衛(wèi)星云圖觀測原理分析預(yù)報第3章遙感基礎(chǔ)

第三章 10-1010微米的無線電波。為了使用的方便，按電磁波的頻率或波長將電磁波劃X射線、紫外線(UV)、可見光(VIS)、紅外線(IR)、微波(WV)等波段，3.110-11~10-4納米，具有很高的0.0045~10-5微米。X射線也能穿透密度很大的物質(zhì)，所以可以利用0.35~0.0045微米。紫外線又可分為近紫外(0.25~0.38微米)和遠紫外(0.01~0.25微米)。由于它的UVB(0.29~0.32微米)UVC(0.25~0.29微米)UVA輻射對大多數(shù)人沒有大的危害，UVB可以對生命引起太陽傷害，較強的UVC則對多數(shù)生命產(chǎn)生嚴重的損害。（VISIR波長范圍(或中心波長范圍(或中心10-4~10-10.77~ 10-2~103~ 紫10~2006~15200~30015~100300~380L25厘米1千兆赫紫0.390~0.455S10厘米3千兆赫藍0.455~0.492C6厘米5千兆赫綠0.492~0.577J4.56千兆赫黃0.577~0.597X3厘米10千兆赫橙0.597~0.622K1.225千兆赫紅0.622~0.770Q0.838千兆赫f ；f=c/ =c/ 式中是波長，f是頻率，c是光速，在真空中它等于2.9979250.0000031010厘米秒-1

??=f?

3.2。在日常使用中，可見光波段的波長單位常用納米（nm）,v=1/= 波長的精度卻可達105~107m，為了表示這么高的精度，使用波數(shù)較為方便。1千兆赫（GHz）=103兆赫（MHz）=106千赫（KHz）=109赫（Hz表 波長單位換算因單米厘米毫米微米納米米1厘米毫米微米(m111納米1(3)E=h E是能量，h是普朗克常數(shù)（6.6261034 按照量子理論，電磁輻射的發(fā)射或吸收是由于物質(zhì)內(nèi)原子或分子的能量狀態(tài)發(fā)生改變引起EjEiEjv=(EjEi) (光量子的能量可以根據(jù)（3.4）30000?（1?=108cm）的紅外光，其波數(shù)為3.3105m1，則此紅外光量子的能量為的能量為5.5eV。小可以看出某波長的光能否產(chǎn)生光生化反應(yīng)。從表3.3看出,對于紅外光的光量子能量往往不能3.3波長能量能量46千卡的活化能：2H2O+O2 Hch 即=chN

(31010)(6.621027)(6.061023460004.185

619nm的紅光進行，這種波長稱最大效應(yīng)v=c/=。輻射通量 lim?Q/?t ，或Q

能所允許的時間是tall，則有Qmin= 式中Qmin=lim/=d Qλ（J， [Wm2]F(

,)=lim/A

F

,)=limF/

d3Q

=

=

nF（J，sec1m2μm1）=（Wm2μm1）是表面的法線方向。F、Ff、Fv之間的關(guān)系，由關(guān)系式nFv=F/v=(F/f)(f/v)=Ff(f/v)=(F/)(/v)=F(/即和由λ=c/f f=cv

Fvdv=Ffdf=Fdf/v λ/f=c/f 有 Fv=2F Ff=c1 1輻照度（E）：指投射到一表面上的輻射通量密度。

A 如圖d?= 是：和：02，即?=

sindd 1?=sind0d=2(cos1cos21（3)角度為圖 ?=0d0sind=2(1cos（4)對于小角度 有cos?12/2,?（5)

??2d??=1.5108km,?

s=6.7610?=?xi+?yj+?z ?x=s=?i=cos(?,i=sincos=(1μ2)1/2?=y=?j=cos(?,j ?=z=?k=cos(?,k3.3

