针对测量仪器设计的天空亮度分析

天空亮度分布在大气光学领域有着重要的应用。利用Modtran计算了在各种大气、地表条件下的天空亮度分布,分析了大气模式、能见度、云对天空亮度分布的影响,给出了天空亮度的大致动态范围,为天空亮度测量仪器的研制,特别是探测器的选择提供了科学依据。     

晴朗无云天空光谱辐射的近似计算模型

 利用大气光学质量和大气气溶胶光学厚度的经验公式，由HITRAN数据库获得大气分子谱线参数，基于辐射传输方程，给出了晴朗无云天空光谱辐射的近似计算模型。根据该近似计算模型对晴朗无云天空光谱辐射亮度进行的计算结果表明：天空光谱辐射亮度曲线上存在明显的O₂和H₂O吸收线；晴朗无云天空辐射的光谱分布偏蓝，天空亮度主要集中在短波段部分；太阳角小的天空光谱亮度出现“红移”现象；由于大气厚度变大，近地平的天空辐射亮度较大。     

地表双向反射对天基矢量辐射探测的影响分析

矢量辐射传输方程定量描述了辐射在地表-大气耦合介质中的传输过程,是定量遥感的基础.在处理辐射和离散介质相互作用时,如何处理多次散射、辐射偏振效应和耦合地表模型是研究的重点,直接影响定量化遥感反演的精度.文中基于逐次散射近似法求解了矢量辐射传输方程,求解过程中耦合典型地表的非偏双向反射（BRDF）模型和偏振双面反射（BPDF）模型.采用相对误差因子定量分析了地表双向反射效应和大气偏振效应对天基矢量辐射的影响.为进一步研究地表-大气耦合介质系统的偏振特性及地表大气参数的定量遥感反演提供理论支持. 关键词： 矢量辐射传输方程 逐次散射近似 定量遥感 偏振遥感     

基于场地高光谱BRDF模型的绝对辐射定标方法

提出了一种基于场地地表高光谱双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法,摆脱了对卫星过境时刻同步观测的依赖,提高了遥感器在轨绝对辐射定标的效率与频次.利用无人机测量系统对敦煌辐射校正场进行了地表方向特性测量,基于半经验核驱动模型反演了敦煌场地的高光谱双向反射分布函数模型参数.用地表双向反射分布函数模型直接计算的卫星观测方向的地表高光谱反射率数据替代卫星过境时刻场地的地表同步测量数据,结合中分辨率成像光谱仪大气产品数据,实现了对Landsat-8卫星的陆地成像仪(OLI)在可见光至近红外波段的高频次绝对辐射定标.Landsat-8/OLI第1～6波段的卫星观测表观辐亮度值与模型计算表观辐亮度值的相对偏差均小于5%,标准差小于2%.基于无人机场地双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法的定标结果与卫星观测结果具有较高的一致性和稳定性.     

基于辐射传输理论和分形理论的云场景仿真

 基于云的边缘特征和天空亮度分布特征，对有云天空场景的仿真方法进行了研究。分析了云对天空亮度影响，并据此提出了一种基于分形原理的云场景仿真方法。通过辐射传输理论，给出了有无云天空的光谱亮度分布计算方法。在分析了云边缘具有自相似分形特征基础上，利用有云天空亮度分布特征、二次随机法和分形几何的Diamond-Square算法设计了云纹理生成算法。利用混合修正δ-Eddington近似计算出了观察视场2°×2°内640×480单元的2维天空亮度数组。利用该理论模型得到有云天空的2维亮度数组，并用VC++实现了云场景的动态仿真，得到了较为逼真的结果。     

太阳直射光谱和天空光谱的测量与分析

在海拔9600m高空测量并获得了大气上界直射太阳光谱和天空光谱，测量了成都、丽江和玉龙雪山地表直射太阳光谱和天空光谱.结果表明：(西昌段)大气上界直射太阳光谱能量最大峰值对应的波长位于482.1nm，天空光谱能量分布相对于直射太阳光谱能量分布明显紫移，0.41—0.42μm波段成为天空光谱能量第一主峰区；地表晴天天空光谱中的能量分布与直射太阳光谱的能量分布区别很大，而有云时天空光谱中的能量分布和直射太阳光谱能量分布的差别比较小；玉龙雪山山峰积雪雪面在可见光波段对不同波长有不同的反照率. 关键词： 太阳直射光谱 天空光谱 大气上界     

