW=εσT4.（T4表示T的四次方）

一个物体的波谱发射率等于它的波谱吸收率，好的吸收体也是好的发射体。

（4）地物光谱发射特征曲线区分地物类型

   自然界中温度大于绝对0K（-273.15℃）的任何物体都具有发射电磁波的能力，地球上所有物体的温度都大于0K，其电磁波的发射能力与其温度密切相关。（地物发射率的差异是遥感探测的基础和出发点）

黑体：假设的理想辐射体，是指能全部吸收而毫无反射和透射能力的理想物体。因为黑体既是完全的吸收体，又是完全的辐射体，所以通常把黑体辐射作为度量其他地物发射电磁波能力的基准，通过对黑体热辐射规律的研究，进而研究实际地物的热辐射。

灰体：光谱吸收（辐射）率与波长无关的物体，其对热辐射能只能吸收一部分而反射其余部分的物体。地物一般都可近似看作是灰体。

选择性辐射体：发射率始终小于1且随着波长变化而变化的辐射体。

（5）地物反射率与地物光谱（二向反射比因子方法p25）

     地物反射光谱对于定量遥感来说十分重要！！为提高定量遥感的精度，需要通过大量的地面样本分析建立先验知识，确定遥感模型的约束条件。

1、地物光谱反射率的影响因素

太阳位置、传感器位置、地理位置、地形、季节、气候变化、地表湿度变化、地物本身变异、大气状况等。

太阳位置：太阳高度角和方位角。

传感器位置：传感器的观测角和方位角。

地理位置：地理景观特征不同。

2、野外光谱测试基本要求

    在晴天中午前后进行，风力不超过五级，如果测试土壤光谱必须在雨过3天以后进行，并且为了使数据具有代表性，要仔细选择比较被测地物，对同一种地物测量多次，保证测试结果准确可比。

（1：仪器的使用位置（向下正对着被测物体，至少保持与水平面的法线夹角在±10°以内，探头距地面高度通常在20cm以便获取平均光谱）

（2：避免阴影（人应该面向阳光）

（3：白板反射矫正（天气好时间隔几分钟就使用白板矫正一次，防止传感器响应系统的漂移和太阳入射角的变化影响，天气较差，要更为频繁矫正）

（4：防止光污染（穿着深色衣帽）

（6）大气对电磁波的影响大致分析

1、大气吸收和散射的解释

 2、大气窗口与大气吸收波段图对比 

通过对图分析我们不难得到： 

   目前我们遥感工作中主要用到的波段应该是可见光-红外波段以及长微波波段。我们将基于上表做一些地物识别遥感波段的选择。

 3、一些常用的遥感大气窗口

0.30-1.15微米：主要反映地物对太阳光的反射。通常采用摄影或扫描的方式在白天感测、手机目标信息成像。

1.3-2.5微米：主要应用于地质遥感。

3.5-5.0微米：含地物反射及发射光谱，探测高温目标。

8-14微米（热红外窗口）：属于地物发射波谱，是常温下地物热辐射能量最集中的波段，所探测的信息主要反映地物的发射率及温度。

1.0毫米-1米微波窗口：常采用被动式遥感（微波辐射测量）和主动式遥感，前者主要测量地物辐射，后者是用雷达发射系列脉冲，然后记录地物的回波信号。

三、对生活一些现象的思考联系

(1)从遥感角度看傍晚天空颜色的渐变

     晚风与落日，朝霞与潮起，甚是绝美~从我所拍摄的位置来看，天空纵然出现了蓝色与红色的渐变带。为什么会出现此种现象呢？首先，我们知道对于一个地球表面上的点位，太阳辐射电磁波从其垂直方向进入的能量最多且传播距离最短；再者，当大气粒子的直径长度远远大于入射波波长时会产生瑞利散射，瑞利散射的散射强度与入射波波长的四次方成反比，从而波长越短散射强度越强。有了如上理论知识，我们便可知从我的观测点看向天空，离我近的天空呈现蓝色是因为瑞利散射将可见光波长最短的紫光基本完全散射了，而到达我所处位置的可见光中蓝光的辐射能量最多；离我远的天空呈橘红色是因为看的越远电磁波辐射到我的距离就会越远且傍晚太阳光斜射进入观测点，电磁波穿过大气的路径就会变长，波长较短的可见光也逐渐被散射殆尽，从而到达我所处位置的红光附近波段较多因此天空逐渐随视距的增加而渐变为橘红色。

 （2）从遥感角度看物体浸水后颜色比较深暗

    当水浸入物体时，由于水在可见光处有明显的辐射吸收带，因此物体反射进入人眼的辐射会减少从而导致地物看上去颜色深暗。

（3）为什么我们能在很远很远的距离通话交流

   这是个很有趣的现象~在大气层的热层中包含一个电离层，电离层能够使得无线电波在地面和电离层间经过多次反射，传播到远方。电磁波进入到电离层主要受自由电子的影响而发生折射，电磁波在电离层中能传播多远受制于电磁波的入射频率及电离层中的电子浓度。频率较低的电磁波在通过电离层时会被反射回去。

参考文献

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