一种高效计算高光谱分辨率红外大气辐射传输的方法

传统的大气辐射传输计算方法受计算资源和效率的限制已无法满足星载高光谱分辨率红外大气遥感资料处理的需要,基于单色波长辐亮度计算加权组合的方法,开发了一种快速准确的高光谱分辨率红外大气辐射传输的计算模型FFRTM_IR.利用FFRTM_IR模型,针对研制中的FY-3D红外高光谱大气探测仪(HIRAS)的光谱指标,模拟计算了仪器的观测通道亮温,并用独立样本对模拟亮温进行了验证和比较,结果显示:FFRTM_IR对HIRAS所有通道的模拟亮温偏差均小于0.06 K,标准差有效控制在0.1 K以内;在同等计算精度下,FFRTM_IR的计算速度略快于目前国际上通用的快速辐射传输计算模型CRTM.利用FFRTM_IR模型,采用解析计算方法可以进一步得到温度廓线、水汽廓线、二氧化碳、臭氧廓线以及地表参数的雅克比矩阵,计算结果与扰动法计算结果一致性较好,有较高的计算精度.计算和分析结果表明,初步建立了一种高效的红外大气辐射传输计算模型,可用于星载高光谱红外大气探测仪器的观测仿真和资料处理.

高分辨率大气传输模型FASCOD2

本文介绍了高分辨率大气传输模型FASCOD2，详细讨论了模型的特点，进行了不同大气传输模型的比较。作为PASCOD2的一个应用实例，计算了碘激光大气透过率并与实验测量资料作了比较，给出典型大气状况下水平传输和斜程传输的大气精细光谱结构的计算结果。提出了在农村气溶胶模式情况下利用常规气象资料求取碘激光大气透过率的简便方法。

中红外大气辐射传输解析模型及遥感成像模拟

为了建立完整的星载高分辨率中红外成像模拟系统,并为航天器载荷设计等相关工作提供有力参考,需要对大气辐射传输这一环节进行重点考虑,设计出切实可行,精度较高的大气辐射传输数值成像模拟方法。针对中红外大气辐射传输具有大气散射和自身发射的特性,将整个大气辐射传输过程进行了合理分解,并利用MODTRAN4对各辐射分量进行求解,以查找表方式实现了大气辐射传输成像模拟。此外,针对大气散射导致的邻近效应进行了分析,将原有PSF模型扩展至中红外波段,并与大气辐射传输解析模型相互耦合共同完成模拟成像。最后对模型进行了初步验证和成像模拟,结果表明:模型具有较好的模拟精度,通过给定观测几何和大气条件,并根据地表输入的温度和发射率等,实现逐像元的大气辐射传输计算。

基于星地测量和辐射传输模式的特定地域大气中分辨力光谱辐射特征

利用中分辨力成像光谱仪数据,采用星地测量并结合中分辨力辐射传输模式,以巢湖流域及周边为实验区,计算得到该地区夏季实际大气层结下沿观测路径整层大气透过率、大气辐射、大气热辐射和大气散射的太阳辐射在中分辨力光谱上的特征,以及整层大气廓线。研究结果表明:受能见度影响,实验区两地点水体像元处的整层大气透过率数值略高于植被像元处;两地卫星入瞳处的程辐射和卫星探测器探测到的程辐射谱分布相似;在可见至近红外波段,大气程辐射和散射的太阳辐射谱分布相似性较强,且随着波长增加而数值均逐渐减小,而大气热辐射数值很小;两个地点在短波范围内路径热辐射很低且接近,随着波长的增加,热辐射明显增强,波长越长,两地点热辐射差别越明显;当日天气晴好,气溶胶含量较低,而且两地距离很近,因此两地的大气廓线数据基本相似。

大气辐射传输模型的比较研究

讨论了三种通用的大气辐射传输模型的特点和使用限制,用辐射传输定律作了数值检验,并与实验测量资料作了比较。结果表明,氧碘激光和氟化氢泛频20P4激光谱线大气透过率的计算值与实验测量值吻合,氟化氢泛频20P5却出现严重偏差。还研究了大气气溶胶种类对大气透过率计算和测量的严重影响。

高分辨率中红外遥感（3-5μm）成像模拟中邻近效应分析

在星载高分辨率遥感成像模拟中,需要重点考虑大气辐射传输过程.通常情况下,中红外波段大气多次散射作用可以忽略,但在高分辨率中红外遥感成像中却需对由多次散射产生的邻近效应加以适当考虑.为对其进行定量分析,分别将影响中红外邻近效应的地表、大气及卫星观测几何参量等进行分析,结果表明:邻近效应随像元测量条件而改变,且在正常条件下其贡献达到3%左右.通过将现有大气点扩散函数(PSF)解析算法扩展至中红外波段,建立了中红外像元邻近效应模型,将其与大气辐射传输模型进行耦合,共同实现大气辐射传输与邻近效应模拟.模拟结果表明,模型是正确的,且应用方法切实可行;对中红外大气校正、成像模拟均具有一定参考价值.

