CN1710379A - 航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的大气校正法 - Google Patents

Abstract

一种涉及航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的大气校正法，尤指一种针对国产航空高光谱遥感器得到的高光谱图像，实现城市大气边界层气溶胶光学厚度的反演，属于大气环境遥感应用领域。该方法主要解决如何从大气透射光谱中提取边界层气溶胶光学厚度信息及如何进行大气校正等技术问题；该方法通过大气辐射传输原理，从大气透射光谱中提取边界层气溶胶光学厚度信息，通过将大气模式、气溶胶模式在边界层内进行再次插值得到表现反射率，实现反演边界层气溶胶光学厚度的计算。本发明的优点：本发明针对OMIS成像光谱仪，结合边界层大气辐射传输原理，从大气透射光谱中提取气溶胶光学厚度信息并进行大气校正。

Description

航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的大气校正法

技术领域

本发明涉及一种航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的大气校正法，该方法应用于中科院上海技术物理研究所航空遥感研究室研制的航空高光谱遥感器得到的高光谱图像，通过基于辐射传输机理的大气校正法，实现城市大气边界层气溶胶光学厚度的反演，属于大气环境遥感应用领域。

背景技术

大气气溶胶是指大气中悬浮的半径小于几十微米的固态或液态微粒，气溶胶在地球大气辐射收支平衡和全球气候中扮演着重要的角色，是大气物理学中的重要研究对象。一方面，气溶胶通过散射和吸收太阳辐射以及地面辐射直接影响着地-气***的辐射收支平衡；另一方面，气溶胶还参与大气的多个物理过程，如云雾形成的微物理机制和臭氧平衡等；以吸收和散射方式干扰着遥感传感器接收的信号。因此，精确测量分析气溶胶，对于了解气候变化，去除遥感数据中的大气影响，提高遥感定量应用水平都具有重要意义。

气溶胶光学厚度是气溶胶最重要的参数之一，是表征大气混浊度的重要物理量，也是确定气溶胶气候效应的一个关键因子和大气模型的一个重要参量。探测气溶胶光学厚度可以采用地基探测方法，如太阳辐射计、粒子计数器、辐射总表等。地基探测方法虽然可以准确提供当地的气溶胶信息，但不能获得大范围内的气溶胶时空分布。遥感反演气溶胶光学厚度可以克服地基探测方法的先天不足，为人们全天候、实时了解大范围内的气溶胶变化提供了可能。

近年来，遥感反演气溶胶光学厚度已经成为快速、有效地获得大气气溶胶信息的手段，尤其在卫星遥感方面取得了很好的研究成果，已经有了比较成熟的反演算法^[5-15]，但主要是采用暗像元法(或暗目标法)通过6S建立查找表来实现气溶胶的反演，且这些算法大多是针对卫星资料的。暗像元法利用大多数陆面在红(0.6~0.68μm)和蓝(0.40~0.48μm)波段反射率低的特性，以植被指数(NDVI)或近红外通道(2.1μm)反射率将森林判识为暗像元，用于反演气溶胶光学厚度^[6]。毛节泰^[13]在试验利用暗像元法反演北京、香港城市污染气溶胶光学厚度时认为，在北京地区借助近红外通道表观反射率以固定比例系数关系式确定植被暗像元红、蓝通道地表反射率的方法存在较大误差。这表明利用暗像元法反演北京地区气溶胶光学厚度存在一定难度。对比方法是早期研究陆地污染气溶胶采用的卫星遥感方法^[16]。

原则上讲美国NASA已经可以用MODIS图像给出全球大部分地区的气溶胶光学厚度，但是其空间分辨率仅10km，且卫星高度在700多公里，得到的是整个对流层内的气溶胶光学厚度，而气溶胶主要集中在从地面到城市边界层这样一个垂直范围内，因此从机载高光谱图像反演城市边界层气溶胶光学厚度成为我们关注的问题。

