第03講 遙感物理基礎(chǔ)之二-太陽輻射

遙感地質(zhì)學(xué)

RemoteSensingGeology遙感物理基礎(chǔ)（2）－地球大氣對(duì)太陽輻射傳輸?shù)挠绊懞颖惫こ檀髮W(xué)資源學(xué)院1/22遙感地質(zhì)學(xué)章節(jié)內(nèi)容第一章緒論第二章遙感物理基礎(chǔ)（電磁波譜與電磁輻射）第三章遙感成像原理與圖像特征第四章遙感圖像處理第五章遙感圖像地質(zhì)解譯標(biāo)志第六章遙感圖像地貌解譯第七章遙感圖像的巖性解譯第八章遙感圖像構(gòu)造解譯第九章遙感應(yīng)用2/22第二章遙感物理基礎(chǔ)

本章主要內(nèi)容電磁波譜與電磁輻射的概念地球大氣對(duì)太陽輻射傳輸?shù)挠绊懙厍蜉椛渑c地物波譜特征彩色原理（色度學(xué)）3/22上節(jié)主要內(nèi)容電磁輻射是遙感技術(shù)的物理基礎(chǔ)。電磁波譜的概念遙感中常用的電磁波波段黑體的概念實(shí)際物體電磁輻射規(guī)律M=εM0(λ，T)電磁波譜是各種電磁波按其波長（或頻率）的大小依次排列形成的圖表?！镒贤獠ǘ危?.28－0.38μm★可見光波段：0.38－0.76μm紫藍(lán)青綠黃橙紅★紅外波段：0.76－1000μm近中遠(yuǎn)超★微波：1－1000mm在任何溫度下，對(duì)各種波長的電磁輻射的吸收系數(shù)α恒等于1（即全部吸收100%）的物體稱為“絕對(duì)黑體”，簡稱“黑體”。二、地球大氣對(duì)太陽輻射傳輸?shù)挠绊懱栞椛涞厍虼髿鈱?duì)太陽輻射傳輸?shù)挠绊?/p>

大氣層的結(jié)構(gòu)

大氣的成分

大氣對(duì)太陽輻射傳輸?shù)挠绊懘髿獯翱?/22本節(jié)主要內(nèi)容太陽輻射是被動(dòng)遙感主要的輻射源。地球大氣對(duì)太陽輻射的傳輸影響有吸收作用、散射作用、反射作用和折射作用。大氣窗口的概念主要大氣窗口大氣對(duì)太陽輻射的影響特征如何在遙感中應(yīng)用？結(jié)束21/22電磁波通過地球大氣層時(shí)較少被反射、吸收或散射，透過率較高的波段，稱為大氣窗口。（1）可攝影波段0.3－1.3μm，紫外、可見光、近紅外；（2）近紅外波段1.5－2.5μm，1.5－1.75μm和2.1－2.4μm；（3）中紅外波段3.0－5.0μm，3.5－4.2μm和4.6－5.0μm；（4）遠(yuǎn)紅外波段8.0－14.0μm；（5）微波波段0.8－100cm。1、選擇大氣窗口。2、認(rèn)識(shí)大氣傳輸對(duì)遙感圖像判讀的影響：①大氣散射使短波波段（如0.5-0.6μm）的地物影像增加亮度，使景物反差減小；②大氣的吸收使長波波段（如0.8-1.1μm）減低亮度。3、為圖像恢復(fù)或輻射校正提供依據(jù)。太陽輻射太陽輻射：即太陽光，是遙感主要的輻射源。太陽常數(shù)：不受大氣影響，在地球大氣上界垂直于太陽輻射方向上，單位面積和單位時(shí)間所接收到的太陽輻射能量。I＝1360W/m2在大氣上界和海平面測(cè)得的太陽輻射曲線太陽光相當(dāng)于6000K的黑體輻射；太陽輻射的能量主要集中在可見光，其中0.38～

