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1、中国科学: 技术科学 2016 年 第 46 卷 第 1 期: 79 90SCIENTIA SINICA Technologica 引用格式: 王靓, 赵利民, 赵艳华, 等. 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. 中国科学: 技术科学, 2016, 46: 7990Wang L, Zhao L M, Zhao Y H, et al. Improvement of near infrared ratio method in troposphere water vapor estimation with airborne remote sensing data (in Chin

2、ese). Sci Sin Tech, 2016, 46: 7990, doi: 10.1360/N092015-00020 2015 中 国 科 学 杂 志 社 中 国 科 学 杂 志 社SCIENCE CHINA PRESS论 文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 , 赵 利 民 *, 赵 艳 华 , 谢 勇 , 董 建 婷 , 刘 景 旺 , 余 涛 , 顾 行 发 中国科学院遥感与数字地球研究所, 北京 100101; 中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100101; 国家航天局航天遥感论证中心, 北京 100101; 北京空间机电研究所, 北京 1000

3、94; 北华航天工业学院, 廊坊 065000* E-mail: 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. 但对于对流层内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(thermodynamic initial g

4、uess retrieval, 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 与航飞高度内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 与太阳入射角 s 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内大气水汽, 并与廓线数据直接计算值对比, 结果表明, 当航飞高度在 1.07.0 km 时, 模型估算值的总体精度为 0.22 g/cm2

5、, 且精度优于 0.5 g/cm2 的样本占总样本数 95.30%. 利用 2014 年 5 月 28 日郑州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 0.16 g/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王靓等: 近红外比值法在对流层航空遥感数据大气水汽估算中

6、的改进801 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 (differential absorption technique, DAT)1,2, 分 裂窗法(split-window technique,

7、SWT)3, 微波法(microwave techniques, MT)4,5以及近红外比值法(ratio technique, 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 860 nm 附 近 )和 水 汽 吸 收 通 道(如 940 nm 附 近 ), 可 实 现 红 外 遥 感 数 据 的

8、实 时 大 气校 正 . 我 国 研 制 的 红 外 多 角 度 航 空 相 机 (multi-angular infrafred camera, MAIC)安 装 了 4 个 谱 段 , 分 别 为 B1 (0.8450.885 m), B2(0.9150.965 m), B3(10.311.3 m)和 B4(11.512.5 m), 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

9、气 水 汽 主 要 集 中 在 对 流 层 以 内 . 对 于 成 像 在对 流 层 以 上 (10 km 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 25 km 的 对流 层 之 内 , 航 飞 高 度 之 上 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

10、 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 内 , 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 (thermodynamic

11、 initialguess retrieval, TIGR)大 气 廓 线 数 据 , 包 括 陆 地与 海 洋 区 域 , 其 中 编 号 1872 为 热 带 (tropical)廓 线 , 编 号 8731260 为 温 带 (mid-lat1)廓 线 , 以 及 编 号12611614 为 温 带 冬 季 与 亚 寒 带 夏 季 (mid-lat2)廓 线 . 利 用 Modtran4.0 模 拟 MAIC 在 不 同 航 高 成 像 时 , Tw随 地 面 到 航 高 水 汽 的 变 化 规 律 , 如 图 2 所 示 . 当 航 高在 5 km 以 上 时 , 航 空 器 之 上

12、的 大 气 水 汽 较 为 稀 薄 , 对 太 阳 -地 表 -传 感 器 路 径 上 的 水 汽 透 过 率 贡 献 较 小 . 对 于 不 同 廓 线 数 据 , 入 瞳 辐 亮 度 之 比 与 水 汽 呈 现 良 好的 负 相 关 关 系 , 在 散 点 图 中 的 分 布 相 对 平 缓 稳 定 ; 当航 高 在 5 km 以 下 时 , 入 瞳 辐 亮 度 之 比 与 水 汽 的 负 相关 关 系 开 始 减 弱 , 且 不 同 廓 线 数 据 散 点 图 的 变 化 相 对剧 烈 . 因 此 , 在 利 用 RT 法 从 对 流 层 (尤 其 是 5 km 以内 的 低 空 )航

