二、遥感物理基础(3)大气对太阳辐射的影响

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前言

本文内容较为枯燥，是遥感的物理原理，作者已经尽量去帮助读者理解了，无论是精细的阅读还是走马观花，长期下来都能提高读者对专业知识的理解；作者非物理专业，对某些知识点的总结仅是个人理解，如有问题，请指正！🙏

对于被动遥感而言，太阳辐射首先通过大气层到达地球表面，与地球表面的物体相互作用后，再次经过大气层被航空平台 (无人机)或航天平台 (卫星)传感器接收. 而大气对电磁辐射的吸收、散射、反射和投射作用，对遥感传感器接收信号影响很大；我们如果要解决大气对信号的影响，我们就需要对大气进一步了解，建立大气的数学模型；

1.大气结构与大气成分

地球大气层对太阳辐射的影响很大，主要体现在大气对辐射的吸收、散射以及反射作用；下图展示了大气层外侧太阳辐照度与地球表面海平面上测量到的太阳辐照度的区别。大气层内外陶阳辐射的差异就是由大气层造成的；

① 大气分层

大气分层
大气层是受到重力作用吸引，聚拢在地球表面的一层气体。地球上的大气层随着高等的增加逐渐稀薄。大气层的上界并无明显分界，一般将大气层的厚度定义为 1000km，从下往上分别为对流层、平流层、电离层以及外大气层。

气层	空间范围	特性	复杂程度
对流层	0-12 km	大气层最底层，与地表直接接触, 密度最大，包含整个大气层 75%的质量，温度与高度成反比	是天气变化最复杂的层，几乎所有气候现象都发生在对流层
平流层	12km-80 km	可分为同温层、暖层和冷层。空气密度与高度成反比，水蒸气含量可忽略不计，在 25 km-30km 臭氧含量很大，又称臭氧层，再往上到 55km又趋于 0	较为简单，但有高空飞行和通讯等需求
电离层	80km-1000 km	空气稀薄，无线电波会发生全反射现象，温度很高，上层 600°C~800°C 包含等离子体，具有较强的电离能力，日夜变化明显	复杂，受太阳活动影响较大
外大气层	大于1000km	受太阳风、高能粒子等影响，包括磁层和热层等，是地球与宇宙空间的交界，温度可达 1000°C 以上	不复杂

②大气成分

大气是由多种气以及固态、液态悬浮的微粒组合而成。大气的主要成分包括氮、氧 (这两者占比 99%以上)、臭氧、二氧化碳、一氧化氮、甲烷以及水蒸气、液态和固态水 (雨雾雪冰)、盐粒、尘烟 (不足1%的变量)组成。

2 . 大气对太阳辐射的影响

太阳辐射进入地球范围以后，其中约 30%的能量被云层和其他大气成分反射回宇宙空间，约 17%的能量被大气吸收，约 22%的能量被大气散射，仅有 31%左右的太阳辐射能量到达地面。大气反射对太阳辐射的影响最大，对遥感信息的接收造成严重影响。因此，目前在大多数遥感方式中，都只考虑在无云天气情况下的大气散射、吸收和衰减作用。

①大气对太阳辐射的反射作用

大气的反射作用表现为云层以及大气中较大颗粒的尘埃对太阳辐射的反射，其中云层的反射作用更加明显。不同的运粮、云状以及厚度对太阳辐射的反射作用也各不相同。对于遥感技术而言，在较低、较厚的云层状态下，光学传感器几乎接收不到任何地面实际物体的信息。

②大气对太阳辐射的散射作用

辐射在传播过程中遇到小颗粒而使传播方向发生改变，并向各个方向散开，这种现象称为散射 (scattering).。散射作用使得辐射在原传播方向减弱，其他方向的辐射增强。对于遥感传感器而言，太阳辐射经过经过与地物的相互作用后，在进入遥感传感器前，又会二次受到大气的反射与散射作用，同时经过两次散射的辐射同样会进入遥感传感器。

不同作用过程的散射增加了遥感传感器接收的噪声信号，造成了遥感影像质量的下降，因此在传输遥感影像的处理过程中，需要对数据进行辐射校正。

散射作用的实质是电磁波传输过程中产生的一种衍射现象，一般分为三种情况：

瑞利散射：指大气中的微小颗粒半径比电磁波的波长小很多的情况，一般由大气中各种原子和分子引起，又称分子散射。
米氏散射：当微粒的半径大小接近于或者大于入射光线的波长时，大部分光线会沿着前进方向进行散射，这种现象被称为米氏散射；其对红外线的影响不可忽视。
非选择性散射：当大气中的粒子直径远大于电磁波波长时，会发生非选择性散射，其散射程度与电磁波的波长无关，即任何波长的电磁波散射程度都相等。云雾看起来白色就是因为所有颜色的可见光大致等量散射，组合在一起形成白色。

