CN110907040B - 一种定量模拟卫星观测热辐射中邻近效应大小的方法 - Google Patents
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- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
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Abstract
本发明公开了一种定量模拟卫星观测热辐射中邻近效应大小的方法，步骤1：获取由邻近像元出发，在不同高度的传感器瞬时视场内发生一次散射后被该传感器接收到的辐射；步骤2：获取由邻近像元出发，被大气向下散射到目标像元，再被目标像元反射，进而被传感器接收到的辐射；步骤3：根据步骤1、步骤2中的结果，计算由邻近效应影响造成的辐射。本发明可以定量模拟不同成像条件下卫星观测热辐射的邻近效应，能够用来探讨邻近效应在何种情况下可被忽略，何种情况下必须被考虑，也能够用来研究邻近效应对现有地表温度反演算法的影响，为发展基于高空间分辨率热红外观测影像的新型地表温度反演算法提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于热红外定量遥感技术领域，尤其涉及一种定量模拟卫星观测热辐射中邻近效应大小的方法。
背景技术
经过数十年的发展，已有许多基于热红外遥感观测数据的地表温度反演算法被提出，它们大致可分为四类：单通道法、多通道法、多角度法和日/夜法。这些方法都是针对中低空间分辨率的卫星观测数据，通过对传统热红外辐射传输方程进行推导近似得来，但这些方法都没有考虑邻近像元效应的影响。随着传感器技术的发展，热红外观测影像的空间分辨率在不断提高，高空间分辨率热红外影像中包含的地表信息更加丰富、细腻。随之而来的是目标像元与邻近像元之间的辐射差异越来越明显，影像的空间异质性越来越大，这就造成高空间分辨率热红外影像中邻近效应的影响越来越显著。
在一些大气条件下，邻近效应将会对热红外卫星观测数据产生显著影响，要想进一步提高地表温度的反演精度，邻近效应对卫星观测数据的影响必须被考虑进地表温度反演算法中。要发展这样的反演算法，首先需要一种定量模拟卫星观测热辐射中邻近效应大小的方法作为理论支撑。然而，目前很少有学者定量研究热红外辐射传输过程中的邻近效应影响问题，也还没有专门定量研究热红外卫星观测数据中邻近效应大小的方法。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种定量模拟卫星观测热辐射中邻近效应大小的方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种定量模拟卫星观测热辐射中邻近效应大小的方法，包含以下步骤：
步骤1：获取由邻近像元出发，在不同高度的传感器瞬时视场内发生一次散射后被该传感器接收到的辐射L1，具体步骤如下：
步骤101：利用Beer-Lambert定律，
计算由邻近像元Ai，j发出的热辐射到达位于h高度处的传感器瞬时视场(instantaneous field-of-view,IFOV)后，在IFOV内通过大气
时被散射出的热辐射
其中，Ri,j为邻近像元Ai，j发出的热辐射，由邻近像元Ai，j的发射率εi,j与温度Ti,j共同决定，Ch为传感器IFOV内发生散射的位置，
为Ai，j到Ch路径的大气光学厚度，
为高度h处大气的气溶胶散射光学厚度；
步骤102：利用气溶胶散射相函数计算给定热辐射在Ch处发生散射后，传感器观测方向上散射辐射所占的比例ψ1，公式2：
其中，P为气溶胶散射相函数，是描述光在发生散射之后在各个散射方向上能量分布的函数，λ为波长，T为目标像元位置，θ为向量
与向量
之间的夹角，
为邻近像元Ai，j向散射位置Ch所张开的立体角；
步骤103：再次利用Beer-Lambert定律，
计算由邻近像元Ai，j发出的热辐射Ri,j，到达Ch处后被散射到传感器方向并被传感器接收的热辐射
其中，O为传感器位置，
为Ch到O路径的大气光学厚度；
