超光谱红外卫星资料同步反演不同地表类型的大气廓线、地表温度和地表发射率

大气温度、水汽、地表温度和地表发射率是大气和地表的本征信息量。利用卫星红外资料精确反演大气温湿廓线有利于准确预报天气和研究气候变化,同时地表温度和地表发射率光谱的反演为研究植物生长与作物产量、地表水分蒸发与循环、能量平衡、地表成分及物理性质、气候变迁与全球环境提供重要参数指标。把大气和地面作为一个整体系统来考虑,建立一种能同步反演大气温度廓线、大气水汽廓线、地表温度和地表发射率的反演方法,利用超光谱红外卫星资料(atmospheric infrared sounder, AIRS),针对我国新疆地区沙漠和雪地两种典型发射率地表同步反演大气温度廓线、水汽廓线、地表温度和地表发射率。反演方法首先线性化地球-大气系统红外辐射传输方程, 提出通过经验正交函数构建大气廓线和地表发射率光谱,有效减少反演变量数,建立同步物理反演模式,然后以美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的预报结果(初始大气温度、水汽廓线以及地表参数)作为初始值,最后通过牛顿迭代得到最优化解。反演观测区域覆盖我国新疆塔克拉玛干沙漠和准噶尔盆地,分别选择位于塔克拉玛干沙漠腹地的塔中探测站(纬度38.98°, 经度83.64°)和准噶尔盆地的阜康荒漠生态系统国家野外科学观测研究站(纬度44.2°, 经度87.9° )为反演地面验证点。反演结果表明,塔克拉玛干沙漠地表温度明显高于准噶尔盆地地表温度,与实际情况相一致;根据反演的8.6和13.4 μm处的地表发射率分布情况,可以看出在8.6 μm处沙漠地表发射率明显低于雪地发射率,在6～15 μm范围内,反演的沙漠地区(塔中站)地表发射率和雪地地区(阜康站)地表发射率与美国喷气推进实验室测量的沙漠发射率光谱和雪地发射率光谱相一致。研究表明,把大气和地面作为一个整体系统来考虑,把地表发射率加入到反演中,通过比较和分析沙漠地区(塔中)和雪地地区(阜康)的大气廓线反演结果与当地气象探空值和传统反演方法反演值,改进了大气温度廓线和水汽廓线反演精度,特别是边界层温度和水汽改进尤为明显;同时分析表明在发射率光谱变化较大的沙漠地区, 大气廓线反演精度的改进比雪地要高,这是由于地表发射率光谱在沙漠、戈壁地区变化较大,而雪地的发射率光谱变化不大。用该方法针对地表发射率光谱变化较大的地区(沙漠)同步反演大气廓线、地表温度和地表发射率,可以更有效的提高大气温度廓线、水汽廓线的反演精度。该研究结果可以为数值天气预报和我国未来超光谱红外卫星应用提供服务和有力支持, 具有十分重要的意义。     

自校准多通道红外辐射计的设计与性能测试

为满足遥感器热红外波段自动化观测定标的需求,研制了具有自动化观测能力的自校准多通道红外辐射计。该设备需具有以下特色功能:1）采用电机驱动镀金反射镜的设计,实现0°～90°仰角的大气下行辐射和地表辐亮度的测量,为消除大气下行辐射对反演地表温度的影响提供了技术手段;2）采用滤光轮分光的方法实现了6个光谱通道的自动设置,结合多通道温度与发射率分离算法可以实现场地温度与发射率的分离,为卫星遥感器热红外波段绝对辐射定标提供了2个关键因子;3）采用内置2个控温精度分别优于0.04 K和0.05 K、发射率均高于0.994,稳定性均优于0.0014的黑体实现内部探测器的实时辐射定标,有效地消除了内部背景辐射对辐射测量的影响,定标不确定度小于0.167%。等效测温不确定度为0.2 K（@303 K, 11 μm）,为遥感器热红外波段场地自动化定标应用的开展奠定了基础。     

