一种基于查找表的热红外大气校正参数化方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于查找表的热红外大气校正参数化方法，由以下七个步骤组成：热红外大气校正预处理、大气组分逐层光学厚度估算、光学厚度的参数化模型系数确定、逐层大气特征参数的计算、大气特征参数的整体估算、偏差修正系数确定、大气特征参数偏差改正。本发明通过将大气垂直分层，分别考虑线性水汽、连续水汽以及其它气体组分对热红外观测数据的影响，重新逐层参数化大气特征参数，并结合热红外参数化模型系数查找表，高精度的获取热红外大气校正所需的大气特征参数，即大气透过率和大气上下行辐亮度，缩短了热红外大气校正的处理时间，提高了热红外大气校正的效率，实现了热红外大气校正的实时高精度处理。
【专利说明】
一种基于查找表的热红外大气校正参数化方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种大气校正方法，尤其涉及一种基于查找表的热红外大气校正参数 化方法。
【背景技术】
[0002] 定量热红外遥感研究的首要任务是高精度的反演地表温度和发射率，然而由于大 气的存在，导致热红外谱段的电磁波即便在晴空条件下穿过大气时仍与大气中的各种气体 分子和微粒发生作用，使得地表的热红外辐射数值到达传感器时发生了改变，因此为了准 确获取地表温度和发射率就必须精确获取大气信息，即大气透过率和上下行辐亮度，进而 消除大气的影响，实现精准的大气校正。
[0003] 目前，热红外大气校正方法主要分为两种，即经验-半经验的统计方法和物理方 法。对于经验-半经验的统计方法而言，主要是在获取大气水汽总含量的基础上，利用大气 水汽总含量和大气参数间的二次统计关系，来进行大气透过率和大气上下行辐亮度的估 算;这种统计方法缺乏物理机理的解译，统计回归系数依赖于训练数据，且不能有效考虑大 气垂直剖面温湿度的变化，大气校正的精度具有较大的不确定性，回归系数区域性的特点 使得经验-半经验的统计方法不适用于全球尺度的热红外大气校正。对于物理方法而言，主 要是在获取同步大气温湿度廓线的基础上，利用辐射传输模型（如M0DTRAN)来模拟给定条 件下的大气参数，完成大气透过率和大气上下行辐亮度的估算;物理方法虽然能够充分考 虑大气温度和湿度的垂直变化，大气校正的精度较高，但是由于物理方法使用的辐射传输 模型的输入参数较为复杂，非专业人员无法轻易掌握，加之执行速度较慢，使得物理方法不 能得到有效应用推广，无法满足实时的热红外大气校正的需要。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于查找表的热红外大 气校正参数化方法。
[0005] 为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于查找表的热红外大 气校正参数化方法，由以下七个步骤组成：
[0006] S1、热红外大气校正预处理:根据热红外传感器获取数据的时间和地点，挑选像元 对应的时空匹配的大气温湿度廓线，并将大气温湿度廓线数据的位势高度ZM的单位转换为 千米、大气压强P的单位转换为百帕、大气温度T的单位转换为开尔文、大气湿度H 20的单位 转换为克每立方米;将大气垂直分为25层，随后将获取的大气温湿度廓线的位势高度、大气 温度以及大气湿度都线性内插值至基准大气压强处，同时获取像元的观测天顶角；
[0007] S2、大气组分逐层光学厚度估算：先对大气进行垂直分层，将热红外传感器第i通 道大气第1层的光学厚度表示成水汽线性吸收，水汽连续吸收和其它气体吸收三部分的贡 献，用公式(1)表示： r , _ JU〇 , JUOc , other
[0008] rz. +r/?/- + tlj ⑴
[0009] 其中，Tl>1为热红外传感器第i通道大气第1层大气总光学厚度，为线性水汽第 i通道大气第1层的光学厚度，为连续水汽第i通道大气第1层的光学厚度，<fCT'为其它 气体第i通道大气第1层的光学厚度；
[0010] I、线性水汽的光学厚度<^可通过公式(2)计算获取：
[0012]其中，表示线性水汽的光学厚度计算函数；，&=和3巧是线性水汽参数 化模型系数，它们的数值取决于第1层的平均大气温度h、平均大气压强PjP热红外传感器 通道i ; exp表示以自然常数为底的指数函数;log表示以自然常数为底的对数函数;A>H2〇是 大气第1层垂直路径上的水汽含量;9 V是观测天顶角；
[0013] 公式⑵中A.吵可表示为：
[0015] 其中，2111,_和2111>。*分别表示大气第1层的顶部和底部的位势高度；112〇1,*。1)和 HsCh.bot分别表示大气第1层的顶部和底部的大气湿度；log表示以自然常数为底的对数函 数;rat 为模型中间变量，其值为(H20i, toP-H20i, bcit) /H20i, b〇t。
[0016] n、连续水汽的光学厚度<》&可通过公式(4)计算获取： ^M，Oc r /" H20c ^ H2()c ^ H20c \ XH =Jm〇Ad0J 5ai,r >a2,r ) (4) =i〇-%[a；；；OC x(a^OC)UA( xAMTPdf+a?H；°c x AMTP,gJ
[0018]其中，/^Qb表示连续水汽的光学厚度计算函数;#^，是连续水汽参 数化模型系数，它们的数值取决于热红外传感器通道i ; TFAC、AMTPself和AMTPfrgn均是模型中 间变量，它们的数值分别表不为：
