第六章：大气效应校正和大气参数反演

1 第六章大气效应及大气纠正和大气参数反演 2 大气效应纠正ATMOSHPHERICEFFECTCORRECTION 3 大气效应纠正ATMOSHPHERICEFFECTCORRECTION 利用遥感数据进行应用时 首要的一步是要从卫星对地观测所得上行信号中区分大气和地表各自的贡献 然后再从各自的贡献中分析反演大气和地表的物理参数 从物理实质上看 这是地 气系统辐射传输问题 对地表遥感而言 即为大气效应校正问题 而对大气遥感而言 则是地表背景作用的扣除问题 确切的说 这是同一个问题的两个方面 对同一波长而言 卫星对地观测在同一时刻只有一个观测值 而至少有两个或者两个以上的未知量 即大气光学厚度和地表反照率 因此问题的解事不确定的 必须要增加新信息 以解决反演求解的不确定性 4 大气效应纠正ATMOSHPHERICEFFECTCORRECTION 回顾平面平行大气的辐射传输方程 给定边界条件 可以求解辐射传输方程 实际上 遥感图像大气校正的目的是求取地表反射率 从某种意义上来说 是要求解边界条件 从辐射传输方程来看 这是一个十分复杂的过程 5 1 零反射地表假设 零反射地表是对地表 大气耦合系统辐射传输问题的简化 它假设地表反射率为零 传感器接收到的辐射全部来自大气 通过零反射地表假设 我们可以求解大气程辐射 从而将遥感图像中来自地表的辐射和来自大气的辐射分离 使遥感大气订正模型得以大大简化 6 1 对于近红外与可见光波段 大气自身辐射可以忽略不计 大气路径辐射顶主要来源于大气对太阳辐射的多次散射 对于多次散射的计算可以通过求解辐射传输方程 如离散坐标法 或者直接用蒙特卡洛方法模拟获得 在实际应用中 我们又往往通过已有的大气辐射传输模式软件来计算 如6S软件 Lowtran软件 Modtran软件等 2 对于热红外波段 多次散射一般可以忽略不计 但大气和地表自身发射必须考虑 3 对于中红外波段 则既需要考虑地表与大气自身的发射 同时又要考虑大气的多次散射作用 因此更加复杂 我们不展开讨论 7 2 朗伯体地表大气订正方法 设N 代表离开大气上界的总光子数 则 代表与地表碰撞i次以后穿越大气的光子数 若R 0 为地表发射率 代表光子向下运动 n代表处在大气低层的光子数 令 g描述了与地表碰撞了i次以后 所有向上运动的光子数中 有多少个光子最终能穿出大气 所以g值只与大气状态有关 与地表状况无关 令 h描述了与地表碰撞i次以后 向上运动的光子数中究竟有多少光子会被大气弹回地面 所以h值只决定于大气状况 8 2 朗伯体地表大气订正方法 所以 因为h与R均小于1 所以 如果假定第一次碰撞的反射率为1 则 9 2 朗伯体地表大气订正方法 仅讨论可见光 近红外波段为了问题的简化 在地表朗伯体 大气水平均一假设条件下 我们可以得到 其中 分别为观测天顶角与太阳天顶角 为传感器接受到的辐射亮度 为观测方向的路径辐射项 为地表反射率 S为大气下界的半球反射率 为大气层顶与太阳光垂直方向的通量密度 10 利用入射太阳辐射项归一化上式可得 式中是大气顶部反射率 是大气的路径辐射项等效反射率 将T可以分为直射和散射两部分 是总体光学厚度 是散射透射 如何进行遥感图像的大气校正呢 即如何求得地表反射率 11 1 已知大气状况的校正方法如果已知大气的垂直廓线 温 湿 压 大气水汽含量 大气光学厚度 气溶胶 以及气溶胶模式 我们可以通过大气辐射传输模式模拟 计算三个不同地表反射率条件下的大气层顶辐射亮度 进而求解得到 S和F值 而达到大气效应纠正的目的 对于可见光 近红外波段而言 大气状况最主要的影响因素是大气气溶胶的变化 即大气光学厚度的变化 因此关键是如何估算遥感图像的气溶胶分布 12 13 3 暗目标方法 Dark ObjectMethods 如果图像中包含有浓密的植被 