=cos=?=?(,)=?(,Ω d2F(ΩΩnΩn

)=limF/?= =Ω dΩΩΩ=

d4Q(ΩΩΩ

dAcosd dAcosd ΩnI是單色輻射強度，dAΩnnΩΩ nΩΩdAcos是垂直于方向的面積，cos 。注意：單色不是在單一波長，而是指以波長為 h=0d/2I(,)sind=0d0I(μ,) F=0d0I(μ,)μ ΩΩΩrΩrΩrΩrE,z( )=I

ΩrrΩrr

=I

Ωr Ωr

E,x

4I(

ΩrΩrE()=0 I( ΩrΩrrrr rrr=iE,x()+jE,y()+kE,z(

rEyrrrEz

)=04?yI(ΩrΩrΩrΩr)=04?zI(

ΩrΩrrrEn()=E()?n=??nI( )d?=cos(?,n)I( ΩrΩrrr 2/F=Icosd?=0/2Icossindd F+ 2/2Icossind F 2 /F=F++F F+=2/2Icossindd=

1（04~07射,但是眼睛把輻射轉(zhuǎn)換成視覺的光化效率對各種波長是不相等的。對于在白天光照條件下，眼睛把不同波長的輻射通量轉(zhuǎn)變成視覺響應(yīng)的相對效能稱光譜視效率，用符號)表示。光譜視效率是無量綱量，在約53微米處最大，而向兩邊下降，到4和073.4 焦耳(J流明秒 瓦(W流明Ee瓦·米-勒克斯M 瓦·米-I 坎德拉L 瓦·米-2·球面度-(W/m2 能量，Qr是被介質(zhì)反射的輻射能量，則有關(guān)系Q=Qa+Qt 定義：吸收率aQa，透過率tQt，反射率rQr a+t+r 在實際中，at、ra=a()，t=t()，r=r()?？紤]到入射輻射的光譜分布，a、t、r可以寫為 2 2 2 a ，t ，r

第二節(jié)即 a()≡常數(shù) 近似于1，這些物體在這一波段可以近似看成黑體。= M則稱01之間。由于輻射體發(fā)射的輻射隨波長而變，所以發(fā)射率也是波長的函數(shù)，寫為()。對于波長間隔12的發(fā)射率寫成2()M=12M

冰稱局地?zé)崃ζ胶?。實際大氣中，在50公里以下可以認為大氣處在局地?zé)崃ζ胶?。M(T)=2hc2/{5[exp(hc/kBT)1]} 朗克常數(shù)，kB=1.38061016erg?K是玻爾茲曼常數(shù)。普朗克輻射亮度公式為B(T)=2hc2/{5[exp(hc/kBT) f

Bf(T)=2hf3/{c2[exp(hf/kBT)=c1f3/[exp(c2f/T Bv(T)=2hc2v3/[exp(hcv/kBT)=c1v3[exp(c2v/T) 1.191044108(W/m2srcm4c2hckB=1.438769Kcm3.4給出普朗克黑體輻射與波長的關(guān)系。注意B(T)、Bf(T)、Bv(T)之間的關(guān)系，有Bf(T)=2B(T Bv(T)=2B(T y3dyB(T)= B(T)dλ= = 1 T 2 0(T5)[exp(C2/T) c40ey2式中y=c2 其中積分為

2=15c42

[WmKB(T)=T4或F=T 式中在衛(wèi)星遙感中常是對有限光譜寬度的普朗克函數(shù)積分，也就是由波長1?2

y1y3dy B(T)dλ= 4 y y 2ef(T)=

15y

4y 1e可以數(shù)值地或預(yù)先計算好的查算表求取，則黑體輻射的1?22B(T)dλ=[f(2T)f(1T)]T 3.6太陽常數(shù)在各譜段的分布（根據(jù)Theicekara(Wm-<350-400-700->x=5(1e

maxT= 代入普朗克式就得溫度為T時最大峰值波長max處的最大輻射值M(max,T) 如果太陽的有效溫度為T5777K，

ehf/T1hf(hf/T)