中国遥感卫星辐射校正场陆表热红外发射率光谱野外测量

中国遥感卫星辐射校正场陆表发射率光谱是利用陆表场地进行遥感器红外通道绝对辐射定标的关键因子之一。基于光谱平滑的温度与发射率分离反演迭代算法,利用高精度的BOMEM MR154傅里叶变换红外光谱仪和红外标准板,对敦煌戈壁陆表发射率光谱进行测量。获得了不同时间和地点测量的陆表发射率光谱数据,并与利用CE312通道式红外辐射计在相同区域的测量结果进行比较分析。结果表明各个通道发射率的差别均在0.012以内,具有较好的一致性。利用该发射率光谱测量结果,可以在敦煌戈壁——中国遥感卫星辐射校正陆面场,对目前国内外主流的遥感卫星热红外通道进行在轨场地绝对辐射定标。     

地表发射率的机载傅里叶变换红外光谱反演方法研究

介绍了利用机载傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪测量地球、大气辐射的实验过程,并对由光谱仪测得的辐射与地表光谱发射率、大气透过率等参数的关系进行了深入的分析,给出了理论表达式。提出了一种基于梯度搜索的优化方法,即由机载FTIR光谱仪测得的辐亮度光谱反演得到方差最小的光谱发射率最优解。反演结果表明,在中红外波段,沙地平均光谱发射率为0.70,裸土地表平均光谱发射率为0.95。     

基于多层感知器网络的FTIR高光谱数据温度和发射率光谱同步反演

文章以土壤为例,首先指出了典型的温度反射率分离算法由高光谱FTIR数据反演温度和发射率的局限; 当地物出射能量的真值和地物真实温度对应的黑体辐射在数值上的差别与仪器的噪声等效光谱辐射亮度在相同的数量级上时,产生奇异发射率的概率很大, 野外测量时这种现象在714和1 250 cm-1附近经常发生。针对这个局限,构建了一个三层的感知器(MLP)网络,利用ASTER光谱库中的土壤发射率光谱生成训练样本,MODIS光谱库中的土壤发射率光谱生成测试样本,对网络进行训练和测试,取得了比较好的结果。同时利用光谱平滑迭代算法(ISSTES)由测试样本反演土壤的温度和发射率,并与MLP方法的结果进行比较,MLP方法反演的土壤发射率精度在可接受的范围之内,略低于ISSTES算法,MLP方法的优点在于,它能够克服典型的温度发射率算法的局限,可以作为典型的温度发射率分离算法有益的补充。     

基于参考温度的多目标极小值优化原理的多光谱真温反演

多光谱辐射测温法是一种能够反演出辐射体真实温度(真温)的非接触式的温度测量方法,这种方法通过采集不同波长下被测目标的亮度温度信息,利用相关的算法反演被测目标的真温,多光谱高温计就是利用这种方法反演被测目标真温的最重要的测量工具之一。经过近半个世纪的不懈努力与探索,国内外众多学者在此领域取得了长足的进步。由于光谱发射率都小于1,因此采用辐射高温计不能直接测量得到被测目标的真温,只有通过处理多个光谱通道的波长和亮度温度,利用多光谱辐射测温数据的处理方法才可以获得被测目标的真温。在真温的反演的过程中,一般都需要找到光谱发射率与波长或温度等变量之间的函数关系,用含有波长或温度等变量的表达式代替光谱发射率,这类方法模型选取缺乏足够的理论支持,对于非专业人员,选择合适的光谱发射率模型存在一定的难度。由于光谱发射率具有瞬时多变性,假设的光谱发射率模型与实际光谱发射率的变化之间往往存在一定的差异,有可能导致真温反演产生较大的误差。另外,光谱发射率与波长或温度等变量之间的数学模型是需要通过大量的实验和经验才能确定,这种数学模型通用性较差,尤其是当待测辐射体发生改变时,这种数学模型也就失去了意义。因此,找到一种无需假定光谱发射率与波长或温度之间数学模型而且又具有一定通用性的多光谱真温反演方法成为一种迫切的需要。对于多波长高温计的N个光谱通道,每一个光谱通道的测量数据满足一个数学方程,对于N个光谱通道可以构成一个欠定方程组。为了求解这个方程组,将优化的思想引入多光谱求解过程中,提出了一种基于参考温度的多目标极小值优化原理的多光谱真温反演方法,将多光谱真温的求解问题转化为多目标极值优化问题,实现了无需假设光谱发射率模型的真温和光谱发射率的反演。与传统的二次测量法相比,新方法在反演精度上与二次测量法大体相同,但在反演速度上得到了较大幅度的提高。借助于以往学者测量的真实数据,利用基于参考温度的多目标极小值优化原理的多光谱真温反演方法实现了真温和光谱发射率的反演。新方法在反演速度上得到了较大幅度的提高,借助于以往的固体火箭发动机羽焰温度真实的测量数据,利用基于参考温度的多目标极小值优化方法实现了真温的反演。     

