一種基于查找表的熱紅外大氣校正參數化方法

一種基于查找表的熱紅外大氣校正參數化方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于查找表的熱紅外大氣校正參數化方法，由以下七個步驟組成：熱紅外大氣校正預處理、大氣組分逐層光學厚度估算、光學厚度的參數化模型系數確定、逐層大氣特征參數的計算、大氣特征參數的整體估算、偏差修正系數確定、大氣特征參數偏差改正。本發明通過將大氣垂直分層，分別考慮線性水汽、連續水汽以及其它氣體組分對熱紅外觀測數據的影響，重新逐層參數化大氣特征參數，并結合熱紅外參數化模型系數查找表，高精度的獲取熱紅外大氣校正所需的大氣特征參數，即大氣透過率和大氣上下行輻亮度，縮短了熱紅外大氣校正的處理時間，提高了熱紅外大氣校正的效率，實現了熱紅外大氣校正的實時高精度處理。
【專利說明】
一種基于查找表的熱紅外大氣校正參數化方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種大氣校正方法，尤其涉及一種基于查找表的熱紅外大氣校正參數 化方法。
【背景技術】
[0002] 定量熱紅外遙感研究的首要任務是高精度的反演地表溫度和發射率，然而由于大 氣的存在，導致熱紅外譜段的電磁波即便在晴空條件下穿過大氣時仍與大氣中的各種氣體 分子和微粒發生作用，使得地表的熱紅外輻射數值到達傳感器時發生了改變，因此為了準 確獲取地表溫度和發射率就必須精確獲取大氣信息，即大氣透過率和上下行輻亮度，進而 消除大氣的影響，實現精準的大氣校正。
[0003] 目前，熱紅外大氣校正方法主要分為兩種，即經驗-半經驗的統計方法和物理方 法。對于經驗-半經驗的統計方法而言，主要是在獲取大氣水汽總含量的基礎上，利用大氣 水汽總含量和大氣參數間的二次統計關系，來進行大氣透過率和大氣上下行輻亮度的估 算;這種統計方法缺乏物理機理的解譯，統計回歸系數依賴于訓練數據，且不能有效考慮大 氣垂直剖面溫濕度的變化，大氣校正的精度具有較大的不確定性，回歸系數區域性的特點 使得經驗-半經驗的統計方法不適用于全球尺度的熱紅外大氣校正。對于物理方法而言，主 要是在獲取同步大氣溫濕度廓線的基礎上，利用輻射傳輸模型（如M0DTRAN)來模擬給定條 件下的大氣參數，完成大氣透過率和大氣上下行輻亮度的估算;物理方法雖然能夠充分考 慮大氣溫度和濕度的垂直變化，大氣校正的精度較高，但是由于物理方法使用的輻射傳輸 模型的輸入參數較為復雜，非專業人員無法輕易掌握，加之執行速度較慢，使得物理方法不 能得到有效應用推廣，無法滿足實時的熱紅外大氣校正的需要。

【發明內容】

[0004] 為了解決上述技術所存在的不足之處，本發明提供了一種基于查找表的熱紅外大 氣校正參數化方法。
[0005] 為了解決以上技術問題，本發明采用的技術方案是：一種基于查找表的熱紅外大 氣校正參數化方法，由以下七個步驟組成：
[0006] S1、熱紅外大氣校正預處理:根據熱紅外傳感器獲取數據的時間和地點，挑選像元 對應的時空匹配的大氣溫濕度廓線，并將大氣溫濕度廓線數據的位勢高度ZM的單位轉換為 千米、大氣壓強P的單位轉換為百帕、大氣溫度T的單位轉換為開爾文、大氣濕度H 20的單位 轉換為克每立方米;將大氣垂直分為25層，隨后將獲取的大氣溫濕度廓線的位勢高度、大氣 溫度以及大氣濕度都線性內插值至基準大氣壓強處，同時獲取像元的觀測天頂角；
[0007] S2、大氣組分逐層光學厚度估算：先對大氣進行垂直分層，將熱紅外傳感器第i通 道大氣第1層的光學厚度表示成水汽線性吸收，水汽連續吸收和其它氣體吸收三部分的貢 獻，用公式(1)表示： r , _ JU〇 , JUOc , other
[0008] rz. +r/?/- + tlj ⑴
[0009] 其中，Tl>1為熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣總光學厚度，為線性水汽第 i通道大氣第1層的光學厚度，為連續水汽第i通道大氣第1層的光學厚度，<fCT'為其它 氣體第i通道大氣第1層的光學厚度；
[0010] I、線性水汽的光學厚度<^可通過公式(2)計算獲取：
[0012]其中，表示線性水汽的光學厚度計算函數；，&=和3巧是線性水汽參數 化模型系數，它們的數值取決于第1層的平均大氣溫度h、平均大氣壓強PjP熱紅外傳感器 通道i ; exp表示以自然常數為底的指數函數;log表示以自然常數為底的對數函數;A>H2〇是 大氣第1層垂直路徑上的水汽含量;9 V是觀測天頂角；
[0013] 公式⑵中A.吵可表示為：
[0015] 其中，2111,_和2111>。*分別表示大氣第1層的頂部和底部的位勢高度；112〇1,*。1)和 HsCh.bot分別表示大氣第1層的頂部和底部的大氣濕度；log表示以自然常數為底的對數函 數;rat 為模型中間變量，其值為(H20i, toP-H20i, bcit) /H20i, b〇t。
[0016] n、連續水汽的光學厚度<》&可通過公式(4)計算獲取： ^M，Oc r /" H20c ^ H2()c ^ H20c \ XH =Jm〇Ad0J 5ai,r >a2,r ) (4) =i〇-%[a；；；OC x(a^OC)UA( xAMTPdf+a?H；°c x AMTP,gJ
[0018]其中，/^Qb表示連續水汽的光學厚度計算函數;#^，是連續水汽參 數化模型系數，它們的數值取決于熱紅外傳感器通道i ; TFAC、AMTPself和AMTPfrgn均是模型中 間變量，它們的數值分別表不為：
[0022]其中，Pi,top和Pi,bot分別表不大氣第1層的頂部和底部大氣壓強;Ti,top和Ti,b〇t分別 表不大氣第1層的頂部和底部大氣溫度;ZMi,t〇P和ZMi,b〇t分別表不大氣第1層的頂部和底部 位勢高度；log表示以自然常數為底的對數函數；心是觀測天頂角；丨i和〃(或者 和丑 20怎）均為模型中間變量，分別表示大氣第1層頂部(或者底部）的水汽自加寬 和外加寬吸收貢獻，它們在第1層的數值分別表示為：