13、空 遥 感 数 据 中 估 算 水 汽 时 , 必 须 针 对 太阳-地表 -航空器的大气辐射传输路径特征进行算法修正, 以消除飞行高度变化对水汽估算精度的影响. 本 文 根 据 MAIC 工 程 参 数 , 针 对 传 统 比 值 法 在航 空 遥 感 水 汽 估 算 中 的 局 限 性 , 结 合 大 气 辐 射 传 输模 拟 软 件 Modtran4.0 和 TIGR 大 气 廓 线 数 据 的 垂 直分 层 资 料 进 行 模 拟 , 建 立 考 虑 航 空 相 机 飞 行 高 度 及 太阳 入 射 角 的 近 红 外 两 通 道 比 值 法 的 对 流 层 航 空 遥 感水 汽 估

14、算 改 进 模 型 , 并 利 用 模 拟 数 据 和 实 际 航 空 遥 感数 据 , 对 模 型 的 精 度 进 行 验 证 分 析 .中国科学: 技术科学 2016 年 第 46 卷 第 1 期81图 1 MAIC 各通道光谱响应图 2 MAIC B2, B1 通道入瞳辐亮度之比 Tw与地面到航高大气水汽关系散点图2 近红外水汽反演原理在 1 m 附 近 的 近 红 外 波 段 , 传 感 器 在 某 一 波 长所 接 收 到 的 入 瞳 辐 射 可 简 化 为 (1)senorsun()()(),pLL式 中 Lsensor()为 传 感 器 入 瞳 辐 亮 度 ; Lsun()为 大

15、 气 顶层 的 太 阳 入 射 辐 亮 度 ; ()为 太 阳 -地 面 -传 感 器 路 径透 过 率 , 包 含 了 传 输 路 径 上 的 大 气 吸 收 信 息 ; ()为地 表 双 向 反 射 率 ; Lp()为 路 径 上 分 子 与 气 溶 胶 的 散 射辐 射 项 . 晴 空 条 件 下 , 近 红 外 波 段 大 气 气 溶 胶 光 学 厚度 很 小 , 散 射 辐 射 Lp()的 作 用 与 (1)式 右 端 第 一 项 直接 反 射 项 相 比 , 可 忽 略 不 计 10, 因 此 (1)式 可 表 示 为(2)senorsun.令(3)_pathsurfcesn=,T

16、Tw式 中 Tw=Lsensor(940)/Lsensor(860), 为 传 感 器 入 瞳 处 吸 收通 道 (940 nm 附 近 )和 窗 口 通 道 (860 nm 附 近 )等 效 辐亮度之比; w_path=path(940)/path(860), 为传输路径上的对应通道等效水汽透过率之比, 其中 path(860)作为大气窗口通道透过率, 其值相对稳定且接近于 1(图 1), 因此 w_path 实际上能表征水汽吸收通道的路径透过率; Tsurface=(940)/(860)为传输路径上的对应通道等效地表反射率之比; Tsun=Lsun(940)/Lsun(860)为对应通道在

17、大气顶层的等效太阳辐照度之比. 研究发现 7,8,10, 860和 940 nm 附 近 的 地 物 反 射 率 基 本 相 等 或 成 线 性 变 化 , Tsurface 相 对 稳 定 ; Tsun 根 据 大 气 层 外 太 阳 辐 亮 度 计 算获 得. 因此水汽的透过率 w_path 就可以通过计算 Tw 得到, 进 而 由 w_path 估 算 大 气 水 汽 含 量 .3 航空遥感近红外水汽反演算法3.1 算法设计w_ss, 入 射 路 径 上 太 阳 到 地 表 的 水 汽 透 过 率 ; w_sz, 入 射 路 径 上 太 阳 到 MAIC 航 空 遥 感 成 像 高 度