1

2f

Bf(T)=c2T=8.278(0.001f) B(T)=2cT eC2/T1≈B(T)= eC2/T或是Bf(T)=C1feC1f/T L是入射至物體的分譜輻射率，則物體的J=B(T)=aL J是物體發(fā)射輻射率，是物體的比輻射率或發(fā)射率，B(T)是黑體普朗克輻射，a是物體吸收率。如果輻射源與該物體一起處在熱力平衡中，則有基爾霍夫定理B(T)=L，也就是 這種輻射；（2） +a=1則發(fā)射率寫為 =1 ~對于大氣 =a=1T =cv[ln(c1v

2c1 2TB=(c2/c1)4 式中(c2/c1)=1.208021105。

TB=c2/[ln(5B)]=c2v

Lsat()=B[T )=M(Te)=Te4=MTe=[M(T)/] =L(P,)cos 3.5兩面元輻射交換(a)dA到dA的輻射b)dAdA

~

ΩΩ ΩΩΩΩdIa

Ω)=kav(r)Ω

Ω)ds=ka(r)Ω

) ka,v(r)= ka(r)=I

=dI

圖3.6介質(zhì)吸收輻 (r)=kn(r)=d Ind

dI

ka,,v(r)=n ΩΩ

Ω)/I )= s1ka(r)(r)Ω

Ia(s1)=I(0)

s1ka(r)(r) 0~ T=0

ka(r)(r) T(總)Ts,g(氣體的散射透過率)Ta,g(氣體吸收透過率)Ts,a(氣溶膠散射透過率 Ta,a(氣溶膠吸收透過率)Ts,c(云散射透過率)Ta,c(云吸收透過率 從（3.75）式看到總的大氣透過率為各成份透過率的乘積稱之透過率的乘法規(guī)則。ΩΩ傳播方向

ΩΩ散射到方向ΩΩΩΩ ΩΩdIs(

ΩΩΩ )(r)I ΩΩΩkscaλ

ΩΩΩΩΩ )是方向上的質(zhì)量方向散射系數(shù)，是入射輻射方向，ΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩΩ ΩΩΩΩΩdIs()=4ks )I )(r)ds ΩΩ ΩΩ=ks(r)I,t )(r)ds=ks,v(r)I ΩΩΩ ΩΩΩks(r)=4ks ) 圖 介質(zhì)對入射輻射的散射引起減

ks,v(r)=ks(r) 介質(zhì)本身發(fā)射的輻射與物質(zhì)量dsΩΩdIemit )=j(r)d jJ

ΩΩΩdI )=ka(r)I )(r)dsks(r)IΩΩΩ

)(r)ds+j(r)dΩ=ke(r)I )(r)ds+j(r)d Ω3.8ke(r)=ka(r)+ks3.8減光學(xué)厚度e(s,s1)為e(s,s1)

s1ke sde(s,s1)=ke ds而減小。這是考慮到大氣中各類吸收氣體含量是隨高度增加而減小，在大氣頂吸收氣體含量為0，光學(xué)厚度為0；在大氣最下層吸收氣體含量最大，光學(xué)厚度最大。(

s1ka sda(s,s1)=ka (s(s,s1)=s1ks sds(s,s1)=ksca, 垂直光學(xué)厚度e(z,):由于dz/ds=cos ds=dze,(z,)=s1ks sde(z,)=ke 程，又稱為空氣的絕對光學(xué)質(zhì)量ma，為ma= (r,t)d 相對光學(xué)質(zhì)量mr，定義為 mr(h)=h(r,t)ds/h(r,t)d 是太陽天頂角。對于20km上空臭氧的光特性計算中，可證明有mr(h)=[1+(h/R)]/[cos2ΩΩ ΩΩIs()入射到介質(zhì)的使傳播方向輻射加強ΩΩ ΩΩ

