地表热红外辐射背景场建模与成像模拟研究

论文摘要

地表热辐射场景生成机理与遥感成像过程的模拟分析一直是热红外遥感领域高度关注的研究热点。新型航天红外遥感成像系统研发与设计需要大量的前期论证,传感器参数的设计离不开多种场景、成像条件下红外辐射场景特性分析及所成图像的评估,这就需要对热红外遥感过程进行模拟。同时,正确认识和建立热红外遥感前向模型也是进行地表温度反演的基础,通过研究地表能量的产生机理和变化规律,以及成像过程对红外影像的影响,可以为提高地表温度反演精度提供参考依据和解决途径。本文以地表热辐射的产生、传递为主线,以热辐射动态场景的建模、分析为重点,围绕热红外遥感成像过程链路进行了系统的研究。首先结合一维地表导热方程与地表能量平衡模型,模拟植被、裸土、柏油路面和混凝土地面四种典型地表组份热辐射日变化规律；在此基础上,利用随机分形的思想建立三维地形场景,基于能量线性混合的假设,以高空间分辨率光学遥感图像（IKONOS、AVIRIS）丰度分解为基础,构建了5m/10m分辨率的热辐射背景场,并结合辐射换热理论探索表面间能量的交换,解析地描述了表面间多次散射引起的目标有效辐射增量,并建立多次散射模型MSM（Multi-scattering Model）以分析目标红外辐射特性；基于热辐射大气传输模型和湍流MTF模型分析大气对地表热辐射场景的影响,最后根据能量传递的物理过程模拟红外传感器对地表热辐射场景的响应。通过本文的研究,得到以下主要结论和认识：（1）地表温度日变化规律受物侯特性影响,且与近地表气象条件相关二次谐波形式可以较好地表达裸露地表温度日变化特征,模拟值与实测值最大标准偏差在3℃以内,误差主要来源于地表热力学参数测量、估算方面。裸露地表的导热系数越低,昼夜温度起伏越大；对流换热系数越小,温度出现峰值的时刻越接近太阳辐照度峰值时刻；对于植被冠层,白天温度还受叶面积指数的影响。近地面大气相对湿度、温度与地表温度之间具有较高的线性关系,尤其是大气温度对地表温度很高的指示作用。植被和水体温度在昼夜周期内的变化相对平缓,裸露地表日温度变化相对剧烈,且受入射辐射影响较大；日出前和日落后一段时间内各类地表温度差异最小,正午前后一段时间内温度差异最大。（2）地表热辐射场景随地表温度、类型分布以及观测方位产生动态变化基于分形地形和地表丰度/覆盖度数据,结合地物温度与发射率特性,可简单有效地模拟出地表热辐射场景分布与方向亮温变化,且不丧失地表纹理细节信息MSM模型考虑了像元组分间多次散射辐射的影响,可提高混合像元有效辐射的模拟精度,亦可用来定义非同温混合元的有效发射率。地表热辐射场景细节丰富程度以及亮温方向特性均随时间发生变化：温差越大时地物纹理越清晰,场景亮温方向特性越明显。地表单元的有效辐射与单元内组分温度、材质、几何结构以以及组分细分程度等有关,并随观测角度而发生改变；组分间的多次散射增强了地表有效辐射,但同时又对辐射方向特性产生平滑作用；大气下行辐射对地表辐射方向特性无明显影响,但增加了像元的有效辐射,使像元亮温更接近表面温度。（3）大气对地表热辐射场景产生模糊作用大气辐射与消光作用削弱了传感器入瞳处地表热辐射场景的动态范围,大气湍流使热辐射传递路径发生抖动,进一步模糊了传感器观测到的热辐射影像,且空间分辨率越高,大气湍流对影像的模糊作用越强。夜间条件下大气辐射一般为正效应,增强了地表辐射表观辐亮度,而白天时大气一般起负作用。大气水汽、观测角度、通道设置以及地表比辐射率是地表热辐射场景大气作用模拟需要重视的关键参量,而对大气湍流作用的模拟需要注意垂直廓线方向上湍流折射结构系数变化。（4）场景热辐射信号经探测器系统成像被进一步退化增大红外相机的孔径可以增加探测器焦平面上聚集到的能量,有效降低光学系统衍射造成的模糊效应；探测器对辐射能量的响应受积分时间、平台振动的干扰,使得获得的图像质量进一步退化；噪声产生于成像系统整个过程中,对于集成度较高的当代红外遥感成像系统,可以用等效噪声温差来表征系统的噪声水平系统产生噪声对低温条件下成像的图像质量的影响显著。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图索引