基于热红外光谱和微波反演地表温度的研究进展

地表温度(LST)是研究地表和大气之间辐射和能量交换以及区域和全球尺度地表物理过程的重要参数。卫星遥感技术在生态环境、水文、气象、地震、军事的应用研究,以及气候模式的辐射过程描述都需要获得准确的LST。光谱中的红外和微波对于探测LST发挥重要作用。文章综合分析了热红外波谱和微波遥感反演LST的研究进展,包括:利用热红外辐射温度表探测LST的方法,晴空条件下星载传感器的红外通道反演LST的单窗、分裂窗等反演方法,单通道和多通道算法,组分温度的反演方法,单通道多角度法和多通道多角度法,以及地表发射率ε特性研究等。微波可以全天候探测地表,文章分析了被动微波波段遥感反演LST的方法。并对这些方法的优缺点、适用性及应用前景进行了评述。     

机载FTIR地球大气红外背景辐射光谱特征研究

介绍了机载傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪测量地球大气红外背景辐射的实验过程,对地球/大气的红外背景辐射进行了详细的分析,给出了描述这一辐射过程的理论表达式,证明红外背景辐射主要取决于地表温度、地表发射率、大气透过率和大气温度这四个参数。在理论分析的基础上,对不同观测高度、不同地物背景的实测光谱进行了对比和分析,得到了红外背景辐射的光谱特征。     

多目标普朗克极小值优化法的多光谱真温反演研究

光谱发射率是辐射体辐射能力的重要参数,通过光谱发射率可以建立辐射体与黑体的之间的桥梁,从而黑体辐射的相关理论就可以应用于辐射体。采用普朗克公式,光谱高温计的每一个光谱通道可以构成一个方程,这个方程中包含有真温、亮度温度和光谱发射率。对于N个光谱通道可以构成N个方程,这N个方程中也包含一个真温、N个亮度温度和N个光谱发射率,其中亮度温度是已知量,真温和光谱发射率是未知量。由于方程组是欠定的,理论上存在着大量的解。为了求解这个方程组常需要假设光谱发射率与波长和温度之间的数学模型,使方程组未知数的个数降为N个,实现真温的求解。当光谱发射率与波长或温度之间的规律被正确获得后,多光谱辐射测温法才能反演出正确的真温。通过对上述较为常用两种光谱发射率模型的分析可知,这两种方法的基本思想都是试图找到光谱发射率与波长或温度之间的函数关系,确立光谱发射率与波长或温度之间数学模型。用含有波长或温度的表达式代替光谱发射率,实现方程的求解。由于光谱发射率具有一定的不确定性,假设的光谱发射率模型与实际光谱发射率的变化之间存在一定的差异,有可能导致真温反演产生较大的误差。光谱发射率与波长或温度之间的数学模型是需要通过大量的实验和经验才能获得的,而且这种数学模型通用性较差,尤其是当待测辐射体发生改变时,这种数学模型也就失去了意义。为了解决多光谱高温计在实际测量中存在的问题,找到一种无需假定光谱发射率与波长或温度之间数学模型而且又具有一定通用性的多光谱真温反演方法成为一种迫切的需要。为此,将优化的思想引入到了多光谱求解过程中,将多光谱真温的求解问题转化为多目标普朗克极小值优化(MMP)问题,从而不再需要建立光谱发射率与波长或温度之间的数学模型,降低了系统的复杂性与难度。该方法以普朗克公式和光谱发射率之间的等式约束条件为基础,构造了六个目标函数,实现了真温的求解。新方法在反演精度上得到了较大幅度的提高,仿真数据的误差都小于1%。借助于以往的真实测量数据,利用多目标普朗克极小值优化法实现了真温的反演。     

