遥感教程简介-第2部分第4页

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This page concentrates on what can happen to solar radiation as it passes through the atmosphere and hits objects/materials at the surface of Earth (or any planetary body); typically some of the irradiance is absorbed by the atmosphere and a fraction of the remaining radiation may be absorbed or reflected by surface features, or occasionally a large part is transmitted by penetrating the transparent/translucent features to varying depths (as occurs when light enters water). The effects of specular and diffuse surfaces on the radiometric values measured are examined.


电磁频谱:透射率、吸收率和反射率

来自某个源的任何光子束经过介质1(通常是空气),撞击物体或目标(介质2),将经历一个或多个反应,如图所示:

有些物体能够在不明显减弱的情况下将光透射出去(注意光束在介质1/介质2界面上弯曲两次,但以与入口相同的角度出现)。其他材料导致光能被吸收(部分以长波辐射形式发射)。或者,光可以以接近时形成的相同角度反射。更常见的是,物体表面的性质(由于微观粗糙度)导致物体向各个方向散射。

太阳是照亮自然目标的主要能源。太阳辐射(也称为日晒)以波长到达地球,波长由太阳的光球温度决定(峰值接近5600°C)。主波长间隔在200到3400纳米(0.2到3.4微米)之间,最大功率输入接近480纳米(0.48微米),处于可见绿色区域。当太阳光线到达地球时,大气会吸收或反向散射其中的一部分,并传输其余部分。

当撞击到陆地和海洋表面(及其上的物体)以及大气目标(如空气、水分和云)时,入射辐射(辐照度)分为三种能量相互作用响应模式:

(1)透射率(τ)-辐射的一部分(高达100%)穿透某些表面材料,例如水,如果材料在一个尺寸上是透明的和薄的,通常会通过,通常会有所减小。

(2)吸收率(α)-一些辐射是通过介质中的电子或分子反应吸收的;然后一部分能量被重新发射,通常以较长的波长,其中一些能量保留并加热目标;

(3)反射比(ρ)-根据表面粗糙度和光线入射角,一些辐射(通常为100%)反射(远离目标)并以不同角度散射到目标。

因为这三个参数涉及比率(辐照度),所以这三个参数是无量纲数字(介于0和1之间),但通常表示为百分比。遵循能量守恒定律:τ+α+ρ=1。

第四种情况,当发射的辐射是由内部原子/分子激发引起的,通常与物体的热状态有关,是一个热过程。热遥感的基本理论见第9节。

当遥感仪器与反射太阳能的物体有一条视线时,仪器就会收集反射的能量并记录观测结果。 大多数遥感系统的设计都是为了收集反射辐射。 .

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I-10 From the above graph, calculate (approximately) the percent decrease in surface irradiance (drop in power, in Watts/meter:sup:`2`/µm) of maximum solar radiation (close to 500 nanometers) from the moment it reaches the outer atmosphere until it reaches the Earth's surface; assume a vertical rather than slant path through the atmosphere. `ANSWER <answer.html#I-10>`__

有两种与EMR交互的一般反射面类型:镜面反射(平滑)和漫反射(粗糙)。这些术语是几何定义的,而不是物理定义的。表面在物理意义上看起来可能是光滑的,即它看起来和感觉是光滑的,但是在光波长的阶数上,在整个表面上可能会出现许多不规则。(从远处看,混凝土路面可能看起来光滑平坦,但由于小凹槽、凹坑和突起,手指经过路面时会感觉粗糙。)照射在漫反射表面上的辐射往往会在多个方向上反射(分散)。瑞利准则用于确定与辐射有关的表面粗糙度:

h小于或等于波长λ/8cosθ

其中h是表面不规则高度(以埃为单位),λ是波长(也以埃为单位),θ是入射角(从法向测量 [垂直的] 到表面。如果λ小于h,则表面充当漫反射镜;如果大于h,则表面具有镜面反射。

镜面根据斯内尔定律反射辐射,该定律规定入射角θi 等于反射角θr (光线在垂直于表面的主平面中移动)。镜面反射辐射的实际值(例如辐射率)取决于构成镜面的材料类型。可见波长范围内的镜面反射率从高达0.99(对于非常好的镜子)到低达0.02-0.04(对于非常光滑的水面)。

一般来说,自然表面几乎总是漫反射的,并且在较短波长(红外)下明显偏离镜面,并且在微波区域可能仍然有一定程度的漫反射。

完美漫反射(或朗伯)曲面的行为在该图的帮助下进行了描述:

以入射角θ考虑来自单个远源位置的一束射线(组成辐射通量)I (相对于天顶方向)和方位角φ0 (相对于北方)。想象一个被辐射的目标的(任意)水平面被封闭在一个半球中(这简化了一些计算,因为它允许使用极坐标 [在这里我们将忽略它] )对于我们设置的波长条件,表面被视为粗糙或漫反射,并且在表面偏离水平方向时具有不规则性,坡度不同。给定射线RI 位于主平面上,现在在q点撞击表面。1 . 它将根据Q处的微小表面位置(取决于其坡度)进行反射。如果该表面是水平的(坡度=0°),则光线沿路径R移动。R 在主平面上,好像这个几何体是镜面反射的。但如果点表面qs 是非水平的,也就是说,有不同的坡度定义不规则的形状,射线(数学上可处理为矢量)现在将沿着R的某个方向移动。D 通过其散射面,其位置由θ定义D 和φD . 在表面上的其他点(q:sub:n`),出站R的方向将根据直接不规则处斜坡的方向而不同。因此,大量入射光线在其他不规则处(最可能是具有随机定向坡度)与表面相遇,将在延伸至参考半球的所有可能方向上重新定向(发散)。

任何一个方向的辐射平均与任何其他方向相同;换句话说,半球上任何观察位置的辐射都是恒定的,因此与θ无关。0 . 但是,任何位置的辐射强度都会根据关系i而变化。θ = i 0 cosθ。这表明,作为入射辐射角iθ 随着辐射强度的变化,辐射强度也随之变化。对于正常入射(天顶),θ为0,cosθ为1,因此iθ = i 0 . 对于所有其他角度cosθ小于1和i0 减少了。尽管从任何位置观察到的均匀、非变化的表面看起来都是均匀发光的(恒定辐射),但当光源从垂直(头顶)位置移向平面本身(地平线)时,该表面将变得不那么明亮。

术语 双向反射率 描述了遥感中常见的观测条件,即观测角度φ不同于入射到漫反射表面的光线的角度θ,入射/出射光线不在同一主平面(不同方位角)。因此,来自同一目标(类型)的反射值随θ和φ的不同组合而变化:当传感器在最低点(向侧看)运行时,太阳角和方位角在运行期间(如飞机向后移动和炮台时)发生变化时,这一点尤为重要。h)在航空摄影任务中沿小路行驶。考虑此图(处理二维情况;实际上,行为可以使用半球作为参考显示在第三维中):

对于不完全漫反射镜(具有镜面组件)和直接上方的观察者(例如垂直于地球表面向下看的传感器),散射将产生从光线A导出的反射的三维包络(此处显示为二维切片)。b和c。这些辐射强度以不对称的方式变化(a除外)。因此,对于B和C射线,在所有方向上都有一般的漫反射,再加上沿镜面组件角度方向扩散的“尖峰”或差异增加。由于反射系数也随波长变化,因此必须计算所考虑的λs范围内每个波长的双向反射系数包络。


主要作者:Nicholas M.Short,高级电子邮件: nmshort@nationi.net