第三节 大气和环境对遥感的影响
太阳辐射经过大气层入射到地面，而地面对太阳辐射的反射，也要经过
大气才能被遥感传感器接收。图2-13 为通过大气到达空气中传感器的太阳辐
射的传输过程示意图。传感器在天底方向所接收到的辐射是两次通过大气而
受到衰减的太阳辐射：一次是太阳辐射从大气外界通过倾斜路径到达地面（包
括太阳直接辐射和天空光形式的散射辐射）；二次是到达地面的太阳辐射经
过地物的反射，垂直向上又一次经过大气。因此，由于大气对太阳辐射的反
射、吸收和散射，使传感器在天底方向记录的总辐射亮度L，包括地物的辐
射亮度Ls 和天空光的辐射亮度LA（云的反射和大气微粒的散射辐射）二部
分。即：
L=LS+LA （2-20）
式中： LS 的数学式为：
Ls (l) E( ) ( ) z ( ) ( )R( ) sin d
p
l tb l t l r l l b l
l
l
= ò - 1
2 21
1
2 （ ）
式中：E（λ）——大气层顶部的太阳光谱辐照度；
τβ（λ）——太阳高度角为β时，大气光谱透射率；
τz（λ）——大气在天顶方向的光谱透射率；
ρ（λ）——地物的光谱反射率；
R（γ）——传感器通道的光谱响应曲线。
天空光的辐射亮度LA 的数学式为：
L(l) E( )r( )R( )d
p
l l l l
l
l
= ò 1
1
2 （2 - 22）
式中：r（λ）表示地球大气的反射和散射因子。由（2-21）和（2-22）式得
到传感器任何一个通道记录的总辐射亮度L（λ）为：
L(l) E( ) R( ) [ ( ) z ( ) ( ) sin r( )]d
p
l l tb l t l r l b l l
l
l
= ò + 1
1
2 · · · · ·
（2-23）
式（2-23）为空中遥测地面辐射亮度的基本数学模式。它表示出在一定
的太阳辐照度和大气条件下，遥感器系统任何一个通道获取的地物辐射亮
度，与相应波段地物光谱反射率成正比。每个通道有确定的R（λ）值。
一、大气成分和结构
图2-3 中的上、下两条曲线，分别为大气层外太阳辐射照度曲线和地面
上的太阳辐照度曲线，两条曲线差异是很明显的，这是大气吸收和散射造成
的。同样，由地物本身发射的电磁波通过大气被遥感传感器接收，其能量也
受到减弱。这样，大气及其环境变化构成了对遥感探测的影响。大气对通过
的电磁波产生吸收、散射和透射的特性，称为大气传输特性，这种特性除了
取决于电磁波的波长（随波长不同而不同），还决定于大气成分，以及环境
的变化。
（一）大气成分
地球大气是由多种气体、固态及液态悬浮的微粒混合组成的。大气中的主要气体包括N2、O2、H2O、CO、CO2、N2O、CH4 及O3。此外，悬浮在大气中
的微粒有尘埃、冰晶、水滴等，这些弥散在大气中的悬浮物统称为气溶胶，
形成霾、雾和云。以地表面为起点，在80km 以下的大气中，除H2O、O3 等少
数可变气体外，各种气体均匀混合，所占比例几乎不变，所以把80km 以下的
大气层称为均匀层。在该层中大气物质与太阳辐射相互作用，是使太阳辐射
衰减的主要原因。
（二）大气结构
遥感所涉及到的空间范围包括地球的大气层和大气层外的宇宙空间。这
里简单介绍地球的大气层和大气外层的宇宙空间的情况。
地球大气层包围着地球，大气层没有一个确切的界限，它的厚度一般取
1000km，大气在垂直地表方向上的分布可分为：对流层、平流层、中气层、
热层（也称增温层）和大气外层。图2-14 表示出大气的垂直方向的分层。对
流层内经常发生气象变化，是现代航空遥感主要活动的区域。由于大气条件
及气溶胶的吸收作用，使电磁波传输受到减弱。因此，在遥感中侧重研究电
磁波在该层内的传输特性。
平流层 在该层内电磁波的传输特性与对流层内的传输特性是一样的，
只不过电磁波传输表现较为微弱，不同的是在该层内，没有明显的上下混合
作用。
中气层 在该层内气温随高度增加而递减，大约在80km 处气温降到最低
