1、遥感图像分析遥感图像分析Analysis of Remote Sensing河南理工大学测绘学院河南理工大学测绘学院第五讲第五讲 地球大气及其电磁波传输特性地球大气及其电磁波传输特性为什么要研究地球大气及其对电为什么要研究地球大气及其对电磁波传输的影响？磁波传输的影响？一、地球大气一、地球大气二、大气传输特性二、大气传输特性三、大气窗口三、大气窗口主要内容重点重点1 1、地球大气的组成、地球大气的组成 2 2、大气层的结构、大气层的结构 一、地球大气1 1、地球大气的组成、地球大气的组成 成分含量：成分含量：分子分子和和其它微粒其它微粒。大气成份主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧大气成份
2、主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、氧化氮、氢化氮、氢( (不变成份不变成份) )、臭氧、水蒸气、液态和固态水、臭氧、水蒸气、液态和固态水( (雨、雾、雪、冰等雨、雾、雪、冰等) )、盐粒、尘埃、盐粒、尘埃( (可变成份可变成份) )等组成。等组成。一、地球大气不变成份不变成份：物质在：物质在8080公里以下的相对比例保持不变。公里以下的相对比例保持不变。可变成份可变成份：物质的含量随高度、湿度、位置的变化而：物质的含量随高度、湿度、位置的变化而变化。变化。大气厚度约为大气厚度约为1000km1000km，自下而上大致分为：，自下而上大致分为： 对流层对流层 平流层平流层 电离层电离层 大气
3、外层大气外层一、地球大气2 2、大气层的结构、大气层的结构 大气垂直分层与遥感平台的高度情况大气垂直分层与遥感平台的高度情况 太阳太阳公里公里25000250001500150010001000400400100100808055553030252512126 62 2300300110110气象卫星气象卫星通讯卫星通讯卫星3600036000公里公里资源卫星资源卫星气象卫星气象卫星800900800900公里公里电离层电离层侦察卫星侦察卫星航天飞机航天飞机150200150200公里公里电离层电离层电离层电离层气球气球O O3 3 层层飞机、气球飞机、气球飞机、气球飞机、气球飞机飞机5105
4、10-55-75-55-757010070100600800600800-55-55-55-552302302.72.710102525分子分子/ /厘米厘米3 38.68.610102424分子分子/ /厘米厘米3 31.81.810102424分子分子/ /厘米厘米3 34 410102222分子分子/ /厘米厘米3 34 410102323分子分子/ /厘米厘米3 310102121分子分子/ /厘米厘米3 31.31.310102020分子分子/ /厘米厘米3 310101010分子分子/ /厘米厘米3 310101111电子电子/ /厘米厘米3 310109 9电子电子/ /厘米厘米
5、3 3H H+ +H He e+F FD DC C外外 大大 气气 层层质子层质子层氦层氦层电电 离离 层层平平 流流 层层对对 流流 层层冷层冷层暖层暖层同温层同温层上层上层中层中层下层下层E对流层对流层对流层是空气作垂直运动而形成对流的一层，由于热对流层是空气作垂直运动而形成对流的一层，由于热量的传递产生许多天气现象。量的传递产生许多天气现象。高度：高度：0 01212kmkm。每升高每升高1 1km km ，气温下降，气温下降66 。不变成分不变成分：氮氮78.78.09%09%，氧，氧20.95%20.95%，其它，其它1%1%。可变成分可变成分：臭氧臭氧较少、较少、水蒸气水蒸气不固定
6、，不固定，液态和固态水液态和固态水随气象变化，近海面或盐湖上空含有随气象变化，近海面或盐湖上空含有盐粒盐粒，城市上空，城市上空和干旱无植被复盖的地区上空有和干旱无植被复盖的地区上空有尘烟微粒尘烟微粒。 电磁波的传输特性主要在对流层内研究电磁波的传输特性主要在对流层内研究。 一、地球大气平流层没有明显对流，是几乎没有天气现象的一层，平流层没有明显对流，是几乎没有天气现象的一层，电磁波的传输与对流层传输特征类似。电磁波的传输与对流层传输特征类似。高度：高度：121280 km80 km，分为同温层，暖层，冷层。，分为同温层，暖层，冷层。同温层同温层：121225 km25 km，-55-55暖暖
7、层层：252555 km55 km，252530 km30 km有有O O3 3 层层，7070100100冷冷 层层：555580 km80 km，-55-55-75-75一、地球大气平流层平流层高度：高度：80801000km1000km。顶部温度。顶部温度600600 800800。空气稀薄空气稀薄，高空气体分子（，高空气体分子（O O2 2、N N2 2）受太阳紫外辐射）受太阳紫外辐射的照射而电离成的照射而电离成离子和自由电子离子和自由电子状态，电子密度随状态，电子密度随高度而不同，从最低的高度而不同，从最低的D D层开始到层开始到E E、F F层，形成三个层，形成三个电离层。电离层。
