可见光与近红外遥感大气传输海表反射辐射的大气传输
中国海洋大学海洋遥感课程大纲
中国海洋大学海洋遥感课程大纲英文名称Ocean Remote Sensing【开课单位】信息科学与工程学院海洋技术系【课程模块］专业知识【课程编号］【课程类别］必修【学时数】48 （理论卫实践_0_）【学分数】—3 ______一、课程描述本课程大纲根据2011年本科人才培养方案进行修订或制定。
（-）教学对象海洋技术专业本科生。
（二）教学目标及修读要求1、教学目标本课程重点介绍卫星海洋遥感的基本原理和最新研究进展，通过海洋遥感课程的教学，使学生比较系统地学习海洋遥感探测的基本原理，掌握遥感数据处理的基本过程和方法，熟悉海洋遥感的最新进展，为学生毕业后从事相关的工作和学习打下良好基础。
教学中注重理论与实践相结合，并注意介绍海洋遥感研究中的一些最新成果。
本课程不进行双语教学，但在教学中注意介绍相关的专业词汇。
2、修读要求海洋遥感是海洋技术专业的一门专业基础课，属于海洋遥感与GIS技术课程模块中的专业知识教育层面。
海洋遥感具有应用性强，研究内容涉及物理学、计算机技术、图像处理技术等各个学科领域，同时又随着卫星遥感技术的迅速发展不断变化。
教学内容上将结合该领域的发展，不断补充更新，介绍海洋遥感技术发展与应用的前沿。
引导学生阅读参考文献，查阅最新的期刊杂志，提高学生的自学能力，使学生了解海洋遥感技术发展应用的新动向。
学生应具备大学物理、高等数学的基本知识和理论，并已经选修海洋学I、遥感概论等。
（二）先修课程选修海洋遥感课程的学生应当在学习大学物理、高等数学的基础上，并具备海洋学、遥感概论、数字图像处理等基本理论知识。
二、教学内容（一）绪论11、主要内容：主要介绍海洋遥感的概念、海洋遥感和空间海洋学的历史发展、海洋遥感系统的主要组成部分、海洋遥感在海洋科学研究中的价值，以及国际和国内的主要海洋卫星计划。
2、教学要求：掌握海洋遥感的基本概念、海洋遥感系统的组成部分以及海洋遥感发展过程中的重要阶段和代表性卫星及传感器，理解海洋遥感和空间海洋学的发展历史背景、在海洋科学研究中的主要作用，了解国际上的海洋卫星发展规划。
(完整版)海洋遥感总结
1. 狭义广义遥感狭义遥感：主要指从远距离、高空以至外层空间的平台上，利用可见光、红外、微波等探测器，通过摄影或扫描、信息感应、传输和处理，从而识别地面物质的性质和运动状态的现代化技术系统。
（利用电磁波进行遥感）广义遥感：利用仪器设备从远处获得被测物体的电磁波辐射特征（光，热），力场特征（重力、磁力）和机械波特征（声，地震），据此识别物体。
（除电磁波外，还包括对电磁场、力场、机械波等的探测）两者探测手段不一样2. 遥感技术系统信息源－信息获取－信息纪录和传输－信息处理信息应用3. 遥感的分类（1）按照探测电磁波的工作波段分类：可见光遥感、红外遥感、微波遥感等（2）按照传感器工作方式分类：主动遥感、被动遥感4. 遥感的应用内容上可概括：资源调查与应用、环境监测评价、区域分析规划、全球宏观研究5. 海洋遥感的意义（1）海洋气候环境监测的需要海洋占全球面积约71%，海洋是全球气候环境变化系统中不可分割的重要部分厄尔尼诺、拉尼娜、热带气旋、大洋涡流、上升流、海冰等现象都与海洋密切相关。
厄尔尼诺是热带大气和海洋相互作用的产物，它原是指赤道海面的一种异常增温，现在其定义为在全球范围内，海气相互作用下造成的气候异常。
（2）海洋资源调查的需要海洋是人类最大的资源宝库，是全球生命支持系统的基本组成部分，海洋资源的重要性促使人们采用各种手段对其进行调查研究海岸带是人类赖以生存和进行生产活动的重要场所，海岸带资源的相关调查对于沿海资源的合理开发与利用非常重要（3）海洋遥感在海洋研究中的重要性海洋遥感具有大范围、实时同步、全天时、全天候多波段成像技术的优势可以快速地探测海洋表面各物理量的时空变化规律。