点，约170K，是整个大气圈的最低气温。
热层 也称为增温层，该层内气温随高度增加而急剧递增。该层对遥感
使用的可见光、红外直至微波波段的影响较小，基本上是透明的。该层中大
气十分稀薄，处于电离状态，故称为电离层，正因为如此，无线电波才能绕
地球作远距离传递。热层受太阳活动影响较大，它是人造地球卫星绕地球运
行的主要空间。
大气外层 离地面1000 公里以上直至扩展到几万公里，与星际空间融合
为一体。层内空气极为稀薄，并不断地向星际空间散逸，该层对卫星运行基
本上没有影响。
二、大气对太阳辐射的影响
太阳辐射进入地球之前必然通过大气层，太阳辐射与大气相互作用的结
果，是使能量不断减弱。约有30%被云层和其它大气成分反射回宇宙空间；
约有17%被大气吸收，约有22%被大气散射；而仅有31%的太阳辐射辐射到地
面。其中反射作用影响最大，由于云层的反射对电磁波各波段均有强烈影响，
造成对遥感信息接受的严重障碍。因此目前在大多数遥感方式中，都只考虑
无云天气情况下的大气散射、吸收的衰减作用，这样太阳辐射通过大气的透
射率（τ）为：
τ=e-(α+γ)x （2-24）式中：（α+γ）为衰
减系数，它是随波长不同而变化，总趋势是随波长的增大，大气衰减系数减
少。
α为大气中气体分子对太阳辐射的吸收系数。
γ为大气中气体分子，液态和固体杂质等对太阳辐射的散射系数。
x 为路程长度（即通过大气的厚度）。

ｅ为自然对数的底。
（2-24）式为大气透射率（τ）所表达的大气传输特性，它与所通过的
路程x（即大气厚度）和大气的吸收、散射密切相关。其中路程与太阳高度
角和至传感器的入射角有关。当高度角越大（即天顶角越小）和入射角越小，
大气厚度x 就越小。透射率就大。反之，透射率就小。大气的吸收、散射则
与大气成分及其微粒大小有关。
（一）大气的吸收作用
太阳辐射通过大气层时，大气层中某些成分对太阳辐射产生选择性的吸
收，即把部分太阳辐射能转换为本身内能，使温度升高。由于各种气体及固
体杂质对太阳辐射波长的吸收特性不同，使有些波段通过大气层到达地面，
而另一些波段则全部被吸收不能到达地面。因此，造成了许多不同波段的大
气吸收带。（图2-3 中的阴影部分，表示由于大气中O2、H2O 和CO2 等强烈吸
收，使太阳辐射能量造成损失）。它们吸收太阳辐射的主要波段有：
氧（O2） 大气中氧含量约占21%，它主要吸收小于0.2μm 的太阳辐射
能量，在波长0.155μm 处吸收最强，由于氧的吸收，在低层大气内几乎观测
不到小于0.2μm 的紫外线，在0.6μm 和0.76μm 附近，各有一个窄吸收带，
吸收能力较弱。因此，在高空遥感中很少应用紫外波段。
臭氧（O3） 大气中臭氧的含量很少，只占0.01-0.1%，但对太阳辐射
能量吸收很强。臭氧有两个吸收带：一个波长0.2—0.36μm 的强吸收带，另
一个波长为0.6μm 附近的吸收带，该吸收带处于太阳辐射的最强部分，因此
该带吸收最强。臭氧主要分布在30km 高度附近，因而对高度小于10km 的航
空遥感影响不大，而主要对航天遥感有影响。
水（H2O） 水在大气中以气态和液态的形式存在，它是吸收太阳辐射能
量最强的介质。从可见光、红外直至微波波段，到处都有水的吸收带，主要
吸收带是处于红外和可见光中的红光波段，其中红外部分吸收最强。例如：
在0.5—0.9μm 有四个窄吸收带，在0.95—2.85μm 有5 个宽吸收带。此外，
在6.25μm 附近有个强吸收带。因此，水气对红外遥感有很大影响，而水气
的含量随时间、地点而变化。
液态水的吸收比水气吸收更强，但主要是在长波方面。
二氧化碳（CO2） 大气中二氧化碳含量很少，占0.03%，它的吸收作用
主要在红外区内。例如：在1.35—2.85μm 有3 个宽弱吸收带。另外在2.7
μm、4.3μm 与14.5μm 为强吸收带。由于太阳辐射在红外区能量很少，因
此对太阳辐射而言，这一吸收带可忽略不计。