[0022]其中，Pi,top和Pi,bot分别表不大气第1层的顶部和底部大气压强;Ti,top和Ti,b〇t分别 表不大气第1层的顶部和底部大气温度;ZMi,t〇P和ZMi,b〇t分别表不大气第1层的顶部和底部 位势高度；log表示以自然常数为底的对数函数；心是观测天顶角；丨i和〃(或者 和丑 20怎）均为模型中间变量，分别表示大气第1层顶部(或者底部）的水汽自加宽 和外加宽吸收贡献，它们在第1层的数值分别表示为：
[0025]其中，Pi,top和Pi,bot分别表不大气第1层的顶部和底部大气压强;Ti,top和Ti,b〇t分别 表不大气第1层的顶部和底部大气温度;H2〇l,top和H2〇l,bot分别表不大气第1层的顶部和底部 大气湿度;1出。 1)和肌。*为模型中间变量，其值可表示为：
[0027] 其中，IXtojPIXbot分别表示大气第1层的顶部和底部大气温度;exp表示以自然常 数为底的指数函数。
[0028] m、其它气体的光学厚度'的计算公式为：
[0030]其中，匕也^表示其它气体的光学厚度计算函数;D是大气第1层的垂直厚度，表示为 〇 = 2111,_-2111,^;21^。1)和2111,^分别表示大气第1层的顶部和底部的位势高度；< <；'和 是其它气体光学厚度的参数化模型系数，它们的数值取决于第1层的平均大气温度h、 平均大气压强Pi和热红外传感器通道i。
[0031] S3、光学厚度的参数化模型系数确定:对线性水汽和其它气体光学厚度的参数化 模型系数采用逐层确定的方式来获取，对连续水汽光学厚度的参数化模型系数采用不分层 整体确定的方式来获取;若事先已经获取了对应热红外传感器通道i的光学厚度的参数化 模型系数，则可以直接跳过步骤S3;
[0032]在对上述模型系数获取的过程中构建不同大气条件组合;将观测天顶角分别设置 为0°、33.56°、44.42°、51.32°、56.25°和60°，使用辐射传输模型M0DTRAN，并考虑热红外传 感器通道i的通道响应函数，同时获取线性水汽、连续水汽及其它气体在不同情况下的通道 光学厚度和<广，利用最小二乘数学优化技术，逐层数据回归获取线性水汽和 其它气体光学厚度的参数化模型系数，全部数据回归连续水汽光学厚度的参数化模型系 数，创建光学厚度的参数化模型系数查找表，并保存线性水汽、连续水汽以及其它气体的光 学厚度的参数化模型系数；
[0033] S4、逐层大气特征参数的计算：读取插值后的大气温湿度廓线以及热红外传感器 像元的观测天顶角，然后逐层分别计算所需的大气组分的光学厚度；
[0034] 对线性水汽光学厚度，根据每一层的实际大气温度和大气压强，选择对应通道的 参数化模型系数，并对构建的线性水汽光学厚度的参数化模型系数进行大气温度和大气压 强的双线性内插，获取实际大气状况对应的线性水汽参数化模型系数，计算线性水汽光学 厚度〈C〉：
[0035] 对连续水汽光学厚度，根据每一层的实际大气温度和大气压强以及对应通道的参数化 模型系数，结合构建的连续水汽光学厚度的参数化模型系数，计算连续水汽光学厚度;
[0036] 对其它气体光学厚度，根据每一层的实际大气温度和大气压强，选择对应通道的 参数化模型系数，并对构建的其它气体光学厚度的参数化模型系数进行大气温度和大气压 强的双线性内插，获取实际大气状况对应的其它气体参数化模型系数，计算其它气体光学 厚度;
[0037] I、逐层大气透过率<ti,i(0v)>的计算：
[0038] ^ )} = exp(- (r：f ) - {r；!f ) - (<f- )) (12)
[0039] 其中，<ti,i( 0V)>表示估算出的热红外传感器第i通道大气第1层大气透过率;0V表 示像元的观测天顶角；；表示估算的热红外传感器第i通道大气第1层的线性水汽光 学厚度表示估算的热红外传感器第i通道大气第1层的连续水汽光学厚度"<广> 表示估算的热红外传感器第i通道大气第1层的其它气体光学厚度；
[0040] n、逐层大气上行辐亮度的计算： _1]〈4〉= 0-〈，/，,.⑷)〉)沒〇；4) (13)
[0042] 其中，表示估算的热红外传感器第i通道大气第1层大气上行辐亮度；<t1;1 (0V)>表示观测天顶角0V估算的热红外传感器第i通道大气第1层大气透过率;B为普朗克函 数;Ti为大气第1层平均大气温度，表;^为1'1 = 0.51'1，_+0.51'1，1^，1'1，_、1'1，1^分别为大气第 1层顶部、底部的大气温度为热红外传感器第i通道的等效中心波长；
[0043] m、逐层大气下行辐亮度>的计算：
[0044] 〈4〉= (1-〈，,v(^)〉WU) (14)
[0045] 其中，表示估算的热红外传感器第i通道大气第1层大气下行辐亮度；<t1;1 (053。）>表示采用公式（12)并把观测天顶角0设置为53°估算的热红外传感器第i通道大气第 1层大气透过率；B为普朗克函数；Ti为大气第1层平均大气温度，表示为Ti = 0.5Ti,tc>P+ 0.5Ti,b〇t，!'1,1；@、1'1,1)。1；分别表不大气第1层顶部、底部的大气温度;&为热红外传感器第：[通 道的等效中心波长；
[0046] S5、大气特征参数的整体估算:根据逐层大气特征参数进行整体特征参数估算的 方法如下：
[0047] I、大气总透过率<ti(0v)>的计算： _]〈_'.)〉=合⑷.)〉 (15)