8、主要作用主要作用是反射地面发射的无线电波。是反射地面发射的无线电波。遥感所用波段都比无线电波波长要短的多，因此可遥感所用波段都比无线电波波长要短的多，因此可以穿过电离层，辐射强度不受任何影响。以穿过电离层，辐射强度不受任何影响。一、地球大气电离层电离层高度：高度：1000Km1000Km以上。以上。100010002500 km2500 km是氦离子层。是氦离子层。2500250025000 km25000 km是氢离子，即质子层。是氢离子，即质子层。空气稀薄，已不是遥感关注的区间。空气稀薄，已不是遥感关注的区间。一、地球大气外大气层外大气层大气传播特性大气传播特性: :大气对电磁波传输的衰减
9、特性。大气对电磁波传输的衰减特性。大气对电磁波传输过程的影响包括：大气对电磁波传输过程的影响包括： 散射散射(scattering)(scattering) 吸收吸收(absorption)(absorption) 折射折射(refraction)(refraction) 反射反射(reflection)(reflection) 对遥感数据最主要的影响因素是对遥感数据最主要的影响因素是散射散射和和吸收吸收。二、大气传输特性1 1、大气折射、大气折射 电磁波穿过大气层时，会产生传播方向的改变，电磁波穿过大气层时，会产生传播方向的改变，也就是会发生折射现象。也就是会发生折射现象。二、大气传输特性
10、太阳还没升至地平线上，地面上已可以见到。太阳还没升至地平线上，地面上已可以见到。 大气折射大气折射 大气密度越大，折射率越大；离地面高度越大气密度越大，折射率越大；离地面高度越大，空气越稀薄，折射率也越小。大，空气越稀薄，折射率也越小。 电磁波在大气中传播的轨迹是一条曲线！电磁波在大气中传播的轨迹是一条曲线！ 主要发生在主要发生在云层顶部云层顶部，取决于云量和云雾，而，取决于云量和云雾，而且波段不同其影响不同，削弱了电磁波强度。且波段不同其影响不同，削弱了电磁波强度。 如果不是专门研究云层，尽量选择如果不是专门研究云层，尽量选择无云的天气无云的天气接收遥感信号，使大气的反射影响最小。接收遥感信
11、号，使大气的反射影响最小。二、大气传输特性2 2、大气反射、大气反射辐射传播中，若碰到小粒子，如气体中的尘埃、辐射传播中，若碰到小粒子，如气体中的尘埃、水滴等，使辐射向四面八方散去，电磁波的强度水滴等，使辐射向四面八方散去，电磁波的强度和方向发生各种变化，这种现象就是和方向发生各种变化，这种现象就是散射散射，散射散射的强度随波长而改变的强度随波长而改变。二、大气传输特性3 3、大气散射、大气散射 随着波长和微粒半径之间的关系随着波长和微粒半径之间的关系变化，散射形式有三种：变化，散射形式有三种： 瑞利散射瑞利散射 米氏散射米氏散射 无选择性散射无选择性散射二、大气传输特性3 3、大气散射、大气
12、散射由直径由直径d d 远远远远小于波长小于波长的微粒引起的散射。的微粒引起的散射。其散射能力与波长的关系：其散射能力与波长的关系： 1/ 1/4 4 特点：特点：1 1、波长愈短，散射能力愈强。、波长愈短，散射能力愈强。 2 2、前向散射与后向散射强度相同。、前向散射与后向散射强度相同。二、大气传输特性3 3、大气散射、大气散射- -瑞利散射瑞利散射在晴天，天空为什么呈蓝色？在晴天，天空为什么呈蓝色？由直径由直径d d与波长与波长相当的微粒引起的散射。相当的微粒引起的散射。微粒：水滴、尘埃、花粉、气溶胶、海上盐微粒：水滴、尘埃、花粉、气溶胶、海上盐粒。粒。特点：特点：1 1、较强的向前散射能
13、力、较强的向前散射能力 2 2、散射强度受气候影响大、散射强度受气候影响大云、雾对云、雾对红外线红外线的散射主要是米氏散射。的散射主要是米氏散射。二、大气传输特性3 3、大气散射、大气散射- -米氏散射米氏散射由直径由直径d d比波长比波长大得多的微粒引起的散射。大得多的微粒引起的散射。特点：特点：散射强度几乎与波长无关，各波段基本散射强度几乎与波长无关，各波段基本 一致。一致。 （非选择性的散射非选择性的散射）二、大气传输特性3 3、大气散射、大气散射- -无选择性散射无选择性散射云、雾为什么呈白色？云、雾为什么呈白色？电磁波经大气分子的散射，一部分转化为电磁波经大气分子的散射，一部分转化为
