氣溶膠參數(shù)差異條件下對(duì)地觀測(cè)輻射圖像的快速仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種氣溶膠參數(shù)差異條件下對(duì)地觀測(cè)輻射圖像的快速仿真方法，包括：步驟1：選定標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠廓線參數(shù)；步驟2：查表法反演場(chǎng)景中各像素單元的氣溶膠參數(shù)；步驟3：查詢各像元對(duì)應(yīng)的真實(shí)地表高程信息；步驟4：計(jì)算各像元的消光系數(shù)等效地表高度；步驟5：二流近似方法求解輻射傳輸方程，得到各類輻射的輻射矩陣；步驟6：獲得各像元的光譜特性信息；步驟7：輻射矩陣插值方法仿真對(duì)地觀測(cè)輻射圖像。本發(fā)明圖像仿真速度快，與傳統(tǒng)方法相比，相同平臺(tái)下仿真計(jì)算速度可提高10?20倍；該方法的通用性好：所提出的仿真方法不受場(chǎng)景中氣溶膠參數(shù)設(shè)定方法的限制，既適用于仿真真實(shí)在軌傳感器的觀測(cè)圖像，也適用于仿真想定觀測(cè)場(chǎng)景的紅外輻射圖像。
【專利說(shuō)明】
氣溶膠參數(shù)差異條件下對(duì)地觀測(cè)福射圖像的快速仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及對(duì)地觀測(cè)福射圖像的仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種氣溶膠參數(shù)差異條 件下對(duì)地觀測(cè)福射圖像的快速仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地球大氣中，除了包含氮?dú)?化）、氧氣(〇2)、二氧化碳(0)2)、氣氣(Ar)等氣體成分 夕h還含有懸浮的塵埃、液滴、冰晶等固體或液體顆粒，運(yùn)些顆粒統(tǒng)稱為氣溶膠（參見(jiàn)文獻(xiàn) [1]張建奇，方小平.紅外物理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社.2004.6.)。受各類氣體 及氣溶膠的散射及吸收作用的影響，紅外福射在大氣中傳輸將產(chǎn)生衰減。另一方面，通過(guò)理 論計(jì)算仿真對(duì)地觀測(cè)福射圖像，并同天基平臺(tái)傳感器的遙感實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而反演 實(shí)測(cè)圖像中的氣溶膠空間分布特性及成分組成，在氣象觀測(cè)、農(nóng)業(yè)遙感及空間監(jiān)視等領(lǐng)域 有重要應(yīng)用。
[0003] 特定觀測(cè)幾何關(guān)系條件下，通過(guò)求解福射傳輸方程（參見(jiàn)文獻(xiàn)[2化.Stamnes, S.Tsay,and I.Laszlo.DISO民T，a General-Purpose FO民T民AN Program for Discrete- Ordinate-Method 民adiative Transfer in Scattering and Emitting Layered Media: Documentation of Methodology[民/OL].ftp://climate.gsfc.nasa.gov/pub/wiscombe/ 1111"口16_5〇3?/.13萬(wàn).2000/7111.2014)可^得到傳輸路徑中某一位置的光譜嬌出度己：
[0004]
(I)
[0005] 式中，^表示光譜福出度隨傳輸路徑的變化率;A為波長(zhǎng);V為光學(xué)厚度；S為福射 dv 源項(xiàng)。
[0006] 圖1所示為天基平臺(tái)傳感器接收福射的基本構(gòu)成示意圖（參見(jiàn)文獻(xiàn)[3] 民.A.Schowengerdt.Remote SensingiModels and Methods for Image ProcessingiThird Edition[M] .USA: Academic Press ? 2007 ?) D如圖I所不，傳感器口面處的總光譜嬌照度Et由 地表直接反射嬌射Er、大氣路徑散射嬌射Es、地表熱嬌射Eb及大氣熱嬌射Ee四部分組成，即：
[0007] Et(A)二 Er(A)+Es(A)+Eb(A)+Ee(A) (2)
[0008] 求解福射傳輸方程式(1)后，可得各類福射的計(jì)算表達(dá)式：
[0009] Er(、目V，d)v，目S, 4s)=E〇(入）? Ts(入，目S) ? Pr(入，目V，目S，4v，4s) ? Tv(入，目V) (3)
[0010] Es(入，目V，（K，目S, 4s)=E〇(入）.《 (入）.[I-Ts(入，目S) ? Tv(入，目V)] ? P(入，目V，目S，4v， 4>s) (4)
[O(m]EbaA) = Tv(A，0v).es(A).B(A，Tb)(5)
[001^ Ee(AA) = U-W (入）].[1-Tv(入，目v)].B(、Ta) (6)
[001引式中，0v為觀測(cè)天頂角；0s為太陽(yáng)天頂角;斯為觀巧巧位角；巧為太陽(yáng)方位角瓜為 大氣頂層的太陽(yáng)光譜福照；Ts為入射路徑的光譜透過(guò)率；Tv為觀測(cè)路徑的光譜透過(guò)率;Pr為 地表的雙向光譜反射率；《為大氣的單次光譜反照率;P為大氣散射相函數(shù)；Es為地表的光 譜發(fā)射率;B為黑體光譜福出度;Tb為地表溫度;Ta為大氣溫度。
