CN116086615A - 一种对地观测热红外辐射场景快速生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对地观测热红外辐射场景快速生成方法,涉及探测领域,通过考虑大气自身热辐射、大气热辐射在地表的反射以及地表自身热辐射过程,建立地表与大气热红外辐射解耦的辐射场景计算模型,结合卫星遥感、数值预报等渠道获取的地表和大气基础环境参数,实现对地观测热红外辐射亮度图像的快速生成;本发明具有可为热红外成像遥感载荷的硬件设计、地物遥感反演算法设计、目标检测识别算法设计等提供热红外场景辐射数据的优点。
Description
技术领域
本发明涉及探测技术领域,尤其涉及一种对地观测热红外辐射场景快速生成方法。
背景技术
热红外遥感探测技术在地球资源勘查、火灾监测、跨昼夜侦察、战场环境感知等方面具有越来越广泛的应用。无论是在大气层内空基平台搭载的热红外探测器,还是大气层外天基平台搭载的热红外探测器,对地感知的红外场景都受到气象条件、感知时段等因素的显著影响。获取各种气象和地物状态下的热红外场景辐射图像,对于传感器光学设计、地物反演算法设计、目标检测识别算法设计等都具有重要价值。
目前,利用大气辐射传输软件,比如LOWTRAN(LOW resolution TRANsmission)、MODTRAN(MODerate resolution TRANsmission)等实施的热红外辐射计算都是单像元的;如果采用现有辐射传输软件逐像元计算成像场景,由于热红外谱段分子吸收算法的耗时性,生成场景图像将会消耗巨大的计算资源或速度极慢,难以满足大量红外场景快速获取的需求。另一方面,根据辐射传输原理,构建适用于任意光学谱段辐射场景通用仿真模型,需要同时考虑太阳辐射在地球大气系统中的传输过程和地球大气自身热辐射在其中的传输过程,建立各向异性反射的异质性地表引起的地表-大气辐射耦合作用的解耦方法,以实现精确、解耦的辐射场景计算。然而,这对地表和大气物性参数输入条件提出了很高的要求,需要指定分辨率的地表方向性反射率图像、地表温度图像、大气温度廓线、大气吸收性气体浓度廓线、气溶胶消光廓线等多种参量,导致通用仿真模型目前只能用于典型条件下的场景模拟,很难获取整套的真实地表-大气物性参数用于实际场景仿真。
因此,针对以上不足,需要提供一种对地观测热红外辐射场景快速生成方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决现今很难获取整套的真实地表-大气物性参数用于实际场景仿真的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种对地观测热红外辐射场景快速生成方法,包括以下步骤:
I.通过天基或空基探测器获取地表温度和地表发射率反演产品,得到待测地表数据;
II.通过遥感图像处理平台获取待测场景经纬度以及像元空间分辨率裁剪并重采样;
III.使用成像光谱仪的大气温度和大气湿度的反演产品获得该区域同步的大气廓线数据;
IV.设定探测参数,对大气直接热辐射、大气热辐射在地表的反射辐射以及地表直接热辐射进行建模;在大气状态参数、地表温度与发射率图像、场景区域定义和探测器参数定义下,实现对地观测红外辐射场景的快速生成。
作为对本发明的进一步说明,优选地,大气直接热辐射的建模式为:
La=Ltoa(θv)
其中La表示探测像元辐射亮度;
Ltoa表示直接传达传感器入瞳处的大气上行热辐射亮度;
θv表示为观测天顶角。
作为对本发明的进一步说明,优选地,大气热辐射在地表的反射辐射的建模式为:
其中Lf表示探测像元辐射亮度;
Eboa表示出射大气底部的下行热辐射通量密度;
A(x,y,θv)表示探测像元(x,y)处地物在观测方向θv上的反照率;
T(θv)表示观测方向θv上的大气直射透射率。
作为对本发明的进一步说明,优选地,地表直接热辐射的建模式为:
Lg=ε(x,y,θv)·LB(x,y)·T(θv)
Lg表示探测像元辐射亮度;
ε(x,y,θv)表示探测像元(x,y)处地物在观测方向θv上的发射率;
LB(x,y)表示黑体辐射的普朗克函数。
作为对本发明的进一步说明,优选地,黑体辐射的普朗克函数LB(x,y)的表达式为:
其中LB(x,y)
h为普朗克常数;
c为真空中的光速;
λ为波长;
k为玻尔兹曼常数;
