一种逐像元计算卫星遥感影像大气程辐射的物理方法技术

传统的卫星遥感影像程辐射计算主要利用暗目标法，该方法是一种经验方法，而且整景影像只有一个程辐射值，误差较大。本发明专利技术提出了一种逐像元计算卫星遥感影像大气程辐射的物理方法，该方法完全基于遥感影像本身，不需要辅助数据，具有较强的普适性，为大区域大气程辐射计算提供了一种新的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种逐像元计算卫星遥感影像大气程辐射的物理方法
本专利技术涉及一种卫星遥感影像大气程辐射获取的方法，能够应用在农业、林业、气象、生态环境等行业部门。
技术介绍
太阳辐射在大气传播过程中遇到大气中气体分子、气溶胶、冰晶等粒子，使部分光线改变方向，并向各个方向散开，称为散射。大气程辐射是太阳辐射在大气传输过程中经大气中各组分散射后直接到达传感器的辐射。遥感影像中大气程辐射不包含任何地物的光谱和空间信息，而且大气程辐射值降低了遥感影像中地物的对比度，模糊了地物的细节信息，影响遥感影像的质量，是遥感图像大气校正的重要内容之一。传统的遥感图像大气程辐射计算主要利用暗目标法，该方法假定遥感图像上存在暗目标(水体、阴影等)，假设暗目标的实际反射率为0，由于大气程辐射的影响，导致图像上暗目标的反射率不为0，增加的这部分即为大气程辐射，这种方法是经验性的，而且整景影像只有一个程辐射值，存在较大误差。本专利技术从程辐射计算的理论基础出发，提出了一种逐像元计算卫星遥感影像大气程辐射的物理方法，该方法完全基于遥感影像本身，不需要辅助数据，具有较强的普适性，为大区域大气程辐射计算提供了一种新的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种逐像元计算卫星遥感影像大气程辐射的物理方法，以克服现有方法的不足，从而促进相关领域遥感应用的发展。为实现上述目的，本专利技术提出的方法包括以下步骤：第一步、对卫星影像进行几何校正；第二步、根据陆地卫星遥感影像的经纬度和影像成像时间，获取同一地理范围、同步过境的MODIS气溶胶光学厚度(0.47μm和0.66μm)、总大气水蒸汽含量、地表气压和臭氧浓度影像，并将各影像做几何校正，转换为和陆地卫星遥感影像一致的投影方式和分辨率，且影像行列数一致；第三步、由总大气水蒸汽含量W计算大气水蒸汽光学厚度；τw=0.2385awλwM(1+20.07awλwM)0.45]]>其中，τw是大气水蒸汽光学厚度，awλ是水汽吸收系数，w是可降水汽，可降水汽w与总大气水蒸汽含量W在数值上相等，M是相对大气量；第四步、计算臭氧吸收光学厚度τo＝Cozone*Aozone(λ)τo是臭氧吸收光学厚度，Cozone为MODIS臭氧浓度(单位为Dobson)，Aozone(λ)为波段λ的臭氧吸收系数；第五步、由MODIS0.47μm和0.66μm的气溶胶光学厚度，利用下式计算波长指数(α)及大气浑浊度系数(β)α=-lnτa(λ1)-lnτa(λ2)lnλ1-lnλ2]]>β＝τa(λ1)λ1α＝τa(λ2)λ2αλ1和λ2分别为0.47μm和0.66μm，τa(λ1)和τa(λ2)分别为0.47μm和0.66μm的气溶胶光学厚度；在得到α和β后，可以利用下式得到任意波长λ的气溶胶光学厚度τa(λ)：τa(λ)＝βλ-α其中，λ为波长(μm)，τa(λ)是该波长的气溶胶光学厚度；第六步、计算瑞利散射光学厚度；τr=p1013.250.008569λ-4(1+0.0133λ-2+0.00013λ-4)]]>其中，τr为瑞利散射光学厚度，λ是影像各波段的中心波长(μm)；p为MODIS的地表气压产品；第七步、计算太阳照射方向和传感器观测方向的大气透过率；Tz＝exp(-τ/cosθz)＝exp{(-τr-τa-τo-τw)/cosθz}Tv＝exp(-τ/cosθv)＝exp{(-τr-τa-τo-τw)/cosθv}其中，Tz和Tv分别是