14、天空辐射天空辐射（光）（光），它与太阳辐射一起产生了对地面的照度，它与太阳辐射一起产生了对地面的照度，二者之间的比例随太阳高度角而变化，太阳高度角二者之间的比例随太阳高度角而变化，太阳高度角为为3030时，二者之比为时，二者之比为80%80%：20%20%。天空辐射（光）天空辐射（光）天空辐射照度天空辐射照度0 0100100202040406060808010010040400 0（% %）808060602020（% %）太阳辐射照度太阳辐射照度0000000000005550454035302520151050二、大气传输特性 改变太阳辐射的方向，削弱到达地面或地面向改变太阳辐射的方向，
15、削弱到达地面或地面向外的辐射。外的辐射。 产生漫反射的产生漫反射的天空光天空光( (或或天空辐射天空辐射) )，增强地面，增强地面的辐照和大气层本身的亮度。的辐照和大气层本身的亮度。 有时也能得到阴影下地物的部分影像信息。有时也能得到阴影下地物的部分影像信息。 使暗色地物表现得更亮，使亮地物表现得要暗。使暗色地物表现得更亮，使亮地物表现得要暗。 增加信号中的噪声成分，影像偏色、反差降低。增加信号中的噪声成分，影像偏色、反差降低。 尽量减少或消除天空光的影响，如加特制滤光尽量减少或消除天空光的影响，如加特制滤光片的方法。片的方法。散射的影响散射的影响二、大气传输特性大气吸收是大气吸收是大气分子接
16、收大气分子接收电磁波辐射能电磁波辐射能量而转换成大量而转换成大气分子热运动气分子热运动的一种形式。的一种形式。二、大气传输特性4 4、大气吸收、大气吸收大气中的主要吸收体是：大气中的主要吸收体是：臭氧臭氧、二氧化碳、水蒸气、二氧化碳、水蒸气。10010080806060404020200 00.40.40.70.72 2O O2 23 34 46 68 8141410001000COCO2 2O O3 3H H2 2O OH H2 2O OH H2 2O OH H2 2O OH H2 2O OCOCO2 2COCO2 2O O3 3COCO2 2二、大气传输特性4 4、大气吸收、大气吸收定义：
17、定义： 电磁波辐射在大气传输中透过率比较高的波段。电磁波辐射在大气传输中透过率比较高的波段。 三、大气窗口10010080806060404020200 00.40.40.70.7 2 2 3 34 46 68 8141410001000透透过过率率目前，在目前，在RSRS成像中使用的大气窗口为：成像中使用的大气窗口为：（1 1）0.3-1.150.3-1.15微米：包括部分紫外光、全部可见光和部微米：包括部分紫外光、全部可见光和部分近红外光。分近红外光。其中：其中： 0.3-0.40.3-0.4mm，透过率约为，透过率约为70%70%。 0.4-0.7 0.4-0.7mm，透过率大于，透过率
18、大于95%95%。 0.7-1.1 0.7-1.1mm，透过率约为，透过率约为80%80%。（2 2）1.4-1.91.4-1.9mm：近红外窗口，透过率在：近红外窗口，透过率在60%95%60%95%之间之间，其中其中1.55-1.751.55-1.75mm透过率较高。透过率较高。（3 3）2.0-2.52.0-2.5mm：近红外窗口：近红外窗口，透过率为，透过率为80%80%。（4 4）3.5-5.03.5-5.0mm：中红外窗口：中红外窗口，透过率为，透过率为60%70%60%70%。（5 5）8.0-14.08.0-14.0mm：热红外窗口：热红外窗口，透过率为，透过率为80%80%。
19、（6 6）1.0-1.81.0-1.8mmmm：微波窗口：微波窗口，透过率约为，透过率约为35%40%35%40%左右。左右。（7 7）2.0-5.02.0-5.0mmmm：微波窗口：微波窗口，透过率在，透过率在50%70%50%70%之间。之间。（8 8）8.0-10008.0-1000mmmm：微波窗口：微波窗口，透过率为，透过率为100%100%。三、大气窗口讨论：讨论： 进入传感器的太阳辐射组成情况？进入传感器的太阳辐射组成情况？LP主要的部分主要的部分L LS S是地物直是地物直接反射的太阳辐射；接反射的太阳辐射；L LP P是大气的散射没有到是大气的散射没有到达地面就直接进入传感达
20、地面就直接进入传感器的部分器的部分（程辐射）（程辐射）；L LD D是漫入射辐射射入地是漫入射辐射射入地面，又反射到大气中，面，又反射到大气中，再进入传感器的部分。再进入传感器的部分。（天空辐射）（天空辐射）LSLDL=LS+LP+LD本节重点：本节重点： 大气传输特性和大气窗口大气传输特性和大气窗口思考题：思考题： 1 1、为什么早上的太阳是红色的？、为什么早上的太阳是红色的？ 2 2、说明晴天、阴天在相同条件下，全色像片摄、说明晴天、阴天在相同条件下，全色像片摄 影影像反差不同的原因。影影像反差不同的原因。 3 3、为什么微波对大气具有较强的穿透能力？、为什么微波对大气具有较强的穿透能力？ 4 4、遥感波段为什么选择大气窗口？、遥感波段为什么选择大气窗口？预习：遥感平台预习：遥感平台小 结
