大氣輻射傳輸方程PPT課件

.,1,遙感大氣效應(yīng)及其糾正,第一節(jié)大氣光學(xué)特征,第二節(jié)遙感數(shù)據(jù)中的大氣影響,第三節(jié)遙感大氣糾正,國(guó)科大暑期課2013,2013.7,緒論,.,2,授課教師,牛錚，博士，研究員中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所北京朝陽區(qū)大屯路，100101Tel-mailniuz,參考書目,遙感物理，徐希孺編著，北京大學(xué)出版社，2005,1/7,.,3,大氣及其與電磁波相互作用,大氣是介于遙感傳感器與地球表層之間的一層由多種氣體及氣溶膠等組成的介質(zhì)層，當(dāng)電磁波由地球表層傳至遙感傳感器時(shí)，大氣是必經(jīng)的通道大氣對(duì)電磁波的作用主要可以歸納為兩種物理過程，即散射與吸收，大氣的吸收與散射作用使遙感接收到的電磁波信息受到影響,2/7,.,4,消光截面,在光散射和輻射傳輸領(lǐng)域中，通常用“截面”這一術(shù)語，它與幾何面積類似，用來表示粒子由初始光束中所移除的能量大小。當(dāng)對(duì)粒子而言時(shí)，截面的單位是面積（厘米2），因此，以面積計(jì)的消光截面等于散射截面與吸收截面之和。但當(dāng)對(duì)單位質(zhì)量而言時(shí)，截面的單位是每單位質(zhì)量的面積（厘米2克-1），這時(shí)，在傳輸研究中用術(shù)語質(zhì)量消光截面，因而，質(zhì)量消光截面等于質(zhì)量散射截面與質(zhì)量吸收截面之和。此外，當(dāng)消光截面乘以粒子數(shù)密度（厘米-3）或當(dāng)質(zhì)量消光截面乘以密度（克厘米-3）時(shí)，該量稱為“消光系數(shù)”，它具有長(zhǎng)度倒數(shù)（厘米-1）的單位。,3/7,.,5,光學(xué)厚度(opticalthickness,opticaldepth),定義點(diǎn)s1和s2之間的介質(zhì)的光學(xué)厚度為：,并有：,在實(shí)際應(yīng)用中，的定義使永遠(yuǎn)是正數(shù)。,4/7,.,6,散射相函數(shù)（scatteringphasefunction）,為描述電磁波被介質(zhì)散射后在各個(gè)方向上的強(qiáng)度分布比例，引入散射相函數(shù)P(,)，并且P(,)/4是歸一化的，即：,根據(jù)互易原理：,因此同樣有：,物理意義：P(,)/4為方向的電磁波被散射到方向的比例。,5/7,.,7,單次散射反射率（singlescatteringalbedo）,實(shí)際上輻射被介質(zhì)散射的同時(shí)，也被介質(zhì)吸收，即消光過程既包括散射，也包括吸收。單次散射反射率定義為輻射發(fā)生每一次消光（或簡(jiǎn)稱散射）過程中，遭受散射的百分比。,入射為1，散射后各個(gè)方向的總和（積分）即為,6/7,.,8,若將單次散射獨(dú)立出來，大氣中的輻射傳輸方程也可以寫為：,大氣輻射傳輸方程,7/7,.,9,遙感大氣效應(yīng)及其糾正,第一節(jié)大氣光學(xué)特征,第二節(jié)遙感數(shù)據(jù)中的大氣影響,第三節(jié)遙感大氣糾正,國(guó)科大暑期課2013,2013.7,緒論,.,10,大氣效應(yīng)及其糾正的主要工作,在地表遙感中，大氣影響是“噪聲”，消除大氣對(duì)遙感影像電磁波特征的影響，恢復(fù)其在地球表層的“本來面目”，就成為定量遙感不可回避的問題另一方面，由于傳感器接收的信號(hào)中帶有大氣的特征信息，因此可從中反演我們特殊關(guān)注的一些大氣特征參數(shù),依據(jù)遙感圖像直接或間接獲得的大氣參數(shù)向上、向下的大氣遙感,1/15,.,11,大氣成分(Composition),大氣中包括3類物質(zhì)：大氣分子氣溶膠水顆粒,其中水顆粒（hydrometeors）包括云、雨滴、雪片、冰雹等。