18、Z的 水 汽 透 过 率 ; w_zs, 入 射 路 径 上 MAIC 所 在 高 度 Z到 地 表 的 水 汽 透 过 率 ; w_sm, 出 射 路 径 上 地 表 到MAIC 的 水 汽 透 过 率 ; W, 整 层 大 气 柱 水 汽 含 量 ; Wz, 地 表 到 航 高 Z 区 间 的 大 气 柱 水 汽 含 量对 940 nm 通 道 电 磁 波 传 输 路 径 (太 阳 -地 表 - MAIC)上 的 水 汽 透 过 率 w_path 进 行 分 段 考 虑 (以 下 所涉 及 透 过 率 均 为 水 汽 透 过 率 ), 可 表 示 为 入 射 路 径 上w_ss 与 反 射

19、 路 径 上 w_sm 的 乘 积 , 如 下 式 :(4)paths_.wm在 入 射 路 径 中 ,根 据 辐 射 传 输 公 式 , 水 汽 透 过 率可 表 示 为 w=exp(m h), 其 中 m 为 相 对 大 气 质 量 , 与传 输 路 径 及 太 阳 入 射 角 度 有 关 , h 为 水 汽 光 学 厚 度 , 与 大 气 水 汽 的 垂 直 分 布 有 关 . w_ss 与 w_zs 取 对 数 可 得到(5)_ln(),wsszzh上 式 可 简 化 为 G 函 数 , 与 水 汽 垂 直 分 布 Wv 以 及 太 阳入 射 角 s 有 关(6)_ln()(,)wsv

20、sz(7)(,)_.vsGWsz同 理 , w_zs 与 w_sm 对 数 比 值 受 到 太 阳 入 射 角 s, 传 感器 观 测 角 o 以 及 地 面 到 飞 行 高 度 水 汽 含 量 Wz 的 影 响 , 定 义 为 H 函 数 , 如 下 式 :(8)_ln()(,),wzssozm(9)(,)_.szHWzs由 (3), (4), (7)和 (9)式 可 得(10)surfacesn1_.GwsmTT研 究 表 明 1113, 大 气 水 汽 透 过 率 w 和 大 气 可 降水 量 关 系 可 用 如 下 形 式 表 示 :王靓等: 近红外比值法在对流层航空遥感数据大气水汽估

21、算中的改进82(11)0exp,wzbW式 中 b0 与 仪 器 通 道 的 中 心 波 长 和 半 波 宽 度 以 及 波 段图 3 (网络版彩图) 航空遥感水汽估算模型参数几何关系响 应 函 数 有 关 . 合 并 (10)和 (11)式 可 得(12)surfacesnxp.w zTbGHW3.1.1 G 函 数 设 计定 义 参 数 R, 其 含 义 为 地 表 到 航 高 Z 的 水 汽 Wz与 整 层 大 气 水 汽 W 之 比(13).z计 算 1614 条 TIGR 廓 线 下 R 值 . 利 用 Modtran4.0模 拟 太 阳 入 射 角 角 为 0时 , 不 同 观 测

22、 高 度 (1, 3, 5, 7 km)下 MAIC B1, B2 通 道 的 w_ss 与 w_zs, 并 由 (7)式 计算 得 到 G(Wv, 0). 分 析 G 与 R 的 关 系 , 绘 制 散 点 图 , 发 现 二 者 表 现 为 明 显 的 幂 指 数 形 式 (G=aRb), 如 图 4所 示 .G 不 仅 受 到 R 的 影 响 , 还 与 太 阳 入 射 角 s 有 关 . 以 TIGR 廓 线 为 样 本 数 据 , 当 航 高 Z 为 3 km 时 , 0太阳 入 射 角 与 60太 阳 入 射 角 下 G 值 的 差 异 集 中 在0.02, 0.02, 该 误 差