[0025]其中，Pi,top和Pi,bot分別表不大氣第1層的頂部和底部大氣壓強;Ti,top和Ti,b〇t分別 表不大氣第1層的頂部和底部大氣溫度;H2〇l,top和H2〇l,bot分別表不大氣第1層的頂部和底部 大氣濕度;1出。 1)和肌。*為模型中間變量，其值可表示為：
[0027] 其中，IXtojPIXbot分別表示大氣第1層的頂部和底部大氣溫度;exp表示以自然常 數為底的指數函數。
[0028] m、其它氣體的光學厚度'的計算公式為：
[0030]其中，匕也^表示其它氣體的光學厚度計算函數;D是大氣第1層的垂直厚度，表示為 〇 = 2111,_-2111,^;21^。1)和2111,^分別表示大氣第1層的頂部和底部的位勢高度；< <；'和 是其它氣體光學厚度的參數化模型系數，它們的數值取決于第1層的平均大氣溫度h、 平均大氣壓強Pi和熱紅外傳感器通道i。
[0031] S3、光學厚度的參數化模型系數確定:對線性水汽和其它氣體光學厚度的參數化 模型系數采用逐層確定的方式來獲取，對連續水汽光學厚度的參數化模型系數采用不分層 整體確定的方式來獲取;若事先已經獲取了對應熱紅外傳感器通道i的光學厚度的參數化 模型系數，則可以直接跳過步驟S3;
[0032]在對上述模型系數獲取的過程中構建不同大氣條件組合;將觀測天頂角分別設置 為0°、33.56°、44.42°、51.32°、56.25°和60°，使用輻射傳輸模型M0DTRAN，并考慮熱紅外傳 感器通道i的通道響應函數，同時獲取線性水汽、連續水汽及其它氣體在不同情況下的通道 光學厚度和<廣，利用最小二乘數學優化技術，逐層數據回歸獲取線性水汽和 其它氣體光學厚度的參數化模型系數，全部數據回歸連續水汽光學厚度的參數化模型系 數，創建光學厚度的參數化模型系數查找表，并保存線性水汽、連續水汽以及其它氣體的光 學厚度的參數化模型系數；
[0033] S4、逐層大氣特征參數的計算：讀取插值后的大氣溫濕度廓線以及熱紅外傳感器 像元的觀測天頂角，然后逐層分別計算所需的大氣組分的光學厚度；
[0034] 對線性水汽光學厚度，根據每一層的實際大氣溫度和大氣壓強，選擇對應通道的 參數化模型系數，并對構建的線性水汽光學厚度的參數化模型系數進行大氣溫度和大氣壓 強的雙線性內插，獲取實際大氣狀況對應的線性水汽參數化模型系數，計算線性水汽光學 厚度〈C〉：
[0035] 對連續水汽光學厚度，根據每一層的實際大氣溫度和大氣壓強以及對應通道的參數化 模型系數，結合構建的連續水汽光學厚度的參數化模型系數，計算連續水汽光學厚度;
[0036] 對其它氣體光學厚度，根據每一層的實際大氣溫度和大氣壓強，選擇對應通道的 參數化模型系數，并對構建的其它氣體光學厚度的參數化模型系數進行大氣溫度和大氣壓 強的雙線性內插，獲取實際大氣狀況對應的其它氣體參數化模型系數，計算其它氣體光學 厚度;
[0037] I、逐層大氣透過率<ti,i(0v)>的計算：
[0038] ^ )} = exp(- (r：f ) - {r；!f ) - (<f- )) (12)
[0039] 其中，<ti,i( 0V)>表示估算出的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣透過率;0V表 示像元的觀測天頂角；；表示估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層的線性水汽光 學厚度表示估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層的連續水汽光學厚度"<廣> 表示估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層的其它氣體光學厚度；
[0040] n、逐層大氣上行輻亮度的計算： _1]〈4〉= 0-〈，/，,.⑷)〉)沒〇；4) (13)
[0042] 其中，表示估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣上行輻亮度；<t1;1 (0V)>表示觀測天頂角0V估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣透過率;B為普朗克函 數;Ti為大氣第1層平均大氣溫度，表;^為1'1 = 0.51'1，_+0.51'1，1^，1'1，_、1'1，1^分別為大氣第 1層頂部、底部的大氣溫度為熱紅外傳感器第i通道的等效中心波長；
[0043] m、逐層大氣下行輻亮度>的計算：
[0044] 〈4〉= (1-〈，,v(^)〉WU) (14)
[0045] 其中，表示估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣下行輻亮度；<t1;1 (053。）>表示采用公式（12)并把觀測天頂角0設置為53°估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第 1層大氣透過率；B為普朗克函數；Ti為大氣第1層平均大氣溫度，表示為Ti = 0.5Ti,tc>P+ 0.5Ti,b〇t，!'1,1；@、1'1,1)。1；分別表不大氣第1層頂部、底部的大氣溫度;&為熱紅外傳感器第：[通 道的等效中心波長；
[0046] S5、大氣特征參數的整體估算:根據逐層大氣特征參數進行整體特征參數估算的 方法如下：
[0047] I、大氣總透過率<ti(0v)>的計算： _]〈_'.)〉=合⑷.)〉 (15)