基于发射率温差模型的多光谱辐射测温理论研究

对于辐射测温数据的处理过程实质就是要解决光谱发射率与真温之间的关系。如果假设的光谱发射率模型与实际光谱发射率模型不符,则会造成较大的测温误差。因此,如何减少光谱发射率和真温对测量模型的依赖程度进而使算法具有一定的通用性,是该领域亟待解决的主要问题之一。提出的算法无需预先假定的发射率与波长之间的模型关系即可找出求解出光谱发射率和真温。通过仿真和实验验证结果表明,使用该算法可以求解出一个相对合理的光谱发射率和满足一定精度要求的真温。算法简单、可靠、具有一定的通用性,适合光谱发射率和真温的测量。     

大气下行长波辐射快速实验测量方法研究

采用辐射传输模式模拟了特殊角度随气溶胶光学厚度及大气温湿度的变化情况,结果显示晴空下该角度不受气溶胶影响,受大气温度影响小,但受大气水汽含量影响显著,因此晴空下热红外光谱仪测量下行辐射时特殊天顶角可只根据大气水汽含量确定。西部荒漠地区下行辐射测量实验结果表明,据大气水汽含量确定的特殊角度值与实验结果一致,且该角度处辐射作为积分辐射符合精度要求。特殊角度值可用研究区大气水汽含量确定,该快速测量法可广泛用于野外实验,方便快捷测量准确瞬时下行辐射。     

多光谱遥感影像煤火监测新方法

煤火在世界各地均有不同程度的发生,严重威胁生态环境,煤火燃烧释放大量的有毒有害气体,造成大气污染,同时煤火燃烧形成地下空洞,导致地表塌陷,直接威胁着矿区人员的生命安全。遥感技术的迅猛发展使大尺度反演与监测煤火温度变为可能。单窗算法是一个简单可行且精度较高的煤火温度反演方法,该方法需要两个大气参数进行温度反演,即大气水分含量和地表比辐射率。由于该算法需要卫星影像获取瞬间时的大气水分含量,而卫星过境瞬间的大气水分含量受多种因素影响难以获得;单窗算法对不同类型的地物均采用统一的地表比辐射率,这会导致反演温度不精确,误差较大。针对上述存在的问题,采用基于地面湿度参量建立起的大气可降水量与地面水汽压间的经验关系,计算大气水分含量,同时,采用NDVI阈值法计算不同地物类型的地表比辐射率,对单窗算法中的两个参数进行精确估计,从而改进提高该算法的精度及可操作性。将改进的算法应用于内蒙古乌达矿区,反演从1988年到2015年间研究区的煤火温度,提取每年研究区的温度异常区域,对比分析煤火区域分布、面积变化情况。本文提出的改进算法能够快速、高效的反演煤火温度,对掌握煤火异常区域变化情况提供技术支持,具有可操作性及现实意义。     