23、 对 水 汽 估 算 影 响 的 敏 感 性 分 析见 4.2 节 .3.1.2 H 函 数 设 计H 函 数 为 地 面 S 到 航 高 Z 之 间 , 入 射 路 径 与 出射 路 径 上 940 nm 水 汽 透 过 率 对 数 之 比 , 如 (8)式 所 示 . 航 空 遥 感 主 要 以 垂 直 下 视 成 像 居 多 , 本 文 仅 考 虑 天顶 观 测 (o=0)的 情 况 .不 同 航 高 , 不 同 廓 线 可 计 算 出 不 同 的 Wz, 将图 4 基于 TIGR 数据绘制的 G(Wv, 0)与 R 关系散点图TIGR 廓 线 数 据 输 入 Modtran4.0, 模

24、 拟 1, 3, 5, 7 km航 高 条 件 下 的 Wz 值 以 及 MAIC B1, B2 通 道 的 w_zs 与w_sm, 并 由 (8)式 计 算 得 到 H. 模 拟 不 同 太 阳 入 射 角 s条 件 下 , H 与 Wz 的 关 系 , 结 果 如 图 5(a)所 示 . 由 图 发现 s 对 H 的 影 响 非 常 显 著 : H 随 着 s 的 增 大 而 增 大 , H(s=10)与 H(s=60)的 平 均 差 值 可 达 到 0.4415. 可见 对 H 的 估 算 必 须 考 虑 太 阳 入 射 角 的 变 化 . 水 汽 含量 Wz 的 变 化 对 H 的 影

25、 响 相 对 较 小 : 尤 其 当 s 小 于50时 , H 几 乎 不 受 到 水 汽 变 化 的 影 响 . 因 此 在 实 际 计中国科学: 技术科学 2016 年 第 46 卷 第 1 期83算 H 时 可 考 虑 忽 略 参 数 Wz 的 影 响 , 特 别 针 对 低 太 阳入 射 角 条 件 . 计 算 图 5(a)中 不 同 s 时 H 的 平 均 值 , 分析 H 与 s 的 关 系 , 结 果 如 图 5(b)所 示 . 发 现 二 者 表 现为 明 显 的 二 次 方 形 式 , 即 H=c1s2+c2s+c3. 分 大 气 模 式 考 虑 , 在 太 阳 入 射 角

26、为 40, 50时 , 忽 略 水 汽 含 量 的 影 响 对 估 算 H 所 带 来 的 误 差 主 要 集中 在 0.008, 0.008以 内 , 在 太 阳 入 射 角 为 60时 误 差范 围 会 增 大 到 0.012, 0.012. 该 误 差 对 最 终 Wz 估算 造 成 的 影 响 分 析 见 4.2 节 .3.2 对流层航空遥感大气水汽估算模型根 据 上 述 分 析 , (12)式 可 写 成(14)0exp()1,wszTbGRH其 中 , (15)surfacesnl,T(16)1()b(17)234.sss利 用 Modtran4.0 模 拟 不 同 条 件 下 M

27、AIC B2 与B1 的 入 瞳 辐 亮 度 比 值 Tw, 回 归 计 算 得 到 下 垫 面 为 植被 (veg), 土 壤 (soil)条 件 下 不 同 大 气 模 式 对 应 的 , b0b4, 各 参 数 取 值 如 表 1 所 示 . 其 中 , 由 于 Tsurface 与地 物 覆 盖 类 型 有 关 , 本 文 考 虑 了 9 类 地 物 , 包 括 4 类植 被 (针 叶 林 , 落 叶 林 , 草 地 , 混 合 植 被 )和 5 类 土 壤(黏 土 , 粉 砂 土 壤 , 粉 质 黏 土 , 沙 质 土 壤 , 混 沙 土 壤 ). 其 他 Modtran 模 拟 输

