大气对遥感的影响

《大气对遥感的影响》参考译文

假如地球表面没有大气，所有波段的电磁能就会与地表面相互作用，并传输关于该表面的实际信息。尽管地球的大气是透明的，但适用于遥感的波段仅占电磁波谱中的一小部分。衰减较少的光谱段称为大气窗口，即使是在大气窗口，大气的影响有也非常大。气体、大的气溶胶引起大气的散射、吸收以及放射辐射能。因此，大气不仅是一个衰减器，同时也是辐射能的来源。所以，从地面传到高处遥感平台的信息会发生衰减和失真。大气散射和漫射的辐射能给信号增加了背景噪音。比如物体与其背景的表观对比度，或者物体的表面颜色会随着距离的变化而变化。同理，在红外、微波范围测量，地球表面的表观温度随着高度而变化。离开大气的漫辐射能同样也是地面光照度的来源之一。在遥感发展的初期，由于对大气的影响几乎不了解，大气的这些复杂影响因子没有被完全考虑。由此可以看出，大气是遥感中一个重要的、随处存在的棘手因子。

电磁波谱

电磁波谱是连续不断的电磁辐射，它的范围从频率最高、波长最短的Γ射线延伸到频率最低、波长最长的无线电波以及可见光。大致可将电磁波谱分为七个不同的区域：Γ射线、X 射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。

遥感涉及到电磁波谱中许多部分的能量测量。卫星传感器中主要利用的是可见光、反射或放射的红外线以及微波。这些辐射的测量发生在所谓的光谱段。光谱段定义为电磁波谱中相分离的间隔。例如，从0.4微米到0.5微米范围即为一个波段。

波长最短部分包括X射线和眼睛所能感知的可见光波段，位于0.39到0.76微米之间。在这波段内，波长和光的颜色有关：波长最短的是紫光，位于0.39.到0.455微米之间；波长最长的是红光，位于0.620到0.760微米之间。利用可见波谱的这些终点可区分波长比紫光还短的紫外线以及比红光还长的红外线。实际上，更长的波长不是红外线，而属于微波和无线电波（上百米）的范畴。

卫星传感器设计来测量特定波谱段的响应，以便能够区分主要的地面物体。有些传感器检测被反射的辐射，而有些检测放射的辐射。入射的太阳光或叫太阳辐射被地表和大气反射、吸收或传输。由于大气对这些辐射的散射和吸收，卫星传感器只能使用光谱中的某些特定窗口。电磁波谱中的窗口

遥感中重要的窗口贯穿波谱段，主要的大气窗口见表2.1。从表中可知，波长短于0.3微米的波谱段不对传感器开放，主要的大气窗口存在于可见光（包括近可见部分）、红外线和微波范围。大气对波长短于0.32微米的紫外线吸收非常强烈，因此到达地面的太阳能太少而不能满足遥感的需要。

第一个重要的大气窗口开始于0.3微米处，在可见光中有很好的透明度。该区域中的光子几乎未被吸收，但却被气态分子和烟雾、灰尘微粒散射，对遥感产生极大的影响。随之在近红外波段被打断，出现以水气为主的强吸收带（见图）。在热红外波段（4~14微米之间），由于水气和二氧化碳的震动-转动变化，产生强烈的吸收带。这些吸收波段将近红外和热红外区域分成一系列透明度适当、镶嵌着因吸收而被关闭的区域。

大气对电磁辐射的影响

所有的电磁辐射穿过太空到达大气的最外层，但并非都能到达地球表面。首先，大气会散射、吸收、反射一部分入射的太阳辐射。其次，在大气中传播的太阳辐射也会发生散射、吸收、反射。最后，被地球表面反射回传感器的电磁辐射也会被大气散射、吸收、反射。

入射的太阳辐射中，大约有35%被地球-大气体系反射：4%被地表反射；7%被大气反射；还有24%被云层反射。剩下的65%被地球-大气体系吸收：16%被大气吸收；2%被云层吸收；23%直接被地表吸收；其余的24%由于漫散射而间接被地表吸收。随后，被吸收的辐射又被辐射成长波辐射：60%由大气和云层；5%由地球表面。

