An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing 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 第一章 遥感的基础知识 武汉大学 遥感信息工程学院 杜 娟 dujuan_rs@126.com

为什么要学习这门课？ 海洋的重要性 － 战略 － 人口、资源、环境、灾害等 － 军事、外交等 － 现状 － 要求 2. 遥感的作用 － 要素反演 － 防灾减灾 － 测绘与气象 － 环境监测 3. 海洋遥感的特殊性 Satellite Oceanic Remote Sensing 1

世界上海洋的总面积为361，059，000平方公里．占地球表面面积的70．78％。海水总体积为1，370，323，000立方公里．占地球总储水量的97．2％。海洋的平均深度为3800米．相当于陆地平均海拔高度的4.5倍，海洋中最深的马列亚纳海沟深达110,34米比珠峰还超出2185．87米。 海洋，它是生命的摇篮、资源的宝库、交通的要道、兵戎相见的战场。 美国把海洋列为七十年代的重大科学之一(五十-原子科学-．六十年代-空间科学) 第二次世界大战期间，被击沉的潜艇，有60％是运用海洋声波传播规律而发现的。 温度盐度影响声波、海洋中的跃层和内波（影响潜艇）； 海流不仅对反潜作战很重要，对水雷的布设、登陆作战以及海上救生和补给等也不能忽视。海流和潮流对水面舰船和潜艇的航向、航速的影响是很大的．第二次世界大战中，德国潜艇曾巧妙地利用了英国某海军基地的地形、潮流和气象等情况，潜入该港击沉了近三万吨的英国海军旗舰．并安全撤离。 海浪对各种军事活动的影响是很大的。它有利于潜望状态下潜艇的隐蔽和鱼雷航迹的掩盖，然而对水面舰船和潜艇导弹的发射、环境噪音．舰艇的颠簸等．却又是不利的因素。

潮汐在登陆中所起的作用是最明显不过的了。对船位的精度、水深的测量，军事上要求也是比较高。海洋环境噪音和底质的研究同海上军事活动的关系也是很密切的。在第二次世界大战中，反法西斯国家对德日舰船的攻击．几乎90％是在没有真正目标存在的情况下进行的．这不但导致海上军事活动的混乱，也造成惊人的浪费。为了提高识别真假目标的能力，就要弄清环境噪音对目标识别的影响，为了弄清不同频率下海底影响声纳射线的情况，就要求对海洋地质学的研究更深入一步。 海洋气象预报 对海上军事活动更是至关重要的。 谁控制海洋，谁就控制世界。

用微波辐射计AMI测得的全球海洋表面温度图 遥感的作用之一 － 要素反演 Satellite Oceanic Remote Sensing 2 海面有效波高 海面风速 用MODIS数据反演的 全球海洋叶绿素浓度分布图 全球海洋荧光分布图 长江口 泥沙分布 用微波辐射计AMI测得的全球海洋表面温度图

2002年12月29日中国中央电视台播放的中国海洋一号卫星 遥感的作用之一 － 要素反演 海冰 Satellite Oceanic Remote Sensing 3 海冰厚度、密集度、外缘线参数反演 改进预报初始场,提高了精度和时效 2002年12月29日中国中央电视台播放的中国海洋一号卫星 海冰图像实况和2003年1月上旬渤海冰情预报图

遥感的作用之二 － 防灾减灾 赤潮 2002年6月15日用HY-1A卫星 CCD成像仪发现辽东湾赤潮 2002年9月3日发现了东海海域赤潮 遥感的作用之二 － 防灾减灾 赤潮 Satellite Oceanic Remote Sensing 4 2002年9月3日发现了东海海域赤潮 2002年6月15日用HY-1A卫星 CCD成像仪发现辽东湾赤潮

遥感的作用之二 － 防灾减灾 海啸 Satellite Oceanic Remote Sensing 5

遥感的作用之二 － 防灾减灾 海浪 Satellite Oceanic Remote Sensing 6

遥感的作用之二 － 防灾减灾 溢油 Satellite Oceanic Remote Sensing 7

Sea Surface Topography – observed from Topex/Poseidon 遥感的作用之三 － 测绘与气象 Satellite Oceanic Remote Sensing 8 Sea Surface Topography – observed from Topex/Poseidon