28、 入 条 件 包 括 : 太 阳 入 射 角 度 为1060; 垂 直 下 视 观 测 , 观 测 高 度 为 1, 3, 5, 7 km. 4 航空遥感水汽估算误差敏感性分析4.1 R 值估算误差敏感性分析本 文 模 型 中 , R 的 估 算 误 差 直 接 影 响 到 Wz 的 估算 精 度 . 定 义 Wz 估 算 误 差 W 如 下 14:(18)()(,R 为 参 数 R 可 能 出 现 的 误 差 , W(R+R)与 W(R)为 利用 (14)式 分 别 在 R+R 和 R 下 计 算 得 到 的 水 汽 含 量 . 计 算过程中选择如下典型条件: 1) 大气模式为 Mid-la

29、t1; 2) 地 表 覆 盖 类 型 为 植 被 .大 部 分 观 测 条 件 下 , 入瞳 辐 亮 度 之 比 Tw 集 中 在 0.2, 0.8, 本 文 设 定Tw=0.452(为 所 有 观 测 条 件 下 的 平 均 值 ), 并 选 取 太 阳入 射 角 s 分 别 为 20和 50的 情 况 进 行 分 析 (图 6). 由 图 6 可 看 出 , 本 文 算 法 中 R 对 W 的 影 响 较为 显 著 : 典 型 条 件 下 , 如 果 R 的 计 算 误 差 R=0.05, 则 将表 1 回归计算得到的 , b0b4地 表 类 型 大 气 模 式 b0 b1 b2 b3 b

30、4 R2Troplical 0.17173 0.22297 0.63000 0.00014 0.00286 1.18203 0.982Mid-lat1 0.07448 0.23504 0.59641 0.00015 0.00333 1.37024 0.969植 被Mid-lat2 0.04682 0.22260 0.56863 0.00017 0.00374 1.64628 0.955Troplical 0.05877 0.17808 0.57851 0.00017 0.00348 1.84872 0.953Mid-lat1 0.02454 0.20357 0.55910 0.00018 0.

31、00385 1.88646 0.928土 壤Mid-lat2 0.05475 0.17376 0.51810 0.00022 0.00502 2.63871 0.902王靓等: 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84图 5 H 与 WZ及 s的关系散点图 图 6 R 估算误差引起的水汽估算误差 导 致 水 汽 产 生 0.12 g/cm2 左 右 的 误 差 . 算 法 受 太 阳 入射 角 s 的 影 响 并 不 显 著 : 当 R=0.1, 0.8, R=0.01, 0.2时 , W (s=20)与 W (s=50)的 最 大 差 值 为 0.07 g/cm2; 以 水

32、汽 比 值 R=0.45, R=0.1 为 例 , 当 s=20时 , W=0.22 g/cm2, 当 s=50时 , W=0.24 g/cm2, 两 种 s条 件 下 水 汽 估 算 误 差 仅 相 差 0.02 g/cm2. 同 时 , W 受到 R 的 影 响 也 较 不 显 著 : 以 太 阳 入 射 角 s=20为 例 , R 由 0.1 变 化 至 0.8, W 的 变 化 范 围 在 0.1 g/cm2 之 内 , 且 随 着 R 的 增 大 , W 的 变 化 更 加 趋 于 平 缓 . 模 拟 结 果 显 示 , 90%以 上 的 Tw 值 在 0.2, 0.8, 故上 述

33、对 于 Tw=0.452 时 的 分 析 仅 显 示 了 一 个 平 均 水 平 . 图 7 显 示 了 不 同 Tw 下 水 汽 估 算 误 差 的 变 化 规 律 . 前文 分 析 可 知 , 太 阳 入 射 角 s 对 W 的 影 响 微 小 , 因 此图 7 中 W 为 s 在 560下 W 的 平 均 值 . 可 以 看 出 , 在 一 定 的 R 误 差 条 件 下 , W 随 Tw 的 增 大 而 减 小 , 且这 一 变 化 的 速 度 随 R 的 增 大 而 增 大 . Tw 逆 向 表 征 水汽 的 高 低 , 因 此 图 7 说 明 水 汽 的 估 算 误 差 将 随 水