步骤104：在大气垂直方向上与所有邻近像元上都进行积分，计算所有的从邻近像元出发，在不同高度的传感器IFOV内发生一次散射后被传感器接收到的辐射L1，公式3：
其中，i、j代表不同的邻近像元，
为大气层底大气的气溶胶散射光学厚度；
步骤2：获取由邻近像元出发，被大气向下散射到目标像元，再被目标像元反射，进而被传感器接收到的辐射L2，具体步骤如下：
步骤201：利用步骤1中的公式1–公式4的有关计算结果，获取给定大气模式下的大气点扩散函数gi,j，公式5：
其中，
公式中的符号含义与公式1–公式4相同，
代表在计算邻近像元Ai，j造成的邻近效应影响时用到的权重系数，gi,j是对
的归一化处理，代表每个邻近像元的贡献在总邻近效应影响中所占的归一化权重；
步骤202：利用大气点扩散函数gi,j，计算地面背景场的等效发射率εbck与等效亮温Tbck，公式7、公式8：
其中，εi,j与Ti,j分别为邻近像元Ai，j的地表发射率与地表温度；
步骤203：引入大气层底半球反照率S，计算由邻近像元出发，被大气向下散射到目标像元，再被目标像元反射，进而被传感器接收到的辐射L2，公式9：
其中，τ为大气直接透过率，ε为目标像元的地表发射率，B为普朗克函数；
步骤3：根据公式10计算由邻近效应影响造成的辐射Ladj，公式10：
Ladj＝L1+L2 (10)
所述的方法，步骤1中的气溶胶散射相函数P可以用Henyey-Greenstein函数近似表示，也可以从实测数据库中提取；实测数据库为F.X.Kneizys等1983年基于Mie散射理论所建的不同类型气溶胶在0.2-40μm波长范围内的散射相函数库。
本发明具有以下有益效果：本发明的有关方法相比现有技术的有关算法，更加容易进行实施应用，利用本发明可以定量模拟不同成像条件下卫星观测热辐射的邻近效应大小，可以据此研究邻近效应对现有地表温度反演算法的影响，为发展基于高空间分辨率热红外观测影像的新型地表温度反演算法提供技术支撑。
附图说明
图1为L1辐射传输示意图。
图2为L2辐射传输示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种定量模拟卫星观测热辐射中邻近效应大小的方法，包含以下步骤：
步骤1：获取由邻近像元出发，在不同高度的传感器瞬时视场内发生一次散射后被该传感器接收到的辐射L1。如图1：由于大气对通过其中的热辐射具有消光作用，因此由邻近像元Ai，j发出的热辐射在到达不同高度的传感器瞬时视场Ch后，在传感器瞬时视场内通过大气
时会被大气散射，部分能量会被散射至传感器观测方向并最终被传感器所接收，此部分辐射即为在不同高度的传感器瞬时视场内发生一次散射后被该传感器接收到的辐射L1。对于这部分辐射，首先根据Ai，j与Ch之间的大气光学厚度，计算由邻近像元Ai，j发出，经大气消光后到达Ch处的热辐射；然后根据Ch处传感器瞬时视场内大气的气溶胶散射光学厚度与气溶胶散射相函数，计算在Ch处传感器瞬时视场内发生一次散射后被散射至传感器观测方向上的辐射；接着根据Ch与传感器位置O之间的大气光学厚度，计算被散射至传感器观测方向上的辐射中，经大气消光后到达传感器并被接收的辐射；最后在大气垂直方向上与所有邻近像元上都进行积分，计算所有的从邻近像元出发，在传感器瞬时视场内发生一次散射后被传感器接收到的辐射。具体步骤如下：
步骤101：利用Beer-Lambert定律，
计算由邻近像元Ai，j发出的热辐射到达位于h高度处的传感器瞬时视场(instantaneous field-of-view,IFOV)后，在IFOV内通过大气
时被散射出的热辐射
其中，Ri,j为邻近像元Ai，j发出的热辐射，由邻近像元Ai，j的发射率εi,j与温度Ti,j共同决定，Ch为传感器IFOV内发生散射的位置，
为Ai，j到Ch路径的大气光学厚度，
为高度h处大气的气溶胶散射光学厚度；
步骤102：利用气溶胶散射相函数计算给定热辐射在Ch处发生散射后，传感器观测方向上散射辐射所占的比例ψ1，公式2：
其中，P为气溶胶散射相函数，是描述光在发生散射之后在各个散射方向上能量分布的函数，λ为波长，T为目标像元位置，θ为向量
与向量
之间的夹角，
