大气对可见光波段遥感图像影响因素的分析

大气对可见光波段遥感图像影响因素的分析大气对可见光波段遥感图像影响因素的分析第16卷第2期(2011)甘音高坪孑才艮Vo1.16No.2(2011)大气对可见光波段遥感图像影响因素的分析Y-'N科薛玉峰李志鹏(陇南师范高等专科学校科学系,甘肃成县742500)摘要:太阳是可见光波段遥感主要辐射源,太阳辐射通过地球大气二次传递至传感器时,其接收到的辐射强度与太FEl辐射到达地球大气层顶的辐射强度相比,已有了很大的变化,特别是传至遥感器的地面反射太阳辐射强度受到了削弱,同时大气也是遥感图像畸变的主要原因,故在遥感测量时大气层的影响应加以考虑以消除地球大气对太阳辐射产生的重要影响.基于此,本文主要探讨了可见光波段大气对遥感图像的影响因素并对其分析.关键词:大气;可见光;遥感图像;影响中图分类号:P422文献标识码:A文章编号:1008—9020(2011)02—054—03遥感是2O世纪60年代发展起来的一门对地观测综合性技术.从现实意义上来看,一般称遥感是通过某种传感器装置,在不与研究对象直接接触的情况下,获取其特征信息,并对这些信息提取,加工,表达和应用的一门技术_l_.根据电磁波的工作波段不同可以将遥感分类为:紫外遥感,其探测波段在0.3,0.38um之间;可见光遥感,其探测波段在0.38,0.76um之间;红外遥感,其探测波段在0.76,14um之间;微波遥感,其探测波段在lmm,lm之间;多光谱遥感,其探测波段在可见光与红外波段范围之内.其中,可见光段是传统航空摄影侦察和航空摄影测绘中最常用的工作波段.因感光胶片的感色范围正好在这个波长范围,故可得到具有很高地面分辨率和判读与地图制图性能的黑白全色或彩色影像.但因受太阳光照条件的极大限制,加之红外摄影和多波段遥感的相继出现,可见光遥感已把工作波段外延至近红外区.地球表面处于大气圈包围中,假如地球表面没有大气,所有波段的电磁能就会与地表面相互作用,并传输关于该表面的实际信息尽管地球的大气是透明的,但适用于遥感的波段仅占电磁波谱中的微小部分.大部分能量在气体分子,大的气溶胶,固体颗粒引起大气的散射,吸收等作用下损失.因此,大气不仅是一个衰减器,同时也是辐射能的来源所以,从地面传到高处遥感平台的信息会发生衰减和失真.大气散射和漫射的辐射能给信号增加了背景噪声,降低了物体与其背景的对比度.在遥感发展的初期,由于对大气的影响几乎不了解,大气的这些复杂影响因子没有被完全考虑,图像失真严重,这对地表信息的获取产生很大的影响.由此可以看出,大气是遥感中一个重要的,随处存在的棘手因子.太阳辐射透过地球的大气"外衣"到达地表,在到达地表的过程中部分波段能量不易通过,而有些波段能量容易通过,我们把这些波段叫做大气窗口,经过大气窗口到达地面的太阳辐射与地表相互作用或吸收,散射和反射,其中地表反射能携带地表信息经过大气传播被遥感器接收成像,但此时由于受到大气层影响遥感图像出现变形,失真.基于此,本文探讨了可见光波段大气引起遥感图像质量下降的主要因素.1.太阳辐射及大气组成1.1太阳辐射太阳是一个电磁辐射源,其辐射特性与5800K黑体辐射特性基本一致,是遥感的主要能源.太阳的辐射波谱从X射线一直延伸到无线电波.太阳辐射是连续谱,但在高分辨率光谱仪下观察,会发现有约26000条离散的暗谱线,叫夫琅和费吸收线,是由太阳光球层中原子的共振吸收所致.太阳辐射透过大气层时,通过的光程越长,则大气对太阳辐射的吸收,反射和散射量越多,即太阳辐射衰减的程度也越大.到达地面的辐射通量便越小.地面接收的太阳辐照度与太阳天顶角0有关.在忽略大气损失的情况下,可近似认为地面辐照度E与cos0成正比.E=eoss0?EoID(1)是太阳常数,一个描述太阳辐射能流的物理量.0是太阳光线入射方向与天顶方向的夹角.D是以日地平均距离为单位的日地之间的距离目.1.2大气的主要成分大气层或大气圈是围绕着地球的一层空气,是地球外圈中最外部的气体圈层,包围着海洋和陆地.