（地图学与地理信息系统专业论文）基于辐射传输模型的遥感图像大气校正方法研究.pdf

摘要 航空、航天遥感平台上的传感器接收到的地物信息，由于地球大气的存在而得到衰 减，因此，遥感器接收到的地物信息不能真实地反映地表。同时由于大气的吸收、散射 等作用使褥遥感器接收到的电磁信息复杂，因i 珂遥感图像的大气辐射校正交得复杂。陡 着定量遥感技术迅速发展，特别是利用多传感器、多时相遥感数据进行土地利用和土地 覆羲交化监溺、全球资源环境分析、气候变化靛测等豹蔼要，使得遥感图像大气校正方 法的研究越来越受到熏视。 地表雪标的二向性反射特征早已为人们所认识，但是只是到近十几年才在遥感界樗 到重视和应用，这一方面要归功于大澄的二向性反射分布函数( b i d i r e c t i o nr e 丑e c t a n c e d i s t f i b u t i o nf l 】l l c t i o n ，简称b i m f ) 正向模型的深入研究，另一方面时e 勾于目前人们对 遥感定量化陂露的要求越来越高，即不但要提供全球撼蕊覆盖和大气的信息，还要提供 有关地面覆盖和大气的结构信息以及精确的半球反射率数据，而这些是传统的垂赢观测 遥感方法所无法提供的。 已往的遥感影像的大气校正模型多是建立在地表的朗伯体的假设之上的，没有考虑 地表妁非朗伯体特性和双向反射分布瀚数，这栉在很大程度上是影响气溶胶反演糙度不 高的一个主要因素。b r d f 主要分两类，一类是物理模型，包括几何光学模型和辐射传输 模烈，另一类为统计模型。实验证明将b r d f 模型引入遥感影像的大气校正中对于其校 正精度的提商是行之有效的。 本文在研究大气辐射传输理论的纂础上，同时考虑地表的非朗伯体特性和地表的双 淘瞧反射，疆究基于辐射健输的大气校正方法，其实震怒指壤据友演豹帮实际测爨豹大 气状况对遥感图像测量值进行调整，以消除大气影响进行大气校正。利用基于复杂的辐 射传输原理建立起来的大气校正模型拨正方法是精度较高的一种方法，基本原理是利用 电磁波在大气中的辐射传输原理建立趣来的模型对遥感图像进行大气校正的方法。 关键字：大气校正；q u i c kb i r d ；定量遥感；b r d f ；i d l 第一章引言 1 1 遥感图像大气校正研究现状 遥感图像的大气辐射校正问题，是遥感定量化研究的主要难点之一。随着定最遥感 技术迅速发展，特别是利用多铸感器、多时相遥感数据遴行熊苇4 用和土地覆盖变化监 测、全球资源环境分析、气候变化监测等的需要，使得遥感图像大气校正方法的研究越 来越受到重视，对遥感图像大气校正的研究具有理论和实践两方瓯的重大意义。 大气校正的理论方法，魑指根据大气状况对遥感图像测量值进行调整，以消除大气 影响进行大气校正，这就要求估算地气系统的辐射状况及大气的光学参数。大气状况可 以蹩标准的模式大气或地面实凋资辩，也可以怒由图像零身进行爰演的结栗。所以理论 方法包括基于求解大气辐射传输方程，基于图像本身的统计方法和基于b r d f 理论的方 法。 1 1 1 基于大气辐射传输模型的方法 利用基于复杂的辐射传输原理建立起来的大气校雁模型校正方法是精度较高的一 秘方法，基本原理是剃蔫电磁波在大气中的辐射转竣原理建立起来的摸型对遥感图缘进 行大气校正。应用辐射传输方程来估算地气系统辐射场，关键是选择合适的大气物理参 量，如大气温度、气压及水汽、臭氧等气体成分【1 1 。应用广泛的大气较厩模型有近3 0 个，著名的如6 s ( s e c o n ds i m u l a 虹o no ft h es a t e l l i t cs i 盟a l 证t h es o l a rs p e c m = 瞄) 模型、 l o w t r a n ( l o wr e s 0 1 u t i o nt r a n s n l i s s i o n ) 模型、m o r t ra n ( m o d c r a t er e s o l u t i o n 矗a 蘸s i n i s s i o n ) 模型、大气去除程序a t r e m ( 珏oa 嘧o s 曲e f er 黜o v a lp f o 骈瑚) 、紫外线 和可见光辐射模型u v 幽d ( u l t r a 啊o l e ta n d s i b l er a d i a t i o n ) 、n j r n e r 大气校正模型、 空间分商挟速大气菠正模型a ：r e 0 r ( as p a t i a l l p a d a 辨i v ef a s ta 舡n o s 蝤积cc 蛳e c t i o n ) 等。 ( 1 ) 6 s 模型 6 s 模型 2 】是在法国大气光学实验寰t a n r e d + ，d e u z e j l ，h e n n a nm 和美国马累兰大 学地理系v e 傩o t ee + 在5 s ( s 溉u l a t o no f t l l esa _ t e l l i t cs i 鄂越i n l es o l a rs p e c 拥n 模型的基 础上发展起米的。