[发明专利]顾及实际天空光分布影响的地表反照率遥感模型

摘要

本发明公开了一种顾及实际天空光分布影响的地表反照率遥感模型，在构建过程中考虑了大气条件下天空光角度分布的影响，以及地表与大气之间的多次反射机制。模型用户需要通过所获得的空间传感器观测到的关于地面目标的多角度反射率数据，反演地表双向反射分布函数BRDF模型；利用太阳入射与传感器观测之间的几何角度关系计算BRDF模型核函数；通过实地测量或卫星观测反演得到的大气气溶胶的光学特性参数以及水汽、臭氧等成分的含量，实施地‑气耦合辐射传输计算获得下行辐照度场中的漫总比参数、天空光角度分布函数、大气球面反照率等地表反照率遥感模型所需输入参数，同时计算直射与漫射反照率以及天空光角度分布影响下的漫射反照率。

主权项

顾及实际天空光分布影响的地表反照率遥感模型，其特征在于：通过多角度卫星观测地表目标的遥感数据，引入考虑遥感过程中存在的热点效应即后向反射峰值的Ross‑Li‑Maignan地表反射模型，简称RLM模型，并获得RLM模型的核系数；利用太阳入射角度、传感器观测角度计算地表朗伯散射核、Ross体散射核和Li‑Sparse互易散射核函数的值，通过RLM模型计算任意入射角度条件下的地表双向反射比因子BRF，再将得到的双向反射分布函数BRDF，BRDF＝π^‑1×BRF，分别通过视空间角度积分运算获得直射反照率；利用观测时刻获取的气溶胶和水汽等大气关键成分的光学特性参数，运行辐射传输模型，获得太阳入射辐射场中的漫总比参数，并构建天空光角度分布函数；通过将直射反照率在入射空间进行角度积分，并利用已获得的天空光角度分布函数作为权重，在所有积分角度对直射反照率进行积分计算，从而获得实际天空光分布影响下的漫射反照率；所构建的顾及实际天空光分布影响的地表反照率遥感模型如公式(1)：$\begin{array}{c}\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ},{\mathrm{\θ}}_s,\mathrm{\τ}\right)\\ =\frac{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^1\left(L_{dir}^{\↑}+L_{dif}^{\↑}+L_{ms}^{\↑}\right){\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{d\μ}}_s{\mathrm{d\φ}}_s}{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^1\left(L_{dir}^{\↓}+L_{dif}^{\↓}+L_{ms}^{\↓}\right){\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{d\μ}}_s{\mathrm{d\φ}}_s}\\ =\frac{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^1{\mathrm{\α}}_{dir}\left(L_{dir}^{\↓}+L_{dif}^{\↓}\right){\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{d\μ}}_s{\mathrm{d\φ}}_s+{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^1{L}_{ms}^{\↑}{\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{d\μ}}_s{\mathrm{d\φ}}_s}{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^1\left(L_{dir}^{\↓}+L_{dif}^{\↓}\right){\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{d\μ}}_s{\mathrm{d\φ}}_s+{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^1{L}_{ms}^{\↓}{\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{d\μ}}_s{\mathrm{d\φ}}_s}\\ =\frac{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^1\left({\mathrm{\α}}_{dir}+G_u\right)\left(L_{dir}^{\↓}+L_{dif}^{\↓}\right){\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{d\μ}}_s{\mathrm{d\φ}}_s}{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^1\left(L_{dir}^{\↓}+L_{dif}^{\↓}\right){\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{d\μ}}_s{\mathrm{d\φ}}_s+{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^1{G}_d\left(L_{dir}^{\↓}+L_{dif}^{\↓}\right){\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{d\μ}}_s{\mathrm{d\φ}}_s}\\ =\frac{G{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^1{\mathrm{\α}}_{dir}\left(L_{dir}^{\↓}+L_{dif}^{\↓}\right){\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{d\μ}}_s{\mathrm{d\φ}}_s}{{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^1{L}_{dir}^{\↓}{\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{d\μ}}_s{\mathrm{d\φ}}_s+{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^1{L}_{dif}^{\↓}{\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{d\μ}}_s{\mathrm{d\φ}}_s+{\mathrm{G\α}}_{atm}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^1{\mathrm{\α}}_{dir}\left(L_{dir}^{\↓}+L_{dif}^{\↓}\right){\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{d\μ}}_s{\mathrm{d\φ}}_s}\\ =\frac{G\left(E_{dir}^{\↓}{\mathrm{\α}}_{dir}+E_{dif}^{\↓}{\mathrm{\α}}_{ani\_dif}\right)}{E_{dir}^{\↓}+E_{dif}^{\↓}+{\mathrm{G\α}}_{atm}\left(E_{dir}^{\↓}{\mathrm{\α}}_{dir}+E_{dif}^{\↓}{\mathrm{\α}}_{ani\_dif}\right)}\\ =\frac{G\[\left(1-f_{dt}\left(\mathrm{\λ},\mathrm{\τ}\right)\right){\mathrm{\α}}_{dir}\left({\mathrm{\θ}}_s,\mathrm{\λ}\right)+f_{dt}\left(\mathrm{\τ},\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\α}}_{ani\_dif}\left(\mathrm{\λ},\mathrm{\τ}\right)\]}{1+{\mathrm{G\α}}_{atm}\left(\mathrm{\λ},\mathrm{\τ}\right)\[\left(1-f_{dt}\left(\mathrm{\λ},\mathrm{\τ}\right)\right){\mathrm{\α}}_{dir}\left({\mathrm{\θ}}_s,\mathrm{\λ}\right)+f_{dt}\left(\mathrm{\τ},\mathrm{\λ}\right){\mathrm{\α}}_{ani\_dif}\left(\mathrm{\λ},\mathrm{\τ}\right)\]}\end{array}$模型的公式(1)中，L表示辐射亮度，E表示辐射照度或辐射通量密度，符号↑/↓表示辐射传输的方向，分别对应向上/向下，下标ms表示多次散射，θ_s和φ_s分别为太阳天顶角和方位角，θ_v和φ_v则分别表示观测天顶角和方位角，f_dt(λ,τ)表示下行辐射漫总比，α_dir(θ_s,λ)和α_{ani_dif}(λ,τ)分别表示直射和漫射反照率，G＝(1‑α_{ani_dif}α_atm)^‑1为地‑气系统相互作用增益因子，G_d和G_u分别表示地‑气交界处向下和向上的增益因子，λ为传感器观测通道中心波长，公式(1)中，α_{ani_dif}(λ,τ)用公式(2)计算：${\mathrm{\α}}_{ani\_dif}(\mathrm{\λ},\mathrm{\τ})=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^1{f}_{ads}({\mathrm{\θ}}_s,{\mathrm{\φ}}_s;\mathrm{\τ},\mathrm{\λ}){\mathrm{\α}}_{dir}({\mathrm{\θ}}_s,\mathrm{\λ}){\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{d\μ}}_s{\mathrm{d\φ}}_s---\left(2\right),$公式(2)中，为天空光角度分布函数；模型的公式(1)在理论推导中运用了下面的关系式：其中大气球面反照率的计算式如下：$\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_{atm}\left(\mathrm{\λ},\mathrm{\τ}\right)=\\ \frac{1}{{\mathrm{\π}}^2}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^1{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^1\left[\begin{array}{c}{R}_{rayl}({\mathrm{\Ω}}_s,{\mathrm{\Ω}}_v;\mathrm{\λ},P)+T_{H_{2}O}({\mathrm{\θ}}_s,{\mathrm{\θ}}_v,0.5C_{H_{2}O})\×\\ \left(R_{rayl+aero}\right({\mathrm{\Ω}}_s,{\mathrm{\Ω}}_v;\mathrm{\λ},\mathrm{\τ},P)-R_{rayl}({\mathrm{\Ω}}_s,{\mathrm{\Ω}}_v;\mathrm{\λ},P\left)\right)\end{array}\right]{\mathrm{\μ}}_s{\mathrm{\μ}}_v{\mathrm{d\μ}}_s{\mathrm{d\φ}}_s{\mathrm{d\μ}}_v{\mathrm{d\φ}}_v\end{array}---\left(4\right),$公式(4)中，Ω_s＝(θ_s,φ_s)与Ω_v＝(θ_v,φ_v)分别表示太阳与观测位置，P为地表高度处的大气压强，R_rayl与R_rayl+aero分别表示瑞利大气、瑞利分子和气溶胶混合大气的固有发射率，为水汽柱含量，μ表示角度余弦值，至此便实现了高精度地表谱反照率的理论计算和遥感模型的构建。