遥感大气效应及其纠正

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1、遥感大气效应及其纠正第一节大气光学特征第二节遥感数据中的大气影响第三节遥感大气纠正国科大暑期课20132013.7绪论授课教师牛铮，博士，研究员中国科学院遥感与数字地球研究所北京朝阳区大屯路，100101Tel.010-64889215E-mailniuz@irsa.ac.cn参考书目《遥感物理》，徐希孺编著，北京大学出版社，20051/7大气及其与电磁波相互作用大气是介于遥感传感器与地球表层之间的一层由多种气体及气溶胶等组成的介质层，当电磁波由地球表层传至遥感传感器时，大气是必经的通道大气对电磁波的作用主要可以归纳为两种物理过程，即散射与

2、吸收，大气的吸收与散射作用使遥感接收到的电磁波信息受到影响2/7消光截面在光散射和辐射传输领域中，通常用“截面”这一术语，它与几何面积类似，用来表示粒子由初始光束中所移除的能量大小。当对粒子而言时，截面的单位是面积（厘米2），因此，以面积计的消光截面等于散射截面与吸收截面之和。但当对单位质量而言时，截面的单位是每单位质量的面积（厘米2·克-1），这时，在传输研究中用术语质量消光截面，因而，质量消光截面等于质量散射截面与质量吸收截面之和。此外，当消光截面乘以粒子数密度（厘米-3）或当质量消光截面乘以密度（克·厘米-3）时，该量称为“消光系数”

3、，它具有长度倒数（厘米-1）的单位。3/7光学厚度(opticalthickness,opticaldepth)定义点s1和s2之间的介质的光学厚度为：并有：在实际应用中，τ的定义使τ永远是正数。4/7散射相函数（scatteringphasefunction）为描述电磁波被介质散射后在各个方向上的强度分布比例，引入散射相函数P(Ω,Ω’)，并且P(Ω,Ω’)/4π是归一化的，即：根据互易原理：因此同样有：物理意义：P(Ω,Ω’)/4π为方向Ω’的电磁波被散射到方向Ω的比例。5/7单次散射反射率（singlescatteringalbedo

4、）实际上辐射被介质散射的同时，也被介质吸收，即消光过程既包括散射，也包括吸收。单次散射反射率ω定义为辐射发生每一次消光（或简称散射）过程中，遭受散射的百分比。入射为1，散射后各个方向的总和（积分）即为ω6/7若将单次散射独立出来，大气中的辐射传输方程也可以写为：大气辐射传输方程7/7遥感大气效应及其纠正第一节大气光学特征第二节遥感数据中的大气影响第三节遥感大气纠正国科大暑期课20132013.7绪论大气效应及其纠正的主要工作在地表遥感中，大气影响是“噪声”，消除大气对遥感影像电磁波特征的影响，恢复其在地球表层的“本来面目”，就成为定量遥感不

5、可回避的问题另一方面，由于传感器接收的信号中带有大气的特征信息，因此可从中反演我们特殊关注的一些大气特征参数依据遥感图像直接或间接获得的大气参数向上、向下的大气遥感1/15大气成分(Composition)大气中包括3类物质：大气分子气溶胶水颗粒其中水颗粒（hydrometeors）包括云、雨滴、雪片、冰雹等。这类物质对于光学遥感是不“透明”的，因此不包括在遥感大气纠正或反演的研究中。薄云订正属图像处理范畴2/15光学遥感过程中，大气对电磁波的影响，通常可以分成三个部分：一是大气分子散射；二是气溶胶散射与吸收；三是特殊气体分子（如H2O、O

6、3）吸收。3/15大气分子散射大气分子的尺度通常为10-4μm，比光学遥感中入射辐射的波长小很多，因此大气分子对无偏振的太阳辐射的散射为瑞利(Rayleigh)散射。瑞利散射描述了均匀各向同性的小球粒子对电磁场进行散射后的结果，可归纳为2点：散射辐射强度正比于λ-4散射辐射在4π空间上的分布为(1+cos2Θ)4/15大气分子散射光学厚度小球散射辐射强度正比于λ-4，相当于散射截面正比于λ-4，因此光学厚度满足：如果知道某一波段λ0的光学厚度，则通过上式可计算出任一波段的光学厚度。另一种整层光学厚度的计算法可以表示为：大气分子在z=0处的散

7、射系数β比较固定，可以查表得到。HP=6~9km为大气分子的标高。当λ0=1μm时，第一个公式变成什么样子？5/15大气分子散射相函数由于发生瑞利散射时，散射辐射在4π空间上的分布为(1+cos2θ)，描述了散射能的角分布。根据归一化散射相函数的公式：得到瑞利散射的相函数为：上式仅与入射方向与出射方向夹角的余弦有关。旋转对称，前后对称6/15气溶胶消光气溶胶尺度通常大于光学遥感中入射辐射的波长或与其相同，此时散射作用只能用米氏(Mie)散射理论表达。米氏散射同样针对均匀各向同性的球粒子，且满足远场理论。米氏散射的结果，可归纳为2点：散射辐射

8、强度正比于λ-α，α=0~4散射辐射主要分布在前向7/15相比于大气分子而言，气溶胶的散射和吸收要复杂得多。主要体现在气溶胶的成分（粒子尺度和类型）变化多样。尽管每种粒子满足米氏