大氣輻射傳送原理 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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本書主要探討輻射在地球大氣係統中與大氣介質的交互作用，以及電磁的輻射傳送原理。除瞭輻射基本概念外，也應用基本輻射原理推導大氣中輻射的傳送方程，和在不同條件下輻射傳送方程的求解。書中除瞭探討輻射的基本概念，也介紹輻射吸收和散射的數學模式。亦納入漫射輻射及其在輻射傳送方程中的求解，包含薄層大氣近似、單次散射假設下的近似、雙流近似解，以及在散射守恆下的近似解和艾丁頓近似解。此外，以離散縱標法求取輻射傳送方程式之解亦為討論的內涵。最後則以不變性原理探討大氣的反射函數和透射函數。

遙感圖像處理與分析基礎 本書簡介 本書旨在為讀者提供遙感圖像處理與分析領域的全麵、深入的理論基礎與實踐指導。隨著對地球觀測需求的日益增長，遙感技術已成為獲取地錶信息不可或缺的手段。從衛星傳感器到數據産品，再到最終的應用價值，每一個環節都離不開精密的圖像處理與分析技術。本書係統梳理瞭該領域的核心概念、關鍵算法及其在實際問題中的應用，力求構建一個邏輯清晰、內容詳實的知識體係。 第一部分：遙感基礎與數據獲取 第一章：遙感原理概述 本章首先界定瞭遙感學的基本概念，闡述瞭電磁波譜在遙感中的作用，特彆是可見光、近紅外、短波紅外、熱紅外以及微波波段的物理特性及其對地物信息的響應機製。重點探討瞭地物光譜特性，包括反射、吸收和透射過程，並引入瞭植被指數、土壤指數等基礎的生物物理參數與遙感信號的關係模型。 第二章：遙感係統與數據源 本章詳細介紹瞭各類遙感係統的構成，包括被動遙感（如光學衛星和紅外傳感器）和主動遙感（如雷達和激光雷達）。對當前主流的遙感平颱和傳感器進行瞭分類論述，例如Landsat、Sentinel係列、MODIS以及高分辨率商業衛星。深入分析瞭不同傳感器成像的幾何特性（如分辨率、幅寬、重訪周期）和輻射特性（如量化級數、動態範圍），為後續的數據預處理奠定基礎。 第三章：遙感數據預處理 高質量的遙感數據是準確分析的前提。本章係統講解瞭數據預處理的必要性與具體步驟。 輻射定標與校正： 闡述瞭從數字值（DN）到地錶反射率或亮溫的轉換過程，包括絕對定標、相對定標以及大氣散射和吸收的校正模型（如輻射傳輸模型在遙感中的應用基礎）。 幾何校正： 區分瞭幾何畸變的類型（如掃描誤差、地形引起的畸變），並詳細介紹瞭正射校正、地圖投影轉換、幾何配準的技術流程與常用算法，如多項式模型和基於像對點的匹配方法。 圖像增強： 涵蓋瞭點運算（如灰度拉伸、直方圖均衡化）和空間域濾波技術（如均值濾波、中值濾波、高通濾波），旨在提高圖像的視覺解釋性和特徵的清晰度。 第二部分：圖像處理與特徵提取 第四章：圖像變換與特徵空間 本章側重於如何從原始數據中提取更有意義的信息維度。 光譜變換： 深入探討瞭主成分分析（PCA）在數據降維和信息壓縮中的應用，以及最小噪聲分量（MNF）變換對去除噪聲的有效性。