大气气溶胶光学厚度对天基光学遥感系统成像品质的影响

由于大气环境的变化,大气气溶胶污染对光学遥感器成像品质的影响越来越受到载荷研制部门的重视。天基光学遥感系统成像过程中,受到大气气溶胶退化的影响使得光学遥感器成像品质的恶化。大气导致图像质量降低主要原因之一是气溶胶混浊介质引起的前向光散射。根据气溶胶辐射特性,利用混浊介质辐射传输方程,推导了包含气溶胶光学特性的大气点扩散函数模型。根据此模型,定量化分析与评价其对光学遥感器成像的大气模糊效应。研究发现气溶胶介质除了对遥感器成像过程中大气透过率能量衰减影响外,更重要的是由于散射对成像质量产生退化作用,大气气溶胶光学厚度的增加使得气溶胶散射强度的增强,气溶胶光学厚度的变化同样强烈的影响着点扩散函数的空间分布范围,正是因为气溶胶在空间域内对图像产生的退化作用,使得遥感图像质量降低,尤其是图像清晰度的下降。同时,该模型也为遥感图像仿真中,大气链路环节的优化与改进提供了参考依据与模型方法。     

高分一号卫星多光谱遥感图像邻近效应校正研究

在遥感观测中,目标辐射信息中包含了背景辐射经过大气散射后进入传感器视场的部分,从而使地物边缘模糊,对比度降低,即邻近效应。要从遥感图像中准确获取目标信息,邻近效应校正是必不可少的环节。根据大气辐射传输模型,利用MODIS气溶胶产品并引入新的邻近效应校正系数对高分一号卫星多光谱遥感影像进行邻近效应校正。结果表明,经过校正的遥感影像对比度增强,清晰度增加,地物信息更丰富。     

超光谱比值辐射仪光机系统设计与外场实验分析

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求,以及目前人工定标的不足,研制了超光谱比值辐射仪系统.该仪器具备长期自动观测功能,光谱范围为400～2 500nm.光机系统主要由前置光学系统和光谱模块组成.根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标,设计积分球测量总辐照度,并通过遮挡的方式实现漫射辐照度的测量,获得卫星定标中的漫总比数据;设计光学镜头测量地面辐亮度,从而实现大气-地表辐射特性的自动观测.同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能.为验证仪器的野外环境适应性和自动化测量数据的可靠性,与传统人工测量地表反射率与漫总比的方式进行了外场对比实验.实验结果表明,两种方式所测的总辐照度、漫射辐照度和直射辐照度的相对偏差均小于5%,漫总比的绝对偏差均小于0.025%;所测反射率整体趋势相同,且二者的偏差普遍在±1%以内,最大偏差小于±2.5%.超光谱比值辐射仪具有较高的自动化测量精度,能够替代人工测量大气辐射特性参数和地表反射率,实现较高的测量频次,在遥感卫星自动化定标领域具有广阔的应用前景.     

基于辐射传输模型的环境一号卫星CCD相机的水体大气校正方法研究

水体大气校正问题是开展我国环境一号卫星水色遥感定量化应用的关键。针对环境卫星CCD相机的特点,以水气耦合的辐射传输模型构建大气校正参数查找表,研究以地面气象数据辅助的逐像元水体大气校正方法,实现水体离水反射率和遥感反射比的反演。以现场测量数据和MODIS数据为参考进行水体大气校正效果验证,研究发现CCD相机的反演结果在蓝、绿波段的精度较高而红、近红的反演结果系统偏大。研究结果还表明气溶胶模型是影响水体大气校正精度的重要因素。     

基于6S模型的遥感影像逐像元大气纠正算法

大气纠正的目的是从遥感影像中去除大气影响,并反演获取地物真实反射率。介绍了一种逐像元对遥感影像进行大气纠正的算法,该算法基于6S(Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum)大气辐射传输模型计算建立的查找表(look-up table),并利用地面暗目标(dark object)进行陆地气溶胶光学厚度的自动反演,由于气溶胶的分布具有空间连续性,在获取地面暗目标气溶胶光学厚度值后,通过空间插值的方法计算影像中非暗目标像元的气溶胶光学厚度值,经过查找表二次插值计算,逐像元进行大气纠正并获取像元地表反射率值。以Landsat5遥感影像为例,介绍了算法流程,展示了大气纠正的结果。结果显示,利用查找表逐像元大气纠正的算法,能够在一定程度上去除云雾对影像的影响,更加精确的对遥感影像进行大气纠正并获取地物的真实反射率。     

