典型矢量辐射传输模式计算精度与效率的初步比较

辐射传输模式是建立遥感反演方法和气候模式中辐射参数化的重要工具,尤其是全偏振的矢量辐射传输模式对于精确理解地气系统中的辐射过程至关重要。PolRadtran/RT3(polarized radiative transfer)、SOSVRT(vector radiative transfer based on successive order of scattering)和VDISORT(vector DIScrete ordinate radiative transfer)是基于不同物理原理求解矢量辐射传输的三个代表性数值模式。对这三个模式进行计算时间和计算精度的比较,发现,基于逐次散射法的SOSVRT计算效率最高,计算时间基本不随流数的增加而增长,但随单层光学厚度的增大,其计算时间有较为明显的增加,在米散射情况下,光学厚度从0.5增加到1.0时,其计算时间增加了1倍;基于倍加累加法的RT3和基于矩阵特征矢量求解方法的VDISORT计算效率较低,尤其是采用大流数计算时,RT3和VDISORT的计算时间随流数的增加迅速增长,特别是在瑞利散射条件下,波长为400nm,流数为40时,其计算时间分别为SOSVRT的23倍和7倍。但是,两模式随光学厚度增加计算时间却无明显的增加。在计算精度方面,3个模式比较接近,只是VDISORT在大流数的情况下会有震荡现象。     

临边遥感大气辐射传输的宽光谱快速计算模型

为解决目前临边遥感大气辐射传输模型存在计算光谱窄和计算速度慢等问题,基于HITRAN2008数据库、带模式算法和临边辐射传输方程建立了0.2—20μm波段大气临边辐射传输的宽光谱快速计算模型FALTRAN。建立了含有散射辐射和热辐射的临边辐射传输方程,并依据临边几何特征提出了一种基于有限差分的半球辐射累加HRA解算方法。利用FALTRAN计算分析了几个常用的遥感波段内典型大气条件和切向高度时大气的临边辐射特性,并定量分析了左、右半球辐射对总辐射的贡献情况。模型校验结果表明,FALTRAN与CDI模型的计算结果相对差异在2%以内,并与MIPAS的测量结果符合很好,验证了FALTRAN在临边遥感中大气传输计算的可靠性。     

中国北方地区春季气溶胶光学特性地基遥感研究

基于中国北方地区地基太阳直接/散射辐射计观测,分析了2001年春季气溶胶光学厚度、尺度和吸收特性。沙尘期间,气溶胶光学厚度显著升高,而尺度上升,粗粒子浓度显著增加,大气气溶胶表现出中性或异常消光特征。除沙尘活动之外,中国华北地区人为排放也是导致气溶胶光学厚度偏高的一个重要原因。中国沙尘源区气溶胶单次散射反照率小于以往观测和模式结果。北京和香河两地气溶胶光学厚度、Angstrom指数和尺度谱基本相似,说明华北地区人为排放与沙尘活动类似,也表现出区域尺度的特点。由于沙尘气溶胶与人为排放气溶胶相比,折射指数实部偏大、虚部偏小,从而北京地区沙尘期间单次散射反照率明显大于非沙尘期间,特别是在近红外波段,说明沙尘活动不仅可以通过增加气溶胶光学厚度,同时也通过改变气溶胶物理、辐射特性来影响下游地区的气溶胶辐射强迫。     

多频段微波辐射计对农作物热辐射的遥感和分层随机介质辐射传输的数值模拟

本文给出了用多频段微波辐射计(3.09,5.4,9.6,36GHz)于1990年9月对长春净月潭遥感实验站地区的水稻、大豆等农作物微波热辐射的一些测量结果;发展了多层随机介质辐射传输的理论模式,得出了矢量辐射传输方程的数值解;定量地讨论了农作物微波热辐射的特征及其与各物理参数之间的函数对应关系。     

高分辨率机载遥感数据的交叉辐射影响及其校正

地表的复杂性在可见光/近红外波段体现在由非均匀造成的交叉辐射影响和非朗伯双向反射特性两个方面,为此利用MODTRAN4和大气点扩散函数的解析近似分析了低空机载测量中影响交叉辐射的各种因素。结果显示,对于机载测量,大气交叉辐射影响随测量条件不同而改变,需要实时计算。为此,将改进的大气点扩散函数的解析近似算法结合MODTRAN4辐射传输模型,设计了校正大气交叉辐射影响的算法。对AMTIS图像的处理结果显示,该算法提高了地表反射比的计算精度。     