Ts(x,y)为(x,y)处地物的温度。
作为对本发明的进一步说明,优选地,根据对三种建模式进行组合,得到对于探测像元(x,y)处,辐射亮度L(x,y)为:
Ltoa、Eboa和T只与大气状态有关,A、ε和LB只与地表状态有关;由此得到地表与大气辐射解耦的建模。
作为对本发明的进一步说明,优选地,设地表为理想均质条件下,利用一维辐射传输软件,计算大气直接热辐射、大气热辐射在地表的反射辐射以及地表直接热辐射三个大气参量,推导得到:
T(θv)=T
Ltoa(θv)=LPT
其中T为一维辐射传输软件计算出的大气传输路径的透过率;
LPT为一维辐射传输软件计算出的大气路径热辐射;
LGR为一维辐射传输软件计算出的地表反射热辐射。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点:
本发明针对热红外辐射在地球大气中传输的特点,提出对严格辐射传输的简化建模,通过考虑大气自身热辐射、大气热辐射在地表的反射以及地表自身热辐射过程,建立地表与大气热红外辐射解耦的辐射场景计算模型,结合卫星遥感、数值预报等渠道获取的地表和大气基础环境参数,实现对地观测热红外辐射亮度图像的快速生成。该方法可为热红外成像遥感载荷的硬件设计、地物遥感反演算法设计、目标检测识别算法设计等提供热红外场景辐射数据。
附图说明
图1是本发明的热红外辐射传输分解示意图;
图2是本发明的对地观测热红外辐射场景生成流程图;
图3是本发明的天基探测器对地观测辐射场景生成算例图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
对于热红外谱段辐射场景的建模,考虑两方面的简化:1)太阳辐射相比于地表/大气自身热辐射很小,对探测结果的影响可以忽略不计;2)无云的大气对辐射的散射作用可以忽略,大气组分的吸收作用决定了辐射的衰减,大气组分的发射作用决定了辐射的增强。基于此,热红外谱段的模型只需要考虑三种辐射传输过程,如图1所示,分别为:大气直接热辐射;大气热辐射在地表的反射辐射;地表直接热辐射。
对此,一种对地观测热红外辐射场景快速生成方法,结合图1、图2,包括以下步骤:
I.通过天基或空基探测器获取地表温度和地表发射率反演产品,得到待测地表数据;
II.通过遥感图像处理平台获取待测场景经纬度以及像元空间分辨率裁剪并重采样;
III.使用成像光谱仪的大气温度和大气湿度的反演产品获得该区域同步的大气廓线数据;
IV.设定探测参数,对大气直接热辐射、大气热辐射在地表的反射辐射以及地表直接热辐射进行建模;
其中1)大气直接热辐射为大气发射辐射不与地表相互作用而直接进入探测视场的部分,则大气直接热辐射的建模式可表达为:
La=Ltoa(θv)
其中La表示探测像元辐射亮度;
Ltoa表示直接传达传感器入瞳处的大气上行热辐射亮度;对于处在大气层外的天基探测器,Ltoa由沿探测视线的整层大气发射辐射决定,对于处在大气层内的空基探测器,Ltoa由地表和探测器之间沿探测视线的大气发射辐射决定;因此,它与大气温湿廓线分布以及观测天顶角θv有关;
θv表示为观测天顶角。
2)大气热辐射在地表的反射辐射为大气热辐射下行传输到大气底部,经地表反射后进入探测视场的部分。由于不考虑大气散射作用,只有目标地物反射的大气辐射可以进入探测视场,则大气热辐射在地表的反射辐射的建模式可表达为:
其中Lf表示探测像元辐射亮度;
Eboa表示出射大气底部的下行热辐射通量密度,它是下行各向辐射亮度的积分;
A(x,y,θv)表示探测像元(x,y)处地物在观测方向θv上的反照率;
T(θv)表示观测方向θv上的大气直射透射率。
3)地表直接热辐射为探测像元处地物发射热辐射直接进入探测视场的部分,则地表直接热辐射的建模式为:
Lg=ε(x,y,θv)·LB(x,y)·T(θv)
Lg表示探测像元辐射亮度;
ε(x,y,θv)表示探测像元(x,y)处地物在观测方向θv上的发射率;ε=1-A;尽管这里的地物发射率和反照率均考虑方向变化性,但由于在热红外谱段绝大多数地物的发射率接近于1,采用朗伯体假设对精度的影响十分有限;
LB(x,y)表示黑体辐射的普朗克函数,可以表达为:
其中LB(x,y)
h为普朗克常数;
c为真空中的光速;
λ为波长;
k为玻尔兹曼常数;
Ts(x,y)为(x,y)处地物的温度。
根据以上分解过程,到达探测器入瞳处的辐射亮度就是三个分解过程的总和。对于探测像元(x,y)处,辐射亮度L(x,y)为:
以上光谱下标均被省去。
考虑探测器的光谱响应特性,探测器实际感知的辐射亮度可以表达为:
通过以上建模,在计算探测器对地观测的辐射亮度表达式中,Ltoa、Eboa和T只与大气状态有关,A、ε和LB只与地表状态有关;由此得到地表与大气辐射解耦的建模。
在非极端条件下数百平方公里范围内的大气都可以看作是水平均匀的,因此,在这样的区域内的辐射场景就是地表发射率图像、地表温度图像与一次计算得到的Ltoa、Eboa和T三个大气参量利用以上建模表达式进行简单代数运算的结果。
由于这里的三个大气参量与地表性质无关,可以独立于真实地表求解。基于此,在假设地表为理想均质条件下,可以利用一维辐射传输软件,比如MODTRAN,计算这三个大气参量。在指定大气条件和观测几何条件下,假定地表反照率为1,可以推导得到:
T(θv)=T
Ltoa(θv)=LPT
其中T为一维辐射传输软件计算出的大气传输路径的透过率;
LPT为一维辐射传输软件计算出的大气路径热辐射;
LGR为一维辐射传输软件计算出的地表反射热辐射。
据此,在大气状态参数、地表温度与发射率图像、场景区域定义和探测器参数定义下,实现对地观测红外辐射场景的快速生成。
以一次天基探测多角度热红外辐射场景生成为例进行验证。具体步骤如下:
1、设定我国西北黑河生态流域地区作为辐射场景生成区域,使用ASTER(AdvancedSpaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer、先进的星载热发射和反射辐射计)的地表温度和地表发射率反演产品提供该区域地表数据。利用ENVI将原始的卫星遥感图像按想定的探测场景经纬度以及像元空间分辨率裁剪并重采样。
2、使用MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectrometer、中分辨率成像光谱仪)的大气温度和大气湿度反演产品提供该区域同步的大气廓线数据。
3、设定探测器谱段范围:10.15~11.05μm;假定探测器均匀响应,在谱段范围内光谱响应系数为1;观测高度在大气层外;观测天顶角分别为0°、15°、30°、45°、60°。
4、基于以上地表、大气和探测器参数,使用本发明的模型就可以生成所设定的五个观测天顶角对应的辐射亮度图像。如图3所示,展示出仿真结果,可以看到,随着观测天顶角的增大,大气传输路径变长,导致大气对地表上行辐射的衰减作用增强,使得探测器入瞳处的辐射亮度整体减小。
综上所述,本发明利用大气与地表的基础环境要素数据,就可以快速仿真生成任意天基和空基平台搭载的热红外成像载荷对地观测辐射场景。依托卫星遥感、数值模式预报等手段提供的全球规模的气象与地表遥感数据,就可以生成表征状态丰富的场景数据,支持传感器谱段选择等关键指标设计、反演算法设计、目标检测识别算法设计等应用。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种对地观测热红外辐射场景快速生成方法,其特征在于:包括以下步骤:
Ⅰ.通过天基或空基探测器获取地表温度和地表发射率反演产品,得到待测地表数据;
Ⅱ.通过遥感图像处理平台获取待测场景经纬度以及像元空间分辨率裁剪并重采样;
Ⅲ.使用成像光谱仪的大气温度和大气湿度的反演产品获得该区域同步的大气廓线数据;
Ⅳ.设定探测参数,对大气直接热辐射、大气热辐射在地表的反射辐射以及地表直接热辐射进行建模;在大气状态参数、地表温度与发射率图像、场景区域定义和探测器参数定义下,实现对地观测红外辐射场景的快速生成。
2.根据权利要求1所述的一种对地观测热红外辐射场景快速生成方法,其特征在于:大气直接热辐射的建模式为:
La=Ltoa(θv)
其中La表示探测像元辐射亮度;
Ltoa表示直接传达传感器入瞳处的大气上行热辐射亮度;
θv表示为观测天顶角。
4.根据权利要求3所述的一种对地观测热红外辐射场景快速生成方法,其特征在于:地表直接热辐射的建模式为:
Lg=ε(x,y,θv)·LB(x,y)·T(θv)
Lg表示探测像元辐射亮度;
ε(x,y,θv)表示探测像元(x,y)处地物在观测方向θv上的发射率;
LB(x,y)表示黑体辐射的普朗克函数。
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