实用型模块化成像光谱仪(OMIS-I)由中科院上海技术物理研究所航空遥感研究室研制，从可见、近红外到热红外(波长范围在0.46-12.5μm)共有128个连续光谱通道，光谱分辨率达到10nm级别，详细技术指标见表-1。OMIS平均飞行高度为2km，地面瞬时视场为3mrad，总视场大于70度，中心像元的地面分辨率约6m*6m，图像边缘点的空间分辨率低。

发明内容

为了克服上述不足之处，本发明的主要目的旨在提供一种针对中科院上海技术物理研究所航空遥感研究室研制的实用型模块化成像光谱仪(OMIS-I)，结合大气辐射传输原理，从大气透射光谱中提取边界层气溶胶光学厚度信息的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的大气校正法。

本发明要解决的技术问题是：要解决高光谱遥感图像的辐射定标问题；要解决如何在航空高光谱遥感器实用型模块化成像光谱仪0MIS图像上选取暗目标，如何得到表现反射率，反演边界层气溶胶光学厚度计算等问题；要解决如何从大气透射光谱中提取边界层气溶胶光学厚度信息，进行大气校正等有关技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的大气校正法是通过大气辐射传输原理，从大气透射光谱中提取边界层气溶胶光学厚度信息，通过将大气模式、气溶胶模式在边界层内进行再次插值得到表现反射率，实现反演边界层气溶胶光学厚度的计算，其具体计算步骤是：

步骤1：高光谱遥感图像的辐射定标

a)、读取高光谱遥感图像

读取由标准格式的机载航空高光谱遥感图像；

b)、转换成辐射值

高光谱遥感图像模块的输出信号传送到辐射值模块的输入端，根据辐射定标文件中每一波段对应的斜率和截距两个系数，按照公式辐射值＝DN值*斜率+截距，将高光谱遥感图像的数字序号DN值转换成辐射值；

步骤2、计算表观反射率，选取暗目标

a)、计算

将步骤1输出的辐射值，按下述公式计算为传感器上得到的表观反射率：

R＝π*L/(μ*f)

式中：R为表观反射率；

      L为辐射值；

      μ为太阳天顶角的余弦；

      f为大气上界太阳辐射通量密度；

b)、选取暗目标

辐射值模块的输出信号传送到暗目标表观反射率模块，选取近红外2.1um通道上的表观反射率，在0.036～0.044范围内的像元为暗目标；

步骤3、大气校正

暗目标表观反射率模块的输出信号传送到大气校正模块，根据步骤2得到的暗目标表观反射率进行大气校正；其具体工作步骤如下：

a)、定义几何参数

在几何参数模块中输入飞机相对于像元的高度角、天顶角，太阳高度角、天顶角以及观测日期，其几何参数模块的输出信号传送到大气校正模块；

b)、定义大气模式

在大气模式模块中定义模式所采用的大气模式，其大气模式模块的输出信号传送到大气校正模块；

c)、定义气溶胶类型模式

在气溶胶类型中定义模式所用的边界层气溶胶模式中的消光和气象视距类型，若同时定义了能见度，则取代气溶胶类型中缺省值定义的气象视距，气溶胶类型模块的输出信号传送到大气校正模块；