[0049] 其中，〈tjev)〉為估算的觀測天頂角0V對應的熱紅外傳感器第i通道大氣總透過 率;n為數學上的連乘符號;為觀測天頂角0 V下估算的熱紅外傳感器第i通道大氣 第1層大氣透過率；
[0050] n、大氣總上行輻亮度〉的計算：
[則⑷=￡[(點〈4,灘〉)〈4〉"] (16) J-2S L 一
[0052] 其中，</；>力估算的熱紅外傳感器第i通道大氣總上行輻亮度；E為數學上的求和 符號；n為數學上的連乘符號;<t M(0v)>為觀測天頂角0V下估算的熱紅外傳感器第i通道大 氣第k層大氣透過率為估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣上行輻亮度；
[0053] m、大氣總下行輻亮度的計算： (遵么風。)〉)〈4〉 07) 1=1 L _
[0055]其中，為估算的熱紅外傳感器第i通道大氣總下行輻亮度；E為數學上的求和 符號；n為數學上的連乘符號;<tM( 053。）〉表示采用公式(12)并把觀測天頂角設置為53°估 算的熱紅外傳感器第i通道大氣第k層大氣透過率；表示估算的熱紅外傳感器第i通道 大氣第1層大氣下行輻亮度；
[0056] S6、偏差修正系數確定:對上述步驟中簡化和近似導致的大氣特征參數估算偏差， 需要進一步采用統計回歸的方式，構建相應的方程組，回歸求解所需的偏差修正系數（ f、f、f、cf、cf、Cf、cf、cf和cf)來對估算的大氣特征參數的偏差 進行修正;若事先已經獲取了偏差修正系數，則可以直接跳過步驟S6;
[0057] I、針對標準大氣，輻射傳輸模型M0DTRAN和參數化方法估算的通道i大氣總透過率 間的關系可由公式（18)中的一元二次經驗關系近似表示，即：
[0058] )>?,v -x(u^))L (叫
[0059] 其中，〈ti(0v)>MQDTRAN為考慮標準大氣全部層的大氣溫濕度廓線，先采用輻射傳輸 模型M0DTRAN算出觀測天頂角0 V對應的總透過率光譜，然后跟熱紅外通道光譜響應函數積 分后得到的通道i大氣總透過率;〈tdev)〉?是采用參數化方法，通過公式（15)得到的通道i 大氣總透過率;<aa、cr均是通道大氣總透過率的偏差修正系數；
[0060] n、針對標準大氣，福射傳輸模型M0DTRAN和參數化方法估算的通道大氣總上行輻 亮度間的關系可由公式(19)中的一元二次經驗關系近似表示，即：
[0061] II]) =cf+e；'Tx(zJ) +c；rx(/jV (19)
[0062] MODTRAN算出的大氣總上行輻亮度光譜，然后跟熱紅外通道光譜響應函數積分后得到的通 道i大氣總上行輻亮度；是采用參數化方法，最后通過公式（16)得到的通道i大氣總 上行輻亮度;cf、cf、cf均是通道大氣總上行輻亮度的偏差修正系數；
[0063] m、針對標準大氣，輻射傳輸模型MODTRAN和參數化方法估算的通道大氣總下行輻 亮度間的關系可由公式(20)中的一元二次經驗關系近似表示，即：
[0064] (t) = c^+c^x/z：) +c^x(z：y (20) \ / MODTRAN \ 1 I PM " \ 1 I PM
[0065]其中，<<是考慮標準大氣全部層的大氣溫濕度廓線，采用輻射傳輸模型 MODTRAN算出的大氣總下行輻亮度光譜，然后跟熱紅外通道光譜響應函數積分后得到的通 道i大氣總下行輻亮度；是采用參數化方法，最后通過式（17)得到的通道i大氣總下 行輻亮度；cf、cf和cf是通道大氣總下行輻亮度的偏差修正系數；
[0066] S7、大氣特征參數偏差改正：利用偏差修正系數，結合步驟S5獲取的大氣特征參 數，進行大氣特征參數偏差的改正，獲取高精度熱紅外通道大氣透過率和上下行輻亮度，進 而實現精確和方便快捷的熱紅外大氣校正；
[0067] I、大氣總透過率偏差改正的計算：
[0068] {/())〇>11. x (/, (a)}+cr x i〇s ))2 (2D
[0069] 其中，〈ti(0v)>Ccirr是觀測天頂角0 V對應的偏差改正后的通道i大氣總透過率;<ti (9V)>是步驟S5中采用公式（15)獲取的通道i大氣總透過率;ef"、q_、tT"均是通道大氣 總透過率的偏差修正系數；
[0070] n、大氣總上行輻亮度偏差改正的計算：
[0071] 〈I,〉( =c《+c、' x〈L,.〉+ 4 x〈I,〉 (22)
[0072] 其中，是偏差改正后的通道i大氣總上行輻亮度;是步驟S5中采用公式 (16) 獲取的通道i大氣總上行輻亮度；c(f、tf、cf均是大氣總上行輻亮度的偏差修正 系數；
[0073] m、大氣總下行輻亮度偏差改正的計算：
[0074] )c〇rr =：C^+Cilx{L'} + X )' _
[0075] 其中，是偏差改正后的通道i大氣總下行輻亮度;是步驟S5中采用公式 (17) 獲取的通道i大氣總下行輻亮度;cf、cf、均是大氣總下行輻亮度的偏差修正 系數。
[0076] 本發明通過將大氣垂直分層，分別考慮線性水汽、連續水汽以及其它氣體組分對 熱紅外觀測數據的影響，重新逐層參數化大氣特征參數，并結合熱紅外參數化模型系數查 找表，高精度的獲取熱紅外大氣校正所需的大氣特征參數，即大氣透過率和大氣上下行輻 亮度，縮短了熱紅外大氣校正的處理時間，提高了熱紅外大氣校正的效率，實現了熱紅外大 氣校正的實時高精度處理。
【附圖說明】
[0077]圖1為本發明的整體步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0078]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0079]如圖1所示，本發明由以下七個步驟組成：