0.76μm的可見光能量占太陽輻射總能量的46%，最大輻射強(qiáng)度位于波長0.47μm左右；到達(dá)地面的太陽輻射主要集中在0.3～

3.0μm波段，包括近紫外、可見光、近紅外和中紅外；經(jīng)過大氣層的太陽輻射有很大的衰減；各波段的衰減是不均衡的。二、地球大氣對(duì)太陽輻射傳輸?shù)挠绊懛祷?/22大氣層結(jié)構(gòu)從地面到大氣上界，大氣的結(jié)構(gòu)分層為：對(duì)流層：高度在7～12km,溫度隨高度而降低，天氣變化頻繁，航空遙感主要在該層內(nèi)。平流層：高度在12～50km，底部為同溫層（航空遙感活動(dòng)層），同溫層以上，溫度由于臭氧層對(duì)紫外線的強(qiáng)吸收而逐漸升高。電離層：高度在50～1000km，大氣中的O2、N2受紫外線照射而電離，對(duì)遙感波段是透明的，是陸地衛(wèi)星活動(dòng)空間。大氣外層：800～35000km,空氣極稀薄，對(duì)衛(wèi)星基本上沒有影響。二、地球大氣對(duì)太陽輻射傳輸?shù)挠绊懛祷?/22大氣成分

大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水滴等組成。

氣體：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3

懸浮微粒：塵埃返回8/22地球大氣對(duì)太陽輻射傳輸?shù)挠绊懘髿獾奈兆饔么髿獾纳⑸渥饔么髿獾姆瓷渥饔么髿獾恼凵渥饔梅祷?/22大氣的吸收作用：

大氣中的各種成分對(duì)太陽輻射有選擇性吸收，形成太陽輻射的大氣吸收帶（如下表）。大氣的吸收作用O2吸收帶<0.2μm，0.155μm最強(qiáng)O3吸收帶0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收帶0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μmCO2吸收帶1.35～2.85μm,2.7μm,4.3μm,14.5μm塵埃吸收量很小返回10/22大氣的散射作用不同于吸收作用，只改變傳播方向，不能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。大氣的散射是太陽輻射衰減的主要原因。對(duì)遙感圖像來說，降低了傳感器接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量，造成圖像模糊不清。散射主要發(fā)生在可見光區(qū)。大氣發(fā)生的散射主要有三種：瑞利散射：d<<λ

米氏散射：d

≈λ

非選擇性散射：d>>λ11/22瑞利散射（Rayleighscattering）當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長小的多時(shí)發(fā)生的散射。這種散射主要由大氣中原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起。特點(diǎn)是散射強(qiáng)度與波長的四次方成反比I∝λ-4。12/22米氏散射（Miescattering）

當(dāng)大氣中粒子的直徑與輻射的波長相當(dāng)時(shí)發(fā)生的散射，由煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起。

米氏散射的散射強(qiáng)度與波長的二次方成反比，即I∝λ-2，且散射在光線向前方向比向后方向的散射強(qiáng)度更強(qiáng)，方向性較明顯。云、霧的粒子大小與紅外線（0.76～15μm）的波長接近，所以云霧對(duì)紅外線的散射主要是米氏散射。因此，潮濕天氣米氏散射影響較大。13/22無選擇性散射

（Non-selectivescattering）

當(dāng)大氣中粒子的直徑比波長大的多時(shí)發(fā)生的散射。這種散射的特點(diǎn)是散射強(qiáng)度與波長無關(guān)，因此，在符合無選擇性散射條件的波段中，任何波長的散射強(qiáng)度相同，因此稱為無選擇性散射。14/22散射與波長的關(guān)系對(duì)大氣分子、原子引起的瑞利散射主要發(fā)生在可見光和近紫外。對(duì)于大氣微粒引起的米氏散射從近紫外到紅外都有影響，當(dāng)波長進(jìn)入紅外波段后，米氏散射的影響超過瑞利散射。大氣云層中小水滴的直徑相對(duì)較大，對(duì)可見光只有無選擇性散射發(fā)生，大氣層越厚，散射越強(qiáng)，對(duì)于微波，它的波長比大氣中微粒大，主要出現(xiàn)瑞利散射。返回15/22大氣的反射作用