为邻近像元Ai，j向散射位置Ch所张开的立体角；
步骤103：再次利用Beer-Lambert定律，
计算由邻近像元Ai，j发出的热辐射Ri,j，到达Ch处后被散射到传感器方向并被传感器接收的热辐射
其中，O为传感器位置，
为Ch到O路径的大气光学厚度；
步骤104：在大气垂直方向上与所有邻近像元上都进行积分，计算所有的从邻近像元出发，在传感器IFOV内发生一次散射后被传感器接收到的辐射L1，公式4：
其中，i、j代表不同的邻近像元，
为大气层底大气的气溶胶散射光学厚度；
假设有一场景，其中目标像元与背景像元的发射率都为0.98，目标像元的温度为290K，能见度10千米(描述气溶胶浓度参数)，美国1976年标准大气模式(描述大气温度廓线、湿度廓线等参数)，705千米轨道高度的卫星平台，30米空间分辨的传感器和10微米成像波长，按照步骤101—步骤104，如果背景像元温度从260K增加至320K，传感器观测到的L1将从0.0843瓦/(米2*立体角*微米)增加至0.2291瓦/(米2*立体角*微米)。
步骤2：获取由邻近像元出发，被大气向下散射到目标像元，再被目标像元反射，进而被传感器接收到的辐射L2。如图2：由于在大气层底，整层大气具有一定的半球反照率S，因此由邻近像元Ai，j发出的热辐射在向上传输过程中，有部分辐射被大气反射回地面，被反射回地面的这部分辐射再次被目标像元反射，经大气消光后最终会到达传感器并被传感器所接收，此部分辐射即为由邻近像元出发，被大气向下散射到目标像元，再被目标像元反射，进而被传感器接收到的辐射。对于这部分辐射，首先获取给定大气模式下的大气点扩散函数gi,j；然后利用大气点扩散函数gi,j，计算地面背景场的等效发射率εbck与等效亮温Tbck；接着利用大气层底半球反照率S，计算由邻近像元出发，被大气向下散射到目标像元，再被目标像元反射，进而被传感器接收到的辐射。
具体步骤如下：
步骤201：利用步骤1中的公式1–公式4的有关计算结果，获取给定大气模式下的大气点扩散函数gi,j，公式5：
其中，
公式中的符号含义与公式1–公式4相同，
代表在计算邻近像元Ai，j造成的邻近效应影响时用到的权重系数，gi,j是对
的归一化处理，代表每个邻近像元的贡献在总邻近效应影响中所占的归一化权重；
步骤202：利用大气点扩散函数gi,j，计算地面背景场的等效发射率εbck与等效亮温Tbck，公式7、公式8：
其中，εi,j与Ti,j分别为邻近像元Ai，j的地表发射率与地表温度；
步骤203：引入大气层底半球反照率S，计算由邻近像元出发，被大气向下散射到目标像元，再被目标像元反射，进而被传感器接收到的辐射L2，公式9：
其中，τ为大气直接透过率，ε为目标像元的地表发射率，B为普朗克函数；
假设有一场景，其中目标像元与背景场的发射率都为0.98，目标像元的温度为290K，能见度10千米(描述气溶胶浓度参数)，美国1976年标准大气模式(描述大气温度廓线、湿度廓线等参数)，705千米轨道高度的卫星平台，30米空间分辨的传感器和10微米成像波长，按照步骤201—步骤203，如果背景像元温度从260K增加至320K，传感器观测到的L2将从0.0006瓦/(米2*立体角*微米)增加至0.0017瓦/(米2*立体角*微米)。
步骤3：根据公式10计算由邻近效应影响造成的辐射Ladj，公式10：
Ladj＝L1+L2 (10)
步骤1中的气溶胶散射相函数P可以用Henyey-Greenstein函数近似表示，也可以从实测数据库中提取；实测数据库为F.X.Kneizys等1983年基于Mie散射理论所建的不同类型气溶胶在0.2-40μm波长范围内的散射相函数库。
假设有一场景，其中目标像元与背景场的发射率都为0.98，目标像元的温度为290K，能见度10千米(描述气溶胶浓度参数)，美国1976年标准大气模式(描述大气温度廓线、湿度廓线等参数)，705千米轨道高度的卫星平台，30米空间分辨的传感器和10微米成像波长，按照步骤3，如果背景像元温度从260K增加至320K，传感器观测到的Ladj将从0.0849瓦/(米2*立体角*微米)增加至0.2308瓦/(米2*立体角*微米)。