利用云下阴影实现陆地上空气溶胶和地表反射率的同时反演—理论方法和模拟

卫星探测信号包含大气中分子和粒子的散射贡献以及地表反射的贡献,在陆地上空二者的贡献相当,并且陆地地表反射率在时间和空间上极度不均一,因此,很难区分二者的各自贡献从而定量提取大气气溶胶和地表反射率,陆地上空气溶胶的反演也一直是一个极具挑战性的课题.而高分辨率卫星资料如TM5的可见光通道能够很好地区分云和云下阴影,如果云是不透光的,在阴影上空,卫星信号仅包含大气散射贡献和地表漫反射贡献,而在邻近的非阴影区上空,卫星探测信号还包含地表直接反射的贡献,根据这个原理,利用辐射传输模式分析了阴影区和非阴影区上空卫星探测的辐射量差别与地表反射率和大气气溶胶的关系,提出一种利用云下阴影来同时提取阴影上空大气气溶胶和地表反射率的单波长反演方案,并对气溶胶单次散射反照率,散射相函数,测量精度以及地表反射率的不均一性进行了敏感性分析.     

改进AMSR-E雪水当量算法研究

为了发展雪水当量物理反演算法,本文对不同散射阶模型——零阶、一阶、多次散射模型进行敏感性试验与分析,结果表明我们必须在前向理论模型和反演模型中考虑多次散射作用。本文采用的多次散射积雪辐射理论模型——双矩阵法（Matrix Doubling）求解辐射传输方程,用致密介质理论模型（DMRT）模拟积雪发射和消光特性,用AIEM模型模拟地表辐射及作为辐射传输方程的边界条件。由于该多次散射积雪辐射理论模型的复杂性,拟发展出简单且高精度的积雪辐射参数化模型,以发展雪水当量物理反演算法。因此,在包括多次散射的积雪理论模型基础上,本文通过建立针对AMSR-E传感器参数设置的积雪辐射模拟数据库,该数据库包含了各种可能的自然积雪和地表特性参数。从而在模拟数据库基础上,本文发展了针对AMSR-E的积雪参数化模型。     

海洋目标的HY-2A卫星微波散射计在轨辐射定标研究

HY-2A卫星微波散射计主要用于测量海表面的风速和风向,为了满足其风速和风向的测量精度要求,必须对其进行在轨辐射定标。本文基于散射计在开阔大洋的观测数据,利用经过定标的seawinds散射计后向散射系数数据,分析了海洋目标定标法的定标精度,结果表明定标精度可以达到0.15 dB,且模式函数对定标结果的影响为系统偏差,说明海洋目标定标法需要选用高精度的模式函数。然后,采用相同的海洋目标定标算法,实现了HY-2A卫星微波散射计的在轨辐射定标,获得HY-2A卫星微波散射计VV极化的定标系数为-1.79 dB,HH极化的定标系数为-1.73 dB。最后,利用NDBC浮标观测数据,检验HY-2A卫星微波散射计反演的风矢量精度,证明获得的定标系数可以明显提高HY-2A卫星微波散射计反演风矢量的精度。     

UHV/VHF波段SAR对次地表层土壤湿度探测与反演

首先采用一层非球形粒子植被模型,计算各波段矢量辐射传输方程Mueller矩阵一阶散射解,对比微扰法所得各波段地表粗糙面直接后向散射解,结果证明L波段植被层的散射对观测结果仍有影响,与下垫土壤粗糙表面的散射不易分离.因此,宜采用更低频率的UHF和VHF波段,对地表和次地表层能有较大的渗透深度,并可忽略植被层影响.接着,运用矢量辐射传输的3层土壤全极化Mueller矩阵解,计算UHF/VHF波段分层土壤的散射与传输,分析该两波段探测深度的差异,证实UHF波段可探测大致10-60cm深处的土壤湿度,而VHF波段探测深度能更大一些.根据第3层中土壤体湿度变化0.1时能否引起土壤表面观测的后向散射系数变化0.1dB这一判据,分析VHF波段反演第3层土壤体湿度的必要条件,证实当第2层的体湿度较小时(<0.25)才能反演层3的体温度.基于UHF/VHF两波段探测深度的差异,耗散土壤层的贡献有不同的权重,先后采用UHF和VHF,迭代法实现3层土壤湿度廓线反演.误差分析表明,该方法是有意义的.     