同時，介紹瞭特徵空間分析技術，如特徵空間圖、指數構造法，用於區分復雜地物類彆。 空間變換： 討論瞭傅裏葉變換在分析周期性特徵（如作物行距、地物紋理）中的作用，以及形態學操作（如膨脹、腐蝕、開閉運算）在邊緣檢測和噪聲抑製方麵的應用。 第五章：分類理論與技術 遙感圖像分類是信息提取的核心環節。本章將分類方法分為監督學習和非監督學習兩大體係進行闡述。 監督分類： 詳細介紹瞭基於統計學的分類器，如最大似然法（MLC）、貝葉斯分類器。同時，引入瞭麵嚮對象的方法，對比瞭支持嚮量機（SVM）、人工神經網絡（ANN）以及近年來在遙感領域錶現優異的深度學習分類模型（如捲積神經網絡CNN的基礎架構和在像素級、對象級分類中的應用）。 非監督分類： 重點講解瞭K-均值（K-Means）、Isodata等聚類算法的工作原理及其在未知區域初步劃分中的優勢和局限性。 分類精度評估： 闡明瞭混淆矩陣、總體精度、Kappa係數等定量評估指標的計算方法與實際意義，強調瞭驗證數據集選擇的重要性。 第六章：麵嚮對象圖像分析（OBIA） 麵對高分辨率影像中復雜的空間結構，OBIA提供瞭一種新的分析範式。本章從圖像分割的原理齣發，詳細講解瞭多尺度分割算法（如多分辨率分割）的實現流程，如何有效地將影像對象化。隨後，討論瞭麵嚮對象分類的流程，包括特徵集構建（光譜、紋理、形狀、上下文信息）、規則集設計以及分類後處理（如對象精度評估）。 第三部分：高級應用與專業分析 第七章：植被與農作物監測 本章聚焦於利用光學遙感數據進行生物物理參數反演與作物長勢監測。 植被指數的深入應用： 不僅限於NDVI，還深入探討瞭EVI、SAVI等指數對土壤背景和大氣效應的校正機製。 葉麵積指數（LAI）與葉綠素含量反演： 介紹瞭基於經驗模型、半經驗模型（如PROSAIL模型基礎）和物理模型的參數反演方法，以及時間序列分析在作物長勢動態監測中的應用。 第八章：地錶溫度與熱紅外分析 熱紅外遙感在水資源管理、城市熱島效應研究中至關重要。本章解析瞭地錶溫度（LST）的反演過程，重點討論瞭單通道算法和多通道算法的原理與適用條件，並結閤發射率的獲取方法（如地錶覆蓋類型法和NDVI-發射率關係法）來提高溫度反演的準確性。 第九章：雷達遙感（SAR）圖像分析基礎 SAR作為一種全天時、全天候的成像手段，其數據分析具有獨特性。 SAR成像機理： 解釋瞭後嚮散射、入射角、極化方式對SAR信號的影響。 預處理與增強： 闡述瞭斑點噪聲（Speckle Noise）的抑製方法，如Lee濾波和Frost濾波。 SAR分類應用： 探討瞭基於後嚮散射強度、紋理特徵和極化特徵的分類技術，尤其是在林業和水體監測中的優勢。 第十章：不確定性與誤差分析 任何遙感分析都存在不確定性。本章引導讀者審視數據源、模型參數、算法選擇所帶來的誤差。通過誤差傳播理論，分析不同不確定性源對最終結果的影響，並介紹瞭不確定性量化和可視化方法，為實際應用提供可靠性參考。 本書內容涵蓋瞭從基礎理論到前沿技術的完整鏈條，旨在培養讀者紮實的理論功底和獨立解決復雜遙感問題的能力，是遙感科學、地理信息係統、環境科學及相關工程領域學生和研究人員的理想參考用書。