太阳照射方向和传感器观测方向的大气透过率，τ是大气光学厚度，θz是太阳天顶角，θv是传感器观测天顶角，τr、τa、τo和τw分别是瑞利散射光学厚度、气溶胶光学厚度、臭氧吸收光学厚度和大气水蒸汽光学厚度；第八步、计算日地距离日地距离d2(天文单位)按下式计算：Γ=360365(dn-1)]]>d2=11.00011+0.034221cosΓ+0.00128sinΓ+0.000719cosΓ+0.00077sin2Γ]]>其中，dn是儒略日，即影像获取日期距离1月1日的天数；第九步、计算散射角θp＝180°-θz-θv其中，θp为散射角；第十步、假设大气为均匀大气、散射角大于90度时，大气程辐射的计算公式为：Lp=E0d2τr316π(1+cos2θp)(TzTv-1)/ln(TzTv)]]>其中，Lp为程辐射，E0是大气层外相应波长的太阳光谱辐照度。具体实施方式大气程辐射是瑞利散射和气溶胶米氏散射综合作用的结果，到达传感器的总的大气程辐射可以看成地表-传感器路径上大气上行辐射的积分(图1)，程辐射的理论计算公式如下：Lp=∫0ZpE0/d2Tz1βsca(θp,λ)Tv1dr---(1)]]>其中，Lp为程辐射，Zp为地表-传感器方向的总大气路径，E0是大气层外相应波长的太阳光谱辐照度，可由探测器响应函数计算得到，d2为日地距离，Tz1代表太阳照射方向上的路径透过率，Tv1代表地表-传感器方向上的路径透过率，r为地表-传感器方向的大气路径，θp为散射角，即太阳照射方向与地表-传感器方向的夹角，λ为波长，βsca(θp，λ)为角度散射系数，即波长λ的太阳辐射被散射到地表-传感器方向的比例。角度散射系数βsca(θp，λ)为瑞利散射角度散射系数βr(θp，λ)和米氏散射角度散射系数βm(θp，λ)之和。散射角θp＝180°-θz-θv，θz是太阳天顶角，θv是传感器观测天顶角。瑞利散射与散射角有关，它们之间的关系可以用相函数(p(θp))表示(SchottJR，1997，RemoteSensing-TheImageChainApproach(NewYork：OxfordUniversityPress))：p(θp)=βr(θp,λ)(βr(λ)/4π)=34(1+cos2θp)]]>其中，βr(λ)是βr(θp，λ)在所有角度方向上的积分，瑞利散射可以向各个方向散射，而气溶胶等引起的米氏散射的实际相函数主要集中在前向散射，后向散射非常少，因此，当散射角大于90度时，米氏散射可以忽略，程辐射仅由瑞利散射引起，这样，角度散射系数可以表示为：βsca(θp,λ)=βr(θp,λ)=34(1+cos2θp)βr(λ)4π---(2)]]>图1大气程辐射图示假设大气为均匀大气，衰减系数为kλ，大气路径为S，则大气透过率T(λ)可以表示为：T(λ)＝exp[-kλS]图1中，Sz1为太阳照射方向上的大气路径，Tz1为大气路径为Sz1时的大气透过率；S1为太阳光线到达地表时的大气路径，T2为大气路径为S1时的大气透过率，则Tz1＝exp[-kλSz1]Tz＝exp[-kλS1]则：Tz1=TzSz1S1]]>本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种逐像元计算卫星遥感影像大气程辐射的物理方法，其步骤为：第一步、对卫星影像进行几何校正；第二步、根据陆地卫星遥感影像的经纬度和影像成像时间，获取同一地理范围、同步过境的MODIS气溶胶光学厚度(0.47μm和0.66μm)、总大气水蒸汽含量、地表气压和臭氧浓度影像，并将各影像做几何校正，转换为和陆地卫星遥感影像一致的投影方式和分辨率，且影像行列数一致；第三步、由总大气水蒸汽含量W计算大气水蒸汽光学厚度；τw=0.2385awλwM(1+20.07awλwM)0.45]]>其中，τw是大气水蒸汽光学厚度，αwλ是水汽吸收系数，w是可降水汽，可降水汽w与总大气水蒸汽含量W在数值上相等，M是相对大气量；第四步、计