一种改进的病态问题截断奇异值方法

截断奇异值分解方法是通过删除较小的奇异值及对应的特征向量获得病态模型的稳定解.文中首先将线性病态模型表示成近似的秩亏模型,证明秩亏模型的最小范数最小二乘解与截断奇异值解的等价性;然后,根据模型参数间的先验信息,以参数的线性函数的二次范数最小为目标,在残差范数最小条件下给出改进的最小范数最小二乘解,其实质是截断奇异值解的修正.截断参数的选取采用L曲线法.计算实例表明,修正的截断奇异值算法稳定有效,比正则化解和截断奇异值解具有更小的均方误差.     

中低云云底高的地基红外遥感的初步分析

在辐射传输模拟结果分析的基础上,提出利用云底高与下行红外辐射之间的单调关系进行云底高遥感反演的算法,并结合激光测云仪云底高实测数据对算法进行了初步验证。结果表明,该算法对中低云云底高反演的平均误差为107 m,具有较高的准确性。     

多角度遥感估算稀疏团粒分布型土壤表面粗糙度方法初探

表面粗糙度是影响土壤在微波波段发射和散射辐射的主要因素之一,也是微波遥感研究与应用的重要参量。由于微波后向散射还受介电特性、穿透深度等因素的影响,在微波遥感应用中往往难以单独考虑介质表面粗糙度,给参数估算与反演带来了一定困难。在可见光、近红外波段,粗糙度作为土壤表面重要的结构参数之一,直接影响着土壤的二向反射分布特征。因此,本文尝试利用光学多角度观测信息,反演土壤表面粗糙度。基于地表二向反射几何光学模型,假设裸土像元由随机分布于平坦表面的土壤团粒组成,将团粒近似为半椭球体,建立裸露土壤表面二向反射模型,模拟不同粗糙度条件下土壤表面像元的二向反射分布特征。进一步尝试采用多角度观测数据反演模型,估算土壤团粒的几何结构参数,进而计算土壤表面均方根高度,作为表面粗糙度的衡量指标。地面实测多角度数据的初步验证结果表明,多角度光学遥感估算土壤表面粗糙度的方法是可行的。     

多次散射对向上漫射散射系数及漫射吸收系数影响的数值研究

在假定水体表面为镜面、水体中无内光源及非弹性散射的情况下、利用多次散射理论, 研究了在固定体散射函数的情况下, 不同的入射天顶角、单次散射反照率和散射系数对向上漫射散射系数, 上、下行漫射吸收系数的影响。结果表明: 在紧贴水表的下层, 向上漫射散射系数随入射辐射天顶角的增大而增大, 但不随单次散射反照率和散射系数的改变而改变; 当入射辐射为垂直入射时, 向上漫射散射系数的深度廓线随深度呈现单调增的趋势, 并逐步接近一个恒定状态; 随着入射天顶角的增大, 该单调现象发生了变化, 出现先增大后减小, 再逼进恒定状态, 且这个恒定值随单次反照率增大而增大。下行漫射吸收系数随着入射天顶角的增大, 其廓线由单调增加过渡到先增大后减小; 在散射系数和单次散射反照率相同的条件下, 不同入射天顶角的下行漫射吸收系数逐渐收敛于同一稳定的状态。且单次散射率越小, 这种收敛的速度越快, 达到恒定状态的深度也越浅。上行漫射吸收系数的主要特征基本与下行漫射吸收系数类似, 而且两个恒定值均大于属于固有光学参数的吸收系数, 其中向上漫射吸收系数最大。     

融合多尺度视网膜图像增强的动态云检测

云检测是气象卫星各类定量遥感产品的基础,无论是以云图为基础的天气分析还是以去云为前提的各类大气和地表参数反演、沙尘火情等灾害检测,都需要对遥感影像中的云进行准确识别,尤其是薄云和云边缘等细节识别。针对静止气象卫星(以Himawari-8为例)精细化云检测,本文提出了一种基于多尺度视网膜图像增强的动态云检测算法。该算法基于云层与背景信息辐射特征不同的原理,构建可见光和红外波段的晴空辐射背景场,通过多尺度图像增强和最大类间差方法对辐射差值进行云细节信息的增强和提取。利用2021-2022年的75景MODIS云检测产品作为验证数据进行算法精度验证,整体上算法精度达到91.13%,召回率为94.02%,精确率为86.71%,有较强的适用性和稳健性,且已经较好地支撑了近两年的定量遥感产品业务化应用。     

Modelling of radiation transfer in Earth’s hazy atmosphere and calculation of path radiances in IRS LISS-I Bands

