專利名稱：航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的地表反差法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的地表反差法，該方法應用于中科院上海技術物理研究所航空遙感研究室研制的航空高光譜遙感器得到的高光譜圖像，通過高空、地表兩個不同高度上的兩種高反差地物進行對比，實現(xiàn)城市大氣邊界層氣溶膠光學厚度的反演，屬于大氣環(huán)境遙感應用領域。
背景技術：
大氣氣溶膠是指大氣中懸浮的半徑小于幾十微米的固態(tài)或液態(tài)微粒，氣溶膠在地球大氣輻射收支平衡和全球氣候中扮演著重要的角色，是大氣物理學中的重要研究對象。一方面，氣溶膠通過散射和吸收太陽輻射以及地面輻射直接影響著地-氣系統(tǒng)的輻射收支平衡；另一方面，氣溶膠還參與大氣的多個物理過程，如云霧形成的微物理機制和臭氧平衡等；以吸收和散射方式干擾著遙感傳感器接收的信號。因此，精確測量分析氣溶膠，對于了解氣候變化，去除遙感數據中的大氣影響，提高遙感定量應用水平都具有重要意義。
氣溶膠光學厚度是氣溶膠最重要的參數之一，是表征大氣混濁度的重要物理量，也是確定氣溶膠氣候效應的一個關鍵因子和大氣模型的一個重要參量。探測氣溶膠光學厚度可以采用地基探測方法，如太陽輻射計、粒子計數器、輻射總表等。地基探測方法雖然可以準確提供當地的氣溶膠信息，但不能獲得大范圍內的氣溶膠時空分布。遙感反演氣溶膠光學厚度可以克服地基探測方法的先天不足，為人們全天候、實時了解大范圍內的氣溶膠變化提供了可能。
近年來，遙感反演氣溶膠光學厚度已經成為快速、有效地獲得大氣氣溶膠信息的手段，尤其在衛(wèi)星遙感方面取得了很好的研究成果，已經有了比較成熟的反演算法，但主要是采用暗像元法(或暗目標法)通過6S建立查找表來實現(xiàn)氣溶膠的反演，且這些算法大多是針對衛(wèi)星資料的。暗像元法利用大多數陸面在紅(0.6~0.68μm)和藍(0.40~0.48μm)波段反射率低的特性，以植被指數(NDVI)或近紅外通道(2.1μm)反射率將森林判識為暗像元，用于反演氣溶膠光學厚度。毛節(jié)泰老師在試驗利用暗像元法反演北京、香港城市污染氣溶膠光學厚度時認為，在北京地區(qū)借助近紅外通道表觀反射率以固定比例系數關系式確定植被暗像元紅、藍通道地表反射率的方法存在較大誤差。這表明利用暗像元法反演北京地區(qū)氣溶膠光學厚度存在一定難度。對比方法是早期研究陸地污染氣溶膠采用的衛(wèi)星遙感方法。原則上講美國NASA已經可以用MODIS圖像給出全球大部分地區(qū)的氣溶膠光學厚度，但是其空間分辨率僅10km，且衛(wèi)星高度在700多公里，得到的是整個對流層內的氣溶膠光學厚度，而氣溶膠主要集中在從地面到城市邊界層這樣一個垂直范圍內，因此從機載高光譜圖像反演城市邊界層氣溶膠光學厚度成為我們關注的問題。
20世紀70年代調查顯示，采用高反差地表的方法可以從機載遙感數據中反演得到大氣的光學特征。假設在兩個空間位置比較靠近的區(qū)域，大氣的光學特征是不變的。在地面和機載兩個高度上，通過兩個位置比較靠近的高反差地表(亮表面和暗表面)的光學特征，可以計算地-氣系統(tǒng)輻射傳輸參數。為此，我們利用中科院上海技術物理研究所航空遙感研究室研制的實用型模塊化成像光譜儀(OMIS-I)，嘗試用高反差地表法從獲得的高光譜圖像數據反演氣溶膠光學厚度。

發(fā)明內容
為了克服上述不足之處，本發(fā)明的主要目的旨在提供一種針對中科院上海技術物理研究所航空遙感研究室研制的航空高光譜遙感器得到的高光譜圖像，通過高空、地表兩個不同高度上的兩種高反差地物進行對比，實現(xiàn)城市大氣邊界層氣溶膠光學厚度的反演；通過1)高空從航空高光譜遙感圖像上找到兩種輻射值對比較大的地物；2)地面找到與1)匹配的地物光譜反射率；3)對比通過高空與地面、亮目標與暗目標對比計算大氣透過率，推算氣溶膠光學厚度的航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的地表反差法。
本發(fā)明要解決的技術問題是要解決航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的相關硬件環(huán)境問題；要解決如何從高空從航空高光譜遙感圖像上找到兩種輻射值對比較大的地物；從地面找到與高空相匹配的地物光譜反射率；從對比通過高空與地面、亮目標與暗目標對比計算大氣透過率，推算氣溶膠光學厚度等有關計算方法及系統(tǒng)軟件等技術問題。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是本發(fā)明的硬件環(huán)境包括太陽光、地表、傳感器及地物光譜儀等系統(tǒng)條件，其太陽光模擬模塊的太陽輻射一部分信號經由大氣的直接吸收與散射傳送到傳感器，傳感器接收太陽輻射及地表模塊的反射信號；太陽光模擬模塊另一部分信號經由大氣透射后傳送到地表模塊，經地表模塊的反射信號再次通過大氣傳送到傳感器，地表模塊反射的太陽輻射信號直接傳送進入地物光譜儀，其間均為無線信號傳輸方式。