结合Lab空间和单尺度Retinex的自适应图像去雾算法

针对暗通道先验算法在大片天空区域透射率估计过小及景深突变处出现Halo效应的问题，提出一种结合Lab空间和单尺度Retinex的图像去雾算法。将RGB图像转换至Lab空间提取出亮度分量，利用Canny算子对亮度分量提取边缘信息，丰富恢复图像细节；利用单尺度Retinex对非边缘区域进行高斯自适应滤波估计出优化后的亮度分量，获得“伪”去雾图像，得到粗略的透射率；利用交叉双边滤波优化透射率消除Halo效应；最后根据大气散射模型恢复出无雾图像。实验结果表明，该方法恢复出的图像细节明显，整体平滑，且对含大片天空区域的图像也有较好的恢复效果。     

海洋-大气耦合矢量辐射传输粗糙海面模型

详细导出了粗糙海面的反射矩阵、透射矩阵和源函数矢量计算模型,并应用于海洋-大气耦合矢量辐射传输数值计算模型PCOART。在此基础上,分别利用粗糙海面瑞利大气矢量辐射传输问题和海洋-大气耦合辐射传输问题对粗糙海面模型进行了验证,结果表明,模型计算得到的粗糙海面大气瑞利散射斯托克斯矢量是精确的,且瑞利散射辐亮度计算相对误差小于0.5%。粗糙海面海洋-大气耦合辐射传输问题验证结果表明该粗糙海面计算模型是精确的。相对已有的标量粗糙海面海洋-大气耦合辐射传输模型,该模型不仅可以获得整个海洋-大气耦合系统的辐亮度场,而且可以获得辐射斯托克斯矢量场。     

基于三光谱带的大气散射效应校正方法

大气散射效应作为CO₂反演的主要误差源,严重影响了全球大气CO₂卫星产品的应用研究。气溶胶作用以及气溶胶与地表综合作用是大气散射的重要来源。基于O₂-A,CO₂ 1.6和2.06 μm三个光谱带中的强、弱吸收峰和连续谱,从大气气溶胶光学厚度和地表反照率的角度,分析三光谱带具有的相关信息,提出改进的全物理反演方法,对相关性很强的气溶胶光学厚度和地表反照率这两个散射相关参数进行同步反演,实现大气CO₂反演中的散射效应校正。模拟计算气溶胶影响、气溶胶和地表反照率两者综合影响导致的CO₂反演误差,并进行校正,极端情况下导致的8% CO₂反演误差可校正到1% 内,气溶胶类型差异导致最高达10%的散射影响可校正到2%内,显示了方法的有效性,同时通过对校正效果的评估,表明该方法应用于卫星数据高精度反演的潜力,也指出了实际应用时需要关注的问题。     

我国北方不同类型下垫面地表反照率特征

地表反照率反映了地面对太阳辐射的反射能力,在地表能量平衡中起着非常重要的作用,本文利用"中国北方协同观测"的资料,分析了不同下垫面10个站点7-9月的反照率变化特征和对降水的响应,并讨论了榆中、通榆草地、通榆农田、密云、玛曲和锦州站地表反照率与太阳高度角和土壤湿度的关系,结果表明:反照率的相对关系是东北干旱草甸西北高寒草甸西北绿洲农田黄土高原自然植被东北半干旱草甸东北农田东北果林,并且反照率基本上和降水对应,降水量大的站点反照率小,降水量小的站点反照率大,反照率的日变化曲线分为早晚对称型,早上比较大、中午下午比较小和晚上最大、早上最小的不对称型三种,选取的6个观测站反照率的谷值一般出现在降水日,峰值一般出现在没有降水、太阳辐射比较强的日子,地表反照率随着太阳高度角的增大而减小,当太阳高度角大于40°时,地表反照率基本不变,榆中和通榆农田地表反照率随着土壤湿度增大减小较明显,其次是通榆草地,玛曲、密云和锦州地表反照率随着土壤湿度变化不明显。     

