遙感物理5.1.ppt

1、第五章 大氣效應(yīng)及其糾正,遙 感 物 理,第一節(jié) 大氣基本特性, 5.1.1 大氣組成 5.1.2 大氣光學(xué)特征,大氣及其與電磁波相互作用,大氣是介于遙感傳感器與地球表層之間的一層由多種氣體及氣溶膠等組成的介質(zhì)層，當電磁波由地球表層傳至遙感傳感器時，大氣是必經(jīng)的通道 大氣對電磁波的作用主要可以歸納為兩種物理過程，即散射與吸收，大氣的吸收與散射作用使遙感接收到的電磁波信息受到影響,1/8,大氣效應(yīng)及其糾正的主要工作,在地表遙感中，大氣影響是“噪聲” ，消除大氣對遙感影像電磁波特征的影響，恢復(fù)其在地球表層的“本來面目” ，就成為定量遙感不可回避的問題 另一方面，由于傳感器接收的信號中帶有大氣的特征

2、信息，因此可從中反演我們特殊關(guān)注的一些大氣特征參數(shù),2/8,依據(jù)遙感圖像直接或間接獲得的大氣參數(shù) 向上、向下的大氣遙感,大氣成分(Composition),大氣中包括 3 類物質(zhì)： 大氣分子 氣溶膠 水顆粒,其中水顆粒（ hydrometeors ）包括云、雨滴、雪片、冰雹等。這類物質(zhì)對于光學(xué)遙感是不“透明”的，因此不包括在遙感大氣糾正或反演的研究中。,3/8,薄云訂正屬圖像處理范疇,大氣分子(Atmospheric Molecule),大氣分子包括 ： 氮氣、氧氣、氬氣等穩(wěn)定成分，占99.9% 水汽、二氧化碳、臭氧、硫化物、氮氧化物、氨氣等隨時空變化較大的成分,在遙感大氣糾正的研究中，穩(wěn)定成

3、分的影響在各波段都很穩(wěn)定，通常稱為大氣分子影響糾正； 變化大的成分在大氣中的數(shù)量雖少，但是足以影響部分波段的糾正效果。另外，很多研究希望利用遙感反演特定時間、特定地區(qū)、特定微量氣體在大氣中的含量。,4/8,臭氧的特殊性 微量氣體的影響主要體現(xiàn)為吸收,大氣垂直廓線( Profile ),5/8,左圖為美國標準大氣溫度廓線，即溫度隨高度變化的輪廓曲線。 大氣溫度廓線基本是穩(wěn)定的，而大氣濕度廓線則隨天氣變化劇烈。 大氣壓隨高度變化相對穩(wěn)定。單位高度上的壓強與溫度和摩爾數(shù)（mol）成正比。,近地表每上升1km，下降6.5,6/8,大氣壓受摩爾數(shù)或密度的影響更強，兩者的變化趨勢幾乎一致。 大氣壓強（P）

4、隨高度（Z）的變化可以擬合成（HP為標高（scale height）8.4km） p(z) = p(0) exp (-z/HP) 大氣密度廓線同樣適用上述公式（HP數(shù)值稍有變化）。,氣溶膠(aerosol),大氣氣溶膠是懸浮于大氣中、具有一定穩(wěn)定性、沉降速度小的、尺度在10-310m的液態(tài)或固體粒子，依據(jù)來源和構(gòu)成成分，可以分為海洋型、鄉(xiāng)村型、城市型等不同類型。,7/8,8/8,真實大氣中的氣溶膠構(gòu)成復(fù)雜，各種尺度、各種類型的粒子混雜其中，構(gòu)成一種綜合效應(yīng)。 氣溶膠隨時空變化很大，在遙感大氣糾正的研究中，氣溶膠影響更大、更復(fù)雜； 氣溶膠往往構(gòu)成云雨的核； 氣溶膠會增加地球?qū)μ栞椛涞姆瓷?，以?/p>

5、阻止地球長波輻射向外太空的逃逸，影響著全球氣候和能量平衡。,第五章 大氣效應(yīng)及其糾正,遙 感 物 理,第一節(jié) 大氣基本特性,5.1.1 大氣組成 5.1.2 大氣光學(xué)特征,大氣效應(yīng),光學(xué)遙感過程中，大氣對電磁波的影響，通?？梢苑殖扇齻€部分： 一是大氣分子散射； 二是氣溶膠散射與吸收； 三是特殊氣體分子（如H2O、O3）吸收。,1/14,大氣分子散射,大氣分子的尺度通常為10-4m，比光學(xué)遙感中入射輻射的波長小很多，因此大氣分子對無偏振的太陽輻射的散射為瑞利(Rayleigh)散射。 瑞利散射描述了均勻各向同性的小球粒子對電磁場進行散射后的結(jié)果，可歸納為2點：,散射輻射強度正比于-4 散射輻射在