它是20 世纪后期海洋科学取得重大进展的关键学科之一。
重要性体现在：是海洋科学的一个新的分支学科；为海洋观测和研究提供了一个崭新的数据集，并开辟了新的考虑问题的视角；多传感器资料可推动海洋科学交叉学科研究的发展1. 海洋遥感的概念（重点）、研究内容海洋遥感：指以海洋及海岸带作为监测、研究对象，利用电磁波与大气和海洋的相互作用原理来观测和研究海洋的遥感技术。
大气遥感第五章：大气中的热红外辐射传输
空间分辨率 (水平/垂直)
视 场 瞬时视角
(度)
mrad
AIRS大气红外探测仪 EOS(美国) 2300;6 3.74-15.4 13.5km-1km 49.5
1.1
用途 大气温度湿度
ASTER高级空间热辐射 热反射探测器
ATSR纵向扫描辐射仪
EOS (美国)
ERS-1 (欧空局)
14
2 (MWR)
ASTER模拟仪器
美国
20
8-12
始于1991年 65或104 2或5.0
云,陆地测量
CIS中国成像光谱仪
DAIS-7915数值式 航空成像光谱仪 DAIS-16115数值式 航空成像光谱仪 GER-63通道扫描仪
ISM红外成像光谱仪
中国 美国 美国 美国 法国
1
3.53-3.94
始于1993年
80
大气不仅是削弱热红外辐射的介质，而且它本身也发射热红外 辐射，有时甚至发射的辐射会超出吸收的部分。
总之，热红外辐射在大气中的传输，是一种漫射辐射在无散射 但有吸收又有发射的介质中的传输。
热红外光谱和温室效应
➢ 地气系统维持辐射平衡状态，吸收太阳辐射的同 时，也向太空发射辐射，地气系统发射的辐射称 为热红外辐射。由能量守恒原理，令 表示地
热红外遥感系统
热红外遥感在海面温度、陆面温度、大气温度、大气 水汽、云顶温度的遥测中具有无可替代的地位。热红外遥 感传感器的发展十分迅速，现在使用和即将投入使用的热 红外传感器达几十种之多。我们把主要的热红外传感器的 有关信息列于下表。
传感器
现在及将来地球观测计划红外传感器概览(星载部分)
卫星/计划 波段数 光谱范围
态分辨仪
海洋遥感复习知识点
名词解释、填空1.海面亮温：低于实际物体的温度指物体的辐射功率等于某一黑体的辐射功率时，该黑体的绝对温度即为亮度温度。
2.发射率：观测物体的辐射能量与同观测物体具有相同热力学温度的黑体的辐射能量之比根据发射率，=1黑体，0~1灰体3.大气气溶胶：悬浮在空气中的来自地球外表的小的液体或固体颗粒。
气溶胶类型：海洋型、陆地型、火山爆发自然〔陆地海洋火山〕；人为〔汽车尾气、污染物〕4.瑞利散射：当微粒的直径比辐射波长小得多时，此时的散射称为瑞利散射。
散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。
对可见光的影响较大。
米散射：当微粒的直径与辐射波长差不多时的大气散射。
气溶胶引起的，对波长依赖性很小无选择散射：云，所有光都被散射回来5.大气层结构简答，根据温度分布，垂向划分：对流层、平流层、中间层、热成层、外大气层1)对流层：有各种天气现象，强烈对流/温湿分布不均匀/航空活动区，对遥感最重要2)平流层/同温层：天气现象少/空气稳定/水汽、沙尘少，温度随高度增加而增加3)中间层：温度随高度增加而减少，对遥感的辐射传递几乎没影响4)热成层：温度随高度增加而增加，高度电离状态，短波电磁波被电离层折返回地面6.一类水体：浮游植物及其共变的碎屑主导海水光谱特性；二类水体：除浮游植物外的其他物质在海水光谱特性中起主导作用海洋初级生产力：把无机碳变成有机碳的单位时间的速率，和叶绿素浓度、光照、光照时间、光穿透距离有关7.遥感反射比〔可见光、海色遥感〕：公式、向上辐亮度和向下辐照度之比，Rw和Ed之比归一化离水辐亮度：假设太阳在正上，把大气分子散射衰减消除的离水辐亮度8.黄色物质：有色可溶有机物，陆源〔植被，棕黄酸〕，海洋〔动物死亡分解〕9.生物光学算法：通过离水辐亮度去推导海水中的各主分浓度的算法。