该模型采用了最新近似( s t a _ t co f 也oa n ) 和逐次散射s o s ( s u c c e s s i v e o r d e r so f s 枷n 酸簿法来计算散射和吸收，改邀了摸型的参数输入，镬冀更接近实际。 该模型对主要大气效应：h 2 0 、0 3 、0 2 、c 0 2 、c h 4 、n 2 0 等气体的吸收，大气分子和 气溶胶的散射都进行了考虑。它不仅可以模j 堇 地表菲均一性，还可以模越地表双向反射 特性。与l 0 w t 黜n 模型、m o r t r a n 模型比较，6 s 模型具有较高的精度。 ( 2 ) l o w t r a n 模型 l o w t r a n 摸烈【3 】是美国空军地球物理实验室研制的，目前流行的舨本是 l o w h a n7 。它是以2 0 c m 4 的光谱分辨率的荦参数带模式计算o 啪。1 到5 0 0 0 0 c m o 的 大气透过率、大气背景辐射、单次散射的光谱辐射亮度、太阳直射辐射度。l o 、v t 黜、n 7 增加了多次散射的计算及薪豹带模式、炱氧和氧气在紫步 波段的吸收参数。它提苣 了6 种参考大气模式的温度、气压、密度的垂直廓线，h 2 0 、0 3 、0 2 、c 0 2 、c h 4 、n 2 0 的 渥台比垂直癞线及其能1 3 耱微量气体的垂直魔线，城乡大气气溶胶、雾、沙尘、火山 喷发物、云、雨廓线和辐射参量如消光系数、吸收系数、非对称园子的光谱分布、还包 括地外太阳光谱。e | 髓使用的l o 呱a n 7 已经基本成熟固定，囊1 9 8 9 年以来没有大 的改动，仅修改了其中一些小的错误。 ( 3 ) m o r 玎l a n 模型 m o r t 鼬k n 模型 4 】主要是对l o w t 黜蝌7 模型的光谱分辨率进行了改进，它把光谱 分辨率从2 0 c m 4 减少到2 锄，发展了耱2 嘲。1 光谱分辨率的分子吸收髂算法鄢受凝 了对分子吸收的气压瀛度关系的处理，同时维持l o w t 黜n7 的旗本程序和使用结构。 e n 中提供的f l a a s h 大气校正模型就是使用了改进豹m o r 豫a n 模型的代码。 ( 4 ) a t c o r 大气校正模烈 a t c o r 大气校正模型【4 】是由德国w s s l i n g 光电研究所的r u d o l f 磁c h t o r 博士于1 9 9 0 年研究提出的一种快遮大气较诞算法，并且经过大量的验证和评估。该模型已经广泛应 爰于很多的遇闫图像处理软传，如p c l 、e r d a s 。目前，a r c o r 2 模型是翩泛o r 经历 了多次改进和完善的产品，上述软件中引入的即为a t c 0 r2 版本。1 9 9 9 年和2 0 0 0 年 筒c o r3 及a = r c o r4 模型适用范围推广到更广泛豹山区。虽然受局建气镞的控制以及 新模块需要进步的究蓉，但a t c 0 r2 系列仍然是a t c 0 r 的主产品。a t c 0 r2 是一 个应用于高空间分辨率光学卫攫传感器的快速大气校正模型，它假定研究隧域是相对平 的地区并且大气状况通过一个焱证表来描述。在基体实施过程中将针对太阳光谱区间和 热光谱范围进行计算。 ( 5 ) 国内研究 潮癌缀多磷究者对辐射传输模型大气校正方法也作了很多研究工作。奏益f 5 1 等人提 出了基于辐射传输模型理论的a h r r 图像大气校正方案，并研制了软件系统。李先华 嘲等人在讨论逐点计算遥感图像像元的大气程辐射值和大气透过窭的方法和原理的慕础 上，掇出了一个适合菲均匀大气的、包括大气程辐射和大气透过率等修正内容的遥感图 像广义大气校正模型。张玉责 _ 日对t u r n e r 模型进行改进，并对州图像送行了大气校 正。刘振华、赵英时等1 8 】使用6 s 大气辐射传输模型进行大气校正，并通过m o d t 黜n 4 o 模黧获取各波段地表入射光遂量和窄波段的地表反照率；实现m 0 0 i s 卫星数据缝表反 照举反演的简化模式。毛克彪、覃志豪 9 l 使用m o d t m n 大气辐射传输模型进行了透 过拳计算。张霞、朱启疆等人【1 。】利用辐射传输模型l o w t r a n 7 对n o aa ，a v 壬珏墩热红 外图象计算大气参数进行大气校正。 研究表明辐射传输模型方法计算出来的反射率精度较高，但是可以看到这种方法计 算纛大，丽鼠需要较多参数。眈如大气中的水汽含量，臭氧含量以及空间分布，气溶胶 光学特征等等。而在常规的大气校正中，这种测量很难实施。k a u f b l a 【l l 】指出：大气校 正的基本方法是获祷关于大气光学性质豹各季孛参数，如大气光学厚度、穗函数、单向教 射反照率、气体吸收率等。而大气校正的困难就在于难于确定这些参数。如果测得的参 数不正确煮接影晌计算的精度。所以这种方法的广泛应用也有一定限制，有待进一步的 研究。 l 。l 。2 基于嚣像本身貔方法 由上所述，在地表反射枣的反演中，为了避免求解散射传输方程的困难，基于图像 本身的特点来进行大气校正可能是一个解决问题的简单办法。这类方法要求己知或假定 图像中某些像元的反照率值，以此来建立地表反照率和卫星观测值之间的关系，并假定 整幅图像具有同样的大气条 牛，因而能够将这个关系应罔到整幅图像中。 ( 1 ) 黑暗像元法 最早基于影像的大气辐射校正是a _ h e m f j 等【1 2 】利用清洁水体的像元值直接取代大 气穗辐射，没有考虑其他因素的影响，c h a v e z r s 【l3 对该方法加以改进，提出黑体瀵减 法，即d o s ( d a r k o b i e c tm c t l l o d s ) 法，但这些方法没有充分考虑对大气透过率和天空光 下行散射的影响1 1 4 1 。h a w 盯dr g o r d o n 等【1 5 在对c z c s ( 让l ec o a s 诅lz o n ec o l o rs c 锄e r ) 遥 感仪器进行水体辐射的大气校正中，提出了多次散射影响的大气校正算法，但需筝先知 道大气参数。 黑暗像元法的研究与应掰已经有2 0 多年的历史。它不需要大气参数以及地蘸的实 测数据，而依靠图像本身的信息，因此直接、简易，同时校正精度可以满足一般遥感的 研究和应用，具有较强的实震性。 该方法的基本原理就是在假定待校正的遥感图像上存在黑暗像元区域、地表朗伯面 反射、大气性质均一，忽略大气多次散射辐照作用和邻近像元漫反射作用的前提下，反 射率很小的黑暗像元是由于大气的影响，而使褥这些像元的反射率相对增加，可以认为 这部分增加的反射率是由于大气程辐射的影响产生的。其关键技术主要在于遥感图像中 黑暗像元傻肖效地确定和大气校正模型豹适当选择。利用黑暗像元篷计繁出程辐射，并 代入适当的大气校正模型，获得相应的参数后，通过计算就得到了地物真实的反射率。 篮得注意的楚图像串黑暗像元的确定也带有一定的主观褴，这些都将会影响黑暗像元法 的结果精度。 我国学嚣对黑暗像元法瞧进行了大量的磅究。妇张玉爨h 刊使用气象专己录为辅助数据 对黑暗地物作调整进行了t m 影像的大气校正。茅荣正，倪绍祥等人i l7 】用该方法进行了 l a n d s a t - 7 嚣t m + 影像大气校正，并闵i d l 算法实现。陈蕾，邓孺孺等人 1 9 j 用基于地 面耦合的黑暗像元法进行了，i m 影像的大气校正。王庆安等人f 1 9 】在大气校正模型申，加 入了大气吸收的影响因素在推算散射时不但考虑了瑞利散射、气溶胶的影响，还考虑了 臭氧光学厚度豹作藤。疆庚久等人 2 0 】在d i 。s 方法的基础上，合理分孝厅假设睹体反射率 值，并结合l o w 岫7 、6 s 、m o d n 锄3 大气辐射传输模型进行大气模拟，研究并发展基 于遥感影豫信息的快速、经济、有效的大气辐射校正和反射率反演方法。支i 小平，余翁 等人【2 l 】以山区阴影部分的植被作为黑体，先假设阴影区植被的反射率为0 ，估算出大气 散射对程辐射的贡献，再利用迭代法对程辐射进行校正。 ( 2 ) 不变目标法 不变目标法( i n v 赫a b l e 0 b l e c 舡玎e m 耐s ) 假定霞像上存在具有较稳定反射辐射特性的 像元，并且可确定这热像元的地理意义，那么就称这些像元为不变目标，这些不变目标 在不圆靖相蚋遥感图像主的反射率将存在一秭线牲关系。当确定了不变磊橼以及它们在 不同时相遥感图像中反射率的这种线性关系，就可以对遥感图像进行大气校正。 s c h o 牡【2 2 】军螺| 不交羁标d n 的平均值及标猴差提出了一种估算这种线性关系的斜率 和截距的方法。h a l l 瞄】提出和用k t 变换中的亮度分量和绿度分慧来确定不变目标的方 法。他们成功地应用了这种方法对i m 图像进行了大气校正【2 4 】。c o p p i n l 2 5 1 等人利用该方 法进行大气梭征融假定了5 种不变匡标，清澈蓝深的贫营养亿豹湖泊、茂密的老缀松鼹 林、平广的沥青屋顶、无杂质的沙砾覆盖区、混凝土的路面或大型停泊场。p a x l e i l n e v 【2 6 】 等人遇过该方法利用l o 景i m 图像监测了埃及媳她矛! | 周变化，他们选样图像中黑暗 水体和明亮沙地作为不变目标。m i c h e n e r 旧等人用相似的方法监测了由于洪水导致的森 林生态系统的变化状况。 我国对该方法也有研究，洮宏康1 2 3 】等人提出了利用裸沙土壤线对遥感图像进行大气 校正的方法。该方法选择具有较稳定光谱反射特征的裸沙作为不变目标。并且找到裸沙 在相囝豹红光鞫近红筠波段组合豹二维平霞直角艇标辛，该裸沙不断交优的反射率存在 一种线性关系。该方法可应用于干旱、半干旱地区卫星遥感数据的大气校雁。 可以看出，不变目标法简单、直接，但它本质上属予一静统计豹方法，是一种相对 的大气校正方法。如果能有一些卫星过境时的实测资料辅助这种方法可以得到绝对的大 气校芷结果1 2 卅。 ( 3 ) 直方图匹配法 鬣方图匹裁法( h i s 协瞥瞄m 韪l c h i n gm 。也o d s ) 愚指如梁确定菜个没有受至大气影响浆 区域和受到大气影响的区域的反射率是相同的，并且可以确定出不受影响的区域，就可 4 以利用它的点方图对受影响地区的妻方图进行匹配处理【3 0 】。这种方法实施起来较简单、 容易。在遥感图像处理软件珊a s 和p c i 中都有这个功能。该方法的关键在于弹找2 个菸有耀同反射率餐受大气影响却耀反豹区域，恧显它述假定气溶胶豹空耀分蠢是均匀 的。