[0014]若福射傳輸路徑上的氣體濃度分布不均勻，則可W采用化dis-Godson近似(參見(jiàn) 文南犬[4]A . R. Curti S . Discussion of a Statistical Model for Water Vapour Absorption[J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society.1952,78: 638-640和文獻(xiàn)[5]W丄.Godson.Hie Evaluation of Infrared-Radiative Fluxes due to Atmospheric Water Vapour[J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 1953，79:367-379.)將非均勻大氣等效為若干均勻子層的總和。如圖2所示，W大 氣頂層為光學(xué)深度零點(diǎn)，依海拔高度將大氣劃分為均勻的n層。圖中qi為大氣頂層至第i子 層的光譜光學(xué)深度;Vi為大氣頂層至第i子層的光譜光學(xué)厚度;hi為第i子層的高度;Tl為第i 子層的溫度;ki為第i子層的光譜消光系數(shù);E+表示向上傳輸?shù)墓庾V福出度;表示向下傳輸 的光譜福出度。
[001引根據(jù)定義，消光系數(shù)ki與光學(xué)深度qi有如下關(guān)系：
[0016]
(T)
[0017] 消光系數(shù)ki與光學(xué)厚度Vi的關(guān)系定義如下：
[001引
微
[0019] 式中，。為第j子層內(nèi)的傳輸路徑長(zhǎng)度;kj為第j子層的光譜消光系數(shù)。
[0020] 式(3)至式(6)中的大氣透過(guò)率T與光學(xué)厚度V為e指數(shù)關(guān)系：
[0021] T = exp(-v) (9)
[0022] 故將式(8)代入式(9)可得入射路徑光譜透過(guò)率Ts及觀測(cè)路徑光譜透過(guò)率Tv的計(jì)算 式：
[0023] (10)
[0024] (U)
[0025] 第i子層的光譜消光系數(shù)ki由S部分組成：
[0026] ki(A)=ka(A)+kr(A)+km(A) (12)
[0027] 式中，ka為大氣吸收消光系數(shù)，簡(jiǎn)稱吸收系數(shù)，可采用逐線積分（參見(jiàn)文獻(xiàn)[6] S.A.Clough,M.W.Shephard,E.J.Mlawer,et al.Atmospheric Radiative Transfer Modeling:A Summary of the AER Codes[J].Journal of Quantitative Spectroscopyfe Radiative Transfer ,2005,91: 233-244.)、帶模式（參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]A.Berk,L. S.Bernstein, and D.C.Robertson.M0DTRAN:a Moderate Resolution Model for L0WTRAN7[R],AF化- TR-89-0122,化 1.1987.)或k分布（參見(jiàn)文獻(xiàn)[8]P. Ricchiazzi，S.化 ng，C. Gautier ,and D.Sowle.SBDART:A Research and Teaching Software Tool for Plane Parallel Radiative Transfer in the Earth's Atmosphere[J].Bulletin of American Meteorological Society, 1998,79(10) :2101-2114.)計(jì)算 Ar為大氣分子的散射消光系 數(shù)，簡(jiǎn)稱分子散射系數(shù)，由Ray Iei曲散射計(jì)算方法(參見(jiàn)文獻(xiàn)[9] A. A. Bo化aine，N. B. Wood， E.G.Dution and J.R.Slusser.On Rayleigh Optical Depth Calculations[J].Journal of Atmos地eric and Oceanic Technology.1991,16:1854-1861.)得到；km為氣溶膠的散 射消光系數(shù)，簡(jiǎn)稱氣溶膠散射系數(shù)，由Mie散射計(jì)算方法(參見(jiàn)文獻(xiàn)[10 ] A. Matz Ier. MATLAB Functions for Mie Scattering and Absorption Version I[R]. Institute of Applied Physics,University of Bern = Research Report No.2002-08.Jun.2002.)計(jì)算。
[0028] 大氣散射系數(shù)定義為分子散射系數(shù)與氣溶膠散射系數(shù)的總和，故式(4)與式(6)中 的大氣單次光譜反照率《有定義式：
[0029]
U3)
[0030] 同理，由于大氣散射包含氣體分子散射與氣溶膠散射兩部分，式(4)中的大氣散射 相函數(shù)P與Ray 1 e i油散射相函數(shù)Pr及Mi e散射相函數(shù)Pm有關(guān)，即：
[0031]
(14)