所述的航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的硬件環(huán)境的地表模塊的反射信號包括低反射率的暗表面和高反射率的亮表面等。
所述的航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的硬件環(huán)境的地表模塊反射再次通過大氣到達傳感器的信號包括經暗表面反射的太陽輻射部分、經亮表面以反射率為R0(λ)一次反射到傳感器的太陽輻射部分、反射后上行過程中再通過大氣發(fā)生漫射部分及地表和大氣之間發(fā)生反射和散射后到達傳感器的太陽輻射信號等。
一種航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的地表反差法，該方法通過高空、地表兩個不同高度上的兩種高反差地物進行對比及反演氣溶膠光學厚度計算，實現(xiàn)城市大氣邊界層氣溶膠光學厚度的反演，包括三部分高空從航空高光譜遙感圖像上找到兩種輻射值對比較大的地物；地面找到與高空匹配的地物光譜反射率；對比通過高空與地面、亮目標與暗目標對比，計算大氣透過率，推算氣溶膠光學厚度。
所述的航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的地表反差法的氣溶膠光學厚度τ的具體計算步驟是步驟1計算傳感器上接收到的總輻亮度由公式L(λ)＝L0(λ)+L1(λ)R0(λ)+L2(λ)R02(λ)+...... ①計算；式中L(λ)是傳感器上接收到的總輻亮度；L0(λ)是由大氣直接散射與散射光太陽輻射和經暗表面反射的太陽輻射部分；R0(λ)是未受大氣影響的地表反射率；L1(λ)R0(λ)是經亮表面以反射率為R0(λ)一次反射到傳感器的太陽輻射部分；L2(λ)R02(λ)是地表和大氣之間發(fā)生多次反射和散射后到達傳感器(3)的太陽輻射部分；
步驟2薄層近似對于一個理想的薄層大氣，可作以下單次散射線性近似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)是傳感器上接收到的光譜反射率；R(h)(λ)是經過大氣直接反射或黑體背景上的光譜反射率；R0(λ)是未受大氣影響的地表反射率；t(λ)是大氣透過系數；步驟3選擇并解線性方程選擇兩種試驗地表，則有R(1)(λ)＝R(h)(λ)+R0(1)(λ)t(λ) ④R(2)(λ)＝R(h)(λ)+R0(2)(λ)t(λ) ⑤解這兩個線性方程得到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)是傳感器(3)上接收到的亮表面的反射率；R(2)(λ)是傳感器(3)上接收到的暗表面的反射率；R0(1)(λ)是未受大氣影響直接由地物光譜儀測得的亮地表反射率；R0(2)(λ)是未受大氣影響直接由地物光譜儀測得的暗地表反射率；步驟4計算τ值根據朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律，可以得到τ=∫z1z2N(z,VIS)*EXT(λ)*m(z)*dz=-lnt]]>⑦
其中，τ就是我們要求的氣溶膠光學厚度。
所述的航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的地表反差法的反演氣溶膠光學厚度計算的具體工作步驟是步驟1、高光譜遙感圖像數據的輻射定標a)、讀取高光譜遙感圖像讀取由標準格式的機載航空高光譜遙感圖像；b)、轉換成輻射值根據輻射定標文件中每一波段對應的斜率和截距兩個系數，按照公式輻射值＝DN值*斜率+截距，將DN值轉換成輻射值；步驟2、機載高反差地表的選取a)、選擇和輸出根據步驟1得到的輻射值的大小，在圖上選擇兩種輻射值反差比較大的地表，并輸出這兩種地表的輻射值；b)、判斷當一像元的輻射值大于同一行或列的其他像元80％，執(zhí)行通道A后進入亮地表輻射值模塊，其值為Rad(1)(λ)；當一像元的輻射值小于同一行或列的其他像元80％，執(zhí)行通道B后進入暗地表輻射值模塊，其值為Rad(2)(λ)；步驟3、計算表觀反射率a)、計算將步驟2輸出的亮地表輻射值和暗地表輻射值按下述公式計算R＝π*L/(μ*f)式中R為表觀反射率；L為輻射值；μ為太陽天頂角的余弦；f為大氣上界太陽輻射通量密度；