這類物質(zhì)對(duì)于光學(xué)遙感是不“透明”的，因此不包括在遙感大氣糾正或反演的研究中。,薄云訂正屬圖像處理范疇,2/15,.,12,光學(xué)遙感過程中，大氣對(duì)電磁波的影響，通常可以分成三個(gè)部分：一是大氣分子散射；二是氣溶膠散射與吸收；三是特殊氣體分子（如H2O、O3）吸收。,3/15,.,13,大氣分子散射,大氣分子的尺度通常為10-4m，比光學(xué)遙感中入射輻射的波長(zhǎng)小很多，因此大氣分子對(duì)無偏振的太陽輻射的散射為瑞利(Rayleigh)散射。瑞利散射描述了均勻各向同性的小球粒子對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行散射后的結(jié)果，可歸納為2點(diǎn)：,散射輻射強(qiáng)度正比于-4散射輻射在4空間上的分布為(1+cos2),4/15,.,14,大氣分子散射光學(xué)厚度,小球散射輻射強(qiáng)度正比于-4，相當(dāng)于散射截面正比于-4，因此光學(xué)厚度滿足：,如果知道某一波段0的光學(xué)厚度，則通過上式可計(jì)算出任一波段的光學(xué)厚度。另一種整層光學(xué)厚度的計(jì)算法可以表示為：,大氣分子在z=0處的散射系數(shù)比較固定，可以查表得到。HP=69km為大氣分子的標(biāo)高。,當(dāng)0=1m時(shí)，第一個(gè)公式變成什么樣子？,5/15,.,15,大氣分子散射相函數(shù),由于發(fā)生瑞利散射時(shí)，散射輻射在4空間上的分布為(1+cos2)，描述了散射能的角分布。根據(jù)歸一化散射相函數(shù)的公式：,得到瑞利散射的相函數(shù)為：,上式僅與入射方向與出射方向夾角的余弦有關(guān)。,旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，前后對(duì)稱,6/15,.,16,氣溶膠消光,氣溶膠尺度通常大于光學(xué)遙感中入射輻射的波長(zhǎng)或與其相同，此時(shí)散射作用只能用米氏(Mie)散射理論表達(dá)。米氏散射同樣針對(duì)均勻各向同性的球粒子，且滿足遠(yuǎn)場(chǎng)理論。米氏散射的結(jié)果，可歸納為2點(diǎn)：,散射輻射強(qiáng)度正比于-，=04散射輻射主要分布在前向,7/15,.,17,相比于大氣分子而言，氣溶膠的散射和吸收要復(fù)雜得多。主要體現(xiàn)在氣溶膠的成分（粒子尺度和類型）變化多樣。盡管每種粒子滿足米氏散射理論，但是由于其參數(shù)，包括粒子尺度、折射率等不一樣，得到的理論結(jié)果也不一樣。其整體結(jié)果是各種成分的綜合體現(xiàn)。因此不同類型的氣溶膠（如大陸型氣溶膠與海洋型氣溶膠）的光學(xué)厚度、單次散射反射率、散射相函數(shù)等光學(xué)參數(shù)均不相同。,8/15,.,18,氣溶膠光學(xué)厚度,類似大氣分子，氣溶膠光學(xué)厚度滿足：,(1m)稱為Angstrom大氣渾濁度參數(shù)。取值與粒子平均半徑有關(guān)（氣溶膠由多種尺度的粒子構(gòu)成，各尺度的比例可由尺度譜表示）。