[0032] 其中，Raylei油散射相函數(shù)Pr的計(jì)算式為：
[0033]
(1巧
[0034] 式中，9>為散射角，由立體角公式可知：
[0035]
(16)
[0036] 由于精確計(jì)算Mie散射相函數(shù)Pm過(guò)于耗時(shí)，故采用化n巧-Greenstein函數(shù)近似計(jì) 算Mie散射相函數(shù)Pm,即：
[0037]
V17)
[0038] 式中，g為非對(duì)稱因子，由Mie散射計(jì)算方法計(jì)算;f為散射角。
[0039] 在已知大氣氣體成分組成及氣溶膠的粒子濃度、尺度分布及復(fù)折射指數(shù)等物理參 數(shù)的條件下，通過(guò)Raylei曲散射及Mie散射計(jì)算方法，容易求得大氣各子層內(nèi)的光學(xué)參數(shù)， 如消光系數(shù)、散射系數(shù)及非對(duì)稱因子等（參見(jiàn)文獻(xiàn)[11化.P. Shettle and R.W.Fenn.Models for the aerosols of the Lower Atmosphere and the Effects of Humidity 化riations on Their Optical PropertiesIiR].AFGkTR-79-〇214.Sep. 1979.)。利用求得 的光學(xué)參數(shù)及計(jì)算式(2)至(6)，可W計(jì)算傳感器接收的總福射。
[0040] 與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)介紹如下：
[0041] 1.1現(xiàn)有技術(shù)一的技術(shù)方案
[0042] 對(duì)于某一確定觀測(cè)場(chǎng)景，在確定了各條傳輸路徑的大氣氣體成分組成及氣溶膠參 數(shù)后，采用大氣福射傳輸代碼逐條路徑求解福射傳輸方程式(1)，解得仿真圖像中各個(gè)像元 的福射強(qiáng)度，并最終仿真得到紅外福射圖像?；谖锢頇C(jī)理的紅外場(chǎng)景仿真模型通常采用 此方案（參見(jiàn)文獻(xiàn)[12]W.M. Cornette,J.M.Alfred, and J.M. Go Idspiel. Mo derate Spectral Atmospheric Radiance and Transmittance Code(MC)SART v2. I )User Reference Manual [R] .MOSART-N 化-D0C-URM-001-V2.1-111206. Dec. 2011.和文獻(xiàn)[13] L.Labarre,K.CaiIIault,S.Fauqueux,et al.An Overiew of Matisse-v2.0[C].Optics in Atmospheric Propagation and Adaptive Systems XIII，Proceedings of SPIE, 2010,7828:1-10.)〇
[0043] 1.2現(xiàn)有技術(shù)一的缺點(diǎn)
[0044] 當(dāng)仿真天基平臺(tái)對(duì)地觀測(cè)傳感器的觀測(cè)圖像時(shí)，由于該類傳感器條帶的覆蓋區(qū)域 很廣，觀測(cè)圖像包含的像元數(shù)目很多，逐個(gè)像素單元計(jì)算福射圖像的方法耗時(shí)長(zhǎng)。且圖像仿 真過(guò)程中，受計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量的限制，能夠完成的仿真圖像場(chǎng)景尺寸十分有限。
[0045] 2.1現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案二
[0046] 文獻(xiàn)[14] (X.He and X-XuJast Calculation of Scattered Radiance in Multispectral Imagery Simulation.SPIE Infrared Remote Sensing and Instruments XXIII ,2015,9608(960800): 1-11.)提出一種基于福射矩陣插值的對(duì)地觀測(cè)福射圖像仿真 方法。當(dāng)場(chǎng)景中的大氣參數(shù)設(shè)定相同時(shí)，大氣散射福射及地表反射福射隨觀測(cè)天頂角與太 陽(yáng)天頂角均勻變化，此時(shí)只需要計(jì)算幾個(gè)特定像元的各類福射強(qiáng)度，并分別構(gòu)成福射矩陣， 接著通過(guò)插值方法快速得到其他像元的各類福射。插值方法的計(jì)算時(shí)間取決于選取的像元 數(shù)目而非仿真場(chǎng)景的原始像元數(shù)目，故該方案的計(jì)算效率較方案一有較大提升，而計(jì)算精 度略有下降。
[0047] 2.2現(xiàn)有技術(shù)二的缺點(diǎn)