b)、取得表觀反射率亮地表輻射值模塊的輸出值經計算為傳感器上得到的亮地表表觀反射率，為R(1)(λ)；暗地表輻射值模塊的輸出值經計算為傳感器上得到的暗地表表觀反射率，為R(2)(λ)；步驟4、地基高反差地表的選取a)、選擇地物光譜由地物光譜儀測得的地物光譜為地物光譜庫，從光譜數據庫中找出與步驟2選擇的兩種地表相同或相似的地物光譜；b)、取得反射率亮地表地物光譜輸出值經計算為亮地表反射率，為R0(1)(λ)，暗地表地物光譜輸出值經計算為暗地表反射率，為R0(2)(λ)；步驟5、機載與地基對比的大氣透過率計算a)、計算根據公式⑥t(λ)＝C(λ)/C0(λ) ⑥進行計算；b)、取得大氣透過率；由步驟3得到的機載亮/暗表面的亮地表表觀反射率和暗地表表觀反射率，由步驟4得到的地基亮/暗表面的亮地表反射率和暗地表反射率計算出大氣透過率；步驟6、邊界層氣溶膠光學厚度的計算a)、計算根據公式⑦τ=∫z1z2N(z,VIS)*EXT(λ)*m(z)*dz=-lnt]]>⑦進行計算；
b)、氣溶膠光學厚度由步驟5計算出的大氣透過率，大氣透過率模塊的輸出值輸入到氣溶膠光學厚度模塊，推求氣溶膠光學厚度；步驟7、驗證氣溶膠光學厚度a)、計算地面能見距將同步的地面能見距資料根據公式V＝3.91·H·1/τ式中V是地面能見距(m)；H是不同季節(jié)的氣溶膠標高；τ是氣溶膠光學厚度；b)、判斷比較1).氣溶膠光學厚度模塊的輸出信號傳送到驗證模塊的輸入端；2).將計算出的氣溶膠光學厚度值與步驟6得到的氣溶膠光學厚度進行比較；3).如果兩者的差值＜0.1，則將驗證模塊的輸出信號傳送到輸出模塊，輸出氣溶膠光學厚度；否則反饋到輻射值模塊的輸出端，反饋到步驟2再進行優(yōu)化，重新選擇地表。
步驟8、輸出氣溶膠光學厚度輸出模塊輸出的氣溶膠光學厚度，為經步驟7驗證的氣溶膠光學厚度值。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過高空、地表兩個不同高度上的亮/暗兩種高反差地物進行對比，實現(xiàn)城市大氣邊界層氣溶膠光學厚度的反演，有別于常規(guī)的通過一個高度層面或某一種固定地物來計算氣溶膠光學厚度；本發(fā)明針對中科院上海技術物理研究所航空遙感研究室研制的航空高光譜遙感器得到的高光譜圖像進行氣溶膠光學厚度的反演，不同與傳統(tǒng)遙感圖像，其最大的特點在于高光譜分辨率等。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
附圖1為本發(fā)明太陽光線與大氣之間的相互作用的硬件環(huán)境方框示意圖；附圖2為本發(fā)明反演氣溶膠光學厚度計算流程示意圖；附圖3為本發(fā)明實施例一中亮表面和暗表面所示位置示意圖；附圖4為本發(fā)明實施例一亮表面和暗表面分別在13點和14點的表觀反射率曲線示意圖；附圖5為本發(fā)明實施例一計算的大氣透過率隨波長的變化曲線示意圖；附圖6為實施例一根據本發(fā)明的地表反射法從機載成像光譜儀系統(tǒng)OMIS高光譜遙感圖像反演出的氣溶膠光學厚度示意圖；附圖7為本發(fā)明實施例二中亮表面和暗表面所示位置示意圖；附圖8為本發(fā)明實施例二亮表面和暗表面在13點和14點的表觀反射率曲線示意圖；附圖9為本發(fā)明實施例二計算的大氣透過率隨波長的變化曲線示意圖；附圖10為實施例二根據本發(fā)明的地表反射法從機載成像光譜儀系統(tǒng)OMIS高光譜遙感圖像反演出的氣溶膠光學厚度示意圖；附圖中標號說明1-太陽光模擬模塊；2-太陽輻射；3-傳感器；4-大氣透射；5-地表模塊；8-地物光譜儀；
10-讀取高光譜遙感圖像；20-輻射值；21-通道A；22-通道B；31-亮地表輻射值；32-暗地表輻射值；40-地物光譜庫；51-亮地表表觀反射率；52-暗地表表觀反射率；53-亮地表反射率；54-暗地表反射率；60-大氣透過率；61-經暗表面反射的太陽輻射部分(61)；62-經亮表面以反射率為R0(λ)一次反射到傳感器的太陽輻射部分；63-反射后上行過程中再通過大氣發(fā)生漫射部分；70-氣溶膠光學厚度；80-驗證；90-輸出；具體實施方式
請參閱附圖1所示，本發(fā)明的硬件環(huán)境主要包括太陽光、地表、傳感器及地物光譜儀等系統(tǒng)條件，其太陽光模擬模塊(1)的太陽輻射(2)一部分信號經由大氣的直接吸收與散射傳送到傳感器(3)，傳感器(3)接收太陽輻射(2)及地表模塊(5)的反射信號；太陽光模擬模塊(1)另一部分信號經由大氣透射(4)后傳送到地表模塊(5)，經地表模塊(5)的反射信號再次通過大氣傳送到傳感器(3)，地表模塊(5)反射的太陽輻射(2)信號直接傳送進入地物光譜儀(8)，其間均為無線信號傳輸方式。
所述的航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的硬件環(huán)境的地表模塊(5)的反射信號包括低反射率的暗表面和高反射率的亮表面等。