本发明具有以下有益效果：可以定量模拟不同成像条件(如不同的气溶胶浓度、大气温度廓线、大气湿度廓线、传感器高度、传感器成像空间分辨率等)下，考虑邻近效应的卫星观测热辐射。因此该模型能够用来研究邻近效应影响随成像条件的变化，探讨邻近效应在何种情况下可被忽略，何种情况下必须被考虑；另外，该方法也能够用来研究邻近效应对现有地表温度反演算法的影响，为发展基于高空间分辨率热红外观测影像的新型地表温度反演算法提供技术支撑。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种定量模拟卫星观测热辐射中邻近效应大小的方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：获取由邻近像元出发，在不同高度的传感器瞬时视场内发生一次散射后被该传感器接收到的辐射L1，具体步骤如下：
步骤101：利用Beer-Lambert定律，
计算由邻近像元Ai，j发出的热辐射到达位于h高度处的传感器瞬时视场(instantaneous field-of-view,IFOV)后，在IFOV内通过大气
时被散射出的热辐射
其中，Ri,j为邻近像元Ai，j发出的热辐射，由邻近像元Ai，j的发射率εi,j与温度Ti,j共同决定，Ch为传感器IFOV内发生散射的位置，
为Ai，j到Ch路径的大气光学厚度，
为高度h处大气的气溶胶散射光学厚度；
步骤102：利用气溶胶散射相函数计算给定热辐射在Ch处发生散射后，传感器观测方向上散射辐射所占的比例ψ1，公式2：
其中，P为气溶胶散射相函数，是描述光在发生散射之后在各个散射方向上能量分布的函数，λ为波长，T为目标像元位置，θ为向量
与向量
之间的夹角，
为邻近像元Ai，j向散射位置Ch所张开的立体角；
步骤103：再次利用Beer-Lambert定律，
计算由邻近像元Ai，j发出的热辐射Ri,j，到达Ch处后被散射到传感器方向并被传感器接收的热辐射
其中，O为传感器位置，
为Ch到O路径的大气光学厚度；
步骤104：在大气垂直方向上与所有邻近像元上都进行积分，计算所有的从邻近像元出发，在不同高度的传感器IFOV内发生一次散射后被传感器接收到的辐射L1，公式4：
其中，i、j代表不同的邻近像元，
为大气层底大气的气溶胶散射光学厚度；
步骤2：获取由邻近像元出发，被大气向下散射到目标像元，再被目标像元反射，进而被传感器接收到的辐射L2，具体步骤如下：
步骤201：利用步骤1中的公式1–公式4的有关计算结果，获取给定大气模式下的大气点扩散函数gi,j，公式5：
其中，
公式中的符号含义与公式1–公式4相同，
代表在计算邻近像元Ai，j造成的邻近效应影响时用到的权重系数，gi,j是对
的归一化处理，代表每个邻近像元的贡献在总邻近效应影响中所占的归一化权重；
步骤202：利用大气点扩散函数gi,j，计算地面背景场的等效发射率εbck与等效亮温Tbck，公式7、公式8：
其中，εi,j与Ti,j分别为邻近像元Ai，j的地表发射率与地表温度；
步骤203：引入大气层底半球反照率S，计算由邻近像元出发，被大气向下散射到目标像元，再被目标像元反射，进而被传感器接收到的辐射L2，公式9：
其中，τ为大气直接透过率，ε为目标像元的地表发射率，B为普朗克函数；
步骤3：根据步骤1、步骤2中的结果，计算由邻近效应影响造成的辐射；根据公式10计算由邻近效应影响造成的辐射Ladj，公式10：
Ladj＝L1+L2 (10)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中的气溶胶散射相函数P用Henyey-Greenstein函数近似表示。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中的气溶胶散射相函数P从实测数据库中提取，实测数据库为F.X.Kneizys等1983年基于Mie散射理论所建的不同类型气溶胶在0.2-40μm波长范围内的散射相函数库。
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