,海洋型氣溶膠相比于大陸型含有較少但較大的粒子瑞利散射的區(qū)別Angstromunit即為長(zhǎng)度單位埃,表中數(shù)值與波長(zhǎng)有關(guān)。取值通常介于02。,9/15,.,19,氣溶膠整層光學(xué)厚度的也可以表示為：,氣溶膠在z=0處的消光系數(shù)與氣溶膠類型，即粒子尺度譜和氣溶膠數(shù)量有關(guān)，變化較大。HP為氣溶膠的標(biāo)高，取12km。Singh(1988)給出在晴朗大氣下，氣溶膠整層光學(xué)厚度為：,表中折射率對(duì)應(yīng)為波長(zhǎng)=0.5微米。,10/15,.,20,氣溶膠散射相函數(shù),氣溶膠散射輻射主要分布在前向，由于是球形粒子，散射相函數(shù)依然旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。對(duì)于給定類型粒子，散射輻射空間分布可以通過采用米氏散射精確計(jì)算出來。實(shí)際應(yīng)用中，任何類型氣溶膠都是多種類型粒子的組合。與光學(xué)厚度一樣，氣溶膠散射相函數(shù)與氣溶膠類型密切相關(guān)，粒子尺度譜、折射率等都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，得不到明確的表達(dá)式。因此經(jīng)常采用半經(jīng)驗(yàn)公式。,同一種氣溶膠類型具有大致一致的光學(xué)參數(shù),11/15,.,21,一個(gè)常用的氣溶膠散射相函數(shù)公式為Henyey-Greenstein模型。,其中g(shù)為不對(duì)稱因子。大氣分子g=0；氣溶膠g0。沙塵暴中氣溶膠粒子平均半徑在0.5m左右，在=0.55m處，g0.8。對(duì)于云滴和雨滴，g的數(shù)值更大。,12/15,.,22,氣溶膠單次散射反射率,氣溶膠單次散射反射率差別較大。Waggoner(1981)對(duì)美國(guó)氣溶膠給出：,Shettle(1979)給出：,13/15,.,23,特殊氣體分子吸收,在光學(xué)遙感大氣校正中，特殊氣體分子吸收主要指H2O、O3在某些波段的吸收。由于特殊氣體在大氣中含量極少，其散射作用可以忽略不計(jì)。Fraser(1985)給出610100nm處，其吸收的光學(xué)厚度約為0.021。但這只是個(gè)參考，特殊氣體在大氣中變化較大，各地區(qū)具有顯著差異。,14/15,.,24,總結(jié),大氣成分：大氣分子、氣溶膠,遙感中的三種大氣效應(yīng)：大氣分子散射、氣溶膠消光、特殊氣體分子吸收,大氣各成分的光學(xué)特征：分子散射特征基本固定，氣溶膠消光和特殊分子吸收特征變化較大,15/15,.,25,遙感大氣效應(yīng)及其糾正,第一節(jié)大氣光學(xué)特征,第二節(jié)遙感數(shù)據(jù)中的大氣影響,第三節(jié)遙感大氣糾正,國(guó)科大暑期課2013,2013.7,緒論,.,26,遙感器接收到的三種信號(hào),1/15,光學(xué)遙感過程中，衛(wèi)星遙感器接收到的大氣上界出射輻射亮度為：L=Ls+L0+Ld,三個(gè)部分中，只有Ls含有被觀測(cè)地物信息。L0為下行輻射未經(jīng)地面反射，就被大氣散射進(jìn)遙感器的部分，稱為路徑輻射或程輻射。Ld為非觀測(cè)地物被大氣散射進(jìn)遙感器的部分，稱為交叉輻射。,S點(diǎn)為被觀測(cè)地物，G點(diǎn)為背景地物,.,27,2/15,前面講過，遙感數(shù)據(jù)中的大氣影響包括大氣分子散射、氣溶膠散射和吸收、特殊氣體吸收。如何在Ls、L0、Ld中分別考慮這三種影響的綜合效應(yīng)，是正確解釋大氣影響的關(guān)鍵。