所述的航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的硬件環(huán)境的地表模塊(5)反射再次通過大氣到達傳感器(3)的信號包括經暗表面反射的太陽輻射部分(61)、經亮表面以反射率為R0(λ)一次反射到傳感器的太陽輻射部分(62)、反射后上行過程中再通過大氣發(fā)生漫射部分(63)及地表和大氣之間發(fā)生反射和散射后到達傳感器(3)的太陽輻射信號等。
圖1中太陽光模擬模塊(1)或為太陽光或為太陽輻射，太陽輻射(3)經過大氣的直接吸收與散射作用到達傳感器(3)；傳感器(3)上接收的太陽輻射及地表反射；太陽輻射(2)經過大氣透射(4)后到達地表模塊(5)；地表模塊(5)為各種地物，包括低反射率的暗表面和高反射率的亮表面；經地表模塊(5)反射再次通過大氣到達傳感器(3)，包括經暗表面反射的太陽輻射(61)、經亮表面以反射率為R0(λ)一次反射到傳感器的太陽輻射(62)及反射后上行過程中再通過大氣發(fā)生漫射(63)、地表和大氣之間發(fā)生多次反射和散射后到達傳感器的太陽輻射；地表反射的太陽輻射不經過大氣而直接進入地物光譜儀(8)；由地物光譜儀(8)測量的地物光譜反射率。
因此，在傳感器角度接收到的信號由三部分疊加而成第I部分太陽輻射經過大氣直接散射到傳感器的散射光或太陽輻射經暗表面反射到傳感器的反射光(61)合成第一部分L0(λ)；第II部分太陽光透過大氣在下行過程中經亮表面以反射率為R0(λ)一次反射到傳感器的目標反射光(62)及經地表反射后上行過程中再通過大氣發(fā)生漫射的部分(63)合成第二部分L1(λ)R0(λ)；第III部分地表和大氣之間發(fā)生多次反射和散射后到達傳感器的太陽輻射(64)是第三部分L2(λ)R02(λ)+......。
這樣一個過程可以寫成L(λ)＝L0(λ)+L1(λ)R0(λ)+L2(λ)R02(λ)+...... ①其中L(λ)是傳感器上接收到的總輻亮度。對于一個理想的薄層大氣，可作以下單次散射線性近似(薄層近似)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)是傳感器上接收到的光譜反射率；R(h)(λ)是經過大氣直接反射或黑體(近似零反射)背景上的光譜反射率；R0(λ)是未受大氣影響的地表反射率；t(λ)是大氣透過系數。選擇兩種試驗地表，則有R(1)(λ)＝R(h)(λ)+R0(1)(λ)t(λ) ④R(2)(λ)＝R(h)(λ)+R0(2)(λ)t(λ) ⑤解這兩個線性方程得到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)注釋R(1)(λ)是傳感器上接收到的亮表面的反射率(或稱為亮地表表觀反射率)；R(2)(λ)是傳感器上接收到的暗表面的反射率(或稱暗地表表觀反射率)；R0(1)(λ)是未受大氣影響直接由地物光譜儀測得的亮地表反射率；R0(2)(λ)是未受大氣影響直接由地物光譜儀測得的暗地表反射率(或稱為暗地表反射率)。
根據朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律，可以得到
τ=∫z1z2N(z,VIS)*EXT(λ)*m(z)*dz=-lnt]]>⑦其中，τ就是我們要求的氣溶膠光學厚度。
請參閱附圖2所示，一種航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的地表反差法，該方法通過高空、地表兩個不同高度上的兩種高反差地物進行對比及反演氣溶膠光學厚度計算，實現(xiàn)城市大氣邊界層氣溶膠光學厚度的反演，包括三部分高空從航空高光譜遙感圖像上找到兩種輻射值對比較大的地物；地面找到與高空匹配的地物光譜反射率；對比通過高空與地面、亮目標與暗目標對比，計算大氣透過率，推算氣溶膠光學厚度。
所述的航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的地表反差法的氣溶膠光學厚度τ的具體計算步驟是步驟1計算傳感器上接收到的總輻亮度由公式L(λ)＝L0(λ)+L1(λ)R0(λ)+L2(λ)R02(λ)+...... ①計算；式中L(λ)是傳感器上接收到的總輻亮度；L0(λ)是由大氣直接散射與散射光太陽輻射(2)和經暗表面反射的太陽輻射部分(61)；R0(λ)是未受大氣影響的地表反射率；L1(λ)R0(λ)是經亮表面以反射率為R0(λ)一次反射到傳感器的太陽輻射部分(62)；L2(λ)R02(λ)是地表和大氣之間發(fā)生多次反射和散射后到達傳感器(3)的太陽輻射部分；步驟2薄層近似對于一個理想的薄層大氣，可作以下單次散射線性近似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)是傳感器上接收到的光譜反射率；R(h