应的主要来源，对于近红外波段，则Ro(?)与R(?)f(?)都重要.

21. PAR、FPAR、APAR、微分植被指数

PAR： FPAR：

APAR：APAR是Absorbed photosynthetic Active Radiation 的缩写。光合作用起作用的辐射波段为0.4—0.7um，APAR描述了这一波段范围内被植被实际吸收的辐射通量密度，如果已知投射到植被冠层表面的辐射通量密度，则APAR亦可被标准化为无因次的比例系数。

微分植被指数：

在植被-土壤体系中，可以用微分手段比较彻底的消除土壤背景的干扰，更有效的提取植被信息，但是他对噪声极为敏感，因此应用微分参数要求传感器有较高的精度和稳定度。

第五章 大气效应及其纠正

1. 大气组成、结构特征、基本物理过程（散射、吸收等）

? 大气组成： 1) 臭氧O3：

i. ii.

臭氧主要分布在10—50km的中层大气中，极大值出现在20—25km处，对流层中的臭氧含量不到总量的十分之一；

臭氧总含量有明显的地域分布特征及季节变化，在赤道上空臭氧含量最少，在高纬度地区60°—70°区域内达到极大值；

大气中的二氧化碳（CO2）含量相对稳定，其体积百分比含量约为0.0322%； CO2含量较少，但它对红外波段，特别是以15μm为中心形成了一个13—17μm的强吸收率，因此成为探测大气温度廓线的重要手段；

混合在大气中的CO2强烈地吸收着来自地表的热辐射，以比地表低的温度向太空辐射热量，这就构成了一个辐射能量的差距（吸收多，支出少），增加地—气系统的温度；

二氧化碳含量具有季节性变化；

二氧化碳含量在南北两半球之间分布是不均一的，北半球明显地大于南半球。

? 二氧化碳CO2：

i. ii. iii.

iv. v. i.

? 水汽H2O：

大气中水汽含量在空间尺度和时间尺度变化都是极大的，地球上最湿润的地区与最干燥地区水汽含量可以相差5个数量级，同一地点水汽含量的振动幅度与其平均值相当； ii. 水汽对可见光，红外以及微波波段都有其明显的吸收波段，因此水汽对电磁波

的吸收与发射是大气效应纠正的重要内容，也是探测大气中水汽含量垂直分布的基本依据。

? 汽溶胶：

i. 大气气溶胶是指悬浮于地球大气之中具有一定稳定性的，沉降速度小的，尺度

在10-3μm到10μm的液态及固体粒子； ii. 由于来源的不同，构成成分有差别，其变介电常数不尽相同，对电磁波的吸收

散射作用差别较大，故大气气溶胶可分为不同类型，比如海洋型、大陆乡村型、

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城市型等； iii. 由于地球重力作用气流溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减，气溶胶颗粒尺度与可

见光波长相当，故它对光的散射作用属于米氏散射； iv. 气溶胶大多集中在底层大气0–4Km范围之内。 ? 结构特征：

1) 大气物理状况的物理量一般有气压，大气温度与大气湿度； 2) 它们在垂直方向上的变化远远大于水平方向上的梯度，所以在大气效应纠正中大量

假定大气具有水平均一、垂直分层结构； 3) 气压随高度是以负指数形式递减；

4) 按照温度随高度的变化特点，大气可以分为：

? 对流层：温度随高度的递减而递减，每升高1km降低6C，大气垂直运动剧烈，造成雨云等复杂天气现象；

? 平流层：温度随高度不变，又叫同温层； ? 中间层 ? 热层

2. 大气吸收谱线：

? 氮（N2）和氧（O2）对辐射的吸收主要位于紫外波段；

? 由于大气上层臭氧的存在，而臭氧对小于0.3um的电磁波具有极强的吸收能力，

到达地面的太阳短波辐射中，已不存在小于0.3um的短波辐射了；

? 从可见光到红外到微波波段，起主要作用的是大气中的一些少量的多变的气体，它

们是： i. 臭氧（O3）——臭氧对紫外光有强烈的吸收作用致使波长短于0.3的太阳辐射

无法到达地面，臭氧在0.6μm附近有一个弱吸收带，在红外区，以9.6μm为中心有一个较强的吸收区，其次在4.75μm有一个较显著的吸收区，在14μm附近的吸收率与CO2的强吸收重叠； ii. 水汽（H2O）——最强和最宽的振转吸收带为以6.3um为中心的吸收带(遥测