[0080] S1、熱紅外大氣校正預處理:根據熱紅外傳感器獲取數據的時間和地點，挑選像元 對應的時空匹配的大氣溫濕度廓線，并將大氣溫濕度廓線數據的位勢高度ZM的單位轉換為 千米，用km表示;將大氣壓強P的單位轉換為百帕用hPa表示;將大氣溫度T的單位轉換為開 爾文，用K表示;將大氣濕度H 20的單位轉換為克每立方米，用g/m3表示;將大氣垂直分為25 層，25層的大氣的邊界層基準大氣壓強分別為20hPa、50hPa、100hPa、150hPa、200hPa、 250hPa、300hPa、350hPa、400hPa、450hPa、500hPa、550hPa、600hPa、650hPa、700hPa、750hPa、 8001^&、8251^&、8501^&、8751^&、9001^&、9251^&、9501^&、9751^&、10001^&、10301^& ;隨后 將獲取的大氣溫濕度廓線的位勢高度、大氣溫度以及大氣濕度都線性內插值至基準大氣壓 強處，同時獲取像元的觀測天頂角，單位為rad;
[0081 ] S2、大氣組分逐層光學厚度估算:在熱紅外波段，大氣透過率主要由氣體吸收所決 定，分子散射和氣溶膠影響都可以忽略，因此首先對大氣進行垂直分層，將熱紅外傳感器第 i通道大氣第1層的光學厚度表示成水汽線性吸收，水汽連續吸收和其它氣體吸收三部分的 貢獻，用公式(1)表示： _ _ 11^0 U，Oc ' other
[0082] Tt. = TLj- + T,f + TLj ⑴
[0083] 其中，T1;1為熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣總光學厚度，為線性水汽第 i通道大氣第1層的光學厚度，為連續水汽第i通道大氣第1層的光學厚度，r；f#為其它 氣體第i通道大氣第1層的光學厚度；
[0084] I、線性水汽的光學厚度可通過公式(2)計算獲取：
[0086] 其中，表示線性水汽的光學厚度計算函數；<=，和 是線性水汽參數 化模型系數，它們的數值取決于第1層的平均大氣溫度h、平均大氣壓強PjP熱紅外傳感器 通道i ; exp表示以自然常數為底的指數函數;log表示以自然常數為底的對數函數;是 大氣第1層垂直路徑上的水汽含量，單位為g/m 2; 0V是觀測天頂角；
[0087] 公式（2)中A取)可表示為：
[0089]其中，2111,_和2111,^分別表示大氣第1層的頂部和底部的位勢高度；11 201,*。1)和 HsOuot分別表示大氣第1層的頂部和底部的大氣濕度；log表示以自然常數為底的對數函 數;rat 為模型中間變量，其值為(IfcOi, top-IfcOi, bcit) /UOi, bcit。
[0090] n、連續水汽的光學厚度可通過公式(4)計算獲取： rf / H2()c H20c "H2()c>. ~ J H^〇C \^OJ 5 ^2,i / (4)
[0091] " 二 icr20 xjag0c X(aff0e)TFAC X AMTPself+ag〇e X AMTPfign]
[0092] 其中，/邱>表示連續水汽的光學厚度計算函數;是連續水汽參 數化模型系數，它們的數值取決于熱紅外傳感器通道i ; TFAC、AMTPself和AMTPfrgn均是模型中 間變量，它們的數值分別表不為：
[0096]其中，Pi,top和Pi,bot分別表不大氣第1層的頂部和底部大氣壓強;Ti,top和Ti,b〇t分別 表不大氣第1層的頂部和底部大氣溫度;ZMi,t〇P和ZMi,b〇t分別表不大氣第1層的頂部和底部 位勢高度；log表示以自然常數為底的對數函數；心是觀測天頂角；和巧〇￡；!(或者 丑2〇;1和)均為模型中間變量，分別表示大氣第1層頂部(或者底部）的水汽自加寬 和外加寬吸收貢獻，它們在第1層的數值分別表示為：
[00"]其中，Pi,top和Pi,bot分別表不大氣第1層的頂部和底部大氣壓強;Ti,top和Ti,b〇t分別 表不大氣第1層的頂部和底部大氣溫度;H2〇l,t〇p和H2〇l,bot分別表不大氣第1層的頂部和底部 大氣濕度;1出。 1)和肌。*為模型中間變量，其值可表示為：
[0101]其中，Ti,__和Ti,b〇t分別表不大氣第1層的頂部和底部大氣溫度;exp表不以自然常 數為底的指數函數。
[0102] m、其它氣體的光學厚度的計算公式為：
[0104]其中，匕^^表示其它氣體的光學厚度計算函數;d是大氣第1層的垂直厚度，單位為 km，表示為0 = 2111,_-2111,^;2111,_和2111,^分別表示大氣第1層的頂部和底部的位勢高度； 和是其它氣體光學厚度的參數化模型系數，它們的數值取決于第1層的平均大氣 溫度h、平均大氣壓強巧和熱紅外傳感器通道i。
[0105] S3、光學厚度的參數化模型系數確定:估算線性水汽、連續水汽以及其它氣體光學厚 度的關鍵是獲取對應的參數化模型系數(a^，a|Jf，a=，aJifSaJT，aff，a^T 和)，其中線性水汽光學厚度的參數化模型系數(<=，a丨=和aff)以及其它氣體光學厚 度的參數化模型系數(C和#D都是第1層的大氣溫度h和大氣壓強及熱紅外通道i 的函數，而連續水汽光學厚度的參數化模型系數(<r，和a〖f°)僅是熱紅外通道i的 函數。因此對線性水汽和其它氣體光學厚度的參數化模型系數采用逐層確定的方式來獲 取，而對連續水汽光學厚度的參數化模型系數則采用不分層整體確定的方式來獲取;如果 事先已經獲取了對應熱紅外傳感器通道i的光學厚度的參數化模型系數，則可以直接跳過 步驟S3;在光學厚度的參數化模型系數獲取的過程中，按照表1所示的大氣垂直分層溫濕壓 配置組合表構建不同大氣條件組合；
[0106] 表1大氣垂直分層溫濕壓配置組合表