)(λ)是經過大氣直接反射或黑體背景上的光譜反射率；R0(λ)是未受大氣影響的地表反射率；t(λ)是大氣透過系數；步驟3選擇并解線性方程選擇兩種試驗地表，則有R(1)(λ)＝R(h)(λ)+R0(1)(λ)t(λ)④R(2)(λ)＝R(h)(λ)+R0(2)(λ)t(λ)⑤解這兩個線性方程得到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)是傳感器(3)上接收到的亮表面的反射率；R(2)(λ)是傳感器(3)上接收到的暗表面的反射率；R0(1)(λ)是未受大氣影響直接由地物光譜儀(8)測得的亮地表反射率；R0(2)(λ)是未受大氣影響直接由地物光譜儀測得的暗地表反射率；步驟4計算τ值根據朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律，可以得到τ=∫z1z2N(z,VIS)*EXT(λ)*m(z)*dz=-lnt]]>⑦
其中，τ就是我們要求的氣溶膠光學厚度。
所述的航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的地表反差法的反演氣溶膠光學厚度計算的具體工作步驟是步驟1、高光譜遙感圖像數據的輻射定標a)、讀取高光譜遙感圖像(10)讀取由標準格式的機載航空高光譜遙感圖像(10)；b)、轉換成輻射值(20)根據輻射定標文件中每一波段對應的斜率和截距兩個系數，按照公式輻射值＝DN值*斜率+截距，將DN值轉換成輻射值(20)；步驟2、機載高反差地表的選取a)、選擇和輸出根據步驟1得到的輻射值(20)的大小，在圖上選擇兩種輻射值(20)反差比較大的地表，并輸出這兩種地表的輻射值(20)；b)、判斷當一像元的輻射值大于同一行或列的其他像元80％，執(zhí)行通道A(21)后進入亮地表輻射值(31)模塊，其值為Rad(1)(λ)；當一像元的輻射值小于同一行或列的其他像元80％，執(zhí)行通道B(22)后進入暗地表輻射值(32)模塊，其值為Rad(2)(λ)；步驟3、計算表觀反射率a)、計算將步驟2輸出的亮地表輻射值(31)和暗地表輻射值(32)按下述公式計算R＝π*L/(μ*f)式中R為表觀反射率；L為輻射值；μ為太陽天頂角的余弦；f為大氣上界太陽輻射通量密度；
b)、取得表觀反射率亮地表輻射值(31)模塊的輸出值經計算為傳感器上得到的亮地表表觀反射率(51)，為R(1)(λ)；暗地表輻射值(32)模塊的輸出值經計算為傳感器上得到的暗地表表觀反射率(52)，為R(2)(λ)；步驟4、地基高反差地表的選取a)、選擇地物光譜由地物光譜儀(8)測得的地物光譜為地物光譜庫(40)，從光譜數據庫中找出與步驟2選擇的兩種地表相同或相似的地物光譜；b)、取得反射率亮地表地物光譜輸出值經計算為亮地表反射率(53)，為R0(1)(λ)，暗地表地物光譜輸出值經計算為暗地表反射率(54)，為R0(2)(λ)；步驟5、機載與地基對比的大氣透過率計算a)、計算根據公式⑥t(λ)＝C(λ)/C0(λ) ⑥進行計算；b)、取得大氣透過率(60)；由步驟3得到的機載亮/暗表面的亮地表表觀反射率(51)和暗地表表觀反射率(52)，由步驟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)計算出大氣透過率(60)；步驟6、邊界層氣溶膠光學厚度的計算a)、計算根據公式⑦τ=∫z1z2N(z,VIS)*EXT(λ)*m(z)*dz=-lnt]]>
進行計算；b)、氣溶膠光學厚度由步驟5計算出的大氣透過率(60)，大氣透過率(60)模塊的輸出值輸入到氣溶膠光學厚度(70)模塊，推求氣溶膠光學厚度(70)；步驟7、驗證氣溶膠光學厚度a)、計算地面能見距將同步的地面能見距資料根據公式V＝3.91·H·1/τ式中V是地面能見距(m)；H是不同季節(jié)的氣溶膠標高；τ是氣溶膠光學厚度；b)、判斷比較1).氣溶膠光學厚度(70)模塊的輸出信號傳送到驗證(80)模塊的輸入端；2).將計算出的氣溶膠光學厚度值與步驟6得到的氣溶膠光學厚度(70)進行比較；3).如果兩者的差值＜0.1，則將驗證(80)模塊的輸出信號傳送到輸出(90)模塊，輸出氣溶膠光學厚度(70)；否則反饋到輻射值(20)模塊的輸出端，反饋到步驟2再進行優(yōu)化，重新選擇地表。
步驟8、輸出氣溶膠光學厚度輸出(90)模塊輸出的氣溶膠光學厚度(90)，為經步驟7驗證的氣溶膠光學厚度值(70)。
應用上述方法從中科院上海技術物理研究所航空遙感研究室研制的航空高光譜遙感器成像光譜儀系統(tǒng)OMIS圖像上分別選取高反差地表(亮表面和暗表面)，反演氣溶膠光學厚度計算流程見圖2所示。
本發(fā)明的工作原理是大氣中的氣體分子和氣溶膠對太陽光進行散射和吸收，影響了傳感器所接受的目標光譜響應。由于大氣的存在，地表接受了經過大氣吸收與散射的直射光和天空光后反射出去，如圖1所示。
