遥感物理5.1.ppt

1、第五章 大气效应及其纠正,遥 感 物 理,第一节 大气基本特性, 5.1.1 大气组成 5.1.2 大气光学特征,大气及其与电磁波相互作用,大气是介于遥感传感器与地球表层之间的一层由多种气体及气溶胶等组成的介质层，当电磁波由地球表层传至遥感传感器时，大气是必经的通道 大气对电磁波的作用主要可以归纳为两种物理过程，即散射与吸收，大气的吸收与散射作用使遥感接收到的电磁波信息受到影响,1/8,大气效应及其纠正的主要工作,在地表遥感中，大气影响是“噪声” ，消除大气对遥感影像电磁波特征的影响，恢复其在地球表层的“本来面目” ，就成为定量遥感不可回避的问题 另一方面，由于传感器接收的信号中带有大气的特征

2、信息，因此可从中反演我们特殊关注的一些大气特征参数,2/8,依据遥感图像直接或间接获得的大气参数 向上、向下的大气遥感,大气成分(Composition),大气中包括 3 类物质： 大气分子 气溶胶 水颗粒,其中水颗粒（ hydrometeors ）包括云、雨滴、雪片、冰雹等。这类物质对于光学遥感是不“透明”的，因此不包括在遥感大气纠正或反演的研究中。,3/8,薄云订正属图像处理范畴,大气分子(Atmospheric Molecule),大气分子包括 ： 氮气、氧气、氩气等稳定成分，占99.9% 水汽、二氧化碳、臭氧、硫化物、氮氧化物、氨气等随时空变化较大的成分,在遥感大气纠正的研究中，稳定成

3、分的影响在各波段都很稳定，通常称为大气分子影响纠正； 变化大的成分在大气中的数量虽少，但是足以影响部分波段的纠正效果。另外，很多研究希望利用遥感反演特定时间、特定地区、特定微量气体在大气中的含量。,4/8,臭氧的特殊性 微量气体的影响主要体现为吸收,大气垂直廓线( Profile ),5/8,左图为美国标准大气温度廓线，即温度随高度变化的轮廓曲线。 大气温度廓线基本是稳定的，而大气湿度廓线则随天气变化剧烈。 大气压随高度变化相对稳定。单位高度上的压强与温度和摩尔数（mol）成正比。,近地表每上升1km，下降6.5,6/8,大气压受摩尔数或密度的影响更强，两者的变化趋势几乎一致。 大气压强（P）

4、随高度（Z）的变化可以拟合成（HP为标高（scale height）8.4km） p(z) = p(0) exp (-z/HP) 大气密度廓线同样适用上述公式（HP数值稍有变化）。,气溶胶(aerosol),大气气溶胶是悬浮于大气中、具有一定稳定性、沉降速度小的、尺度在10-310m的液态或固体粒子，依据来源和构成成分，可以分为海洋型、乡村型、城市型等不同类型。,7/8,8/8,真实大气中的气溶胶构成复杂，各种尺度、各种类型的粒子混杂其中，构成一种综合效应。 气溶胶随时空变化很大，在遥感大气纠正的研究中，气溶胶影响更大、更复杂； 气溶胶往往构成云雨的核； 气溶胶会增加地球对太阳辐射的反射，以及

5、阻止地球长波辐射向外太空的逃逸，影响着全球气候和能量平衡。,第五章 大气效应及其纠正,遥 感 物 理,第一节 大气基本特性,5.1.1 大气组成 5.1.2 大气光学特征,大气效应,光学遥感过程中，大气对电磁波的影响，通常可以分成三个部分： 一是大气分子散射； 二是气溶胶散射与吸收； 三是特殊气体分子（如H2O、O3）吸收。,1/14,大气分子散射,大气分子的尺度通常为10-4m，比光学遥感中入射辐射的波长小很多，因此大气分子对无偏振的太阳辐射的散射为瑞利(Rayleigh)散射。 瑞利散射描述了均匀各向同性的小球粒子对电磁场进行散射后的结果，可归纳为2点：,散射辐射强度正比于-4 散射辐射在