[0049] 其中，〈tjev)〉为估算的观测天顶角0V对应的热红外传感器第i通道大气总透过 率;n为数学上的连乘符号;为观测天顶角0 V下估算的热红外传感器第i通道大气 第1层大气透过率；
[0050] n、大气总上行辐亮度〉的计算：
[则⑷=￡[(点〈4,灘〉)〈4〉"] (16) J-2S L 一
[0052] 其中，</；>力估算的热红外传感器第i通道大气总上行辐亮度；E为数学上的求和 符号；n为数学上的连乘符号;<t M(0v)>为观测天顶角0V下估算的热红外传感器第i通道大 气第k层大气透过率为估算的热红外传感器第i通道大气第1层大气上行辐亮度；
[0053] m、大气总下行辐亮度的计算： (遵么风。)〉)〈4〉 07) 1=1 L _
[0055]其中，为估算的热红外传感器第i通道大气总下行辐亮度；E为数学上的求和 符号；n为数学上的连乘符号;<tM( 053。）〉表示采用公式(12)并把观测天顶角设置为53°估 算的热红外传感器第i通道大气第k层大气透过率；表示估算的热红外传感器第i通道 大气第1层大气下行辐亮度；
[0056] S6、偏差修正系数确定:对上述步骤中简化和近似导致的大气特征参数估算偏差， 需要进一步采用统计回归的方式，构建相应的方程组，回归求解所需的偏差修正系数（ f、f、f、cf、cf、Cf、cf、cf和cf)来对估算的大气特征参数的偏差 进行修正;若事先已经获取了偏差修正系数，则可以直接跳过步骤S6;
[0057] I、针对标准大气，辐射传输模型M0DTRAN和参数化方法估算的通道i大气总透过率 间的关系可由公式（18)中的一元二次经验关系近似表示，即：
[0058] )>?,v -x(u^))L (叫
[0059] 其中，〈ti(0v)>MQDTRAN为考虑标准大气全部层的大气温湿度廓线，先采用辐射传输 模型M0DTRAN算出观测天顶角0 V对应的总透过率光谱，然后跟热红外通道光谱响应函数积 分后得到的通道i大气总透过率;〈tdev)〉?是采用参数化方法，通过公式（15)得到的通道i 大气总透过率;<aa、cr均是通道大气总透过率的偏差修正系数；
[0060] n、针对标准大气，福射传输模型M0DTRAN和参数化方法估算的通道大气总上行辐 亮度间的关系可由公式(19)中的一元二次经验关系近似表示，即：
[0061] II]) =cf+e；'Tx(zJ) +c；rx(/jV (19)
[0062] MODTRAN算出的大气总上行辐亮度光谱，然后跟热红外通道光谱响应函数积分后得到的通 道i大气总上行辐亮度；是采用参数化方法，最后通过公式（16)得到的通道i大气总 上行辐亮度;cf、cf、cf均是通道大气总上行辐亮度的偏差修正系数；
[0063] m、针对标准大气，辐射传输模型MODTRAN和参数化方法估算的通道大气总下行辐 亮度间的关系可由公式(20)中的一元二次经验关系近似表示，即：
[0064] (t) = c^+c^x/z：) +c^x(z：y (20) \ / MODTRAN \ 1 I PM " \ 1 I PM
[0065]其中，<<是考虑标准大气全部层的大气温湿度廓线，采用辐射传输模型 MODTRAN算出的大气总下行辐亮度光谱，然后跟热红外通道光谱响应函数积分后得到的通 道i大气总下行辐亮度；是采用参数化方法，最后通过式（17)得到的通道i大气总下 行辐亮度；cf、cf和cf是通道大气总下行辐亮度的偏差修正系数；
[0066] S7、大气特征参数偏差改正：利用偏差修正系数，结合步骤S5获取的大气特征参 数，进行大气特征参数偏差的改正，获取高精度热红外通道大气透过率和上下行辐亮度，进 而实现精确和方便快捷的热红外大气校正；
[0067] I、大气总透过率偏差改正的计算：
[0068] {/())〇>11. x (/, (a)}+cr x i〇s ))2 (2D
[0069] 其中，〈ti(0v)>Ccirr是观测天顶角0 V对应的偏差改正后的通道i大气总透过率;<ti (9V)>是步骤S5中采用公式（15)获取的通道i大气总透过率;ef"、q_、tT"均是通道大气 总透过率的偏差修正系数；
[0070] n、大气总上行辐亮度偏差改正的计算：
[0071] 〈I,〉( =c《+c、' x〈L,.〉+ 4 x〈I,〉 (22)
[0072] 其中，是偏差改正后的通道i大气总上行辐亮度;是步骤S5中采用公式 (16) 获取的通道i大气总上行辐亮度；c(f、tf、cf均是大气总上行辐亮度的偏差修正 系数；
[0073] m、大气总下行辐亮度偏差改正的计算：
[0074] )c〇rr =：C^+Cilx{L'} + X )' _
[0075] 其中，是偏差改正后的通道i大气总下行辐亮度;是步骤S5中采用公式 (17) 获取的通道i大气总下行辐亮度;cf、cf、均是大气总下行辐亮度的偏差修正 系数。
[0076] 本发明通过将大气垂直分层，分别考虑线性水汽、连续水汽以及其它气体组分对 热红外观测数据的影响，重新逐层参数化大气特征参数，并结合热红外参数化模型系数查 找表，高精度的获取热红外大气校正所需的大气特征参数，即大气透过率和大气上下行辐 亮度，缩短了热红外大气校正的处理时间，提高了热红外大气校正的效率，实现了热红外大 气校正的实时高精度处理。
【附图说明】
[0077]图1为本发明的整体步骤流程图。
【具体实施方式】
[0078]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。
[0079]如图1所示，本发明由以下七个步骤组成：
