气溶胶参数差异条件下对地观测辐射图像的快速仿真方法
【专利摘要】本发明公开了一种气溶胶参数差异条件下对地观测辐射图像的快速仿真方法，包括：步骤1：选定标准气溶胶廓线参数；步骤2：查表法反演场景中各像素单元的气溶胶参数；步骤3：查询各像元对应的真实地表高程信息；步骤4：计算各像元的消光系数等效地表高度；步骤5：二流近似方法求解辐射传输方程，得到各类辐射的辐射矩阵；步骤6：获得各像元的光谱特性信息；步骤7：辐射矩阵插值方法仿真对地观测辐射图像。本发明图像仿真速度快，与传统方法相比，相同平台下仿真计算速度可提高10?20倍；该方法的通用性好：所提出的仿真方法不受场景中气溶胶参数设定方法的限制，既适用于仿真真实在轨传感器的观测图像，也适用于仿真想定观测场景的红外辐射图像。
【专利说明】
气溶胶参数差异条件下对地观测福射图像的快速仿真方法
技术领域
[0001] 本发明设及对地观测福射图像的仿真技术领域，具体设及一种气溶胶参数差异条 件下对地观测福射图像的快速仿真方法。
【背景技术】
[0002] 地球大气中，除了包含氮气(化）、氧气(〇2)、二氧化碳(0)2)、氣气(Ar)等气体成分 夕h还含有悬浮的尘埃、液滴、冰晶等固体或液体颗粒，运些颗粒统称为气溶胶（参见文献 [1]张建奇，方小平.红外物理[M].西安：西安电子科技大学出版社.2004.6.)。受各类气体 及气溶胶的散射及吸收作用的影响，红外福射在大气中传输将产生衰减。另一方面，通过理 论计算仿真对地观测福射图像，并同天基平台传感器的遥感实际结果进行比对，进而反演 实测图像中的气溶胶空间分布特性及成分组成，在气象观测、农业遥感及空间监视等领域 有重要应用。
[0003] 特定观测几何关系条件下，通过求解福射传输方程（参见文献[2化.Stamnes, S.Tsay,and I.Laszlo.DISO民T，a General-Purpose FO民T民AN Program for Discrete- Ordinate-Method 民adiative Transfer in Scattering and Emitting Layered Media: Documentation of Methodology[民/OL].ftp://climate.gsfc.nasa.gov/pub/wiscombe/ 1111"口16_5〇3?/.13万.2000/7111.2014)可^得到传输路径中某一位置的光谱嬌出度己：
[0004]
(I)
[0005] 式中，^表示光谱福出度随传输路径的变化率;A为波长;V为光学厚度；S为福射 dv 源项。
[0006] 图1所示为天基平台传感器接收福射的基本构成示意图（参见文献[3] 民.A.Schowengerdt.Remote SensingiModels and Methods for Image ProcessingiThird Edition[M] .USA: Academic Press ? 2007 ?) D如图I所不，传感器口面处的总光谱嬌照度Et由 地表直接反射嬌射Er、大气路径散射嬌射Es、地表热嬌射Eb及大气热嬌射Ee四部分组成，即：
[0007] Et(A)二 Er(A)+Es(A)+Eb(A)+Ee(A) (2)
[0008] 求解福射传输方程式(1)后，可得各类福射的计算表达式：
[0009] Er(、目V，d)v，目S, 4s)=E〇(入）? Ts(入，目S) ? Pr(入，目V，目S，4v，4s) ? Tv(入，目V) (3)
[0010] Es(入，目V，（K，目S, 4s)=E〇(入）.《 (入）.[I-Ts(入，目S) ? Tv(入，目V)] ? P(入，目V，目S，4v， 4>s) (4)
[O(m]EbaA) = Tv(A，0v).es(A).B(A，Tb)(5)
[001^ Ee(AA) = U-W (入）].[1-Tv(入，目v)].B(、Ta) (6)