6、4空间上的分布为(1+cos2),2/14,大气分子散射光学厚度,小球散射辐射强度正比于-4，相当于散射截面正比于-4，因此光学厚度满足：,3/14,如果知道某一波段0的光学厚度，则通过上式可计算出任一波段的光学厚度。 另一种整层光学厚度的计算法可以表示为：,大气分子在z=0处的散射系数比较固定，可以查表得到。HP =69km为大气分子的标高。,当0=1m时，第一个公式变成什么样子？,作业1： 请证明整层光学厚度可以表示为： 查表得到，=0.63m处，(0)=6.69*10-3(km-1)。假设大气分子的标高为8km，请给出 =0.83m处大气分子的整层光学厚度值。,4/14,大气分子散射相函

7、数,由于发生瑞利散射时，散射辐射在4空间上的分布为(1+cos2)，描述了散射能的角分布。根据归一化散射相函数的公式：,5/14,得到瑞利散射的相函数为：,上式仅与入射方向与出射方向夹角的余弦有关。,旋转对称，前后对称,气溶胶消光,气溶胶尺度通常大于光学遥感中入射辐射的波长或与其相同，此时散射作用只能用米氏(Mie)散射理论表达。米氏散射同样针对均匀各向同性的球粒子，且满足远场理论。 米氏散射的结果，可归纳为2点：,散射辐射强度正比于-，=04 散射辐射主要分布在前向,6/14,相比于大气分子而言，气溶胶的散射和吸收要复杂得多。主要体现在气溶胶的成分（粒子尺度和类型）变化多样。 尽管每种粒子满

8、足米氏散射理论，但是由于其参数，包括粒子尺度、折射率等不一样，得到的理论结果也不一样。其整体结果是各种成分的综合体现。 因此不同类型的气溶胶（如大陆型气溶胶与海洋型气溶胶）的光学厚度、单次散射反射率、散射相函数等光学参数均不相同。,7/14,气溶胶光学厚度,类似大气分子，气溶胶光学厚度满足：,8/14,(1m)称为Angstrom大气浑浊度参数。取值与粒子平均半径有关（气溶胶由多种尺度的粒子构成，各尺度的比例可由尺度谱表示）。,海洋型气溶胶相比于大陆型含有较少但较大的粒子 瑞利散射的区别,表中数值与波长有关。取值通常介于02。,9/14,气溶胶整层光学厚度的也可以表示为：,气溶胶在z=0处的消

9、光系数与气溶胶类型，即粒子尺度谱和气溶胶数量有关，变化较大。HP为气溶胶的标高，取12km。 Singh(1988)给出在晴朗大气下，气溶胶整层光学厚度为：,表中折射率对应为波长=0.5微米。,气溶胶散射相函数,气溶胶散射辐射主要分布在前向，由于是球形粒子，散射相函数依然旋转对称。对于给定类型粒子，散射辐射空间分布可以通过采用米氏散射精确计算出来。 实际应用中，任何类型气溶胶都是多种类型粒子的组合。与光学厚度一样，气溶胶散射相函数与气溶胶类型密切相关，粒子尺度谱、折射率等都会对其产生影响，得不到明确的表达式。因此经常采用半经验公式。,10/14,同一种气溶胶类型具有大致一致的光学参数,一个常用

10、的气溶胶散射相函数公式为Henyey-Greenstein模型。,11/14,其中g为不对称因子（参见1.3节）。大气分子g=0；气溶胶g0 。沙尘暴中气溶胶粒子平均半径在0.5m左右，在=0.55m处，g0.8。对于云滴和雨滴，g的数值更大。,作业2： 请证明Henyey-Greenstein模型表征的散射相函数： 是归一化的。,12/14,气溶胶单次散射反射率,气溶胶单次散射反射率差别较大。 Waggoner(1981)对美国气溶胶给出：,13/14,Shettle(1979)给出：,特殊气体分子吸收,在光学遥感大气校正中，特殊气体分子吸收主要指H2O、O3在某些波段的吸收。 由于特殊气体在大气中含量极少，其散射作用可以忽略不计。 Fraser(1985)给出610100nm处，其吸收的光学厚度约为0.0