A model (named ATMRAD) of radiation transfer in the Earth’s hazy atmosphere based on simplistic solution of radiation transfer equation and tropical model atmosphere is developed to estimate path radiance for correction of remote sensing multispectral data. The atmosphere is assumed to be cloud free and plane-parallel stratified with various quatities specified for 46 layers in its 100 km assumed thickness and model altitude profiles of haze aerosols specified for 23 km and 5 km visibility ranges. Altitude profiles of haze for any intermediate visibility ranges are deduced from linear mixing of the two profiles for 23 and 5 km visibilities. Deirmendjian size distribution function is assumed for aerosols. The radiation transfer calculations have been performed for 126 wavelengths in 0.25 to 3.0 μm range by considering Rayleigh and Mie Scatterings by air molecules and aerosols; and absorption by atmospheric gases. The model calculations have been carried out for path radiances in bands of IRS LISS-I sensor for different visibility ranges and solar illumination angles.     

基于显著性图像与纹理特征的遥感影像云检测

遥感影像云检测是遥感影像处理中非常关键的环节,准确识别影像含云区域能够提升影像的利用价值.根据遥感影像的成像特点,将阈值法和纹理特征结合实现云和下垫面的分割.首先将影像从RGB(red-green-blue)空间转化为HSI(hue-saturation-intensity)空间,进而构建影像的显著性图像,利用Otsu...     

The influence of thermodynamic phase on the retrieval of mixed-phase cloud microphysical and optical properties in the visible and near-infrared region

Cloud microphysical and optical properties are inferred from the bidirectional reflectances simulated for a single-layered cloud consisting of an external mixture of ice particles and liquid droplets. The reflectances are calculated with a rigorous discrete ordinates radiative transfer model and are functions of the cloud effective particle size, the cloud optical thickness, and the values of the ice fraction in the cloud (i.e., the ratio of ice water content to total water content). In the present light scattering and radiative transfer simulations, the ice fraction is assumed to be vertically homogeneous; the habit (shape) percentage as a function of ice particle size is consistent with that used for the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) operational (Collection 4 and earlier) cloud products; and the surface is assumed to be Lambertian with an albedo of 0.03. Furthermore, error analyses are performed that pertain to the inference of the mixed-phase cloud effective particle size and optical thickness. Errors are calculated with respect to the assumption of a cloud containing solely liquid or ice phase particles. The analyses suggest that the effective particle size inferred for a mixed-phase cloud can be underestimated (or overestimated) if pure liquid phase (or pure ice phase) is assumed for the cloud, whereas the corresponding cloud optical thickness can be overestimated (or underestimated).     

从散射辐射传输成像到定量精细遥感的信息

星载遥感是电磁波与环境目标相互作用散射辐射传输获取数据图像,并进而反演诠释环境目标物理特征的信息技术。随着星载遥感多任务、多频段、多极化、高分辨率等多源多模式的发展与融合,星载遥感定量精细信息的需求提出了一系列新的信息链科学问题。本文概述本实验室在近十多年里在星载遥感领域的电磁散射辐射传输理论到定量精细遥感信息链的研究,包括：矢量辐射传输与星载微波遥感数据定标与验证（CAL/VAL）、极化电磁散射与全极化多模式合成孔径雷达（SAR）成像信息、高分辨率遥感与自动目标识别（ATR）技术、月球火星等外星遥感信息获取等。     

联合统计信息与散射模型的GF-5 AHSI可见光影像薄云校正

针对高分五号可见短波红外高光谱相机AHSI (visible-shortwave infrared Advanced HyperSpectral Imager)可见光波段存在的薄云干扰,本文提出了一种联合统计信息与散射模型的校正方法。利用AHSI影像邻近波段间地表与云雾辐射的统计差异,实现对不同场景下相对薄云辐射RCR (Relative Cloud Radiance)的准确估计。基于此,根据不同波段的散射特性,分别利用分级暗目标统计和散射模型约束策略,获取可见光波段的绝对云辐射强度,最终实现影像校正。通过设置模拟与真实实验对方法的有效性和鲁棒性进行目视和定量检验。模拟实验中,可见光波段内的薄云干扰均可被有效地去除,校正结果与真实地表十分一致;此外,RMSE (RootMean-Square Error),MAE (Mean Absolute Error)和SA (Spectral Angle) 3个评价指标的值分别为1.9891,1.6822和0.4901,远小于对比方法。真实实验中,不同场景内的薄云可被有效抑制,在较为准确恢复降质地表信息的同时保持晴空区光谱特征;Q指数,SSIM (Structural Similarity Index)和UQI (Universal Quality Index)的计算结果优于对比方法。综上,本文提出方法可用于不同场景下高分五号AHSI影像可见光波段的薄云校正,可得到目视效果良好且光谱保真度高的校正结果。