34、 汽 的升 高 而 升 高 . 中国科学: 技术科学 2016 年 第 46 卷 第 1 期85图 7 不同 Tw条件下 R 估算误差引起的水汽估算误差图 7 还 可 以 作 为 估 计 不 同 条 件 下 R 所 造 成 的 水汽 估 算 精 度 的 依 据 , 即 可 从 图 中 查 找 不 同 Tw, R 及R 下 对 应 的 W 作 为 水 汽 估 算 精 度 . 例 如 , Tw=0.4, R= 0.5, R=0.05 时 , 水 汽 估 算 精 度 可 达 到 0.19g/cm2. 当 R0.05 时 , 本 算 法 可 保 证 在 所 有 观 测 条 件 下 水 汽的 估 算 精

35、 度 优 于 0.7 g/cm2; 当 R0.1 时 , 水 汽 的 估算 最 低优于 1.0 g/cm2, 且仅当 Tw0.3 时水汽估算精度会劣于 0.5 g/cm2, 而这也将是较为极端的潮湿大气条件.4.2 G, H 误差敏感性分析G 函 数 和 H 函 数 均 由 各 自 的 显 著 因 子 经 曲 线 拟合 得 到 , 忽 略 非 显 著 因 子 的 影 响 会 产 生 函 数 拟 合 误 差 , 进 而 导 致 Wz 出 现 误 差 . 水 汽 估 算 误 差 W 与 G, H 计算 误 差 的 关 系 如 下 15,16:, (19)220(ln)1wyTxxb式 中 x, y

36、 分 别 代 表 G, H 或 者 H, G. x 代 表 对 应 项 的计 算 误 差 . 由 3.1 可 知 , 忽 略 s 的 影 响 所 带 来 G 值 的 计 算误 差 主 要 分 布 在 0.02, 0.02. 假 设 G=0.02, 考 虑 典型 条 件 , 设 定 Tw=0.452, s=30, 得 H=1.405. 代 入(19)式 , 计 算 得 到 当 G 值 在 1.0, 4.0时 , G 导 致 的 水汽 估 算 误 差 在 0.032 g/cm2 以 内 , 因 此 G 函 数 的 设 计可 忽 略 s 的 影 响 . 同 样 地 , 由 3.1 可 知 忽 略 W

37、z 的 影 响 H 的 计 算 误差 主 要 集 中 在 0.012, 0.012. 假 设 H=0.012, 考 虑典 型 条 件 , 设 定 Tw=0.452, R=0.8,得 G=1.142, 代 入(19)式 , 计 算 得 到 当 H 值 在 1.0, 1.7时 , H 导 致 的 水汽 估 算 误 差 在 0.009 g/cm2 以 内 , 因 此 H 函 数 的 设 计王靓等: 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86可 忽 略 Wz 的 影 响 .5 算法验证分别利用 Modtran4.0 模拟数据与 MAIC 航空遥感数据对算法精度进行验证, 定义水汽估算误差

38、如下: (20)realalg2_RMS(),ZZWN式 中 WZ_real 代 表 真 值 , 由 探 空 廓 线 计 算 得 到 , WZ_alg代 表 本 文 算 法 估 算 值 , N 为 参 与 计 算 的 样 本 数 量 .5.1 Modtran 4.0 模拟验证利 用 Modtran4.0 模 拟 MAIC B1, B2 通 道 表 观 辐亮 度 , 输 入 条 件 为 : 1) 天 顶 观 测 ; 2) s 10, 60, 步 长 为 5; 3) 航 飞 高 度 Z 1 km, 7 km, 步 长 为 1 km; 4) TIGR 廓 线 编 号 11614. 根 据 本 文 中