[0048] 仿真中假定了場(chǎng)景中各個(gè)像元的大氣條件相同，運(yùn)一假設(shè)并不適用于圖像條帶覆 蓋幾千公里的天基平臺(tái)對(duì)地觀測(cè)傳感器。且該方案中尚未考慮地表高度及氣溶膠氣象視程 對(duì)傳感器接收福射強(qiáng)度的影響，仿真圖像的紋理(福射強(qiáng)弱變化)不能反映氣溶膠的空間分 布特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0049] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題為:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)W上方案的不足之處，本發(fā)明提出 一種考慮氣溶膠參數(shù)差異條件時(shí)，對(duì)地觀測(cè)福射圖像的快速仿真方法?；趥鞲衅飨裨?福射強(qiáng)度與氣溶膠濃度及傳輸距離的關(guān)系，采用消光系數(shù)等效地表高度法仿真天基平臺(tái)傳 感器對(duì)地觀測(cè)福射圖像，實(shí)現(xiàn)條帶覆蓋區(qū)域很廣的傳感器福射圖像快速仿真。
[0050] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種氣溶膠參數(shù)差異條件下對(duì)地觀測(cè)福射圖像的快速 仿真方法，包括如下步驟：
[0051 ]步驟1:選定標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠廓線參數(shù)；
[0052] 步驟2:查表法反演場(chǎng)景中各像素單元的氣溶膠參數(shù)；
[0053] 步驟3:查詢各像元對(duì)應(yīng)的真實(shí)地表高程信息；
[0054] 步驟4:計(jì)算各像元的消光系數(shù)等效地表高度；
[0055] 步驟5:二流近似方法求解福射傳輸方程，得到各類福射的福射矩陣；
[0056] 步驟6:獲得各像元的光譜特性信息；
[0057] 步驟7:福射矩陣插值方法仿真對(duì)地觀測(cè)福射圖像。
[0058] 其中，步驟1中所述的選定標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠廓線參數(shù)具體步驟包括:選定氣溶膠類型與 氣象視程，并計(jì)算隨大氣高度變化的消光系數(shù)及散射系數(shù)廓線。
[0059] 其中，步驟2中所述的查表法反演場(chǎng)景中各像素單元的氣溶膠參數(shù)具體步驟包括： 計(jì)算不同類型氣溶膠及氣象視程條件下的像元色比，得到色比表格;在色比表格中查找與 實(shí)測(cè)圖像色比最接近的值，該色比值對(duì)應(yīng)的氣溶膠參數(shù)即為反演結(jié)果。
[0060] 其中，步驟3中所述的查詢各像元對(duì)應(yīng)的真實(shí)地表高程信息具體步驟包括:通過(guò)幾 何關(guān)系計(jì)算各像元地表投影位置的經(jīng)締度坐標(biāo);通過(guò)查詢地表高程信息圖，獲得像元對(duì)應(yīng) 的地表高度。
[0061] 其中，步驟4中所述的計(jì)算各像元的消光系數(shù)等效地表高度具體步驟包括:計(jì)算各 像元實(shí)際的光學(xué)厚度，依據(jù)步驟1中指定的氣溶膠標(biāo)準(zhǔn)廓線求解等效地表高度，使得各像元 的光學(xué)厚度保持不變。
[0062] 其中，步驟5中所述的二流近似方法求解福射傳輸方程得到各類福射的福射矩陣 具體步驟包括:采用步驟1中選定的標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠廓線參數(shù)，利用二流近似方法計(jì)算選定像元 的各類福射;計(jì)算所得各類福射的強(qiáng)度隨太陽(yáng)天頂角及觀測(cè)天頂角變化，故構(gòu)成福射強(qiáng)度 隨太陽(yáng)天頂角及觀測(cè)天頂角變化的福射矩陣。
[0063] 其中，步驟6中所述的獲得各像元的光譜特性信息具體步驟包括:根據(jù)觀測(cè)幾何關(guān) 系計(jì)算各像元的地表投影位置的經(jīng)締度坐標(biāo)，通過(guò)查詢地表覆蓋物分類圖可W確定地物類 另IJ;依據(jù)地物類別查詢地物光譜信息數(shù)據(jù)庫(kù)可W得到地物的光譜反射率及光譜發(fā)射率廓 線。
[0064] 其中，步驟7中所述的福射矩陣插值方法仿真對(duì)地觀測(cè)福射圖像具體步驟包括:計(jì) 算各像元的太陽(yáng)天頂角及觀測(cè)天頂角，利用步驟4中的等效地表高度及步驟5中得到的福射 矩陣計(jì)算各像元的福射。
[0065] 與現(xiàn)有對(duì)地觀測(cè)紅外福射圖像仿真方法相比，本發(fā)明提出的對(duì)地觀測(cè)紅外福射圖 像仿真方法具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0066] (1)、本發(fā)明圖像仿真速度快:通過(guò)提出消光系數(shù)等效地表高度的概念并計(jì)算得到 等效地表高度圖，可實(shí)現(xiàn)包含多類氣溶膠及多種氣象視程下對(duì)地觀測(cè)場(chǎng)景紅外福射場(chǎng)景的 圖像仿真，與傳統(tǒng)方法相比，相同平臺(tái)下仿真計(jì)算速度可提高10-20倍；
[0067] (2)、本發(fā)明方法的通用性好:所提出的仿真方法不受場(chǎng)景中氣溶膠參數(shù)設(shè)定方法 的限制，既適用于仿真真實(shí)在軌傳感器的觀測(cè)圖像，也適用于仿真想定觀測(cè)場(chǎng)景的紅外福 射圖像。
【附圖說(shuō)明】
[0068] 圖1為天基平臺(tái)傳感器接收福射的基本組成示意圖，其中，圖1(a)為地表直接反 射，圖1(b)為大氣路徑散射，圖I(C)地表熱福射，圖1(d)為大氣熱福射；
[0069] 圖2為化Kis-Godson近似子層劃分示意圖；
