CN1727844A - 航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的地表反差法 - Google Patents

Abstract

一种涉及航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的地表反差法，尤指一种针对国产航空高光谱遥感器得到的高光谱图像，通过高空、地表两个不同高度上的两种高反差地物进行对比，实现城市大气边界层气溶胶光学厚度的反演，属于大气环境遥感应用领域；主要解决推算气溶胶光学厚度等有关计算方法及系统软硬件等技术问题。本发明的方法通过高空、地表两个不同高度上的两种高反差地物进行对比及反演气溶胶光学厚度计算，实现城市大气边界层气溶胶光学厚度的反演，本发明的优点：有别于常规的通过一个高度层面或某一种固定地物来计算气溶胶光学厚度，不同与传统遥感图像，其最大的特点在于高光谱分辨率等有效手段。

Description

航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的地表反差法

技术领域

本发明涉及一种航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的地表反差法，该方法应用于中科院上海技术物理研究所航空遥感研究室研制的航空高光谱遥感器得到的高光谱图像，通过高空、地表两个不同高度上的两种高反差地物进行对比，实现城市大气边界层气溶胶光学厚度的反演，属于大气环境遥感应用领域。

背景技术

大气气溶胶是指大气中悬浮的半径小于几十微米的固态或液态微粒，气溶胶在地球大气辐射收支平衡和全球气候中扮演着重要的角色，是大气物理学中的重要研究对象。一方面，气溶胶通过散射和吸收太阳辐射以及地面辐射直接影响着地-气系统的辐射收支平衡；另一方面，气溶胶还参与大气的多个物理过程，如云雾形成的微物理机制和臭氧平衡等；以吸收和散射方式干扰着遥感传感器接收的信号。因此，精确测量分析气溶胶，对于了解气候变化，去除遥感数据中的大气影响，提高遥感定量应用水平都具有重要意义。

气溶胶光学厚度是气溶胶最重要的参数之一，是表征大气混浊度的重要物理量，也是确定气溶胶气候效应的一个关键因子和大气模型的一个重要参量。探测气溶胶光学厚度可以采用地基探测方法，如太阳辐射计、粒子计数器、辐射总表等。地基探测方法虽然可以准确提供当地的气溶胶信息，但不能获得大范围内的气溶胶时空分布。遥感反演气溶胶光学厚度可以克服地基探测方法的先天不足，为人们全天候、实时了解大范围内的气溶胶变化提供了可能。

近年来，遥感反演气溶胶光学厚度已经成为快速、有效地获得大气气溶胶信息的手段，尤其在卫星遥感方面取得了很好的研究成果，已经有了比较成熟的反演算法，但主要是采用暗像元法(或暗目标法)通过6S建立查找表来实现气溶胶的反演，且这些算法大多是针对卫星资料的。暗像元法利用大多数陆面在红(0.6~0.68μm)和蓝(0.40~0.48μm)波段反射率低的特性，以植被指数(NDVI)或近红外通道(2.1μm)反射率将森林判识为暗像元，用于反演气溶胶光学厚度。毛节泰老师在试验利用暗像元法反演北京、香港城市污染气溶胶光学厚度时认为，在北京地区借助近红外通道表观反射率以固定比例系数关系式确定植被暗像元红、蓝通道地表反射率的方法存在较大误差。这表明利用暗像元法反演北京地区气溶胶光学厚度存在一定难度。对比方法是早期研究陆地污染气溶胶采用的卫星遥感方法。原则上讲美国NASA已经可以用MODIS图像给出全球大部分地区的气溶胶光学厚度，但是其空间分辨率仅10km，且卫星高度在700多公里，得到的是整个对流层内的气溶胶光学厚度，而气溶胶主要集中在从地面到城市边界层这样一个垂直范围内，因此从机载高光谱图像反演城市边界层气溶胶光学厚度成为我们关注的问题。

20世纪70年代调查显示，采用高反差地表的方法可以从机载遥感数据中反演得到大气的光学特征。假设在两个空间位置比较靠近的区域，大气的光学特征是不变的。在地面和机载两个高度上，通过两个位置比较靠近的高反差地表(亮表面和暗表面)的光学特征，可以计算地-气系统辐射传输参数。为此，我们利用中科院上海技术物理研究所航空遥感研究室研制的实用型模块化成像光谱仪(OMIS-I)，尝试用高反差地表法从获得的高光谱图像数据反演气溶胶光学厚度。

发明内容

为了克服上述不足之处，本发明的主要目的旨在提供一种针对中科院上海技术物理研究所航空遥感研究室研制的航空高光谱遥感器得到的高光谱图像，通过高空、地表两个不同高度上的两种高反差地物进行对比，实现城市大气边界层气溶胶光学厚度的反演；

通过1)高空：从航空高光谱遥感图像上找到两种辐射值对比较大的地物；2)地面：找到与1)匹配的地物光谱反射率；3)对比：通过高空与地面、亮目标与暗目标对比计算大气透过率，推算气溶胶光学厚度的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的地表反差法。

本发明要解决的技术问题是：要解决航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的相关硬件环境问题；要解决如何从高空：从航空高光谱遥感图像上找到两种辐射值对比较大的地物；从地面：找到与高空相匹配的地物光谱反射率；从对比：通过高空与地面、亮目标与暗目标对比计算大气透过率，推算气溶胶光学厚度等有关计算方法及系统软件等技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的硬件环境包括：太阳光、地表、传感器及地物光谱仪等系统条件，其太阳光模拟模块的太阳辐射一部分信号经由大气的直接吸收与散射传送到传感器，传感器接收太阳辐射及地表模块的反射信号；太阳光模拟模块另一部分信号经由大气透射后传送到地表模块，经地表模块的反射信号再次通过大气传送到传感器，地表模块反射的太阳辐射信号直接传送进入地物光谱仪，其间均为无线信号传输方式。