d)、定义气溶胶浓度模式

在气溶胶浓度中定义模式所用的气溶胶浓度模式，输入550nm的气溶胶光学厚度或水平能见度，气溶胶浓度模块的输出信号传送到大气校正模块；

e)、输入地物高程

将输入地物高程模块的输出信号传送到大气校正模块；

f)、输入飞机飞行高度

将输入飞机飞行高度模块的输出信号传送到大气校正模块；

步骤4、大气校正参数提取

a)、信号传送

大气校正模块的输出信号分别传送到气溶胶散射相函数模块和气溶胶单次散射反射率模块；

b)、进行大气校正

根据步骤3中的各输入参数，对选择的航空高光谱遥感图像上的暗目标进行大气校正；

c)、校正参数

从输出结果中提取校正参数气溶胶散射相函数和气溶胶单次散射反射率；

步骤5、计算边界层气溶胶光学厚度

a)、信号传送

气溶胶散射相函数模块和气溶胶单次散射反射率模块的输出信号传送到气溶胶光学厚度模块；

b)、计算

按下述公式计算边界层大气的表观反射率：

${\mathrm{\ρ}}^{*}({\mathrm{\θ}}_S,{\mathrm{\θ}}_v,{\mathrm{\φ}}_S-{\mathrm{\φ}}_v,z)=\mathrm{Tg}({\mathrm{\θ}}_S,{\mathrm{\θ}}_v,z)/[{\mathrm{\ρ}}_r\left(z\right)+{\mathrm{\ρ}}_a\left(z\right)+\frac{{\mathrm{\ρ}}_t}{1-S\left(z\right){\mathrm{\ρ}}_t}T({\mathrm{\θ}}_v,z)T({\mathrm{\θ}}_s,z)]$

c)、计算边界层气溶胶光学厚度

由步骤4得出的气溶胶散射相函数和气溶胶单次散射反射率，计算出边界层气溶胶光学厚度；

步骤6、判断

a)、信号传送

气溶胶光学厚度模块的输出信号传送到比较模块；

b)、计算地面能见距

将同步的地面能见距资料根据公式

         V＝3.91·H·1/τ

式中：V是地面能见距；

      H是不同季节的气溶胶标高；

      τ是气溶胶光学厚度；

c)、比较

将计算出的气溶胶光学厚度值与步骤5得到的气溶胶光学厚度进行比较；

当两者的差值＜0.1，将比较模块的输出信号传送到输出模块，输出为气溶胶光学厚度；

否则反馈到大气校正模块，回到步骤3重新进行大气校正，重新输入大气校正所需要的各项参数，循环重复。

所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的大气校正法的大气模式包括：热带大气、中纬度夏季、中纬度冬季、副极带夏季、副极带冬季及1976美国标准大气等。

所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的大气校正法的气溶胶类型包括：或为无气溶胶；或为乡村消光系数，缺省气象视距＝23km；或为城市消光系数，缺省气象视距＝5km；或为对流层消光系数，缺省气象视距＝50km。

本发明的有益效果是：至今未有针对机载高光谱成像数据，尤其是OMIS成像光谱仪，进行气溶胶光学厚度反演的详细完整的方法，本发明的具有进行气溶胶光学厚度反演的详细完整的方法；并针对OMIS成像光谱仪，结合边界层大气辐射传输原理，从大气透射光谱中提取气溶胶光学厚度信息并进行大气校正。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图1是本发明反演边界层气溶胶光学厚度计算流程示意图；

附图2是本发明实施例中暗表面所示位置示意图；

附图3是本发明实施例中暗表面分别在13点和14点的表观反射率曲线示意图；

附图4是本发明实施例计算的大气透过率随波长的变化曲线示意图；

附图5是本发明实施例根据本发明的大气校正法从机载OMIS高光谱遥感图像反演出的气溶胶光学厚度示意图；

附图6是本发明实施例基于LOWTRAN计算的大气透过率与基于OMIS的大气透过率之比较示意图；

附图中标号说明：

10-高光谱遥感图像；

20-辐射值；

30-暗目标表观反射率；

40-大气校正；

41-几何参数；

42-大气模式；

43-气溶胶类型；

44-气溶胶浓度；

45-地物高程；

46-飞机飞行高度；

51-气溶胶散射相函数；

52-气溶胶单次散射反射率；

60-气溶胶光学厚度；

70-比较；

80-输出；

具体实施方式

请参阅附图1所示，本发明是一种航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的大气校正法，该方法通过大气辐射传输原理，从大气透射光谱中提取边界层气溶胶光学厚度信息，通过将大气模式、气溶胶模式在边界层内进行再次插值得到表现反射率，实现反演边界层气溶胶光学厚度的计算，其具体计算步骤是：

步骤1：高光谱遥感图像的辐射定标

a)、读取高光谱遥感图像(10)

读取由标准格式的机载航空高光谱遥感图像(10)；

b)、转换成辐射值(20)

高光谱遥感图像(10)模块的输出信号传送到辐射值(20)模块的输入端，根据辐射定标文件中每一波段对应的斜率和截距两个系数，按照公式辐射值＝DN值*斜率+截距，将高光谱遥感图像(10)的数字序号DN值转换成辐射值(20)；