大气圈没有确切的上界,在2000,16000千米高空仍有稀薄的气体和基本粒子存在.大气主要由干洁大气(即干空气),水汽和悬浮在大气中的固液态杂质等三部分组成.(1)干洁大气最主要的成分是为氮,氧,氩约占大气的99.9%,其他气体,如二氧化碳等总量约占0.05%(2)水汽主要来自江,河,湖,海,潮湿陆面的水分蒸发以收稿日期:2010—12—11作者简介:王润科(1976一),男,甘肃文县人,讲师.研究方向:遥感,地图学与地理信息系统54第16卷第2期(2011)王润科等:大气对可见光波段遥感图像影响因素的分析Vo1.16No.2(2011)及植物表面的蒸腾.平均含量占总量不到0.5%.水汽主要集中在2-3km以下大气层中.水汽在天气气候变化中扮演了重要角色:水汽是实际大气中唯一能在自然条件下发生气,液,固三态相变的成分,它的相变会引起云,雾,雨,雪等一系列的天气现象产生,并伴随有热能释放和吸收过程;水汽能强烈吸收地面辐射并向地面和周围大气放出长波辐射.(3)杂质:在大气中悬浮着各种固体和液体微粒统称为杂质.杂质主要有气溶胶粒子,它是低层大气的重要组成部分,其液体质粒可以使水汽凝结成为水滴和冰晶,对成云致雨有重要作用.它的存在对大气中的物理过程和物理现象的产生有着极大的作用:吸收太阳辐射,使空气温度增高,但也削弱了到达地面的太阳辐射;缓冲地面辐射冷却,部分补偿地面因长波有效辐射而失去的热量;降低大气透明度,影响大气能见度;充当水汽凝结物,对云,雾及降水的形成有重要意义.2.大气对遥感图像影响因素分析光线在大气中传播时,不能向无线电波那样导线,波导作用传输,在大气中传播的可见光易被云雾,雨滴,灰尘吸收,散射和反射,这些因素对遥感图像产生了很大的影响,使遥感图像变形,模糊和失真.2.1大气的吸收作用太阳辐射穿过大气层时,大气中的水汽,氧,臭氧,二氧化碳和固体杂质对太阳辐射有明显的吸收作用,而其他成分对太阳辐射的吸收很少.完全没有吸收的绝对透明介质是不存在的,不同成分对太阳辐射吸收的波长范围也不同,所以通常称为选择性吸收.吸收作用使辐射能量转变为分子的内能,其主要原因是在太阳辐射的作用下,大气分子会发生电子跃迁或分子振动能级跃迁以及分子转动能级跃迁.正是由于这些跃迁,使分子吸收太阳辐射中的某些波段能量转变为分子的内能,从而使得这些波段的太阳辐射强度衰减,甚至某些波段完全不能通过大气层l4I.因此在太阳辐射到达地面时,形成了电磁波的某些缺失带.在光的电场作用下,介质内原子,分子的电偶极子作受迫阻尼振动,可解释光的吸收和散射.当入射波频率接近介质中电偶极子的特征频率时介质对入射波有强烈的吸收,当入射波的频率偏离介质中电偶极子的特征频率越远时吸收越小.大气的吸收效应使得大气的折射率变成一个复数[51,介质复折射率写成实部与虚部之和的形式:n~-rt+inl(2)代入+z方向传播的平面简谐波表示式E=Eoexp卜(一旦)】(3)C得E=Eoexp(一)exP卜(,一竖一)】(4)Cc通过介质距离z的光强为I(z)=l~xp(一r/z)(5)式中,Io=I(0)为Z=0处的光强;rt=2wn/c为吸收系数.太阳辐射在大气中的吸收可归结为以下几个方面:(1)大气中介质对太阳辐射的吸收由介质本身的内部结构所决定.(2)大气吸收分两次进行,第一次是太阳辐射穿越大气层达到地表时大气分子等对太阳辐射的吸收,该吸收降低了太阳辐射到达地表的辐射能量,第二次是地表反射太阳辐射到达遥感器时大气对太阳辐射的再次吸收,该吸收降低了遥感器获取的地表信息的亮度值.(3)由公式(5)可知,吸收与折射率有关:折射率越大,辐射吸收的越剧烈,通过介质距离z的光强越弱.2.2大气的散射作用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,称散射.