辐射传输：从唯象到第一性原理

在回顾经典辐射传输理论的发展历程的基础上，本文对辐射传输理论与经典电磁理论的联系方面的研究工作进行了系统综述：从19世纪80年代提出至今，辐射传输理论已经过了一百多年的发展，并在诸多领域，尤其是定量遥感中得到了广泛的应用。经典辐射传输理论是一种唯象的近似理论，虽然描述的是电磁辐射的传播过程，但却长期被视为与经典电磁学相独立的一座“孤岛”。为了建立起辐射传输理论和经典电磁学间的联系，从20世纪60年代开始，众多研究者从第一性原理（也即Maxwell方程组）出发，从理论推导、数值模拟和受控实验3个角度展开了一系列研究，据此进一步明确了辐射传输理论的适用范围和条件，并针对相干后向散射和密集介质等情形提出了一些改进的辐射传输方法。展望未来，这一探索仍将继续，并将促进辐射传输理论与电磁理论的进一步结合，从而更好地服务于定量遥感的应用需求。     

应用随机辐射传输模型反演云南松林分郁闭度

随机辐射传输模型可用于模拟水平分布不均一森林的辐射传输过程。本文以云南松林分为研究对象，提出一种应用随机辐射传输模型的郁闭度反演方法。该方法以随机辐射传输模型中参数与林分郁闭度的定量关系为基础，提出了针对云南松的冠型等效模型，构建了郁闭度和卫星反射率（GF-1和Landsat 8卫星影像）的查找表，并实施了反演。基于野外实测的30个样地进行了郁闭度数据验证，并和基于NDVI回归模型的反演方法进行对比。结果表明，反演结果能够较准确反映云南松林分郁闭状况（R²=0.8345，RMSE=0.0688），通过冠型修正能够降低反演误差，冠型等效模型是合理的。反演方法机理清晰且适用范围广，研究成果可为大面积森林郁闭度反演提供模型和方法支持。     

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。     

积雪辐射模型验证

雪水当量是气候模型与大尺度水文模型中的一个重要参数。积雪容量对全球气候变化研究、大尺度径流估算与水资源管理等方面都有很重要的意义。因此研究积雪辐射模型模拟特征及模型验证显得极为重要。本文选用的积雪辐射模型是采用考虑多次散射的双矩阵法（Matrix Doubling Formulation）作为求解辐射传输方程的方法，利用致密介质理论来考虑积雪的近场效应，辐射传输方程的边界条件和下垫面辐射计算则采用高级积分方程模型（AIEM）。文中首先分析了辐射模型对下垫面参数特性和积雪颗粒特性的敏感性，结果表明下垫面特性和积雪颗粒大小对当前人们采用的温度梯度雪水当量反演算法有着很大影响。另外，本文利用瑞士Weissfluhjoch试验区的地面实验数据，对该积雪辐射模型在宽波段高频率和大角度的辐射信号模拟能力做了验证，验证结果表明该模型模拟值与地面实测数据吻合很好，说明积雪辐射模型能很好模拟自然地表的积雪辐射信号。     

被动微波土壤水分反演模型研究

在分析现有地表辐射模型的基础上,分析了被动微波遥感的辐射传输方程,并且对辐射传输过程的主要因素进行了分析.最后对地面辐射进行了介绍,并针对被动微波AMSR数据提出了地表土壤水分反演的模型.     

考虑植被端元变异性的光谱解混方法

植被光谱变异性广泛存在于遥感图像当中，本文尝试通过PROSAIL辐射传输模型来描述植被端元变异性，并提出一种光谱解混方法，实现逐像元地估计植被变异性端元。具体地，面向植被—土壤背景两端元的场景，在非负矩阵分解框架下，利用PROSAIL辐射传输模型从机理上描述植被端元的变异性，并通过两组神经网络来分别实现辐射传输模型的反演与正算，从而更高效地拟合植被端元，最终得到一种能逐像元求解变异性植被端元的光谱解混算法。由于该方法求解了植被端元的空间变异光谱，因此，能够对植被参数遥感反演的尺度效应进行纠正。为此，本文进一步以LAI尺度效应为例，通过无人机图像实验来验证该方法的有效性。实验结果得出，经过光谱解混方法处理后，该方法能较准确地估计植被端元，并能使LAI尺度效应均方根误差RMSE能够从0.2151降低到0.0896，有望提升遥感植被信息提取的精度。     

