CN107687900A - 一种适用于机载热红外成像光谱仪大气校正系统和方法 - Google Patents

一种适用于机载热红外成像光谱仪大气校正系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种适用于机载热红外成像光谱仪大气校正系统和方法。首先利用该系统与机载成像光谱仪同步测量飞机高度上的大气下行热红外辐射。其次利用MODITRAN生成不同大气状况下大气下行热红外辐射、大气程辐射和大气透过率，建立参考数据库。再次从参考数据库中搜索与该系统测量结果最匹配的大气下行热红外辐射光谱，查找对应的大气程辐射、地表大气下行热红外辐射和大气透过率。最后以时间为基准，根据辐射传输方程，从辐射定标后的成像光谱仪获取的热红外高光谱数据中，逐像元计算离地辐射光谱，实现热红外成像光谱仪的大气校正。本发明的大气校正系统和方法可获取实时大气下行热红外辐射信息，可大幅度提高机载热红外高光谱数据大气校正精度。

Description

一种适用于机载热红外成像光谱仪大气校正系统和方法
技术领域
本发明涉及对地观测技术领域，特别是涉及一种适用于机载热红外成像光谱仪大气校正系统和方法。
背景技术
热辐射是自然界中存在的最广泛的辐射，它能使研究人员在无光的夜晚，清晰地观测地表状况。利用热辐射这一特点，热红外遥感具有了全天时的对地观测能力。高光谱遥感具有纳米级高光谱分辨率和“图谱合一”的特点。在对地物成像的同时，高光谱图像中每个像元均获得了几十甚至几百个纳米级连续光谱信息，使得图像同时具有空间、辐射和波谱信息。综合了热红外波段的探测能力和高光谱遥感的优势，通过热红外成像光谱仪所获取的热红外高光谱遥感数据可以检测大气污染气体，识别矿物，探测汽车尾气等。同时，可以以较高精度反演地表温度。目前热红外高光谱遥感已经广泛应用到城市热岛效应、森林火灾监测、旱灾监测、矿物探测、地热探测、岩溶区探水等领域。
机载平台是一种重要的遥感平台，它具有机动灵活、不受云遮挡、空间分辨率高等特点，被广泛应用于各个遥感领域，尤其是近些年兴起的无人机遥感技术。机载热红外成像光谱仪在获取数据过程中不可避免地受到大气影响，所获热红外高光谱遥感数据包含有大气辐射信息。因此，在热红外高光谱数据得到进一步应用之前，必须对热红外高光谱遥感数据进行大气校正。高精度的大气校正将有利于提高热红外高光谱数据后续应用效果。
目前，可用于机载热红外高光谱数据大气校正方法主要有两类。第一类方法是利用反演或者实测的大气廓线，辅以成熟的大气辐射传输模型来实现。然而，目前大气廓线探测无法实现像元级的大气校正。第二类方法是从机载热红外高光谱数据空间和光谱信息出发，直接由机载成像光谱仪观测数据计算出大气透过率、大气上下行辐射等大气参数，如常用的ISAC(In-scene Atmospheric Compensation)方法和AAC(Autonomous AtmosphericCompensation)方法。ISAC要求地表存在黑体且黑体温度差异较大，实际上这一点并不容易满足，尤其是在干旱和半干旱地区。AAC方法会存在一值多解的情况。另外，对于有云天气情况下，由于无法准确估计云量、云层厚度等，这些方法基本是无效的。因此，亟需针对机载热红外成像光谱仪的特点，开发适用于机载热红外成像光谱仪大气校正系统和方法，实现较高精度的机载热红外成像光谱仪大气校正。
发明内容
针对现有的技术空白和缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种更高精度的适用于机载热红外成像光谱仪大气校正系统和方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的一种适用于机载热红外成像光谱仪大气校正系统和方法，其特点是：
1、一种适用于机载热红外成像光谱仪大气校正系统，它包括支架1、稳定平台2、镀金漫反射板3、光纤固定架4、镀金板温度探头5、数据线6、温度计主机7、光纤8和高精度热红外光谱仪9，其特征在于：
稳定平台2固定在支架1上，镀金漫反射板3、光纤固定架4固定在稳定平台2上，镀金板温度探头5固定在镀金漫反射板3上，光纤8固定在光纤固定架4上；
光纤8与高精度热红外光谱仪9相连接，光纤8将镀金漫反射板3反射的大气下行热红外辐射导入高精度热红外光谱仪9。镀金板温度探头5通过数据线6与温度计主机7连接，用于测量镀金漫反射板3的温度；