基于两种辐射传输模型的遥感数据大气校正及结果对比分析

通过辐射传输方程详述了大气效应对遥感图像的影响及大气校正的原理,并利用两种辐射传输模型——6S和FLAASH(基于MODTRAN)对同一区域ETM+数据的可见光、近红外波段分别进行了大气校正。从校正的结果看,两种模型均对由于大气效应引起的辐射失真进行了辐射校正,消除了因散射增加的辐射能量,同时补偿了因吸收而损失的辐射能量,但在校正结果上存在差异。只有将两种辐射传输模型方法结合使用,才能更好地消除大气效应对研究区域的影响。

基于大地坐标系的球面大气辐射传输模型

为了解决大地坐标系中的大气辐射传输计算问题,提出了TOG模型。首先,建立了球面大气模型,依据目标和观察者的大地坐标、观察日期和时间给出了观察天顶角和方位角、太阳天顶角和方位角的计算方法。然后,提出了分层迭代算法计算球面大气中的物质吸收量。采用孤立层和累加法解算了球面大气的上行辐射亮度。利用TOG模型计算分析了两个红外波段内大气的辐射传输特性,并使用MODIS的测量结果对TOG模型进行了校验,结果表明相对差异小于5%。

基于大气辐射传输模型的地物偏振反射率反演方法

提出一种基于大气矢量辐射传输模型的地物偏振反射率反演方法.利用辐射传输模型,建立地表反射率、观测条件与传感器入瞳处辐亮度偏振态的查找表,再进行查找表反查及数值计算,完成偏振反射率反演.验证实验表明,典型地面目标物的偏振反射率反演精度可达到90%.

面向高分辨率遥感影像的地形辐射校正方法

地形辐射校正对获取准确的地表定量遥感精度意义重大。针对传统地形辐射校正模型不适用于高分辨率遥感影像的问题,提出了一种基于辐射传输模型,同时严控误差源的地形辐射校正方法,以资源三号01星高分辨率全色及多光谱遥感影像为例进行相关实验,实现对高分辨率遥感影像的地形辐射校正,并进行了主客观分析与评价。分析结果表明:本文提出的地形辐射校正模型和方法,能有效解决全色遥感影像在绝对辐射定标系数缺失情况下校正效果差以及如何保持高分辨率遥感影像细节等难点,较传统方法更适用于高分辨率遥感影像。

基于Monte Carlo大气辐射传输模型的Ring效应模拟

Ring效应描述了由于大气的转动Raman散射导致的太阳夫琅禾费线变弱的现象,这种现象受气溶胶光学性质的影响,因此可以通过模拟Ring效应反映气溶胶状况。研究了基于Monte Carlo大气辐射传输模型(McArtim)模拟计算Ring效应的方法。采用合适的大气参数带入模型,计算总光子中发生转动Raman散射的光子数的概率来衡量Ring效应的强度,并将模拟计算的Ring强度结果和MAX-DOAS系统实测的Ring效应强度进行对比,得到了较好的一致性。结果表明,通过大气辐射传输模型模拟计算Ring效应具有快速特点,在未来的工作中将结合MAX-DOAS技术,利用Ring效应模拟反演大气气溶胶状况。

大气模式与气溶胶模型对辐射传输计算的影响

大气模式与气溶胶模型选择是影响定量遥感应用的辐射传输计算的重要因素。人们一般凭感性认识去进行选择,有一定随意性,对其带来的影响程度关注甚少。以太阳辐射计测量为依据,对大气模式与气溶胶模型选择方法作了研究,并利用经辐射定标过的光谱辐射计地面测量对辐射传输计算精度进行了验证。在昆明进行的试验表明,在0.50-0.68μm范围内,选择中纬度冬季大气模式和大陆型气溶胶,经辐射传输计算后得到的光谱辐射亮度与光谱辐射计测量结果一致性很好,差别在3.3%以内;变换大气模式对辐射传输计算产生明显影响,差别达10%左右;选择不同的气溶胶模型对辐射传输计算影响也很大,差别达11%左右。基于辐射计测量的大气模式与气溶胶模型选择避免了主观选择的不可靠性,有益于减少辐射传输计算或卫星遥感大气订正的误差。

基于辐射传输模型的高分二号影像大气校正方法研究

高分二号卫星的成功发射,标志着我国遥感卫星进入了亚米级高空间分辨率时代,遥感影像在定量反演,地物识别和变化分析等领域将有重要作用。大气校正的精度是影响其定量化应用的重要因素。由于高分二号遥感数据缺乏短波红外波段,无法采用暗像元法进行大气校正。提出一种基于辐射传输模型的高分二号影像大气校正方法,利用6S(second simulation of the satellite signal in the solar spectrum)辐射传输模型建立大气校正系数查找表,利用同步MODIS影像数据结合改进后的暗像元方法反演气溶胶光学厚度,确定大气校正系数,消除高分二号影像大气分子和气溶胶等的吸收和散射的影响,实现GF-2数据的大气校正。选取地表平坦均一的敦煌辐射校正场作为实验区,通过同步的实测数据对校正结果进行精度评价,并且比较大气校正前后归一化植被指数NDVI。结果表明:最小相对误差仅为0.9%,大气校正之后影像数据更真实地反映了地物的反射特性;大气校正后的NDVI大大增强了植被信息反差,突出了GF-2卫星传感器的植被信息区分能力。