利用辐射传输模型和随机森林回归反演LAI

针对辐射传输模型与查找表结合反演叶面积指数的方法存在反演工作量大且反演速度缓慢的问题,提出利用辐射传输模型和随机森林组合模型对路域植被叶面积指数进行估算的方法。该模型定义一种辐射传输模型和随机森林回归模型结合反演叶面积指数的方法。以研究区实测高光谱数据和模拟光谱数据为数据源,在相关性分析和敏感性分析的基础上,选取适宜作为反演因子的植被指数,而后进行随机森林算法回归,反演得到预测叶面积指数。结果表明:基于辐射传输模型和随机森林算法反演的路域植被叶面积指数与实测结果一致,准确及时的反映路域植被叶面积指数信息,可以较好地应用在路域环境植被参数反演中。     

基于ASTER数据反演我国南方山地陆表温度

 以贵州省黎平县山地植被覆盖区为例，基于ASTER遥感数据进行15 m分辨率的归一化植被指数制图和地表发射率制图，在利用 MODTRAN 4大气辐射传输模型进行大气订正的基础上，基于普朗克辐射方程的推导反演陆表温度，取得了较为理想的结果。     

考虑开放度的树冠层辐射传输模型及实验验证

基于树冠层的结构特征,从方向间隙率定义了冠层中不同空间位置对天空散射入照的开放度及其在冠层中的分布,建立了入射辐射在冠层中的衰减与传输模型。应用对冠层结构、总入射辐射、辐射在冠层中衰减等的野外观测数据,对模型进行了验证。模型成功地解释了光在树冠层中辐射传输的变化规律。     

不连续植被二向性反射的几何光学与辐射传输一体化综合模型初探

本文论述作者对不连续植被冠层与辐射间相互作用机理研究的最新进展,提出了建立不连续植被二向性反射分布函数的几何光学与辐射传输一体化综合模型的设想和基本理论。该综合模型的建立以Li-Strahler间隙概率模型为基础,在大尺度上用纯几何光学模型反映植被的结构特征,在适于辐射传输模型的尺度上则以冠层内的间隙概率处理叶丛的截获辐射与散射。本文详细说明了冠层内任意高度的间隙率模型,也介绍了多次散射的建模方法。     

可见光-近红外波段大气上行与下行辐射分量参数化方法

可见光-近红外波段大气上行、下行辐射是辐射传输建模、成像模拟及大气校正关键的输入参数,根据四流辐射传输理论给出了与二者相关大气参量的数值模型及计算方法,针对Landsat 5 TM 6个波段建立了大气参量与水汽含量、能见度距离和太阳入射天顶角间的参数化模型,在此基础上对各参量间敏感性进行了分析,结果表明参数化模型具备较高精度。同时,计算了各波段大气上行、下行漫射辐射值,对二者在植被和裸土覆盖条件下的差异进行了定量分析。     

CBERS-02卫星CCD图像的大气订正

用基于遥感器辐射定标参数和大气辐射传输模型计算的方法对CBERS-02卫星CCD图像进行了大气订正，较好地消除了CCD遥感图像中非目标地物的成像信息。为了消除目标邻近像元的影响，假定目标是处在某一特定反射率的大尺度参考背景下，然后再将反射率修正到实际背景中，通过这种方法获得的大气订正图像的细节部分更加清晰，对比度增强，大大改善了CCD图像的质量。     

SBDART的参数化短波辐射传输模型

云层对地气系统辐射能量平衡有重要的调节作用,然而传统1维大气辐射传输模型仅能考虑晴空和全云两种情况。为了更好地研究云层对地表短波辐射的影响,以大气辐射传输模型SBDART(Santa Barbara Disort Atmospheric Radiative Transfer)为基础,在短波辐射传输基本方程中引入半球天空有效云覆盖度和区域真实云覆盖度两个关键云参数,考虑太阳方向和半球天空云层覆盖情况,对模型进行几何关系的修正。结合短波辐射的影响因素和SBDART模型的内置参数,选择13个参数,使用全局定量敏感性分析软件Sim Lab对修正后的模型进行参数敏感性分析及应用讨论。研究结果表明:该模型能够较好地描述云层对地表短波辐射的影响;对下行短波辐射和地表短波净辐射而言,太阳天顶角和地表反照率的影响最为显著;两个云覆盖参数在很大程度上也影响了地表短波辐射分量;在模型实际应用过程中,敏感性较强的6个参数均可以通过卫星遥感数据得到,模型具有较好的应用前景。由此可见,改进的短波辐射传输模型能够更好地考虑不同云层条件下、不同太阳–云–观测几何下的短波辐射传输问题,有利于提高短波辐射参量的遥感反演精度。     