步骤2、计算表观反射率，选取暗目标

a)、计算

将步骤1输出的辐射值(20)，按下述公式计算为传感器上得到的表观反射率：

          R＝π*L/(μ*f)

式中：R为表观反射率；

      L为辐射值；

      μ为太阳天顶角的余弦；

      f为大气上界太阳辐射通量密度；

b)、选取暗目标

辐射值(20)模块的输出信号传送到暗目标表观反射率(30)模块，选取近红外2.1um通道上的表观反射率，在0.036～0.044范围内的像元为暗目标；

步骤3、大气校正(40)

暗目标表观反射率(30)模块的输出信号传送到大气校正(40)模块，根据步骤2得到的暗目标表观反射率(30)进行大气校正(40)；其具体工作步骤如下：

a)、定义几何参数(41)

在几何参数(41)模块中输入飞机相对于像元的高度角、天顶角，太阳高度角、天顶角以及观测日期，其几何参数(41)模块的输出信号传送到大气校正(40)模块；

b)、定义大气模式(42)

在大气模式(42)模块中定义模式所采用的大气模式，其大气模式(42)模块的输出信号传送到大气校正(40)模块；

c)、定义气溶胶类型(43)模式

在气溶胶类型(43)中定义模式所用的边界层气溶胶模式中的消光和气象视距类型，若同时定义了能见度，则取代气溶胶类型中缺省值定义的气象视距，气溶胶类型(43)模块的输出信号传送到大气校正(40)模块；

d)、定义气溶胶浓度(44)模式

在气溶胶浓度(44)中定义模式所用的气溶胶浓度模式，输入550nm的气溶胶光学厚度或水平能见度，气溶胶浓度(44)模块的输出信号传送到大气校正(40)模块；

e)、输入地物高程(45)

将输入地物高程(45)模块的输出信号传送到大气校正(40)模块；

f)、输入飞机飞行高度(46)

将输入飞机飞行高度(46)模块的输出信号传送到大气校正(40)模块；

步骤4、大气校正参数提取

a)、信号传送

大气校正(40)模块的输出信号分别传送到气溶胶散射相函数(51)模块和气溶胶单次散射反射率(52)模块；

b)、进行大气校正

根据步骤3中的各输入参数，对选择的航空高光谱遥感图像上的暗目标进行大气校正；

c)、校正参数

从输出结果中提取校正参数气溶胶散射相函数(51)和气溶胶单次散射反射率(52)；

步骤5、计算边界层气溶胶光学厚度(60)

a)、信号传送

气溶胶散射相函数(51)模块和气溶胶单次散射反射率(52)模块的输出信号传送到气溶胶光学厚度(60)模块；

b)、计算

按下述公式计算边界层大气的表观反射率：

${\mathrm{\ρ}}^{*}({\mathrm{\θ}}_S,{\mathrm{\θ}}_v,{\mathrm{\φ}}_S-{\mathrm{\φ}}_v,z)=\mathrm{Tg}({\mathrm{\θ}}_S,{\mathrm{\θ}}_v,z)/[{\mathrm{\ρ}}_r\left(z\right)+{\mathrm{\ρ}}_a\left(z\right)+\frac{{\mathrm{\ρ}}_t}{1-S\left(z\right){\mathrm{\ρ}}_t}T({\mathrm{\θ}}_v,z)T({\mathrm{\θ}}_S,z)]$

c)、计算边界层气溶胶光学厚度(60)

由步骤4得出的气溶胶散射相函数(51)和气溶胶单次散射反射率(52)，计算出边界层气溶胶光学厚度(60)；

步骤6、判断

a)、信号传送

气溶胶光学厚度(60)模块的输出信号传送到比较(70)模块；

b)、计算地面能见距

将同步的地面能见距资料根据公式

            V＝3.91·H·1/τ

式中：V是地面能见距；

      H是不同季节的气溶胶标高；

     τ是气溶胶光学厚度；

c)、比较

将计算出的气溶胶光学厚度值与步骤5得到的气溶胶光学厚度(60)进行比较(70)；

当两者的差值＜0.1，将比较(70)模块的输出信号传送到输出(80)模块，输出为气溶胶光学厚度(60)；

否则反馈到大气校正(40)模块，回到步骤3重新进行大气校正，重新输入大气校正所需要的各项参数，循环重复。

所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的大气校正法的大气模式(42)包括：热带大气、中纬度夏季、中纬度冬季、副极带夏季、副极带冬季及1976美国标准大气等。