[001引式中，0v为观测天顶角；0s为太阳天顶角;斯为观巧巧位角；巧为太阳方位角瓜为 大气顶层的太阳光谱福照；Ts为入射路径的光谱透过率；Tv为观测路径的光谱透过率;Pr为 地表的双向光谱反射率；《为大气的单次光谱反照率;P为大气散射相函数；Es为地表的光 谱发射率;B为黑体光谱福出度;Tb为地表溫度;Ta为大气溫度。
[0014]若福射传输路径上的气体浓度分布不均匀，则可W采用化dis-Godson近似(参见 文南犬[4]A . R. Curti S . Discussion of a Statistical Model for Water Vapour Absorption[J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society.1952,78: 638-640和文献[5]W丄.Godson.Hie Evaluation of Infrared-Radiative Fluxes due to Atmospheric Water Vapour[J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 1953，79:367-379.)将非均匀大气等效为若干均匀子层的总和。如图2所示，W大 气顶层为光学深度零点，依海拔高度将大气划分为均匀的n层。图中qi为大气顶层至第i子 层的光谱光学深度;Vi为大气顶层至第i子层的光谱光学厚度;hi为第i子层的高度;Tl为第i 子层的溫度;ki为第i子层的光谱消光系数;E+表示向上传输的光谱福出度;表示向下传输 的光谱福出度。
[001引根据定义，消光系数ki与光学深度qi有如下关系：
[0016]
(T)
[0017] 消光系数ki与光学厚度Vi的关系定义如下：
[001引
微
[0019] 式中，。为第j子层内的传输路径长度;kj为第j子层的光谱消光系数。
[0020] 式(3)至式(6)中的大气透过率T与光学厚度V为e指数关系：
[0021] T = exp(-v) (9)
[0022] 故将式(8)代入式(9)可得入射路径光谱透过率Ts及观测路径光谱透过率Tv的计算 式：
[0023] (10)
[0024] (U)
[0025] 第i子层的光谱消光系数ki由S部分组成：
[0026] ki(A)=ka(A)+kr(A)+km(A) (12)
[0027] 式中，ka为大气吸收消光系数，简称吸收系数，可采用逐线积分（参见文献[6] S.A.Clough,M.W.Shephard,E.J.Mlawer,et al.Atmospheric Radiative Transfer Modeling:A Summary of the AER Codes[J].Journal of Quantitative Spectroscopyfe Radiative Transfer ,2005,91: 233-244.)、带模式（参见文献[7]A.Berk,L. S.Bernstein, and D.C.Robertson.M0DTRAN:a Moderate Resolution Model for L0WTRAN7[R],AF化- TR-89-0122,化 1.1987.)或k分布（参见文献[8]P. Ricchiazzi，S.化 ng，C. Gautier ,and D.Sowle.SBDART:A Research and Teaching Software Tool for Plane Parallel Radiative Transfer in the Earth's Atmosphere[J].Bulletin of American Meteorological Society, 1998,79(10) :2101-2114.)计算 Ar为大气分子的散射消光系 数，简称分子散射系数，由Ray Iei曲散射计算方法(参见文献[9] A. A. Bo化aine，N. B. Wood， E.G.Dution and J.R.Slusser.On Rayleigh Optical Depth Calculations[J].Journal of Atmos地eric and Oceanic Technology.1991,16:1854-1861.)