所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的硬件环境的地表模块的反射信号包括：低反射率的暗表面和高反射率的亮表面等。

所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的硬件环境的地表模块反射再次通过大气到达传感器的信号包括：经暗表面反射的太阳辐射部分、经亮表面以反射率为R₀(λ)一次反射到传感器的太阳辐射部分、反射后上行过程中再通过大气发生漫射部分及地表和大气之间发生反射和散射后到达传感器的太阳辐射信号等。

一种航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的地表反差法，该方法通过高空、地表两个不同高度上的两种高反差地物进行对比及反演气溶胶光学厚度计算，实现城市大气边界层气溶胶光学厚度的反演，包括三部分：

高空：从航空高光谱遥感图像上找到两种辐射值对比较大的地物；

地面：找到与高空匹配的地物光谱反射率；

对比：通过高空与地面、亮目标与暗目标对比，计算大气透过率，推算气溶胶光学厚度。

所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的地表反差法的气溶胶光学厚度τ的具体计算步骤是：

步骤1：计算传感器上接收到的总辐亮度

由公式：

L(λ)＝L₀(λ)+L₁(λ)R₀(λ)+L₂(λ)R₀ ²(λ)+......          ①

计算；

式中：L(λ)是传感器上接收到的总辐亮度；

      L₀(λ)是由大气直接散射与散射光太阳辐射和经暗表面反射的太阳辐射部分；

R₀(λ)是未受大气影响的地表反射率；

L₁(λ)R₀(λ)是经亮表面以反射率为R₀(λ)一次反射到传感器的太阳辐射部分；

L₂(λ)R₀ ²(λ)是地表和大气之间发生多次反射和散射后到达传感器(3)的太阳辐射部分；

步骤2：薄层近似

对于一个理想的薄层大气，可作以下单次散射线性近似：

L(λ)＝L₀(λ)+L₁(λ)R₀(λ)                 ②

同理

R(λ)＝R^(h)(λ)+R₀(λ)t(λ)                ③

式中：R(λ)是传感器上接收到的光谱反射率；

      R^(h)(λ)是经过大气直接反射或黑体背景上的光谱反射率；

      R₀(λ)是未受大气影响的地表反射率；

      t(λ)是大气透过系数；

步骤3：选择并解线性方程

选择两种试验地表，则有

R⁽¹⁾(λ)＝R^(h)(λ)+R₀ ⁽¹⁾(λ)t(λ)          ④

R⁽²⁾(λ)＝R^(h)(λ)+R₀ ⁽²⁾(λ)t(λ)          ⑤

解这两个线性方程得到：

t(λ)＝C(λ)/C₀(λ)                        ⑥

其中：C(λ)＝R⁽¹⁾(λ)-R⁽²⁾(λ)

      C₀(λ)＝R₀ ⁽¹⁾(λ)-R₀ ⁽²⁾(λ)

式中：R⁽¹⁾(λ)是传感器(3)上接收到的亮表面的反射率；

      R⁽²⁾(λ)是传感器(3)上接收到的暗表面的反射率；

      R₀ ⁽¹⁾(λ)是未受大气影响直接由地物光谱仪测得的亮地表反射率；

      R₀ ⁽²⁾(λ)是未受大气影响直接由地物光谱仪测得的暗地表反射率；

步骤4：计算τ值

根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，可以得到

$\mathrm{\τ}={\∫}_{z_1}^{z_2}N(z,\mathrm{VIS})*\mathrm{EXT}\left(\mathrm{\λ}\right)*m\left(z\right)*\mathrm{dz}=-\ln t$ ⑦

其中，τ就是我们要求的气溶胶光学厚度。

所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的地表反差法的反演气溶胶光学厚度计算的具体工作步骤是：

步骤1、高光谱遥感图像数据的辐射定标

a)、读取高光谱遥感图像

读取由标准格式的机载航空高光谱遥感图像；

b)、转换成辐射值

根据辐射定标文件中每一波段对应的斜率和截距两个系数，按照公式辐射值＝DN值*斜率+截距，将DN值转换成辐射值；

步骤2、机载高反差地表的选取

a)、选择和输出

根据步骤1得到的辐射值的大小，在图上选择两种辐射值反差比较大的地表，并输出这两种地表的辐射值；

b)、判断

当一像元的辐射值大于同一行或列的其他像元80％，执行通道A后进入亮地表辐射值模块，其值为Rad⁽¹⁾(λ)；

当一像元的辐射值小于同一行或列的其他像元80％，执行通道B后进入暗地表辐射值模块，其值为Rad⁽²⁾(λ)；

步骤3、计算表观反射率

a)、计算

将步骤2输出的亮地表辐射值和暗地表辐射值按下述公式计算：

      R＝π*L/(μ*f)

