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辐射传输之地球辐射传输方程
分享到    浏览:92   时间:2024-07-04

辐射传输之地球辐射传输方程

地球辐射传输是一个复杂的电磁传输过程。根据上述地表辐射传输过程可知,到达遥感传感器中的辐射能量不仅包含了地面物体信息,同时也掺杂了大量的大气和地表的其他能量信息,因而需要采用准确的方法定量描述辐射传输过程,剔除大气和地表辐射的影响。

辐射传输方程是描述电磁波在大气和地表中辐射传输的主要方式,也是遥感反演物理参数必备的基本遥感原理。由于大气和地表在不同波段上对太阳辐射的反射、散射、吸收和发射等具有不同的特性,同时各类卫星传感器具有不同的特点,因而往往依据一定的条件,将复杂的辐射传输过程简化为有针对性的辐射传输过程,并采用更为简化的辐射传输方程进行表达求解。根据卫星传感器和遥感科学的发展历史与现状,可以将现有的辐射传输方程,分为三大类,即可见光一反射红外传输方程、发射红外或热红外传输方程、微波辐射传输方程。另外,根据卫星被动和主动探测方式的不同,还涉及到雷达方程。下面分别对这四种方程予以简述。

1.可见光一反射红外波段

可见光一反射红外波段(0.38~3μm)的电磁波主要来源于太阳辐射。在进入卫星传感器之前,太阳辐射先要经过大气层,直接由大气反射,或经大气层的散射和吸收,部分电磁波到达地表。然后由地表反射,再次经过大气层,最后到达传感器,因此,货感器人量处的光请辐射强度包含了太阳辐射、大气、大气与地表相互作用、以及二次经过大气的信息

大气层顶反射率信息包含来自地表的四个贡献。第一项是太阳辐射直接入射到地表并经地表直接反射到传感器的信息;第二项是经大气散射到达地表并经地表直接反射到传感器的信息;第三项是直接入射到地表并经地表反射和大气散射到传感器的信息;第四项是经过大气散射地表,并经地表反射和大气散射到达传感器的信息,及地表与大气多次相互散射到达传感器的信息。

2.热红外波段

太阳辐射能主要集中在0.17~4μm的短波辐射区间,即以可见光和反射红外为主。而地表的辐射能量基本上处于3μm以上的长波波段,所以称为长波辐射。在热红外波段,大气不但吸收和散射电磁波,而且自身也发射电磁波。除非有云或者尘埃等大颗粒存在,大气对长波辐射的散射作用极小,一般忽略不计。若有云存在,由于云的长波吸收作用很强,即使较薄的云层也可以被视为黑体,因此在热红外辐射传输中,一般只考虑吸收作用,而忽视散射作用。另外,地表物体也会反射入射能量,且自身还能辐射热能。因此,卫星传感器在热红外波段接受到的辐射强度包含了来自大气和地表的多方面信息

传感器接受到的能量包括三个部分。第一,地表热红外辐射经大气吸收衰减后到达传感器的辐射;第二,大气自身的上行辐射;第三,大气下行辐射经地表反射后,再经大气传输而到达传感器的辐射。

热红外辅射传输方程目前已经在地学研究中得到了广泛的应用。例如,反演地表温度和地表发射率等地球物理参数,估算地球长波辐射和辐射收支。研究城市热岛效应,监测土壤水分和早情,以及分析震前热异常等,由于地球水分运动取决于地球表层系统的热力学变化,因此热红外辐射传输方程也是基于遥感数据反演地球水循环变量的核心主导方程之一

3.微波波段

微波波长为lmm~lm,比可见光一发射红外的波长大得多。太阳辐射以短波为主,微波辐射仅占很少一部分。微波遥感主要以地面发射或反射的微波为主要来源。地表物质的微波反射和发射,与它们对可见光或热红外的反射和发射,没有直接关系。微波与地表之间的相互作用,除了存在发射、散射和吸收等物理过程之外,还产生透射,与穿透深度之内的地下物质发生作用。对于光滑表面,入射微波将产生镜面反射;对于粗糙面,将发生散射(向各个方向的漫反射);在中等粗糙度的情况下,同时存在镜面反射和散射分量。微波穿透深度与微波波长、入射角和地表的介电常数等有关。

地表发射或反射的微波到达卫星传感器之前,必须通过大气层,因而会与大气层中的物质发射复杂的相互作用,使原始的微波信号产生变化。大气对微波的衰减作用,主要有大气水汽和氧分子对微波的吸收,大气粒子对微波的散射等。由于微波的波长相对较长,微波散射要比可见光一反射红外波段小得多,并且波长越长,大气的散射作用就越不明显。另外,云层对微波吸收和散射的影响十分明显,它本身也会发射出微波辐射而呈现为亮温。

由于微波遥感具有全天时、全天候、穿透性,对地表粗糙度、几何形状和介电性质等敏感,在地球科学问题研究中有着极大的应用价值和潜力。其中,微波辐射传输方程可用于分析地表的发射辐射和大气自身的热辐射等过程,是地表土壤水分和大气降水等地球物理参数反演的核心基础理论之一。

4.雷达方程

雷达方程描述了雷达天线接收到的回波功率与雷达系统参数及目标散射特征之间的数学关系