基于在轨成像物理机理的立体测绘相机建模与仿真

基于在轨成像物理机理的立体测绘相机成像建模与仿真综合考虑了大气辐射传输、卫星运行平台、光学系统成像、相机辐射响应等各个环节,采用数值模拟技术进行精确建模,可用于进行成像过程端到端的完整分析,评估成像系统设计可行性及成像质量。本文以可见光立体测绘相机为例,采用高精度高、分辨率地表物理模型作为输入源,首先结合立体测绘相机内外方位元素计算正视相机和前视相机CCD光敏面各亚像元区域中心的观测向量,然后根据目标相机的成像参数得到地面目标在相机入瞳处的辐亮度,最后通过光线追迹算法和光学系统点扩散函数模型计算探测器靶面的辐通量,经由探测器辐射响应模型得到数字影像。实验结果表明,正视相机几何物理模型定位精度达124 m,前视相机定位精度达193 m,能够较为可靠地模拟出立体影像,模拟方法可行。     

基于多光谱遥感成像链模型的系统信噪比分析

信噪比(SNR)是评价多光谱遥感成像性能的重要指标,在设计多光谱遥感成像仪的最初阶段应进行分析,从而确定各分系统相关参数。多光谱遥感系统的成像链模型综合考虑辐射源、地物光谱反射、大气辐射传输、光学系统成像、分光元件特性、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节,可用于进行成像过程端对端的完整分析。以基于滤光片阵列的多光谱遥感系统为例,采用MODTRAN软件进行大气辐射传输计算,对不同太阳天顶角下,不同目标地物计算像面的照度,根据电荷耦合器件探测器的噪声模型,计算出不同工作条件下多光谱遥感系统的SNR。通过对SNR的分析,可给出该类型多光谱遥感系统获得最佳性能的工作条件,并能够结合使用要求进行光学系统参数的优化选择。     

大气折射对可见近红外波段辐射传输的影响分析

为定量分析大气折射对辐射传输的影响,建立了矢量辐射传输模型(VSPART),讨论了大气折射对漫射光Stokes矢量及辐射通量密度的影响。在模型中,采用射线追踪法实现了大气折射过程的参数化,基于矩阵算法实现了辐射传输方程的求解;将VSPART模拟结果与文献值及SPDISORT、DISORT、RT3/PolRadtran和MYSTIC的模拟结果进行了对比,验证了模型间的一致性;在纯瑞利散射大气及含气溶胶大气条件下,分析了大气折射对地面下行辐射和天顶上行辐射漫射光Stokes矢量的影响,讨论了大气折射效应随太阳天顶角的变化。结果表明,太阳天顶角为86°时,在瑞利散射条件下,由大气折射造成的漫射光(波长0.35μm)I、Q和U分量的相对偏差可达9.2%、10.2%和11.3%,辐射通量密度的相对偏差可达5.3%。对于地面下行辐射,大气折射的影响总体随天顶角增大而增强,天顶上行辐射则反之。大气折射对地面下行漫射辐射的影响强于天顶上行辐射。随着气溶胶光学厚度的增加,大气折射效应显著增强;煤烟气溶胶条件下,大气折射的影响强于矿质型及海盐型气溶胶情形。当太阳天顶角大于70°时,大气折射的影响迅速增强,此时有必要在辐射传输模拟过程中考虑大气折射效应。     

大气模式与气溶胶模型对辐射传输计算的影响

大气模式与气溶胶模型选择是影响定量遥感应用的辐射传输计算的重要因素。人们一般凭感性认识去进行选择,有一定随意性,对其带来的影响程度关注甚少。以太阳辐射计测量为依据,对大气模式与气溶胶模型选择方法作了研究,并利用经辐射定标过的光谱辐射计地面测量对辐射传输计算精度进行了验证。在昆明进行的试验表明,在0.50~0.68μm范围内,选择中纬度冬季大气模式和大陆型气溶胶,经辐射传输计算后得到的光谱辐射亮度与光谱辐射计测量结果一致性很好,差别在3.3%以内;变换大气模式对辐射传输计算产生明显影响,差别达10%左右;选择不同的气溶胶模型对辐射传输计算影响也很大,差别达11%左右。基于辐射计测量的大气模式与气溶胶模型选择避免了主观选择的不可靠性,有益于减少辐射传输计算或卫星遥感大气订正的误差。     