大气水汽廓线的主要波段 )，其次还有两个分别以2.74um和2.66um为中心的吸收带 iii. 二氧化碳（CO2）——红外区的吸收带，其一是以15μm为中心范围，由13.5

—16.5μm的强吸收带；其二是以4.3μm为中心的吸收带；由于CO2的相对含量近似恒定，该吸收的波段便成为遥测大气温度垂直分布和主要手段； iv. 甲烷（CH4），氮氧化物（N2O），一氧化碳（CO）等，（以60GHZ为中心的微

波氧（O2）吸收带除外）；

3. 大气窗口：

把大气吸收相对比较弱的区域叫做大气窗口，大气窗口有0.4—2.5um（可见光—近红

外区），3.5—4.0um（中红外区），8—14um（严格讲为10.5—12.5um，热红外区）

4. 大气对电磁辐射的散射： ? 小颗粒散射——瑞利散射：气体分子的尺度远小于光波的波长，所以它属于小颗粒

散射性质

i. 散射光强度与波长4次方成反比，由此可以解释天空为什么呈蓝色； ii. 散射光强与距离的平方成反比 iii. iv.

?；

当?取0或?时，散射光的偏振度为“0”；当???/2时，散射光的偏振度

如果入射光为自然光，则散射光的相函数为1?cos26

2为“1”（线偏振），其他角度为部分偏振光。

? 大颗粒散射——米氏散射：气溶胶粒子的尺度一般与光的波长可比拟，故它对光的

散射属于大颗粒散射，亦称Mie散射 i. 散射强度与波长的二次方成反比； ii. 散射光线在前方向比在后方向更强； iii. 云雾对红外的散射主要是米氏散射。

? 非选择性散射——大气中的粒子比波长大得多的时候发生的散射，散射强度与波长

无关。

? 大气散射的特点：

i. 群体散射强度是个体散射强度之线性和； ii. 大气散射系数与高度的关系

? 大气散射系数由分子散射和气溶胶散射两部分组成； ? 气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减；

? 就平均状况而言，4km以下气溶胶的Mie散射位优势，4km以上的分子散射

相对位优势。

5. 6S大气效应纠正（基本公式pp.317-318）

1) 公式：

?T(?s,?v,?s??v)?Tg(?s,?v)??R?a?T??s?T??v????s??

1?s?s?此处?s为地表漫反射的反射率，S为大气半球反射率，?R?a为由分子散射加气溶胶散射所构成的路径辐射反射率，Tg(?s,?v)为大气吸收所构成的透过率，T??s?与

T??v?分别代表太阳→目标与目标→传感器路径上的直线透过率，?T为大气上界的

总反射率。 2) 6S的特点：

1) 把多次散射(分子散射与气溶胶散射)及其相互作用一并于以考虑，解辐射传输

方程，6S采用了“Successive order of scattering” (SOS)方法求解辐射传输方程，把大气分成26层，采用24个高斯离散角，而6S方法将层数减少为13层，离散角减为12个，这样计算量可减少3/4，而引起的误差仍然在允许范围内； 2) 吸收与散射的匹配问题，主要考虑了水汽和气溶胶层，公式假定了两种散射效

应是可分离的，所以性质上它仍然是一种近似公式；

3) 处理不均匀目标问题，M-C模拟分子散射及气溶胶散射对F（r）（交叉辐射项）

的贡献；

4) 地表BRDF与大气辐射的耦合，表达方式属于“经验”性的。

6. 植被指数形式下的大气纠正问题

L??Lo??Ld??Ls?t?