得到；km为气溶胶的散 射消光系数，简称气溶胶散射系数，由Mie散射计算方法(参见文献[10 ] A. Matz Ier. MATLAB Functions for Mie Scattering and Absorption Version I[R]. Institute of Applied Physics,University of Bern = Research Report No.2002-08.Jun.2002.)计算。
[0028] 大气散射系数定义为分子散射系数与气溶胶散射系数的总和，故式(4)与式(6)中 的大气单次光谱反照率《有定义式：
[0029]
U3)
[0030] 同理，由于大气散射包含气体分子散射与气溶胶散射两部分，式(4)中的大气散射 相函数P与Ray 1 e i油散射相函数Pr及Mi e散射相函数Pm有关，即：
[0031]
(14)
[0032] 其中，Raylei油散射相函数Pr的计算式为：
[0033]
(1巧
[0034] 式中，9>为散射角，由立体角公式可知：
[0035]
(16)
[0036] 由于精确计算Mie散射相函数Pm过于耗时，故采用化n巧-Greenstein函数近似计 算Mie散射相函数Pm,即：
[0037]
V17)
[0038] 式中，g为非对称因子，由Mie散射计算方法计算;f为散射角。
[0039] 在已知大气气体成分组成及气溶胶的粒子浓度、尺度分布及复折射指数等物理参 数的条件下，通过Raylei曲散射及Mie散射计算方法，容易求得大气各子层内的光学参数， 如消光系数、散射系数及非对称因子等（参见文献[11化.P. Shettle and R.W.Fenn.Models for the aerosols of the Lower Atmosphere and the Effects of Humidity 化riations on Their Optical PropertiesIiR].AFGkTR-79-〇214.Sep. 1979.)。利用求得 的光学参数及计算式(2)至(6)，可W计算传感器接收的总福射。
[0040] 与本发明相关的现有技术介绍如下：
[0041] 1.1现有技术一的技术方案
[0042] 对于某一确定观测场景，在确定了各条传输路径的大气气体成分组成及气溶胶参 数后，采用大气福射传输代码逐条路径求解福射传输方程式(1)，解得仿真图像中各个像元 的福射强度，并最终仿真得到红外福射图像。基于物理机理的红外场景仿真模型通常采用 此方案（参见文献[12]W.M. Cornette,J.M.Alfred, and J.M. Go Idspiel. Mo derate Spectral Atmospheric Radiance and Transmittance Code(MC)SART v2. I )User Reference Manual [R] .MOSART-N 化-D0C-URM-001-V2.1-111206. Dec. 2011.和文献[13] L.Labarre,K.CaiIIault,S.Fauqueux,et al.An Overiew of Matisse-v2.0[C].Optics in Atmospheric Propagation and Adaptive Systems XIII，Proceedings of SPIE, 2010,7828:1-10.)〇
[0043] 1.2现有技术一的缺点
[0044] 当仿真天基平台对地观测传感器的观测图像时，由于该类传感器条带的覆盖区域 很广，观测图像包含的像元数目很多，逐个像素单元计算福射图像的方法耗时长。且图像仿 真过程中，受计算机内存容量的限制，能够完成的仿真图像场景尺寸十分有限。
[0045] 2.1现有技术的技术方案二