式中：R为表观反射率；

      L为辐射值；

      μ为太阳天顶角的余弦；

      f为大气上界太阳辐射通量密度；

b)、取得表观反射率

亮地表辐射值模块的输出值经计算为传感器上得到的亮地表表观反射率，为R⁽¹⁾(λ)；

暗地表辐射值模块的输出值经计算为传感器上得到的暗地表表观反射率，为R⁽²⁾(λ)；

步骤4、地基高反差地表的选取

a)、选择地物光谱

由地物光谱仪测得的地物光谱为地物光谱库，从光谱数据库中找出与步骤2选择的两种地表相同或相似的地物光谱；

b)、取得反射率

亮地表地物光谱输出值经计算为亮地表反射率，为R₀ ⁽¹⁾(λ)，暗地表地物光谱输出值经计算为暗地表反射率，为R₀ ⁽²⁾(λ)；

步骤5、机载与地基对比的大气透过率计算

a)、计算

根据公式⑥

t(λ)＝C(λ)/C₀(λ)                   ⑥

进行计算；

b)、取得大气透过率；

由步骤3得到的机载亮/暗表面的亮地表表观反射率和暗地表表观反射率，由步骤4得到的地基亮/暗表面的亮地表反射率和暗地表反射率计算出大气透过率；

步骤6、边界层气溶胶光学厚度的计算

a)、计算

根据公式⑦

$\mathrm{\τ}={\∫}_{z_1}^{z_2}N(z,\mathrm{VIS})*\mathrm{EXT}\left(\mathrm{\λ}\right)*m\left(z\right)*\mathrm{dz}=-\ln t$ ⑦

进行计算；

b)、气溶胶光学厚度

由步骤5计算出的大气透过率，大气透过率模块的输出值输入到气溶胶光学厚度模块，推求气溶胶光学厚度；

步骤7、验证气溶胶光学厚度

a)、计算地面能见距

将同步的地面能见距资料根据公式

V＝3.91·H·1/τ

式中：V是地面能见距(m)；

      H是不同季节的气溶胶标高；

      τ是气溶胶光学厚度；

b)、判断比较

1).气溶胶光学厚度模块的输出信号传送到验证模块的输入端；

2).将计算出的气溶胶光学厚度值与步骤6得到的气溶胶光学厚度进行比较；

3).如果两者的差值＜0.1，则将验证模块的输出信号传送到输出模块，输出气溶胶光学厚度；否则反馈到辐射值模块的输出端，反馈到步骤2再进行优化，重新选择地表。

步骤8、输出气溶胶光学厚度

输出模块输出的气溶胶光学厚度，为经步骤7验证的气溶胶光学厚度值。

本发明的有益效果是：本发明通过高空、地表两个不同高度上的亮/暗两种高反差地物进行对比，实现城市大气边界层气溶胶光学厚度的反演，有别于常规的通过一个高度层面或某一种固定地物来计算气溶胶光学厚度；本发明针对中科院上海技术物理研究所航空遥感研究室研制的航空高光谱遥感器得到的高光谱图像进行气溶胶光学厚度的反演，不同与传统遥感图像，其最大的特点在于高光谱分辨率等。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图1为本发明太阳光线与大气之间的相互作用的硬件环境方框示意图；

附图2为本发明反演气溶胶光学厚度计算流程示意图；

附图3为本发明实施例一中亮表面和暗表面所示位置示意图；

附图4为本发明实施例一亮表面和暗表面分别在13点和14点的表观反射率曲线示意图；

附图5为本发明实施例一计算的大气透过率随波长的变化曲线示意图；

附图6为实施例一根据本发明的地表反射法从机载成像光谱仪系统OMIS高光谱遥感图像反演出的气溶胶光学厚度示意图；

附图7为本发明实施例二中亮表面和暗表面所示位置示意图；

附图8为本发明实施例二亮表面和暗表面在13点和14点的表观反射率曲线示意图；

附图9为本发明实施例二计算的大气透过率随波长的变化曲线示意图；

附图10为实施例二根据本发明的地表反射法从机载成像光谱仪系统OMIS高光谱遥感图像反演出的气溶胶光学厚度示意图；

附图中标号说明：

1-太阳光模拟模块；

2-太阳辐射；

3-传感器；

4-大气透射；

5-地表模块；

8-地物光谱仪；

10-读取高光谱遥感图像；

20-辐射值；

21-通道A；

22-通道B；

31-亮地表辐射值；

32-暗地表辐射值；

40-地物光谱库；

51-亮地表表观反射率；

52-暗地表表观反射率；

53-亮地表反射率；

54-暗地表反射率；

60-大气透过率；

61-经暗表面反射的太阳辐射部分(61)；

62-经亮表面以反射率为R₀(λ)一次反射到传感器的太阳辐射部分；

63-反射后上行过程中再通过大气发生漫射部分；

70-气溶胶光学厚度；

80-验证；

90-输出；

具体实施方式

请参阅附图1所示，本发明的硬件环境主要包括：太阳光、地表、传感器及地物光谱仪等系统条件，其太阳光模拟模块(1)的太阳辐射(2)一部分信号经由大气的直接吸收与散射传送到传感器(3)，传感器(3)接收太阳辐射(2)及地表模块(5)的反射信号；太阳光模拟模块(1)另一部分信号经由大气透射(4)后传送到地表模块(5)，经地表模块(5)的反射信号再次通过大气传送到传感器(3)，地表模块(5)反射的太阳辐射(2)信号直接传送进入地物光谱仪(8)，其间均为无线信号传输方式。

所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的硬件环境的地表模块(5)的反射信号包括：低反射率的暗表面和高反射率的亮表面等。

所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的硬件环境的地表模块(5)反射再次通过大气到达传感器(3)的信号包括：经暗表面反射的太阳辐射部分(61)、经亮表面以反射率为R₀(λ)一次反射到传感器的太阳辐射部分(62)、反射后上行过程中再通过大气发生漫射部分(63)及地表和大气之间发生反射和散射后到达传感器(3)的太阳辐射信号等。