所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的大气校正法的气溶胶类型(43)包括：或为无气溶胶；或为乡村消光系数，缺省气象视距＝23km；或为城市消光系数，缺省气象视距＝5km；或为对流层消光系数，缺省气象视距＝50km。

本发明的工作原理是：实用型模块化成像光谱仪OMIS机载高光谱遥感平台为飞机，其飞行高度大致在2km高度上，基本上属于边界层范围，因此，可以根据机载高光谱遥感数据，由大气辐射传输机理，反演边界层气溶胶光学厚度。

针对边界层大气的表观反射率，可写为

${\mathrm{\ρ}}^{*}({\mathrm{\θ}}_S,{\mathrm{\θ}}_v,{\mathrm{\φ}}_S-{\mathrm{\φ}}_v,z)=\mathrm{Tg}({\mathrm{\θ}}_S,{\mathrm{\θ}}_v,z)/[{\mathrm{\ρ}}_r\left(z\right)+{\mathrm{\ρ}}_a\left(z\right)+\frac{{\mathrm{\ρ}}_t}{1-S\left(z\right){\mathrm{\ρ}}_t}T({\mathrm{\θ}}_v,z)T({\mathrm{\θ}}_S,z)]$ ①

由于飞机处于边界层，因此，缩短了地物反射辐射经大气到达传感器的路径，故上行辐射路径需要进行修改以去除上行辐射过程中飞机高度以上的大气作用因子，这可以通过将大气模式、气溶胶模式在边界层内进行再次插值得到。

由于边界层内含量甚微，因此可以不予考虑；但边界层内水汽含量变换明显，若观测通道对水汽变化敏感，则必须考虑水汽实时变化对表观反射率的影响，此时需要在飞机上进行边界层水汽含量的同步观测。

本发明实施例的具体工作步骤：

应用上述方法从中科院上海技术物理研究所航空遥感研究室研制的航空高光谱遥感器OMIS图像上选取暗目标，反演边界层气溶胶光学厚度计算流程如图1所示：

步骤1：高光谱遥感图像的辐射定标

读取由中科院上海技术物理研究所提供的标准格式的机载航空高光谱遥感图像(10)，根据辐射定标文件中每一波段对应的斜率和截距两个系数，按照公式辐射值＝DN值*斜率+截距，将数字序号DN值转换成辐射值(20)；

步骤2、计算表观反射率，选取暗目标

将步骤1输出辐射值(20)，按照公式

               R＝π*L/(μ*f)

其中，R为表观反射率；L为辐射值；μ为太阳天顶角的余弦；f为大气上界太阳辐射通量密度；计算成传感器上得到的表观反射率，然后选取近红外2.1um通道上的表观反射率在0.036～0.044范围内的像元为暗目标。

步骤3、大气校正

根据步骤2得到的暗目标的表观反射率进行大气校正。步骤如下：

步骤3-1、定义几何参数

在几何参数(41)模块中输入飞机相对于像元的高度角、天顶角，太阳高度角、天顶角以及观测日期(MMDD)；

步骤3-2、定义大气模式

在大气模式(42)模块中定义模式所采用的大气模式，包括热带大气、中纬度夏季、中纬度冬季、副极带夏季、副极带冬季、1976美国标准大气等6种大气模式；

步骤3-3、定义气溶胶类型模式

在气溶胶类型模式(43)模块中定义模式所用的边界层气溶胶(0～2km高度区间)模式中的消光和气象视距类型，若同时定义了能见度，则取代气溶胶类型中缺省值定义的气象视距。气溶胶类型主要包括以下几种选择：(1)无气溶胶；(2)乡村消光系数，缺省气象视距＝23km；(3)城市消光系数，缺省气象视距＝5km；(4)对流层消光系数，缺省气象视距＝50km。