[0046] 文献[14] (X.He and X-XuJast Calculation of Scattered Radiance in Multispectral Imagery Simulation.SPIE Infrared Remote Sensing and Instruments XXIII ,2015,9608(960800): 1-11.)提出一种基于福射矩阵插值的对地观测福射图像仿真 方法。当场景中的大气参数设定相同时，大气散射福射及地表反射福射随观测天顶角与太 阳天顶角均匀变化，此时只需要计算几个特定像元的各类福射强度，并分别构成福射矩阵， 接着通过插值方法快速得到其他像元的各类福射。插值方法的计算时间取决于选取的像元 数目而非仿真场景的原始像元数目，故该方案的计算效率较方案一有较大提升，而计算精 度略有下降。
[0047] 2.2现有技术二的缺点
[0048] 仿真中假定了场景中各个像元的大气条件相同，运一假设并不适用于图像条带覆 盖几千公里的天基平台对地观测传感器。且该方案中尚未考虑地表高度及气溶胶气象视程 对传感器接收福射强度的影响，仿真图像的纹理(福射强弱变化)不能反映气溶胶的空间分 布特性。
【发明内容】
[0049] 本发明所要解决的技术问题为:针对现有技术W上方案的不足之处，本发明提出 一种考虑气溶胶参数差异条件时，对地观测福射图像的快速仿真方法。基于传感器像元的 福射强度与气溶胶浓度及传输距离的关系，采用消光系数等效地表高度法仿真天基平台传 感器对地观测福射图像，实现条带覆盖区域很广的传感器福射图像快速仿真。
[0050] 本发明采用的技术方案为:一种气溶胶参数差异条件下对地观测福射图像的快速 仿真方法，包括如下步骤：
[0051 ]步骤1:选定标准气溶胶廓线参数；
[0052] 步骤2:查表法反演场景中各像素单元的气溶胶参数；
[0053] 步骤3:查询各像元对应的真实地表高程信息；
[0054] 步骤4:计算各像元的消光系数等效地表高度；
[0055] 步骤5:二流近似方法求解福射传输方程，得到各类福射的福射矩阵；
[0056] 步骤6:获得各像元的光谱特性信息；
[0057] 步骤7:福射矩阵插值方法仿真对地观测福射图像。
[0058] 其中，步骤1中所述的选定标准气溶胶廓线参数具体步骤包括:选定气溶胶类型与 气象视程，并计算随大气高度变化的消光系数及散射系数廓线。
[0059] 其中，步骤2中所述的查表法反演场景中各像素单元的气溶胶参数具体步骤包括： 计算不同类型气溶胶及气象视程条件下的像元色比，得到色比表格;在色比表格中查找与 实测图像色比最接近的值，该色比值对应的气溶胶参数即为反演结果。
[0060] 其中，步骤3中所述的查询各像元对应的真实地表高程信息具体步骤包括:通过几 何关系计算各像元地表投影位置的经缔度坐标;通过查询地表高程信息图，获得像元对应 的地表高度。
[0061] 其中，步骤4中所述的计算各像元的消光系数等效地表高度具体步骤包括:计算各 像元实际的光学厚度，依据步骤1中指定的气溶胶标准廓线求解等效地表高度，使得各像元 的光学厚度保持不变。
[0062] 其中，步骤5中所述的二流近似方法求解福射传输方程得到各类福射的福射矩阵 具体步骤包括:采用步骤1中选定的标准气溶胶廓线参数，利用二流近似方法计算选定像元 的各类福射;计算所得各类福射的强度随太阳天顶角及观测天顶角变化，故构成福射强度 随太阳天顶角及观测天顶角变化的福射矩阵。
[0063] 其中，步骤6中所述的获得各像元的光谱特性信息具体步骤包括:根据观测几何关 系计算各像元的地表投影位置的经缔度坐标，通过查询地表覆盖物分类图可W确定地物类 另IJ;依据地物类别查询地物光谱信息数据库可W得到地物的光谱反射率及光谱发射率廓 线。
[0064] 其中，步骤7中所述的福射矩阵插值方法仿真对地观测福射图像具体步骤包括:计 算各像元的太阳天顶角及观测天顶角，利用步骤4中的等效地表高度及步骤5中得到的福射 矩阵计算各像元的福射。
[0065] 与现有对地观测红外福射图像仿真方法相比，本发明提出的对地观测红外福射图 像仿真方法具有W下优点：