图1中：太阳光模拟模块(1)或为太阳光或为太阳辐射，太阳辐射(3)经过大气的直接吸收与散射作用到达传感器(3)；传感器(3)上接收的太阳辐射及地表反射；太阳辐射(2)经过大气透射(4)后到达地表模块(5)；地表模块(5)为各种地物，包括低反射率的暗表面和高反射率的亮表面；经地表模块(5)反射再次通过大气到达传感器(3)，包括：经暗表面反射的太阳辐射(61)、经亮表面以反射率为R₀(λ)一次反射到传感器的太阳辐射(62)及反射后上行过程中再通过大气发生漫射(63)、地表和大气之间发生多次反射和散射后到达传感器的太阳辐射；地表反射的太阳辐射不经过大气而直接进入地物光谱仪(8)；由地物光谱仪(8)测量的地物光谱反射率。

因此，在传感器角度接收到的信号由三部分叠加而成：

第I部分：太阳辐射经过大气直接散射到传感器的散射光或太阳辐射经暗表面反射到传感器的反射光(61)合成第一部分L₀(λ)；

第II部分：太阳光透过大气在下行过程中经亮表面以反射率为R₀(λ)一次反射到传感器的目标反射光(62)及经地表反射后上行过程中再通过大气发生漫射的部分(63)合成第二部分L₁(λ)R₀(λ)；

第III部分：地表和大气之间发生多次反射和散射后到达传感器的太阳辐射(64)是第三部分L₂(λ)R₀ ²(λ)+......。

这样一个过程可以写成：

L(λ)＝L₀(λ)+L₁(λ)R₀(λ)+L₂(λ)R₀ ²(λ)+......       ①

其中L(λ)是传感器上接收到的总辐亮度。对于一个理想的薄层大气，可作以下单次散射线性近似(薄层近似)：

L(λ)＝L₀(λ)+L₁(λ)R₀(λ)                            ②

同理

R(λ)＝R^(h)(λ)+R₀(λ)t(λ)                           ③

其中R(λ)是传感器上接收到的光谱反射率；R^(h)(λ)是经过大气直接反射或黑体(近似零反射)背景上的光谱反射率；R₀(λ)是未受大气影响的地表反射率；t(λ)是大气透过系数。选择两种试验地表，则有

R⁽¹⁾(λ)＝R^(h)(λ)+R₀ ⁽¹⁾(λ)t(λ)                     ④

R⁽²⁾(λ)＝R^(h)(λ)+R₀ ⁽²⁾(λ)t(λ)                     ⑤

解这两个线性方程得到：

t(λ)＝C(λ)/C₀(λ)                                   ⑥

其中C(λ)＝R ⁽¹⁾(λ)-R ⁽²⁾(λ)

    C₀(λ)＝R₀ ⁽¹⁾(λ)-R₀ ⁽²⁾(λ)

注释：R⁽¹⁾(λ)是传感器上接收到的亮表面的反射率(或称为亮地表表观反射率)；R⁽²⁾(λ)是传感器上接收到的暗表面的反射率(或称暗地表表观反射率)；R₀ ⁽¹⁾(λ)是未受大气影响直接由地物光谱仪测得的亮地表反射率；R₀ ⁽²⁾(λ)是未受大气影响直接由地物光谱仪测得的暗地表反射率(或称为暗地表反射率)。

根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，可以得到

$\mathrm{\τ}={\∫}_{z_1}^{z_2}N(z,\mathrm{VIS})*\mathrm{EXT}\left(\mathrm{\λ}\right)*m\left(z\right)*\mathrm{dz}=-\ln t$ ⑦

其中，τ就是我们要求的气溶胶光学厚度。

请参阅附图2所示，一种航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的地表反差法，该方法通过高空、地表两个不同高度上的两种高反差地物进行对比及反演气溶胶光学厚度计算，实现城市大气边界层气溶胶光学厚度的反演，包括三部分：

高空：从航空高光谱遥感图像上找到两种辐射值对比较大的地物；

地面：找到与高空匹配的地物光谱反射率；

对比：通过高空与地面、亮目标与暗目标对比，计算大气透过率，推算气溶胶光学厚度。

所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的地表反差法的气溶胶光学厚度τ的具体计算步骤是：

步骤1：计算传感器上接收到的总辐亮度

由公式：

L(λ)＝L₀(λ)+L₁(λ)R₀(λ)+L₂(λ)R₀ ²(λ)+......     ①

计算；

式中：L(λ)是传感器上接收到的总辐亮度；

      L₀(λ)是由大气直接散射与散射光太阳辐射(2)和经暗表面反射的太阳辐射部分(61)；

      R₀(λ)是未受大气影响的地表反射率；

      L₁(λ)R₀(λ)是经亮表面以反射率为R₀(λ)一次反射到传感器的太阳辐射部分(62)；

      L₂(λ)R₀ ²(λ)是地表和大气之间发生多次反射和散射后到达传感器(3)的太阳辐射部分；

步骤2：薄层近似

对于一个理想的薄层大气，可作以下单次散射线性近似：

L(λ)＝L₀(λ)+L₁(λ)R₀(λ)        ②

同理

R(λ)＝R^(h)(λ)+R₀(λ)t(λ)       ③

式中：R(λ)是传感器上接收到的光谱反射率；

      R^(h)(λ)是经过大气直接反射或黑体背景上的光谱反射率；

      R₀(λ)是未受大气影响的地表反射率；

      t(λ)是大气透过系数；

步骤3：选择并解线性方程

选择两种试验地表，则有

R⁽¹⁾(λ)＝R^(h)(λ)+R₀ ⁽¹⁾(λ)t(λ)        ④

R⁽²⁾(λ)＝R^(h)(λ)+R₀ ⁽²⁾(λ)t(λ)        ⑤

解这两个线性方程得到：

t(λ)＝C(λ)/C₀(λ)                      ⑥

其中：C(λ)＝R⁽¹⁾(λ)-R⁽²⁾(λ)