39、 提 到 的 算法 计 算 地 表 到 航 飞 高 度 之 间 的 大 气 水 汽 含 量 WZ_alg, 并 与 利 用 TIGR 水 汽 廓 线 直 接 计 算 得 到 的 水 汽 含 量WZ_TIGR 进 行 比 较 , 如 图 8 所 示 . 利 用 本 文 中 的 方 法 17 km 观 测 高 度 下 水 汽 的 估算 可 以 得 到 很 好 的 结 果 , 如 图 8(a), 整 体 RSM 可 达到 0.2243 g/cm2, 且 估 算 误 差 小 于 0.25 g/cm2 的 样 本占 总 样 本 数 的 80.65%, 误 差 小 于 0.5, 0.8 g/cm2 的 样

40、本 分 别 占 总 样 本 数 的 95.30%, 99.38%, 如 图 8(b)所 示 .表 2 显示了不同条件下水汽估算误差的分布. 本算法在水汽含量较小的情况下反演精度较高, 当水汽含量小于 3 g/cm2 时, RMS 小于 0.25 g/cm2, 而当水汽含量大于 3 g/cm2 时, RMS 主要分布在 0.30.4 g/cm2. 本 算 法 中 H 函 数 是 针 对 太 阳 入 射 角 的 校 正 项 , 因 此 本 算 法 水 汽 估 算 误 差 受 到 太 阳 入 射 角 的 影 响 较图 8 (网络版彩图) 航空飞行高度水汽模型估算值与探空廓线计算值对比(a) 散点图;

41、 (b) 差值直方图表 2 不同观测条件下的水汽估算误差水 汽 范 围 WZ (g/cm2) 太 阳 入 射 角 s ()大 气 模 式01 12 23 34 45 56 10 1020 2030 3040 4050 5060Troplical 0.1170 0.1852 0.2469 0.2996 0.3549 0.4500 0.3171 0.2894 0.2831 0.2767 0.2719 0.2440Mid-lat1 0.0975 0.1577 0.2461 0.3881 0.1558 0.1420 0.1385 0.1336 0.1266 0.0970Mid-lat2 0.0876

42、0.1536 0.2972 0.1162 0.1063 0.1033 0.0991 0.0935 0.0728小 . 可 以 看 到 , 本 算 法 在 太 阳 入 射 角 较 大 时 , RMS 较低 , 而 随 着 太 阳 入 射 角 的 减 小 , RMS 反 而 有 所 升 高 . 本 算 法 主 要 消 除 了 水 汽 比 值 R 对 水 汽 估 算 精 度的 影 响 , 因 此 , RMS 随 R 的 变 化 并 不 明 显 , 且 在 大 部分 情 况 下 , RMS 均 低 于 整 体 水 平 0.2243 g/cm2, 仅 在热 带 模 式 下 , R 大 于 0.7 时 ,

43、 RMS 大 于 0.26 g/cm2, 这也 与 热 带 模 式 下 水 汽 含 量 较 高 有 关 . 5.2 航空遥感试验验证利 用 MAIC 相 机 拍 摄 的 地 面 影 像 验 证 该 算 法 的中国科学: 技术科学 2016 年 第 46 卷 第 1 期87实 际 应 用 精 度 . 试 验 区 位 于 河 南 郑 州 上 街 机 场 附 近(3450.5N, 11316.3E), 航 飞 区 域 内 地 形 平 坦 , 包 含城 镇 , 农 田 , 水 体 , 工 业 设 施 等 典 型 地 物 . 选 择 晴 朗无 云 时 间 段 开 展 航 空 成 像 试 验 . MAIC

