当前课程知识点:遥感数字图像处理理论与方法 > 第八章 遥感图像变化检测 > 第八章习题 > 3.3 热红外遥感图像的大气校正
我们来看一下如何开展
热红外遥感图像的大气校正
大气中的水汽
二氧化碳等成分
对长波辐射吸收能力很强
因此
地表辐射大部分被大气所吸收
据研究
约有90%的地表辐射被大气吸收
大气吸收地面辐射而增温
地球表面是大气增温的直接热源
在地表长波辐射的大气传输过程中
地表辐射能通过3~5μm
和8~14μm两个大气窗口
这也是大多数传感器的设计波段范围
如图示
在这个范围当中
其中
10.5-12.5μm是多数热红外传感器
更加青睐的波段范围
因为在这个区间
长波辐射受到大气吸收的比率比较小
热红外传感器开展地面探测过程中
还得考虑地表发射能量的特征
根据Wien位移定律
随着温度的增加
物体总辐射能量将相应增加
辐射能量的最大波长也将逐渐变短
如图
这里显示了普通地面和熔岩
两种不同的物质
在不同温度下物体辐射能量
随波长变化的曲线
可以看出来
常温的地表物体(27°C左右)
发射能量高值区主要在8-14μm之间
而熔岩1100°C左右
它发射能量的高值区
主要在3-5μm之间
可以看出
从普通地表的发射能量特性来看
传感器在8-14μm之间才能捕获最高能量
这也解释说明了热红外传感器
为何多选择8-14μm波段范围的原因
如何开展地表热辐射的传输与建模呢
地球-大气系统所处的温度为200~300 K
在这样的温度条件下
地面和大气的辐射特性
主要集中在4~120μm之间
均为红外辐射
因为比太阳辐射的波长
(0.15~4微米)要长得多
所以在气象学习惯上
把地面和大气的辐射称为长波辐射
地表长波辐射在向上传输过程中
受大气CO2
CH4
N2O
H2O等影响
传输过程中
辐射能量被削弱
同时
大气自身的长波辐射
也可能进入传感器
产生干扰作用
下图展示的是
利用美国的地球辐射监测卫星
ERBS
探测得到的卫星数据
利用这个数据
反演得到的地球和大气的长波辐射数值
下面
我们正式开展地表热辐射的传输与建模
在晴朗的大气条件下
热红外波段的大气散射作用
影响是相对比较小的
这时可以忽略不计
在地表热辐射的传输过程当中
我们仅仅考虑了来源于地表发射
和大气发射的热辐射能量
如图所示
在这个图上面
虚线部分是太阳辐射到达地表的传输过程
实线部分
为地表和大气的长波辐射向上传输过程
最终到达传感器入瞳处的能量
在这个表示当中
红色箭头表示地表发射
绿色箭头表示大气热辐射的上行部分
也就是大气路径辐射
或者是程辐射
蓝色箭头表示
大气热辐射的下行部分
它是下行到地表
被地表反射
并上行至传感器入瞳处的能量
根据地表热辐射传输的建模思路
我们将传感器入瞳处的辐射能量分为三部分
它们分别是
第一部分地物目标的热辐射
这一部分能量
它是地表温度
波长和发射率的函数
它向上穿越大气层到达遥感器
并被遥感器接收
第二部分大气辐射向下到达地表
然后被地表反射上行至传感器
其反射过程
受到地表反射性能影响
向上穿越大气层到达遥感器过程
受到大气影响
第三部分大气辐射向上部分
它直接向上到达遥感器
并被遥感器接收
这属于传感器捕获的干扰信息
大家来看图
那么这三部分辐射能量如何来进行模拟
如何来进行量化呢
首先
我们来看地物目标的
热辐射向上传输部分的模拟
根据辐射传输的大气消光原理
地物目标的热辐射穿越大气以后
到达传感器入瞳处的能量为
B(T)*发射率*大气透过率
表示为
L B等于B括号T
乘以发射率乘以透过率
然后
我们来看大气热辐射向下到达地表
然后被地表反射上行至传感器部分
由于吸收率
地表吸收多少能量
则会发射多少能量
所以吸收率等于发射率
吸收率
透过率和反射率之和等于1
对于地表来说
其透过率为0
所以大气下行热辐射的
到达地表以后被反射部分
它的反射率可以表述为
一减上发射率
也就是1-ε
这部分辐射能量
经过上行大气削弱后
反射回传感器的辐射亮度为
那么在这里
Ld为大气下行热辐射亮度
我们再看第三部分
大气上行热辐射被传感器接收的辐射亮度部分
我们直接表示为Lu
U是代表向上
这部分可采用近似算法进行量化
概括起来
传感器入瞳处的辐射亮度
TOA辐射亮度可表示为三部分
总的L是等于L1
加上L2加上L3
那么第一部分
前面我们表述为黑体辐射
再乘以发射率再乘以透过率
那么第二部分L2是
第三部分就是LU
这就是地表热辐射传输过程的模拟公式
这个公式建立起了TOA辐射亮度
和地物目标热辐射之间的对应关系
涉及到的大气参数包括
大气透过率
大气下行热辐射
大气上行热辐射
和第二章介绍的可见光
和近红外波段辐射传输过程一样
我们可以利用辐射传输模型
比如MODTRAN求解这几个大气参数
如何开展热红外遥感数字图像的大气校正呢
在大气校正过程中
卫星遥感传感器记录的辐射亮度
可以通过
热红外遥感图像的DN值来计算
也就是
将DN值转换为TOA热辐射亮度值
一般传感器都会提供定标参数
如Landsat
MODIS
AVHRR等都提供了定标参数
具体转换方法可以参考第二章知识
有了这种转换
接下来我们要开展大气校正
怎么来进行大气校正呢
大气校正的方法是什么呢
我们可以利用三个大气参数值
将遥感图像的TOA辐射亮度值
转换为地表辐射亮度值
可以看出
这关键是三个大气参数如何确定
在没有现场同步大气观测情境下
可采用模型模拟方法计算大气参数
比如
我们可以输入大气条件
成像几何
传感器特性等
利用MODTRAN辐射传输软件包进行模拟
输出所需3个大气参数
这里给大家介绍一下网络上的模拟工具
研究人员基于辐射传输开源代码
制作了网络工具软件
只要输入成像时间
遥感图像中心的经纬度
传感器信息等
就可模拟得到所需的3个大气参数
包括大气透过率
大气向上辐射亮度
大气向下辐射亮度等
大家可以试试看
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