[0080] S1、热红外大气校正预处理:根据热红外传感器获取数据的时间和地点，挑选像元 对应的时空匹配的大气温湿度廓线，并将大气温湿度廓线数据的位势高度ZM的单位转换为 千米，用km表示;将大气压强P的单位转换为百帕用hPa表示;将大气温度T的单位转换为开 尔文，用K表示;将大气湿度H 20的单位转换为克每立方米，用g/m3表示;将大气垂直分为25 层，25层的大气的边界层基准大气压强分别为20hPa、50hPa、100hPa、150hPa、200hPa、 250hPa、300hPa、350hPa、400hPa、450hPa、500hPa、550hPa、600hPa、650hPa、700hPa、750hPa、 8001^&、8251^&、8501^&、8751^&、9001^&、9251^&、9501^&、9751^&、10001^&、10301^& ;随后 将获取的大气温湿度廓线的位势高度、大气温度以及大气湿度都线性内插值至基准大气压 强处，同时获取像元的观测天顶角，单位为rad;
[0081 ] S2、大气组分逐层光学厚度估算:在热红外波段，大气透过率主要由气体吸收所决 定，分子散射和气溶胶影响都可以忽略，因此首先对大气进行垂直分层，将热红外传感器第 i通道大气第1层的光学厚度表示成水汽线性吸收，水汽连续吸收和其它气体吸收三部分的 贡献，用公式(1)表示： _ _ 11^0 U，Oc ' other
[0082] Tt. = TLj- + T,f + TLj ⑴
[0083] 其中，T1;1为热红外传感器第i通道大气第1层大气总光学厚度，为线性水汽第 i通道大气第1层的光学厚度，为连续水汽第i通道大气第1层的光学厚度，r；f#为其它 气体第i通道大气第1层的光学厚度；
[0084] I、线性水汽的光学厚度可通过公式(2)计算获取：
[0086] 其中，表示线性水汽的光学厚度计算函数；<=，和 是线性水汽参数 化模型系数，它们的数值取决于第1层的平均大气温度h、平均大气压强PjP热红外传感器 通道i ; exp表示以自然常数为底的指数函数;log表示以自然常数为底的对数函数;是 大气第1层垂直路径上的水汽含量，单位为g/m 2; 0V是观测天顶角；
[0087] 公式（2)中A取)可表示为：
[0089]其中，2111,_和2111,^分别表示大气第1层的顶部和底部的位势高度；11 201,*。1)和 HsOuot分别表示大气第1层的顶部和底部的大气湿度；log表示以自然常数为底的对数函 数;rat 为模型中间变量，其值为(IfcOi, top-IfcOi, bcit) /UOi, bcit。
[0090] n、连续水汽的光学厚度可通过公式(4)计算获取： rf / H2()c H20c "H2()c>. ~ J H^〇C \^OJ 5 ^2,i / (4)
[0091] " 二 icr20 xjag0c X(aff0e)TFAC X AMTPself+ag〇e X AMTPfign]
[0092] 其中，/邱>表示连续水汽的光学厚度计算函数;是连续水汽参 数化模型系数，它们的数值取决于热红外传感器通道i ; TFAC、AMTPself和AMTPfrgn均是模型中 间变量，它们的数值分别表不为：
[0096]其中，Pi,top和Pi,bot分别表不大气第1层的顶部和底部大气压强;Ti,top和Ti,b〇t分别 表不大气第1层的顶部和底部大气温度;ZMi,t〇P和ZMi,b〇t分别表不大气第1层的顶部和底部 位势高度；log表示以自然常数为底的对数函数；心是观测天顶角；和巧〇￡；!(或者 丑2〇;1和)均为模型中间变量，分别表示大气第1层顶部(或者底部）的水汽自加宽 和外加宽吸收贡献，它们在第1层的数值分别表示为：
[00"]其中，Pi,top和Pi,bot分别表不大气第1层的顶部和底部大气压强;Ti,top和Ti,b〇t分别 表不大气第1层的顶部和底部大气温度;H2〇l,t〇p和H2〇l,bot分别表不大气第1层的顶部和底部 大气湿度;1出。 1)和肌。*为模型中间变量，其值可表示为：
[0101]其中，Ti,__和Ti,b〇t分别表不大气第1层的顶部和底部大气温度;exp表不以自然常 数为底的指数函数。
[0102] m、其它气体的光学厚度的计算公式为：
[0104]其中，匕^^表示其它气体的光学厚度计算函数;d是大气第1层的垂直厚度，单位为 km，表示为0 = 2111,_-2111,^;2111,_和2111,^分别表示大气第1层的顶部和底部的位势高度； 和是其它气体光学厚度的参数化模型系数，它们的数值取决于第1层的平均大气 温度h、平均大气压强巧和热红外传感器通道i。
[0105] S3、光学厚度的参数化模型系数确定:估算线性水汽、连续水汽以及其它气体光学厚 度的关键是获取对应的参数化模型系数(a^，a|Jf，a=，aJifSaJT，aff，a^T 和)，其中线性水汽光学厚度的参数化模型系数(<=，a丨=和aff)以及其它气体光学厚 度的参数化模型系数(C和#D都是第1层的大气温度h和大气压强及热红外通道i 的函数，而连续水汽光学厚度的参数化模型系数(<r，和a〖f°)仅是热红外通道i的 函数。因此对线性水汽和其它气体光学厚度的参数化模型系数采用逐层确定的方式来获 取，而对连续水汽光学厚度的参数化模型系数则采用不分层整体确定的方式来获取;如果 事先已经获取了对应热红外传感器通道i的光学厚度的参数化模型系数，则可以直接跳过 步骤S3;在光学厚度的参数化模型系数获取的过程中，按照表1所示的大气垂直分层温湿压 配置组合表构建不同大气条件组合；