由海水上面的离水辐亮度推导叶绿素浓度、泥沙浓度、k490衰减系数、透明度等。
10.大气校正：由传感器接收到的辐亮度计算出离水辐亮度的过程Lt是卫星接收的总辐射；第一项是离水辐亮度，接下来三项是大气路径辐射，分别是气溶胶的，分子的，两者都有的，Lwc是白冒，Lsr是太阳耀斑。
定量遥感基础（原创）
定量遥感基础1、定量遥感分为：可见光、近红外波段的定量遥感，热红外波段的定量遥感，微波遥感的对地观测2、定量遥感应用：（1）为国民经济持续稳定发展提供动态基础数据和科学决策依据（2）为国家重大自然灾害提供及时准确的监测评估数据及图件（3）持续不断地开展再生资源的监测、预测和评估（4）地质矿产资源调查与大型工程评价（5）天气预报和气候预测（6）海洋监测和海洋开发（7）土地适用性评价、生态评价和工程评价3、时空定量分布：反照率、地表温度、叶面积指数、叶绿素含量、土壤水分含量、地表蒸发4、定量遥感的主要研究内容：(1)遥感机理模型的建模研究；研究遥感像元尺度上，适用的遥感模型，研究描述新型传感器信号特征与地表参数关系的模型，研究模型在不同空间尺度上的尺度效应和尺度转换原理与方法(2) 地表参数的模型反演与陆地遥感数据的同化研究；利用遥感数据和地表参数背景知识，提取地表时空多变参数的模型和算法，研究遥感物理模型与相关领域应用结合中模型的连接与模型参数的转换方法，使遥感数据产品能满足应用的需求。
(3) 新型传感器的定标技术研究，智能化处理技术与方法研究；时空多变地表参数反演结果的验证方法研究，遥感数据产品的真实性检验研究。
5、遥感建模分为两类：正演模型、反演模型6、正演模型、反演模型的概念等见PPT，以及定量遥感建模的步骤等内容7、定量遥感模型概括起来分为三类：物理模型（如植被二向性反射的辐射传输模型、几何光学模型）、统计模型、半经验模型（如地表二向反射模型）具体定义、优缺点见PPT8、定量遥感面临的主要问题：尺度效应问题角度问题病态反演问题9、尺度效应问题不同的自然现象有不同的最佳观测距离和尺度，并不一定是距离越近越好，观测越细微越好。
观察地物需要适当的距离和比例尺，才能有效、完整地观察。
10、病态反演问题定量遥感的反演问题，简言之，就是根据观测信息和前向物理模型，求解或推算描述地面实况的应用参数(或目标参数)。
遥感辐射传输模型
遥感辐射传输模型*名：**学院：地球科学与环境工程学院专业：遥感科学与技术班级：遥感一班提交时间：2015年5月10日大气订正是遥感技术的重要组成部分，主要包括大气参数估计和地表反射率反演两个方面。
如果获得了大气特性参数，进行大气订正就变得相对容易，但是获得准确的大气特性参数通常比较困难。
通常有两类方法用辐射传输方程计算大气订正函数：一种是直接的方法，对于大气透过率函数和反射率函数，通过对模型的积分来得到；另一种是间接的方法，他不是直接计算所需要的大气订正函数，而是通过辐射传输模型输出的表观反射率，结合模型输入的参数来求解。
大气订正方法有很多，比如：基于图像特征的相对订正法、基于地面线形回归模型法、大气辐射传输模型法和复合模型法等。
它是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气订正的方法。
其中，大气辐射传输模型(Atmospheric Radiative Transfer Model)法是较常用的大气订正方法，它用于模拟大气与地表信息之间耦合作用的结果，其过程可以描述为地表光谱信息与大气耦合以后，在遥感器上所获得的信息，其中考虑了光子与大气相互作用机理，物理意义明确，具有很高的反演精度。