尘埃 它对太阳辐射也有一定的吸收作用，但吸收量很少，当有沙暴、
烟雾和火山爆发等发生时，大气中尘埃急剧增加，这时它的吸收作用才比较
显著。
（二）大气的散射作用
大气中各种成分对太阳辐射吸收的明显特点，是吸收带主要位于太阳辐
射的紫外和红外区，而对可见光区基本上是透明的。但当大气中含有大量云、
雾、小水滴时，由于大气散射使得可见光区也变成不透明了。如图2-3 中两
条连续曲线的差值，表示大气对太阳辐射散射时所造成的损失，这种散射不
同于吸收，散射不会将辐射能转变成质点本身的内能，而是只改变了电磁波
传播的方向。大气散射作用使部分辐射能由于改变辐射方向，干扰了传感器的接收，降低了遥感数据的质量，造成影像的模糊，影响遥感资料的判读。
大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区。因此，大气对太阳辐射
的散射是太阳辐射衰减的主要原因，散射强度可用散射系数（γ）表示，散
射系数与电磁波波长有下列关系：
g
lj µ
1
（2 - 25）
式中：ψ为波长的指数，它由大气微粒直径（d）的大小决定。
根据辐射的波长与散射微粒的大小之间的关系，散射作用可分为三种：
瑞利散射、米氏散射和非选择性散射。
1.瑞利散射。当微粒的直径（d）比辐射波长（λ）小得多时，此时散
射为瑞利散射。即d＜λ/ 10。公式2 - 25中j = 4，g ，主要是由大气
l
µ
1
4
分子对可见光的散射引起的。所以瑞利散射也叫分子散射。由于散射系数与
波长的四次方成反比，当波长大于1μm 时，瑞利散射基本上可以忽略不计。
因此红外线、微波可以不考虑瑞利散射的影响。但对可见光来说，由于波长
较短，瑞利散射影响较大。如晴朗天空呈碧蓝色，就是由于大气中的气体分
子把波长较短的蓝光散射到天空中的缘故。
2.米氏散射。当微粒的直径与辐射光的波长差不多时（即d≈λ），公
式（2 - 25）中，j = 2，γ∞ ，称为米氏散射。它是由大气中气溶胶所
l
1
2
引起的散射。由于大气中云、雾等悬浮粒子的大小与 0.76—15μm 的红外线
的波长差不多，因此，云、雾对红外线的米氏散射是不可忽视的。
3.非选择性散射。当微粒的直径比波长大得多时（即 d＞λ）所发生的
散射称为非选择性散射。公式（2-25）中，ψ=0，散射系数为一常数，散射
与波长无关，即任何波长散射强度相同。如大气中的水滴、雾、烟、尘埃等
气溶胶对太阳辐射，常常出现这种散射。常见到的云或雾都是由比较大的水
滴组成的，符合d＞λ，云或雾之所以看起来是白色，是因为它对各种波长
的可见光散射均是相同的。对近红外、中红外波段来说，由于d＞λ，所以
属非选择性散射，这种散射将使传感器接收到的数据严重的衰减。
综上所述，太阳辐射的衰减主要是由于散射造成的，散射衰减的类型与
强弱主要和波长密切相关。在可见光和近红外波段，瑞利散射是主要的。当
波长超过1μm 时，可忽略瑞利散射的影响。米氏散射对近紫外直到红外波段
的影响都存在。因此，在短波中瑞利散射与米氏散射相当。但在当波长大于
0.5μm 时，米氏散射超过了瑞利散射的影响。在微波波段，由于波长比云中
小雨滴的直径还要大，所以小雨滴对微波波段散射是属于瑞利散射，因此，
微波有极强的穿透云层的能力。而红外辐射穿透云层的能力虽然不如微波，
但比可见光的穿透能力大10 倍以上。
太阳光通过大气要发生散射和吸收，地物反射光在进入传感器前，还要
再经过大气并被散射和吸收，这将造成遥感图像的清晰度下降。所以在选择
遥感工作波段时，必须考虑到大气层的散射和吸收的影响。
三、大气窗口
综上所述，大气层的反射，吸收和散射作用，削弱了大气层对电磁辐射
的透明度。电磁辐射与大气相互作用产生的效应，使得能够穿透大气的辐射，局限在某些波长范围内。通常把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称为大气窗口（图2-15）。因此，遥感传感器选择的