大氣中的輻射傳輸方程為：,大氣分子和氣溶膠均滿足上述方程，但是、P均不同。,.,28,6S(SecondSimulationoftheSatelliteSignalintheSolarSpectrum)算法,3/15,6S是被廣泛應(yīng)用的遙感大氣糾正算法之一，由Tanre等設(shè)計(jì)。在不考慮交叉輻射影響的前提下，遙感器接收的等效反射率可以表達(dá)為：,LOWTRANMODTRAN,其中Tg(s,v)為特殊氣體吸收所構(gòu)成的透射率，r+a為由分子和氣溶膠引起的路徑輻射(等效反射率)，T(s)、T(v)為大氣透射率，s為目標(biāo)地表反射率，S為大氣下界向下的反射率。,.,29,4/15,首先，解釋公式：,等式右邊最后一項(xiàng)。,I1=I0sI2=I0Ss2I3=I0S2s3IN=I0SN-1sN,則由于大氣下界與目標(biāo)地物間的多次反射引起的反射率為：,.,30,5/15,大氣下界向下的反射率S與大氣光學(xué)厚度有關(guān)，可以通過一定的輻射傳輸原理估算出來，通常較小。大氣透射率T(s)、T(v)如果做零次散射近似時(shí)有：,其中r為分子散射整層光學(xué)厚度，a為氣溶膠散射與吸收整層光學(xué)厚度。如果考慮多次散射，則較為復(fù)雜，主要是要把分子散射、氣溶膠散射與吸收、以及二者相互作用一并考慮。6S算法為解決這一問題，采用了連續(xù)散射方法求算輻射傳輸方程，將大氣分為13層，采用12個(gè)高斯離散角。,零次散射近似的成立與否取決于大氣狀況、波長(zhǎng)、天頂角,.,31,6/15,在公式,中，特殊氣體吸收所構(gòu)成的透射率Tg(s,v)與散射無關(guān)，可以簡(jiǎn)單表示為與分子吸收光學(xué)厚度有關(guān)的比爾定律（只考慮臭氧和水汽）：,上式把特殊氣體吸收過程與其它過程完全分開，不夠精確。6S算法根據(jù)臭氧和水汽的不同分布特性，對(duì)其進(jìn)行了修正，具體可查相關(guān)參考文獻(xiàn)。,.,32,路徑輻射(pathradiation),7/15,在公式,中，由分子和氣溶膠引起的路徑輻射r+a可以表示為：,其中，r為分子瑞利散射引起的路徑輻射（等效反射率），a為氣溶膠引起的路徑輻射，ra考慮的是分子和氣溶膠的相互作用，比如光子先與大氣分子發(fā)生瑞利散射，然后與氣溶膠發(fā)生米散射，或者反之。,.,33,8/15,最原始的公式,實(shí)際上是6S的前身5S的算法。如前所述，6S對(duì)各項(xiàng)的計(jì)算進(jìn)行了修正，并根據(jù)特殊氣體吸收特點(diǎn)，對(duì)公式做了一些小的修改。,此外，6S算法及其后續(xù)研究還考慮了地表非朗伯特性的影響，以及地表非均一影響。前者使上式最后一項(xiàng)的表達(dá)更加復(fù)雜，會(huì)根據(jù)需要分成若干項(xiàng)；后者使算法必須考慮交叉輻射，6S給出的交叉輻射估算相對(duì)較為簡(jiǎn)單。,.,34,9/15,6S程序中不僅包括算法，而且包括一些典型的大氣模式。用戶可以根據(jù)遙感影像所在地區(qū)，選擇合適模式，由程序計(jì)算分子和氣溶膠的、P等參數(shù)的垂直分布特征。將上述參數(shù)代入輻射傳輸運(yùn)算中，即可得到模型各項(xiàng)的具體表達(dá)。用戶也可根據(jù)實(shí)測(cè)資料，自行輸入或修改大氣模式，使大氣影響分析更為精確。,.,35,總結(jié),遙感器接收信號(hào)的分解：三部分,5S模型及其各項(xiàng)的意義：,6S修正的概要性描述,10/15,.,36,交叉輻射(crossradiation),11/15,當(dāng)遙感器對(duì)地表某點(diǎn)成像時(shí)，由于大氣散射，周圍點(diǎn)的反射輻射也可能進(jìn)來，即交叉輻射。