[0106] 表1大气垂直分层温湿压配置组合表
[0109] 之后，将观测天顶角分别设置为0°、33.56°、44.42°、51.32°、56.25°和60°，使用辐 射传输模型M0DTRAN，并考虑热红外传感器通道i的通道响应函数，同时获取线性水汽、连续 水汽及其它气体在不同情况下的通道光学厚度r/f、7§ &和<^，并依照公式（2)、公式 (4)和公式(11)表述的数学关系，利用最小二乘数学优化技术，逐层数据回归获取线性水汽 和其它气体光学厚度的参数化模型系数，全部数据回归连续水汽光学厚度的参数化模型系 数，创建由表2所示的光学厚度的参数化模型系数查找表，并保存线性水汽、连续水汽以及 其它气体的光学厚度的参数化模型系数。
[0110]表2大气组分光学厚度的参数化模型系数查找表
[0112] S4、逐层大气特征参数的计算:读取插值后的大气温湿度廓线以及热红外传感器 像元的观测天顶角，然后逐层分别计算所需组分的大气光学厚度。
[0113] 对于线性水汽光学厚度，根据每一层的实际大气温度和大气压强，选择对应通道 的参数化模型系数，并对表2构建的线性水汽光学厚度的参数化模型系数进行大气温度和 大气压强的双线性内插，获取实际大气状况对应的线性水汽参数化模型系数，接着利用式 (2)和式(3)计算线性水汽光学厚度;
[0114] 对于连续水汽光学厚度，根据每一层的实际大气温度和大气压强以及对应通道的 参数化模型系数，结合表2构建的连续水汽光学厚度的参数化模型系数，利用公式（4)~ (10) 计算连续水汽光学厚度
[0115] 对于其它气体光学厚度，根据每一层的实际大气温度和大气压强，选择对应通道 的参数化模型系数，并对表2构建的其它气体光学厚度的参数化模型系数进行大气温度和 大气压强的双线性内插，获取实际大气状况对应的其它气体参数化模型系数，接着利用式 (11) 计算其它气体光学厚度<<广> &
[0116] I、逐层大气透过率<ti,i(0v)>的计算：
[0117] = exp(-{<f }-(<P)-{<f-)) (12)
[0118] 其中，<ti,i(0v)>表示估算出的热红外传感器第i通道大气第1层大气透过率；0V表 示像元的观测天顶角；exp表示以自然常数为底的指数函数；表示估算的热红外传感 器第i通道大气第1层的线性水汽光学厚度；>表示估算的热红外传感器第i通道大气 第1层的连续水汽光学厚度；(<广'>表示估算的热红外传感器第i通道大气第1层的其它气 体光学厚度。
[0119] n、逐层大气上行辐亮度的计算：
[0120] {4) = (1-(^(^)})5(7；^) (13)
[0121] 其中，表示估算的热红外传感器第i通道大气第1层大气上行辐亮度；<t1;1 (0V)>表示观测天顶角0V估算的热红外传感器第i通道大气第1层大气透过率;B为普朗克函 数;Ti为大气第1层平均大气温度，表;^为1'1 = 0.51'1，_+0.51'1，1^，1'1，_、1'1，1^分别为大气第 1层顶部、底部的大气温度为热红外传感器第i通道的等效中心波长。
[0122] m、逐层大气下行辐亮度的计算：
[0123] {4) = C1-{^(^)}W^) (14)
[0124] 其中，表示估算的热红外传感器第i通道大气第1层大气下行辐亮度；<t1;1 (053。）>表示采用公式（12)并把观测天顶角0设置为53°估算的热红外传感器第i通道大气第 1层大气透过率；B为普朗克函数；Ti为大气第1层平均大气温度，表示为Ti = 0.5Ti,tc>P+ 0.5Ti,b〇t，!'1,1；@、1'1,1)。1；分别表不大气第1层顶部、底部的大气温度;&为热红外传感器第：[通 道的等效中心波长。
[0125] S5、大气特征参数的整体估算:根据逐层大气特征参数进行整体特征参数估算的 方法如下：
[0126] I、大气总透过率<ti(0v)>的计算：
[0127] 〈(狀)〉= §〈(,.狀)〉 (13)
[0128] 其中，〈tjev)〉为估算的观测天顶角0V对应的热红外传感器第i通道大气总透过 率;n为数学上的连乘符号;为观测天顶角0 V下估算的热红外传感器第i通道大气 第1层大气透过率。
[0129] n、大气总上行辐亮度的计算：
[0130] 〈4〉= t (,(1加)〉)〈/；,.〉 (16) /-25 L
[0131]其中，为估算的热红外传感器第i通道大气总上行辐亮度；E为数学上的求和 符号；n为数学上的连乘符号;<tM(0v)>为观测天顶角0V下估算的热红外传感器第i通道大 气第k层大气透过率为估算的热红外传感器第i通道大气第1层大气上行辐亮度。
[0132] m、大气总下行辐亮度的计算： \ t
[酬⑷=￡ (盘〈n)〉)〈4〉 (17) l-l L _
[0134] 其中，为估算的热红外传感器第i通道大气总下行辐亮度；E为数学上的求和 符号；n为数学上的连乘符号;〈tkjew)〉表示采用公式（12)并把观测天顶角0设置为53° 估算的热红外传感器第i通道大气第k层大气透过率;表示估算的热红外传感器第i通 道大气第1层大气下行辐亮度。