大气辐射传输原理电磁辐射在介质中传输时，通常因其与物质的相互作用而减弱。
辐射强度的减弱主要是由物质对辐射的吸收和物质散射所造成的，有时也会因相同波长上物质的发射以及多次散射而增强，多次散射使所有其它方向的一部分辐射进入所研究的辐射方向。
当电磁辐射为太阳辐射，而且忽略多次散射产生的漫射辐射时，光谱辐射强度的变化规律可以表述为[1]（1）式中，IΛ是辐射强度， s是辐射通过物质的厚度，ρ是物质密度,KΛ表示对波长λ辐射的质量消光截面。
令在s=0 处的入射强度为Iλ（0），则在经过一定距离s1后，其出射强度可由式(1)积分得到（2）假定介质是均匀的，则kλ与距离s无关，因此定义路径长度（3）则式(2)可表示为（4）上式就是比尔定律，也称朗伯定律。
红外遥感
(5)热探测器所获得的物体发射辐射信息包含 了两个重要的信息，即物体的温度以及表示物 体辐射能力的比辐射率。温度与比辐射率的分 离是热红外遥感的一个难点。
(6)热红外遥感图像的空间分辨率一般低于可 见光—近红外遥感图像，因此“混合像 元”(非同温像元)的问题，显得相当突出。
4.2 热辐射原理
4.2.1 黑体辐射规律
(2)热红外信息，还受地球表层热状况的影响，比 如风速、风向、空气温度、湿度等微气象参数，土 壤水分、组成、结构等土壤参数，植物覆盖状况、 地表粗糙度、地形地貌等多种因素影响。 (3)地物本身的热过程是复杂的。 地物从热辐射的能量吸收(增温)到能量发射(降温)， 存在着一个热储存和热释放过程。这个过程不仅与 地物本身的热学性质(热传导率、热容量、热惯量 等)有关，还与环境条件等多因素有关。整个热过 程存在着“滞后”效应，要定量表达这一过程，是 相当复杂的。
第四章 热红外遥感
4.1 概 述
1．大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3~5微米和8~14微米的热红外线却是 透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口” 。利用这两个窗口，可以 使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。正是 由于这个特点，热红外成像技术军事上提供了先进的夜视装备并为飞机、舰艇和坦克 装上了全天候前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。
• 普朗克(Planck)定律给出了黑体辐射的出射 度与温度、波长的定量关系。 • 维思(wien)位移定律给出了黑体的发射峰值 波长与温度的定量关系，指出随着黑体温 度的增加、发射峰值波长减小，两者呈反 比关系 。 • 斯特藩—玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律 数学描述了随着黑体温度的增加，总发射 辐射也增加，即黑体的辐射强度与温度的4 次方成正比。
遥感复习总结
遥感复习总结遥感复习总结（⽶杏当年⾃⼰总结的哈，标红是重点，当年还是很多考到了的，不过重点还是看那份卷⼦，绝⼤部分考原题，还有⼀定⼀定要重视最后⼀次实验，当年最后⼀道题就是考最后⼀次实验，还有复习的时候也把每次的实验看⼀下）第⼀章：绪论⼀、遥感的基本概念即遥远的感知。
利⽤探测仪器，在不直接接触的情况下，收集⽬标或⾃然现象的电磁波信息，对电磁波信息进⾏处理和分析，从⽽获取事物特性的综合性探测技术。