[0109] 之后，將觀測天頂角分別設置為0°、33.56°、44.42°、51.32°、56.25°和60°，使用輻 射傳輸模型M0DTRAN，并考慮熱紅外傳感器通道i的通道響應函數，同時獲取線性水汽、連續 水汽及其它氣體在不同情況下的通道光學厚度r/f、7§ &和<^，并依照公式（2)、公式 (4)和公式(11)表述的數學關系，利用最小二乘數學優化技術，逐層數據回歸獲取線性水汽 和其它氣體光學厚度的參數化模型系數，全部數據回歸連續水汽光學厚度的參數化模型系 數，創建由表2所示的光學厚度的參數化模型系數查找表，并保存線性水汽、連續水汽以及 其它氣體的光學厚度的參數化模型系數。
[0110]表2大氣組分光學厚度的參數化模型系數查找表
[0112] S4、逐層大氣特征參數的計算:讀取插值后的大氣溫濕度廓線以及熱紅外傳感器 像元的觀測天頂角，然后逐層分別計算所需組分的大氣光學厚度。
[0113] 對于線性水汽光學厚度，根據每一層的實際大氣溫度和大氣壓強，選擇對應通道 的參數化模型系數，并對表2構建的線性水汽光學厚度的參數化模型系數進行大氣溫度和 大氣壓強的雙線性內插，獲取實際大氣狀況對應的線性水汽參數化模型系數，接著利用式 (2)和式(3)計算線性水汽光學厚度;
[0114] 對于連續水汽光學厚度，根據每一層的實際大氣溫度和大氣壓強以及對應通道的 參數化模型系數，結合表2構建的連續水汽光學厚度的參數化模型系數，利用公式（4)~ (10) 計算連續水汽光學厚度
[0115] 對于其它氣體光學厚度，根據每一層的實際大氣溫度和大氣壓強，選擇對應通道 的參數化模型系數，并對表2構建的其它氣體光學厚度的參數化模型系數進行大氣溫度和 大氣壓強的雙線性內插，獲取實際大氣狀況對應的其它氣體參數化模型系數，接著利用式 (11) 計算其它氣體光學厚度<<廣> &
[0116] I、逐層大氣透過率<ti,i(0v)>的計算：
[0117] = exp(-{<f }-(<P)-{<f-)) (12)
[0118] 其中，<ti,i(0v)>表示估算出的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣透過率；0V表 示像元的觀測天頂角；exp表示以自然常數為底的指數函數；表示估算的熱紅外傳感 器第i通道大氣第1層的線性水汽光學厚度；>表示估算的熱紅外傳感器第i通道大氣 第1層的連續水汽光學厚度；(<廣'>表示估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層的其它氣 體光學厚度。
[0119] n、逐層大氣上行輻亮度的計算：
[0120] {4) = (1-(^(^)})5(7；^) (13)
[0121] 其中，表示估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣上行輻亮度；<t1;1 (0V)>表示觀測天頂角0V估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣透過率;B為普朗克函 數;Ti為大氣第1層平均大氣溫度，表;^為1'1 = 0.51'1，_+0.51'1，1^，1'1，_、1'1，1^分別為大氣第 1層頂部、底部的大氣溫度為熱紅外傳感器第i通道的等效中心波長。
[0122] m、逐層大氣下行輻亮度的計算：
[0123] {4) = C1-{^(^)}W^) (14)
[0124] 其中，表示估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣下行輻亮度；<t1;1 (053。）>表示采用公式（12)并把觀測天頂角0設置為53°估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第 1層大氣透過率；B為普朗克函數；Ti為大氣第1層平均大氣溫度，表示為Ti = 0.5Ti,tc>P+ 0.5Ti,b〇t，!'1,1；@、1'1,1)。1；分別表不大氣第1層頂部、底部的大氣溫度;&為熱紅外傳感器第：[通 道的等效中心波長。
[0125] S5、大氣特征參數的整體估算:根據逐層大氣特征參數進行整體特征參數估算的 方法如下：
[0126] I、大氣總透過率<ti(0v)>的計算：
[0127] 〈(狀)〉= §〈(,.狀)〉 (13)
[0128] 其中，〈tjev)〉為估算的觀測天頂角0V對應的熱紅外傳感器第i通道大氣總透過 率;n為數學上的連乘符號;為觀測天頂角0 V下估算的熱紅外傳感器第i通道大氣 第1層大氣透過率。
[0129] n、大氣總上行輻亮度的計算：
[0130] 〈4〉= t (,(1加)〉)〈/；,.〉 (16) /-25 L
[0131]其中，為估算的熱紅外傳感器第i通道大氣總上行輻亮度；E為數學上的求和 符號；n為數學上的連乘符號;<tM(0v)>為觀測天頂角0V下估算的熱紅外傳感器第i通道大 氣第k層大氣透過率為估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣上行輻亮度。
[0132] m、大氣總下行輻亮度的計算： \ t
[酬⑷=￡ (盤〈n)〉)〈4〉 (17) l-l L _
[0134] 其中，為估算的熱紅外傳感器第i通道大氣總下行輻亮度；E為數學上的求和 符號；n為數學上的連乘符號;〈tkjew)〉表示采用公式（12)并把觀測天頂角0設置為53° 估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第k層大氣透過率;表示估算的熱紅外傳感器第i通 道大氣第1層大氣下行輻亮度。