本發(fā)明實施例的具體工作步驟步驟1、高光譜遙感圖像數據的輻射定標讀取由中科院上海技術物理研究所提供的標準格式的機載航空高光譜遙感圖像(10)，根據輻射定標文件中每一波段對應的斜率和截距兩個系數，按照公式輻射值＝DN值*斜率+截距，將數字序號DN值轉換成輻射值(20)；步驟2、機載高反差地表的選取根據步驟1得到的輻射值的大小，在圖上選擇兩種輻射值反差比較大的地表，并輸出這兩種地表的輻射值(20)，當某一像元的輻射值大于同一行或列其他像元80％，執(zhí)行通道A(21)，記作亮地表輻射值(31)(Rad(1)(λ))；當某一像元的輻射值小于同一行或列其他像元80％，執(zhí)行通道B(22)，記作暗地表輻射值(32)(Rad(2)(λ))；步驟3、計算表觀反射率將步驟2輸出的亮、暗表面的亮地表輻射值(31)和暗地表輻射值(32)，按照公式R＝π*L/(μ*f)注釋R為表觀反射率；L為輻射值；μ為太陽天頂角的余弦；f為大氣上界太陽輻射通量密度；計算成傳感器上得到的表觀反射率，分別記作亮地表表觀反射率(51)R(1)(λ)和暗地表表觀反射率(52)R(2)(λ)；步驟4、地基高反差地表的選取從由地物光譜儀測得的地物光譜形成的地物光譜庫(40)中，找出與步驟2選擇的兩種地表相同或相似的地物光譜，分別記作亮地表反射率(53)R0(1)(λ)和暗地表反射率(54)R0(2)(λ)；步驟5、機載與地基對比的大氣透過率計算根據公式⑥，由步驟3得到的機載亮/暗表面的表觀反射率亮地表表觀反射率(51)、暗地表表觀反射率(52)和步驟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)計算出大氣透過率(60)；步驟6、邊界層氣溶膠光學厚度的計算根據公式⑦，由步驟5計算出的大氣透過率(60)，推求氣溶膠光學厚度(70)；步驟7、驗證氣溶膠光學厚度將同步的地面能見距資料根據公式V＝3.91·H·1/τ注釋V是地面能見距(m)；H是不同季節(jié)的氣溶膠標高(上海冬季取776.4m)；τ是氣溶膠光學厚度。
計算出的氣溶膠光學厚度值與步驟6得到的氣溶膠光學厚度(70)進行比較(80)，當兩者的差值＜0.1，就執(zhí)行步驟8，輸出(90)為氣溶膠光學厚度(70)；否則返回到步驟2進行優(yōu)化，重新選擇地表。
步驟8、輸出氣溶膠光學厚度最終輸出的氣溶膠光學厚度(70)即經步驟7驗證的氣溶膠光學厚度值(70)。
本發(fā)明地表反差法的實施例一如下請參閱附圖3、4、5、6所示，對上海2002年10月7日成像光譜儀系統(tǒng)OMIS高光譜圖像分別選取高反差地表，按照本發(fā)明的技術流程圖，反演氣溶膠光學厚度，經步驟1首先將成像光譜儀系統(tǒng)OMIS，高光譜圖像的數字序號DN值轉換為輻射值，根據輻射值的大小從中選出亮表面(對應于廣場的水泥地)和暗表面(對應于黃浦江上污染水體)，圖3是實施例一中亮表面和暗表面所示位置略圖；圖4是亮表面和暗表面分別在13點和14點的表觀反射率曲線，x軸為波長(納米)，y軸為表觀反射率；然后，從地物光譜數據庫中選出對應的地物光譜反射率，根據步驟5按照公式⑥計算出大氣透過率，圖5是計算的大氣透過率隨波長的變化曲線，虛線為13點的大氣透過率曲線，實線為14點的大氣透過率曲線，x軸為波長(納米)，y軸為大氣透過率；接著再根據步驟6按照公式⑦推求出氣溶膠光學厚度，圖6就是根據本發(fā)明的地表反射法從機載成像光譜儀系統(tǒng)OMIS高光譜遙感圖像反演出的氣溶膠光學厚度，黑線代表13點的氣溶膠光學厚度值，紅線代表14點的氣溶膠光學厚度，x軸為波長(納米)，y軸為氣溶膠光學厚度值。
本發(fā)明地表反差法的實施例二如下請參閱附圖7、8、9、10所示，同理，對另一幅成像光譜儀系統(tǒng)OMIS高光譜圖像分別選取高反差地表，與實施例一相同，按照本發(fā)明的技術流程圖，反演氣溶膠光學厚度，選出的亮表面對應于盧浦大橋引橋橋面水泥地，暗表面對應于黃浦江上污染水體，圖7是實施例二中亮表面和暗表面所示位置略圖；圖8是亮表面和暗表面在13點和14點的表觀反射率曲線，x軸為波長(納米)，y軸為表觀反射率；圖9是計算的大氣透過率隨波長的變化曲線，x軸為波長(納米)，y軸為大氣透過率；圖10就是根據本發(fā)明的地表反射法從機載OMIS高光譜遙感圖像反演出的氣溶膠光學厚度，x軸為波長(納米)，y軸為氣溶膠光學厚度值。
從兩個實施例所示的圖中可以看到，由于選擇亮/暗表面的標準一致，選擇出的亮表面為水泥地，暗表面為污染較嚴重的水面，所示曲線變化趨勢比較相似。