ΩΩΩΩ

Ω)入射到介質(zhì)的散射到傳播方向dΩ(

ΩΩ)=ksΩΩ

ΩΩΩ)(r)Is()dΩΩΩ3.9Is

ΩΩ ΩΩΩΩΩ ΩΩΩ則對于所有方向的散射輻射Isca,,t()被介質(zhì)散射到傳播方向輻射為將()式對 作整個間積分,ΩΩΩΩΩdIms()=4ks(r,)Is()(r)dsd ΩΩΩΩΩΩΩ式中 k

(r,)=1ksΩΩΩΩ

ΩΩ ΩΩΩΩΩΩ ΩΩΩΩ )=P(cos)= )=P(,;,ΩΩ ΩΩ=4ks )/ks cos=??=(icossin+jsinsin+kcos(icoscos+jsinsin+kcos=coscos+sinsincos(=+(12)1/2(12)1/2cos()，式中cos、cos。3.10

ΩΩΩ) ΩΩΩ

()=1ks(r)4P(r,)I()(r)dsd ΩΩΩΩΩsΩΩΩΩΩs00003.11Isca,t

P(cos)ΩΩΩΩ)到

0因此單次反照率~也可以寫為000=ks/(ka+ 00各向同性的情況下，由（3.99）式得~00 ~=ksca=1 k

ΩΩΩΩ ΩΩΩΩΩΩ

0ke,λ

)Isca,,t()(r)ds I=Idir+ 分，它滿足Beer-Bouguer-Lambert定理，寫為 圖3.12直接太陽輻 J=(jthermal+jscattering)/ =aB(T)jscattering是散射輻射的再輻ΩΩdI )

ΩI()PΩ

Ω,)(r)dsdΩ3.13

ΩΩI()是方向為，)ΩΩΩΩΩ ΩΩΩdI )=ka,v(r) )ds=ka(r) )ΩΩΩ ΩΩΩdIs()=ks(r)I )(r)ds=ks，v(r) ΩdIem )=j(r)dΩΩΩΩΩΩ,dI()=1ks(r)4P(r,)(r)I()dsdΩΩΩΩΩ,ΩΩdI )

sI()P(,)dsdΩΩΩΩΩΩ ΩΩdIa )=[ka,mλ(r)+ksca,λ(r)](r)I, )ds+j(r)ds+1s

ΩΩΩΩ )(r)Is()ds ΩΩΩΩ

+1

ΩΩI()P ,)(r)dsd ΩΩdI(:,)=I(,,)+J(,, dI(:,)=I(,,)+B dI(:,)=I(,,)J(,,

4J

FP(,;-

)

dI(;,)I(:,)J(:, dI(:,)=I(:,)d/J(:, e/dI(:,)=I(:,)e/d/J(:,)e/ e/dI(:,)I(:,)e/ =J(:,)e d[I(:,)e/]=J(:,)e/ L()L(1)e(1)/+J()e(1)/

0

1

I(0)I()e1/+1J()e/d 半無限大氣層內(nèi)I(10I(0)=宇宙輻射因此在處的向上輻射寫為I()1J()e(1)/d 半無限大氣層內(nèi)處的向下輻射對于半無限大氣處的向下輻射寫為0

I(；是半無限大氣I(0)e是入射大氣頂并透過光學(xué)厚度的輻射，式中左邊第二頂是以上氣層發(fā)出的向下輻射。 46億年之多，它離我們的地球最近，日地平均距離為1.5108公里。46億年之多，它離我們的地球最近，日地平均距離為1.5108公里。太陽的基本參數(shù)為:余下的則是25%左右的氦；厘米3。表3.7給出了太陽參數(shù)的基本量，幫助對太陽了解。3.7近日點（1月3日 1.470×108公氫遠日點（6月5日 1.520×108公氦日地平均距 1.495×108公平均視半 自轉(zhuǎn)軸(北極)赤 赤緯+64自轉(zhuǎn)周 25日～27恒星周 25.38自轉(zhuǎn)軸與赤道的傾 太陽奔赴點的方向赤 溫 太陽表面的重 0溫 赤緯19.7太陽半 6.96×105公太陽的質(zhì) 1.99×1030千平均密 1.41克/厘米60000K的黑體輻射曲線最好。而60000K2100~2600埃區(qū)間，太陽0.40~0.76微米的可見光區(qū)，46%0.77微米的紅外區(qū)，小于0.4微米的紫外區(qū)的能量只占整個的8%。3.8波長(波長(m0.390-0.455-0.492-0.577-0.597-0.622-波長(m譜帶照度<紅>到的太陽輻射光譜存有許多吸60000K的黑體氮原子及大氣中的塵埃等物質(zhì)