[0135] S6、偏差修正系數確定：由于大氣校正參數化方法中沒有考慮通道響應函數積分 先后順序的影響，且忽略了位勢高度高于30km的大氣溫濕度廓線，此外還將觀測天頂角設 置為53°來近似表示大氣下行輻亮度估算過程中的等效觀測天頂角，因此上述簡化和近似 都會導致估算的大氣特征參數出現偏差。需要進一步采用統計回歸的方式，估算出偏差修 正系數來對估算的大氣特征參數的偏差進行修正。由此，借助輻射傳輸模型M0DTRAN提供的 標準大氣溫濕度廓線，采用M0DTRAN獲取標準大氣對應的實際大氣特征參數，并利用公式 (1)~（17)獲取參數化方法估算的大氣特征參數，即大氣透過率和大氣上下行輻亮度，按照 公式（18)、（19)、（20)所提供一元二次經驗關系，構建相應的方程組，回歸求解所需的偏差 修正系數（C、C、<H、ef、#、cf、cf、ef和Gf)。如果事先已經獲取了 偏差修正系數，則可以直接跳過步驟S6。
[0136] I、針對標準大氣，輻射傳輸模型M0DTRAN和參數化方法估算的通道i大氣總透過率 間的關系可由公式（18)中的一元二次經驗關系近似表示，即：
[0137] + ^ X)),, + X)>；, (18)
[0138] 其中，<ti(9v)>MQDTRAN為考慮標準大氣全部層的大氣溫濕度廓線，先米用福射傳輸 模型M0DTRAN算出觀測天頂角0 V對應的總透過率光譜，然后跟熱紅外通道光譜響應函數積 分后得到的通道i大氣總透過率;〈tdev)〉?是采用參數化方法，通過公式（15)得到的通道i 大氣總透過率;cfM、cf?、均是通道大氣總透過率的偏差修正系數。
[0139] II、針對標準大氣，福射傳輸模型M0DTRAN和參數化方法估算的通道大氣總上行輻 亮度間的關系可由公式(19)中的一元二次經驗關系近似表示，即：
[0140] (l： \ ' -I c[ ' x/l； \ -I ci ' x(4\ (3 9)
[0141] 其中，是考慮標準大氣全部層的大氣溫濕度廓線，采用輻射傳輸模型 V / MODTRAN MODTRAN算出的大氣總上行輻亮度光譜，然后跟熱紅外通道光譜響應函數積分后得到的通 道i大氣總上行輻亮度；是采用參數化方法，最后通過公式（16)得到的通道i大氣總 上行輻亮度wf、ef、ef均是通道大氣總上行輻亮度的偏差修正系數。
[0142] m、針對標準大氣，輻射傳輸模型M0DTRAN和參數化方法估算的通道大氣總下行輻 亮度間的關系可由公式(20)中的一元二次經驗關系近似表示，即：
[。143]〈4賴(2〇) 剛其中，〈也體是獅準大氣全部層的大氣溫濕度廓線，采用輻射傳輸模型 M0DTRAN算出的大氣總下行輻亮度光譜，然后跟熱紅外通道光譜響應函數積分后得到的通 道i大氣總下行輻亮度；是采用參數化方法，最后通過式（17)得到的通道i大氣總下 行輻亮度、cf和cf是通道大氣總下行輻亮度的偏差修正系數。
[0145] S7、大氣特征參數偏差改正：利用偏差修正系數，結合步驟S5獲取的大氣特征參 數，使用公式(21)、（22)、（23)進行大氣特征參數偏差的改正，獲取高精度熱紅外通道大氣 透過率和上下行輻亮度，進而實現精確和方便快捷的熱紅外大氣校正。
[0146] I、大氣總透過率偏差改正的計算：
[0147] x(^^)) + ^r X{A(^))2 (2D
[0148] 其中，<ti(0v)>Ccirr是觀測天頂角0 V對應的偏差改正后的通道i大氣總透過率；<ti (9V)>是步驟S5中采用公式（15)獲取的通道i大氣總透過率^廠、cf"、ef":均是通道大氣 總透過率的偏差修正系數。
[0149] n、大氣總上行輻亮度偏差改正的計算： C〇15〇] {L')c,rr =C^+C^X(^) + C^X{^y (22)
[0151] 其中，是偏差改正后的通道i大氣總上行輻亮度；(if)是步驟S5中采用公式 (16) 獲取的通道i大氣總上行輻亮度；ef、ef、ef均是大氣總上行輻亮度的偏差修正 系數。
[0152] m、大氣總下行輻亮度偏差改正的計算：
[0153] hJ；y - 41 + x {^} +1 x (^ (23)
[0154] 其中，是偏差改正后的通道i大氣總下行輻亮度;是步驟S5中采用公式 (17) 獲取的通道i大氣總下行輻亮度；Cf、ClM、均是大氣總下行輻亮度的偏差修正 系數。
[0155] 本發明提出的熱紅外大氣校正方法是通過將大氣垂直分層，并結合大氣查找表， 重新逐層參數化大氣透過率和大氣上下行輻亮度，在考慮傳感器通道響應函數的基礎上， 憑借整體修正來獲取熱紅外通道大氣特征參數，即大氣透過率和大氣上下行輻亮度，進而 實現任意星載熱紅外傳感器觀測數據的大氣校正。
[0156] 本發明跟傳統技術相比，主要具有以下優勢：
[0157] (1)通過機理分析和數學推導，有效區分了連續水汽、線性水汽以及其它氣體對熱 紅外傳感器觀測數據的影響，進而使得本發明提出的大氣校正參數化方法具有較為嚴格的 物理機理，具有一定的通用性，相較傳統經驗-半經驗的統計方法而言，較大提高了熱紅外 大氣校正的精度；
[0158] (2)通過大氣垂直分層，逐層參數化大氣特征參數，并結合熱紅外參數化模型系數 查找表，擺脫了物理方法中對輻射傳輸模型的依賴，相較物理方法而言，在保證熱紅外大氣 校正精度的同時，也極大縮短了處理時間，提高了熱紅外大氣校正的效率。
[0159] 上述實施方式并非是對本發明的限制，本發明也并不僅限于上述舉例，本技術領 域的技術人員在本發明的技術方案范圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也均屬于本發 明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于查找表的熱紅外大氣校正參數化方法，其特征在于:所述方法由以下七個 步驟組成： 51、 熱紅外大氣校正預處理:根據熱紅外傳感器獲取數據的時間和地點，挑選像元對應 的時空匹配的大氣溫濕度廓線，并將大氣溫濕度廓線數據的位勢高度ZM的單位轉換為千 米、大氣壓強P的單位轉換為百帕、大氣溫度T的單位轉換為開爾文、大氣濕度H 20的單位轉 換為克每立方米;將大氣垂直分為25層，隨后將獲取的大氣溫濕度廓線的位勢高度、大氣溫 