散射使原传播方向的辐射强度减弱,而增加向其他各方向的辐射.尽管强度不大,但从遥感数据角度分析,太阳辐射在照到地面又反射到传感器的过程中,二次通过大气,在照射地面时,由于散射增加了漫入射的成分,使反射的辐射成分有所改变.返回传感器时,除反射光外还增加了散射光进入传感器.通过二次影响增加了信号中的噪声成分,造成遥感图像的质量下降.散射现象的实质是电磁波在传输中遇到大气微粒而产生的一种衍射现象.因此,这种现象只有当大气中的分子或其他微粒的直径小于或相当于辐射波长时才发生.大气散射有三种情况:瑞利散射,米氏散射和无选择性散射.(1)瑞利散射是散射粒子线度比波长小得多的粒子对光波的散射,在大气中设单位体积内有N个相互独立散射粒子,显然,总的电偶极子辐射功率为?P,它相当于入射光波能量随距离的减少率dS/dz,即dS/dz=一.7,,此方程的解为S=Soexp(一lVto"o~'z)=SoexP(一生)(6)O'wc'式中:是光波频率,Ot是常数,z0=!为瑞利散射导致光V能量衰减1/e的距离,称为衰减距离.可见独立散射粒子的散射程度与光波频率的4次方成正比,可见光波段蓝光比红光的散射光强约强10倍,天空呈现蔚蓝色,是由于大气分子对蓝光散射较强造成的.瑞利散射是造成遥感图像辐射畸变,图像模糊的主要原因.它降低了图像的"清晰度"或"对比度".对于彩色图像则使其带蓝灰色,持别是对高空摄影图像影响更为明显.(2)米氏散射,米氏散射与瑞利散射之区别在于散射微粒较大,当引起散射的大气粒子的直径约等于入射波长时,出现米氏散射.该散射向前散射的成分越来越多,而向后散射的相对减少.大气中的悬浮微粒——霜,水滴,尘埃,烟,花粉,微生物,火山灰等气溶胶的散射属此类.(3)无选择性散射,当大气中粒子的直径比波长大得多时发生的散射.此时光的散射不遵循瑞利定律.米一得拜以球形质点为模型详细计算了电磁破的散射,他们的计算适合于任何大小的球体,这里球的半径.和波长A之比是用参量n来表征的(ka=2~aJA)【司,当ka<O.3时,瑞利散射是正确的,但当粒子直径比波长大的多时,散射光的光强与波长无关,也就是说,在符合无选择性散射条件的波段中,任何波长的散55第16卷第2期(2011)甘青高.斥拒Vo1.16No.2(2011)射强度相同.云雾中水滴的粒子半径就比可见光波长大很多,因而对可见光中各个波长的光散射强度相同,所以人们看到云雾呈白色,并且无论从云下还是乘飞机从云层上面看都是白色.太阳辐射在大气中的散射可归结为以下几个方面:直径越大前向散射(1)散射与大气中粒子的直径有关,越强.(2)讨论散射时假定各散射粒子是相互独立的,各粒子的偶极子辐射是不相干的,所以各独立粒子的辐射可相加得到总的散射光强.(3)遥感器接受的太阳辐射在大气中二次传播,因此,总散射能量是两次之和.(4)散射使暗色物体表现得比它自身的要亮,使亮物体表现得比它自身的要暗.因此,它降低了遥感影像的反差,降低了图像的质量以及图像上空间信息的表达能力.2-3大气的反射作用.电磁波传播过程中,若通过两种介质的交界面,还会出现反射现象.气体,尘埃的反射作用很小,反射现象主要发生在云层顶部,取决于云量,而且各波段均受到不同程度的影响,削弱了电磁波到达地面的强度.在波动光学中,光强I(平均能流密度)与振幅的平方成正比,与介质的折射率成正比.而当光由一种介质进入另一种介质的反射与透射(折射)时,它们与入射线偏振光的强度同样遵从马吕斯定理,即有光束的能流与振幅的平方成正比,与入射角(或反射角,折射角)的余弦成正比(亦即与能流矢量和分界面上面积元的法线方向所夹的角度的余弦成正比),还与介质的折射率成正比.