因为浓密植被在可见光反射率很低 被称为暗目标 因此传感器所接收的辐射主要来自于大气的程辐射 可以用于大气光学厚度的估算 其算法的基本思路如下 14 a 确定暗目标的存在 利用植被指数高和红外波段反射率低的特性 或利用中红外通道 2 1和3 8 的反射率低的特性 b 利用中红外通道的观测估计暗像元在红和蓝通道的反射率 c 给定气溶胶模式 气溶胶谱分布 折射指数 单次散射反照率等 d 利用气溶胶模型计算的辐射传输查找表 将遥感观测的辐射亮度反演为气溶胶光学厚度 e 利用得到的气溶胶光学厚度对整幅遥感影像进行内插 得到整幅图像的光学厚度 f 对整幅影像进行大气校正 15 4 其它大气校正方法 直方图匹配法 HistogramMatchingMethods 假设晴空条件与大气浑浊条件下地表反射率的直方图分布相同 算法被ERDAS和PCI等图像处理软件采用 反差减少法 ContrastReductionMethods 气溶胶散射减小地表反射率的差异 因此局部图像方差可以用于估算气溶胶光学厚度 16 第六章大气效应及大气纠正和大气参数反演 大气的遥感探测 17 大气的遥感探测ATMOSHPHERICREMOTESOUNDING大气气溶胶遥感探测大气水汽遥感探测大气垂直廓线的遥感探测 18 气溶胶是气体和在重力场中具有一定稳定性的沉降速度小的质粒的混合系统 大气气溶胶的尺度范围通常10 3 m到101 m 1984年第11届国际核化和气溶胶会议关于气溶胶质粒的术语协议认定为由水以外的相同物质组成的固态或液态质粒 无稳定的固态或液态水附着其上 例如尘埃 烟粒 海盐颗粒 微生物 植物孢子 花粉等都是气溶胶粒子 但不包括云 雾 冰晶 雨雪等水成物 大气气溶胶 气溶胶按其来源可分为人工源和自然源两大类 人工源为人类活动所产生 例如 由煤 木炭 石油燃烧和工业活动所产生的大量固体烟粒和吸湿性物质 核武实验所引起的微尘和放射性裂变产物等 自然源为自然现象所产生 如土壤微粒和岩石的风化 森林火灾与火山爆发所产生的大量烟粒和微尘 海洋上的浪花溅沫进入大气形成的吸湿性盐核 另外还有宇宙尘埃 陨石燃烧后进入大气的成分 气溶胶主要存在于对流层 19 大气气溶胶遥感探测大气气溶胶通过散射与吸收阳光对地球系统辐射平衡有重要的影响 气溶胶粒子在很多生物地球化学循环中起着重要的作用 气溶胶构成大气污染源 如沙尘暴 烟尘等 气溶胶是影响遥感图像质量的重要因素 是遥感图像校正的必须输入的参数 20 当假设陆地表面为均匀的朗伯体表面时 卫星传感器所测量的大气顶层的表观反射率可以表示为 大气气溶胶遥感探测 在单次散射近似中 程辐射可以表示为 为分子散射造成的程辐射 21 大气气溶胶遥感探测 在已知大气模式 气溶胶模型 地表反射率 表观反射率以及相关几何信息的情况下 可以计算出气溶胶光学厚度 然而在实际情况下 精确的大气模式和地表反射率是很难确定的 在实际应用中 气溶胶模型和地表反射率是未知的 因此陆地气溶胶光学厚度反演 需要首先解决这两个问题 为了从表观反射率反演气溶胶光学厚度 需要合理假设气溶胶模型 以提供单次散射反照率和气溶胶散射相函数 在确定了气溶胶模型 地表反射率 相应的几何信息后以及表观反射率后 便可以根据上式反演出气溶胶光学厚度 22 陆地气溶胶光学厚度反演方法 目前气溶胶光学厚度反演最常用的方法之一就是暗目标法 在低地表反射率的情况下 卫星测得的反射率随大气气溶胶光学厚度的增加而增加 这是暗目标法反演气溶胶光学厚度的基本原理 对于海洋而言 在不考虑镜面反射的情况下 水面对于太阳直射辐射的反射是很小的 并且大气分子的密度与组成相对比较稳定 因而能够比较容易的反演出海洋上空的气溶胶光学厚度 对于陆地上空 虽然地表反射率相对海洋显著增加 而且不同地物的反射率差异明显 但是浓密植被在蓝光 0 45微米 和红光 0 6 0 7微米 波段的反射率非常低 这些下垫