根據上海市環(huán)境監(jiān)測中心空氣質量歷史資料查詢顯示2002-10-713點左右上海市空氣質量狀況總體較好，二氧化硫(SO2)濃度為0.051mg/m3，二氧化氮(NO2)濃度為0.044mg/m3，氮氧化物(NOx)濃度為0.051mg/m3，可吸入顆粒物(PM10)濃度為0.124mg/m3，空氣污染指數(API)處于良好等級，空氣質量相當于《環(huán)境空氣質量標準》(GB3095-1996)II級水平，主要污染物為可吸入顆粒物PM10，污染較弱。反演得到的氣溶膠光學厚度(見表-1)在數值上是可以接受的。
表-1OMIS反演氣溶膠光學厚度 運用反差地表法，對2002年10月7日的OMIS高光譜圖像數據，進行了氣溶膠光學厚度反演的嘗試性試驗，給出了初步的反演結果，在502nm-590nm波段處的氣溶膠光學厚度值在0.175-0.314之間。反演結果與根據氣象能見度計算得到的氣溶膠光學厚度結果(表-2)進行比較，有較好的一致性。采用反差地表法，通過高空間分辨率的機載高光譜圖像數據，可以反演城市邊界層氣溶膠光學厚度，但這種方法還處于試驗性的嘗試中。
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表-2根據能見度資料計算得到的氣溶膠光學厚度

權利要求
1.一種航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的硬件環(huán)境，包括太陽光、地表、傳感器及地物光譜儀，其特征在于太陽光模擬模塊(1)的太陽輻射(2)一部分信號經由大氣的直接吸收與散射傳送到傳感器(3)，傳感器(3)接收太陽輻射(2)及地表模塊(5)的反射信號；太陽光模擬模塊(1)另一部分信號經由大氣透射(4)后傳送到地表模塊(5)，經地表模塊(5)的反射信號再次通過大氣傳送到傳感器(3)，地表模塊(5)反射的太陽輻射(2)信號直接傳送進入地物光譜儀(8)，其間均為無線信號傳輸。
2.根據權利要求1所述的航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的硬件環(huán)境，其特征在于所述的地表模塊(5)的反射信號包括低反射率的暗表面和高反射率的亮表面。
3.根據權利要求1所述的航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的硬件環(huán)境，其特征在于所述的地表模塊(5)反射再次通過大氣到達傳感器(3)的信號包括經暗表面反射的太陽輻射部分(61)、經亮表面以反射率為R0(λ)一次反射到傳感器的太陽輻射部分(62)、反射后上行過程中再通過大氣發(fā)生漫射部分(63)及地表和大氣之間發(fā)生反射和散射后到達傳感器(3)的太陽輻射信號。
4.一種航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的地表反差法，其特征在于該方法通過高空、地表兩個不同高度上的兩種高反差地物進行對比及反演氣溶膠光學厚度計算，實現(xiàn)城市大氣邊界層氣溶膠光學厚度的反演，包括三部分高空從航空高光譜遙感圖像上找到兩種輻射值對比較大的地物；地面找到與高空匹配的地物光譜反射率；對比通過高空與地面、亮目標與暗目標對比，計算大氣透過率，推算氣溶膠光學厚度。
5.根據權利要求4所述的航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的地表反差法，其特征在于所述的氣溶膠光學厚度τ的具體計算步驟是步驟1計算傳感器上接收到的總輻亮度由公式L(λ)＝L0(λ)+L1(λ)R0(λ)+L2(λ)R02(λ)+......①計算；式中L(λ)是傳感器上接收到的總輻亮度；L0(λ)是由大氣直接散射與散射光太陽輻射(2)和經暗表面反射的太陽輻射部分(61)；R0(λ)是未受大氣影響的地表反射率；L1(λ)R0(λ)是經亮表面以反射率為R0(λ)一次反射到傳感器的太陽輻射部分(62)；L2(λ)R02(λ)是地表和大氣之間發(fā)生多次反射和散射后到達傳感器(3)的太陽輻射部分；步驟2薄層近似對于一個理想的薄層大氣，可作以下單次散射線性近似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)是傳感器上接收到的光譜反射率；R(h)(λ)是經過大氣直接反射或黑體背景上的光譜反射率；R0(λ)是未受大氣影響的地表反射率；t(λ)是大氣透過系數；步驟3選擇并解線性方程選擇兩種試驗地表，則有R(1)(λ)＝R(h)(λ)+R0(1)(λ)t(λ) ④R(2)(λ)＝R(h)(λ)+R0(2)(λ)t(λ) ⑤解這兩個線性方程得到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)是傳感器(3)上接收到的亮表面的反射率；R(2)(λ)是傳感器(3)上接收到的暗表面的反射率；R0(1)(λ)是未受大氣影響直接由地物光譜儀(8)測得的亮地表反射率；R0(2)(λ)是未受大氣影響直接由地物光譜儀測得的暗地表反射率；步驟4計算τ值根據朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律，可以得到τ=∫z1z2N(z,VIS)*EXT(λ)*m(z)*dz=-lnt]]>⑦其中，τ就是我們要求的氣溶膠光學厚度。