度以及大氣濕度都線性內插值至基準大氣壓強處，同時獲取像元的觀測天頂角； 52、 大氣組分逐層光學厚度估算：先對大氣進行垂直分層，將熱紅外傳感器第i通道大 氣第1層的光學厚度表示成水汽線性吸收，水汽連續吸收和其它氣體吸收三部分的貢獻，用 公式(1)表示：其中，R:為熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣總光學厚度，為線性水汽第i通道 大氣第1層的光學厚度，為連續水汽第i通道大氣第1層的光學厚度，為其它氣體第 i通道大氣第1層的光學厚度； 53、 光學厚度的參數化模型系數確定:對線性水汽和其它氣體光學厚度的參數化模型 系數采用逐層確定的方式來獲取，對連續水汽光學厚度的參數化模型系數采用不分層整體 確定的方式來獲取;若事先已經獲取了對應熱紅外傳感器通道i的光學厚度的參數化模型 系數，則可以直接跳過步驟S3; 在對上述模型系數獲取的過程中構建不同大氣條件組合；將觀測天頂角分別設置為 0°、33.56°、44.42°、51.32°、56.25°和60°，使用輻射傳輸模型MODTRAN，并考慮熱紅外傳感 器通道i的通道響應函數，同時獲取線性水汽、連續水汽及其它氣體在不同情況下的通道光 學厚度利用最小二乘數學優化技術，逐層數據回歸獲取線性水汽和其 它氣體光學厚度的參數化模型系數，全部數據回歸連續水汽光學厚度的參數化模型系數， 創建光學厚度的參數化模型系數查找表，并保存線性水汽、連續水汽以及其它氣體的光學 厚度的參數化模型系數； 54、 逐層大氣特征參數的計算:讀取插值后的大氣溫濕度廓線以及熱紅外傳感器像元 的觀測天頂角，然后逐層分別計算所需的大氣組分的光學厚度； 對線性水汽光學厚度，根據每一層的實際大氣溫度和大氣壓強，選擇對應通道的參數化 模型系數，并對構建的線性水汽光學厚度的參數化模型系數進行大氣溫度和大氣壓強的雙線 性內插，獲取實際大氣狀況對應的線性水汽參數化模型系數，計算線性水汽光學厚度; 對連續水汽光學厚度，根據每一層的實際大氣溫度和大氣壓強以及對應通道的參數化模 型系數，結合構建的連續水汽光學厚度的參數化模型系數，計算連續水汽光學厚度; 對其它氣體光學厚度，根據每一層的實際大氣溫度和大氣壓強，選擇對應通道的參數化 模型系數，并對構建的其它氣體光學厚度的參數化模型系數進行大氣溫度和大氣壓強的雙線 性內插，獲取實際大氣狀況對應的其它氣體參數化模型系數，計算其它氣體光學厚度 l、 逐層大氣透過率ω,Κθν)〉的計算：其中，〈t^Ov)〉表示估算出的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣透過率；θν為像元 的觀測天頂角;exp為以自然常數為底的指數函數;表示估算的熱紅外傳感器第i通道 大氣第1層的線性水汽光學厚度；表示估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層的連 續水汽光學厚度；表示估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層的其它氣體光學厚 度； Π 、逐層大氣上行輻亮度的計算：其中，表示估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣上行輻亮度;〈t1;1(0v)〉表 示觀測天頂角θν估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣透過率;B為普朗克函數;1^為 大氣第1層平均大氣溫度，表亦為Ti = 0.5Ti，t〇P+0.51'1，1^，1'1，_、1'1，1^分別為大氣第1層頂 部、底部的大氣溫度為熱紅外傳感器第i通道的等效中心波長； m、 逐層大氣下行輻亮度的計算：其中，表示估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣下行輻亮度;〈〖^(053。）〉 表示運用公式（12)并把觀測天頂角Θ設置為53°估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大 氣透過率;B為普朗克函數;Τι為大氣第1層平均大氣溫度，表示為Ti = 0.5Ti,tcip+0.5Ti,bcit， IXtc^IXb。^別表示大氣第1層頂部、底部的大氣溫度;Μ為熱紅外傳感器第i通道的等效中 心波長； S5、大氣特征參數的整體估算:根據逐層大氣特征參數進行整體特征參數估算的方法 如下： 1、大氣總透過率〈1^(0〇〉的計算：其中，〈tdev)〉為估算的觀測天頂角Θν對應的熱紅外傳感器第i通道大氣總透過率；Π 為數學上的連乘符號;為觀測天頂角θν下估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層 大氣透過率； π、大氣總上行輻亮度 的計算：其中，為估算的熱紅外傳感器第i通道大氣總上行輻亮度；Σ為數學上的求和符號； Π 為數學上的連乘符號;<tM(0v)〉為觀測天頂角θν下估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第k 層大氣透過率;為估算的熱紅外傳感器第i通道大氣第1層大氣上行輻亮度； m、大氣總下行輻亮度 > 的計算：其中，為估算的熱紅外傳感器第i通道大氣總下行輻亮度；Σ為數學上的求和符 號；Π 為數學上的連乘符號；<tk,4053。）〉