步骤3-4、定义气溶胶浓度模式

在气溶胶浓度(44)中定义模式所用的气溶胶浓度模式，输入550nm的气溶胶光学厚度或水平能见度(km)；

步骤3-5、输入地物高程(km)

步骤3-6、输入飞机飞行高度(km)

步骤4、大气校正参数提取

根据步骤3中的各输入参数，对选择的航空高光谱遥感图像上的暗目标进行大气校正，从输出结果中提取校正参数气溶胶散射相函数(51)和气溶胶单次散射反射率(52)；

步骤5、计算边界层气溶胶光学厚度

根据公式①，由步骤4得出的气溶胶散射相函数(51)和气溶胶单次散射反射率(052)，计算出边界层气溶胶光学厚度(60)；

步骤6、

将同步的地面能见距资料根据公式

             V＝3.91·H·1/τ

注释：V是地面能见距(m)；H是不同季节的气溶胶标高(上海冬季取776.4m)；τ是气溶胶光学厚度。计算出的气溶胶光学厚度值与步骤5得到的气溶胶光学厚度(06)进行比较(07)，当两者的差值＜0.1，就执行7，输出(06)气溶胶光学厚度；否则执行8，回到步骤3重新进行大气校正，重新输入大气校正所需要的各项参数。

本发明大气校正的具体实施例如下：

请参阅附图2、3、4、5、6所示，对上海2002年10月7日实用型模块化成像光谱仪OMIS高光谱图像选取暗目标，按照本发明的技术流程图，反演气溶胶光学厚度，经步骤1首先将实用型模块化成像光谱仪OMIS高光谱图像的DN值转换为辐射值，根据辐射值的大小从中选出暗表面(对应于黄浦江上污染水体)，图2是实施例中暗表面所示位置略图；图3是暗表面分别在13点和14点的表观反射率曲线，x轴为波长(纳米)，y轴为表观反射率；然后，从地物光谱数据库中选出对应的地物光谱反射率，根据步骤3逐步输入各参数(3-1：太阳天顶角41.8-44.8度，方位角212度-219.6度；3-2：中纬度冬季大气模式；3-3：城市气溶胶模式；3-4：能见度为8km；3-5：地物高程0.004km；3-6：飞机飞行高度2km)，计算出大气透过率，图4是计算的大气透过率随波长的变化曲线，虚线为13点的大气透过率曲线，实线为14点的大气透过率曲线，x轴为波长(纳米)，y轴为大气透过率；接着再根据步骤6按照公式3推求出气溶胶光学厚度，图5就是根据本发明的大气校正法从机载实用型模块化成像光谱仪OMIS高光谱遥感图像反演出的气溶胶光学厚度，黑线代表13点的气溶胶光学厚度值，红线代表14点的气溶胶光学厚度，x轴为波长(纳米)，y轴为气溶胶光学厚度值。

表-1：实用型模块化成像光谱仪0MIS光谱仪主要技术参数Table-1 Main parameters of the OMIS instrument

类型	光谱范围(μm)	取样间隔/通道数	波段数	总视场	瞬时视场	行像元数	扫描速率(线/秒)	数据编码
									OMIS-I	0.46~1.11.06~1.72.0~2.53~58~12.5	10nm/6440nm/1615nm/32250nm/8500nm/8	64163288	＞70°	3mrad	512	5101520	12bit
GPS定位精度陀螺稳定平台速高比***信噪比	20米稳定精度优于±4’≤0.216弧度/秒(速度单位：千米/小时，高度单位：米≤300

(接下页)

据资料检索发现，至今未有针对机载高光谱成像数据(尤其是OMIS成像光谱仪)进行气溶胶光学厚度反演的详细完整的方法。为此，我们针对实用型模块化成像光谱仪OMIS成像光谱仪结合边界层大气辐射传输原理，从大气透射光谱中提取气溶胶光学厚度信息。