理想情况下大气被认为是均匀介质,但实际上大气是密度分布不均匀介质,在大气层高度某一任意位置作为入射平面MN,平面MN以上至大气层顶介质平均折射率为n,平面MN以下至地表介质平均折射率为入射光线a,经界面MN反射成b线,折射成c线,入射角为i,折射角为r,把三线的光振动中电矢量振动的振幅分解成垂直振动的A,AA以及平行振动的A,AA使各自的合振幅为,A.和A.折射示意图图1反射,因此反射光的能流:st_c0s=[ss…in2(i-r),2+tan2(i-4)'A2tant+r].c.s'L)'折射光的能流:56(7)S2=A;si'n2=[?A:sin一十r,+—?,4;】.cost(8)SIll十,,COSt--r,太阳辐射在大气中的反射可归结为以下几个方面:(1)反射与太阳高度角和入射界面的粗糙度有关,(2)反射与介质的折射率有关:折射率越大,反射越剧烈,反射能流越大,(3)反射光能流向上直接进入遥感器(程辐射),此时,这部分叠加在遥感图像上的亮度值与地面状况无关,但对于对地探测技术的遥感而言,大气程辐射遥感值是叠加在地面遥感值上且与地面信息无关的大气干扰,它降低了遥感图像的对比度,影响遥感图像的质量,是遥感图像大气修正的重要内容之一.2.4大气的透射分析太阳的电磁辐射经过大气时被反射,吸收,散射和透射,就可见光和近红外而言,反射约占30%,其次为散射的作用,约占22%,占第三位是吸收,约占17%,这样,透过大气到达地面的能量仅占入射总能量的31%.这仅仅是一般地对透过率(透过大气的辐照度与入射大气前的辐照度之比)的粗略估计,实际上,除气象卫星必须探测云层外,大多数遥感被动传感器都选择无云天气探测地表信息,此时大气对太阳辐射的衰减就只算散射和吸收两种作用了,但严格说来,各部分能量损失的比例值和最后的透射率要根据具体情况分析才是最科学的.3.结论可见光波段遥感图像亮度值是太阳辐射经过地面目标反射后,又要再次经过大气层被航空或航天平台上的传感器接收的亮度.太阳辐射在大气中数次传递受到大气层中的气体和微粒对电磁辐射的强度和组成会产生影响,主要表现在吸收,散射和透射作用.大气的这些影响是造成遥感图像变形等情况的主要原因.解决大气对遥感图像的影响是提高遥感图像清晰度,获得更多的地面信息为社会各行业服务.解决大气对遥感图像的影响可以从三个方面来考虑:一是根据光传播定律,研究在非均匀介质中光从光疏介质向光密介质传播时光的传播路径问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,二是太阳辐射在大气中传播时,大气中各种粒子对光的吸收作用,它影响遥感器接收图像的亮度值,但太阳辐射在大气中传播是一个能量随距离增IIii量梯度递减问题,三是太阳辐射被大气的反射和散射降低了地物和噪声之间的对比度,如何提高对比度,消除大气程辐射是一个大气物理问题,随着遥感的发展,大气对遥感的定量研究越来越引起人们的重视,深入研究大气和太阳辐射传递的物理机理将会对定量遥感产生重要的意义.参考文献:,[1]李小文等.遥感原理与应用【M].北京:科学出版社,2008.8:1—2.【2】赵英时等.遥感应用分析原理与方法【M].北京:科学出版社,2003,(6):21-22.(下转第106页)第16卷第2期(2011)袁筱平:陇南师专公共体育课程改革述评Vo1.16No.2(2011)[5】毛振明.体育教学改革新视野[M].北京:北京体育大学出版社.2001.61,71.【6]王健,黄爱峰等.体育教师教育课程[M】.