When La Niña 98 takes over El Niño 97 遥感的作用之三 － 测绘与气象 Satellite Oceanic Remote Sensing 9 海表异常 When La Niña 98 takes over El Niño 97

An Altimetric View of the Seafloor 遥感的作用之三 － 测绘与气象 海底地形 Satellite Oceanic Remote Sensing 10 An Altimetric View of the Seafloor

用ERS-1、Topex/Poseidon两颗卫星资料 遥感的作用之三 － 测绘与气象 Satellite Oceanic Remote Sensing 11 平均海平面构造 仅用Geosat单颗卫星资料 用ERS-1、Topex/Poseidon两颗卫星资料

遥感的作用之三 － 测绘与气象 大地水准面确定 测高大地水准面 IGG97 IGG97与OSU91A模型的偏差 Satellite Oceanic Remote Sensing 12 大地水准面确定 测高大地水准面 IGG97 IGG97与OSU91A模型的偏差

遥感的作用之三 － 测绘与气象 中国近海30’×30’重力异常 － IGG97 资料： ERS-1（一年半）与 T/P（四年） 预处理： Satellite Oceanic Remote Sensing 13 中国近海30’×30’重力异常 － IGG97 资料： ERS-1（一年半）与 T/P（四年） 预处理： 双星交叠平差＋共线处理 反演方法： 逆Stokes＋FFT

卫星测高反演的中国海重力异常和大地水准面 遥感的作用之三 － 测绘与气象 Satellite Oceanic Remote Sensing 14 卫星测高反演的中国海重力异常和大地水准面

遥感的作用之三 － 测绘与气象 台风 Matsa Damrey Khanun Soudelor Satellite Oceanic Remote Sensing 15 Matsa Damrey Khanun Soudelor

遥感的作用之三 － 测绘与气象 Satellite Oceanic Remote Sensing 16 Haitang – FY-2

遥感的作用之三 － 测绘与气象 Satellite Oceanic Remote Sensing 17

Winds from MODIS: An Arctic Example 遥感的作用之三 － 测绘与气象 Satellite Oceanic Remote Sensing 18 Winds from MODIS: An Arctic Example (MENZEL, ET AL.) Cloud-track winds (left) and water vapor winds (right) from MODIS for a case in the western Arctic. The wind vectors were derived from a sequence of three images, each separated by 100 minutes. They are plotted on the first 11 mm (left) and 6.7 mm (right) images in the sequence.

遥感的作用之四 － 海洋环境监测 Biology Quality Evaluation Satellite Oceanic Remote Sensing 19 Biology Quality Evaluation Biology Health Status Pollution Degree and Biology Hazard Evaluation Pollution Sea Area Distribution Map Pollution Sources Effect Evaluation

遥感的作用之四 － 海洋环境监测 Satellite Oceanic Remote Sensing 20 船的踪迹 Ship Tracks occur in marine stratocumulus regions of the globe California, Azores, Namibia, and Peru Conditions for formation High humidity Small air-sea temperature difference Low wind speed Boundary layer between 300 and 750 m deep Enhanced reflectance of clouds at 3.7 µm Larger number of small droplets arising from particulate emission from ships

海洋遥感的特殊性 不同于陆地遥感 光学传感器与微波传感器 全天候全天时不间断：许多现象时间尺度小 半球或全球探测：现象的大空间尺度 Satellite Oceanic Remote Sensing 21 不同于陆地遥感 光学传感器与微波传感器 全天候全天时不间断：许多现象时间尺度小 半球或全球探测：现象的大空间尺度 定量要求：仪器灵敏度和精确度高、动态范围宽 光谱波段细分：多而窄（水色需求） 探测器配套性好：海洋多变量

课程基本结构及课时安排 第一部分 第二部分 第三部分 第一章 遥感的基础知识（含前言） （4） 第二章 辐射与海洋表面的相互作用 （4） Satellite Oceanic Remote Sensing 22 第一部分 第一章 遥感的基础知识（含前言） （4） 第二章 辐射与海洋表面的相互作用 （4） 第三章 海洋遥感的光学基础 （4） 第四章 海洋遥感的微波基础 （2） 第二部分 第五章 海洋遥感卫星 （2） 第六章 海洋遥感传感器 （2） 第三部分 第七章 海洋表面温度遥感 （4） 第八章 海洋水色遥感 （4） 第九章 海洋表面动力地形卫星测量（2） 第十章 海面风场遥感 （自学） 第十一章 卫星海洋盐度测量 （自学） 第十二章 海洋现象的卫星探测 （自学） 总复习2学时 实习6学时