[0066] (1)、本发明图像仿真速度快:通过提出消光系数等效地表高度的概念并计算得到 等效地表高度图，可实现包含多类气溶胶及多种气象视程下对地观测场景红外福射场景的 图像仿真，与传统方法相比，相同平台下仿真计算速度可提高10-20倍；
[0067] (2)、本发明方法的通用性好:所提出的仿真方法不受场景中气溶胶参数设定方法 的限制，既适用于仿真真实在轨传感器的观测图像，也适用于仿真想定观测场景的红外福 射图像。
【附图说明】
[0068] 图1为天基平台传感器接收福射的基本组成示意图，其中，图1(a)为地表直接反 射，图1(b)为大气路径散射，图I(C)地表热福射，图1(d)为大气热福射；
[0069] 图2为化Kis-Godson近似子层划分示意图；
[0070] 图3为考虑各像元气溶胶参数差异时的对地观测福射图像快速仿真流程图；
[0071 ]图4为消光系数等效地表高度的计算流程；
[0072] 图5为消光系数快速计算方法验证举例；
[0073] 图6为散射系数快速计算方法验证举例；
[0074] 图7为气溶胶气象视程反演举例，其中，图7(a)为实测色比图像，图7(b)为反演所 得气象视程图像；
[0075] 图8为MODIS谱段7消光系数等效地表高度计算举例，其中，图8(a)为场景实际高程 图像，图8 (b)为消光系数等效地表高度图像；
[0076] 图9为2015年I月19日，MODIS谱段7福射图像仿真举例，其中，图9(a)为MODIS实测 福射图像，图9(b)为仿真福射图像。
【具体实施方式】
[0077] 下面结合附图W及【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0078] 本发明的技术方案框图如图3所示，基本技术原理如下。
[0079] 步骤1:选定标准气溶胶廓线参数。
[0080] 现有的大气福射传输代码中，常用的对流层气溶胶模型有四类，分别为乡村型、城 市型、海洋型及对流层型。各类气溶胶的粒子组成、粒子尺度分布及复折射指数不同，故四 类典型气溶胶模型的光谱消光系数ki，光谱散射系数km及非对称因子g均不相同。
[0081] 在实际工程应用中，确切知道气溶胶粒子的尺度分布非常困难，通常采用气象视 程估算气溶胶的粒子浓度。根据气象视程的定义，若某个谱段内的大气光谱吸收系数很小， 近似为委.则气象规賴V白十气散射系数有如下关系：
[0082]
(18)
[0083] 式中，Ao为选定谱段的波长，通常选取为Ao = O.61皿或0.55皿。
[0084] 对于某类气溶胶，其光谱散射系数km与粒子浓度N有关，有估算式：
[0085]
(巧）
[0086] 式中，No为标准条件下的气溶胶粒子密度;km-o为采用标准气溶胶粒子密度No计算 所得的气溶胶光谱散射系数;化为实际的气溶胶粒子密度;km-s为估算得到的气溶胶光谱散 射系数。
[0087] 由式（18)及式（19)可知，气象视程V与气溶胶浓度N存在一定联系，可W采用气象 视程的远近反映气溶胶浓度的大小，则气溶胶浓度的空间分布可W由像元气象视程图像表 示。此外，可W为各类气溶胶预先计算某一确定气象视程条件下的光谱散射系数。对于其他 气象视程的观测情形，可W采用式（19)中的比例关系近似计算气溶胶散射系数，节约计算 时间。
[0088] 步骤2:查表法反演场景中各像素单元的气溶胶参数。
[0089] 天基平台对地观测传感器的条带覆盖范围很广，通过地面气象站获取各像元的气 溶胶光学特性十分困难，故通常采用对地观测传感器的遥感数据反演气溶胶的光学参数。
[0090] 气溶胶光学参数反演利用了两个谱段内实测图像的福亮度比值，即色比。定义色 比R为：
[0091] HO)
[0092] 式中，Et为传感器接收的总光谱福照度，由式(2)计算;Al为谱段1的中屯、波长；AAi 为谱段1的谱宽;A劝谱段2的中屯、波长；A A2为谱段2的谱宽。
[0093] 对于位于可见光、近红外或短波红外光谱区间内的观测谱段，热福射相较于散射 福射很弱，可W忽略。即忽略式(2)中的地表热福射Eb及大气热福射Ee，将传感器接收的光谱 福射照度Et重新书写如下(为简化表达，省略几何参数目V、目S、惧及巧)：