6、4空間上的分布為(1+cos2),2/14,大氣分子散射光學(xué)厚度,小球散射輻射強度正比于-4，相當于散射截面正比于-4，因此光學(xué)厚度滿足：,3/14,如果知道某一波段0的光學(xué)厚度，則通過上式可計算出任一波段的光學(xué)厚度。 另一種整層光學(xué)厚度的計算法可以表示為：,大氣分子在z=0處的散射系數(shù)比較固定，可以查表得到。HP =69km為大氣分子的標高。,當0=1m時，第一個公式變成什么樣子？,作業(yè)1： 請證明整層光學(xué)厚度可以表示為： 查表得到，=0.63m處，(0)=6.69*10-3(km-1)。假設(shè)大氣分子的標高為8km，請給出 =0.83m處大氣分子的整層光學(xué)厚度值。,4/14,大氣分子散射相函

7、數(shù),由于發(fā)生瑞利散射時，散射輻射在4空間上的分布為(1+cos2)，描述了散射能的角分布。根據(jù)歸一化散射相函數(shù)的公式：,5/14,得到瑞利散射的相函數(shù)為：,上式僅與入射方向與出射方向夾角的余弦有關(guān)。,旋轉(zhuǎn)對稱，前后對稱,氣溶膠消光,氣溶膠尺度通常大于光學(xué)遙感中入射輻射的波長或與其相同，此時散射作用只能用米氏(Mie)散射理論表達。米氏散射同樣針對均勻各向同性的球粒子，且滿足遠場理論。 米氏散射的結(jié)果，可歸納為2點：,散射輻射強度正比于-，=04 散射輻射主要分布在前向,6/14,相比于大氣分子而言，氣溶膠的散射和吸收要復(fù)雜得多。主要體現(xiàn)在氣溶膠的成分（粒子尺度和類型）變化多樣。 盡管每種粒子滿

8、足米氏散射理論，但是由于其參數(shù)，包括粒子尺度、折射率等不一樣，得到的理論結(jié)果也不一樣。其整體結(jié)果是各種成分的綜合體現(xiàn)。 因此不同類型的氣溶膠（如大陸型氣溶膠與海洋型氣溶膠）的光學(xué)厚度、單次散射反射率、散射相函數(shù)等光學(xué)參數(shù)均不相同。,7/14,氣溶膠光學(xué)厚度,類似大氣分子，氣溶膠光學(xué)厚度滿足：,8/14,(1m)稱為Angstrom大氣渾濁度參數(shù)。取值與粒子平均半徑有關(guān)（氣溶膠由多種尺度的粒子構(gòu)成，各尺度的比例可由尺度譜表示）。,海洋型氣溶膠相比于大陸型含有較少但較大的粒子 瑞利散射的區(qū)別,表中數(shù)值與波長有關(guān)。取值通常介于02。,9/14,氣溶膠整層光學(xué)厚度的也可以表示為：,氣溶膠在z=0處的消

9、光系數(shù)與氣溶膠類型，即粒子尺度譜和氣溶膠數(shù)量有關(guān)，變化較大。HP為氣溶膠的標高，取12km。 Singh(1988)給出在晴朗大氣下，氣溶膠整層光學(xué)厚度為：,表中折射率對應(yīng)為波長=0.5微米。,氣溶膠散射相函數(shù),氣溶膠散射輻射主要分布在前向，由于是球形粒子，散射相函數(shù)依然旋轉(zhuǎn)對稱。對于給定類型粒子，散射輻射空間分布可以通過采用米氏散射精確計算出來。 實際應(yīng)用中，任何類型氣溶膠都是多種類型粒子的組合。與光學(xué)厚度一樣，氣溶膠散射相函數(shù)與氣溶膠類型密切相關(guān)，粒子尺度譜、折射率等都會對其產(chǎn)生影響，得不到明確的表達式。因此經(jīng)常采用半經(jīng)驗公式。,10/14,同一種氣溶膠類型具有大致一致的光學(xué)參數(shù),一個常用

10、的氣溶膠散射相函數(shù)公式為Henyey-Greenstein模型。,11/14,其中g(shù)為不對稱因子（參見1.3節(jié)）。大氣分子g=0；氣溶膠g0 。沙塵暴中氣溶膠粒子平均半徑在0.5m左右，在=0.55m處，g0.8。對于云滴和雨滴，g的數(shù)值更大。,作業(yè)2： 請證明Henyey-Greenstein模型表征的散射相函數(shù)： 是歸一化的。,12/14,氣溶膠單次散射反射率,氣溶膠單次散射反射率差別較大。 Waggoner(1981)對美國氣溶膠給出：,13/14,Shettle(1979)給出：,特殊氣體分子吸收,在光學(xué)遙感大氣校正中，特殊氣體分子吸收主要指H2O、O3在某些波段的吸收。 由于特殊氣體在大氣中含量極少，其散射作用可以忽略不計。 Fraser(1985)給出610100nm處，其吸收的光學(xué)厚度約為0.0