因此如果能把范围较大的一景遥感图像分成很多小块，在分别用这种方法进行大气 校各像元应有植被指数值和廉有植被亮度值，从而实现植被和土壤侵蚀动态监测的方 法：其中的难确参考数据，可以是由遥感图像本身通过分类或动态彩色合成求得的研究 区平均植被蔫度值，或通过实地调查或查阅历史资料获得的与研究区有关地区的某种普 透地理数据l j “。 1 1 3 基于的b r d f 理论豹大气搜正方法 近年来，在遥感数据处理中，b i u ) f 和反照率研究得到了很大程度的重视。常规的 大气校正多慕于大气辖射传输理论和鲍面为各向同性豹朗伯体的假设，运用辐射传输方 程来进行。然而l e e 和k a u 矗n a i l 的研究结果表明，即使在并非很糟糕的天气里，纂于地 蘑怒鹈伯体的假设会母致所预测的姥灏后囱教射部分产生大豹误差，尤其是在天臻角很 大的情况下【3 2 】。这是因为地面并非朗伯体，大多数地物具有b r d f 各向异性的反射特性， 这种地物的反射特性决定了辐射传输的下垫面。人们通过地一气相互作用模型计算地面 b r d f 与大气的耦合因子来描述下垫丽。v e m o t e 用h a p k e 模型分析了大气校正中地面 反射率各向舜性的影响【3 3 1 ，结果表明经过基于地面b r d f 的大气校正迭代最终将使地 面反射率的误差比第一步基于逮面麴伯体大气校正后的反射率谈差夸得多。 壬u b a o x i 醒 等使用r o s si h c l r _ - l is 口a r s e 核驱动模型和按m o d i s ，m i s r 角度采样的三种地类模拟 数援避幸亍实验计算【3 4 】，也获褥了相似豹结论。这些研究表明梅地霞b 髓箩考虑到大气校 正中的必要性和可能性。 杨华、攀小文等1 35 】运用了m o d l s 的b r d f 反照率提取算法a m b 黜钒s 并进孝亍了 实现，该算法的核心是核驱动b i o f 模型。阿布都瓦斯提吾拉木、秦其明等人【3 6 】在 基于6 s 模裂的可见光、近红外遥感数据的大气校正研究中，采用了基于6 s 模型和大气 p 城表b ) f 耦合效应豹大气校正方法计算目标物真实辐射亮凌和反射寒。采用豹技术 流稷是首先对遥感数据进行辐射订正，然后计算大气顶部反射率，最后慕6 s 模烈推导 地袭豹真实反射率，并消除地气耦合效应。龙飞，赵英隧等【3 目在多兔度n o a a 卫星数 据上采用地灏b r d f 反射率的大气校正方法获得了多个角度大气校正后的图像。胡宝新 口8 】等人提出了b 融) f 大气订正环的大气校正方法。这种方法首先用6 s 模型作基予朗伯 体的大气校芷，并通过一系列在不同成像几何条件的订正结果，在b r j ) f 模型库中找到 一种最能描述这些数据的模型，最后根据反演的模型参数进行基于b r d f 的大气校正。 1 1 4 结论 综上所述，大气校正问题是定量遥感的基础理论问题，虽然在这个问题的研究横跨 几个学科，困难重重，但其囊大的理论和应鹾侩值仍受至4 广泛的熏褫，国内外学者前赴 后继地进行研究。目前，我国在这方面的研究都集中在对国外方法的优化，尚没有先全 自主的模型。基于图像本身豹校正方法在一定穗度上箍纯了传输模型豹计辣，虽然其优 点不容忽视，但其在校正的过程中主观因素较大。国内的研究也偏重于此。而基于辐射 传输模型的大气校则应为大气校正的未来发展趋势。本研究从影响太阳辐射大气衰减的 因素入手，旨在建立基于辐射传输理论的遥感图像大气校正综合模型，填补了国内研究 的不足，具有很高的创新性。 1 2 研究目标和意义 随着定量遥感技术邋速发展，特别是利用多传感器、多时相遇感数据进行土地利用 和土地覆盖变化监测、全球资源环境分析、气候变化监测等的需要，使得遥感图像大气 校正方法的研究越来越受至i 重视。卫星相关技术的提高，给研究工作者提供了丰富的遥 感影像资源，为他们的研究提供了强有力的支援。但是真接使用没有经过大气校正的影 像，磷究豹耩度就要降低。在缀多帻况下，影像是否经过了高质豢的大气梭正能决定影 像使用者研究的成败。正因此，本文所进行的遥感图像大气校正的研究具肖理论和实践 嚣方耍的重大意义。 1 2 1 研究目标 随着遥感技术的广泛发展，通过大最地使用遥感数据提高工作效率已被各相关行业 人士所认可。但是，电于遥感卫星是在大气上界接收地露数据，这些数据衣通过大气豹 过程中，可预见的是必定会受到大气各成份的影响。如何校正遥感影像是摆在遥感工作 者砸前亟需解决的问题。显然，大气对遥感影像数据的影响是非常复杂的。 本文在传统辐射传输理论豹基础上，对在大气传输过程中影响遥感影像的各种因子 进行了分析，并对其中重要的因子进行了计算分析，最终目标是建立一个新的遥感影像 大气校正模型。这个模型应该能吸取国内夕 最新的研究成栗，芳熊正确豹反演翘面辐浆 率，而且具有比较高的大气校正准确性。 1 2 2 研究意义 ( 1 ) 学术徐篷 从5 0 年代到现在，辐射传输理论也是处于不断的完酱之中。目前，国内学者还没 有完整系统蟪建立叁己豹模型，多都处于对国乡 研究模型和研究理论的修敬工作中。本 研究在国内外的研究成果上，从理论上分析大气影响因子，建立大气校正模型，并编程 实现这一算法。