卫星海洋遥感导论 Satellite Oceanic Remote Sensing 23 第一部分 海洋遥感基础 第一章 遥感的基础知识

基本概念： 第一章 遥感的基础知识 遥感 传感器 遥感平台 遥感数据采集 Satellite Oceanic Remote Sensing 24 基本概念： 遥感 传感器 遥感平台 遥感数据采集

本章结构 第一章 遥感的基础知识 1.1 电磁波及电磁波谱（自学） 1.2 常用的基本概念和定律（自学） 1.3 太阳的电磁辐射（自学） Satellite Oceanic Remote Sensing 25 本章结构 1.1 电磁波及电磁波谱（自学） 1.2 常用的基本概念和定律（自学） 1.3 太阳的电磁辐射（自学） 1.4 大气及其传输特性（重点讲述）

第一章 遥感的基础知识 1.1 电磁波及电磁波谱 1.1.1 电磁波的波段名称 Satellite Oceanic Remote Sensing 26 1.1 电磁波及电磁波谱 1.1.1 电磁波的波段名称 电磁波 是一种伴随电场和磁场的横波，在平面波内，如图所示。电场和磁场的振动方向都是在与波的行进方向成直角的平面内，是相互垂直的。 电磁波

1.1.1 电磁波的波段名称 Satellite Oceanic Remote Sensing 27 遥感中常用的波段 电磁波的波段从波长短的一端开始，依次叫做伽玛射线、X-射线、紫外光、可见光、红外光、微波和无线电波。 各波段波长范围： 伽马射线 X-射线 紫外光 ＜0.03埃 0.03～20埃 4.00～380纳米 可见光 红外 蓝光 0.40～0.50微米 近红外 0.76～3.00 微米 绿光 0.50～0.60微米 中红外 3.00～6.00 微米 红光 0.60～0.76微米 远红外 6.00～15.00微米

1.1.1 电磁波的波段名称 热红外 遥感中热红外是指3.00～14.00微米谱段的电磁波， 热红外常用于温度调查。 Satellite Oceanic Remote Sensing 28 热红外 遥感中热红外是指3.00～14.00微米谱段的电磁波， 热红外常用于温度调查。 微波 微波多用于雷达及微波辐射计，并使用Ka波段、K波 段、Ku波段、X波段、C波段、L波段等特殊的名称。 目前，遥感所使用的电磁波的波长是，紫外线的一部分 (0．3～04Am)，可见光线(0.4～0．7μm)，红外线的一部 分(0．7～14μm)，以及微波(约1mm～1m)。

1.1.1 电磁波的波段名称 Satellite Oceanic Remote Sensing 29 遥感中常用波段

在海洋遥感中，雷达因其本身的优势而越来越受到人们的重视。 1.1.1 电磁波的波段名称 Satellite Oceanic Remote Sensing 30 在海洋遥感中，雷达因其本身的优势而越来越受到人们的重视。 雷达常使用的公共频率如表所示： 波段名称 频率范围 根据国际电信联盟的规定 Ⅱ区的雷达频段 HF（高频） 3～30 MHz VHF（甚高频） 30～300 MHz 138～144 MHz 216～225 MHz UHF（超高频） 300～1000 MHz 420～450 MHz 890～942 MHz L波段 1000～2000 MHz 1215～1400 MHz S波段 2000～4000 MHz 2300～2500 MHz 2700～3700 MHz C波段 4000～8000 MHz 5250～5925 MHz X波段 8000～12000 MHz 8500～10680 MHz Ku波段 12.0～18 GHz 13.4～14.0 GHz, 15.7-17.7GHz K波段 18～27 GHz 24.05～24.25 GHz Ka波段 27～40 GHz 33.4～36.0 GHz V 40～75 GHz 59～64 GHz W 75～110 GHz 76～81 GHz 92～100 GHz 毫米波 110～300 GHz 126～142 GHz，144～149 GHz 231～235 GHz，238～248 GHz