支架1、稳定平台2、镀金漫反射板3、光纤固定架4、镀金板温度探头5、数据线6和光纤8组成信号收集子系统。安装固定在飞机舱外的蒙皮上；
温度计主机7和高精度热红外光谱仪9组成信号存储子系统，安置于飞机舱内；
镀金漫反射板3将大气下行热红外辐射反射进入光纤8，光纤8将大气下行热红外辐射导入高精度热红外光谱仪9。高精度热红外光谱仪9以时间为基准记录并存储大气下行热红外辐射数据；
镀金板温度探头5通过热传导与镀金漫反射板3达到局部热平衡，将温度信号通过数据线6导入温度计主机7。温度计主机7以时间为基准记录并存储温度数据。
2、一种基于特点1所述机载热红外成像光谱仪大气校正系统的机载热红外成像光谱仪大气校正的方法，其特征在于包括以下步骤：
2.1参考数据库建立。对MODITRAN软件大气输入参数(大气水汽含量、大气模式、气溶胶模式、云量、地面气温、能见度、飞机(或传感器)高程、地表高程)进行设置，以尽可能高的分辨率遍历所有可能取值，生成不同状况下的飞机高程大气下行热红外辐射光谱、地表下行辐射光谱、大气程辐射光谱和大气透过率光谱，建立参考数据库；
2.2数据测量。将特点1所述系统安装到飞机上，利用该系统与机载成像光谱仪同步测量飞机高程大气下行热红外辐射光谱、镀金漫反射板温度；
2.3光谱匹配与大气校正。具体步骤如下：
2.3.1根据镀金漫反射板温度，从高精度热红外光谱仪测量的飞机高程大气下行热红外辐射光谱中扣除镀金漫反射板自身热红外辐射部分。计算方法为：
其中：L↓(λ)校正后飞机高程大气下行热红外辐射；Lpanel为高精度热红外光谱仪测量得到的飞机高程大气下行热红外辐射；εpanel为镀金漫反射板的发射率，为0.06；B(Tpanel)为漫反射板所对应的黑体辐射亮度，由普朗克定律计算得到；Tpanel为镀金漫反射板温度。
将测量的大气下行热红外辐射与参考数据库中的大气下行热红外辐射进行比较，搜索到最匹配飞机高程大气下行热红外辐射光谱，查出对应的地表大气下行热红外辐射、大气程辐射和大气透过率光谱曲线。
2.3.2从参考数据库中查询出与成像光谱仪成像时大气模式、气溶胶模式、飞机高程、地面高程对应的一组飞机高程大气下行热红外辐射、地表大气下行热红外辐射、大气程辐射和大气透过率光谱曲线数据。
2.3.3将2.3.2得到的光谱曲线数据集中的飞机高程大气下行热红外辐射与校正后飞机高程大气下行热红外辐射光谱进行对比，找出与校正后飞机高程大气下行热红外辐射光谱马氏距离最小的一条，并查询出对应的大气程辐射和大气透过率光谱曲线。从而得到最优大气下行热红外辐射、大气程辐射和大气透过率光谱曲线校正参数。
2.3.4以时间为基准，根据热红外高光谱辐射传输方程，从经过辐射定标后的成像光谱仪所获热红外高光谱遥感数据中，计算得到每个像元的离地辐射光谱，实现热红外成像光谱仪大气校正。计算方法为
其中，L(λ)为机载热红外成像光谱仪所获热红外高光谱遥感数据中任一像元的辐射；Lg(λ)是对应像元的离地辐射；L↑(λ)和τ(λ)分别为2.3.3所获得的大气程辐射和大气透过率光谱。以时间为基准，按上述公式遍历机载热红外成像光谱仪所获热红外高光谱遥感数据中所有像元，得到每个像元的离地辐射光谱及其对应的地表大气下行热红外辐射光谱，完成大气校正。
本发明的有益效果如下：可以获取像元级的实时大气辐射信息，提高解的确定性，大幅度提高机载热红外成像光谱仪大气校正精度。
附图说明
图1是机载热红外成像光谱仪大气校正系统。
图1中，1支架，2稳定平台，3镀金漫反射板，4光纤固定架，5镀金版温度探头，6数据线，7温度计主机，8光纤，9高精度热红外光谱仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述，但本实施例并不限于本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
1、如图1所示，首先搭建机载热红外成像光谱仪大气校正系统，它包括支架1、稳定平台2、镀金漫反射板3、光纤固定架4、镀金板温度探头5、数据线6、温度计主机7、光纤8和高精度热红外光谱仪9，其特征在于：
稳定平台2固定在支架1上，镀金漫反射板3、光纤固定架4固定在稳定平台2上，镀金板温度探头5固定在镀金漫反射板3上，光纤8固定在光纤固定架4上；
