遥感原理与应用-第2章-2遥感物理基础-辐射传输基础

遥感原理与应用

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遥感电磁辐射基础

辐射传输基础

地物波谱特性与遥感光学基础

大气对电磁辐射的影响

大气窗口

辐射传输方程

电磁波与物体的交互作用辐射传输基础地球被大气圈包围，大气圈上界无明显界线，离地面越高大气越稀薄，逐步过渡到太阳系空间。大气厚度约1千公里，且在垂直方向自下而上分为对流层、平流层、电离层、外大气层。大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响大气结构对流层：高度在7～12km，空气作垂直运动而形成对流，热量的传递产生天气现象。空气温度随高度而降低，天气变化频繁，航空遥感主要在该层内。平流层：高度在12～50km，底部为同温层（航空遥感活动层），同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。电离层：高度在50～1000km，大气中的O2、N2受紫外线照射而电离，反射地面发射的无线电波，对遥感波段是透明的，是陆地卫星活动空间。大气外层：800～35000km，空气极稀薄，对卫星基本上没有影响。大气对电磁辐射的影响大气成分

不变成分：氮、氧、氩、二氧化碳、甲烷、氧化氮、氢；这些气体在80km以上的相对比例保持不变，称为不变气体。

可变成分：臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟；这些气体的含量随高度、温度、位置而变，称为可变成分。

气溶胶：固体或液体分散在气体中的分散体系叫做气溶胶。比如，烟、尘、雾、云等都是气溶胶。气溶胶是气体和在重力场中具有一定稳定性和较小沉降速度的物质颗粒组成的混合系统。大气对电磁辐射的影响大气对太阳辐射的衰减大气对太阳辐射的衰减的三种形式：散射、吸收及反射大气微粒引起电磁波散射臭氧、二氧化碳和水蒸气吸收电磁波能量云层和雾等反射阻碍电磁波通过可见光波段：引起电磁波衰减的主要原因是分子散射。紫外、红外与微波区：引起电磁波衰减的主要原因是大气吸收。大气对电磁辐射的影响引起大气吸收的主要成分是氧气、臭氧、水、二氧化碳等。臭氧：主要吸收0.3微米以下的紫外区的电磁波，另外，9.6微米处有弱吸收。因大气对紫外线有很强的吸收作用，故现阶段遥感中很少用到紫外线波段。二氧化碳：主要吸收带分别为2.60~2.80微米，吸收峰为2.70微米；4.10~4.45微米吸收峰为4.3微米；9.10~10.9微米吸收峰为10.0微米；12.9~17.1微米吸收峰为14.4微米，全在红外区。

吸收影响大气对电磁辐射的影响水蒸气：主要吸收带在0.70~1.95微米间，最强处为1.38微米和1.87微米；2.5~3.0微米间吸收峰为2.7微米；4.9~8.7微米间吸收峰为6.3微米；15微米~1mm间的超远红外区以及微波中0.164cm和1.348cm处。氧气：微波中0.253cm及0.5cm处有吸收现象。大气对电磁辐射的影响大气对电磁辐射的影响大气中的甲烷、氧化氮，工业集中区附近的高浓度一氧化碳、氨气、硫化氢、氧化硫等都具有吸收电磁波的作用，但吸收率很低，可忽略不计。大气中其他成分的气体，由于都是对称分子，无极性，因此对电磁波不存在吸收。在可见光波段范围内，大气分子吸收的影响小，主要是散射引起衰减。大气吸收造成遥感影像暗淡。大气对电磁辐射的影响大气吸收造成遥感影像暗淡大气对电磁辐射的影响

电磁辐射在传播过程中，遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开，即为散射。(区别大气反射)散射影响：使原传播方向的辐射强度减弱，而增加向其他各方向的辐射。尽管强度不大，但太阳辐射在照到地面又反射到传感器的过程中，二次通过大气，在照射地面时，由于增加了漫入射的成分，使地物反射的成分有所改变。对遥感图像来说，增加了信号中的噪声成分，降低了传感器接收数据的质量，造成图像模糊不清。不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。散射主要发生在可见光区。

散射影响大气对电磁辐射的影响散射类型瑞利（Rayleigh）散射、米氏(Mie)散射、非选择性散射（均匀散射）等。瑞利散射：介质的不均匀程度a小于入射电磁波波长的十分之一；(气体分子)米氏散射：如果介质中不均匀颗粒的直径a与入射波长同数量级；(气溶胶)非选择性散射（均匀散射）：当不均匀颗粒的直径a>>λ时发生。(大粒子尘埃)大气对电磁辐射的影响大气散射选择性散射-散射强度与波长有关瑞利散射dp<λ/10米氏散射

dp

≈λ非选择性散射-散射强度与波长无关非选择性散射dp>>λ

大气对电磁辐射的影响

光和粒子的相互作用（散射），按粒子同入射波波长(λ)的相对大小不同，可以采用不同的处理方法：当粒子尺度比波长小得多时，可采用比较简单的瑞利散射公式；当粒子尺度与波长可相比拟时，要采用较复杂的米散射公式；当粒子尺度比波长大得多时，则用几何光学处理。大气对电磁辐射的影响

一般考虑具有半径r的均匀球状粒子的理想散射时，常采用无量纲尺度参数x=2πr/λ作为判别标准：当x<0.1时，可用瑞利散射；当x≥0.1时，需用米散射；当x>>50，可用几何光学。