1.1.1 电磁波的波段名称 遥感所使用的电磁波的波长 （大气窗口） 近紫外窗口 0.3~0.4 μm 可见光窗口 0.4~0.7 μm Satellite Oceanic Remote Sensing 31 遥感所使用的电磁波的波长 （大气窗口） 近紫外窗口 0.3~0.4 μm 可见光窗口 0.4~0.7 μm 红外线窗口 0.7~14 μm 0.7~1.10 μm 近红外窗口 1.3~2.5 μm 近红外窗口 3.5~5.0 μm 中红外窗口 8~14 μm 热红外窗口 微波窗口 1.0mm~1m

1.1.1 电磁波的波段名称 遥感可以分为可见光-反射红外遥感、 热红外遥感和微波遥感三种类型。 Satellite Oceanic Remote Sensing 32 遥感可以分为可见光-反射红外遥感、 热红外遥感和微波遥感三种类型。

1.1 电磁波及电磁波谱 Satellite Oceanic Remote Sensing 33 1.1.2 麦克斯韦方程及其解 E为电场矢量，D为电位移矢量，H为磁场矢量，B为磁感应矢量；μ0、ε0 为真空导磁率和电容率；μr、εr为介质的相对导磁率和电容率。 麦克斯韦关于电磁波的概念为：磁力和电力场中存在着平滑的波动运动；无论何处电场随时间发生了变化，作为共生伙伴的磁场也就自然产生，反之亦然。

1.1.2 麦克斯韦方程及其解 对均匀的各向同性的非磁性介质，可由麦克斯韦方程组导出波动方程： 对正弦交变场则简化为： 其中： Satellite Oceanic Remote Sensing 34 对均匀的各向同性的非磁性介质，可由麦克斯韦方程组导出波动方程： 对正弦交变场则简化为： 其中：

E = A 1.1.2 麦克斯韦方程及其解 通常μr =1而εr 取值范围从1到80且是频率的函数。上述微分方程的解由下式给出： Satellite Oceanic Remote Sensing 35 通常μr =1而εr 取值范围从1到80且是频率的函数。上述微分方程的解由下式给出： E = A A 是波幅，ω是角频率，φ是相位。 k 是在传播介质中的波矢量。 波的频率ν定义为：

1.2 基本概念和定律 1.2 基本概念和定律 1.2.1 基本概念 1 记数值 8 辐亮度和辐射度 2 天顶角、高度角和方位角 9 发射度 Satellite Oceanic Remote Sensing 36 1.2 基本概念和定律 1.2.1 基本概念 1 记数值 8 辐亮度和辐射度 2 天顶角、高度角和方位角 9 发射度 3 立体角 10 反射率、吸收率和透射率 4 辐射通量 11 反照率 5 辐射出射度与辐照度 12 余弦辐射体 6 点辐射源的辐射强度 13 体积散射相函数 7 面辐射源的辐射度

1.2.1 基本概念 Satellite Oceanic Remote Sensing 37 地球表面上方任意一点的方位可以用两个角度即天顶角θ（zenith angle）或高度角h（altitude或elevation）和方位角φ（azimuth angle）进行描述 。

立体角dΩ在遥感中是一个极为重要的概念， 1.2.1 基本概念 Satellite Oceanic Remote Sensing 38 立体角dΩ在遥感中是一个极为重要的概念， 其定义为：dΩ=dS/r2

1.2.1 基本概念 有时立体角Ω也可以用极坐标形式的天顶角θ和方位角φ来表达： 式中： Satellite Oceanic Remote Sensing 39 有时立体角Ω也可以用极坐标形式的天顶角θ和方位角φ来表达： 方位角与立体角的关系图 式中： μ=cosθ，有时dS也写作dB，为面积的微分表达。

1.2 基本概念和定律 1.2.2 基本定律及公式 普朗克辐射定律 瑞利 － 金斯辐射公式 基尔霍夫定律 斯蒂芬 － 波尔兹曼定律 Satellite Oceanic Remote Sensing 40 1.2.2 基本定律及公式 普朗克辐射定律 瑞利 － 金斯辐射公式 基尔霍夫定律 斯蒂芬 － 波尔兹曼定律 维恩位移定律

1.2.2 基本定律及公式 普朗克辐射定律 黒体 黑体辐射 Satellite Oceanic Remote Sensing 41 普朗克辐射定律 黒体 黑体辐射 1900年普朗克用量子论概念推导黑体辐射通量密度和其温度的关系以及按波长分布的辐射定律，即普朗克辐射定律（P1ank`s law of radiation）： Eb（ λ ）－ 光谱辐射通量密度，（W·m-2·μm-1）； c － 光速（2.99792458×108 m·s-1）； λ － 波长（m）； h － 普朗克常数（6.626076×10-34 J·s； T － 绝对温度（K）； c1= 2πhc2=3.7418×10-16 W·m2； c2=hc/k=14388 μm·K ； k － 波尔兹曼常数（1.380658×10-23 J·K-1）。