[0070] 圖3為考慮各像元?dú)馊苣z參數(shù)差異時(shí)的對(duì)地觀測(cè)福射圖像快速仿真流程圖；
[0071 ]圖4為消光系數(shù)等效地表高度的計(jì)算流程；
[0072] 圖5為消光系數(shù)快速計(jì)算方法驗(yàn)證舉例；
[0073] 圖6為散射系數(shù)快速計(jì)算方法驗(yàn)證舉例；
[0074] 圖7為氣溶膠氣象視程反演舉例，其中，圖7(a)為實(shí)測(cè)色比圖像，圖7(b)為反演所 得氣象視程圖像；
[0075] 圖8為MODIS譜段7消光系數(shù)等效地表高度計(jì)算舉例，其中，圖8(a)為場(chǎng)景實(shí)際高程 圖像，圖8 (b)為消光系數(shù)等效地表高度圖像；
[0076] 圖9為2015年I月19日，MODIS譜段7福射圖像仿真舉例，其中，圖9(a)為MODIS實(shí)測(cè) 福射圖像，圖9(b)為仿真福射圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0077] 下面結(jié)合附圖W及【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0078] 本發(fā)明的技術(shù)方案框圖如圖3所示，基本技術(shù)原理如下。
[0079] 步驟1:選定標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠廓線參數(shù)。
[0080] 現(xiàn)有的大氣福射傳輸代碼中，常用的對(duì)流層氣溶膠模型有四類，分別為鄉(xiāng)村型、城 市型、海洋型及對(duì)流層型。各類氣溶膠的粒子組成、粒子尺度分布及復(fù)折射指數(shù)不同，故四 類典型氣溶膠模型的光譜消光系數(shù)ki，光譜散射系數(shù)km及非對(duì)稱因子g均不相同。
[0081] 在實(shí)際工程應(yīng)用中，確切知道氣溶膠粒子的尺度分布非常困難，通常采用氣象視 程估算氣溶膠的粒子濃度。根據(jù)氣象視程的定義，若某個(gè)譜段內(nèi)的大氣光譜吸收系數(shù)很小， 近似為委.則氣象規(guī)賴V白十氣散射系數(shù)有如下關(guān)系：
[0082]
(18)
[0083] 式中，Ao為選定譜段的波長(zhǎng)，通常選取為Ao = O.61皿或0.55皿。
[0084] 對(duì)于某類氣溶膠，其光譜散射系數(shù)km與粒子濃度N有關(guān)，有估算式：
[0085]
(巧）
[0086] 式中，No為標(biāo)準(zhǔn)條件下的氣溶膠粒子密度;km-o為采用標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠粒子密度No計(jì)算 所得的氣溶膠光譜散射系數(shù);化為實(shí)際的氣溶膠粒子密度;km-s為估算得到的氣溶膠光譜散 射系數(shù)。
[0087] 由式（18)及式（19)可知，氣象視程V與氣溶膠濃度N存在一定聯(lián)系，可W采用氣象 視程的遠(yuǎn)近反映氣溶膠濃度的大小，則氣溶膠濃度的空間分布可W由像元?dú)庀笠暢虉D像表 示。此外，可W為各類氣溶膠預(yù)先計(jì)算某一確定氣象視程條件下的光譜散射系數(shù)。對(duì)于其他 氣象視程的觀測(cè)情形，可W采用式（19)中的比例關(guān)系近似計(jì)算氣溶膠散射系數(shù)，節(jié)約計(jì)算 時(shí)間。
[0088] 步驟2:查表法反演場(chǎng)景中各像素單元的氣溶膠參數(shù)。
[0089] 天基平臺(tái)對(duì)地觀測(cè)傳感器的條帶覆蓋范圍很廣，通過(guò)地面氣象站獲取各像元的氣 溶膠光學(xué)特性十分困難，故通常采用對(duì)地觀測(cè)傳感器的遙感數(shù)據(jù)反演氣溶膠的光學(xué)參數(shù)。
[0090] 氣溶膠光學(xué)參數(shù)反演利用了兩個(gè)譜段內(nèi)實(shí)測(cè)圖像的福亮度比值，即色比。定義色 比R為：
[0091] HO)
[0092] 式中，Et為傳感器接收的總光譜福照度，由式(2)計(jì)算;Al為譜段1的中屯、波長(zhǎng)；AAi 為譜段1的譜寬;A勸譜段2的中屯、波長(zhǎng)；A A2為譜段2的譜寬。
[0093] 對(duì)于位于可見(jiàn)光、近紅外或短波紅外光譜區(qū)間內(nèi)的觀測(cè)譜段，熱福射相較于散射 福射很弱，可W忽略。即忽略式(2)中的地表熱福射Eb及大氣熱福射Ee，將傳感器接收的光譜 福射照度Et重新書寫如下(為簡(jiǎn)化表達(dá)，省略幾何參數(shù)目V、目S、懼及巧)：
[0094] Et(入）=Eo(入）? Ts(入）? Pr(入）? Tv(入）+E〇(入）? O (入）? [ I-Ts(入）? Tv(入）]? P(入） (21)
[00M]若視場(chǎng)中的氣溶膠濃度增加，使得大氣的透過(guò)率T下降，即：
[0096] (A) = T(A)- A T(A) (22)
[0097] 式中，為氣溶膠濃度增加后的大氣透過(guò)率；A T為透過(guò)率的減少量。
[0098] 將式(22)代入式(21)，光譜福射照度Et發(fā)生變化，有：
[0099] Et'(A)=Et(A)+A Et(A) (23)
[0100] 式中，E/為氣溶膠濃度增加后的光譜福射照度；A Et為光譜福射照度的變化量，有 表達(dá)式：
[0101] AEt(入)=Eo(入）? At(入）? [CO(入）? P(入)-pr(入)](24)