3.8給出了大氣中某些3.8列出了對太陽紫外1216O21000埃的是叫做霍普菲強的O2吸收帶。N2吸收帶是由電離連續(xù)吸收所構(gòu)成。在電離過程中，原子或分子吸收的能量比移去電子所在可見光的紅區(qū)有兩個弱的吸收帶，在（0.7微米）O2A吸收帶，同時由此還可發(fā)現(xiàn)有氧的同位素帶18O和17O。的2.7微米帶略強一些，但它與水汽的2.7微米帶重疊一起。60000K的黑體輻射曲線最好。而60000K2100~2600埃區(qū)間，太陽46%0.40~0.76微米的可見光區(qū)，46%的能量位于大于0.77微米的紅外區(qū)，小于0.4微米的紫外區(qū)的能量只占整個的8%。 理，地球接收到的太陽輻射能Sr2(1a)與地球本身發(fā)射的紅外輻射T44r Sr2(1a)=T44r Te=[S(1a 300K200K發(fā)射3.19顯示了相應(yīng)地球大氣不同黑體溫度的發(fā)射輻射光譜分175-300K黑體輻射的圖3.19地氣發(fā)射紅外光譜和吸收氣 圖3.20顯示了大氣中輻射和能量轉(zhuǎn)換過程，太陽入射至地球的輻射通量平均約為到地氣系統(tǒng)的太陽輻射的31%反中大部分地表所吸收3.20

氣中某些微量氣體的選擇性吸收和弱選擇性吸收；(4)3.21給出有貢獻的氣體是：H2O（2.7m帶內(nèi)強線的遠翼吸收，3.2m弱帶，CO2（2.7m和4.3m帶的遠翼吸和4.05m處的弱帶吸收）和HDO(水的同位素)（中心在3.7m吸收帶N24.3m附近的壓力誘導(dǎo)連續(xù)吸收以及水透明的窗區(qū)，其中從360~385mm范圍內(nèi)基本上沒有2 這一窗區(qū)位于HO6.3m和2第五節(jié)???r以dL?)表示在?方向立體角dr

Lr(?)

?

L(?)(,?,? BRDF的能量積分。(,?,? ?

L(?)cosd=()F 3.233.233.23a3.23b中，表示準鏡??? r?r,? Fr=2/2ddsincoss()Fs(cos0cos)[ BRDF體身的意義而言，(3.127)式中的函數(shù)以具有(,?,?)=s(,?,?)+d(,?,? Lr(?)

dcos(,?,?)L(?

dcosd(,?,?)L(? Fresnelyy方程表示。Lr(?)=F

dcosd(,?,?)(coscos0)(=Fscos0d(,?0,? Fr(?) dcosLr(?)=Fs dcosd(,?,? (,

=dcos(,

,

FFscos F的比值。在實際中，?0,2)(,?0,2)=s(,?0,2)+d(,?0=dcoss(,Ω0,Ω)+dcosd(,Ω0,Ω 大多數(shù)自然表面，?0,2)只取決于入射射線方向的極角0BRDF是朗伯面，則(4.301)(,?,2)=()

/2dsin = 0d 如果大氣對太陽輻射的反照率為A(,?0)，而對向上漫輻射的反射率為A(,?0)，大氣的吸收率為aA(,?0)，則(,?0)=A(,?0)+[1A(,?0)-aA(,?0)]g(,?0×[1A(,?0 (3.g(,?0)=[(,?0)-A(,?0)]{[1A(,?0-aA(,?0)][1A(,?0 0.05-0.16-0.4