Effect of the reflection of underlying surface on sky radiance distribution

Sky radiance might be influenced by the multiple reflectance between the earth's albedo surface and the atmosphere. Based on the Lambert's law and the radiative transfer equation (RTE), a model is developed to calculate the additional sky radiance at wavelengths of 0.4-3 μm due to the reflectance contribution of the underlying surface. The iterative method is used to calculate sky radiance without the reflectance from underlying surface. The hybrid modified delta-Eddington approximation is used to compute the atmospheric reflection of the radiation from the earth's surface. An interaction factor is introduced to deal with the multiple reflectance between the atmosphere and the underlying surface. The sky radiance increment is evaluated for some different albedos of the earth's surface. The results show that the sky radiance increment rises rapidly while viewing zenith angle is near to 90°, and the larger the albedo of the earth's surface is, the more obvious this effect appears.     

一种改进的光谱图像反演地表目标遥感反射率的方法

提出一种改进的反演地表目标遥感反射率的方法．利用光谱图像中的太阳耀光估计当时气象条件下的大气透过率,分析了天空辐射和色散现象对反演的影响,据此构建遥感反演模型,计算出地表目标的遥感反射率．由于消除了天空漫射辐射带来的额外影响使得可见光波段的反演准确度大为提高,此外将菲涅尔反射率表示为波长的函数进行计算使反演光谱在整个波段范围内能更好地匹配实验室光谱．实验结果表明,改进算法计算的反射率能更好地匹配实验室光谱,具有更高的反演准确度．     

一种改进的光谱图像反演地表目标遥感反射率的方法

提出一种改进的反演地表目标遥感反射率的方法.利用光谱图像中的太阳耀光估计当时气象条件下的大气透过率,分析了天空辐射和色散现象对反演的影响,据此构建遥感反演模型,计算出地表目标的遥感反射率.由于消除了天空漫射辐射带来的额外影响使得可见光波段的反演准确度大为提高,此外将菲涅尔反射率表示为波长的函数进行计算使反演光谱在整个波段范围内能更好地匹配实验室光谱.实验结果表明,改进算法计算的反射率能更好地匹配实验室光谱,具有更高的反演准确度.     

气溶胶垂直非均一分布对天空背景亮度的影响

对白天天空背景亮度进行了数值实验;模拟了不同标高下的气溶胶垂直分布对天空背景亮度的影响;比较了不同垂直分层和整层均匀气溶胶分布下,天空背景亮度的相对偏差,并分析了天空背景亮度对地表反射率的敏感性。结果表明:给定气溶胶光学厚度下,不同标高的垂直分布得到的天空背景亮度差别很大;天空背景亮度对地表反射率和气溶胶总光学厚度都比较敏感,敏感程度受太阳-观测几何的影响。     

AO3D: A Monte Carlo code for modeling of environmental light propagation

A Monte Carlo radiative transfer program (Atmosphere-Ocean 3-Dimensional, AO3D) for modeling the coupled atmosphere-ocean environment has been developed. The code allows for the specification of optical properties for the atmosphere, land and ocean. Light rays are tracked as they pass between the atmosphere and the ocean, reflect off the ocean surface, the ocean floor, and off land, or are absorbed. In this version the polarization of light rays is not considered. The optical properties of each horizontally homogeneous layer within the atmosphere and ocean can be set on a layer-by-layer basis with a choice of phase functions, absorption and scattering coefficients, and index of refraction. A wind-dependent Cox and Munk ocean surface realization (with whitecaps) is implemented to model refraction and reflection from surface waves. Either spherical- or flat-Earth models can be used, and all refraction and reflection are accounted for. The AO3D model has been tested by parts, and as a whole by comparison with single- and total-scattering calculations from other radiative transfer codes. Comparisons with Monte Carlo calculations by Adams and Kattawar (agreement in TOA radiance within the published precision ∼2%), MODTRAN4 (agreement in spherical-shell atmosphere (SSA) sky radiance within about 2%) and Coupled DIScrete Ordinate Radiative Transfer (COART) (agreement in plane-parallel (PP) sky radiance within 2%) are shown. Sun photometer measurements (including large air mass values) at the Mauna Loa Observatory are compared to AO3D simulations (for a spherical Earth) and suggest that a thin aerosol layer was present above the observatory at the time of the measurements.     