[0094] Et(入）=Eo(入）? Ts(入）? Pr(入）? Tv(入）+E〇(入）? O (入）? [ I-Ts(入）? Tv(入）]? P(入） (21)
[00M]若视场中的气溶胶浓度增加，使得大气的透过率T下降，即：
[0096] (A) = T(A)- A T(A) (22)
[0097] 式中，为气溶胶浓度增加后的大气透过率；A T为透过率的减少量。
[0098] 将式(22)代入式(21)，光谱福射照度Et发生变化，有：
[0099] Et'(A)=Et(A)+A Et(A) (23)
[0100] 式中，E/为气溶胶浓度增加后的光谱福射照度；A Et为光谱福射照度的变化量，有 表达式：
[0101] AEt(入)=Eo(入）? At(入）? [CO(入）? P(入)-pr(入)](24)
[0102] 在某一特定谱段内，场景中任意一像元的Eo, T，Pr，O及P在观测时间内保持不变。 若瞬时视场中不存在云或雾，则可W认为该像元的地表反射率Pr大于大气反射率《P。故随 着气溶胶浓度的增加，谱段内的福射照度减弱。
[0103] 壬Il田味八〇、b味八q、wr但与、飯肪、波賠化化后，像元色比R'的计算式；
[0104] 冷巧
[0105] 由于大气顶层的太阳光谱福照度Eo与气溶胶散射系数km在波长大于0.45WI1的光谱 区间内随波长的增长而减小。故选取两个位于该波长区间内的谱段，若、分2,则有E〇(Ai)〉E〇 (A2)，km(、)〉km(A2)。故谱段l的背景福射变化量AEt(Al)大于谱段2的背景福射变化量AEt (入2)。由于福射照度的变化量AEt通常为负值，故式(25)中的色比值降低。
[0106] 若某瞬时视场中气溶胶的浓度很低，大气透过率T趋近于1，则该像元的色比取得 极值，且由两个谱段内的地表反射福出度决定，即：
[0107]
御）
[0108] 由W上分析可知，对于某一像元，当视场中几乎不存在气溶胶时，色比取得极大 值;而随着视场中气溶胶浓度的增加，色比值逐渐减小。从理论上说，可W取任意两个位于 大气透过窗口中的谱段，利用其实测数据反演气溶胶光学参数。
[0109] 若采用MODIS反演得到的气溶胶光学参数数据作为仿真场景的气溶胶参数输入， 则可W略过该步骤。略过步骤2不会影响后续的图像仿真。
[0110] 步骤3:查询各像元对应的真实地表高程信息。
[0111] 地球表面某一区域的平均海拔高度随观测时间变化比较缓慢，因此可W利用几何 关系计算各像元地表投影的地理坐标(经缔度坐标），通过查询地表高程信息图，获得各像 元的地表高程信息。
[0112] 步骤4:计算各像元的消光系数等效地表高度。
[0113] 由式(2)至式(6)可知，若将地球大气视为整体，且观测几何关系确定，则传感器接 收的总光谱福照度Et仅受大气透过率T的影响。由透过率的计算式（10)与式（11)可知，大气 透过率不仅受气溶胶浓度的影响（式中的消光系数ki)，还受传输路程长度的影响（式中的 路径长度10。因此，从数值计算结果而言，气溶胶浓度增加或传输路程长度增加对传输路 径透过率的影响相同，所引起的福射强度变化也理应相同。换言之，理论上存在换算关系， 当气溶胶浓度增大引起传感器接收的总福射减弱时，可W保持气溶胶的浓度不变，增加适 当的传输距离使得传感器接收的总福射产生相等数值的衰减。
[0114] 气溶胶浓度随海拔高度Z的变化可由e指数函数近似：
[0115] N(z) =N(O) exp (-z/zo) (27)
[0116] 式中，N(Z)为距离地表高度为Z位置的气溶胶浓度；ZO为标高，是与气象视程有关 的常数;N( 0)为地表位置的气溶胶浓度。
[0117] 由步骤1中的式（19)可知，气溶胶浓度与消光系数呈正比例关系。由式(27)可知， 气溶胶浓度在低海拔地区的更高，故观测地表高度较低的区域，其观测路径的光学厚度更 大，而光学厚度越大，透过率越低。因此，在选定某一组气溶胶参数后，W该组参数的消光系 数垂直廓线为参考，计算各传输路径对应的等效地表高度，使得各传输路径的总光学厚度 与利用步骤2中气溶胶参数求得的总光学厚度相同。消光系数等效地表高度的计算流程如 图4所示。
