大氣對遙感的影響.doc

大氣對遙感的影響參考譯文 假如地球表面沒有大氣，所有波段的電磁能就會與地表面相互作用，并傳輸關(guān)于該表面的實際信息。盡管地球的大氣是透明的，但適用于遙感的波段僅占電磁波譜中的一小部分。衰減較少的光譜段稱為大氣窗口，即使是在大氣窗口，大氣的影響有也非常大。氣體、大的氣溶膠引起大氣的散射、吸收以及放射輻射能。因此，大氣不僅是一個衰減器，同時也是輻射能的來源。所以，從地面?zhèn)鞯礁咛庍b感平臺的信息會發(fā)生衰減和失真。大氣散射和漫射的輻射能給信號增加了背景噪音。比如物體與其背景的表觀對比度，或者物體的表面顏色會隨著距離的變化而變化。同理，在紅外、微波范圍測量，地球表面的表觀溫度隨著高度而變化。離開大氣的漫輻射能同樣也是地面光照度的來源之一。在遙感發(fā)展的初期，由于對大氣的影響幾乎不了解，大氣的這些復(fù)雜影響因子沒有被完全考慮。由此可以看出，大氣是遙感中一個重要的、隨處存在的棘手因子。電磁波譜電磁波譜是連續(xù)不斷的電磁輻射，它的范圍從頻率最高、波長最短的射線延伸到頻率最低、波長最長的無線電波以及可見光。大致可將電磁波譜分為七個不同的區(qū)域：射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波和無線電波。遙感涉及到電磁波譜中許多部分的能量測量。衛(wèi)星傳感器中主要利用的是可見光、反射或放射的紅外線以及微波。這些輻射的測量發(fā)生在所謂的光譜段。光譜段定義為電磁波譜中相分離的間隔。例如，從0.4微米到0.5微米范圍即為一個波段。波長最短部分包括X射線和眼睛所能感知的可見光波段，位于0.39到0.76微米之間。在這波段內(nèi)，波長和光的顏色有關(guān)：波長最短的是紫光，位于0.39.到0.455微米之間；波長最長的是紅光，位于0.620到0.760微米之間。利用可見波譜的這些終點可區(qū)分波長比紫光還短的紫外線以及比紅光還長的紅外線。實際上，更長的波長不是紅外線，而屬于微波和無線電波（上百米）的范疇。衛(wèi)星傳感器設(shè)計來測量特定波譜段的響應(yīng)，以便能夠區(qū)分主要的地面物體。有些傳感器檢測被反射的輻射，而有些檢測放射的輻射。入射的太陽光或叫太陽輻射被地表和大氣反射、吸收或傳輸。由于大氣對這些輻射的散射和吸收，衛(wèi)星傳感器只能使用光譜中的某些特定窗口。電磁波譜中的窗口遙感中重要的窗口貫穿波譜段，主要的大氣窗口見表2.1。從表中可知，波長短于0.3微米的波譜段不對傳感器開放，主要的大氣窗口存在于可見光（包括近可見部分）、紅外線和微波范圍。大氣對波長短于0.32微米的紫外線吸收非常強(qiáng)烈，因此到達(dá)地面的太陽能太少而不能滿足遙感的需要。第一個重要的大氣窗口開始于0.3微米處，在可見光中有很好的透明度。該區(qū)域中的光子幾乎未被吸收，但卻被氣態(tài)分子和煙霧、灰塵微粒散射，對遙感產(chǎn)生極大的影響。隨之在近紅外波段被打斷，出現(xiàn)以水氣為主的強(qiáng)吸收帶（見圖）。在熱紅外波段（414微米之間），由于水氣和二氧化碳的震動-轉(zhuǎn)動變化，產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收帶。這些吸收波段將近紅外和熱紅外區(qū)域分成一系列透明度適當(dāng)、鑲嵌著因吸收而被關(guān)閉的區(qū)域。大氣對電磁輻射的影響所有的電磁輻射穿過太空到達(dá)大氣的最外層，但并非都能到達(dá)地球表面。首先，大氣會散射、吸收、反射一部分入射的太陽輻射。其次，在大氣中傳播的太陽輻射也會發(fā)生散射、吸收、反射。最后，被地球表面反射回傳感器的電磁輻射也會被大氣散射、吸收、反射。入射的太陽輻射中，大約有35%被地球-大氣體系反射：4%被地表反射；7%被大氣反射；還有24%被云層反射。