[0102] 在某一特定譜段內(nèi)，場(chǎng)景中任意一像元的Eo, T，Pr，O及P在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)保持不變。 若瞬時(shí)視場(chǎng)中不存在云或霧，則可W認(rèn)為該像元的地表反射率Pr大于大氣反射率《P。故隨 著氣溶膠濃度的增加，譜段內(nèi)的福射照度減弱。
[0103] 壬Il田味八〇、b味八q、wr但與、飯肪、波賠化化后，像元色比R'的計(jì)算式；
[0104] 冷巧
[0105] 由于大氣頂層的太陽(yáng)光譜福照度Eo與氣溶膠散射系數(shù)km在波長(zhǎng)大于0.45WI1的光譜 區(qū)間內(nèi)隨波長(zhǎng)的增長(zhǎng)而減小。故選取兩個(gè)位于該波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)的譜段，若、分2,則有E〇(Ai)〉E〇 (A2)，km(、)〉km(A2)。故譜段l的背景福射變化量AEt(Al)大于譜段2的背景福射變化量AEt (入2)。由于福射照度的變化量AEt通常為負(fù)值，故式(25)中的色比值降低。
[0106] 若某瞬時(shí)視場(chǎng)中氣溶膠的濃度很低，大氣透過(guò)率T趨近于1，則該像元的色比取得 極值，且由兩個(gè)譜段內(nèi)的地表反射福出度決定，即：
[0107]
御）
[0108] 由W上分析可知，對(duì)于某一像元，當(dāng)視場(chǎng)中幾乎不存在氣溶膠時(shí)，色比取得極大 值;而隨著視場(chǎng)中氣溶膠濃度的增加，色比值逐漸減小。從理論上說(shuō)，可W取任意兩個(gè)位于 大氣透過(guò)窗口中的譜段，利用其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學(xué)參數(shù)。
[0109] 若采用MODIS反演得到的氣溶膠光學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)作為仿真場(chǎng)景的氣溶膠參數(shù)輸入， 則可W略過(guò)該步驟。略過(guò)步驟2不會(huì)影響后續(xù)的圖像仿真。
[0110] 步驟3:查詢各像元對(duì)應(yīng)的真實(shí)地表高程信息。
[0111] 地球表面某一區(qū)域的平均海拔高度隨觀測(cè)時(shí)間變化比較緩慢，因此可W利用幾何 關(guān)系計(jì)算各像元地表投影的地理坐標(biāo)(經(jīng)締度坐標(biāo)），通過(guò)查詢地表高程信息圖，獲得各像 元的地表高程信息。
[0112] 步驟4:計(jì)算各像元的消光系數(shù)等效地表高度。
[0113] 由式(2)至式(6)可知，若將地球大氣視為整體，且觀測(cè)幾何關(guān)系確定，則傳感器接 收的總光譜福照度Et僅受大氣透過(guò)率T的影響。由透過(guò)率的計(jì)算式（10)與式（11)可知，大氣 透過(guò)率不僅受氣溶膠濃度的影響（式中的消光系數(shù)ki)，還受傳輸路程長(zhǎng)度的影響（式中的 路徑長(zhǎng)度10。因此，從數(shù)值計(jì)算結(jié)果而言，氣溶膠濃度增加或傳輸路程長(zhǎng)度增加對(duì)傳輸路 徑透過(guò)率的影響相同，所引起的福射強(qiáng)度變化也理應(yīng)相同。換言之，理論上存在換算關(guān)系， 當(dāng)氣溶膠濃度增大引起傳感器接收的總福射減弱時(shí)，可W保持氣溶膠的濃度不變，增加適 當(dāng)?shù)膫鬏斁嚯x使得傳感器接收的總福射產(chǎn)生相等數(shù)值的衰減。
[0114] 氣溶膠濃度隨海拔高度Z的變化可由e指數(shù)函數(shù)近似：
[0115] N(z) =N(O) exp (-z/zo) (27)
[0116] 式中，N(Z)為距離地表高度為Z位置的氣溶膠濃度；ZO為標(biāo)高，是與氣象視程有關(guān) 的常數(shù);N( 0)為地表位置的氣溶膠濃度。
[0117] 由步驟1中的式（19)可知，氣溶膠濃度與消光系數(shù)呈正比例關(guān)系。由式(27)可知， 氣溶膠濃度在低海拔地區(qū)的更高，故觀測(cè)地表高度較低的區(qū)域，其觀測(cè)路徑的光學(xué)厚度更 大，而光學(xué)厚度越大，透過(guò)率越低。因此，在選定某一組氣溶膠參數(shù)后，W該組參數(shù)的消光系 數(shù)垂直廓線為參考，計(jì)算各傳輸路徑對(duì)應(yīng)的等效地表高度，使得各傳輸路徑的總光學(xué)厚度 與利用步驟2中氣溶膠參數(shù)求得的總光學(xué)厚度相同。消光系數(shù)等效地表高度的計(jì)算流程如 圖4所示。
[0118] 圖4中傳感器至第i子層的大氣光學(xué)厚度Vi由式(8)計(jì)算，實(shí)測(cè)光學(xué)厚度V為仿真場(chǎng) 景的輸入?yún)?shù)。如圖3所示，大氣頂層為ho位置，故有消光系數(shù)等效高度he的計(jì)算式：
[0119]
口8)
[0120] 式中，hi為第i子層至地表的高度，且hi<hi-i。
[0121 ]步驟5:二流近似方法求解福射傳輸方程，得到各類福射的福射矩陣。
[0122] 文獻(xiàn)[14]中給出了球面平行大氣條件下，二流近似求解式（1)的基本方法，并分別 為地表熱福射、地表散射福射、大氣熱福射及大氣散射福射建立了福射矩陣。由于各類型福 射的強(qiáng)度隨觀測(cè)天頂角及太陽(yáng)天頂角變化平緩，故可W采用插值方法仿真背景圖像。