Integration of Chandrasekhar's integral equation

We solve Chandrasekhar's integration equation for radiative transfer in the plane-parallel atmosphere by iterative integration. The primary thrust in radiative transfer has been to solve the forward problem, i.e., to evaluate the radiance, given the optical thickness and the scattering phase function. In the area of satellite remote sensing, our problem is the inverse problem: to retrieve the surface reflectance and the optical thickness of the atmosphere from the radiance measured by satellites. In order to retrieve the optical thickness and the surface reflectance from the radiance at the top-of-the atmosphere (TOA), we should express the radiance at TOA “explicitly” in the optical thickness and the surface reflectance. Chandrasekhar formalized radiative transfer in the plane-parallel atmosphere in a simultaneous integral equation, and he obtained the second approximation. Since then no higher approximation has been reported. In this paper, we obtain the third approximation of the scattering function. We integrate functions derived from the second approximation in the integral interval from 1 to ∞ of the inverse of the cos of zenith angles. We can obtain the indefinite integral rather easily in the form of a series expansion. However, the integrals at the upper limit, ∞, are not yet known to us. We can assess the converged values of those series expansions at ∞ through calculus. For integration, we choose coupling pairs to avoid unnecessary terms in the outcome of integral and discover that the simultaneous integral equation can be deduced to the mere integral equation. Through algebraic calculation, we obtain the third approximation as a polynomial of the third degree in the atmospheric optical thickness.     

A vector radiative transfer model of coupled ocean-atmosphere system using matrix-operator method for rough sea-surface

A vector radiative transfer model termed PCOART has been developed for the coupled ocean-atmosphere system, using the matrix-operator (or adding-doubling) method, which considers the rough sea-surface. The theoretical formulations of the solution of the vector radiative transfer equation of the coupled ocean-atmosphere system, and the reflection-transmission matrices and internal radiation sources for rough sea surface are described. The model intercomparison is performed for several radiative transfer problems in the atmosphere and ocean, and the results show that PCOART can exactly predict the radiance fields for both flat and rough sea surface. Also, the polarizing remote sensing data from POLDER is used to test the capacity of PCOART to simulate the polarization radiance at the top-of-atmosphere, which shows that PCOART can perfectly reproduce the linear polarization reflectance measured by POLDER. PCOART can not only simulate the total radiance field in the coupled ocean-atmosphere system with wind-induced rough sea surface but also predict the polarization radiance field both in the atmosphere and in the ocean, which can serve as a good tool for the ocean optics and ocean color remote sensing communities.     

卷云短波红外辐射特性

 采用离散纵标法耦合大气分子吸收，模拟计算了卷云大气的反射特性。研究了在短波波段卷云辐射性质随波长、卷云光学厚度、卷云有效尺度、云高和卷云中冰晶粒子形状等的变化关系，分析了卷云对大气红外背景辐射的影响。结果表明：在2.7 μm的水汽强吸收带上，卷云的出现明显增强了该波段的大气背景辐射，反射率随光学厚度和云高增大而增大。     

ETM图像地物反射率光谱反演

用搭载在卫星Landsat-7上的多光谱成像仪ETM记录的来自地气系统的辐亮度光谱图像,反演地物反射率光谱,在ETM 1波段,反射率反演的不确定度基本上保证在17%以内,2,3波段在10%以内,优于目前常用的简易算法。用反演的地物辐亮度光谱合成的sRGB真彩色图像,清晰度欠佳,未作经验调整时明显偏色,用于航天对地真彩色摄影这一反演精度还不够,但用于目视判读明显优于原图像。     

影响光谱辐亮度标定因素的分析

在利用漫反射板标定光谱辐亮度的实验装置中,标准灯完全可以近似为点光源。通过对进入光谱仪的辐射通量的数值积分,可以对应求出仪器的实测光谱辐亮度的计算公式。计算表明,实测光谱辐亮度并不等于漫反射板表面的光谱辐亮度,而有一个随标定条件变化的微小差值。通过计算,对光谱仪与漫反射板的距离、光谱仪入射挟缝的光轴与漫反射板法线的夹角以及标准灯与漫反射板的距离等影响光谱仪标定的因素进行分析,得到了最佳的标定条件。讨论了理想标定情况、光谱仪视场趋于一点的极限情况和采用实际的双向反射分布函数已知的漫反射板标定时,实测光谱辐亮度的计算情况。