目标表面发射率对红外热像仪测温精度的影响

介绍了红外热像仪测温原理,分析了影响红外热像仪测温精度的因素,计算了不同表面发射率下红外热像仪的测温误差曲线。理论分析表明,目标表面发射率越高,红外热像仪测温精度越高。实验改变表面发射率的设置,计算了不同表面发射率对应的总辐射亮度,得到TP8型长波红外热像仪能够精确测温时,目标表面发射率必须大于0.5的结果。最后,对表面发射率分别为0.96、0.93和0.3的3种材料进行实际测温,结果表明,材料表面发射率较高时,红外热像仪具有较好的测温精度。     

利用地基红外高光谱发射率数据进行云参数反演(2): 云滴有效半径和云水路径反演

云滴有效半径和云水路径等微物理参数是了解云的形成过程、辐射效应以及云、气溶胶和降水相互作用等问题的重要数据。利用地基红外高光谱辐射数据开展了云微物理参数反演方法研究。针对光谱数据的特点,进行了基于云层发射率光谱和辐射光谱的敏感性分析,在此基础上建立了云微物理参数与云发射率光谱差值和斜率等特征参数有关的查找表关系。具体特征参数包括：热红外波段862.1和934.9 cm-1的云层发射率之差、中红外波段1 900.1和2 170.1 cm-1的云层发射率之差、热红外波段900～1 000 cm-1区间的发射率光谱斜率和辐射值光谱斜率、1 100～1 200 cm-1区间的发射率光谱斜率和辐射值光谱斜率等。研究了臭氧波段云层透过率的计算方法及对查找关系的约束性,选择了1 050～1 060 cm-1区间的云层透过率平均值作为约束特征参数。实现了基于逐步搜索法的多重查找反演云滴有效半径和光学厚度,并可通过经验关系计算云水路径。研究表明,该算法得到的水云的云滴有效半径与ARM计划中的MICROBASE产品基本相当,冰云的云滴有效半径相对偏小,两者的云水路径反演结果差异较大。该反演算法较适合于光学厚度小于6的薄云。     

目标表面发射率对红外热像仪测温精度的影响

介绍了红外热像仪测温原理,分析了影响红外热像仪测温精度的因素,计算了不同表面发射率下红外热像仪的测温误差曲线。理论分析表明,目标表面发射率越高,红外热像仪测温精度越高。实验改变表面发射率的设置,计算了不同表面发射率对应的总辐射亮度,得到TP8型长波红外热像仪能够精确测温时,目标表面发射率必须大于0.5的结果。最后,对表面发射率分别为0.96、0.93和0.3的3种材料进行实际测温,结果表明,材料表面发射率较高时,红外热像仪具有较好的测温精度。     

自然状态下水泥路面温度与其发射率耦合关系研究

地表发射率是地表温度遥感反演中不可缺少的参数之一。常规获取地表发射率的遥感方法中,存在温度和发射率病态反演的问题;而实验室实测方法在恒定的自然条件下测定,对于遥感实用有一定的局限性。为解决上述问题,本研究利用温度和发射率相互耦合的关系,剔除温度效应的影响,提高发射率的精度,进而提高遥感反演地表温度的精度。对于不同地表物质而言,发射率和温度耦合关系又不同,本研究针对典型的城市人造地表类型之一——水泥路面,基于合理的自然状态下水泥路面发射率和温度观测实验,筛选理想大气环境下实测数据;利用最优发射率与温度分离算法取代光谱仪自带算法,提取精度较高发射率数据;分析时序水泥路面温度和发射率数据的耦合关系,建立耦合模型,并进行验证。研究结果表明：水泥路面的发射率二阶导数与温度相关性最高,相关系数为-0.925 1。以发射率二阶导数为自变量的逐步回归模型为最佳关系模型,判定系数R2达到0.886,验证结果的均方根误差RMSE为0.292 1。水泥路面温度与其发射率耦合关系模型的建立为提高遥感反演地表温度的精度提供了一种途径。