本文提出豹摸型虽然在精度上没有国外的模型高，但是也能达到一般研 究要求，满足遥感图像的处理需要，在学术上填补了国内的空白。本研究的成果，将极 6 大减丰富遥感影像大气校正理论，吴鸯御新性。 ( 2 ) 应用价值 遥感数据在当前各领域中起到了越来越重要的作用。如果大气校正的方便程度和校 正精度能达到各行业对遥感数据的要求，将进一步推动遥感影像数据的使用，推动各个 行娅的发展。本研究将构建一个完整的大气校正模型，通过i d l 语言进行模型的实现。 用本模型能肖效的消除大气对遥感影像的吸收和散射，恢复地表目标的反射率，解决了 行业应用的瓶颈，进一步扩展遥感与地理信息技术的应用范围。 第二章辐射传输衰减因子 2 1 大气辐射传输机制及物理基础 在太阳光谱中，航空航天传感器所测量的辐射主要是地一气系统中地表反射的太阳 辐射。所测量的反射值主要依赖于地表反射，但是也受到大气吸收和分子及气溶胶散射 的影稚。 在理想情况下( 不考虑大气影响) ，太阳辐射照射在地面上，其中一部分光子被地 表物体吸收，露其余光子煲| j 被反射匪太空孛。因此，传感器绣测爨鳃辐射傣与星标地物 的特性有直接的联系，辐射值可以表征出真实地物地表反射的特征。 但是在实际帻况中，传感器所测绲的辐射篮受到大气的影响，只有一部分来自予目 标地物反射后的光子能够到达卫星传感器。典型的情况下，在o 8 5 h m 为8 5 ，而在 0 4 5 岫为5 0 。因此目标地物的反射似乎变弱了。这是因为其余的光予由于吸收和散 射的作用剐被衰减了。 些光子被气溶胶或者是大气分子吸收，这姥分子包括臭氧、水、氧气、甲烷、氧 化二氮昶二氧化碳等。一般情况下，气溶胶的吸收毙较徽弱。愿卫星传感嚣使用的波谱 频道选择也避开了其吸收严重的波段，因此在我们的研究中，分子吸收因素是一个相对 重要的校正因索。 图2 1 大气对太阳辐射的消减图2 2 大气上嚣直接辐射图2 t 3 地攒反射辐射 妒；妒 鎏过 图2 4 邻近效应图2 5 地表反射后的散射辐射 3 激群f 邋 f 。淹 n瓣鹱蕊鬻嚣l毒 旷冀小蒋呈 。哥厂 幢 瓣 旷=二篷臼 大气吸收常常用l o o 厘米分辨率的统计波段模型来计算。当一些光子被吸收蹿，而 其它光子被散射。分子吸收和非吸收的气溶胶散射之间的交叉作用是变化的。光子经过 大气被向菜一个特定的方向散射，蠢不是一个随机的方向，这样经过了蕈次或多次豹教 射过程，这魑光子最终离开大气，到达卫星传感器，然而这个路径要比真接路径更复杂。 首先，考虑从太阳到地表路径上的来自太刚和大气散射的光子：这些光子的部分 没有达到地表而直接被散射回外太空，它们作为传感器所接收辐射能量的一部分。这一 部分辐射能量是干扰项，它没有携带任何目标地物的信息；其余的光子到达地表补偿了 直接太阳路径上辐射量削弱，这一部分辐射能量最终到达步 太空而成为有用的信息。 其次，我们来分析在地衮至卫星路径上被地表反射和被大气散射的光子。这些光 子中豹一部分将被教射至传感器，困此必须 予缯考虑。如果地表楚均一的，这邦分光子 是有用的信息，但是如果地表具有碎片结构，则这一部分光子将由于引进了环境影响而 成为了干扰因素。 最后，彼地表反射的光予的一部分被大气散射回地袭，这部分光子将构成地表的第 三部分辐射能量。且这部分光予将继续与地表和大气作用，但是一般来说，这个相互作 用过程是比较微弱的，因此这部分辐射能量可以忽略，饿为了提高研究的精度，我们仍 然对它进行了计算。 从以上豹定量撼述中，我髓能够得出：一令精薅豹大气影响模型壤氛括一个精确豹 大气吸收模趔，一个复杂的散射模型和一个较为近似的大气吸收过程与散射过程的交互 作用的模拟模型。 2 2 大气吸收特性 2 2 1 气体分子吸收特性 太阳辐射实际上楚影响大气活动和大气环境的重要能量来源。而在熊量的转换过程 中，大气成份对太阳辐射和地球长波辐射的吸收则是极为重要的。 对太阳辖射的啜 殴起主要作用的有0 2 、0 3 、n 2 、c 0 2 、h 2 0 、以及孤子氧帮氮。臭 氧分子、原子氧和氮的电子跃迁吸收主要出现在太阳辐射的紫外区域：h 2 0 、0 3 和c 0 2 的掇动转动跳跃跃迂豹吸收荣j 琵| | 出现连红丹区域。在太阳光谱的可见区域只有非常少量 的吸收。 对地球长波辐射来说，h 2 0 的吸收是最重要的，其次就是c 0 2 、0 3 以及c h 4 、n 2 0 、 c f c s 等大气痕量气体。但由于h 2 0 主要集中在大气下层，因而它的吸收作用主要在对 流层，特别是对流层下层。0 3 在平流层有一浓度较大的区域，即所谓臭氧层，因而它的 吸收作用主要在乎流层p 鄹。丽c 0 2 的混合比在大气中几乎是均匀豹，所以，在水汽含量 极少的平流朦中，c 0 2 的吸收就成为了主要的了。这三种气体和其他大气痕量气体在长 波溪域的吸收带都是分子振动、转动雾级豹跃迂豹结果。 9 吸 收 截 面 一 厘 米。 波长( 毫微米) 巨2 6 大气气体吸收光谱 在图2 6 中分别绘出了一然大气气体的短波和红外吸收光谱。下面对一些大气气体 的吸收光谱作一个简单的介绍。 ( 1 ) 水汽吸收 水汽是大气中最重要的吸收成份，它在大气中的含蹩可随时间和空间有很大的变 化，它的光谱比其它正常大气成份的要复杂得多。h 2 0 是一个不对称陀螺分子，以氧颞 子为顶点，构成一个等腰三角形，它的两个o h 键之间的夹角为1 0 4 。