[0123] 應(yīng)當(dāng)指出，采用其他方法求解式(1)同樣能夠得到各福射的福射矩陣。
[0124] 步驟6:獲得各像元的光譜特性信息。
[0125] 光譜特性信息主要指各像素單元的光譜反射率和光譜發(fā)射率，由地物的物理特性 決定。與地表高程信息類似，可W利用各像元的地理坐標(biāo)，通過(guò)查詢地物覆蓋物分類圖及地 物光譜特性數(shù)據(jù)庫(kù)得到。
[01 %]步驟7:福射矩陣插值方法仿真對(duì)地觀測(cè)福射圖像。
[0127]由步驟4可知，利用消光系數(shù)等效地表高度，在生成福射矩陣的過(guò)程中能夠繼續(xù)采 用單一氣溶膠參數(shù)廓線的假設(shè)。在生成背景圖像的過(guò)程中，利用等效后的地表高度反映氣 溶膠的空間分布特性。
[012引實(shí)施例；
[0129] 下面W仿真MODIS實(shí)測(cè)圖像為例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。目標(biāo)場(chǎng)景為2015年1月19 日 Aqua-MODI S于5:30a. m至5:35a. m的探測(cè)區(qū)域。
[0130] 步驟1:利用式（19)中的比例關(guān)系快速計(jì)算氣溶膠的光譜消光系數(shù)及光譜散射系 數(shù)。
[0131 ]圖5所示為相對(duì)濕度0.7的鄉(xiāng)村型氣溶膠，氣象視程2km條件下，近似計(jì)算氣象視程 IOkmJlkm及50km條件下的光譜消光系數(shù)，在MODIS譜段3(0.459-0.479皿）內(nèi)的結(jié)果比較 圖。圖中點(diǎn)劃線為Mie散射計(jì)算方法的精確計(jì)算結(jié)果，虛線為式(19)的近似計(jì)算結(jié)果。
[0132]由圖5可知，Mie散射的精確計(jì)算曲線與式（19)的近似計(jì)算曲線幾乎重合。分析其 他氣溶膠類型、相對(duì)濕度及觀測(cè)譜段的計(jì)算結(jié)果后，所得結(jié)論相同。
[0133] 如圖6所示為采用圖5中相同參數(shù)計(jì)算得到的光譜散射系數(shù)比對(duì)圖。與圖5中的結(jié) 論類似，Mie散射的精確計(jì)算廓線與式（19)的近似計(jì)算廓線幾乎重合。在其他仿真參數(shù)條件 下的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了該結(jié)論。
[0134] 由式（13)可知，光譜單次反照率由光譜散射系數(shù)與光譜消光系數(shù)將決定。故采用 步驟1中的方法可W節(jié)約圖像仿真時(shí)間。
[0135] 步驟2:由步驟2中的理論推導(dǎo)可知，理論上可W采用任意兩個(gè)譜段反演氣溶膠的 氣象視程。
[0136] 運(yùn)里采用版)DIS譜段1 (0.620-0.670皿)與譜段3(0.459-0.479皿)的色比反演氣象 視程，其結(jié)果如圖7所示。
[0137] 圖7(a)M0DIS實(shí)測(cè)圖像譜段1與譜段3的色比；圖7(b)為圖7(a)反演所得的氣溶膠 氣象視程圖像，色標(biāo)單位為虹1。由于MODIS譜段1的中屯、波長(zhǎng)小于MODIS譜段3,因此色比值小 的區(qū)域氣象視程大。
[0138] 步驟4:由反演得到的氣溶膠氣象視程可W計(jì)算消光系數(shù)等效地表高度。由理論推 導(dǎo)可知，由于消光系數(shù)在各個(gè)觀測(cè)譜段內(nèi)不同，因此，各譜段的等效地表高度圖像應(yīng)該存在 差異。
[0139] 圖8所示為采用鄉(xiāng)村型氣溶膠，氣象視程化m為標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠廓線，在MODIS譜段7 (2.105-2.155WI1)內(nèi)計(jì)算得到的地表等效高度圖像，色標(biāo)單位為km。圖8(a)所示為該場(chǎng)景區(qū) 域的實(shí)際地表高程圖像，圖8(b)為該場(chǎng)景在譜段7內(nèi)的等效地表高度圖像。從圖中可W看 出，等效高度圖不僅反映了真實(shí)的地理高程信息，還包含了場(chǎng)景中氣溶膠的空間分布信息。 由于隨著海拔高度增加，氣溶膠濃度降低，因此氣象視程距離遠(yuǎn)的像元路徑透過(guò)率高，而路 徑透過(guò)率高其對(duì)應(yīng)的等效高度也將越高。
[0140] 步驟7:利用等效地表高度圖及福射矩陣插值方法能夠快速仿真對(duì)地觀測(cè)福射圖 像。圖9所示為仿真福射圖像與MODIS譜段7的實(shí)測(cè)福射圖像對(duì)比結(jié)果，圖像色標(biāo)單位為￥- Hf2 ? WIfi ? sr^i。圖9(a)為實(shí)測(cè)福射圖像；圖9(b)為未考慮云層的仿真福射圖像。由比對(duì)結(jié) 果可知，仿真福射圖像的紋理反映了氣溶膠的空間分布特性。