大气辐射传输计算中气溶胶模型评估及选取

利用AOD-AROD气溶胶分类方法,选用MODIS数据,分析研究区域气溶胶模型的年际变化规律。在规律不明显的月份,分析了气象要素和气溶胶源对模型的影响,构建了基于随机森林方法的多时相气溶胶模型评估方法,即后向轨迹与大气概率分布场分析方法,并分析了多时相气溶胶模型评估方法的准确性,讨论误差原因。使用所提方法评估了香河地区的气溶胶模型,并使用TROPOMI L1B数据对评估结果进行验证。研究结果显示,采用该模型对香河地区的气溶胶类型进行评估的准确度为71.04%,辐亮度模拟的平均误差率减少了38.25%,表明该方法能有效提高气溶胶模型选择的准确性。

基于SBDART辐射传输模型的夜间辐射雾自动检测及时间序列分析

如何确定合适的阈值来区分夜间辐射雾、晴空地表和中高云一直是雾检测研究的重点。圣巴巴拉DISORT大气辐射传输模型(Santa Barbara DISORT atmospheric radiative transfer,SBDART)可模拟雾顶亮度温度。基于该模型获取MODIS B20与B31波段的亮温差(brightness temperature difference,BTD),将其用于夜间辐射雾检测。以MODIS卫星数据为可行性试验数据,用国家卫星气象中心提供的地面验证数据进行验证,结果表明,使用该模型监测夜间雾的准确率达78.3%,误判率为21.7%,可靠性指标为0.643,Kappa系数为0.730。为进一步验证方法的稳定性,选取8景卫星序列图像进行时间序列分析,结果显示Kappa系数均值为0.744,说明应用当前阈值方法对MODIS夜间雾检测具有可适用性。该方法为夜间雾预报和夜间雾参数反演提供了有效的参考。

基于辐射传输模型的Hyperion光谱重建应用评价

光谱重建是高光谱数据定量分析的前提,大气校正是光谱重建的关键环节。对于缺少地面同步测量的高光谱数据,大气辐射传输模型是最可行的大气校正方法。应用当前流行的大气辐射传输模型MODTRAN 4.0和6S,分别对试验区EO-1 Hyperion高光谱数据进行大气校正和光谱重建。通过对植被、粘土矿及水体3类地物光谱重建结果的对比分析,并利用统计方法计算光谱重建精度,评价大气辐射传输模型校正的效果和模型的适用性。最后,通过FLAASH模型的试验体现了高光谱数据大气校正集成化处理的优越性。

在非均匀水云中太阳辐射的传输

本文概述云的透过、吸收和反射数值计算的方法。该方法考虑到云中水汽和水滴吸收光谱的变化以及多次散射的影响，使用到达云顶的太阳辐射对云滴光学特性作加权平均，通过蒙特卡罗方法来模拟宽光谱间隔的太阳辐射在云内的传输。该模型对云内微物理特征的空间非均匀性作了考虑，计算结果已得到实测资料的证实。

云对红外制导系统中大气辐射透过特性的影响评估

为建立云对制导系统影响的红外特征模型,利用SBDART大气辐射传输模式计算了热带大气、中纬度大气(冬、夏)和副极地大气(冬、夏)5类典型大气状态下的3个大气窗口波段范围内的大气透过率。利用计算结果,结合云参数资料,针对云的光学厚度、云滴浓度、平均粒子半径、有效粒子半径等,对大气透过率的影响进行了详细分析,从而为开展真实大气传输特性对目标与背景红外辐射特性的影响研究奠定了基础。

典型多尺度海面结构体辐射散射方向-光谱特性计算与分析

针对3级以上海况的高精度海洋场景红外仿真问题,提出一种“先拆后建”的研究思路:将含泡沫和破碎波的多尺度海面抽象为粗糙海面、泡沫、破碎波的组合,进而拆解出“粗糙海面”、“含泡沫粗糙海面”、“含破碎波粗糙海面”3类典型多尺度海面结构体,最后通过海面栅格化、结构体匹配、方向-光谱特性重构渲染等方法,由3类典型多尺度结构体方向-光谱特性组合重构大范围海面辐射散射特性,完成多尺度海面“气-面-体”耦合辐射/散射特性的计算。对拆解出的3类典型多尺度海面结构体分别开展多尺度耦合辐射、散射特性建模研究,构建3类多尺度海面结构体辐射散射方向-光谱特性计算模型,并对结构体辐射散射方向-光谱特性的影响因素进行分析,结果表明:随着海面风速的增大,海面典型结构体中的泡沫厚度及气泡浓度逐渐增大,使得结构体的散射能力增强,从而增大结构体的双向反射分布函数;随着探测波长的增大,海水的吸收性显著增强,导致不同风速条件下结构体双向反射分布函数之间的差异显著增大;对于不同的入射角,结构体双向反射分布函数最大值对应的天顶角随入射天顶角的变化逐渐发生变化。