《大气环境遥感》PPT课件.ppt

第七章 大气环境遥感,主要内容,1 大气环境概述,大气的成分及分布大气的成分：多种气体组成的干洁空气、水汽及悬浮的气溶胶颗粒干洁空气通常把除水汽以外的纯净大气称为干洁大气（干空气）。主要成分为N2、O2、Ar及CO2,占了空气体积的99.966%以上。另外还有一些微量成分如H2、CH4、SO2等。水汽水汽在大气中所占的比例很小,仅0.1%-3%,却是大气中最活跃的成分.水对于地球上生命的意义以及水在地球大气条件下存在的三相变化,使水汽不同于其他微量气体而更具有重要性.,1 大气环境概述,大气的成分及分布大气的成分：多种气体组成的干洁空气、水汽及悬浮的气溶胶颗粒大气气溶胶大气中悬浮着的各种固体和液体粒子,例如:尘埃、烟粒、微生物、植物的胞子和花粉,以及由水和冰组成的云雾滴、冰晶和雨雪等粒子都可以看成是大气气溶胶.,1 大气环境概述,大气的成分及分布大气分为为对流层、平流层、中间层、热层和逸散层,1.对流层是大气的最底层，这一层的显著特点是气温随高度升高而递减。对流层是航空遥感活动区。遥感侧重研究电磁波在该层内的传输特性。厚度随纬度和季节而变化。在赤道低纬度区为718km，在中纬度地区为1012km，两极附近高纬度地区为89km。夏季较厚，冬季较薄。,1 大气环境概述,大气的成分及分布大气分为为对流层、平流层、中间层、热层和逸散层,2.对流层顶到50km的大气层是平流层。在高约15-5km的范围内，有厚约20km的一层臭氧层。臭氧具有吸收太阳紫外线的能力，使得地球上的生物免受紫外线的照射，同时又对地球起保温作用。近几年由于人为的原因，使得臭氧层出现了空洞现象，受到了大家的普遍关注，对臭氧层的遥感监测能了各国的当务之急。,1 大气环境概述,大气的成分及分布大气分为为对流层、平流层、中间层、热层和逸散层,3.从平流层顶到85km高度的一层称为中间层，该层空气稀薄，有强烈的垂直对流运动，气温随高度增加而下降。,1 大气环境概述,大气环境遥感原理,太阳辐射进入地球之前必须通过大气层，由于大气对太阳辐射具有吸收、散射和透射等作用，所以使得太阳辐射到达地面的能量不断衰减,1 大气环境概述,大气环境遥感原理,太阳电磁辐射经过大气的各种衰减，到达地面后的比例很小，达到地面的能量仅占入射总能量的31%。,通过大气而较少被反射、吸收或散射的透射率较高的电磁辐射波段就被称为是大气窗口。,1 大气环境概述,大气环境遥感原理大气对太阳辐射具有吸收、散射和透射等作用大气散射：电磁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。大气散射和大气吸收的异同点？相同点：原传播方向的辐射强度减弱吸收作用使辐射能量转变为分子的内能，从而引起这些波段太阳辐射强度的衰减散射：使原传播方向的辐射强度减弱，增加向其他方向的辐射散射改变了太阳辐射的方向，但是并不改变太阳辐射的强度,2 大气遥感应用气溶胶监测,气溶胶：大气中悬浮着的各种固体和液体粒子（直径一般小于10m）遥感监测气溶胶的基本原理气溶胶粒子经过对入射辐射的散射和吸收作用，使入射辐射的性质及强度发生了变化。通过测量入射辐射性质的变化便可以反演气溶胶粒子的特性，这是遥感气溶胶的基本原理。当前气溶胶光学厚度监测的方法主要有地基遥感和卫星遥感。,2 大气遥感应用气溶胶监测,地基遥感的方法有很多,主要有太阳辐射计、粒子计数器等方法。地基探测方法可以准确提供当地气溶胶信息地基测定方法受到人力物力的限制，探测范围较小，并且在广大的海洋、沙漠等无人区域难以进行，也不能获得大范围的气溶胶时空分布变化,2 大气遥感应用气溶胶监测,卫星遥感弥补了一般地面观测难以反映空间具体分布和变化趋向的不足，为人们全天候、实时了解大范围的气溶胶变化提供了可能但是由于遥感方法对于光学厚度反演过程中源于地表反照率和气溶胶模型带来的误差难以估计，因此卫星遥感需要同时有地面遥感观测进行对比与校正,2 大气遥感应用气溶胶监测,卫星遥感气溶胶的研究始于七十年代中期在晴空的条件下，卫星上探测到的辐射由下垫面反射的太阳辐射透过气溶胶部分与气溶胶多次散射返回太空的部分组成卫星遥感气溶胶，必须从卫星遥感的辐射值中区分出哪些来自下垫面反射，多少是气溶胶的多次散射值,2 大气遥感应用气溶胶监测,大陆型气溶胶光学厚度反演方法暗像元法陆地上空遥感气溶胶的最大困难是地表反射辐射的扣除问题如果下垫面没有反射率（如反射率小于10%），这样是不是基本上不需要扣除下垫面背景辐射的影响问题？