[0118] 图4中传感器至第i子层的大气光学厚度Vi由式(8)计算，实测光学厚度V为仿真场 景的输入参数。如图3所示，大气顶层为ho位置，故有消光系数等效高度he的计算式：
[0119]
口8)
[0120] 式中，hi为第i子层至地表的高度，且hi<hi-i。
[0121 ]步骤5:二流近似方法求解福射传输方程，得到各类福射的福射矩阵。
[0122] 文献[14]中给出了球面平行大气条件下，二流近似求解式（1)的基本方法，并分别 为地表热福射、地表散射福射、大气热福射及大气散射福射建立了福射矩阵。由于各类型福 射的强度随观测天顶角及太阳天顶角变化平缓，故可W采用插值方法仿真背景图像。
[0123] 应当指出，采用其他方法求解式(1)同样能够得到各福射的福射矩阵。
[0124] 步骤6:获得各像元的光谱特性信息。
[0125] 光谱特性信息主要指各像素单元的光谱反射率和光谱发射率，由地物的物理特性 决定。与地表高程信息类似，可W利用各像元的地理坐标，通过查询地物覆盖物分类图及地 物光谱特性数据库得到。
[01 %]步骤7:福射矩阵插值方法仿真对地观测福射图像。
[0127]由步骤4可知，利用消光系数等效地表高度，在生成福射矩阵的过程中能够继续采 用单一气溶胶参数廓线的假设。在生成背景图像的过程中，利用等效后的地表高度反映气 溶胶的空间分布特性。
[012引实施例；
[0129] 下面W仿真MODIS实测图像为例对本发明作进一步说明。目标场景为2015年1月19 日 Aqua-MODI S于5:30a. m至5:35a. m的探测区域。
[0130] 步骤1:利用式（19)中的比例关系快速计算气溶胶的光谱消光系数及光谱散射系 数。
[0131 ]图5所示为相对湿度0.7的乡村型气溶胶，气象视程2km条件下，近似计算气象视程 IOkmJlkm及50km条件下的光谱消光系数，在MODIS谱段3(0.459-0.479皿）内的结果比较 图。图中点划线为Mie散射计算方法的精确计算结果，虚线为式(19)的近似计算结果。
[0132]由图5可知，Mie散射的精确计算曲线与式（19)的近似计算曲线几乎重合。分析其 他气溶胶类型、相对湿度及观测谱段的计算结果后，所得结论相同。
[0133] 如图6所示为采用图5中相同参数计算得到的光谱散射系数比对图。与图5中的结 论类似，Mie散射的精确计算廓线与式（19)的近似计算廓线几乎重合。在其他仿真参数条件 下的计算结果验证了该结论。
[0134] 由式（13)可知，光谱单次反照率由光谱散射系数与光谱消光系数将决定。故采用 步骤1中的方法可W节约图像仿真时间。
[0135] 步骤2:由步骤2中的理论推导可知，理论上可W采用任意两个谱段反演气溶胶的 气象视程。
[0136] 运里采用版)DIS谱段1 (0.620-0.670皿)与谱段3(0.459-0.479皿)的色比反演气象 视程，其结果如图7所示。
[0137] 图7(a)M0DIS实测图像谱段1与谱段3的色比；图7(b)为图7(a)反演所得的气溶胶 气象视程图像，色标单位为虹1。由于MODIS谱段1的中屯、波长小于MODIS谱段3,因此色比值小 的区域气象视程大。
[0138] 步骤4:由反演得到的气溶胶气象视程可W计算消光系数等效地表高度。由理论推 导可知，由于消光系数在各个观测谱段内不同，因此，各谱段的等效地表高度图像应该存在 差异。
[0139] 图8所示为采用乡村型气溶胶，气象视程化m为标准气溶胶廓线，在MODIS谱段7 (2.105-2.155WI1)内计算得到的地表等效高度图像，色标单位为km。图8(a)所示为该场景区 域的实际地表高程图像，图8(b)为该场景在谱段7内的等效地表高度图像。从图中可W看 出，等效高度图不仅反映了真实的地理高程信息，还包含了场景中气溶胶的空间分布信息。 由于随着海拔高度增加，气溶胶浓度降低，因此气象视程距离远的像元路径透过率高，而路 径透过率高其对应的等效高度也将越高。
