1.2.2　电磁波与电磁波谱

遥感技术的物理基础是电磁波及其对应的电磁波谱特性。遥感图像数据反映的是成像区域内地物电磁波辐射能量，具有明确的物理意义。地物反射和发射电磁波能量的能力又直接与地物目标本身的属性和状态有关。因此，对遥感图像像素值大小和变化规律进行分析和处理，可以有效地识别和研究地物类型及状态等。

根据麦克斯韦电磁场理论，空间任何电磁辐射源都会在其周围产生交变的电场，而交变的电场周围又会激发出交变的磁场，这种变化的电场和磁场的相互激发和交替，就形成了电磁场。电磁场是物质存在的一种形式，其在空间以波的形式传递电磁能量，这种波就称为电磁波，通常也称为电磁辐射。如图1-7所示，电磁波可以用波长、频率或角频率、振幅和相位来描述，并用连续光滑的正弦波函数来表达：

　　（1-1）

图1-7　电磁波

电磁波在空间中以光速传播能量，其频率f和波长的关系为

　　（1-2）

式中，为光在真空中的传播速度。

电磁波波长定义为从一个周期的任意一个位置到下一个周期的同一个位置之间的距离，用微米或纳米表示。频率f是在单位时间内通过一个点的波峰数目，用赫兹作为单位。二者中任何一个参数都可以描述一个电磁波的特点。习惯上，光学遥感的波段一般以波长为单位描述，而微波遥感则以频率为单位描述。

严格意义上讲，所有传感器感知到的信号都是电磁波信号，而区分这些信号的方法就是它们的波长。并且，不同波长的电磁波有着不同的物理性质，相同波长范围内的电磁波性质一致。电磁波按波长由短到长可依次分为：γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。按照电磁波波长大小递增（或递减）顺序排列成的图谱就是所谓的电磁波谱，如图1-8所示。值得注意的是，这里的可见光、红外线、微波等不同波段之间实际上没有严格的界限，其边界也是渐变的。

图1-8　电磁波谱

如图 1-8 所示，人类视觉系统所感知的“可见光”部分，其实只占电磁波谱的极小范围。来自地球表面的任何物理能量，都可以通过不同的电磁波谱区域形成一幅图像，用以表达地球表面目标的不同特性。

虽然波动理论很容易描述电磁辐射的许多特性，但当电磁能量与物质相遇发生相互作用时，此时体现的是电磁波的粒子性，这就是粒子理论。该理论认为，把电磁波作为粒子对待时，光子的能量正比于波的频率，即

　　（1-3）

式中，，为普朗克常量。

式（1-3）表明，辐射能量与其波长成反比，即电磁波波长越长，其辐射能量越小。因此，与相对较短波长辐射相比，自然界的长波辐射探测起来要更加困难，如地表特征的微波发射要比波长相对较短的红外辐射更难感应[2]。

由以上讨论可以总结出遥感图像处理中电磁波的两个基本性质，即电磁波的波动性和粒子性：电磁波在传播中主要表现为波动性，而当与物质相互作用时主要表现为粒子性。电磁波的波动性在光的干涉、衍射、偏振等现象中会得到充分的体现，是传感器设计的主要理论依据。电磁波的粒子性则是遥感成像及图像处理能够分辨地物目标的重要理论依据。一般来说，波长越短，辐射的粒子特性越明显；波长越长，辐射波动特性越明显。遥感技术正是利用电磁波的波粒二象性，实现对地物目标电磁辐射信息的探测，遥感图像处理也正是基于这些理论来完成目标信息的解译。