      C₀(λ)＝R₀ ⁽¹⁾(λ)-R₀ ⁽²⁾(λ)

式中：R⁽¹⁾(λ)是传感器(3)上接收到的亮表面的反射率；

      R⁽²⁾(λ)是传感器(3)上接收到的暗表面的反射率；

      R₀ ⁽¹⁾(λ)是未受大气影响直接由地物光谱仪(8)测得的亮地表反射率；

      R₀ ⁽²⁾(λ)是未受大气影响直接由地物光谱仪测得的暗地表反射率；

步骤4：计算τ值

根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，可以得到

$\mathrm{\τ}={\∫}_{z_1}^{z_2}N(z,\mathrm{VIS})*\mathrm{EXT}\left(\mathrm{\λ}\right)*m\left(z\right)*\mathrm{dz}=-\ln t$ ⑦

其中，τ就是我们要求的气溶胶光学厚度。

所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的地表反差法的反演气溶胶光学厚度计算的具体工作步骤是：

步骤1、高光谱遥感图像数据的辐射定标

a)、读取高光谱遥感图像(10)

读取由标准格式的机载航空高光谱遥感图像(10)；

b)、转换成辐射值(20)

根据辐射定标文件中每一波段对应的斜率和截距两个系数，按照公式辐射值＝DN值*斜率+截距，将DN值转换成辐射值(20)；

步骤2、机载高反差地表的选取

a)、选择和输出

根据步骤1得到的辐射值(20)的大小，在图上选择两种辐射值(20)反差比较大的地表，并输出这两种地表的辐射值(20)；

b)、判断

当一像元的辐射值大于同一行或列的其他像元80％，执行通道A(21)后进入亮地表辐射值(31)模块，其值为Rad⁽¹⁾(λ)；

当一像元的辐射值小于同一行或列的其他像元80％，执行通道B(22)后进入暗地表辐射值(32)模块，其值为Rad⁽²⁾(λ)；

步骤3、计算表观反射率

a)、计算

将步骤2输出的亮地表辐射值(31)和暗地表辐射值(32)按下述公式计算：

        R＝π*L/(μ*f)

式中：R为表观反射率；

      L为辐射值；

      μ为太阳天顶角的余弦；

      f为大气上界太阳辐射通量密度；

b)、取得表观反射率

亮地表辐射值(31)模块的输出值经计算为传感器上得到的亮地表表观反射率(51)，为R⁽¹⁾(λ)；

暗地表辐射值(32)模块的输出值经计算为传感器上得到的暗地表表观反射率(52)，为R⁽²⁾(λ)；

步骤4、地基高反差地表的选取

a)、选择地物光谱

由地物光谱仪(8)测得的地物光谱为地物光谱库(40)，从光谱数据库中找出与步骤2选择的两种地表相同或相似的地物光谱；

b)、取得反射率

亮地表地物光谱输出值经计算为亮地表反射率(53)，为R₀ ⁽¹⁾(λ)，暗地表地物光谱输出值经计算为暗地表反射率(54)，为R₀ ⁽²⁾(λ)；

步骤5、机载与地基对比的大气透过率计算

a)、计算

根据公式⑥

t(λ)＝C(λ)/C₀(λ)                 ⑥

进行计算；

b)、取得大气透过率(60)；

由步骤3得到的机载亮/暗表面的亮地表表观反射率(51)和暗地表表观反射率(52)，由步骤4得到的地基亮/暗表面的亮地表反射率(53)和暗地表反射率(54)计算出大气透过率(60)；

步骤6、边界层气溶胶光学厚度的计算

a)、计算

根据公式⑦

$\mathrm{\τ}={\∫}_{z_1}^{z_2}N(z,\mathrm{VIS})*\mathrm{EXT}\left(\mathrm{\λ}\right)*m\left(z\right)*\mathrm{dz}=-\ln t$

进行计算；

b)、气溶胶光学厚度

由步骤5计算出的大气透过率(60)，大气透过率(60)模块的输出值输入到气溶胶光学厚度(70)模块，推求气溶胶光学厚度(70)；

步骤7、验证气溶胶光学厚度

a)、计算地面能见距

将同步的地面能见距资料根据公式

V＝3.91·H·1/τ

式中：V是地面能见距(m)；

      H是不同季节的气溶胶标高；

      τ是气溶胶光学厚度；

b)、判断比较

1).气溶胶光学厚度(70)模块的输出信号传送到验证(80)模块的输入端；

2).将计算出的气溶胶光学厚度值与步骤6得到的气溶胶光学厚度(70)进行比较；

3).如果两者的差值＜0.1，则将验证(80)模块的输出信号传送到输出(90)模块，输出气溶胶光学厚度(70)；否则反馈到辐射值(20)模块的输出端，反馈到步骤2再进行优化，重新选择地表。