绝对黑体都服从朗伯定律，其分光辐射亮度： 1.2.2 基本定律及公式 Satellite Oceanic Remote Sensing 42 绝对黑体都服从朗伯定律，其分光辐射亮度： 在热红外遥感计算中，常用波数v取代波长λ来 表征物体的辐射出射度。

1.2.2 基本定律及公式 Satellite Oceanic Remote Sensing 43 其光辐射亮度： 波数v是波长的倒数（1/λ）。一般地，波数以cm-1表示，在数值上等于104/λ，其中λ的单位为μm（1cm=104μm）。例如波长为10μm的电磁波，其波数为1000cm-1。所以把（（W·cm-2·sr-1）/cm-1）转换成（W·cm-2·sr-1/μm），需要乘以v2/104 。

1.2.2 基本定律及公式 瑞利-金斯辐射公式 低频时，公式： 中的 有： Satellite Oceanic Remote Sensing 44 瑞利-金斯辐射公式 低频时，公式： 中的 有：

又由于v=c／ λ ，dv=（c／ λ 2）d λ ， 1.2.2 基本定律及公式 Satellite Oceanic Remote Sensing 45 代入上述式中，则有： 又由于v=c／ λ ，dv=（c／ λ 2）d λ ， 参考（1-2-16）中，则黑体发射的辐射量为： 这就是瑞利—金斯辐射公式。

其中，△v为带宽（Hz）。由上式可知，在微波波段， 黑体的亮度与热力学温度成正比，与波长的平方成反比。 1.2.2 基本定律及公式 Satellite Oceanic Remote Sensing 46 瑞利 － 金斯辐射公式在波长比较长的情况下适用。因而在微波遥感中比较有用。所以，在微波波段，黑体的亮度可以用下式表示： 其中，△v为带宽（Hz）。由上式可知，在微波波段， 黑体的亮度与热力学温度成正比，与波长的平方成反比。

1.2.2 基本定律及公式 Satellite Oceanic Remote Sensing 47 在遥感中，当观测热辐射的温度时，由于通常观测物体不是黑体，所以必须使用发射率(emissivity)进行修正。发射率定义为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，也即：

1.2.2 基本定律及公式 发射率也可以被定义为发射的[谱]辐射度与入射的[谱]辐射度之比，即： Satellite Oceanic Remote Sensing 48 发射率也可以被定义为发射的[谱]辐射度与入射的[谱]辐射度之比，即： 式中，M是发射度，Ei是入射的[谱]辐照度。黑体没有反射和透射，黑体的发射度MBLACK等于Ei，亦即黑体的发射率等于1。所有非黑体的发射率都小于1，故发射率也被称为一个物体的灰度，以鉴别它距离黑体的靠近程度。

各种辐射体的光谱辐射率和光谱辐射通量密度曲线 1.2.2 基本定律及公式 Satellite Oceanic Remote Sensing 49 海洋表面为灰体，其发射辐射与同温度下的黑体的发射辐射的比值，称为海水的比辐射率（0≤e≤1）。 各种辐射体的光谱辐射率和光谱辐射通量密度曲线

1.2.2 基本定律及公式 Satellite Oceanic Remote Sensing 50 基尔霍夫定律 基尔霍夫发现，在任一给定温度下，辐射通量密度（E’）与吸收率之比对任何材料都是一个常数，并等于该温度下黑体的辐射通量密度（E）。即有： 式中， 为吸收率，这就是基尔霍夫定律( Kirchhoff Law)。

1.2.2 基本定律及公式 把（1-2-24）代入 (1-2-25)，可得： Satellite Oceanic Remote Sensing 51 在局部热动态平衡下，物质吸收能量的速率与辐射能量的速率相等。也就是方向性光谱发射率e等于方向性光谱吸收比： 如果上式不满足，就会导致介质变热或者变冷，这违反了局部热动力平衡条件。基尔霍夫定律的另一种表达方式为： 把（1-2-24）代入 (1-2-25)，可得：

