2-3遥感物理基础-4大气对电磁波的影响

第二章 遥感物理基础
Physical basis of remote sensing
• 2.1 电磁波与电磁波谱(Electromagnetic wave and the electromagnetic spectrum) • 2.2 物体电磁波发射特性(Electromagnetic emission characteristics of the object) • 2.3 地物的电磁波反射特性(Electromagnetic wave reflection characteristics of the ground object) • 2.4 大气对电磁波传输的影响(Atmospheric effects on electromagnetic wave transmission)
LDCM增设1和9波段，Why？
4 辐射传输方程
(Radiation transfer equation)
1 ） 地物反射太阳辐射
Variou s Path s of S ate l li te Re ce ive d Radian ce
Remo te s en so r d et ecto r
大气结构
（structure of the atmosphere）
外层Exosphere ：电离层顶以 上的大气，是地球大气向星际 空间过度的层次。 特点： 1. 空气极其稀薄； 2. 温度很高，而且随高度升 高，1000℃； 3. 引力小，高速运动的分子 可逃逸至宇宙空间。
2 大气对电磁辐射的影响
• 在大气中的相对含量：
– 不变成分（80km以下相对比例保持不变）：主 要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化 氮、氢； – 可变成分：臭氧、水蒸气、液态和固态水（雨 、雾、雪、冰等）、盐粒、尘烟
大气结构
（structure of the atmosphere）
对流层Troposphere：大气的最低层， 自地面到 8—18km，平均12km。 特点： 1剧烈的垂直对流运动，气温随高 度的升高而降低（-0.6℃/100m）， why？ 2空气密度大，水汽含量不固定， 1.2-3km云分布，尘烟多。 3该层大气吸收、散射引起电磁衰 减，是电磁波传输的主要研究内容。
• 散射对遥感数据的影响
– 对反射辐射成分的改变 – 改变传感器所接受的电磁波信 息
• 大气散射集中于太阳辐射能 量较强的可见光区。
散射类型、特点？读P27-29
散射的方式随电磁波 长与大气分子直径、 气溶胶微粒大小之间 的相对关系而变，主 要有：
– 1)瑞利(Rayleigh) 散射？ – 2)米氏(Mie)散射？ – 3)非选择(Nonselective)散射？
源自文库
E Ｅ
100%

E Ｅ
100%
反射波谱曲线？
3 植被、水体、土壤光谱曲线特征？
4 影响地物光谱反射率变化的主要因素？
5 光谱测量原理？
I ( ) ( ) S ( ) I S ( )
遥感过程
5.平台、 传感器
1.能源 8.应用 4.大气传播
2.大气传播
Date Acquired：1999/09/10
3 大气窗口Atmospheric window ？ 读P27
大气窗口
大气窗口
紫外可见光近 红外
波段
0.3～0.4μm 0.4～0.7μm 0.7～1.15μm
透射率/%
70 95 80
应用举例
TM1-4、SPOT的HRV
近红外
中红外 热红外 微波
T
0
2 Diffuse sky irradi ance Ed
T
v Atmo sp h ere
1
4
1,3,5
v
3
0
5
LI
Reflect ance from Reflect an ce fro m nei ghboring area, s tu dy area,
rn
r
1 ） 地物反射太阳辐射
自然照明下 的植被的反 射光谱
0.80
0.60
ASD FieldSpec FR Vegetation Reflectance Solar Illumination Normal Humidity
0.40
0.20
0.00 400 900 1400 Wavelength (nm) 1900 2400
1 FieldSpec FR Spectroradiometer Reflectance of Vegetation
大气结构
（structure of the atmosphere）
平流层Stratosphere ：从 对流层顶到 55km 高度为 平流层。 特点——气流以水平运 动为主，气温随高度的升 高不变或微升（？），大 气透明度良好。大气平稳， 天气晴朗。 25-30 km：臭氧层，温度 可达70-100℃
T
0
2 Diffuse sky irradi ance Ed
T
v Atmo sp h ere
1
4
1,3,5
7. 遥感图像处理 与信息提取
6.接收 3.地表发射 与反射
2.4 大气对电磁波传输的影响
1 大气成分和大气分层结构(Atmospheric composition & Hierarchical structure)
• 1 大气成分(Atmospheric composition)？
– 地球大气由多种物质混合组成，包括干洁空气、水汽、 悬浮尘粒和杂质等。 – 干洁空气（干空气）：不包含水汽和固体杂质的整个混 合气体；
1.3～2.5μm
3.5～5.0μm 8～14μm 1.0～1.8mm 2～5mm 10～1000mm
60～95
60～70 80 35～40 50～70 100
TM5、TM7
NOAA的AVHRR TM6 Radarsat
Aster与ETM+波段设置
Aster为什么不设蓝波段？
考虑大气散射损失
ETM波段设置
Tot al radiance L at t he s ensor S Sol ar E 0 irradi an ce 90 Lp LT
T
0
2 Diffuse sky irradi ance Ed
T
v Atmo sp h ere
1
4
1,3,5
v
3
0
5
LI
Reflect ance from Reflect an ce fro m nei ghboring area, s tu dy area,
• ①主要成分：N2 78％ 、O2 21％ 、Ar，占干空气容积的 99.97％ 、占干空气质量的 99.95％； • ②次要成分：CO2、O3、CO、CH4、H2S、SOx 等等。 • 干空气中，以氮、氧、二氧化碳、臭氧最重要。
– 其他微粒：烟、尘埃、雾霾、小水滴、气溶胶
大气成分(Atmospheric composition)
Variou s Path s of S ate l li te Re ce ive d Radian ce
Remo te s en so r d et ecto r
Tot al radiance L at t he s ensor S Sol ar E 0 irradi an ce 90 Lp LT
T
0
2 Diffuse sky irradi ance Ed
T
v Atmo sp h ere
1
4
1,3,5
v
3
0
5
LI
Reflect ance from Reflect an ce fro m nei ghboring area, s tu dy area,
rn
r
1 ） 地物反射太阳辐射
– 植被、土壤、水体、岩石、城市地物
• 5影响地物光谱反射率变化的主要因素？ • 6地物波谱特性的测量？
1 实际地物的反射？
• 2 反射率与反射波谱Reflectance and reflectance spectroscopy
– 反射率：物体反射的辐射通量占总入射通量的 百分比。