步骤8、输出气溶胶光学厚度

输出(90)模块输出的气溶胶光学厚度(90)，为经步骤7验证的气溶胶光学厚度值(70)。

应用上述方法从中科院上海技术物理研究所航空遥感研究室研制的航空高光谱遥感器成像光谱仪系统OMIS图像上分别选取高反差地表(亮表面和暗表面)，反演气溶胶光学厚度计算流程见图2所示。

本发明的工作原理是：大气中的气体分子和气溶胶对太阳光进行散射和吸收，影响了传感器所接受的目标光谱响应。由于大气的存在，地表接受了经过大气吸收与散射的直射光和天空光后反射出去，如图1所示。

本发明实施例的具体工作步骤：

步骤1、高光谱遥感图像数据的辐射定标

读取由中科院上海技术物理研究所提供的标准格式的机载航空高光谱遥感图像(10)，根据辐射定标文件中每一波段对应的斜率和截距两个系数，按照公式辐射值＝DN值*斜率+截距，将数字序号DN值转换成辐射值(20)；

步骤2、机载高反差地表的选取

根据步骤1得到的辐射值的大小，在图上选择两种辐射值反差比较大的地表，并输出这两种地表的辐射值(20)，当某一像元的辐射值大于同一行或列其他像元80％，执行通道A(21)，记作亮地表辐射值(31)(Rad⁽¹⁾(λ))；当某一像元的辐射值小于同一行或列其他像元80％，执行通道B(22)，记作暗地表辐射值(32)(Rad⁽²⁾(λ))；

步骤3、计算表观反射率

将步骤2输出的亮、暗表面的亮地表辐射值(31)和暗地表辐射值(32)，按照公式

        R＝π*L/(μ*f)

注释：R为表观反射率；L为辐射值；μ为太阳天顶角的余弦；f为大气上界太阳辐射通量密度；

计算成传感器上得到的表观反射率，分别记作亮地表表观反射率(51)R⁽¹⁾(λ)和暗地表表观反射率(52)R⁽²⁾(λ)；

步骤4、地基高反差地表的选取

从由地物光谱仪测得的地物光谱形成的地物光谱库(40)中，找出与步骤2选择的两种地表相同或相似的地物光谱，分别记作亮地表反射率(53)R₀ ⁽¹⁾(λ)和暗地表反射率(54)R₀ ⁽²⁾(λ)；

步骤5、机载与地基对比的大气透过率计算

根据公式⑥，由步骤3得到的机载亮/暗表面的表观反射率亮地表表观反射率(51)、暗地表表观反射率(52)和步骤4得到的地基亮/暗表面的地表反射率亮地表反射率(53)、暗地表反射率(54)计算出大气透过率(60)；

步骤6、边界层气溶胶光学厚度的计算

根据公式⑦，由步骤5计算出的大气透过率(60)，推求气溶胶光学厚度(70)；

步骤7、验证气溶胶光学厚度

将同步的地面能见距资料根据公式

      V＝3.91·H·1/τ

注释：V是地面能见距(m)；H是不同季节的气溶胶标高(上海冬季取776.4m)；τ是气溶胶光学厚度。

计算出的气溶胶光学厚度值与步骤6得到的气溶胶光学厚度(70)进行比较(80)，当两者的差值＜0.1，就执行步骤8，输出(90)为气溶胶光学厚度(70)；否则返回到步骤2进行优化，重新选择地表。

步骤8、输出气溶胶光学厚度

最终输出的气溶胶光学厚度(70)即经步骤7验证的气溶胶光学厚度值(70)。

本发明地表反差法的实施例一如下：

请参阅附图3、4、5、6所示，对上海2002年10月7日成像光谱仪系统OMIS高光谱图像分别选取高反差地表，按照本发明的技术流程图，反演气溶胶光学厚度，经步骤1首先将成像光谱仪系统OMIS，高光谱图像的数字序号DN值转换为辐射值，根据辐射值的大小从中选出亮表面(对应于广场的水泥地)和暗表面(对应于黄浦江上污染水体)，图3是实施例一中亮表面和暗表面所示位置略图；图4是亮表面和暗表面分别在13点和14点的表观反射率曲线，x轴为波长(纳米)，y轴为表观反射率；然后，从地物光谱数据库中选出对应的地物光谱反射率，根据步骤5按照公式⑥计算出大气透过率，图5是计算的大气透过率随波长的变化曲线，虚线为13点的大气透过率曲线，实线为14点的大气透过率曲线，x轴为波长(纳米)，y轴为大气透过率；接着再根据步骤6按照公式⑦推求出气溶胶光学厚度，图6就是根据本发明的地表反射法从机载成像光谱仪系统OMIS高光谱遥感图像反演出的气溶胶光学厚度，黑线代表13点的气溶胶光学厚度值，红线代表14点的气溶胶光学厚度，x轴为波长(纳米)，y轴为气溶胶光学厚度值。

本发明地表反差法的实施例二如下：

请参阅附图7、8、9、10所示，同理，对另一幅成像光谱仪系统OMIS高光谱图像分别选取高反差地表，与实施例一相同，按照本发明的技术流程图，反演气溶胶光学厚度，选出的亮表面对应于卢浦大桥引桥桥面水泥地，暗表面对应于黄浦江上污染水体，图7是实施例二中亮表面和暗表面所示位置略图；图8是亮表面和暗表面在13点和14点的表观反射率曲线，x轴为波长(纳米)，y轴为表观反射率；图9是计算的大气透过率随波长的变化曲线，x轴为波长(纳米)，y轴为大气透过率；图10就是根据本发明的地表反射法从机载OMIS高光谱遥感图像反演出的气溶胶光学厚度，x轴为波长(纳米)，y轴为气溶胶光学厚度值。