• 表索引
• 参数说明
• 第1章 绪论
• 1.1 选题依据
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 国内研究进展
• 1.2.2 国外研究进展
• 1.2.3 现存问题和不足
• 1.3 论文研究切入点及其理论基础
• 1.3.1 论文研究的主要问题
• 1.3.2 基本理论依据
• 1.4 研究思路与技术路线
• 第2章 地表热辐射产生机理与模拟分析
• 2.1 地球表层能量交换
• 2.1.1 地表净辐射通量
• 2.1.2 显热通量
• 2.1.3 潜热通量
• 2.1.4 地表热通量
• 2.2 地表温度模拟模型
• 2.2.1 数值解
• 2.2.2 解析解
• 2.3 裸露地表温度模拟
• 2.3.1 温度模型二次谐波形式
• 2.3.2 气温周期变化谐波形式
• 2.3.3 太阳辐照度周期变化谐波形式
• 2.3.4 地温模型谐波系数参数化
• 2.4 CUPID植被冠层温度模拟
• 2.5 地表温度模拟输入参数获取
• 2.5.1 24h气象数据测量
• 2.5.2 地表参数获取
• 2.5.3 模拟结果校验数据测量
• 2.6 地表温度模拟结果与分析
• 2.6.1 地表温度日变化规律
• 2.6.2 地表温度模型影响因素分析
• 第3章 地表热辐射背景场模拟
• 3.1 自然地表三维几何场景构建
• 3.1.1 二维分形地形断面
• 3.1.2 三维分形地形曲面
• 3.1.3 地形因子的计算
• 3.2 地表覆盖信息获取
• 3.2.1 线性光谱混合建模
• 3.2.2 基于特征指数的地物覆盖度提取
• 3.2.3 地表覆盖混合分解实例
• 3.3 地表热辐射场景构建与分析
• 3.3.1 地表能量混合模型
• 3.3.2 平坦地表辐亮度模拟分析
• 3.3.3 起伏地表辐亮度模拟分析
• 3.3.4 场景方向亮温（DBT）模拟
• 3.3.5 下行辐射对地表热辐射的影响
• 3.4 非同温地表有效辐射计算模型的建立
• 3.4.1 MSM的建立
• 3.4.2 表面间多次散射项的定义
• 3.4.3 利用MSM模型模拟行结构DBT
• 3.4.4 MSM模型验证与分析
• 3.4.5 MSM模型影响因素分析
• 3.5 非同温混合像元发射率定义问题
• 第4章 热辐射场景大气作用分析
• 4.1 辐射传输模式
• 4.1.1 大气辐射模拟计算
• 4.1.2 大气透过率模拟计算
• 4.2 参数拟合估算模式
• 4.2.1 大气辐射估算模型
• 4.2.2 TIGR数据集预处理
• 4.2.3 参数拟合结果
• 4.3 查找表模式
• 4.4 大气湍流作用模拟
• 4.5 TOA辐亮度模拟结果
• 4.6 大气作用对热红外辐射传输影响分析
• 4.6.1 大气水汽含量的影响
• 4.6.2 观测角度的影响
• 4.6.3 地表比辐射率的影响
• 4.6.4 气溶胶及温室气体的影响
• 第5章 地表热辐射场景遥感成像模拟
• 5.1 光学系统模拟
• 5.1.1 辐射响应
• 5.1.2 渐晕
• 5.1.3 衍射模糊
• 5.2 探测器效应模拟
• 5.2.1 探测器光电转换
• 5.2.2 空间响应
• 5.3 数字信号量化
• 5.4 成像系统噪声模拟
• 5.4.1 三维随机噪声模型
• 5.4.2 NETD推导与建模
• 5.4.3 传感器成像模拟实例
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 论文创新点
• 6.3 展望
• 附录
• 附1 模拟影像空间分辨率的设定
• 附2 典型空间结构表面间辐射换热角系数的计算
• 1.微面元对微面元的角系数
• 2.微面元对有限元的角系数
• 3.有限元对有限元的角系数
• 4.几个特殊位置的角系数
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间科研情况