大气气溶胶偏振遥感研究进展

POLDER-1是国际上第一个可以获取偏振光观测的星载对地探测器, 随着POLDER/PARASOL等偏振仪器的应用, 偏振遥感在国际上已成为一个快速发展的研究领域, 并在大气气溶胶监测等方面发挥了重要的作用, 取得了一系列研究成果。从POLDER/PARASOL,APS(aerosol polarimetry sensor)和航空偏振相机、地基偏振观测平台三个方面综述了大气气溶胶偏振遥感近20年(1993-2013)的研究进展, 重点介绍: (1)POLDER/PARASOL陆地上空和海洋上空气溶胶参数反演算法; POLDER/PARASOL气溶胶光学厚度(AOD)产品精度验证、应用以及与MODIS等卫星AOD产品的对比分析。(2)MICROPOL,RSP和APS陆地上空和海洋上空气溶胶参数反演算法; 国产多角度航空偏振相机(directional polarimetric camera, DPC)的气溶胶参数反演算法。(3)CE318-2和CE318-DP的气溶胶地基偏振反演算法。其中卫星、航空和地面气溶胶参数反演的结果包括总的AOD、细粒子AOD、粗粒子AOD、粒子谱分布、粒子形状、复折射指数、单次散射反射率、散射相函数、偏振相函数以及云顶AOD。在以上研究基础上, 提出了大气气溶胶偏振遥感研究存在的问题及展望, 为大气气溶胶偏振遥感研究提供有价值的参考。     

基于超光谱比值辐射仪的卫星自动化场地定标与分析

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求,以及目前人工方式进行定标的不足,调研国内外卫星定标的发展现状,研制了超光谱比值辐射仪自动化定标系统,并开展了卫星传感器自动化定标的试验。根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标,比值辐射仪设计积分球测量光谱总照度,并通过遮挡的方式实现了光谱漫照度测量,获得卫星定标中的漫总比数据;同时,辐射仪利用光学镜头的方式实现地面辐亮度测量,实现了大气-地表辐射特性的自动观测,同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能。在2015年敦煌辐射校正场试验中,辐射仪得到了理想的应用效果并获得了大气光学参数、地表反射率的数据,为卫星传感器的定标提供了数据支持。经过与传统测量仪器的对比,地表反射率的相对偏差在0.5%~1.5%,大气参数中光谱辐照度的绝对偏差小于5%,漫总比的绝对偏差不大于0.015%。采用辐照度基法利用测量的数据对Aqua MODIS光学遥感器的通道1～5进行了场地定标,通道1~4的对比相对偏差小于1%,通道5的偏差结果为7.24%,验证结果满足了卫星传感器自动化定标的初步需求。     

航天遥感相机动态钳位设计

提出了航天遥感相机的动态钳位方法,该方法通过在相机的模拟前端对大气程辐射值进行减除,实现场景信息的充分量化.建立了航天遥感相机成像链路模型,分析了大气程辐射对图像灰阶范围的影响.研制了动态钳位相机,实现了在相机硬件电路中减除模拟信号.在外场对动态钳位相机进行了实验验证,实验中利用MODTRAN软件计算大气程辐射并转换为相机钳位值.实验结果表明:本文方法可使相机低端信息得到充分利用,图像灰阶范围能够提高62%;在航天遥感相机中设计动态钳位能够利用低端量化信息,用更多的量化位数来表示地物目标信息,并可提高辐射分辨率,保留更多图像的细节信息.     

空间光学仪器及其校准检测技术 第一讲 空间光学仪器与航天相机

比较系统地介绍空间探测遥感中使用的空间光学仪器如航天相机、成像光谱仪,光谱辐射计、激光主动遥感系统等的工作原理、评价参数和参数校准检测技术.也介绍了为校准空间光学设备而专用的太阳模拟器、地球模拟器以及遥感器辐射定标系统等.     