同一粒子对不同波长而言，往往采用不同的散射处理方法，如直径1微米的云滴对可见光的散射是米散射；但对微波，却可作瑞利散射处理。大气对电磁辐射的影响瑞利散射的特点瑞利散射强度与波长的四次方成反比主要是大气中由比光波波长还要小的气体分子质点引起。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，对微波基本没有影响，微波具有穿透云雾的能力。晴朗的天空呈蓝色，清晨太阳呈红色？（d<λ/10）大气对电磁辐射的影响米氏散射的特点主要是大气中的气溶胶引起的散射。云、雾等的悬浮粒子的直径和0.76－15μm之间的红外线波长差不多。米氏散射与大气中微粒的结构，数量有关，其强度受气候影响较大。（d≈λ）大气对电磁辐射的影响非选择性散射的特点主要是大气中的大粒子尘埃引起的散射。看到的云和雾是白色的，就是非选择性散射的结果。（d>>λ）散射率与波长没有关系大气对电磁辐射的影响反射影响由于大气中有云层，当电磁波到达云层时，就像到达其他物体表面一样，不可避免地要产生反射现象。各波段受到不同程度的影响，削弱了电磁波到达地面的程度。会使影像模糊。应选择无云的天气接收遥感信号。地面目标被部分遮盖，空中云雾的反射也被遥感影像所记录大气对电磁辐射的影响云层遮挡严重的卫星影像返回本节首页大气对电磁辐射的影响大气窗口——电磁波通过大气时，衰减较小，而透过率较高的电磁波波段，称为大气窗口。吸收率透射率大气窗口遥感大气窗口(Atmosphericwindow)大气窗口遥感可用的大气窗口0.30

1.15μm

：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、收集目标信息成像。1.3

2.5μm

：白天夜间都可应用，是以扫描的成像方式感测、收集目标信息，主要应用于地质遥感。3.5

5.0μm

：含地物反射及发射光谱，探测高温目标。大气窗口8

14μm热红外窗口：属地物发射波谱，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。1.0mm

1m微波窗口：分为毫米波、厘米波、分米波。常采用被动式遥感(微波辐射测量)和主动式遥感，前者主要测量地物热辐射，后者是用雷达发射系列脉冲，然后记录地物的回波信号。返回本节首页

传感器从高空探测地面物体时，所接收到的电磁波能量包括：

太阳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；

地面物体本身辐射的能量经大气后进入传感器；

大气散射和辐射的能量等。辐射传输方程Radiance(LT)frompaths1,3,and5containsintrinsicvaluablespectralinformationaboutthetargetofinterest.Conversely,thepathradiance(Lp)frompaths2and4includesdiffuseskyirradianceorradiancefromneighboringareasontheground.Thispathradiancegenerallyintroducesunwantedradiometricnoiseintheremotelysenseddataandcomplicatestheimageinterpretationprocess.辐射传输方程到达地面的辐照度

太阳直射辐照度

天空漫反射辐照度

地表与大气之间的多次散射漫反射辐照度辐射传输方程均匀一致朗伯体地物的地表与大气信号

观测像元经大气光束衰减后的地表反射信号

大气对太阳光的散射信号

周围像元的信号贡献返回本节首页辐射传输方程太阳辐射到达地表后，一部分反射，一部分吸收，一部分透射，即

到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体如水，对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0.45~0.56μm的蓝绿光波段。一般水体的透射深度可达10～20m，清澈水体可达100m的深度。电磁波与物体交互作用太阳辐射地表吸收太阳辐射后具有约300K的温度，从而形成自身的热辐射，其峰值波长为9.66μm，主要集中在长波，即6μm以上的热红外区段。就短波而言，地表反射的太阳辐射称为地表的主要辐射来源，而地表自身的辐射可以忽略不计。

地表反射的太阳辐射成为可见光和近红外遥感记录的主要辐射能量。电磁波与物体交互作用

根据界面（反射面）的粗糙程度和反射的方向性分：镜面反射：界面起伏高度相对入射电磁波波长而言很小（即界面光滑）时产生镜面反射。漫反射：界面起伏高度相对于入射电磁波波长而言比较大（即界面粗糙）时，产生漫反射。均匀的漫反射面称为朗伯面，朗伯面反射的电磁波在各个方向上辐射亮度值相同。电磁波与物体交互作用地物的反射方向反射(混合反射)：当界面起伏高度介于上述两种情况之间（中等粗糙），产生方向反射。实际地物表面由于地形起伏，在某个方向上反射最强烈，而在其他方向反射较弱，这种现象称为方向反射。是镜面反射和漫反射的结合。从空间对地面观察时，对于平坦地区，并且地面物体均匀分布，可以看成漫反射；对于地形起伏和地面结构复杂的地区，为方向反射。电磁波与物体交互作用表面粗糙度及瑞利准则

地物表面的粗糙度(SurfaceRoughness)：地物表面起伏高差的均方根值。电磁波与物体交互作用

其中：为粗糙度；为光的入射角；为光波长。两波差相位为完全抵消，差0为完全相重合，介乎之间差

粗糙度推导示意图（光程差）（相位差）电磁波与物体交互作用瑞利准则当相位差小于即，两波偏于相重合，则呈反射为主、光滑表面。

增大，增大，有利于形成光滑表面。减小，减小，有利于形成粗糙表面。

对于可见光，在范围内，所有地物都是粗糙面，而对于微波，在cm到m之间，地物表面呈粗糙与光滑临界状态。电磁波与物体交互作用反射系数（反射率）——反射辐射通量/入射辐射通量*100%。它是波长、入射角、地物的质地及朝向、粗糙度、地物介电常数、磁导率等的函数。假设地物是漫反射作为前