[0135] S6、偏差修正系数确定：由于大气校正参数化方法中没有考虑通道响应函数积分 先后顺序的影响，且忽略了位势高度高于30km的大气温湿度廓线，此外还将观测天顶角设 置为53°来近似表示大气下行辐亮度估算过程中的等效观测天顶角，因此上述简化和近似 都会导致估算的大气特征参数出现偏差。需要进一步采用统计回归的方式，估算出偏差修 正系数来对估算的大气特征参数的偏差进行修正。由此，借助辐射传输模型M0DTRAN提供的 标准大气温湿度廓线，采用M0DTRAN获取标准大气对应的实际大气特征参数，并利用公式 (1)~（17)获取参数化方法估算的大气特征参数，即大气透过率和大气上下行辐亮度，按照 公式（18)、（19)、（20)所提供一元二次经验关系，构建相应的方程组，回归求解所需的偏差 修正系数（C、C、<H、ef、#、cf、cf、ef和Gf)。如果事先已经获取了 偏差修正系数，则可以直接跳过步骤S6。
[0136] I、针对标准大气，辐射传输模型M0DTRAN和参数化方法估算的通道i大气总透过率 间的关系可由公式（18)中的一元二次经验关系近似表示，即：
[0137] + ^ X)),, + X)>；, (18)
[0138] 其中，<ti(9v)>MQDTRAN为考虑标准大气全部层的大气温湿度廓线，先米用福射传输 模型M0DTRAN算出观测天顶角0 V对应的总透过率光谱，然后跟热红外通道光谱响应函数积 分后得到的通道i大气总透过率;〈tdev)〉?是采用参数化方法，通过公式（15)得到的通道i 大气总透过率;cfM、cf?、均是通道大气总透过率的偏差修正系数。
[0139] II、针对标准大气，福射传输模型M0DTRAN和参数化方法估算的通道大气总上行辐 亮度间的关系可由公式(19)中的一元二次经验关系近似表示，即：
[0140] (l： \ ' -I c[ ' x/l； \ -I ci ' x(4\ (3 9)
[0141] 其中，是考虑标准大气全部层的大气温湿度廓线，采用辐射传输模型 V / MODTRAN MODTRAN算出的大气总上行辐亮度光谱，然后跟热红外通道光谱响应函数积分后得到的通 道i大气总上行辐亮度；是采用参数化方法，最后通过公式（16)得到的通道i大气总 上行辐亮度wf、ef、ef均是通道大气总上行辐亮度的偏差修正系数。
[0142] m、针对标准大气，辐射传输模型M0DTRAN和参数化方法估算的通道大气总下行辐 亮度间的关系可由公式(20)中的一元二次经验关系近似表示，即：
[。143]〈4賴(2〇) 剛其中，〈也體是獅准大气全部层的大气温湿度廓线，采用辐射传输模型 M0DTRAN算出的大气总下行辐亮度光谱，然后跟热红外通道光谱响应函数积分后得到的通 道i大气总下行辐亮度；是采用参数化方法，最后通过式（17)得到的通道i大气总下 行辐亮度、cf和cf是通道大气总下行辐亮度的偏差修正系数。
[0145] S7、大气特征参数偏差改正：利用偏差修正系数，结合步骤S5获取的大气特征参 数，使用公式(21)、（22)、（23)进行大气特征参数偏差的改正，获取高精度热红外通道大气 透过率和上下行辐亮度，进而实现精确和方便快捷的热红外大气校正。
[0146] I、大气总透过率偏差改正的计算：
[0147] x(^^)) + ^r X{A(^))2 (2D
[0148] 其中，<ti(0v)>Ccirr是观测天顶角0 V对应的偏差改正后的通道i大气总透过率；<ti (9V)>是步骤S5中采用公式（15)获取的通道i大气总透过率^厂、cf"、ef":均是通道大气 总透过率的偏差修正系数。
[0149] n、大气总上行辐亮度偏差改正的计算： C〇15〇] {L')c,rr =C^+C^X(^) + C^X{^y (22)
[0151] 其中，是偏差改正后的通道i大气总上行辐亮度；(if)是步骤S5中采用公式 (16) 获取的通道i大气总上行辐亮度；ef、ef、ef均是大气总上行辐亮度的偏差修正 系数。
[0152] m、大气总下行辐亮度偏差改正的计算：
[0153] hJ；y - 41 + x {^} +1 x (^ (23)
[0154] 其中，是偏差改正后的通道i大气总下行辐亮度;是步骤S5中采用公式 (17) 获取的通道i大气总下行辐亮度；Cf、ClM、均是大气总下行辐亮度的偏差修正 系数。
[0155] 本发明提出的热红外大气校正方法是通过将大气垂直分层，并结合大气查找表， 重新逐层参数化大气透过率和大气上下行辐亮度，在考虑传感器通道响应函数的基础上， 凭借整体修正来获取热红外通道大气特征参数，即大气透过率和大气上下行辐亮度，进而 实现任意星载热红外传感器观测数据的大气校正。
[0156] 本发明跟传统技术相比，主要具有以下优势：
[0157] (1)通过机理分析和数学推导，有效区分了连续水汽、线性水汽以及其它气体对热 红外传感器观测数据的影响，进而使得本发明提出的大气校正参数化方法具有较为严格的 物理机理，具有一定的通用性，相较传统经验-半经验的统计方法而言，较大提高了热红外 大气校正的精度；
[0158] (2)通过大气垂直分层，逐层参数化大气特征参数，并结合热红外参数化模型系数 查找表，摆脱了物理方法中对辐射传输模型的依赖，相较物理方法而言，在保证热红外大气 校正精度的同时，也极大缩短了处理时间，提高了热红外大气校正的效率。
[0159] 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。
【主权项】