作者簡介

劉振榮

　　1952年齣生於颱灣嘉義市。國立颱灣大學大氣科學係畢業（1975年），1980年考取教育部公費留學，赴美至美國威斯康辛大學麥迪遜校區，取得大氣及海洋科學係衛星遙測碩士（1983年）與博士學位（1986年），迴國至國立中央大學太空及遙測研究中心任教，曆經太空及遙測研究中心主任、研發長、副校長和代理校長。現任國立中央大學太空遙測講座教授兼通訊係統研究中心主任。主要研究領域為大氣輻射、大氣遙測、永續環境與防災科技，發錶論文二百餘篇。
 



 

序

第一章前言
1.1基本概念
1.2黑體輻射
1.2.1蔔郎剋函數（Planckfunction）
1.2.2史特凡波茲曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）
1.2.3汾因位移定律（Wien'sdisplacementlaw）
1.2.4剋希何夫定律（Kirchhoff’slaw）
1.3散射與吸收
1.4輻射傳送
1.4.1比爾–鮑桂–藍伯定律（Beer-Bouguer-Lambertlaw）
1.4.2席氏方程（Schwarzschildequation）
1.5溫室效應（Greenhouseeffect）
1.6全球暖化（Globalwarming）

第二章觀念介紹
2.1基本觀念
2.2輻射基本參數定義
2.3輻射吸收
2.4輻射散射

第三章輻射傳送方程
3.1輻射傳送方程
3.2平行平麵大氣中的輻射傳送方程
3.3輻射傳送方程的特定應用形式
3.4輻射傳送方程的勒壤得多項式展開
3.5輻射傳送方程的漫射（diffuse）分量
3.6輻射強度和通量的形式解

第四章反射和透射係數，地錶效應和反照率
4.1錢卓塞卡漫射輻射
4.2廖氏漫射輻射
4.3考量地錶效應之漫射輻射

第五章輻射傳送方程的近似解
5.1薄層大氣近似
5.2單次散射解
5.3雙流近似解（Two-StreamSolutions）
5.3.1Schuster-Schwartzschild近似法
5.3.2Sagan-Pollack近似法
5.3.3Coakley-Chýlek近似法
5.4雙流方程的解
5.4.1散射守恆（conservativescattering，ω=1）的解
5.4.2漫射分量的解

第六章輻射傳送方程的艾丁頓（Eddington）近似解
6.1半無限大氣之雙流解及艾丁頓解
6.2δ-艾丁頓法
6.3雙流解、艾丁頓解與δ-艾丁頓解的結果之比較

第七章非均勻大氣的輻射傳送的近似解
7.1散射守恆且均嚮散射時的輻射傳送方程
7.2基本方程
7.3通量方程
7.4源函數
7.5減光定律（TheLawofDarkening）
7.6H函數
7.7非散射守恆，但為均嚮散射情形下的漫射輻射
7.8相似關係（SimilarityRelations）

第八章不變性原理（ThePrincipleofInvariance）
8.1半無限均勻大氣之不變性原理
8.2H函數與反射函數
8.3H函數的一階解

第九章輻射傳送原理中的其他相關問題
9.1光學參數的計算
9.2有限均勻大氣（FiniteHomogeneousAtmosphere）
9.3非均嚮散射
9.4地錶反照率的影響
9.5其他的計算技術
9.5.1纍加法與倍加法
9.5.2球麵調和法（Thesphericalharmonicsmethod）
9.5.3濛地卡羅法（MonteCarlomethod）
9.6非均勻大氣
9.7其他問題

附錄：勒壤得多項式加法定理
索引
參考文獻


 

序

　　如何能更精準地監測及預測天氣和氣候變化？更瞭解颱風的行為及預測動嚮？更瞭解全球暖化機製及找齣可能解決方案？發展齣更有效率的太陽能電池？建構更具綠色概念的智慧大樓？建構更綠能的生活？……

　　這些問題，都有一個共同的工作交集——需先瞭解驅動地球大氣係統最重要的能量平衡，亦即太陽（短波）輻射與地球係統（長波）輻射間的平衡，而這就要瞭解大氣輻射原理。

　　絕大部分的地球圈能量都直接或間接來自太陽光的照射，而地球大氣與太陽輻射能量之間的交互作用造就瞭天氣和氣候變化，而兩者之間的能量收支平衡即使隻些微變動，亦可能造成環境及生物圈的巨變，例如目前極受重視的全球暖化和氣候變遷。因此從另一方麵而言，天氣和氣候觀測很重要的項目之一即是在量測大氣輻射量的變化。此外近代新興的遙測技術，特彆是衛星遙測，也是建基於大氣輻射原理上。

　　這本《大氣輻射傳送原理》的目的即在提供對大氣物理、衛星遙測、全球暖化、氣候變遷等議題有興趣的相關研究人員及研究生上課或研習的教材之用。全書共分九章，第一、二章論述基本輻射概念，第三章介紹輻射傳送方程，這也是大氣輻射原理的數理精髓，第四章則描述反射、透射的計算，以及在地錶效應下的漫射輻射，第五、六兩章推導均勻大氣時輻射傳送方程的近似解，第七章則探討在非均勻大氣時輻射傳送的近似解，第八章討論不變性原理在求解輻射傳送上的應用，最後第九章再就輻射定義及數值求解等的問題進行補述。

　　由於大氣輻射傳送過程在微觀上相當復雜，這也錶現在其輻射方程上。因此本書較適閤於已具相當微積分與物理程度的大四學生或研究生；研讀過程亦建議可輔以相關大氣輻射數值模式的瞭解與模擬實習。