探测波段应包含在大气窗口之内，根据地物的光谱特性以及传感器技术的发
展。目前使用（或试用）的探测波段，如表2-7 所列。
表2-7 大气窗口与遥感光谱通道
电磁波性质大气窗口遥感光谱通道应用条件与成像方式
紫外波段
0.300 — 0.315 μ m
0.315 — 0.400 μ m
可见光波段
0.4 — 0.7 μ m
近红外波段
0.7 — 0.9 μ m
0.3-1.3 μ m
0.9 — 1.1 μ m
必须在强光照下，采用摄影
方式和扫描方式成像（即只
能在白天作业）
1.5 — 1.8 μ m 近红外
1.55 — 1.75 μ m
反射光谱
2.0 — 3.5 μ m
2.205 — 2.35 μ m
强光照下白天扫描成像
反射和发射3.5 — 5.5 μ m 中红外
混合光谱3.5 — 5.5 μ m
白天和夜间都能扫描成像
远红外
10 — 11 μ m
10.4 — 12.6 μ m
8 — 14 μ m
8 — 14 μ m
白天和夜间都能扫描成像
W0.53 — 0.30cm
V0.53 — 0.63cm
Q0.63 — 0.83cm
Ka0.83 — 1.13cm
K1.13 — 1.67cm
Ku1.67 — 2.75cm
X2.75 — 5.2cm
C5.21 — 7.69cm
S7.69 — 19.4cm
L19.4 — 76.9cm
发射光谱
0.05 — 300cm
P76.9 — 133cm
有光照和无光照下都能扫
描成像
四、环境对地物光谱特性的影响
地物发射或反射光谱特性，受到一系列环境因素的影响。
1.与地物的物理性状有关。从地物反射光谱特性来说，电磁波从某一地
物反射的强度（包括可见光、近红外波段的光谱反射率）与地物的物理性状
（如地物表面的颜色、粗糙度、风化状况及含水分情况等）有关。例如，同
一地区的红色砂岩，由于它的风化程度和含水量不同，其反射光谱特性有所差异。风化作用能够引起岩石表面粗糙度和颜色的改变，多数岩石因风化而
使表面粗糙度增加或表面颜色变深，导致它们在可见光、近红外波段的光谱
反射率下降，下降的幅度随岩石不同而不同。如图2-16 所示。在潮湿条件下，
新鲜面红色砂岩的反射率大于风化面的反射强度。而干燥条件下，其反射率
变化恰好相反。如未经变质的玄武岩，由于风化作用，表面粗糙反而降低或
表面颜色变浅，从而导致反射率增加。地物表面含水量是影响地物的可见光、
近红外反射光谱特性的重要因素。它导致地物反射率的严重下降。在可见光
波段的短波部分，湿的红色砂岩反射率下降幅度比较小，而在近红外波段湿
的红色砂岩反射率下降幅度明显增大。
2.与光源的辐射强度有关。地物的反射光谱强度与光源的辐射强度有
关。同一地物的反射光谱强度，由于它所处的纬度和海拔高度不同有所差异。
太阳是最主要的自然辐射源，在不同纬度上，由于太阳高度不同，照射强度
不同，其反射强度也有些差异，海拔高度也会影响到太阳光穿过大气的厚度，
也会使地物反射光谱发生变化。
3.与季节有关。同一地物，在同一地点的反射光谱强度，由于季节不同
而有所差异。因为季节不同，太阳高度角也不相同，太阳光到地表面的距离
也有所不同。这样，地面所接收到太阳光的能量和反射能量也随之不同。因
此，同一地物在不同地区或不同季节，虽然它们的反射光谱曲线大体相似，
但其反射率值却有所不同。
4.与探测时间有关。同一地物，由于探测时间不同，其反射率也不同。
一般地说，中午测得反射率大于上午或下午测得的反射率。因此，在进行地
物光谱测试中，必须考虑“最佳时间”，以便由于光照几何条件的改变而产
生的变异。要控制在允许范围内。
5.与气象条件有关。同一地物在不同天气条件下，其反射光谱曲线也不
一样，一般来说，晴天测得的反射率大于阴天测得的反射率。
总之，地物的光谱特性受到一系列环境因素的影响和干扰，这在应用和
分析时，光谱特性这些变化，应引起特别的注意。