光纤8与高精度热红外光谱仪9相连接，光纤8将镀金漫反射板3反射的大气下行热红外辐射导入高精度热红外光谱仪9。镀金板温度探头5通过数据线6与温度计主机7连接，用于测量镀金漫反射板3的温度；
支架1、稳定平台2、镀金漫反射板3、光纤固定架4、镀金板温度探头5、数据线6和光纤8组成信号收集子系统。安装固定在飞机舱外的蒙皮上；
温度计主机7和高精度热红外光谱仪9组成信号存储子系统，安置于飞机舱内；
镀金漫反射板3将大气下行热红外辐射反射进入光纤8，光纤8将大气下行热红外辐射导入高精度热红外光谱仪9。高精度热红外光谱仪9以时间为基准记录并存储大气下行热红外辐射数据；
镀金板温度探头5通过热传导与镀金漫反射板3达到局部热平衡，将温度信号通过数据线6导入温度计主机7。温度计主机7以时间为基准记录并存储温度数据。
2、根据搭建的机载热红外成像光谱仪大气校正系统进行数据采集和大气校正，主要步骤如下：
2.1参考数据库建立。对MODITRAN软件大气输入参数(大气水汽含量、大气模式、气溶胶模式、云量、地面气温、能见度、飞机(或传感器)高程、地表高程)进行设置，以尽可能高的分辨率遍历所有可能取值，生成不同状况下的飞机高程大气下行热红外辐射光谱、地表下行辐射光谱、大气程辐射光谱和大气透过率光谱，建立参考数据库；
2.2数据测量。将系统安装到飞机上，利用该系统与机载成像光谱仪同步测量飞机高程大气下行热红外辐射光谱、镀金漫反射板温度；
2.3光谱匹配与大气校正。具体步骤如下：
2.3.1根据镀金漫反射板温度，从高精度热红外光谱仪测量的飞机高程大气下行热红外辐射光谱中扣除镀金漫反射板自身热红外辐射部分。计算方法为：
其中：L↓(λ)校正后飞机高程大气下行热红外辐射；Lpanel为高精度热红外光谱仪测量得到的飞机高程大气下行热红外辐射；εpanel为镀金漫反射板的发射率，为0.06；B(Tpanel)为漫反射板所对应的黑体辐射亮度，由普朗克定律计算得到；Tpanel为镀金漫反射板温度。
将测量的大气下行热红外辐射与参考数据库中的大气下行热红外辐射进行比较，搜索到最匹配飞机高程大气下行热红外辐射光谱，查出对应的地表大气下行热红外辐射、大气程辐射和大气透过率光谱曲线。
2.3.2从参考数据库中查询出与成像光谱仪成像时大气模式、气溶胶模式、飞机高程、地面高程对应的一组飞机高程大气下行热红外辐射、地表大气下行热红外辐射、大气程辐射和大气透过率光谱曲线数据。
2.3.3将2.3.2得到的光谱曲线数据集中的飞机高程大气下行热红外辐射与校正后飞机高程大气下行热红外辐射光谱进行对比，找出与校正后飞机高程大气下行热红外辐射光谱马氏距离最小的一条，并查询出对应的大气程辐射和大气透过率光谱曲线。从而得到最优大气下行热红外辐射、大气程辐射和大气透过率光谱曲线校正参数。
2.3.4以时间为基准，根据热红外高光谱辐射传输方程，从经过辐射定标后的成像光谱仪所获热红外高光谱遥感数据中，计算得到每个像元的离地辐射光谱，实现热红外成像光谱仪大气校正。计算方法为
其中，L(λ)为机载热红外成像光谱仪所获热红外高光谱遥感数据中任一像元的辐射；Lg(λ)是对应像元的离地辐射；L↑(λ)和τ(λ)分别为2.3.3所获得的大气程辐射和大气透过率光谱。以时间为基准，按上述公式遍历机载热红外成像光谱仪所获热红外高光谱遥感数据中所有像元，得到每个像元的离地辐射光谱及其对应的地表大气下行热红外辐射光谱，完成大气校正。本发明提出的系统和方法可以获取像元级的大气辐射信息，提高解的确定性，大幅度提高机载热红外成像光谱仪大气校正精度。

Claims (2)

1.一种适用于机载热红外成像光谱仪大气校正系统，包括支架(1)、稳定平台(2)、镀金漫反射板(3)、光纤固定架(4)、镀金板温度探头(5)、数据线(6)、温度计主机(7)、光纤(8)和高精度热红外光谱仪(9)，其特征在于：
所述的稳定平台(2)固定在支架(1)上，镀金漫反射板(3)、光纤固定架(4)固定在稳定平台(2)上，镀金板温度探头(5)固定在镀金漫反射板(3)上，光纤(8)固定在光纤固定架(4)上；
所述的光纤(8)与高精度热红外光谱仪(9)相连接，光纤(8)将镀金漫反射板(3)反射的大气下行热红外辐射导入高精度热红外光谱仪(9)。镀金板温度探头(5)通过数据线(6)与温度计主机(7)连接，用于测量镀金漫反射板(3)的温度；