表示采用公式（12)并把觀測天頂角Θ設置為53°估 算的熱紅外傳感器第i通道大氣第k層大氣透過率;表示估算的熱紅外傳感器第i通道 大氣第1層大氣下行輻亮度； S6、偏差修正系數確定:對上述步驟中簡化和近似導致的大氣特征參數估算偏差，需要 進一步采用統計回歸的方式，構建相應的方程組，回歸求解所需的偏差修正系數（ cf' ef% C(f、cf、cf、ef、if和cf)來對估算的大氣特征參數的偏差進 行修正;若事先已經獲取了偏差修正系數，則可以直接跳過步驟S6; I、針對標準大氣，輻射傳輸模型MODTRAN和參數化方法估算的通道i大氣總透過率間的 關系可由公式（18)中的一元二次經驗關系近似表示，即：其中，<ti(0v)〉MQDTRAN為考慮標準大氣全部層的大氣溫濕度廓線，先米用福射傳輸模型 MODTRAN算出觀測天頂角θν對應的總透過率光譜，然后跟熱紅外通道光譜響應函數積分后 得到的通道i大氣總透過率;〈^(θν)〉?是采用參數化方法，通過公式（15)得到的通道i大氣 總透過率;cT、cf均是通道大氣總透過率的偏差修正系數； Π 、針對標準大氣，輻射傳輸模型MODTRAN和參數化方法估算的通道i大氣總上行輻亮 度間的關系可由公式(19)中的一元二次經驗關系近似表示，即：其中，是考慮標準大氣全部層的大氣溫濕度廓線，采用輻射傳輸模型 \ / mUiJlRAN MODTRAN算出的大氣總上行輻亮度光譜，然后跟熱紅外通道光譜響應函數積分后得到的通 道i大氣總上行輻亮度；是采用參數化方法，最后通過公式（16)得到的通道i大氣總 上行輻亮度;cf、cf、cf均是通道大氣總上行輻亮度的偏差修正系數； ΙΠ 、針對標準大氣，輻射傳輸模型MODTRAN和參數化方法估算的通道i大氣總下行輻亮 度間的關系可由公式(20)中的一元二次經驗關系近似表示，即：其中，是考慮標準大氣全部層的大氣溫濕度廓線，采用輻射傳輸模型 MODTRAN算出的大氣總下行輻亮度光譜，然后跟熱紅外通道光譜響應函數積分后得到的通 道i大氣總下行輻亮度；是采用參數化方法，最后通過式（17)得到的通道i大氣總下 行輻亮度;cf、Clu和cf是通道大氣總下行輻亮度的偏差修正系數； S7、大氣特征參數偏差改正：利用偏差修正系數，結合步驟S5獲取的大氣特征參數，進 行大氣特征參數偏差的改正，獲取高精度熱紅外通道大氣透過率和上下行輻亮度，進而實 現精確和方便快捷的熱紅外大氣校正； 1、 大氣總透過率偏差改正的計算：其中，<ti(0v)〉Ccirr是觀測天頂角θν對應的偏差改正后的通道i大氣總透過率;< ti(0v)〉 是步驟S5中采用公式（15)獲取的通道i大氣總透過率；、cr、cr均是通道大氣總透 過率的偏差修正系數； Π 、大氣總上行輻亮度偏差改正的計算：其中，是偏差改正后的通道i大氣總上行輻亮度；是步驟S5中采用公式（16) 獲取的通道i大氣總上行輻亮度;cf、ef、ef均是大氣總上行輻亮度的偏差修正系數； ΙΠ 、大氣總下行輻亮度偏差改正的計算：其中，是偏差改正后的通道i大氣總下行輻亮度；是步驟S5中采用公式（17) 獲取的通道i大氣總下行輻亮度;cf、： cf、： 均是大氣總下行輻亮度的偏差修正系數。2. 根據權利要求1所述的基于查找表的熱紅外大氣校正參數化方法，其特征在于:所述 線性水汽的光學厚度r/^可通過公式(2)計算獲取：其中，Λ2〇為線性水汽的光學厚度計算函數均是線性水汽參數化模 型系數，其數值取決于第1層的平均大氣溫度、平均大氣壓強?:和熱紅外傳感器通道i;exp 表示以自然常數為底的指數函數；log表示以自然常數為底的對數函數；是大氣第1層 垂直路徑上的水汽含量;θν是觀測天頂角； 公式(2)中Α 可表示為： 其中，ZMi,tclt^PZMi,bcit分別表示大氣第1層的頂部和底部的位勢高度;H 20i,tclt^PH20i,bcit分 別表示大氣第1層的頂部和底部的大氣濕度;log表示以自然常數為底的對數函數;rat為模 型中間變量，其值為(H20i, tcip-H20i, b〇t) /H20i, bot。3.根據權利要求1所述的基于查找表的熱紅外大氣校正參數化方法，其特征在于:所述 連續水汽的光學厚度可通過公式(4)計算獲取：其中，表示連續水汽的光學厚度計算函數和<^是連續水汽參數化 模型系數，它們的數值取決于熱紅外傳感器通道i ; TFAC、AMTPseif和AMTPfrgr^是模型中間變 量，它們的數值分別用公式(5)、（6)、（7)表示：其中，Pi, top和Pl,bot分別表不大氣第1層的頂部和底部大氣壓強;Tl, top和Tl,bot分別表不大氣 第1層的頂部和底部大氣溫度;211,_和211,^分別表示大氣第1層的頂部和底部位勢高度； log表示以自然常數為底的對數函數；θν是觀測天頂角；和(或者和 均為模型中間變量，分別表示大氣第1層頂部(或者底部)的水汽自加寬和外加寬吸 收貢獻，它們在第1層的數值分別用公式(8)、（9)表示：其中，Pi, top和Pi, bot分別表不大氣第1層的頂部和底部大氣壓強；Tl, top和Tl, bot分別表不 其中，1'1,_和1'1>*分別表示大氣第1層的頂部和底部大氣溫度^邱表示以自然常數為 底的指數函數。4.根據權利要求1所述的基于查找表的熱紅外大氣校正參數化方法，其特征在于:所述 其它氣體的光學厚度<^的計算公式為：大氣第1層的頂部和底部大氣溫度;H2〇l,top和H2〇l,bot分別表不大氣第1層的頂部和底部大氣 濕度;1出。[)和肌。*為模型中間變量，其值可表示為：其中，fother表示其它氣體的光學厚度計算函數;D是大氣第1層的垂直厚度，表示為D = ZMi.top-ZMi.bc^ZMi.tc^PZMi.b。^別表示大氣第1層的頂部和底部的位勢高度; <=和<「是 其它氣體光學厚度的參數化模型系數，它們的數值取決于第1層的平均大氣溫度^、平均大 氣壓強Pi和熱紅外傳感器通道i。
【文檔編號】G01J5/00GK105928620SQ201610232469
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月14日
【發明人】吳驊, 李召良, 唐榮林, 房世峰, 唐伯惠
【申請人】中國科學院地理科學與資源研究所