　　本書根基於本人在博士班《大氣輻射特論》之講授內容編寫而成，主要參考Bugloa (1986) 所著Introduction to the Theory of Atmos-pheric Radiative Transfer 一書，除瞭加上必要的補述和修正誤植部分外，亦融入本人多年來授課和研究心得，希望對相關領域的研究生或有興趣的學者專傢在瞭解大氣輻射的過程與原理時能有所助益。

　　在動念編寫本書時，一直覺得理應輕鬆愉快，可以迅速完成。原因在於想說隻是過去教學時的講授內容整理一下就可底定，再加上可以請求中央研究院曾忠一教授協助我做完整的檢視。曾忠一教授著作等身，且心思縝密，行事嚴謹，以往他在學生口試時對學生論文的深入審閱與精闢的修正建議，令人極為敬佩，因此若經其檢視，理應萬無一失。沒想到後來由於本人投入中央大學行政工作， 曆經中央大學太空及遙測研究中心主任、副研發長、研發長，以及後續的副校長和代理校長工作前後近二十年，而在這其間也還代理過客傢學院院長、理學院院長和管理學院院長，也代理過人文研究中心主任、颱灣經濟發展研究中心主任、以及數據分析方法研究中心主任，目前則擔任通訊係統研究中心主任。因此使得編撰工作不隻緩慢，甚且有時甚至停頓。直至近來卸任行政工作再積極投入，卻不幸我們敬愛的曾忠一教授已離我們而去，無法如我期待的協助完善本書。我想也因此本書一定會有許多的缺失與遺漏，此點確實是我心中的一大遺憾。不過我仍然要錶達我內心對曾忠一教授的感謝，感謝他激起我編撰此書的動力，雖然他一直不知道我在做這件事情。

　　最後我要感謝中央大學，因為我的教研生涯全都在此，而中央大學也全力地協助提供優質的教研環境，讓我成長而略有成績。此外也要感謝許多在本書編撰期間提供我相當助力的曆屆博士生們， 如陳萬金、林唐煌、劉崇治、黃世任等教授，目前他們均學有所成， 已分彆在各公私立大學任教，錶現均極為優異。此外博士生黃清順、陳昱均同學，以及博士後郭宗華博士對本書之付梓亦均有不可抹滅的協助和貢獻。另外，也謝謝我實驗室裏的多位碩士學生和助理的幫忙：已赴美攻讀博士學位的賴慧文、正在中大攻讀博士學位的張怡鈴、以及黃建齊和轉讀颱大的林美玲。此外，研究助理陳良德和賴佑晟在協助文稿的整理及校正更是功不可沒。而對此書的完成，也要感謝我最親愛的傢人，在我任職於中央大學期間，雖然對他們疏於照顧，仍全心全力地支持與體諒，讓我無後顧之憂。最後，也要感謝協助審查本書學者專傢的編修建議，博士生張國恩和幾位碩士學生最後的校訂，以及中大齣版社同仁的全力協助，讓本書能順利付梓。惟書中仍難免有疏漏或不足，亦祈各方專傢不吝指正。
 

评分☆☆☆☆☆

我是一名資深的遙感工程師，在工作中經常需要處理衛星遙感數據，而這些數據的獲取和分析，都離不開對大氣輻射傳輸過程的理解。《大氣輻射傳送原理》這本書，對我來說，就像是一本“聖經”。它係統地梳理瞭大氣輻射傳輸的各個環節，從輻射源的特性，到大氣成分的吸收、散射、發射，再到地錶與大氣的輻射交換，每一部分都講得非常到位。書中對於大氣傳輸模型的建立和驗證，提供瞭多種方法和數學工具，這對於我們優化遙感算法，提高數據精度至關重要。特彆是關於大氣校正的章節，作者詳細闡述瞭不同的大氣校正模型，並給齣瞭具體的應用案例，這直接解決瞭我在實際工作中遇到的很多難題。這本書讓我能夠更深入地理解遙感影像的物理含義，從而做齣更準確的判斷和分析。對於所有從事遙感、氣象、環境監測等領域的人員來說，這本書絕對是不可或缺的參考資料。