1. 一种基于查找表的热红外大气校正参数化方法，其特征在于:所述方法由以下七个 步骤组成： 51、 热红外大气校正预处理:根据热红外传感器获取数据的时间和地点，挑选像元对应 的时空匹配的大气温湿度廓线，并将大气温湿度廓线数据的位势高度ZM的单位转换为千 米、大气压强P的单位转换为百帕、大气温度T的单位转换为开尔文、大气湿度H 20的单位转 换为克每立方米;将大气垂直分为25层，随后将获取的大气温湿度廓线的位势高度、大气温 度以及大气湿度都线性内插值至基准大气压强处，同时获取像元的观测天顶角； 52、 大气组分逐层光学厚度估算：先对大气进行垂直分层，将热红外传感器第i通道大 气第1层的光学厚度表示成水汽线性吸收，水汽连续吸收和其它气体吸收三部分的贡献，用 公式(1)表示：其中，R:为热红外传感器第i通道大气第1层大气总光学厚度，为线性水汽第i通道 大气第1层的光学厚度，为连续水汽第i通道大气第1层的光学厚度，为其它气体第 i通道大气第1层的光学厚度； 53、 光学厚度的参数化模型系数确定:对线性水汽和其它气体光学厚度的参数化模型 系数采用逐层确定的方式来获取，对连续水汽光学厚度的参数化模型系数采用不分层整体 确定的方式来获取;若事先已经获取了对应热红外传感器通道i的光学厚度的参数化模型 系数，则可以直接跳过步骤S3; 在对上述模型系数获取的过程中构建不同大气条件组合；将观测天顶角分别设置为 0°、33.56°、44.42°、51.32°、56.25°和60°，使用辐射传输模型MODTRAN，并考虑热红外传感 器通道i的通道响应函数，同时获取线性水汽、连续水汽及其它气体在不同情况下的通道光 学厚度利用最小二乘数学优化技术，逐层数据回归获取线性水汽和其 它气体光学厚度的参数化模型系数，全部数据回归连续水汽光学厚度的参数化模型系数， 创建光学厚度的参数化模型系数查找表，并保存线性水汽、连续水汽以及其它气体的光学 厚度的参数化模型系数； 54、 逐层大气特征参数的计算:读取插值后的大气温湿度廓线以及热红外传感器像元 的观测天顶角，然后逐层分别计算所需的大气组分的光学厚度； 对线性水汽光学厚度，根据每一层的实际大气温度和大气压强，选择对应通道的参数化 模型系数，并对构建的线性水汽光学厚度的参数化模型系数进行大气温度和大气压强的双线 性内插，获取实际大气状况对应的线性水汽参数化模型系数，计算线性水汽光学厚度; 对连续水汽光学厚度，根据每一层的实际大气温度和大气压强以及对应通道的参数化模 型系数，结合构建的连续水汽光学厚度的参数化模型系数，计算连续水汽光学厚度; 对其它气体光学厚度，根据每一层的实际大气温度和大气压强，选择对应通道的参数化 模型系数，并对构建的其它气体光学厚度的参数化模型系数进行大气温度和大气压强的双线 性内插，获取实际大气状况对应的其它气体参数化模型系数，计算其它气体光学厚度 l、 逐层大气透过率ω,Κθν)〉的计算：其中，〈t^Ov)〉表示估算出的热红外传感器第i通道大气第1层大气透过率；θν为像元 的观测天顶角;exp为以自然常数为底的指数函数;表示估算的热红外传感器第i通道 大气第1层的线性水汽光学厚度；表示估算的热红外传感器第i通道大气第1层的连 续水汽光学厚度；表示估算的热红外传感器第i通道大气第1层的其它气体光学厚 度； Π 、逐层大气上行辐亮度的计算：其中，表示估算的热红外传感器第i通道大气第1层大气上行辐亮度;〈t1;1(0v)〉表 示观测天顶角θν估算的热红外传感器第i通道大气第1层大气透过率;B为普朗克函数;1^为 大气第1层平均大气温度，表亦为Ti = 0.5Ti，t〇P+0.51'1，1^，1'1，_、1'1，1^分别为大气第1层顶 部、底部的大气温度为热红外传感器第i通道的等效中心波长； m、 逐层大气下行辐亮度的计算：其中，表示估算的热红外传感器第i通道大气第1层大气下行辐亮度;〈〖^(053。）〉 表示运用公式（12)并把观测天顶角Θ设置为53°估算的热红外传感器第i通道大气第1层大 气透过率;B为普朗克函数;Τι为大气第1层平均大气温度，表示为Ti = 0.5Ti,tcip+0.5Ti,bcit， IXtc^IXb。^别表示大气第1层顶部、底部的大气温度;Μ为热红外传感器第i通道的等效中 心波长； S5、大气特征参数的整体估算:根据逐层大气特征参数进行整体特征参数估算的方法 如下： 1、大气总透过率〈1^(0〇〉的计算：其中，〈tdev)〉为估算的观测天顶角Θν对应的热红外传感器第i通道大气总透过率；Π 为数学上的连乘符号;为观测天顶角θν下估算的热红外传感器第i通道大气第1层 大气透过率； π、大气总上行辐亮度 的计算：其中，为估算的热红外传感器第i通道大气总上行辐亮度；Σ为数学上的求和符号； Π 为数学上的连乘符号;<tM(0v)〉为观测天顶角θν下估算的热红外传感器第i通道大气第k 层大气透过率;为估算的热红外传感器第i通道大气第1层大气上行辐亮度； m、大气总下行辐亮度 > 的计算：其中，为估算的热红外传感器第i通道大气总下行辐亮度；Σ为数学上的求和符 号；Π 为数学上的连乘符号；<tk,4053。）〉表示采用公式（12)并把观测天顶角Θ设置为53°估 算的热红外传感器第i通道大气第k层大气透过率;表示估算的热红外传感器第i通道 大气第1层大气下行辐亮度； S6、偏差修正系数确定:对上述步骤中简化和近似导致的大气特征参数估算偏差，需要 进一步采用统计回归的方式，构建相应的方程组，回归求解所需的偏差修正系数（ cf' ef% C(f、cf、cf、ef、if和cf)来对估算的大气特征参数的偏差进 行修正;若事先已经获取了偏差修正系数，则可以直接跳过步骤S6; I、针对标准大气，辐射传输模型MODTRAN和参数化方法估算的通道i大气总透过率间的 关系可由公式（18)中的一元二次经验关系近似表示，即：其中，<ti(0v)〉MQDTRAN为考虑标准大气全部层的大气温湿度廓线，先米用福射传输模型 MODTRAN算出观测天顶角θν对应的总透过率光谱，然后跟热红外通道光谱响应函数积分后 得到的通道i大气总透过率;〈^(θν)〉?