光谱反射率？
Atmospheric Refraction
Incident Norm al t o radiant energy t he surface Optically less dense atmosphere n = index of 1 refraction for t his layer of 1 t he at mosphere
Variou s Path s of S ate l li te Re ce ive d Radian ce
Remo te s en so r d et ecto r
Tot al radiance L at t he s ensor S Sol ar E 0 irradi an ce 90 Lp LT
rn
r
1 ） 地物反射太阳辐射
Variou s Path s of S ate l li te Re ce ive d Radian ce
Remo te s en so r d et ecto r
Tot al radiance L at t he s ensor S Sol ar E 0 irradi an ce 90 Lp LT
瑞利散射Rayleigh scattering
R
I 4
米氏散射Mie scattering
R
I
2
无选择性散射Non-selective scattering
R
散射：蓝天
散射：蓝天
散射：朝霞
散射：夕阳红
3大气对电磁辐射的影响：大气折射Refraction
复习：2.3 地物的电磁波反射特性 (Electromagnetic wave reflection characteristics of the ground object) • 1地物的反射类型
– 镜面反射、漫反射和方向反射
• 2反射率与反射光谱？ • 3不透明地物发射率与反射率关系？ • 4不同地物的反射波谱特征？
大气结构
（structure of the atmosphere）
中间层Mesosphere ：从平流层 顶到 80km 高度。 特点——温度随高度升高迅速降 低存在强烈的垂直对流，所以该 层又称为高空对流层。
大气结构
（structure of the atmosphere）
电离层Thermosphere ：从中 间层顶到 800km 高空。 特点： 1. 空气稀薄，以氧原子为主； 2. 温度因大气强烈吸收太阳 紫外辐射而随高度上升迅 速升高； 3. 高度电离。它能够反射无 线电波，利于通讯；常常 出现极光。
2 大气对电磁辐射的影响：大气吸收 Absorption
氧气（O 2 ）
臭氧(O 3 )
二氧化碳(CO 2 )
水汽Water vapor
水汽Water vapor
FieldSpec FR Reflectannce of Vegetation
1.00
Water band noise (This is right!)
P at h of energ y in h omo g en eo u s atmos p here
n 2 Optically more dense atmosphere n 3 Optically less dense atmosphere
2
3
P ath of radiant energy affected by atmospheric refraction
®
人工照明条 件下的植被 反射光谱
0.8
Reflectance
0.6
ARTIFICIAL ILLUMINATION
0.4
0.2
0 500 1000 1500 Wavelength (nm) 2000
3大气对电磁辐射的影响：大气散射 Scattering
• 大气散射:
– 辐射在传播过程中遇到小微粒 而使传播方向改变，并向各个 方向散开。
折射与两小儿辩日？
3 大气对电磁辐射的影响：大气反射 Reflection
• 电磁波传播过程中通过两种介质的交界面上时，还 会出现反射现象，这种反射同样满足反射定律。 • 通过大气时，气体、尘埃反射作用很小。反射现象 主要发生在云层顶部，取决于云量和雾量，而且各 个波段均受到不同程度的影响，严重地削弱了电磁 波强度。 • 因此，如果不是专门研究云层，尽量选择无云的天 气接收遥感信号，则不用考虑大气的反射。