评分☆☆☆☆☆

我是一名氣候建模的研究生，為瞭深入理解輻射在氣候係統中的作用，我特意找瞭《大氣輻射傳送原理》這本書來讀。坦白說，在讀之前，我對這個領域的專業術語和理論框架有些顧慮，擔心會過於晦澀難懂。但這本書的架構設計得非常閤理，它從物理學的基本原理齣發，循序漸進地引入大氣輻射的相關概念。作者在介紹吸收、散射、發射等基本過程時，不僅給齣瞭嚴謹的數學描述，還穿插瞭大量的觀測數據和實例，這對於我們這些需要將理論應用於實際研究的人來說，簡直是福音。書中關於不同氣體（如水汽、二氧化碳、臭氧）對輻射的吸收特性，以及它們在不同波段的吸收譜綫，都做瞭非常詳盡的介紹，這直接關係到溫室效應的理解。另外，關於雲輻射強迫的討論，作者提供瞭多種計算模型和參數化的方法，並且對各種方法的優缺點進行瞭分析，這對我目前正在進行的氣候模擬工作提供瞭非常有價值的參考。這本書不僅僅是一本理論書籍，更像是一本實用的技術手冊，讓我對如何處理大氣輻射問題有瞭更清晰的思路。

评分☆☆☆☆☆

這本書《大氣輻射傳送原理》，真的太令人驚艷瞭！第一次接觸這個領域，原本以為會像啃一本厚重的英文教材一樣枯燥乏味，沒想到作者的敘述方式如此生動有趣。從最基礎的光輻射性質講起，一點點引導我們進入大氣這個復雜多變的世界。書中對於輻射傳輸方程的推導，我一直覺得是很抽象的概念，但作者通過大量的圖示和類比，把那些復雜的數學公式變得清晰易懂。特彆是關於散射的章節，我之前在其他地方看到的都隻是泛泛而談，但這本書把各種散射機製，比如瑞利散射、米氏散射，還有與粒子大小、形狀、成分的關係，都講得非常透徹，甚至連不同波長下的散射強度差異都給齣瞭詳細的解釋。更讓我佩服的是，書中並沒有止步於理論，而是緊密結閤瞭實際的大氣現象，比如天空的顔色為什麼會變化，雲層是如何阻擋陽光的，這些我生活中經常遇到的問題，在這本書裏都得到瞭科學而又令人信服的解答。讀完之後，感覺自己對大氣層有瞭全新的認識，不再隻是一個模糊的“天空”，而是充滿著能量流動和物理過程的動態係統。

评分☆☆☆☆☆

作為一名對環境科學頗感興趣的業餘愛好者，《大氣輻射傳送原理》這本書的齣現，無疑滿足瞭我對大氣能量傳輸的好奇心。這本書的語言風格非常平易近人，即使沒有深厚的物理學背景，也能輕鬆讀懂。作者非常擅長用生活中的例子來解釋抽象的科學概念，比如，他用烤箱的加熱原理來類比長波輻射的保溫效應，用光的摺射來解釋彩虹的形成。這些生動有趣的講解，讓我對大氣輻射不再感到遙遠和神秘。書中對臭氧層空洞形成原因的分析，以及太陽紫外綫輻射對生物的影響，更是讓我意識到大氣輻射與我們日常生活息息相關，甚至關乎健康。閱讀過程中，我多次停下來思考，原來我們每天呼吸的空氣，承載著如此多的能量交換，而我們賴以生存的地球，也正是因為這些輻射的參與，纔有瞭如今生機勃勃的麵貌。這本書不僅增長瞭我的知識，更激發瞭我對環境保護的責任感。

评分☆☆☆☆☆

一直以來，我對天氣現象都充滿瞭好奇，尤其是那些肉眼可見卻難以捉摸的。接觸到《大氣輻射傳送原理》這本書，算是讓我找到瞭一種更科學的方式去理解這些奇觀。它沒有一開始就拋齣復雜的公式，而是從太陽光的本質齣發，講到地球接收到的輻射能量，然後是如何在大氣中傳播、轉化。書中對於短波輻射和長波輻射的區分，以及它們在大氣中的不同行為，讓我對晝夜溫差、季節變化有瞭更深的理解。最讓我印象深刻的是關於輻射平衡的章節，作者通過構建一個簡化的地球輻射收支模型，清晰地展示瞭地球溫度是如何維持在相對穩定的範圍內的。讀這本書，感覺就像是在參加一場關於地球能量的科普講座，生動而又充滿智慧。我尤其喜歡書中對“輻射平流層”概念的解釋，這個以前隻是模糊聽過的詞語，在書中變得具體而形象，讓我明白瞭為什麼高層大氣會有如此特殊的溫度結構。