剩下的65%被地球-大氣體系吸收：16%被大氣吸收；2%被云層吸收；23%直接被地表吸收；其余的24%由于漫散射而間接被地表吸收。隨后，被吸收的輻射又被輻射成長波輻射：60%由大氣和云層；5%由地球表面。大氣對電磁輻射的影響是有選擇的，這就意味著一些波長很容易通過大氣，而其他的則會被諸如氧氣、氮氣、臭氧、二氧化碳的氣體或水氣反射、散射、吸收。能夠不受阻攔的穿過大氣的特定波長的電磁波譜區(qū)域稱為透射波段或大氣窗口，而完全或部分受阻的則稱為吸收波段或大氣盲區(qū)。氧氣和臭氧有效的吸收和X射線，而二氧化碳、氧氣、水氣則吸收紅外、微波中不同部分的輻射。大氣盲區(qū)的副作用在于，它限制了能夠用來判別地表特征或情況的波長范圍。電磁輻射的散射在大氣中，電磁輻射會被氣體、水氣分子所散射。瑞利散射或分子散射是由大氣上層約4.5公里處的氧氣和氮氣分子引起。這些分子比電磁輻射的波長還小，就長波和短波相比較而言，它們對后者的影響更大。因此，比起綠光或紅光之類的長波，紫外線和藍(lán)光波更容易被散射。如藍(lán)光波的散射率是紅光波的五倍。這也是天空總是呈現(xiàn)藍(lán)色的原因，藍(lán)光波可以從天空的任意部分進(jìn)入人眼。米氏散射或非分子散射發(fā)生在低層大氣，這里有很多的微粒，諸如水氣、煙、灰塵、火山噴出物以及由海浪氣化而釋放的鹽狀晶體。它們的半徑大約是引起瑞利輻射分子的0.1到10倍。米氏散射比銳利散射更易于影響長波。紅色的日落是銳利散射和米氏散射聯(lián)合作用引起的。因為較短的藍(lán)光波被散射，只有紅光波進(jìn)入我們的眼睛。象水滴這樣的大微粒，對所有波長的光波散射程度都相同，這種現(xiàn)象稱為非選擇性散射，因為它對所有波長的光波作用一樣。這就解釋了為什么陽光所照射的云層表面呈白色。云中的水滴散射所有可見波譜的波長，從而產(chǎn)生白光。天空光和霾 大氣對電磁輻射的散射使得晴朗的天空成為照度的源泉。所以，地球表面在白天被來自天空的入射太陽輻射和漫輻射照亮。在沒有陽光直接照射的陰影中，天空光防止了絕對黑暗的發(fā)生。當(dāng)天空光降低可見度、使遠(yuǎn)處的景物出現(xiàn)藍(lán)灰色時，它就變成霾，象面具一樣，降低從空中、太空中傳感器獲得的圖像的清晰度。地球?qū)﹄姶泡椛涞挠绊懲ǔ＃肷涞奶栞椛溆?1%到達(dá)地球表面。其中，4%被反射回大氣，其余的47%被地表吸收，隨后以熱紅外的形式重新輻射。然而，不同的地表特征在反射或吸收入射太陽輻射時會有很大的差別?？偟恼f來，強(qiáng)反射地面其吸收率就差。因此，有些表面或物體會反射大部分的輻射，而有些則會吸收大部分輻射。正是這些反射率的差別，讓我們能夠區(qū)分遙感影像上不同的特征和情況。地表的反射率能夠測量具體的波長或整個電磁波譜。物體的光譜反射比即為被該物體在某一波段反射的電磁輻射的百分比。物體的反射率是指在某一寬的或整個電磁波譜段反射率之和。反射率越高，表面的反射越強(qiáng)，遙感圖像也會越亮。光譜特征在大范圍的電磁波譜中測量，不同的物體可能會有相同的反射率；而在很窄的波段中測量，它們?nèi)匀粫胁煌姆瓷渎?。這些不同之處可以用來區(qū)分不同類型的物體。物體的光譜特征是指在一系列波長范圍內(nèi)物體的反射形式。多光譜掃描儀能夠在一系列不同的波段中探測被反射的電磁輻射。舊掃描儀設(shè)計了少量的光譜段為樣本，這些波段都是為了特定的目的而精心挑選的。新式高光譜掃描儀能取樣數(shù)百的波段，并為遙感的大范圍應(yīng)用提供潛能。以光譜特征區(qū)分不同類型的表面或物體受到限制，因為光譜特征并不唯一。將有相似光譜特征的物體區(qū)分開是很難的，甚至不可能。光譜特征還取決于一天中的時間，因為陰影影響被反射的電磁輻射的圖譜。不同