所述的支架(1)、稳定平台(2)、镀金漫反射板(3)、光纤固定架(4)、镀金板温度探头(5)、数据线(6)和光纤(8)组成信号收集子系统，安装固定在飞机舱外的蒙皮上；
所述的温度计主机(7)和高精度热红外光谱仪(9)组成信号存储子系统，安置于飞机舱内；
所述的镀金漫反射板(3)将大气下行热红外辐射反射进入光纤(8)，光纤(8)将大气下行热红外辐射导入高精度热红外光谱仪(9)。高精度热红外光谱仪(9)以时间为基准记录并存储大气下行热红外辐射数据；所述的镀金板温度探头(5)通过热传导与镀金漫反射板(3)达到局部热平衡，将温度信号通过数据线(6)导入温度计主机(7)，温度计主机(7)以时间为基准记录并存储温度数据。
2.一种基于权利要求1所述机载热红外成像光谱仪大气校正系统的机载热红外成像光谱仪大气校正的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)参考数据库建立
对MODITRAN软件大气输入参数：大气水汽含量、大气模式、气溶胶模式、云量、地面气温、能见度、飞机或传感器的高程、地表高程进行设置，以尽可能高的分辨率遍历所有可能取值，生成不同状况下的飞机高程大气下行热红外辐射光谱、地表下行辐射光谱、大气程辐射光谱和大气透过率光谱，建立参考数据库；
2)数据测量
将所述的大气校正系统安装到飞机上，利用该系统与机载成像光谱仪同步测量飞机高程大气下行热红外辐射光谱、镀金漫反射板温度；
3)光谱匹配与大气校正
具体步骤如下：
3-1)根据镀金漫反射板温度，从高精度热红外光谱仪测量的飞机高程大气下行热红外辐射光谱中扣除镀金漫反射板自身热红外辐射部分，计算方法为：
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其中：L↓(λ)校正后飞机高程大气下行热红外辐射；Lpanel为高精度热红外光谱仪测量得到的飞机高程大气下行热红外辐射；εpanel为镀金漫反射板的发射率，为0.06；B(Tpanel)为漫反射板所对应的黑体辐射亮度，由普朗克定律计算得到；Tpanel为镀金漫反射板温度；
将测量的大气下行热红外辐射与参考数据库中的大气下行热红外辐射进行比较，搜索到最匹配飞机高程大气下行热红外辐射光谱，查出对应的地表大气下行热红外辐射、大气程辐射和大气透过率光谱曲线；
3-2)从参考数据库中查询出与成像光谱仪成像时大气模式、气溶胶模式、飞机高程、地面高程对应的一组飞机高程大气下行热红外辐射、地表大气下行热红外辐射、大气程辐射和大气透过率光谱曲线数据；
3-3)将步骤3-2)得到的光谱曲线数据集中的飞机高程大气下行热红外辐射与校正后飞机高程大气下行热红外辐射光谱进行对比，找出与校正后飞机高程大气下行热红外辐射光谱马氏距离最小的一条，并查询出对应的大气程辐射和大气透过率光谱曲线。从而得到最优大气下行热红外辐射、大气程辐射和大气透过率光谱曲线校正参数；
3-4)以时间为基准，根据热红外高光谱辐射传输方程，从经过辐射定标后的成像光谱仪所获热红外高光谱遥感数据中，计算得到每个像元的离地辐射光谱，实现热红外成像光谱仪大气校正，计算方法为：
<mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>g</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>L</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>L</mi> <mo>&amp;UpArrow;</mo> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，L(λ)为机载热红外成像光谱仪所获热红外高光谱遥感数据中任一像元的辐射；Lg(λ)是对应像元的离地辐射；L↑(λ)和τ(λ)分别为步骤3-3)所获得的大气程辐射和大气透过率光谱；以时间为基准，按上述公式遍历机载热红外成像光谱仪所获热红外高光谱遥感数据中所有像元，得到每个像元的离地辐射光谱及其对应的地表大气下行热红外辐射光谱，完成大气校正。
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