1.2.2 基本定律及公式 使用辐射度 L( ,θ，φ，T)代替发射度M，基尔霍夫定律的表达公式（1-2-26）变成： Satellite Oceanic Remote Sensing 52 使用辐射度 L( ,θ，φ，T)代替发射度M，基尔霍夫定律的表达公式（1-2-26）变成： 式中 代表温度为T的黑体自发辐射的辐射度， 代表温度为T的灰体自发辐射的辐射度。

1.2.2 基本定律及公式 斯蒂芬-玻尔兹曼定律 1879年斯蒂芬由实验发现，绝对黑体的积分辐射能力ET与其温度的4次方成正比，即： Satellite Oceanic Remote Sensing 53 斯蒂芬-玻尔兹曼定律 1879年斯蒂芬由实验发现，绝对黑体的积分辐射能力ET与其温度的4次方成正比，即： 式中： 称为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。

1.2.2 基本定律及公式 Satellite Oceanic Remote Sensing 54 黑体在不同温度时的光谱出射率分布

这个公式给出了黑体的光谱出射率的极大值所对应的波长。 1.2.2 基本定律及公式 Satellite Oceanic Remote Sensing 55 维恩位移定律 1893年维恩推导出黑体辐射光谱的极大值对应的波长与其温度成反比： 这个公式给出了黑体的光谱出射率的极大值所对应的波长。

第一章 遥感的基础知识 1.3 太阳能的电磁辐射及其特性 Satellite Oceanic Remote Sensing 56 1.3 太阳能的电磁辐射及其特性 太阳辐射是由太阳经大气层至地球上任一物体的能源，也是被动式遥感系统中主要的辐射源。太阳表面温度约为6000 K（太阳等效黑体温度等于5762K），内部温度更高。太阳辐射按波长的分布，称为太阳辐射光谱。

1.3 太阳能的电磁辐射及其特性 Satellite Oceanic Remote Sensing 57 从该图中看出，太阳辐射能主要集中在λ=0.17～4μm的短波辐射区，即以可见光和近红外为主。最大辐射强度位于波长0.47μm左右。由于太阳辐射总能量的46％集中在0.4～0.76μm之间的可见光波段，所以太阳辐射一般称为短波辐射。 大气上界的太阳辐射光谱 实线：大气上界（TOA，Top of Atmosphere）的太阳光谱；虚线：温度为6000K的黑体辐射光谱。

1.3 太阳能的电磁辐射及其特性 大气层外的光谱辐照度曲线和海平面上的光谱辐照度曲线之差，表明了地球大气对太阳辐照度产生的影响。 Satellite Oceanic Remote Sensing 58 大气层外太阳辐射的光谱辐照度和5900K温度的黑体光谱，以及通过—个大气气团(ma＝1)后在地表海平面上近似的太阳光谱辐照度。 大气层外的光谱辐照度曲线和海平面上的光谱辐照度曲线之差，表明了地球大气对太阳辐照度产生的影响。

1.4.1 地球大气 1.4.2 大气衰减 1.4.3 大气吸收 1.4.4 电离层 1.4.5 大气散射 1.4 大气及其传输特性 第一章 遥感的基础知识 Satellite Oceanic Remote Sensing 59 1.4 大气及其传输特性 1.4.1 地球大气 1.4.2 大气衰减 1.4.3 大气吸收 1.4.4 电离层 1.4.5 大气散射

1.4 大气及其传输特性 1.4.1 地球大气 Satellite Oceanic Remote Sensing 59 对流层：在大气层的最低层，紧靠地球表面，其厚度大约为10至20千米。对流层的大气受地球影响较大，云、雾、雨等现象都发生在这一层内，水蒸气也几乎都在这一层内存在。这一层的气温随高度的增加而降低，大约每升高1000米，温度下降5～6℃。 平流层：约距地球表面20至50千米。平流层的空气比较稳定，大气是平稳流动的。在平流层内水蒸气和尘埃很少，并且在30千米以下是同温层，其温度在－55℃左右，温度基本不变，在30千米至50千米内温度随高度增加而略微升高。 中间层：大约距地球表面50至85千米，这里的空气已经很稀薄，突出的特征是气温随高度增加而迅速降低，空气的垂直对流强烈。 暖层：大约距地球表面50至85千米，这里的空气已经很稀薄，突出的特征是气温随高度增加而升高，空气的垂直对流强烈。

