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《南京大学》 2011年
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地表热红外辐射背景场建模与成像模拟研究

赵利民  
【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。
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P422.61

【参考文献】
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