北京:人民体育大学出版,2005.20,31.ReviewonthePublicPECurriculumReformofLongnanTeachersCollegeYUANXiao-ping(P.EDepartment,LongnanTeachersCollege,ChengxianGansu742500)Abstract:PEisacompulsivecourse.itsmainmeansisphyscicalexerciseanditsteachingcontentsaresports,healthknowledge,skillsandmethods.Anditspurposeistoimprovestudents'health.ThekeypointofthePEeducationisthecurriculumsystemreform.Itorganicallycombinesphysicaleducationandhealthtogethertoguidestudentstoknowaboutandunderstandtheimportantanceofphysicalexerciseontheirphysicalandmentalhealth,whichcaninspirestudents'interestinlearningPEandpartieipatiingintrain—ing.Thereforeteachingeffectandqualitycanbeimproved.Thewritersummarizesandreviewspublicschoolphysicaleducationcu卜riculumreformInthispaper.Keywords:PE;curriculumreform;review;longnanteacherscollege(上接第56页)I3]郭永康.光学【M】.北京:科学出版社,2005.12:6,8.『4]王廷江,杨丽珊.太阳辐射穿过大气层所发生的物理现象『J].现代物理知识,2005,17(2):24,25.[5】胡大璋,周兆先.低于1000HZ电磁波的大气复折射率『J1.红外与毫米波,1994,13(4):278—284.责任编辑:蒲向明【6】赵凯华.光学【M].北京:高等教育出版社,2004.11:357~360.[7]李晓勤.光的反射和折射时能量守恒的论证[J].塔里木农垦大学,2003.15(1):26,27.FactorsAnalysisonVisibleBandsRemoteSensingImagesintheAtmosphereWANGRun-keXUE_厂engLIZhi-peng(DepartmentofScience,LongnanTeachersCollege,ChengxianGansu742500)Abstract:Thesunisvisiblebandsremotesensingmainlyradiationsource,thesolarradiationpassesthroughEarth'Satmospherethesecondtimetosensor,thesolarradiationthatreachestothesensorcomparedtothetopoftheearthSatmospherehaschangedagreatdeal,Especiallytopassontotheremotesensingofthegroundreflectedthesolarradiationwasimpaired,andtheatmosphereismaincauseofremotesensingimagesdistortion,SOtheatmosphereshouldbeconsideredtoeliminateeffectonthesolarradiationintheearth'Satmospherewhenremotemeasurement.Therefore,thisarticlemainlydiscussesthevisiblebandsofremotesensingimagesofthefactorsinfluencing.Keywords:atmosphere;visiblelight;remotesensingimage;effect责任编辑:蒲向明