空间光学仪器及其校准检测技术——第五讲 空间激光测距仪和激光测高仪

讲座较系统地介绍了空间探测遥感中使用的空间光学仪器如航天相机、成像光谱仪、光谱辐射计、激光主动遥感系统等工作原理、评价参数和参数校准检测技术.也介绍了为校准空间光学设备而专用的太阳模拟器、地球模拟器以及遥感器辐射定标系统等问题.     

PSO聚类算法的京津冀地区气溶胶光学厚度反演

气溶胶光学厚度(AOD)是气溶胶浓度和大气浊度的重要表征参数。通过遥感手段实现大气气溶胶光学厚度的反演是大气监测与治理过程中的重要方式,其中遥感反演AOD的重点和难点是如何选择适合卫星传感器成像特点的方法和符合研究区域的气溶胶类型。针对传统暗目标法无法直接应用于高分四号(GF-4)卫星多光谱遥感数据的问题,通过研究得出了GF-4卫星多光谱数据中红、蓝波段等效地表反射率的分布和两者之间的线性关系,结合AOD反演原理改进暗目标法使其适用于GF-4卫星多光谱遥感数据;分析6S辐射传输模型输入参数中气溶胶类型对AOD反演精度的影响,结果表明气溶胶类型是影响AOD高精度反演的关键要素之一;利用粒子群(PSO)聚类算法对京津冀地区气溶胶特性实测样本进行聚类分析,通过分析各个气溶胶类型聚类结果的占比和半衰期变化情况,最终确定聚类得到的C1、 C4型和6S模型内置的大陆型气溶胶类型进行京津冀地区的AOD反演。为了验证不同气溶胶类型AOD反演结果的精度,将反演结果与MODIS气溶胶产品和气溶胶自动观测网(AERONET)地基站点数据进行对比验证,通过相关系数、绝对误差等评价标准对不同气溶胶类型的适用性和特点进行评价。实验结果表明,以细粒子为主导的C4型气溶胶更满足京津冀地区夏秋两季的气溶胶特点,与AERONET地基数据的一致性较好,进一步证明了PSO聚类算法能够有效减小气溶胶类型的差异对AOD反演精度的影响。     

现代航天光学成像遥感器的应用与发展

概述了当前航天光学成像遥感器在对地、对天观测的多个领域的应用现状,给出了国外著名高分辨率商业卫星的性能指标,归纳了在轨和即将发射的太空望远镜的工作参数,展望了以更高的地面分辨率、更宽的地面覆盖和更高成像质量为目标的高性能光学遥感器的发展方向。依托大型光学成像平台的模块化技术和天地一体化设计为代表的综合性光学遥感器,阐述了实现自动识别和在轨参数自动调整的智能型光学成像遥感器的可行性、环境条件和技术要求。总结了目前在航天光学成像遥感器设计中大口径、主动光学波前探测和在轨智能处理等方面的关键技术和实现难题,提出了可实现的研究思路和未来的发展前景。     

第一讲 空间光学仪器与航天相机

比较系统地介绍空间探测遥感中使用的空间光学仪器如航天相机、成像光谱仪、光谱辐射计、激光主动遥感系统等的工作原理、评价参数和参数校准检测技术。也介绍了为校准空间光学设备而专用的太阳模拟器、地球模拟器以及遥感器辐射定标系统等。     

第三讲光谱辐射计

比较生活费统地介绍空间探测遥感中使用空间光学仪器如航天相机、成像光谱仪、光谱辐射计、激光主动遥感统等的工作原理、评价参数和参数校准检测技术.也介绍了为校准空间光学设备而专用的太阳模拟器、地球模拟器以及遥感器辐射定标系统等.     

第二讲成像光谱仪

比较系统地介绍空间探测遥感中使用的空间光学仪器如航天相机、成像光谱仪、光谱辐射计、激光主动遥感系统等韵工作原理、评价参数和参数校准检测技术。也介绍了为校准空间光学设备而专用的太阳模拟器、地球模拟器以及遥感器辐射定标系统等。     

空间光学仪器及其较准检测技术——第二讲成像光谱仪

比较系统地介绍空间探测遥感中使用的空间光学仪器如航天相机、成像光谱仪、光谱辐射计、激光主动遥感系统等韵工作原理、评价参数和参数校准检测技术.也介绍了为枝准空间光学设备而专用的太阳模拟器、地球模拟器以及遥感器辐射定标系统等.