大气对电磁辐射的影响是有选择的，这就意味着一些波长很容易通过大气，而其他的则会被诸如氧气、氮气、臭氧、二氧化碳的气体或水气反射、散射、吸收。能够不受阻拦的穿过大气的特定波长的电磁波谱区域称为透射波段或大气窗口，而完全或部分受阻的则称为吸收波段或大气盲区。氧气和臭氧有效的吸收Γ和X射线，而二氧化碳、氧气、水气则吸收红外、微波中不同部分的辐射。大气盲区的副作用在于，它限制了能够用来判别地表特征或情况的波长范围。

电磁辐射的散射

在大气中，电磁辐射会被气体、水气分子所散射。瑞利散射或分子散射是由大气上层约4.5公里处的氧气和氮气分子引起。这些分子比电磁辐射的波长还小，就长波和短波相比较而言，它们对后者的影响更大。因此，比起绿光或红光之类的长波，紫外线和蓝光波更容易被散射。如蓝光波的散射率是红光波的五倍。这也是天空总是呈现蓝色的原因，蓝光波可以从天空的任意部分进入人眼。

米氏散射或非分子散射发生在低层大气，这里有很多的微粒，诸如水气、烟、灰尘、火山喷出物以及由海浪气化而释放的盐状晶体。它们的半径大约是引起瑞利辐射分子的0.1到10倍。米氏散射比锐利散射更易于影响长波。

红色的日落是锐利散射和米氏散射联合作用引起的。因为较短的蓝光波被散射，只有红光波进入我们的眼睛。

象水滴这样的大微粒，对所有波长的光波散射程度都相同，这种现象称为非选择性散射，因为它对所有波长的光波作用一样。这就解释了为什么阳光所照射的云层表面呈白色。云中的水滴散射所有可见波谱的波长，从而产生白光。

天空光和霾

大气对电磁辐射的散射使得晴朗的天空成为照度的源泉。所以，地球表面在白天被来自天空的入射太阳辐射和漫辐射照亮。在没有阳光直接照射的阴影中，天空光防止了绝对黑暗的发生。当天空光降低可见度、使远处的景物出现蓝灰色时，它就变成霾，象面具一样，降低从空中、太空中传感器获得的图像的清晰度。

地球对电磁辐射的影响

通常，入射的太阳辐射有51%到达地球表面。其中，4%被反射回大气，其余的47%被地表吸收，随后以热红外的形式重新辐射。然而，不同的地表特征在反射或吸收入射太阳辐射时会有很大的差别。总的说来，强反射地面其吸收率就差。因此，有些表面或物体会反射大部分的辐射，而有些则会吸收大部分辐射。正是这些反射率的差别，让我们能够区分遥感影像上不同的特征和情况。

地表的反射率能够测量具体的波长或整个电磁波谱。物体的光谱反射比即为被该物体在某一波段反射的电磁辐射的百分比。物体的反射率是指在某一宽的或整个电磁波谱段反射率之和。反射率越高，表面的反射越强，遥感图像也会越亮。

光谱特征

在大范围的电磁波谱中测量，不同的物体可能会有相同的反射率；而在很窄的波段中测量，它们仍然会有不同的反射率。这些不同之处可以用来区分不同类型的物体。

物体的光谱特征是指在一系列波长范围内物体的反射形式。多光谱扫描仪能够在一系列不同的波段中探测被反射的电磁辐射。旧扫描仪设计了少量的光谱段为样本，这些波段都是为了特定的目的而精心挑选的。新式高光谱扫描仪能取样数百的波段，并为遥感的大范围应用提供潜能。

以光谱特征区分不同类型的表面或物体受到限制，因为光谱特征并不唯一。将有相似光谱特征的物体区分开是很难的，甚至不可能。光谱特征还取决于一天中的时间，因为阴影影响被反射的电磁辐射的图谱。