从两个实施例所示的图中可以看到，由于选择亮/暗表面的标准一致，选择出的亮表面为水泥地，暗表面为污染较严重的水面，所示曲线变化趋势比较相似。

根据上海市环境监测中心空气质量历史资料查询显示：2002-10-713点左右上海市空气质量状况总体较好，二氧化硫(SO₂)浓度为0.051mg/m³，二氧化氮(NO₂)浓度为0.044mg/m³，氮氧化物(NOx)浓度为0.051mg/m³，可吸入颗粒物(PM₁₀)浓度为0.124mg/m³，空气污染指数(API)处于良好等级，空气质量相当于《环境空气质量标准》(GB3095-1996)II级水平，主要污染物为可吸入颗粒物PM₁₀，污染较弱。反演得到的气溶胶光学厚度(见表-1)在数值上是可以接受的。

表-1：OMIS反演气溶胶光学厚度：

运用反差地表法，对2002年10月7日的OMIS高光谱图像数据，进行了气溶胶光学厚度反演的尝试性试验，给出了初步的反演结果，在502nm-590nm波段处的气溶胶光学厚度值在0.175-0.314之间。反演结果与根据气象能见度计算得到的气溶胶光学厚度结果(表-2)进行比较，有较好的一致性。采用反差地表法，通过高空间分辨率的机载高光谱图像数据，可以反演城市边界层气溶胶光学厚度，但这种方法还处于试验性的尝试中。

(接下页)

表-2根据能见度资料计算得到的气溶胶光学厚度

时刻	浦东站瞬时能见距(m)	浦东站十分钟平均能见距(m)	徐汇站瞬时能见距(m)	徐汇站十分钟平均能见距(m)	黄埔公园站瞬时能见距(m)	黄埔公园站十分钟平均能见距(m)	燃料公司站瞬时能见距(m)	燃料公司站十分钟平均能见距(m)	Aod平均值(550nm)
										13:0013:1013:2013:3013:4013:5014:00	110509648925312320973585568693	9897939796789585944297758684	85361028382179610831386637390	9573927388658751837684857752	14917128991405814471138461136811925	15242155041632113295155221314012961	1080912267714510306974390969931	10368111021012298929909102319850	0.2790.2780.3100.2830.2990.3130.325
									0.298

Claims (6)

1、一种航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的硬件环境，包括：太阳光、地表、传感器及地物光谱仪，其特征在于：太阳光模拟模块(1)的太阳辐射(2)一部分信号经由大气的直接吸收与散射传送到传感器(3)，传感器(3)接收太阳辐射(2)及地表模块(5)的反射信号；太阳光模拟模块(1)另一部分信号经由大气透射(4)后传送到地表模块(5)，经地表模块(5)的反射信号再次通过大气传送到传感器(3)，地表模块(5)反射的太阳辐射(2)信号直接传送进入地物光谱仪(8)，其间均为无线信号传输。

2、根据权利要求1所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的硬件环境，其特征在于：所述的地表模块(5)的反射信号包括：低反射率的暗表面和高反射率的亮表面。

3、根据权利要求1所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的硬件环境，其特征在于：所述的地表模块(5)反射再次通过大气到达传感器(3)的信号包括：经暗表面反射的太阳辐射部分(61)、经亮表面以反射率为R₀(λ)一次反射到传感器的太阳辐射部分(62)、反射后上行过程中再通过大气发生漫射部分(63)及地表和大气之间发生反射和散射后到达传感器(3)的太阳辐射信号。

4、一种航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的地表反差法，其特征在于：该方法通过高空、地表两个不同高度上的两种高反差地物进行对比及反演气溶胶光学厚度计算，实现城市大气边界层气溶胶光学厚度的反演，包括三部分：

高空：从航空高光谱遥感图像上找到两种辐射值对比较大的地物；

地面：找到与高空匹配的地物光谱反射率；

对比：通过高空与地面、亮目标与暗目标对比，计算大气透过率，推算气溶胶光学厚度。

5、根据权利要求4所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的地表反差法，其特征在于：所述的气溶胶光学厚度τ的具体计算步骤是：

步骤1：计算传感器上接收到的总辐亮度

由公式：

L(λ)＝L₀(λ)+L₁(λ)R₀(λ)+L₂(λ)R₀ ²(λ)+......        ①

计算；

式中：L(λ)是传感器上接收到的总辐亮度；

L₀(λ)是由大气直接散射与散射光太阳辐射(2)和经暗表面反射的太阳辐射部分(61)；

R₀(λ)是未受大气影响的地表反射率；

L₁(λ)R₀(λ)是经亮表面以反射率为R₀(λ)一次反射到传感器的太阳辐射部分(62)；

L₂(λ)R₀ ²(λ)是地表和大气之间发生多次反射和散射后到达传感器(3)的太阳辐射部分；

步骤2：薄层近似

对于一个理想的薄层大气，可作以下单次散射线性近似：

L(λ)＝L₀(λ)+L₁(λ)R₀(λ)                           ②

同理

R(λ)＝R^(h)(λ)+R₀(λ)t(λ)                          ③

式中：R(λ)是传感器上接收到的光谱反射率；

R^(h)(λ)是经过大气直接反射或黑体背景上的光谱反射率；

R₀(λ)是未受大气影响的地表反射率；

t(λ)是大气透过系数；

步骤3：选择并解线性方程

选择两种试验地表，则有

R⁽¹⁾(λ)＝R^(h)(λ)+R₀ ⁽¹⁾(λ)t(λ)               ④

R⁽²⁾(λ)＝R^(h)(λ)+R₀ ⁽²⁾(λ)t(λ)               ⑤

解这两个线性方程得到：

t(λ)＝C(λ)/C₀(λ)                             ⑥

其中：C(λ)＝R⁽¹⁾(λ)-R⁽²⁾(λ)