Lo?：被称为路径辐射项，是来自太阳的短波辐射经分子及气溶胶散射直接进入传感器

之辐射亮度，因此这一部分辐射不带我们所需的地表信息。

Ld?：称之为交叉辐射项，由于大气分子散射及气溶胶散射之存在，使得邻近像元对太阳短波辐射的反射经大气散射它的部分能量进入了传感器。 Ls?：来自像元的反射辐射；

t?：大气透射率；

L?：星载传感器接受来自地面目标的亮度值 ? NPVI（定义、前提、可行性）

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i.

如果忽略交叉辐射项，那么大气效应对传感器所接受的辐射亮度的影响可归结为一种线性效应（即改变了截距和斜率）；则处在两个不同大气条件下的PVI值应具有如下关系：(PVI)2?K(PVI)1

ii.

NPVI?PVI??????PVI????b，?为所有裸露土壤点对土壤线的一个平均离差；

iii.

iv.

标准化垂直植被指数不随大气状况而变； 特点：

a. 虽然在形式上回避了大气参数的需求，但事实上，它所利用的大气信息包含在?(PVI)b中，要正确确定土壤线的斜率和截距，以及正确计算?(PVI)b十分困难，严格讲，它不能达到对PVI进行大气纠正的目的。

b. 前提条件是忽略交叉辐射项，这就意味着要么大气非常稀薄（光学厚度很小），要么像元尺度很大，如AVHRR，然而像元尺度越大，混合像元所占比例越高，像元尺度越小，找出纯像元的可能性就越大，但此时交叉辐射项在传感器所接受的总辐射亮度中所占的比例也就越大。

? NDVI的大气效应问题（pp.323-328）

i. 前提条件：

1> 假定大气水平均一，垂直分层； 2> 由于分子散射的规律比较简单，大气质量垂直分布不变，所以大气状况变

化主要由气溶胶造成。

ii. 浑浊度，太阳天顶角，不同NDVI值，不同地物类型，的影响。

7. 点扩散函数

? 对于星载传感器获得的辐射亮度，假定路径辐射项处处相等，并把交叉辐射项与像

元辐射项合并，并用一个权重函数表达，则

L?(x,y)?Lo??Lg(??x,??y)?h(??x,??y)

这里Lg代表辐射亮度的分布函数，h(??x,??y)扮演着一个权重函数的角色，我们称之为“点扩散函数”。

? 它实际上描述了离中心点(x,y)的距离为(??x,??y)的点对L?(x,y)?Lo?的贡

献率，而Lg(??x,??y)正是有用的信息

? 用M-C求解点扩散函数：

如暂时忽略地—气之间的多次反弹，则大气点扩散函数只由大气散射（包括分子散射和气溶胶散散）所决定，它的决定要素有：

1) 大气光学厚度，实际上表达了气溶胶颗粒密度和分子数密度的影响； 2) 散射相位函数，包括分子散射相位函数和气溶胶散射相位函数，前者固定少变，

后者则与气溶胶尺度谱及气溶胶颗粒尺度与入射辐射波长之比值有关； 3) 单次散射反照率：

a) 如果完全避免分子吸收波段，则对分子散射来说?=1； b) 气溶胶的吸收特性较为复杂，不仅与其组成成分有关，而且往往与其吸湿

特性有关。

? PSF（点扩散函数）与波长、颗粒大小、能见度、像元尺度的关系：

a) 波长越短，交叉辐射越强，点扩散函数值越大； b) 能见距越短（即气溶胶浓度大），交叉辐射越强，点扩散函数值越大；

c) 气溶胶尺度谱参数对点扩散函数形态的影响，V值越小，大颗粒比例高，则中

心像元所占比例高，近距离像元贡献大，远距离像元贡献小，反之亦然； d) 应该说对于尺度大于10km的均匀目标交叉辐射项的影响是小的，大于100km

的均匀目标，交叉辐射项的作用完全可以忽略不计。

8. 名义空间分辨率、实际空间分辨率（大气效应、口径效应的影响）

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