是采用参数化方法，通过公式（15)得到的通道i大气 总透过率;cT、cf均是通道大气总透过率的偏差修正系数； Π 、针对标准大气，辐射传输模型MODTRAN和参数化方法估算的通道i大气总上行辐亮 度间的关系可由公式(19)中的一元二次经验关系近似表示，即：其中，是考虑标准大气全部层的大气温湿度廓线，采用辐射传输模型 \ / mUiJlRAN MODTRAN算出的大气总上行辐亮度光谱，然后跟热红外通道光谱响应函数积分后得到的通 道i大气总上行辐亮度；是采用参数化方法，最后通过公式（16)得到的通道i大气总 上行辐亮度;cf、cf、cf均是通道大气总上行辐亮度的偏差修正系数； ΙΠ 、针对标准大气，辐射传输模型MODTRAN和参数化方法估算的通道i大气总下行辐亮 度间的关系可由公式(20)中的一元二次经验关系近似表示，即：其中，是考虑标准大气全部层的大气温湿度廓线，采用辐射传输模型 MODTRAN算出的大气总下行辐亮度光谱，然后跟热红外通道光谱响应函数积分后得到的通 道i大气总下行辐亮度；是采用参数化方法，最后通过式（17)得到的通道i大气总下 行辐亮度;cf、Clu和cf是通道大气总下行辐亮度的偏差修正系数； S7、大气特征参数偏差改正：利用偏差修正系数，结合步骤S5获取的大气特征参数，进 行大气特征参数偏差的改正，获取高精度热红外通道大气透过率和上下行辐亮度，进而实 现精确和方便快捷的热红外大气校正； 1、 大气总透过率偏差改正的计算：其中，<ti(0v)〉Ccirr是观测天顶角θν对应的偏差改正后的通道i大气总透过率;< ti(0v)〉 是步骤S5中采用公式（15)获取的通道i大气总透过率；、cr、cr均是通道大气总透 过率的偏差修正系数； Π 、大气总上行辐亮度偏差改正的计算：其中，是偏差改正后的通道i大气总上行辐亮度；是步骤S5中采用公式（16) 获取的通道i大气总上行辐亮度;cf、ef、ef均是大气总上行辐亮度的偏差修正系数； ΙΠ 、大气总下行辐亮度偏差改正的计算：其中，是偏差改正后的通道i大气总下行辐亮度；是步骤S5中采用公式（17) 获取的通道i大气总下行辐亮度;cf、： cf、： 均是大气总下行辐亮度的偏差修正系数。2. 根据权利要求1所述的基于查找表的热红外大气校正参数化方法，其特征在于:所述 线性水汽的光学厚度r/^可通过公式(2)计算获取：其中，Λ2〇为线性水汽的光学厚度计算函数均是线性水汽参数化模 型系数，其数值取决于第1层的平均大气温度、平均大气压强?:和热红外传感器通道i;exp 表示以自然常数为底的指数函数；log表示以自然常数为底的对数函数；是大气第1层 垂直路径上的水汽含量;θν是观测天顶角； 公式(2)中Α 可表示为： 其中，ZMi,tclt^PZMi,bcit分别表示大气第1层的顶部和底部的位势高度;H 20i,tclt^PH20i,bcit分 别表示大气第1层的顶部和底部的大气湿度;log表示以自然常数为底的对数函数;rat为模 型中间变量，其值为(H20i, tcip-H20i, b〇t) /H20i, bot。3.根据权利要求1所述的基于查找表的热红外大气校正参数化方法，其特征在于:所述 连续水汽的光学厚度可通过公式(4)计算获取：其中，表示连续水汽的光学厚度计算函数和<^是连续水汽参数化 模型系数，它们的数值取决于热红外传感器通道i ; TFAC、AMTPseif和AMTPfrgr^是模型中间变 量，它们的数值分别用公式(5)、（6)、（7)表示：其中，Pi, top和Pl,bot分别表不大气第1层的顶部和底部大气压强;Tl, top和Tl,bot分别表不大气 第1层的顶部和底部大气温度;211,_和211,^分别表示大气第1层的顶部和底部位势高度； log表示以自然常数为底的对数函数；θν是观测天顶角；和(或者和 均为模型中间变量，分别表示大气第1层顶部(或者底部)的水汽自加宽和外加宽吸 收贡献，它们在第1层的数值分别用公式(8)、（9)表示：其中，Pi, top和Pi, bot分别表不大气第1层的顶部和底部大气压强；Tl, top和Tl, bot分别表不 其中，1'1,_和1'1>*分别表示大气第1层的顶部和底部大气温度^邱表示以自然常数为 底的指数函数。4.根据权利要求1所述的基于查找表的热红外大气校正参数化方法，其特征在于:所述 其它气体的光学厚度<^的计算公式为：大气第1层的顶部和底部大气温度;H2〇l,top和H2〇l,bot分别表不大气第1层的顶部和底部大气 湿度;1出。[)和肌。*为模型中间变量，其值可表示为：其中，fother表示其它气体的光学厚度计算函数;D是大气第1层的垂直厚度，表示为D = ZMi.top-ZMi.bc^ZMi.tc^PZMi.b。^别表示大气第1层的顶部和底部的位势高度; <=和<「是 其它气体光学厚度的参数化模型系数，它们的数值取决于第1层的平均大气温度^、平均大 气压强Pi和热红外传感器通道i。
【文档编号】G01J5/00GK105928620SQ201610232469
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】吴骅, 李召良, 唐荣林, 房世峰, 唐伯惠
【申请人】中国科学院地理科学与资源研究所