[0140] 步骤7:利用等效地表高度图及福射矩阵插值方法能够快速仿真对地观测福射图 像。图9所示为仿真福射图像与MODIS谱段7的实测福射图像对比结果，图像色标单位为￥- Hf2 ? WIfi ? sr^i。图9(a)为实测福射图像；图9(b)为未考虑云层的仿真福射图像。由比对结 果可知，仿真福射图像的纹理反映了气溶胶的空间分布特性。
[0141] 本发明还可W采用的替代方案同样能完成发明目的：由式（7)、式(8)及式（9)可 知，消光系数与光学深度、光学厚度W及透过率之间均存在换算关系，因此本项发明所提出 的方法不限于采用消光系数、也可采用光学深度、光学厚度或透过率等参数计算对应的等 效高度，实现红外场景的快速仿真。采用其他参数时，其仿真计算方法在本质上与本发明中 的技术方案相同。
【主权项】
1. 一种气溶胶参数差异条件下对地观测辐射图像的快速仿真方法，其特征在于:包括 如下步骤： 步骤1:选定标准气溶胶廓线参数； 步骤2:查表法反演场景中各像素单元的气溶胶参数； 步骤3:查询各像元对应的真实地表高程信息； 步骤4:计算各像元的消光系数等效地表高度； 步骤5:二流近似方法求解辐射传输方程，得到各类辐射的辐射矩阵； 步骤6:获得各像元的光谱特性信息； 步骤7:辐射矩阵插值方法仿真对地观测辐射图像。2. 根据权利要求1所述的一种气溶胶参数差异条件下对地观测辐射图像的快速仿真方 法，其特征在于:步骤1中所述的选定标准气溶胶廓线参数具体步骤包括:选定气溶胶类型 与气象视程，并计算随大气高度变化的消光系数及散射系数廓线。3. 根据权利要求1所述的一种气溶胶参数差异条件下对地观测辐射图像的快速仿真方 法，其特征在于：步骤2中所述的查表法反演场景中各像素单元的气溶胶参数具体步骤包 括:计算不同类型气溶胶及气象视程条件下的像元色比，得到色比表格;在色比表格中查找 与实测图像色比最接近的值，该色比值对应的气溶胶参数即为反演结果。4. 根据权利要求1所述的一种气溶胶参数差异条件下对地观测辐射图像的快速仿真方 法，其特征在于:步骤3中所述的查询各像元对应的真实地表高程信息具体步骤包括:通过 几何关系计算各像元地表投影位置的经炜度坐标;通过查询地表高程信息图，获得像元对 应的地表高度。5. 根据权利要求1所述的一种气溶胶参数差异条件下对地观测辐射图像的快速仿真方 法，其特征在于:步骤4中所述的计算各像元的消光系数等效地表高度具体步骤包括:计算 各像元实际的光学厚度，依据步骤1中指定的气溶胶标准廓线求解等效地表高度，使得各像 元的光学厚度保持不变。6. 根据权利要求1所述的一种气溶胶参数差异条件下对地观测辐射图像的快速仿真方 法，其特征在于:步骤5中所述的二流近似方法求解辐射传输方程得到各类辐射的辐射矩阵 具体步骤包括:采用步骤1中选定的标准气溶胶廓线参数，利用二流近似方法计算选定像元 的各类辐射;计算所得各类辐射的强度随太阳天顶角及观测天顶角变化，故构成辐射强度 随太阳天顶角及观测天顶角变化的辐射矩阵。7. 根据权利要求1所述的一种气溶胶参数差异条件下对地观测辐射图像的快速仿真方 法，其特征在于:步骤6中所述的获得各像元的光谱特性信息具体步骤包括:根据观测几何 关系计算各像元的地表投影位置的经炜度坐标，通过查询地表覆盖物分类图可以确定地物 类别;依据地物类别查询地物光谱信息数据库可以得到地物的光谱反射率及光谱发射率廓 线。8. 根据权利要求1所述的一种气溶胶参数差异条件下对地观测辐射图像的快速仿真方 法，其特征在于:步骤7中所述的辐射矩阵插值方法仿真对地观测辐射图像具体步骤包括： 计算各像元的太阳天顶角及观测天顶角，利用步骤4中的等效地表高度及步骤5中得到的辐 射矩阵计算各像元的辐射。
【文档编号】G01J5/00GK105953921SQ201610237078
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】何晓雨, 许小剑
【申请人】北京航空航天大学