3 0 。h 2 0 分子 有蓿很强的永电偶极矩，因而水汽分子除很多振动转动带外，还有强和宽广的纯转动带， 其波长范围从1 0 微米直延伸到几厘米，标准状态下带强度是1 7 多5 1 0 6 厘米一，线 宽o 0 8 7 厘米一。最强的谱线吸收出现在8 0 2 6 0 厘米。 ( 2 ) c 0 2 吸收 二氧化碳是地球大气中另一种重要的红外吸收气体，在通常的低层大气中，它的体 积混合比约为o 0 3 3 。c 0 2 是其有一个对称中心的三原子分子。在振动基态，c o 键 长度为o 1 1 6 3 2 毫微米，转动常数为o 3 9 5 9 厘米一。c 0 2 没有永电偶极矩，因此不存在 纯转动光谱。c 。2 有3 n 一5 = 4 个振动释由度， l 应有4 种基本振动方式。 ( 3 ) 0 3 吸收 臭氧是大气中第三种重要的吸收气体，它由三个氧原子组成，构成一个等腰三角形， 顶角为1 1 6 。4 9 ，腰的长度0 1 2 7 8 毫微米。0 3 熄一个不对称陀螺分子，有一个永i 电偶 极矩，等于o 5 8 d 。 0 3 对太阳短波辐射有很强的吸收作用，它的电子跃迁带出现在可见和紫外区域，紫 井嚣最强酌h a r t l e y 带位于2 2 0 3 2 0 毫微米。珏a n l e y 带是由大量间距约为1 + o 毫微米豹 弱带所构成的个连续的强吸收带，它的吸收与温度稍稍有关刚。 在h a r t l e y 喾的短波翼，吸收系数逐渐下降，到2 0 0 灌微米处她现极小僮，然矮又 开始增加，在1 4 0 毫微米以下出现一系列极大值，最大值在1 2 2 毫微米处。 1 0 在h a r t l e y 带的长波翼，从3 0 0 毫微米到3 4 5 毫微米，有着眈其它区域更瞻照的带 状结构，这是0 3 的h u g g i n s 带，它的吸收明显与温度有关。 从4 4 0 滚微米到7 5 0 毫微米是0 3 豹c h a p p 懂s 带，它的吸收较弱，在吸收峰傻处， 当大气质量为2 时，它对太阳辐射的吸收才7 。 从3 4 0 毫微米到4 5 0 毫微米是0 3 光谱中比较透明的区域，只有在非常长的路径时， 才能产生可测量到的吸收。 各个0 3 短波吸收带对太阳辐射的寝减可用图2 7 来说明。图中上面的曲线是6 0 0 0 k 的慧体发射光谱，用它来近似到达地萄的太鬻辐身| 的光谱分布。图2 7 中的数字1 、2 和3 分别表示h a m e y 带，h u g 西n s 带和c h a p p 呵s 带。可以看到0 3 在紫外区的吸收带 ( h 酬e y 带，以及h u g 垂n s 带) 对地球大气有特别重要的意义，0 3 对紫夕 辐射豹强烈 吸收造成了到达地面的太阳光谱在短予o 3 微米的波长区出现“不连续”。 厂、 弋 ， i 2 、 么4 炊7 f 0 20 30 40 5o 6o 7 o ，8 ( 札) 图2 7 臭氧对太阳辐射瓣吸收 臭氧对太阳辐射的吸收约占整个太阳辐射邋量的1 5 到3 ，这视太阳高度和大气 中的0 3 含量褥定。京整个北半球，平均来说，大气臭氧所吸收鼹太阳辐射约为2 1 。 0 3 的h a r t l e y 带对大气遥感探测也有十分重要的影响。在对流层中，对几公熙的距 离来说，0 3 吸收并不妨碍激光探测。但对l o 到4 0 公里的大气漂来说，由于0 3 主要出 现在这一层中，故可造成o 2 3 到o 3 微米的太阳辐射强烈地衰减( 在2 3 公里处，吸收 系数可达到2 1 公里“) ，从丽使工作在o 3 微米以下的激光探测器受到散射太阻辐射的 影响大为减少，显著地提高了信嗓比。 ( 4 ) 其它气体 除了上面介绍的三种对大气辐射吸收最为熏要的大气分子的吸收带，其它大气分子 也都有各叁不同豹吸收光谱。 大气中含量最多的n 2 分子，它没有永电偶极矩，但在分子碰撞的过程中，分子可 以产生诱发的偶极距，它可以形成2 4 0 0 到2 5 0 0 厘米。1 的振转吸收带和从3 0 0 0 厘米4 开 始，中心在l o o 厘米附近的转动带，在大气路径很长时，能观察到其吸收效应。在2 9 厘米d 处，n 2 的吸收可占海平面以上熊层大气垂直路径上总吸收的2 0 。在光谱的远紫 外区域，b 有电子跃迂光谱。 0 2 是大气中含擞仅次于n 2 的分子，它也是没有永电偶极矩的双原予分子，但它有 一个密电子魏旋与整个分子的角动量稚互作雳露产生的磁矩。困j 筵：，在6 0 千兆赫附近 产生一个微波光谱，在118 千兆赫有一祭吸收线；此外，在亚毫米波区域还有一些线系， 并题律到红孙区。0 2 的6 0 予多赫带被胡来进行微波遥感探测。 在光谱的远紫外隰，0 2 有几个电子跃迁吸收带系，其中包括1 7 5 2 0 2 6 毫微米的 s c h u m 锄一r l m g e 系和2 4 2 2 6 0 毫微米的h e 凶e r g 系。在1 0 5 一1 7 5 毫微米和更短的波 长处，也有一些强的0 2 吸收带，但它们尚未得到很好的研究。例如，在8 5 一1 0 5 滗微 米有个h o p e f i e l d 带和许多来被鉴定的带。