6.根據權利要求4所述的航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的地表反差法，其特征在于所述的反演氣溶膠光學厚度計算的具體工作步驟是步驟1、高光譜遙感圖像數據的輻射定標a)、讀取高光譜遙感圖像(10)讀取由標準格式的機載航空高光譜遙感圖像(10)；b)、轉換成輻射值(20)根據輻射定標文件中每一波段對應的斜率和截距兩個系數，按照公式輻射值＝DN值*斜率+截距，將DN值轉換成輻射值(20)；步驟2、機載高反差地表的選取a)、選擇和輸出根據步驟1得到的輻射值(20)的大小，在圖上選擇兩種輻射值(20)反差比較大的地表，并輸出這兩種地表的輻射值(20)；b)、判斷當一像元的輻射值大于同一行或列的其他像元80％，執(zhí)行通道A(21)后進入亮地表輻射值(31)模塊，其值為Rad(1)(λ)；當一像元的輻射值小于同一行或列的其他像元80％，執(zhí)行通道B(22)后進入暗地表輻射值(32)模塊，其值為Rad(2)(λ)；步驟3、計算表觀反射率a)、計算將步驟2輸出的亮地表輻射值(31)和暗地表輻射值(32)按下述公式計算R＝π*L/(μ*f)式中R為表觀反射率；L為輻射值；μ為太陽天頂角的余弦；f為大氣上界太陽輻射通量密度；b)、取得表觀反射率亮地表輻射值(31)模塊的輸出值經計算為傳感器上得到的亮地表表觀反射率(51)，為R(1)(λ)；暗地表輻射值(32)模塊的輸出值經計算為傳感器上得到的暗地表表觀反射率(52)，為R(2)(λ)；步驟4、地基高反差地表的選取a)、選擇地物光譜由地物光譜儀(8)測得的地物光譜為地物光譜庫(40)，從光譜數據庫中找出與步驟2選擇的兩種地表相同或相似的地物光譜；b)、取得反射率亮地表地物光譜輸出值經計算為亮地表反射率(53)，為R0(1)(λ)，暗地表地物光譜輸出值經計算為暗地表反射率(54)，為R0(2)(λ)；步驟5、機載與地基對比的大氣透過率計算a)、計算根據公式⑥t(λ)＝C(λ)/C0(λ) ⑥進行計算；b)、取得大氣透過率(60)；由步驟3得到的機載亮/暗表面的亮地表表觀反射率(51)和暗地表表觀反射率(52)，由步驟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)計算出大氣透過率(60)；步驟6、邊界層氣溶膠光學厚度的計算a)、計算根據公式⑦τ=∫z1z2N(z,VIS)*EXT(λ)*m(z)*dz=-lnt]]>⑦進行計算；b)、氣溶膠光學厚度由步驟5計算出的大氣透過率(60)，大氣透過率(60)模塊的輸出值輸入到氣溶膠光學厚度(70)模塊，推求氣溶膠光學厚度(70)；步驟7、驗證氣溶膠光學厚度a)、計算地面能見距將同步的地面能見距資料根據公式V＝3.91·H·1/τ式中V是地面能見距(m)；H是不同季節(jié)的氣溶膠標高；τ是氣溶膠光學厚度；b)、判斷比較1).氣溶膠光學厚度(70)模塊的輸出信號傳送到驗證(80)模塊的輸入端；2).將計算出的氣溶膠光學厚度值與步驟6得到的氣溶膠光學厚度(70)進行比較；3).如果兩者的差值＜0.1，則將驗證(80)模塊的輸出信號傳送到輸出(90)模塊，輸出氣溶膠光學厚度(70)；否則反饋到輻射值(20)模塊的輸出端，反饋到步驟2再進行優(yōu)化，重新選擇地表。步驟8、輸出氣溶膠光學厚度輸出(90)模塊輸出的氣溶膠光學厚度(90)，為經步驟7驗證的氣溶膠光學厚度值(70)。
全文摘要
一種涉及航空高光譜遙感反演邊界層氣溶膠光學厚度的地表反差法，尤指一種針對國產航空高光譜遙感器得到的高光譜圖像，通過高空、地表兩個不同高度上的兩種高反差地物進行對比，實現(xiàn)城市大氣邊界層氣溶膠光學厚度的反演，屬于大氣環(huán)境遙感應用領域；主要解決推算氣溶膠光學厚度等有關計算方法及系統(tǒng)軟硬件等技術問題。本發(fā)明的方法通過高空、地表兩個不同高度上的兩種高反差地物進行對比及反演氣溶膠光學厚度計算，實現(xiàn)城市大氣邊界層氣溶膠光學厚度的反演，本發(fā)明的優(yōu)點有別于常規(guī)的通過一個高度層面或某一種固定地物來計算氣溶膠光學厚度，不同與傳統(tǒng)遙感圖像，其最大的特點在于高光譜分辨率等有效手段。
文檔編號G01N15/06GK1727844SQ20051002752
公開日2006年2月1日 申請日期2005年7月5日 優(yōu)先權日2005年7月5日
發(fā)明者孫娟, 束炯, 段玉森 申請人:華東師范大學