也就是说卫星遥感的辐射值就是大气中气溶胶的多次散射辐射值？如果地表反射比较低，在遥感影像上表现为暗背景，如果要是亮背景（地表反射率比较大），地表反射辐射的扣除就比较困难,2 大气遥感应用气溶胶监测,大陆型气溶胶光学厚度反演方法暗像元法陆地上的稠密植被、湿土壤及水体覆盖区在可见光波段反射率很低，在卫星图像上称为暗像元水体在整个可见光和近红外区的地表反射率都很低，浓密植被在红波段(0.6-0.7m)和蓝波段(0.4-0.5m)的反射率也非常低模拟及观测研究表明，在晴空无云的暗像元上空，卫星观测反射率随大气气溶胶光学厚度单调增加，利用这种关系反演大气气溶胶光学厚度的算法，称为暗像元方法。,2 大气遥感应用气溶胶监测,大陆型气溶胶光学厚度反演方法暗像元法暗像元方法利用大多数陆地表面在红（0.60-0.68m）和蓝（0.40-0.48m）波段反射率低的特性，根据植被指数（NDVI）或中红外通道（2.12m）反射率进行暗像元识别，并依据一定的关系假定这些暗像元在可见光红或蓝通道的地表反射率，反演气溶胶光学厚度。,2 大气遥感应用气溶胶监测,大陆型气溶胶光学厚度反演方法暗像元法第一步：选取暗像元，确定其地表反射率气溶胶对空间观测辐射的影响随波长增加而递减，到中红外波段气溶胶对观测辐射的影响要比可见光波段小得多在陆地上，有茂密植被覆盖的地区，2.12m通道卫星观测表观反射率几乎不受气溶胶的影响。可以用2.12m通道的表观反射率（大气顶层反射率）代替2.12m通道的地表反射率，确定可见光红通道和蓝通道地表反射率,2 大气遥感应用气溶胶监测,大陆型气溶胶光学厚度反演方法暗像元法第一步：选取暗像元，确定其地表反射率Kaufman Y J et al发现对于陆地上的暗地表（浓密植被或黑土），红（0.66m）、蓝（0.47m）和中红外（2.12m）通道地表反射率存在着线性关系：第二步：根据当地的气候和气象资料以及周围地区的地面状况选择气溶胶模式。第三步：对各个暗像元，分别利用蓝光，红光波段的反射率计算550nm的气溶胶光学厚度。,2 大气遥感应用气溶胶监测,大陆型气溶胶光学厚度反演方法暗像元法第四步:最终550nm的气溶胶光学厚度取蓝光，红光波段计算出的光学厚度的平均值。,3 大气遥感应用城市热岛监测,城市热岛的存在给人们的生产、生活带来了诸多不利的影响持续的高温，不仅会使体弱者中暑，而且使人心律加快，引起情绪烦躁、精神萎靡、食欲不振、思维反应迟钝高温气候助长了多种病原体、病毒的繁殖和扩散，易引起疾病特别是肠道疾病、皮肤病的发生于蔓延1980年7月，美国圣路易斯市和堪萨斯市遭遇罕见热浪，城市中受“热岛”控制的商业区，其人口死亡率分别上升了57%和64%,3 大气遥感应用城市热岛监测,城市热岛研究的方法主要有4大类1）通过城市和郊区的历年气象资料的分析来研究城市热岛的动态和现状2）通过遥感数据，包括卫星遥感数据和航空遥感数据资料，通过计算机技术，解释热岛特征3）通过建立数学模型，进行数学模拟4）进行布点观测,3 大气遥感应用城市热岛监测,卫星遥感技术能有效全面的探测到下垫面的温度特征，且能周期性、动态的监测城市热环境的变化趋势，是研究城市热岛效应的有效手段之一直接用于温度反演的电磁光波的波段为热红外区，波长在814m，因此利用该波段的遥感也称为热红外遥感热红外遥感所观测到的是地面目标的热辐射能量所以通过对地表热辐射的观测，可以推测地面的温度状况，从而掌握地表的热存储状况,3 大气遥感应用城市热岛监测,遥感技术在城市热岛研究领域的应用主要有两种方法，实验方法和理论方法实验方法是指在获取遥感影像的同时，对地面目标进行现场地温数据采集，利用采得的样点数据拟合影像灰度值与实际地面温度的经验函数这种方法不需要进行复杂的理论推导，但必须在卫星获取数据的同时对预定的采样点进行地温数据采集而且由于采用经验公式对地温进行反演，误差较大,3 大气遥感应用城市热岛监测,理论方法是指利用遥感图像和有关参数建立模型，进行实际地面温度的反演，从而对城市热岛分布做出评价传统上使用所谓的大气校正法大气校正法也称辐射传导方程法，是通过MODTRAN(Moderate Resolution Transmission)等辐射传输方程模拟大气对热辐射传导的吸收作用以及大气上行和下行热辐射强度，然后把这一部分大气影响从卫星遥感器所观测到热辐射总量减去，得到地表的热辐射强度，最后把这一热辐射强度转化为相对应的地表温度。