算臭氧吸收光学厚度τo＝Cozone*Aozone(λ)τo是臭氧吸收光学厚度，Cozone为MODIS臭氧浓度(单位为Dobson)，Aozone(λ)为波段λ的臭氧吸收系数；第五步、由MODIS0.47μm和0.66μm的气溶胶光学厚度，利用下式计算波长指数(α)及大气浑浊度系数(β)α=-lnτa(λ1)-lnτa(λ2)lnλ1-lnλ2]]>β＝τa(λ1)λ1α＝τa(λ2)λ2αλ1和λ2分别为0.47μm和0.66μm，τa(λ1)和τa(λ2)分别为0.47μm和0.66μm的气溶胶光学厚度；在得到α和β后，可以利用下式得到任意波长λ的气溶胶光学厚度τa(λ)：τa(λ)＝βλ‑α其中，λ为波长(μm)，τa(λ)是该波长的气溶胶光学厚度；第六步、计算瑞利散射光学厚度；τr=p1013.250.008569λ-4(1+0.0133λ-2+0.00013λ-4)]]>其中，τr为瑞利散射光学厚度，λ是影像各波段的中心波长(μm)；p为MODIS的地表气压产品；第七步、计算太阳照射方向和传感器观测方向的大气透过率；Tz＝exp(‑τ/cosθz)＝exp{(‑τr‑τa‑τo‑τw)/cosθz}Tv＝exp(‑τ/cosθv)＝exp{(‑τr‑τa‑τo‑τw)/cosθv}其中，Tz和Tv分别是太阳照射方向和传感器观测方向的大气透过率，τ是大气光学厚度，θz是太阳天顶角，θv是传感器观测天顶角，τr、τa、τo和τw分别是瑞利散射光学厚度、气溶胶光学厚度、臭氧吸收光学厚度和大气水蒸汽光学厚度；第八步、计算日地距离日地距离d2(天文单位)按下式计算：Γ=360365(dn-1)]]>d2=11.00011+0.034221cosΓ+0.00128sinΓ+0.000719cosΓ+0.00077sin2Γ]]>其中，dn是儒略日，即影像获取日期距离1月1日的天数；第九步、计算散射角θp＝180°‑θz‑θv其中，θp为散射角；第十步、假设大气为均匀大气、散射角大于90度时，大气程辐射的计算公式为：Lp=E0d2τr316π(1+cos2θp)(TzTv-1)/ln(TzTv)]]>其中，Lp为程辐射，E0是大气层外相应波长的太阳光谱辐照度。...

【技术特征摘要】
1.一种逐像元计算卫星遥感影像大气程辐射的物理方法，其步骤为：第一步、对卫星影像进行几何校正；第二步、根据陆地卫星遥感影像的经纬度和影像成像时间，获取同一地理范围、同步过境的MODIS0.47μm和0.66μm的气溶胶光学厚度、总大气水蒸汽含量、地表气压和臭氧浓度影像，并将各影像做几何校正，转换为和陆地卫星遥感影像一致的投影方式和分辨率，且影像行列数一致；第三步、由总大气水蒸汽含量W计算大气水蒸汽光学厚度；其中，τw是大气水蒸汽光学厚度，awλ是水汽吸收系数，w是可降水汽，可降水汽w与总大气水蒸汽含量W在数值上相等，M是相对大气量；第四步、计算臭氧吸收光学厚度τo＝Cozone*Aozone(λ)τo是臭氧吸收光学厚度，Cozone为MODIS臭氧浓度，单位为Dobson，Aozone(λ)为波段λ的臭氧吸收系数；第五步、由MODIS0.47μm和0.66μm的气溶胶光学厚度，利用下式计算波长指数α及大气浑浊度系数ββ＝τa(λ1)λ1α＝τa(λ2)λ2αλ1和λ2分别为0.47μm和0.66μm，τa(λ1)和τa(λ2)分别为0.47μm和0.66μm的气溶胶光学厚度；在得到α和β后，可以利用下式得到任意波长λ的气溶胶光学厚度τa(λ)：τa(λ)＝βλ-α其中，λ为波长，单位为μm，τa(λ)是该波长的气溶胶光学厚度；...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兆明，何国金，王猛猛，龙腾飞，
申请(专利权)人：中国科学院遥感与数字地球研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11