在8 5 毫微米以下是一个连续吸收区，其极 大值如现在6 0 4 0 毫微米辩近。上蠢这些。2 的设狡带对盏接太阳辐莉逶爨的吸收是非 常小的，但对有些问蹶却是十分重要的。例如，2 4 2 毫微米的辐射影响着氧的离解程度， 恧这过程与大气中舆氧豹形成有关；在l l o 一2 2 0 毫微米豹太阳辐射的吸收明显地影 响着高层大气的热结构( 例如，在9 0 一1 2 5 公里的大气中，在不同的高度上，氧对太阳 辐射的吸收可造成空气温度每小时有几十度的变化) 。所以，在高层大气中，0 3 、0 2 和 n 2 等大气成份的远紫外太阳辐射的吸收对发生在那里的各种过程都有着极其重要的意 义。 c 1 4 是一个球形院螺分子，它在大气中豹含嚣甚微，也没有永电偶极矩。c 磁豹电 子光谱在波长大于1 4 5 毫微米时是不重要的，在短于1 4 5 毫微米有连续的吸收带。c h 4 有四个基频振转带，只有在3 0 2 0 3 蓬米d 的o3 带农在 3 0 6 1 2 厘米d 的v4 带是红铃光谱 带。但是，由于振转能相互作用，在1 5 2 6 厘米1 的u2 带也能出现在光谱中。由于f e r n l i 共振和c o r i o l i s 作用使得u3 和u4 振动的减弱并消失，造成谱线结构非常复杂。除了基 频带，c 强还有泛频光谱带，融经观测到的有2 6 0 0 ，3 8 2 3 ，3 0 1 9 ，4 1 2 3 ，4 2 1 6 ，4 3 1 3 ， 4 4 2 0 ，5 7 7 5 ，5 8 6 1 和6 0 0 5 厘水。等。其中u4 带( 7 。6 6 微米) 吸收处在地气长波辐射峰 区范围，又位于大气红终窗口嚣浆短波一绷，它的窗墨毅毅效应在大气辐射收支中莉着 实际的重要性。 n 2 0 是不对称的线性之原子分子( n n o ) ，它的电偶扳矩为0 1 6 6 6 d ，转动常 数为o 4 1 8 2 原米。在微波区存在转动光谱。它的三个綦频振转带出现在1 2 8 5 6 厦米正 ( ul 带) ，5 8 8 8 厘米“( u2 ) 和2 2 2 3 。5 厘米d ( ”3 ) ，这些带的光谱结构与c 0 2 的光谱 结构有相似之处，u l 和u3 带只有p 和r 光谱支，而”2 带尉同时有p 、q 和r 三个光 谱支。此外，n 2 0 还有以下一系列红外吸收带：1 1 6 7 ，2 2 l o ，2 4 6 1 5 ，2 5 6 3 5 ，2 5 7 7 ， 2 7 9 8 6 ，3 3 6 5 6 ，3 4 8 1 2 ，4 3 8 9 ，4 4 1 7 5 ，4 6 3 0 f 3 襁4 7 3 0 9 蓬米d 等谱带，并显它氇蠢着 丰富的紫外光谱，从3 0 6 5 毫微米开始有几个宽广的连续吸收区。n 0 2 除了是中、高层 大气中光化学过程中活跃的成份以外，由于它的大气浓度接近甲烷，荠且观测显示如逐 年增加的趋势，处在地气长波辐射能量峰区的n 2 0 红外谱带吸收效应也受到人们的重 视。 n o 的振转谱带对大气辐射传输过程没有壹接的重要性，僵它的电离位势低，易于 受太阳紫外线( 1 3 4 1 毫微米) 作用而电离，一般认为电离层d 区的产生与它有关。 另外，它的微波谱带使于1 5 0 积2 5 0 予s 赫，绘n 0 浓度的大气逶感提供了可性。 此外，氟利昂和氯碳化合物，s 0 2 ，n 地，h n 0 3 和c 2 h 2 等痕量气体也都有其备自 1 2 的吸收谱带，它们对大气红外窗口区髓吸收有一定贡献。 2 。2 2 大气吸收影响诗算 在太阳光谱中，大气分子吸收主要由于氧气、臭氧、水汽、二二氧化碳、甲烷和氧化 二氮等气体的影豌。其中，氧气、二裁化碳、甲烷程氧纯二氮在混合大气中被认为是连 续的、均一的。水和臭氧则随着时空变化而变化，在研究中我们将着重分析后两者之间 的影响。 大气分子通过改变分子旋转、振动和电子状态来吸收太阳辐射。而这些辐射熊量的 变化是微弱的，与吸收或者散射的光子的微弱的频率相一致。吸收或散射的光子的微弱 频率主要分布在微波或者远红外范围。分子振荡跃迁与在近红外波段开放的吸收光谱相 一致。大气分子同时也发生旋转变化并且引起振动转动带。最后，电子的跃迁与更重要 豹量相适应嚣弓| 起在可见必波段秽紫外波段上的吸收和敖射光谱。但由于这些转变驭 一种不连续的值出现，使得大气吸收系数按照不同频率 常迅速地变化而且展现出了一 个j 常复杂的结构。 一旦在个吸收带中的每一条线的位置、强度和形状都知道了，那么，通过线模型 综合可以精确地计算出大气吸收的量。但是这样的计算模型太复杂了，而且需要太多的 计算时间，所以有必要寻找一个简化谳保证结莱精度的带模型。我们通过使用 主i w t a n 的数据库将太阳光谱分为光谱间隔为1 0 0 厘米。这个带宽能够很好地描述不同气体吸收 带之闻发射龙谱和吸收光谱的变化，蹩进一步蓑，它还镪括了足够多豹吸收线来使褥传 输模型能更好的适应这个问题。 我 f 选择了两个带指数模型，g o o d y ( 1 9 6 4 年) 的水气带模型和m a l k n u s ( 1 9 6 7 年) 的其它气体带模型。当几种气体共同作用造成了吸收光谱带的时候，我们把整个大气传 输作用看作是多种气体作用的代数和。 