1.4.2 大气衰减 衰减系数κa 2. 光学厚度τ 3. 透过率t 衰减系数κa Satellite Oceanic Remote Sensing 60 衰减系数κa 2. 光学厚度τ 3. 透过率t 衰减系数κa 电磁波穿过大气时，会被大气衰减。若太阳辐照度为E0，经过大气的路径为r，则穿过该大气路径后的辐照度为Er ，即：

1.4.2 大气衰减 根据透射率定义，有 式中κa为衰减系数 (Attenuation Coefficient), Satellite Oceanic Remote Sensing 61 根据透射率定义，有 式中κa为衰减系数 (Attenuation Coefficient), 又称为体消光系数（单位是m-1），它表达为： 其中： 为散射系数， 为吸收系数。

1.4.2 大气衰减 Satellite Oceanic Remote Sensing 62 2. 光学厚度τ 在传输路径上，区间[ri ，r]内介质的光学厚度τ (Optical Thickness), 也被称为光学深度（Optical Depth）或不透明度 (Opacity)。 在大气光学厚度计算中，通常采用高度坐标。设辐射传输路径上高度z处，辐射传输方向r的天顶角为θ，如图a所示：

1.4.2 大气衰减 Satellite Oceanic Remote Sensing 63 (a) 射线路径和天顶角关系示意图

1.4.2 大气衰减 Satellite Oceanic Remote Sensing 64 3. 透过率t 透过率t定义为： 式中，Ls是表面的光谱辐射率，τ为沿垂直路径的光学厚度，对无线电频率，透过比常用dB单位表示，用dB表示的透过率与光学厚度的关系为：

1.4.2 大气衰减 透过比dB 1.00 -4 透过率 -8 0.1 -12 -16 0 1.0 2.0 3.0 4.0 光学厚度 Satellite Oceanic Remote Sensing 65 -4 -8 -12 -16 透过比dB 0 1.0 2.0 3.0 4.0 1.00 0.1 透过率 光学厚度 透过率为一光学厚度的函数

1.4 大气及其传输特性 1.4.3 大气吸收 大气吸收作用 大气散射作用 Satellite Oceanic Remote Sensing 66 1.4.3 大气吸收 大气吸收作用 大气散射作用

1.4.3 大气吸收 辐射传输方程描述了这些过程 大气的影响方式 原因 波段 影响的物理量 乘法性因子 （消光） 吸收 全波段 散射 Satellite Oceanic Remote Sensing 67 辐射传输方程描述了这些过程 大气的影响方式 原因 波段 影响的物理量 乘法性因子 （消光） 吸收 全波段 吸收系数、吸收物质量、压力、温度 散射 可见光、近红外 散射系数、散射物质量、相位函数 加法性因子 （发射） 热辐射 热红外 吸收系数、吸收物质量、温度、压力

1.4.3 大气吸收 （a）起消光作用的吸收 （b）发射作用的热辐射 （c）起消光作用的散射 （d）起发射作用的散射 Satellite Oceanic Remote Sensing 68 （a）起消光作用的吸收 （b）发射作用的热辐射 （c）起消光作用的散射 （d）起发射作用的散射

1.4.3 大气吸收 吸收系数描述大气吸收 短路径dz上光滑辐射率Lλ的部分损耗： Satellite Oceanic Remote Sensing 69 吸收系数描述大气吸收 短路径dz上光滑辐射率Lλ的部分损耗： 厚度为z的气体容器出口处的辐射率L0与其入口处的辐射率Li的比值： 可见光、红外波段，用物质吸收系数k：

1.4.3 大气吸收 大气吸收对辐射能的影响 1. 吸收的影响：布格定律 2. 发射的影响： 3. dz路径上的总变化： Satellite Oceanic Remote Sensing 70 大气吸收对辐射能的影响 吸收率 1. 吸收的影响：布格定律 吸收率=发射率 2. 发射的影响： 3. dz路径上的总变化： 4. z’路径上的变化为每个dz路径的积分

1.4 大气及其传输特性 1.4.4 电离层的影响 电离层对遥感的主要影响是： a）电离层减小辐射群速度； Satellite Oceanic Remote Sensing 71 1.4.4 电离层的影响 电离层对遥感的主要影响是： a）电离层减小辐射群速度； b）电离层旋转极化面（即法拉第旋转效应）； c）电离层吸收辐射； d）在小于106 Hz频率上，电离层的作用如同一面镜 子，把陆地信息反射到遥远的海面上，形成超视 距传播的条件。