颜色	波长 (nm)	散射率% (相对于红光)
紫外	<300	>30
紫色	380-450	5.4
蓝色	450-495	4.9
绿色	495-570	3.3
黄色	570-590	2.2
橙色	590-620	1.6
红色	620-750	1.0

③大气对太阳辐射的吸收作用

氧气

含量 21%
吸收波长 <0.2μm
吸收带
0.155μm (最强)
0.6-0.76μm (较弱)
<0.2μm (紫外线几乎全被吸收)

避免使用紫外波段

臭氧

含量 0.01%-0.1%
吸收波长 0.2μm-0.36μm
距地表 30 km，不影响航空遥感
吸收带
0.6 and 9.6μm (最强)

避免使用紫外波段
影响航天遥感

二氧化碳

含量 0.035%
吸收带
强吸收带
2.8μm
4.3μm
14.5μm

作用范围在红外区域，对太阳辐射的吸收可忽略
避免使用紫外波段

水

最重要的吸收介质
形态
气态
液态
吸收带
主要集中于红外以及微波部分
重点
2.5-3.0μm
5.0-7.0μm
0.94μm
1.13μm
1.38μm
1.86μm
3.24μm
大于24μm (微波)

3.大气窗口

地球的大气层对太阳辐射的反射、吸收和散射作用共同造成了太阳辐射的衰减，剩余部分即为太阳辐射能够透过的部分。对于遥感技术而言，选择透过率较高的电磁波段进行观测才有意义。

通常把电磁波通过大气层时，较少被反射、吸收、或者散射，透过率较高的电磁辐射波段称为大气窗口 (atmospheric window)。
遥感传感器的探测波段应该选择包含在大气窗口内，主要大气窗口及目前常用的遥感探测光谱如下：

大气窗口	波段范围	透射率	应用举例
紫外、可见光、近红外波段	0.3～1.155μm	70%-95%	摄影成像，Landsat 卫星的 TM 的 1～4 波段，SPOT 卫星的 HRV 波段
近红外窗口	1.4~1.9μm	60%-95%	探测植物含水量，云、雪或用于地质制图，TM 的 5、7 b 波段
近红外窗口	2.0~2.5μm	约 80%	-
中红外窗口	3.5~5.0μm	60%-70%	物体热辐射较强，NOVV 卫星的 AVHRR 遥感器用 3.55~3.93μm 探测海面温度，获得昼夜云图
热红外窗口	8.0~14.0μm	约 80%	夜间成像，测量探测目标的地物温度
微波窗口	1.0~1.8 mm	35%-40%	-
微波窗口	2.0~5.0 mm	50%-70%	-
微波窗口	8.0~1000.0 mm	约 100%	全天候、全天时工作特点，一般是主动遥感方式

请注意，这些数据仅供参考，实际情况可能会有所不同。

五、微波的散射特性

微波散射类型
微波遥感是指用微波的散射和辐射信息来分析、识别地物或提取专题信息。
地物对微波的散射常见有三种类型：

面散射 ：仅仅在两种介质的分界面上发生散射现象；
体散射 ：多个随机分布散射体，整体上起到某种同向同性散射的作用；
强散射 ：在多种情况下可能会产生，当其出现时，雷达回波信号非常强；

1 . 面散射

面散射信号的强度与反射面的粗糙度和反射面的介电常数有关，根据反射面的粗糙度可将面散射分为镜面散射和粗糙表面散射两种类型

①镜面散射

在讨论镜面散射时，假设镜面以下的介质是均匀的，透射进去的能量不再发生散射，最终会直接消失。此时可以根据散射回来的向量 $E^γ$ 与入射的向量 $E^i$ 计算该镜面的菲涅尔散射系数ρ。
$\frac{E^γ}{E^i}$
假设为微波在空气中没有任何损耗，则菲涅尔系数还可以用下式计算：
$ρ_{normal} = \frac{1-\sqrt{ε_γ}}{1+\sqrt{ε_γ}}$
这里的 $ε_γ$ 为介电常数，当其≥1时，菲涅尔散射系数为负数，这意味着散射回去的微波信号与入射信号相比在相位上发生了180°的变化，利用菲涅尔散射系数，可进一步计算镜面所在媒介的能量散射系数；
$R = |ρ^2|$
如干燥土壤中的介电常数为4，则能量散射系数为0.11，即仅11%的入射能量会被散射回微波传感器；而水体介电常数为81，则能量散射系数为0.6；因此在微波成像下，水体部分比干燥土壤部分更亮，继而可以用微波遥感监测土壤湿度的变化；