基于3D真实植被场景的全波段辐射传输模型研究

本文基于3D真实场景CLAMP模型模拟的植被冠层，对冠层在可见一近红外波段和热红外波段的辐射传输进行了综合建模。针对CLAMP模型生成场景的通用和近似特征，在可见一近红外波段，对植被和土壤的单次散射贡献利用光子逆向追踪算法进行了精确计算，多次散射的贡献则采用四流近似理论来计算，以提高运算效率。模型结果与SAILH模型结果进行了比较，具有较好的一致性，并且体现出了优于一维辐射传输模型的模拟结果。在热红外波段，采用几何光学原理，冠层方向亮度温度由可视光照叶片、遮荫叶片、光照土壤和遮荫土壤的比例与对应组分亮温乘积之和得到，模拟结果体现了合理的变化趋势。对冠层主要结构参数LAI和ALA的敏感性进行了比较分析，不同波段模型模拟的方向性辐射结果，很好地反映了结构参数对冠层辐射特性的影响。     

大气辐射校正方法分析

阐述遥感影像的大气辐射校正的原因及目的,并以徐州地区的CBERS-02星影像数据为基础,应用软件MATLAB7.0,分析大气辐射校正的三种方法,即利用辐射传输方程求解的方法、基于地面场地数据或辅助数据进行辐射校正方法及利用波段特性进行大气辐射校正方法。其中,重点剖析利用波段特性进行大气辐射校正的方法。     

基于辐射传输模型的Hyperion光谱重建应用评价

光谱重建是高光谱数据定量分析的前提,大气校正是光谱重建的关键环节。对于缺少地面同步测量的高光谱数据,大气辐射传输模型是最可行的大气校正方法。应用当前流行的大气辐射传输模型MODTRAN 4.0和6S,分别对试验区EO-1 Hyperion高光谱数据进行大气校正和光谱重建。通过对植被、粘土矿及水体3类地物光谱重建结果的对比分析,并利用统计方法计算光谱重建精度,评价大气辐射传输模型校正的效果和模型的适用性。最后,通过FLAASH模型的试验体现了高光谱数据大气校正集成化处理的优越性。     

6S辐射传输模型在校正哈尔滨市遥感图像中的应用

由于遥感器在空中获取地表信息过程中,受到大气成分吸收与散射的影响,测量值发生辐射失真。本文通过分析大气成分对辐射传输的影响,探讨遥感图像处理中大气校正的方法。     

基于TM的辐射传输模型反演叶面积指数可行性研究

基于PROSAIL辐射传输模型，引入土壤反射指数SRI来简化模型，提出直接从反射率计算SRI的方法；  同时，针对不同的植被状况，采取不同波段组合对模型的参数进行敏感性分析，确定自由参数与反演波段组合，提出一种基于不同植被状况的叶面积指数反演策略； 最后，应用遗传算法对模拟的TM光谱反射数据进行实验。结果表明，对于LAI＜3的植被，反演精度较高； 但是对于LAI＞3的植被，反演精度较低，其原因主要是冠层反射对LAI不再敏感。因此，辐射传输模型反演LAI有一定适用范围，只有在此范围内LAI的反演精度才可靠。     

采用辐照度基法对FY-1C气象卫星可见近红外通道进行绝对辐射定标

介绍另一种在轨卫星传感器绝对辐射定标——辐照度基法定标,并利用敦煌辐射校正场对FY-1C卫星可见近红外通道进行定标。通常的反射率基法定标,表观反射率计算的一个重要误差来源是对气溶胶散射的近似计算。辐照度基法定标采用实际测量的漫射与总辐射比来代替辐射传输计算的气溶胶散射。利用该方法对FY-1C卫星的5次定标结果表明,大部分日期辐照度基法和反射率基法定标结果非常吻合,肯定了辐照度基法的正确性,但在气溶胶含量较大时,辐照度基法提高定标精度的优点显现出来,能够减少辐射传输模式对气溶胶散射计算带来的误差,提高最终的绝对辐射定标精度。     

中波红外图像模拟生成技术研究

基于中波红外图像获取困难的现状,利用高分辨率可见光图像,分别提出基于近似模型和辐射传输模型的中波红外图像模拟方法。在近似模型中,对可见光图像分类,结合不同地物的发射/反射特性,建立起待模拟中波红外图像与源图像之间的灰度映射关系;在辐射传输模型中计算出地面的辐射亮度值,并利用MODTRAN4进行大气改正;利用这两种方法,得到了不同条件下的模拟图像,并给予初步的评价。模拟结果表明,两种方法均能反映出中红外波段下不同地物的相应特征,并在制导等军事应用中有一定的价值。