44、 航 空 成 像 的 航高 海 拔 为 3134 m(对 应 地 面 高 度 3 km), 成 像 时 间 为2014 年 5 月 27 日 08:30(UTC), 2014 年 5 月 28 日07:00(UTC), 计 算 得 到 测 区 内 太 阳 入 射 角 分 别 为48.8和 36.6. 飞 行 过 程 中 采 用 佳 能 5D Mark III 同步 获 取 真 彩 色 影 像 数 据 , 几 何 校 正 后 结 果 如 图 9(a). 飞 行 后 在 实 验 室 利 用 积 分 球 对 MAIC 相 机 B1, B2 通 道 进 行 绝 对 辐 射 定 标 与 非 均 匀 性

45、校 正 ,得 到 飞 行高 度 的 通 道 辐 亮 度 数 据 , 再 利 用 同 步 POS 数 据 对CCD 扫 描 数 据 进 行 几 何 校 正 .选 择 下 垫 面 类 型 为 植 被 (veg), 大 气 模 式 为 中 纬度 温 带 (Mid-lat1). 由 表 1, = 0.07448, b0=0.23504, 并算得 G=1.1872, H=1.4493, 其中 R=0.745, 5 月 27日 s=48.8, 5 月 28 日 s=36.6. 将 上 述 参 数 带 入 (14)式 , 图 9(b), (c)为 利 用 本 文 算 法 计 算 得 到 的 地 面 到 飞行

46、 高 度 水 汽 的 空 间 分 布 . B1, B2 波 段 间 配 准 误 差 导 致水 汽 分 布 图 仍 表 现 出 一 定 的 地 物 纹 理 特 征 , 但 总 体而 言 ,估算结果直方图分布较为集中(图 10(b), 5 月 28日像元均值为 1.16 g/cm2, 标准差为 0.23. 如果选择下垫面类型为土壤, 由表 1 及(14)式得到的水汽影像均值为 1.35 g/cm2, 标准差 0.23. 相同方法可得到 5 月27 日选择下垫面类型为植被, 水汽影像均值为 1.04 g/cm2, 标 准 差 0.16(图 10(a).试 验 中 通 过 释 放 气 象 探 空 气

47、球 与 飞 行 同 步 获 取了 测 区 内 的 大 气 参 数 , 包 括 温 度 , 湿 度 , 压 力 等 垂 直廓 线 数 据 , 5 月 27 日 数 据 采 集 时 间 为 08:0408:57 (UTC), 5 月 28 日 数 据 采 集 时 间 为 06:4407:33(UTC).计 算 得 到 地 面 到 飞 行 高 度 的 大 气 水 汽 含 量 分 别 为1.12, 1.25 g/cm2. 将 该 结 果 作 为 真 值 , 与 飞 行 区 域 水汽 航 空 遥 感 估 算 平 均 值 相 差 在 0.1 g/cm2 以 内 .选 取 测 区 内 17 处 样 本 区

48、, 如 图 9(a). 其 中 编 号18 为 小 麦 地 , 编 号 912 为 草 地 , 编 号 13 为 裸 土 , 编 号 14 为 稀 疏 草 地 (草 地 与 裸 土 混 合 ), 编 号 1517为 建 筑 物 (道 路 、 房 顶 等 不 透 水 面 ). 112, 14 号 样 区以 MidLat1-Veg 模 式 计 算 , 13, 1517 号 样 区 以MidLat1- soil 模 式 计 算 , 14 号 样 区 分 别 利 用 MidLat1-Veg, MidLat1-soil 模 式 计 算 , 计 算 得 到 5 月 27 日117 号 样 本 区 水 汽 估 算 误 差 RMS=0.14 g/cm2(12.5%),平 均 水 汽 1.05 g/cm2. 5 月 28 日 117 号 样 本 区 水 汽估 算 误图 9 (网络版彩图)MAIC 航空遥感成像(a) 试验区概况; (b)和(c) 5 月 27 日、28 日地表到飞行高度水汽分布图 10 飞行试验区水汽遥感估算结果统计信息王