表-2：实用型模块化成像光谱仪OMIS反演气溶胶光学厚度：

根据上海市环境监测中心空气质量历史资料查询显示：2002-10-713点左右上海市空气质量状况总体较好，二氧化硫(SO₂)浓度为0.051mg/m³，二氧化氮(NO₂)浓度为0.044mg/m³，氮氧化物(NOx)浓度为0.051mg/m³，可吸入颗粒物(PM₁₀)浓度为0.124mg/m³，空气污染指数(API)处于良好等级，空气质量相当于《环境空气质量标准(GB3095-1996)II级水平，主要污染物为可吸入颗粒物PM₁₀，污染较弱。反演得到的气溶胶光学厚度在数值上是可以接受的。

针对2002年10月7日的实用型模块化成像光谱仪OMIS高光谱图像数据，结合大气辐射传输方程，通过计算边界层大气透过率，从大气透射特性光谱中推求气溶胶光学厚度，给出了初步的反演结果，在502nm-590nm波段处的气溶胶光学厚度值在0.175-0.314之间。反演结果与根据气象能见度计算得到的气溶胶光学厚度结果(表-3)及图6由LOWTRAN辐射传输计算的乡村气溶胶模式(23km)、城市气溶胶(5km)、城市气溶胶(8km)下的大气透过率进行比较，有较好的一致性。

        表3根据能见度资料计算得到的气溶胶光学厚度

           Table 3 Calculated AOD from visibility

时刻	浦东站瞬时能见距(m)	浦东站十分钟平均能见距(m)	徐汇站瞬时能见距(m)	徐汇站十分钟平均能见距(m)	黄埔公园站瞬时能见距(m)	黄埔公园站十分钟平均能见距(m)	燃料公司站瞬时能见距(m)	燃料公司站十分钟平均能见距(m)	Aod平均值(550nm)
										13:00	11050	9897	8536	9573	14917	15242	10809	10368	0.279
13:10	9648	9397	10283	9273	12899	15504	12267	11102	0.278
										13:20	9253	9678	8217	8865	14058	16321	7145	10122	0.310
13:30	12320	9585	9610	8751	14471	13295	10306	9892	0.283
										13:40	9735	9442	8313	8376	13846	15522	9743	9909	0.299
13:50	8556	9775	8663	8485	11368	13140	9096	10231	0.313
										14:00	8693	8684	7390	7752	11925	12961	9931	9850	0.325
									0.298

Claims (3)

1、一种航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的大气校正法，其特征在于：该方法通过大气辐射传输原理，从大气透射光谱中提取边界层气溶胶光学厚度信息，通过将大气模式、气溶胶模式在边界层内进行再次插值得到表现反射率，实现反演边界层气溶胶光学厚度的计算，其具体计算步骤是：

步骤1：高光谱遥感图像的辐射定标

a)、读取高光谱遥感图像(10)

读取由标准格式的机载航空高光谱遥感图像(10)；

b)、转换成辐射值(20)

高光谱遥感图像(10)模块的输出信号传送到辐射值(20)模块的输入端，根据辐射定标文件中每一波段对应的斜率和截距两个系数，按照公式辐射值＝DN值*斜率+截距，将高光谱遥感图像(10)的数字序号DN值转换成辐射值(20)；

步骤2、计算表观反射率，选取暗目标

a)、计算

将步骤1输出的辐射值(20)，按下述公式计算为传感器上得到的表观反射率：

      R＝π*L/(μ*f)

式中：R为表观反射率；

      L为辐射值；

      μ为太阳天顶角的余弦；

      f为大气上界太阳辐射通量密度；

b)、选取暗目标

辐射值(20)模块的输出信号传送到暗目标表观反射率(30)模块，选取近红外2.1um通道上的表观反射率，在0.036～0.044范围内的像元为暗目标；

步骤3、大气校正(40)

暗目标表观反射率(30)模块的输出信号传送到大气校正(40)模块，根据步骤2得到的暗目标表观反射率(30)进行大气校正(40)；其具体工作步骤如下：

a)、定义几何参数(41)