電磁波傳播過程中通過兩種介質(zhì)的交界面上時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象。而通過大氣時(shí)，氣體、塵埃反射作用很小，反射現(xiàn)象主要發(fā)生在云層頂部，取決于云量和云霧，而且各個(gè)波段均受到不同程度的影響，嚴(yán)重地削弱了電磁波強(qiáng)度。當(dāng)云層厚度達(dá)50m時(shí)，反射量達(dá)50％以上，厚度為500m時(shí)，反射量超過80％。另外，大氣中直徑大于10-6m的微粒也會(huì)產(chǎn)生反射作用。返回16/22大氣的折射作用折射現(xiàn)象：傳播方向改變，電磁波在大氣中傳播軌跡實(shí)際上是一條曲線。朝日大還是中日大？返回孔子?xùn)|游，見兩小兒辯斗，問其故。一兒曰：“我以日始出時(shí)去人近，而日中時(shí)遠(yuǎn)也?！币粌涸唬骸拔乙匀粘醭鲞h(yuǎn)，而日中時(shí)近也?！币粌涸唬骸叭粘醭龃笕畿嚿w。及日中，則如盤盂，此不為遠(yuǎn)者小而近者大乎？”一兒曰：“日初出滄滄涼涼，及其日中如探湯，此不為近者熱而遠(yuǎn)者涼乎？”孔子不能決也。兩小兒笑曰：“孰為汝多知乎？”17/22折射角度大。大氣窗口大氣窗口主要大氣窗口和遙感波譜通道(波段)：P13表2-4（1）0.3-1.3μm：紫外波段、可見光波段、近紅外波段（2）1.5-2.5μm：近紅外波段（3）3.0-5.0μm：中紅外波段（4）8-14μm：遠(yuǎn)紅外波段（5）0.8-100cm：微波波段電磁波通過地球大氣層時(shí)較少被反射、吸收或散射，透過率較高的波段，稱為大氣窗口。包括部分紫外（0.3－0.38μm）、全部可見光（0.38－0.76μm）及近紅外波段（0.76－1.3μm），是攝影成像的最佳波段，也是許多衛(wèi)星傳感器掃描成像的常用波段，比如，Landsat衛(wèi)星的TM的1-4波段，SPOT衛(wèi)星的HRV波段等。電磁波信息來自地面目標(biāo)物的反射光譜；可以用攝影方式來獲得和記錄地物的電磁波信息；電磁波的透射率在90％以上。近紅外窗口，在白天日照條件好的時(shí)候掃描成像常用這些波段，比如TM的5、7波段等用以探測(cè)植物含水量以及云、雪或用于地質(zhì)制圖等。電磁波信息仍來自地面目標(biāo)物的反射光譜，但不能用膠片攝影，只能用掃描儀和光譜儀以及射線測(cè)試儀來測(cè)量和記錄；由于水汽、二氧化碳等的作用，1.8μm附近有一個(gè)吸收帶，因此使此窗口又分為兩個(gè)小窗口1.5－1.75μm和2.1－2.4μm。中紅外波段，物體的熱輻射較強(qiáng)。如NOAA衛(wèi)星的AVHRR傳感器用3.55-3.93μm探測(cè)海面溫度，獲得晝夜云圖。中紅外波段電磁波信息由地面物體反射太陽輻射和地面物體自身的發(fā)射輻射混合而成，用掃描儀和光譜儀探測(cè)和記錄；也分為兩個(gè)小窗口：3.5－4.2μm透過率為95％，4.6－5μm透過率約為60－70％。遠(yuǎn)紅外波段：主要來自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測(cè)量探測(cè)目標(biāo)的地物溫度。遠(yuǎn)紅外波段：探測(cè)或記錄目標(biāo)物的發(fā)射光譜，利用掃描儀和熱輻射計(jì)、光譜計(jì)；是地表物體在常溫下輻射能量最強(qiáng)的波段；在9.6μm附近處，分為兩個(gè)小窗口，透射率約在60－80％。微波波段：其常用的波段為0.8cm，3cm，5cm，10cm等等,有時(shí)也可將該窗口擴(kuò)展為0.05cm至300cm波段。其特點(diǎn)是：微波穿云透霧的能力強(qiáng)，這一區(qū)間可以全天候工作；主要用于主動(dòng)遙感，如側(cè)視雷達(dá)。18/2219/22地球大氣對(duì)太陽輻射傳輸特性的遙感應(yīng)用：1.選擇大氣窗口。2.認(rèn)識(shí)大氣傳輸對(duì)遙感圖像判讀的影響：①大氣散射使短波波段（如0.