为了构建一个复杂的统计模型捶述，在这巢我们介绍一下每一种气体在o 2 5 啪爨 4 岫l 的波段问的标准大气( u s 一1 9 6 2 定义的标准大气和太阳位于天顶角上时的大气) 模 型中的计算结果。觅强2 。s 。 髫善嚣嚣宝宝：兰墨篙嚣五嚣蔫i 譬王尊蔫； 豳2 8 ( a ) 水的吸收光谱 警蕃誊葚= ：j = 苎意0 ：# 量2 二熹羞# 图2 8 ( b ) 臭氧的吸收光谱 图2 + 8 ( c ) 二氧化碳瓣吸收光谱 塑2 8 ( d ) 氧气的吸收光谱 图2 8 ( e ) n 2 0 的吸收光谱 图2 8 ( f ) c h 4 的吸收光谱 水汽的主要贡献分布在波长大于o 7 m 的波段。相反的，臭氧在o 5 5 岬到o 6 5 岫 之间表现出一个很强的吸收效应，而在波长小与o 3 5 扯m 的波谱上的吸收很微弱。二氧 化碳的贡献主要在l 岫1 波段，但是比水汽要微弱许多，两且仅仅干扰水汽窗口。氧气 的影响只限于o 7 岬1 ，但是比较强。而c h 4 在2 3 址m 和3 3 5 岬处表现出两个吸收带。 最后，氧化二氮的贡献出现在2 9 阻和3 9 啡处。 总而言之，在整个太阳光谱中，我们通过卫星上的陆地观测仪能获得很好的大气窗 口：禚可见光部分从o 4 0 到o 7 5 拉m ，在近红外和中红外有o 8 5 、1 0 6 、1 2 2 、1 。6 0 、2 2 0 u m ( 如黼2 9 所示) 1 4 图2 9 ( c ) o 8 5 p m 她的大气赛疆图2 9 ( d )1 0 6 婵l 处的大气鬻日 图2 9 ( f ) 1 6 0 岬处的大气窗口 圈2 9 ( 曲2 2 0 脚处的大气窗口图2 9 国) 3 7 0 p m 处瓣大气窑目 2 - 3 大气散射效应 2 3 1 理想条件下的辐射传输 首先，假定地表是均一的朗伯体反射面，大气性质均一，在水平上是均一的，在垂 直上是变化的，且忽略大气潞流、折射等影响，此时地面反射率p + 被定义为： p + ：要 ( 2 1 )1 雒s e s 、。1 为所测量的辐射值，露为大气上界的太阳辐射通量，( c o s 钆) ，其中馥为太 阳天顶角。 大气光学厚度记为r ，卫星遥感器的蕊测方向由天颈角氐和方位角哦表征，面太 阳天顶角和方位角用o 。、奴表示。n 为目标地物的反射率。此时，不考虑大气吸收。 闰2 1 0 观测角与方位角示意图 为了方便起见，将卫星遥感器所接收到的辐射值表示为一个双地气系统孛辐射作用 的连续函数。 对于被大气衰减的下行太阳辐射通量为： e 篓= p s es e l 如s毽萄 对于被大气散射衰减的下行太阳辐射通量为：e 箩；它受到物体表面的反射性质决 定，这种反射性质称为散射透射因子“，它的定义为： ) ：堕掣 j 丘5 ( 2 3 ) 二次散射通量是一耱离散机锈；它依赖于目标的环境箍与地露与大气之间的连续反 射和散射相一致。如果大气的半球反射率被定义为s ，在可通过下列公式表示这一项： 由上面的分析可以得到， p 一叫蜥+ f ( 最) 成s + 房s 2 + ( 2 4 ) 强目标表面上所有的正常化辐射可以用下面的公式表达： r ( 岛) l 一8 s( 2 5 ) 这里，丁( 靠) 就是总的透过量，可以表示为： r ( 岛) = p 一_ + 0 ( b )( 2 6 ) 在卫星级别上，辐射率由以下因素弓l 起： 被物体表面直接皮射和从她表至传感器传输过程中反射的太附辐射的总贡献数( 直 接反射加上扩散) 由g 一咿一和以= c o s ( 眈) 表示。 1 6 一妙 大气内部的辐射用反射系数的函数见( 岛，b ，出一九) 表示。 围环境反射，使得光子被散射到达传感器； o 所以，表观反射系数p t 在卫星级别上可以表示为： p + ( 岛r ，印t ，丸一办) = 成( 岛，& ，丸一办) + 三罢( n e 一机+ n 巧帆) ) ( 2 7 ) 实际上，函数b 岛和，；乱是吻合的而且原理一致，所以p + 可以重写为： p + ( 岛，钐，蟊一办) 2 成( 懿，印，热一办) + r 尝万r ( 靠) 联& ) ( 2 8 ) 其中，f ( 印) = p 一咖”+ 岛蛾) 。 2 3 2 嚣境溺数 最初，我们假设掰标物m 的反射系数为疋掰，一个均匀环境的反射系数为见村。 在这种情况下，给出了每个反射系数的权重，则方程( 2 7 ) 中p + 可以重新表示为： p + ( 或一，印，杰一办) = 以( 靠，印，丸一九) + 三罢( 成( 弦k 一咖”+ 见( 肼k ) ) ( 2 9 ) 如果考虑至l 目标地物的嚣均一性，且保持与方程( 2 9 ) 的形式稽同，定义一个新的环 境反射系数并记录为 ，用来描述在整个表面上的每一个像素反射系数的空间平 均值。 p + ( b ，b 一，蟊一办) = 见( 岛，& ，砖一办) + i 羝魄k 一机+ 似k 蛾) ) ( 2 1 0 ) 这个空间的平均值必须考虑到点m 到点m 的距离效率的大气函数，因此， 可由式f 2 1 1 ) 表示： 1 7 周0黼m 勤蝎 黼勒的澍蒯腹拼渤婀气 幺戮嘭 删南野蚴幻，鼠蚴 ( 2 1 1 ) 图2 1 l 卫星坐标系 貌处，m 是x y 坐标体系的魇点；x 趸点m z ，_ y 豹反