,3 大气遥感应用城市热岛监测,大气校正法 假设地表和大气对热辐射具有朗伯体性质，大气下行辐射强度在半球空间内为常数，则这一热辐射强度可简化为：,3 大气遥感应用城市热岛监测,大气校正法这一方法虽然可行,但实际应用起来却非常困难。计算过程复杂大气模拟需要精确的实时(卫星飞过天空时)大气剖面数据,包括不同高度的气温、气压、水蒸汽含量、气溶胶含量、CO2 含量、O3含量等等,3 大气遥感应用城市热岛监测,对于所研究的区域而言,这些实时大气剖面数据一般是没有的。因此,大气模拟通常是使用标准大气剖面数据来代替实时数据,或者是用非实时的大气空探数据来代替。由于大气剖面数据的非真实性或非实时性,根据大气模拟结果所得到的大气对地表热辐射的影响的估计通常存在较大的误差,从而使大气校正法的地表温度演算精度较差(一般 3)。,3 大气遥感应用城市热岛监测,理论方法具体可分为单通道法、多通道法(分裂窗口法)、单通道多角度法和多通道多角度法以TM影像为例单通道法Juan C.Jimnez-Muoz and Jos A.Sobrino对普朗克函数在某个温度值Tc附近作一阶泰勒级数展开，得到：,3 大气遥感应用城市热岛监测,3 大气遥感应用城市热岛监测,3 大气遥感应用城市热岛监测,如何求取传感器接收到的热辐射强度Lsensor及亮温Tsensor一般情况下，与TM影像的像元所对应的数据是以灰度值（DN值）来表示的，DN值越大，亮度越大对于TM6，亮度越大，表示地表热辐射强度越大，温度越高如何从TM 6 数据中求算亮度温度从TM 6 数据中求算亮度温度的过程包括把DN 值转化为相应的热辐射强度值,然后根据热辐射强度推算所对应的亮度温度。,3 大气遥感应用城市热岛监测,所接收到的辐射强度与其DN 值有如下关系,3 大气遥感应用城市热岛监测,发射前TM6的预设常量为：因此TM热红外波段辐射强度与灰度值之间的关系可简化为:由于QDN为TM热红外波段灰度值，属已知数据，因此根据上式可以很容易的求算出相应的热辐射强度L（）,3 大气遥感应用城市热岛监测,根据热辐射强度推算所对应的亮度温度。,35,3 大气遥感应用城市热岛监测,地表比辐射率的估算地表比辐射率是地表温度反演的关键性参数之一目前比辐射率的获取方法主要有：实验室测量法、野外测量法及遥感数据反演法三种。,36,3 大气遥感应用城市热岛监测,利用遥感数据反演地表比辐射率常用的方法有：根据可见光和近红外光谱信息，认为比辐射率是NDVI等植被指数的函数，利用经验和半经验公式来估算地表比辐射率；根据热红外光谱仪获取的最小比辐射率与最大比辐射率之差的关系来确定地表比辐射率；在假定地表比辐射率不变或与温度无关的热红外波谱指数不变的条件下，利用多时相数据来确定地表比辐射率。,37,3 大气遥感应用城市热岛监测,根据可见光和近红外光谱信息，认为比辐射率是NDVI等植被指数的函数，利用经验和半经验公式来估算地表比辐射率，Grined和Owe通过对可见光和近红外波段光谱反射率获得的NDVI值与实测地物发射率值之间的比较研究，发现实测的地表比辐射率值和NDVI值之间存在着高度相关性，最早提出了利用NDVI估算地表比辐射率的方法，并利用回归分析方法建立了通过NDVI估计地表比辐射率的经验公式Sobrino等考虑了不同NDVI值的情况下地表比辐射率的估计，提出了NDVI Thresholds Method一NDVITEM进行地表比辐射率估计，该方法属于改进的半经验方法，已有的研究表明半经验方法比经验方法更准确。,38,3 大气遥感应用城市热岛监测,NDVITEM方法考虑了不同地表覆盖情况下地表比辐射率的估计：,39,3 大气遥感应用城市热岛监测,40,3 大气遥感应用城市热岛监测,d表示自然表面的几何分布与内部反射效应而引起的反射率比例，在地表相对平整的情况下,一般可取d=0；在地表高低相差较大的情况下d可由植被的构成比例简单估计,41,3 大气遥感应用城市热岛监测,由于水体具有比热大、热惯量大，对红外几乎全部吸收，自身辐射发射率高以及水体内部以热对流方式传递温度等特点，因此水体在热波段内的比辐射率接近于黑体，且其表面温度较为均一，所以本文取常数值作为本研究中水体的比辐射率。,42,