C₀(λ)＝R₀ ⁽¹⁾(λ)-R₀ ⁽²⁾(λ)

式中：R⁽¹⁾(λ)是传感器(3)上接收到的亮表面的反射率；

R⁽²⁾(λ)是传感器(3)上接收到的暗表面的反射率；

R₀ ⁽¹⁾(λ)是未受大气影响直接由地物光谱仪(8)测得的亮地表反射率；

R₀ ⁽²⁾(λ)是未受大气影响直接由地物光谱仪测得的暗地表反射率；

步骤4：计算τ值

根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，可以得到

$\mathrm{\τ}={\∫}_{z_1}^{z_2}N(z,\mathrm{VIS})*\mathrm{EXT}\left(\mathrm{\λ}\right)*m\left(z\right)*\mathrm{dz}=-\ln t$ ⑦

其中，τ就是我们要求的气溶胶光学厚度。

6、根据权利要求4所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的地表反差法，其特征在于：所述的反演气溶胶光学厚度计算的具体工作步骤是：

步骤1、高光谱遥感图像数据的辐射定标

a)、读取高光谱遥感图像(10)

读取由标准格式的机载航空高光谱遥感图像(10)；

b)、转换成辐射值(20)

根据辐射定标文件中每一波段对应的斜率和截距两个系数，按照公式辐射值＝DN值*斜率+截距，将DN值转换成辐射值(20)；

步骤2、机载高反差地表的选取

a)、选择和输出

根据步骤1得到的辐射值(20)的大小，在图上选择两种辐射值(20)反差比较大的地表，并输出这两种地表的辐射值(20)；

b)、判断

当一像元的辐射值大于同一行或列的其他像元80％，执行通道A(21)后进入亮地表辐射值(31)模块，其值为Rad⁽¹⁾(λ)；

当一像元的辐射值小于同一行或列的其他像元80％，执行通道B(22)后进入暗地表辐射值(32)模块，其值为Rad⁽²⁾(λ)；

步骤3、计算表观反射率

a)、计算

将步骤2输出的亮地表辐射值(31)和暗地表辐射值(32)按下述公式计算：

R＝π*L/(μ*f)

式中：R为表观反射率；

L为辐射值；

μ为太阳天顶角的余弦；

f为大气上界太阳辐射通量密度；

b)、取得表观反射率

亮地表辐射值(31)模块的输出值经计算为传感器上得到的亮地表表观反射率(51)，为R⁽¹⁾(λ)；

暗地表辐射值(32)模块的输出值经计算为传感器上得到的暗地表表观反射率(52)，为R⁽²⁾(λ)；

步骤4、地基高反差地表的选取

a)、选择地物光谱

由地物光谱仪(8)测得的地物光谱为地物光谱库(40)，从光谱数据库中找出与步骤2选择的两种地表相同或相似的地物光谱；

b)、取得反射率

亮地表地物光谱输出值经计算为亮地表反射率(53)，为R₀ ⁽¹)(λ)，暗地表地物光谱输出值经计算为暗地表反射率(54)，为R₀ ⁽²⁾(λ)；

步骤5、机载与地基对比的大气透过率计算

a)、计算

根据公式⑥

t(λ)＝C(λ)/C₀(λ)                       ⑥

进行计算；

b)、取得大气透过率(60)；

由步骤3得到的机载亮/暗表面的亮地表表观反射率(51)和暗地表表观反射率(52)，由步骤4得到的地基亮/暗表面的亮地表反射率(53)和暗地表反射率(54)计算出大气透过率(60)；

步骤6、边界层气溶胶光学厚度的计算

a)、计算

根据公式⑦

$\mathrm{\τ}={\∫}_{z_1}^{z_2}N(z,\mathrm{VIS})*\mathrm{EXT}\left(\mathrm{\λ}\right)*m\left(z\right)*\mathrm{dz}=-\ln t$ ⑦

进行计算；

b)、气溶胶光学厚度

由步骤5计算出的大气透过率(60)，大气透过率(60)模块的输出值输入到气溶胶光学厚度(70)模块，推求气溶胶光学厚度(70)；

步骤7、验证气溶胶光学厚度

a)、计算地面能见距

将同步的地面能见距资料根据公式

V＝3.91·H·1/τ

式中：V是地面能见距(m)；

H是不同季节的气溶胶标高；

τ是气溶胶光学厚度；

b)、判断比较

1).气溶胶光学厚度(70)模块的输出信号传送到验证(80)模块的输入端；

2).将计算出的气溶胶光学厚度值与步骤6得到的气溶胶光学厚度(70)进行比较；

3).如果两者的差值＜0.1，则将验证(80)模块的输出信号传送到输出(90)模块，输出气溶胶光学厚度(70)；否则反馈到辐射值(20)模块的输出端，反馈到步骤2再进行优化，重新选择地表。

步骤8、输出气溶胶光学厚度

输出(90)模块输出的气溶胶光学厚度(90)，为经步骤7验证的气溶胶光学厚度值(70)。

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