1.4.4 电离层的影响 复折射指数： 频率越小影响越大 频率越高影响越小 p 无量纲频率 无线电频率（Hz） 碰撞频率 Satellite Oceanic Remote Sensing 72 复折射指数： 无量纲频率 无线电频率（Hz） p 频率越小影响越大 频率越高影响越小 碰撞频率 等离子体频率（Hz） 电子密度 电子回转频率 地磁场强度 电子电荷 电子质量

1.4.4 电离层的影响 1. 电离层的总衰减： 2. 电离层的附加路径长度： 3. 电离层的法拉第旋转： 注意与频率的关系！！ Satellite Oceanic Remote Sensing 73 注意与频率的关系！！ 1. 电离层的总衰减： 2. 电离层的附加路径长度： 3. 电离层的法拉第旋转：

1.4 大气及其传输特性 电磁波遇到粒子时，部分能量被散射，部分能量被吸收。散射与吸收截面面积都与粒子尺度相对入射波长的大小有很大关系。 Satellite Oceanic Remote Sensing 74 1.4.5 大气散射 电磁波遇到粒子时，部分能量被散射，部分能量被吸收。散射与吸收截面面积都与粒子尺度相对入射波长的大小有很大关系。 如果大气中粒子比较稀少，则散射主要是改变传播方向，从而削弱来自地表或海表面的辐射；如果有足够浓度的粒子，则辐射会被多次散射，其中一部分会被散射回原波束。

1.4.5 大气散射 Li L0 （a）一次散射 0.0＜τ＜0.1 （b）多次散射对一次散射的修正 0.1＜τ＜0.3 Satellite Oceanic Remote Sensing 75 （a）一次散射 Li L0 0.0＜τ＜0.1 （b）多次散射对一次散射的修正 0.1＜τ＜0.3 （c）多次散射 τ＞0.3

1.4.5 大气散射 衰减系数与粒子间关系 常用的粒子密度分布函数如下 尺度为A的单个粒子的总衰减截面 衰减系数 粒子半径 粒子密度分布函数 Satellite Oceanic Remote Sensing 76 衰减系数与粒子间关系 衰减系数 粒子半径 粒子密度分布函数 尺度为A的单个粒子的衰减截面 常用的粒子密度分布函数如下 尺度为A的单个粒子的总衰减截面

1.4.5 大气散射 粒子尺度分布参数 粒子类型 α[m-3μm-β-1] β γ（μm-1） 海雾 2.7*104 3 0.3 Satellite Oceanic Remote Sensing 77 粒子尺度分布参数 粒子类型 α[m-3μm-β-1] β γ（μm-1） 海雾 2.7*104 3 0.3 层云（Stratums clouds） 2.7*107 2 0.6 积云（Cumulus clouds） 1.4*106 0.328 雨 8.0 0.0082 R-0.21 注: R是降雨速率（单位：mm·h-1）

结合D(A)可求衰减系数->光学厚度->透过率 1.4.5 大气散射 Satellite Oceanic Remote Sensing 78 1. 米氏散射理论 米氏散射(Mie Scatter)是由气溶胶引起的散射，它发生在引起散射的粒子尺度与电磁波波长大体一致的时侯。米氏散射对波长的依赖性很小。Mie (1908) 首次提出了球形有限尺度粒子的散射理论，这个理论对具有任意电容率的介质都成立。 式1-4-47/48给出了总衰减截面和散射衰减截面 结合D(A)可求衰减系数->光学厚度->透过率

结合D(A)可求衰减系数->光学厚度->透过率 1.4.5 大气散射 Satellite Oceanic Remote Sensing 79 2. 瑞利散射 由大气分子引起的散射中，由于引起散射的粒子的尺度与波长相比很小，此时散射比较微弱，这种散射称为瑞利散射（Rayleigh scatter）。瑞利散射是高层大气最主要的散射形式。瑞利散射与波长的4次方成反比。在大气的光学厚度中，由大气分子给予的贡献随季节、纬度而多少有些变动，但在时间上、空间上几乎都是固定的。 式1-4-55给出了总衰减截面 结合D(A)可求衰减系数->光学厚度->透过率