⼆、遥感系统包括被测⽬标的信息特征、信息的获取（遥感平台、遥感器）、信息的传输与记录（信息传输和接收设备）、信息的处理（图像处理设备）和信息的应⽤⼯作原理：⽬标地物通过发射、反射（太阳辐射）和回射（雷达）作⽤发出电磁波信号，装载在遥感平台上的遥感器接受和获取信息源的电磁波信号，记录在数字磁介质或胶⽚上，送⾄地⾯回收或传输给地⾯的卫星接收站，进⾏⼀系列的信息处理（如光学处理、计算机处理、解译），转换成可供⽤户使⽤的数据格式。
三、遥感的分类☆按遥感平台分类：近地⾯遥感、航空遥感、航天遥感。
☆按传感器的探测波段分类：紫外、可见光、红外、微波。
☆按⼯作⽅式分类：主动遥感：由探测器主动发射⼀定电磁波能量并接收⽬标的反向散射信号。
被动遥感：传感器不向⽬标发射电磁波，仅被动接收⽬标物的⾃⾝发射和对⾃然辐射源的反射能量。
☆按资料记录形式分类：成像⽅式、⾮成像⽅式。
☆按应⽤领域分类：陆地遥感、海洋遥感、农业遥感、城市遥感……四、遥感的特点☆感测范围⼤，具有综合、宏观的特点。
☆信息量⼤，具有⼿段多，技术先进的特点。
☆获取信息快，更新周期短，具有动态监测特点。
☆遥感还具有⽤途⼴，效益⾼的特点。
五、遥感技术发展简况遥感技术发展趋势：3 全（全天候、全天时、全球）3 ⾼（⾼空间、⾼光谱、⾼时间分辨率）3个结合（⼤-⼩卫星，航空-航天，技术-应⽤）六、遥感技术应⽤领域：林业、农业、⽔⽂与海洋产业、国⼟资源、⽓象、环境监测、测绘、城市、考古、军事、突发事件等。
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2.60～2.80 4.10～4.45
中心波长/μm 0.017
2.7 4.3
波段 远紫外
近红外 中红外
光谱区/μm 9.10～10.9
12.9～17.1
中心波长/μm 10.0
14.7
波段 远红外
远红外
Satellite Oceanic Remote Sensing
浮游植物 吸收、散射
7
3.2 可见光与近红外遥感大气传输 3.2.1海表反射辐射的大气传输
因此，卫星水色扫描仪接收的总的辐射量可由下式表示：
Lt ( ) Lr ( ) La ( ) td ,v Lsr ( ) ts , s Lw ( ) Lb ( )
Satellite Oceanic Remote Sensing
7
3.2 可见光与近红外遥感大气传输 3.2.1海表反射辐射的大气传输
卫星
太阳光
Lt
天空光
L0=Lw+L
大气吸收和散射
sr
Lw ti / nw Lu
2
Lw
Lsr
表面反 射 表面反射
海表面 Lu
∴∵
Satellite Oceanic Remote Sensing
Satellite Oceanic Remote Sensing
2
3.1 大气成分及其光谱吸收特性--大气中CO2的吸收率
二氧化碳吸收带主要位于2μm的红外区内，其吸收带范围见下 图。二氧化碳吸收带分两种类型：
（1）一个完全吸收带：波长大于14μm的红外波谱全部吸收； （2）两个窄的吸收带：中心波长为2.7μm4.3μm，其中2.7μm吸 收带与水汽3.2μm吸收带相连。
Satellite Oceanic Remote Sensing
1
3.1 大气成分及其光谱吸收特性
1.电磁波衰减的原因
2. 大气中H2O的吸收率
3. 大气中CO2的吸收率
4. 大气中O3的吸收率
5. 大气中其它气体吸收率
Satellite Oceanic Remote Sensing
2
3.1 大气成分及其光谱特性--电磁波衰减的原因
水汽（H2O）
→
吸收和散射作用 吸收和散射作用 吸收和散射作用 吸收和散射作用
二氧化碳（CO2） → 臭氧（O3） 气溶胶 → →
LiuLM
3.1 大气成分及其光谱吸收特性--电磁波衰减的原因
红外波段（2～14μm）内大气成分的吸收率
