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1、....近红外比值法在对流层航空遥感数据大气水汽估算中的改进王靓①②,利民①③*,艳华④,勇①,董建婷④,景旺⑤,余涛①③,顾行发①③①中国科学院遥感与数字地球研究所,100101;②中国科学院大学资源与环境学院,100101;③国家航天局航天遥感论证中心,100101;④空间机电研究所,100094;⑤北华航天工业学院,065000*E-mail:zhaolmradi.ac.cn收稿日期:2015-03-22;接受日期:2015-06-16;网络出版日期:2015-11-16民用航天“十二五”预研项目(编号:D030101)资助摘要利用近红外波段大气窗口通
2、道和水汽吸收通道辐亮度比值反演大气柱水汽含量,是卫星遥感大气水汽估算的通用方法之一.但对于对流层的航空遥感水汽估算,直接套用卫星遥感水汽估算近红外比值法会引入飞行平台到大气顶层水汽的影响.根据航空遥感成像特征,利用Modtran和热力学初始分析资料(thermodynamicinitialguessretrieval,TIGR)大气廓线库数据,分别构建入射路径上,航飞高度到地表的水汽透过率与太阳到地表水汽透过率的对数之比G与航飞高度大气水汽与整层大气水汽之比R,以及入射路径上的航飞高度到地表的水汽透过率,与出射路径上地表到入瞳处水汽透过率的对数之比H与太阳入
3、射角qs的函数关系,结合下垫面特征,建立对流层航空遥感水汽估算模型.以1614组TIGR廓线为输入模拟航飞入瞳处辐亮度,利用本文模型估算对流层大气水汽,并与廓线数据直接计算值对比,结果表明,当航飞高度在1.0~7.0km时,模型估算值的总体精度为0.22g/cm2,且精度优于0.5g/cm2的样本占总样本数95.30%.利用2014年5月28日上街航空遥感试验获取的影像进行水汽分布估算,并与同步大气探空数据计算到的水汽进行对比,结果表明,各样区估算值与探空值的RMS误差为0.16g/cm2(12.8%),且对下垫面覆盖条件的先验了解能够提高模型估算精度.本文
4、模型消除航空遥感飞行高度以上大气的影响,增大了模型的精准度与适应性,为热红外航空遥感数据实时大气校正提供了可靠的输入.........关键词大气水汽,对流层,航空遥感,近红外比值法,红外多角度航空相机........1引言水汽是大气的重要组成部分之一,是导致天气变化的主要要素.在中/长波红外谱段,水汽对电磁波具有明显的吸收作用,成为红外遥感大气校正需要剔除的主要因素.利用遥感反演可以获得大气柱水汽含量的空间连续分布,其主要方法包括差分吸收法(differentialabsorptiontechnique,DAT)[1,2],分裂窗法(split-window
5、technique,SWT)[3],微波法(microwavetechniques,MT)[4,5]以及近红外比值法(ratiotechnique,RT)[6,7]等.其中由于RT法对载荷仪器噪声、大气及地表的变化具有较低的敏感性,是一种较为稳定的卫星遥感水汽估算方法[8],受到广泛应用.热红外航空遥感大气校正的核心在于与飞行同步大气水汽信息的获取.通过在热红外遥感器上加载-大气窗口通道(如860nm附近)和水汽吸收通道(如940nm附近),可实现红外遥感数据的实时大气校正.我国研制的红外多角度航空相机(multi-angularinfrafredcamer
6、a,MAIC)安装了4个谱段,分别为B1(0.845~0.885mm),B2(0.915~0.965mm),B3(10.3~11.3mm)和B4(11.5~12.5mm),其中B1,B2波段能够用于估算地表到航飞高度的高分辨率水汽空间分布信息,是提高MAIC应用潜力的重要手段.MAIC各通道光谱响应如图1所示.大气水汽主要集中在对流层以.对于成像在对流层以上(10km或更高)的航空遥感,由于水汽含量在高层大气中极为稀少,利用RT法估算水汽的过程与卫星遥感相似[9].但是为获取较高分辨率航空影像,热红外航空遥感飞行高度一般位于2~5km的对流层之,航飞高度之上
7、的大气水汽不可忽略.如果直接套用卫星遥感水汽估算中的RT法,会额外引入航飞高度之上水汽吸收造成的影响,从而高估地表到航飞高度之间的水汽,降低大气订正精度.RT法的核心参数为近红外波段大气窗口通道和水汽吸收通道入瞳辐亮度之比Tw,通过建立该比值与水汽的函数关系可以估算水汽空间分布.但是在对流层,Tw与水汽的关系是随着航飞高度变化的.选用1614条热力学初始分析资料(thermodynamicinitialguessretrieval,TIGR)大气廓线数据,包括陆地与海洋区域,其中编号1~872为热带(tropical)廓线,编号873~1260为温带(mid
8、-lat1)廓线,以及编号1261~1614为温带冬