[0141] 本發(fā)明還可W采用的替代方案同樣能完成發(fā)明目的：由式（7)、式(8)及式（9)可 知，消光系數(shù)與光學(xué)深度、光學(xué)厚度W及透過(guò)率之間均存在換算關(guān)系，因此本項(xiàng)發(fā)明所提出 的方法不限于采用消光系數(shù)、也可采用光學(xué)深度、光學(xué)厚度或透過(guò)率等參數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)的等 效高度，實(shí)現(xiàn)紅外場(chǎng)景的快速仿真。采用其他參數(shù)時(shí)，其仿真計(jì)算方法在本質(zhì)上與本發(fā)明中 的技術(shù)方案相同。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種氣溶膠參數(shù)差異條件下對(duì)地觀測(cè)輻射圖像的快速仿真方法，其特征在于:包括 如下步驟： 步驟1:選定標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠廓線參數(shù)； 步驟2:查表法反演場(chǎng)景中各像素單元的氣溶膠參數(shù)； 步驟3:查詢各像元對(duì)應(yīng)的真實(shí)地表高程信息； 步驟4:計(jì)算各像元的消光系數(shù)等效地表高度； 步驟5:二流近似方法求解輻射傳輸方程，得到各類輻射的輻射矩陣； 步驟6:獲得各像元的光譜特性信息； 步驟7:輻射矩陣插值方法仿真對(duì)地觀測(cè)輻射圖像。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣溶膠參數(shù)差異條件下對(duì)地觀測(cè)輻射圖像的快速仿真方 法，其特征在于:步驟1中所述的選定標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠廓線參數(shù)具體步驟包括:選定氣溶膠類型 與氣象視程，并計(jì)算隨大氣高度變化的消光系數(shù)及散射系數(shù)廓線。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣溶膠參數(shù)差異條件下對(duì)地觀測(cè)輻射圖像的快速仿真方 法，其特征在于：步驟2中所述的查表法反演場(chǎng)景中各像素單元的氣溶膠參數(shù)具體步驟包 括:計(jì)算不同類型氣溶膠及氣象視程條件下的像元色比，得到色比表格;在色比表格中查找 與實(shí)測(cè)圖像色比最接近的值，該色比值對(duì)應(yīng)的氣溶膠參數(shù)即為反演結(jié)果。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣溶膠參數(shù)差異條件下對(duì)地觀測(cè)輻射圖像的快速仿真方 法，其特征在于:步驟3中所述的查詢各像元對(duì)應(yīng)的真實(shí)地表高程信息具體步驟包括:通過(guò) 幾何關(guān)系計(jì)算各像元地表投影位置的經(jīng)煒度坐標(biāo);通過(guò)查詢地表高程信息圖，獲得像元對(duì) 應(yīng)的地表高度。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣溶膠參數(shù)差異條件下對(duì)地觀測(cè)輻射圖像的快速仿真方 法，其特征在于:步驟4中所述的計(jì)算各像元的消光系數(shù)等效地表高度具體步驟包括:計(jì)算 各像元實(shí)際的光學(xué)厚度，依據(jù)步驟1中指定的氣溶膠標(biāo)準(zhǔn)廓線求解等效地表高度，使得各像 元的光學(xué)厚度保持不變。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣溶膠參數(shù)差異條件下對(duì)地觀測(cè)輻射圖像的快速仿真方 法，其特征在于:步驟5中所述的二流近似方法求解輻射傳輸方程得到各類輻射的輻射矩陣 具體步驟包括:采用步驟1中選定的標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠廓線參數(shù)，利用二流近似方法計(jì)算選定像元 的各類輻射;計(jì)算所得各類輻射的強(qiáng)度隨太陽(yáng)天頂角及觀測(cè)天頂角變化，故構(gòu)成輻射強(qiáng)度 隨太陽(yáng)天頂角及觀測(cè)天頂角變化的輻射矩陣。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣溶膠參數(shù)差異條件下對(duì)地觀測(cè)輻射圖像的快速仿真方 法，其特征在于:步驟6中所述的獲得各像元的光譜特性信息具體步驟包括:根據(jù)觀測(cè)幾何 關(guān)系計(jì)算各像元的地表投影位置的經(jīng)煒度坐標(biāo)，通過(guò)查詢地表覆蓋物分類圖可以確定地物 類別;依據(jù)地物類別查詢地物光譜信息數(shù)據(jù)庫(kù)可以得到地物的光譜反射率及光譜發(fā)射率廓 線。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣溶膠參數(shù)差異條件下對(duì)地觀測(cè)輻射圖像的快速仿真方 法，其特征在于:步驟7中所述的輻射矩陣插值方法仿真對(duì)地觀測(cè)輻射圖像具體步驟包括： 計(jì)算各像元的太陽(yáng)天頂角及觀測(cè)天頂角，利用步驟4中的等效地表高度及步驟5中得到的輻 射矩陣計(jì)算各像元的輻射。
【文檔編號(hào)】G01J5/00GK105953921SQ201610237078
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日
【發(fā)明人】何曉雨, 許小劍
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)