(0,)=n0kk (3.的反射率，其結(jié)果與實驗結(jié)果相一致。對于較亮的表面，k值增加，而對于很亮的表面，k，同時反射率接近于Lambert面。(0,) (3.式中n≡(1;1)在行星天體中稱之為法向反射率。這個計算公式滿足當法向觀測時(=1)射率最??；而當以掠角觀測時(0)最大。Lommel-Seeliger反射率公式也可計算入射角0（=900，(0,,) n0n

Cn=cosn，=cos1[(0+)/2(cos/2)]，n是散射波浪面法向與出現(xiàn)鏡面反射的天頂角之間的特殊角。項F(/2)Fresnel反射率。g(tan0)是在()方向鏡面貢獻的 tan2/g(tan0)=2

3.24中表示了不同含水量情況下的砂質(zhì)土壤的典型反射光譜曲線?？梢钥吹?，干燥的3.243.25

色植物，葉子吸收光進行光合作a、b兩種，所有的植物都含有a。植物葉子由微小的細胞未被吸收的被散射或透射。如圖3.25中，給出作物葉子的光學(xué)特400－700nm和紅(670nm)色，由于這個原因在550nm附近處（黃－綠區(qū)域）有一個最大的反射峰。700－1300中紅外區(qū)(1300－2500nm于葉子中水的含量的作用，主要吸收帶位1450nm、1950nm2500nm。在這些帶處葉子的反紅外波段(1.5~2.0m)降到的積雪有更大的反照率，因此在其它條件相同的情況下，可以由積雪的亮度一般來說，雪蓋下的地表對雪的反照率有明顯的影響，對于深度小于20cm的積雪，地表降低雪圖3.26土壤、水、植被和雪的光譜特 NDVI=ρ(ch2)ρ(ch1)D2D1=NIR ρ(ch2)ρ(ch1 D2 NIR

G=ρ(ch2)ρ(ch1)NIR ρ(ch)ρ(ch

NIR 表3.10給出了不同植被密度下通道1(0.58~0.68微米)和通道2(0.725~1.10微米)的反射率，和表 為對于不同植被狀態(tài)下的通道通道INDVI對綠色植被敏感，它可以用來監(jiān)測區(qū)域和全球尺度的植被狀態(tài)，同時也可對農(nóng)作物和半干旱地區(qū)降水量進行預(yù)測。當?shù)兔芏戎脖桓采w時，NDVI對觀測和照明的幾何

ksca

21p(cos (3.0c 2aef 2aef0c=

a

n

a

n (3. 外波段的單次反照率近似為1。

0.遙遙感意義的波段，衰減是云粒子吸收和散射兩者和其它次要氣體（特別是水汽）的結(jié)果，水汽對~0.5~2.5m3.25c 0r=f(a)/a2F=c 0

r( (3.,Ag=0.0，如前所述云的光學(xué)厚度決定于波長以及云滴譜，對于與波長有關(guān)的c、s、g、c的有效粒子半徑的反射。為了比較圖中不同譜段的曲可見光波段（0.65m），散射是守恒散射因此由于不對稱因子隨云滴尺度(re4m)增加（2）對于近紅外譜段（1.62m）,相似參數(shù)(和由此的云吸收)隨粒子尺度近似線性增加,3.28也揭示單個吸收波長的反射函數(shù)，一般不是唯一的。在所有近紅外譜帶中，在某些光學(xué)厚度和粒子半徑處，1m有效粒子半徑可看成同樣的反射函數(shù)。- 1g

(1g22gcos)3/

(3.3.132公里層云的光學(xué)特性(取自Welchet

總圖3.29相似參數(shù)為波長的半徑的函 圖8.13波長0.75m和2.16m的反射函云的光學(xué)厚度與粒子的有效半徑—由雙光譜反射函數(shù)決定云的光學(xué)厚度和云粒的有效半徑確定云的光學(xué)厚度與粒子的有效半徑的基本原