如果地表是均一的，即目標(biāo)地物與周圍背景地物一樣，交叉輻射是沒有影響的。但是地表，尤其是陸地上，地物復(fù)雜，表現(xiàn)在遙感圖像上，體現(xiàn)為高頻信息較多。此時(shí)交叉輻射影響不能忽略。由于交叉輻射的影響，遙感圖像上的任何像元都有周圍像元的影響，使圖像高頻被壓抑。,.,37,點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(pointspreadfunction,PSF),12/15,遙感器接收到的像元信息既包括被觀測(cè)像元信息，也包括背景像元信息。其等效反射率為：,其中點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù),其中,此處不是狄拉克函數(shù),通過上式，如何解算目標(biāo)物的反射率(0，0）？,.,38,13/15,PSF三維示意圖,來自一定范圍內(nèi)的背景輻射占全部背景輻射的比例,.,39,14/15,交叉輻射的影響壓抑了遙感圖像的高頻信息，背景像元的影響隨其與被觀測(cè)像元的距離呈平方衰減，高分辨率遙感和高頻地表豐富的圖像受影響最大。雖然我們?cè)谕茖?dǎo)過程中采用了輻射比爾衰減的假設(shè)，但是由于最后求算等效反射率時(shí)，將其影響除去，因此可以認(rèn)為其相當(dāng)于6S算法中的s：,根據(jù)上面的公式可以判斷，大氣糾正時(shí)，在消除了其它影響后，最后再消除交叉輻射的影響。,.,40,總結(jié),垂直下視時(shí)的交叉輻射影響,點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù),函數(shù)的引入綜合考慮并且區(qū)分了觀測(cè)像元和背景像元的影響,15/15,.,41,遙感大氣效應(yīng)及其糾正,第一節(jié)大氣光學(xué)特征,第二節(jié)遙感數(shù)據(jù)中的大氣影響,第三節(jié)遙感大氣糾正,國(guó)科大暑期課2013,2013.7,緒論,.,42,主要思路,1/13,根據(jù)5S6S模型,可以看出，開展大氣糾正時(shí)，應(yīng)先減去路徑輻射，再消除大氣透射率的影響，根據(jù)估算的大氣下界向下發(fā)射率S，解算s；實(shí)際上s還含有交叉輻射影響，所以最后要對(duì)其進(jìn)行糾正。,.,43,2/13,要進(jìn)行準(zhǔn)確的大氣糾正，必須獲得盡量準(zhǔn)確的大氣參數(shù)。前面講過，遙感數(shù)據(jù)中的大氣影響包括大氣分子散射、氣溶膠散射和吸收、特殊氣體吸收。大氣分子的構(gòu)成相對(duì)穩(wěn)定、已知，但是氣溶膠和特殊氣體的各種參數(shù)則隨時(shí)空變化很大，標(biāo)準(zhǔn)大氣模式很難準(zhǔn)確表達(dá)它們。當(dāng)然，也有一些算法可以綜合考慮大氣分子、氣溶膠和特殊氣體的影響，回避對(duì)輻射傳輸方程中具體參數(shù)的依賴。遙感成像過程中很難獲得實(shí)時(shí)大氣探空資料支持。因此通常依靠遙感影像中部分樣本像元，獲取成像區(qū)域的大氣特性，進(jìn)而對(duì)全圖進(jìn)行大氣糾正。,類似圖像處理里面的監(jiān)督分類,.,44,參考地物法(InvariantObjectMethods),3/13,5S6S模型也可以在合并相關(guān)項(xiàng)后寫為：,該方程具有0、S、T共3個(gè)未知數(shù)。