遥感原理与应用_第2章_2遥感物理基础-辐射传输基础

S O U T H W E S T J I A O T O N G U N I V E R S I T YS W J T U遥感原理与应用遥感原理与应用Remote Sensing Principle and ApplicationS W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321遥感物理基础遥感平台特点遥感传感器影像处理基础 影像几何处理 影像辐射处理遥感影像判读影像识别分类遥感技术应用遥感系统影像处理遥感应用影像处理遥感遥感原理与应用课程框架S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321遥感物理基础 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S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321 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S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321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S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321大气对电磁辐射的影响 大气结构S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321 对流层：高度在 7 12 km，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 50 km，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 1 000 km，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 35 000 km ，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S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321 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S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321 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S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321引起大气吸收的主要成分是氧气、臭氧、水、二氧化碳等。l 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 。l 二氧化碳 ：主要吸收带分别为 2.602.80微米，吸收峰为2.70微米； 4.104.45微米吸收峰为 4.3微米； 9.1010.9微米吸收峰为 10.0微米； 12.917.1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S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321l 水蒸气 ：主要吸收带在 0.701.95微米间，最强处为 1.38微米和 1.87微米； 2.53.0微米间吸收峰为 2.7微米； 4.98.7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。l 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S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321大气对电磁辐射的影响S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321l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。l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。l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。l大气吸收造成遥感影像暗淡。大气对电磁辐射的影响S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321 大气吸收造成遥感影像暗淡大气对电磁辐射的影响S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321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 。l 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。l 不同于吸收作用，只改变传播方向，不能转变为内能。l 大气的散射是太阳辐射衰减的主要原因。l 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S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321l 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时发 生 。 (大粒子 尘 埃 )大气对电磁辐射的影响S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321大气散射选择 性散射 -散射 强 度与波 长 有关瑞利散射 dp 大气对电磁辐射的影响S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321光和粒子的相互作用（散射），按粒子同入射波波长()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S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321一般考虑具有半径 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=2r/作为判别标准：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S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321瑞利散射的特点瑞利散射强度与波长的 四次方成反比l 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。l 晴朗的天空呈蓝色，清晨太阳呈红色？（ d ）散射率与波长没有关系大气对电磁辐射的影响S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321 反射影响l 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。l 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S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321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S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321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S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321遥感大气窗口(Atmospheric window)大气窗口S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321遥感可用的大气窗口 0.30 1.15 m ：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 2.5 m ：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 5.0 m ：含地物反射及发射光谱，探测 高温目标。大气窗口S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321 8 14 m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。 1.0 mm 1 m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S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321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：l 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；l 地面物体本身 辐射的能量 经 大气后进 入 传 感器；l 大气散射和 辐 射的能量等。辐射传输方程S W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n7654321Radiance (LT) from paths 1, 3, and 5 contains intrinsic valuable spectral information about the target of interest. Con