在几何参数(41)模块中输入飞机相对于像元的高度角、天顶角，太阳高度角、天顶角以及观测日期，其几何参数(41)模块的输出信号传送到大气校正(40)模块；

b)、定义大气模式(42)

在大气模式(42)模块中定义模式所采用的大气模式，其大气模式(42)模块的输出信号传送到大气校正(40)模块；

c)、定义气溶胶类型(43)模式

在气溶胶类型(43)中定义模式所用的边界层气溶胶模式中的消光和气象视距类型，若同时定义了能见度，则取代气溶胶类型中缺省值定义的气象视距，气溶胶类型(43)模块的输出信号传送到大气校正(40)模块；

d)、定义气溶胶浓度(44)模式

在气溶胶浓度(44)中定义模式所用的气溶胶浓度模式，输入550nm的气溶胶光学厚度或水平能见度，气溶胶浓度(44)模块的输出信号传送到大气校正(40)模块；

e)、输入地物高程(45)

将输入地物高程(45)模块的输出信号传送到大气校正(40)模块；

f)、输入飞机飞行高度(46)

将输入飞机飞行高度(46)模块的输出信号传送到大气校正(40)模块；

步骤4、大气校正参数提取

a)、信号传送

大气校正(40)模块的输出信号分别传送到气溶胶散射相函数(51)模块和气溶胶单次散射反射率(52)模块；

b)、进行大气校正

根据步骤3中的各输入参数，对选择的航空高光谱遥感图像上的暗目标进行大气校正；

c)、校正参数

从输出结果中提取校正参数气溶胶散射相函数(51)和气溶胶单次散射反射率(52)；

步骤5、计算边界层气溶胶光学厚度(60)

a)、信号传送

气溶胶散射相函数(51)模块和气溶胶单次散射反射率(52)模块的输出信号传送到气溶胶光学厚度(60)模块；

b)、计算

按下述公式计算边界层大气的表观反射率：

${\mathrm{\ρ}}^{*}({\mathrm{\θ}}_S,{\mathrm{\θ}}_v,{\mathrm{\φ}}_S-{\mathrm{\φ}}_v,z)=\mathrm{Tg}({\mathrm{\θ}}_S,{\mathrm{\θ}}_v,z)/[{\mathrm{\ρ}}_r\left(z\right)+{\mathrm{\ρ}}_a\left(z\right)+\frac{{\mathrm{\ρ}}_t}{1-S\left(z\right){\mathrm{\ρ}}_t}T({\mathrm{\θ}}_v,z)T({\mathrm{\θ}}_S,z)]$

c)、计算边界层气溶胶光学厚度(60)

由步骤4得出的气溶胶散射相函数(51)和气溶胶单次散射反射率(52)，计算出边界层气溶胶光学厚度(60)；

步骤6、判断

a)、信号传送

气溶胶光学厚度(60)模块的输出信号传送到比较(70)模块；

b)、计算地面能见距

将同步的地面能见距资料根据公式

V＝3.91·H·1/τ

式中：V是地面能见距；

      H是不同季节的气溶胶标高；

      τ是气溶胶光学厚度；

c)、比较

将计算出的气溶胶光学厚度值与步骤5得到的气溶胶光学厚度(60)进行比较(70)；

当两者的差值＜0.1，将比较(70)模块的输出信号传送到输出(80)模块，输出为气溶胶光学厚度(60)；

否则反馈到大气校正(40)模块，回到步骤3重新进行大气校正，重新输入大气校正所需要的各项参数，循环重复。

2、根据权利要求1所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的大气校正法，其特征在于：所述的大气模式(42)包括：热带大气、中纬度夏季、中纬度冬季、副极带夏季、副极带冬季及1976美国标准大气。

3、根据权利要求1所述的航空高光谱遥感反演边界层气溶胶光学厚度的大气校正法，其特征在于：所述的气溶胶类型(43)包括：或为无气溶胶；或为乡村消光系数，缺省气象视距＝23km；或为城市消光系数，缺省气象视距＝5km；或为对流层消光系数，缺省气象视距＝50km。

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