對(duì)于TM等高分辨率圖像，可以假設(shè)整幅圖像的大氣狀況相同，同時(shí)各像元的太陽地物遙感器形成的成像幾何近似相同。如果可以在一幅圖像中找到3個(gè)以上地表反射率固定不變的地物，則可以通過求解方程組得到方程的3個(gè)參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到整幅圖像大氣校正的目的。,此處不考慮交叉輻射糾正,.,45,4/13,理論上，n3即可求解，但為避免方程的相關(guān)性，一般要尋找地表反射率分別為高、中、差的地物作為參考物。該方法對(duì)于時(shí)間序列的多幅影像的歸一化校正適用。,.,46,暗目標(biāo)法（Dark-ObjectMethods）,5/13,反射率很低的地物被稱為暗目標(biāo)，此時(shí)遙感器接收的輻射主要來自于大氣的程輻射，可以用于氣溶膠光學(xué)厚度的估算。最早被想到的暗目標(biāo)是水體。干凈水體在近紅外波段的反射率接近于零，6S等模型被大大簡(jiǎn)化，像元反射率即為程輻射的等效反射率。選定大氣模式后，大氣分子散射和特殊氣體吸收影響可以計(jì)算并從程輻射中去除。利用給定的氣溶膠模式（尺度譜、折射率等）可以得到氣溶膠的、P，從而解算氣溶膠光學(xué)厚度。,此處假設(shè)大氣模式反映了真實(shí)的特殊氣體參量,.,47,6/13,反演氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)，要用到輻射傳輸方程的求解?？紤]多次散射時(shí)，得不到精確的解析式。因此反演常常采用查找表(look-uptable)法，即以一定的間隔形成光學(xué)厚度序列，計(jì)算這一系列光學(xué)厚度下的輻射傳輸結(jié)果，制作光學(xué)厚度結(jié)果一一對(duì)應(yīng)的查找表。反演時(shí)，可以根據(jù)我們已知的輻射傳輸結(jié)果，查找對(duì)應(yīng)的光學(xué)厚度。如果有多個(gè)地方的光學(xué)厚度需要反演，這一方法還能大大節(jié)約運(yùn)算時(shí)間。查找表法是定量遙感反演中經(jīng)常采用的一個(gè)重要手段，不僅限于氣溶膠的反演。,光學(xué)厚度序列的制訂要考慮合理性，包括范圍和間隔,.,48,7/13,利用水體作暗目標(biāo)有幾大劣勢(shì)。一是陸地遙感很難找到干凈水體；二是水體的鏡面反射難以避免，尤其是不平靜水面總會(huì)存在破碎鏡面；三是近紅外是水汽的強(qiáng)吸收波段，大氣中的水汽吸收影響較大，必須準(zhǔn)確掌握其確切含量，而大氣模式給出的值只供參考，與實(shí)際情況可能差別較大。因此，Kaufman、Singh等建議選擇濃密植被區(qū)域作為暗目標(biāo)。其原理在于：1、植被在近紅外具有高反射率，而大氣在近紅外影響較小，2個(gè)因素的綜合影響，使得像元基本反映了地表特征，即植被在像元區(qū)域的覆蓋特征，進(jìn)而估算像元在紅、藍(lán)波段的反射率。,.,49,8/13,2、植被在紅、藍(lán)波段的反射率很低，是標(biāo)準(zhǔn)的暗目標(biāo)。像元反射率中程輻射比例很大，而在公式,中，等式右邊第二項(xiàng)則由于占比較小，可以粗略估算。不同波段間的氣溶膠光學(xué)厚度具有一定的關(guān)系，可參考第一節(jié)。此外，分子散射強(qiáng)度在紅、藍(lán)波段間的顯著差別可以帶來更多反演信息。如果影像覆蓋區(qū)域很大，可以多找一些濃密植被區(qū)（可通過植被指數(shù)判斷），由程輻射