Satellite Oceanic Remote Sensing 2
2
3.2 可见光与近红外遥感大气传输
3.2.1海表反射辐射的大气传输 3.2.2 海洋辐照度模型 3.2.3 大气透过率 3.2.4 大气路径辐射模式与太阳耀光模式 3.2.5 大气校正方程
Satellite Oceanic Remote Sensing
7
3.2 可见光与近红外遥感大气传输 3.2.1海表反射辐射的大气传输
式中：
Lt( λ ) 是卫星探测的波长为的辐射度， Lr ( λ ) 是空气分子瑞利散射的辐射度， La ( λ ) 是大气气溶胶米氏散射的辐射度， Lw ( λ )是离水辐射度， Lb( λ )为来自水体底部的反射辐射； Lsr(λ) 是海表面镜面反射（可能包括太阳耀斑的影响）， ts(λ, θs)是大气的漫射透射比，td (λ, θv)是大气的直射透射比， λ是波长，θv是卫星天顶角（即扫描仪高度角）， θs是太阳天顶角（即太阳高度角）。
2
3.1 大气成分及其光谱吸收特性--大气中其它气体吸收率
大气中氧对电磁波辐射也有吸收作用，主 要在0.69μm，0.76μm，0.175～0.2026μm 以及0.242～0.260μm四个谱段，但总的吸 收是很少的。此外，N2O，CO和CH4等 也对电磁波辐射有所吸收。
Satellite Oceanic Remote Sensing
2
3.1 大气成分及其光谱吸收特性--大气中O3的吸收率
在高空大气中，臭氧是一种重要的元素。 它主要分布在10～40km的高度。臭氧对 太阳辐射0.3μm以下的短波全部吸收。在 长波内的吸收都很弱，9～10μm范围内 有一个窄的吸收带。
Satellite Oceanic Remote Sensing
3.1 大气成分及其光谱吸收特性--大气中H2O的吸收率
水汽对电磁波辐射的吸收最为显著，水汽吸收带大部分集 中在红外波区，如下表所示。大气中水汽分布随时间地点 的变化幅度很大，水汽含量越大，则吸收越严重。
吸收带名称 α β ρστ Φ φ 光谱区/μm 0.70～0.74 0.79～0.84 0.84～0.99 1.03～1.23 1.24～1.53 中心波长/μm 0.72 0.82 0.93 1.13 1.38 1.86 Ω 1.53～2.19 Ω12.01 － － x y 2.27～2.98 2.98～3.57 4.00～4.90 4.90～8.70 15以上的超远红 外 吸收带名称 光谱区/μm 中心波长 /μm Ω22.05 2.7 3.2 4.4 6.3
卫星海洋遥感导论
An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing
第一部分 海洋遥感基础
第三章 海洋遥感的光学基础
武汉大学 遥感信息工程学院
第三章 海洋遥感的光学基础
3.1 大气成分及其光谱吸收 3.2 可见光与近红外遥感的大气传输 3.3 热红外遥感基础
海洋光学遥感主要是通过接收海表反射的太阳光，来获取海洋的有关 信息。主要是观测海冰、海岸形态、沿岸流流向、波浪折射、浅海测 深、海岛和浅摊定位、测定海洋水色透明度及叶绿素含量等。
来自大气外层的太阳光通过大气的瑞利散射和气溶胶散射，其中一部 分返回到卫星水色扫描仪，一部分朝前直射和漫散射到达海面。到达 海面的直射光，其中一部分由于镜面反射有可能穿过大气到达卫星水 色扫描仪，另一部分经水面折射穿过水面，透射入水的太阳能中的一 部分被水分子吸收，另一部分受到水色因子如叶绿素、悬浮泥沙和黄 色物质等颗粒的散射，后向散射部分经水面折射离开水面，穿过大气 到达卫星水色扫描仪，进入水次表面的另一部分继续向下到达真光层 深度，或到达海底又部分反射，经折射回到扫描仪。