天基光学遥感成像仿真中大气影响分析与模拟

模拟大气对成像的影响是天基光学遥感成像仿真中一项非常重要的工作。首先针对工作于可见光到热红外波段（0.4～14 m）的天基光学遥感成像系统,引入了考虑场景内部目标与背景之间相互影响的遥感器入瞳处的辐射方程,并基于线性模型模拟了邻近效应。设计了计算大气透过率、上涌辐射和下涌辐射的大气查找表,分析了水汽含量、气象视距、目标高度、太阳-遥感器-目标之间的位置关系对大气辐射计算的影响,为查找表输入参数的选择提供依据。最后,通过长曝光和短曝光图像的调制传递函数,分析了光学湍流对天基光学遥感成像的影响。     

高分辨率中红外遥感(3～5μm)成像模拟中邻近效应分析

在星载高分辨率遥感成像模拟中,需要重点考虑大气辐射传输过程.通常情况下,中红外波段大气多次散射作用可以忽略,但在高分辨率中红外遥感成像中却需对由多次散射产生的邻近效应加以适当考虑.为对其进行定量分析,分别将影响中红外邻近效应的地表、大气及卫星观测几何参量等进行分析,结果表明:邻近效应随像元测量条件而改变,且在正常条件下其贡献达到3%左右.通过将现有大气点扩散函数(PSF)解析算法扩展至中红外波段,建立了中红外像元邻近效应模型,将其与大气辐射传输模型进行耦合,共同实现大气辐射传输与邻近效应模拟.模拟结果表明,模型是正确的,且应用方法切实可行;对中红外大气校正、成像模拟均具有一定参考价值.     

高分辨率卫星海洋背景成像仿真方法

海洋背景的仿真是海面目标场景仿真的关键环节,是海洋目标-背景耦合作用模拟的重要基础,决定了仿真图像中目标与背景差异特征的正确性和真实性。高分辨率遥感成像下,海面细节特征突显,以往视海表为均匀辐射面的处理方法给高分辨率海洋场景仿真造成较大误差。重点研究了海面三维形态、多组分分布与海水方向反射特性的耦合作用和辐射模型,提出了海面高分辨率遥感成像仿真方法。通过频谱分析的方法构建海面三维模型,根据海面组分分布的不同及不同位置海面法向的不同,修正了低分辨率下的海洋BRDF模型,使其满足高分辨率卫星图像的仿真应用,计算出不同组分的海面的方向反射数据,并将其与海面三维模型关联,构建了亚米级海面三维辐射模型,通过光线追踪方法建立海面零视距辐射场,并经过大气影响和传感器效应,模拟不同海况条件下卫星遥感图像。结果表明:将ZY3-02卫星实测海面图像与相同成像条件下的仿真图像对比,图像均值的误差为3.7%,标准差误差为9.9%,可以较真实地模拟高分辨率卫星成像下的海洋背景。     

基于环境星CCD数据的山区大气校正研究

山区地形崎岖，高程变化较大，遥感影像地形效应明显，地物的光谱特征容易受到干扰，导致在分类过程中对遥感影像出现误分，不利于遥感信息的提取。基于辐射传输原理，利用Python开发了针对山区的大气校正算法。所提算法充分考虑了太阳直接辐射、天空散射辐射及邻近地表反射辐射对卫星入瞳处目标辐亮度的影响，可以有效地消除地形阴影的影响。利用所提算法，结合数字高程模型（DEM），对环境减灾二号01组卫星的CCD传感器的山区数据进行大气校正研究。分析结果表明：校正后的图像地形效应减弱，图像质量得到了明显的改善，反演得到的地表反射率与实地测量的地物光谱数据比较吻合，为进一步开展定量遥感研究提供了数据质量保障。     

山地光学遥感成像仿真的实现

为了进一步提高对山区地表特征的研究精度,为光学遥感摄影等相关工作提供有力参考,基于山地辐射传输方程建立了一个山地光学遥感成像仿真模型.利用辐射传输软件MODTRAN4.0进行辐射计算及大气校正,结合得到的数字方程模型(DEM)数据进行地形参数的计算,以美国资源卫星的多光谱扫描影像(TM)为基础反演得到地表反射率.通过对...     

天气怎样影响成像

文中讨论了低层大气层的光学成像问题,着重阐述了各种大气效应对成像质量的影响。按照成像的流程把大气效应的入射辐射与表面反射分开考虑,得到了气象参数与物体表面辐照度的关系,以及气象参数与成像对比度和分辨率的关系。最后通过实验模拟了不同天气条件下的场景成像。     

天基平台海云背景下飞机全链路成像特征建模及分析

空中目标具有高速机动、战略突防和远程精确打击等特点,针对这类目标构建广域、高效、精准探测、连续监视技术已成为空中目标探测体系面临的新挑战。基于空中目标的天基光学探测需求,建立了复杂环境要素综合作用飞机尾焰的光学辐射特征模型,形成飞机尾焰-海面/云层背景-环境大气-光学系统-成像探测器等要素耦合的全数字化链路光谱辐射成像特征精确预测模型。基于实测数据推演了飞机尾焰红外多光谱本征辐射。同时,利用FY-2G遥感数据,反演了中国南海某海域海面温度及云顶温度分布,建立了海云背景光谱辐射模型。在此基础上综合考虑了背景辐射、大气路径辐射和大气衰减对飞机尾焰光谱辐射的影响,建立了在光学系统入瞳前目标上行光谱辐射特性模型,结合光学成像系统的衍射效应,探讨了不同谱段、云类型下地球同步轨道红外成像系统对目标的可探测性。研究表明:大气屏蔽波段对目标的探测效能优于宽波段;针对不同的背景选择合理的探测波段有利于目标的高效探测。     

卫星遥感像元邻近效应的模拟试验

定量遥感需要对遥感影像进行大气校正,在大气校正过程中,去除邻近效应的影响是一个比较重要的环节.对邻近效应的移除依赖于对影响邻近效应的主要因子及影响机制的认识,为此研究了影响邻近效应的主要因子及影响机制.文中利用MODTRAN模型对不同对比度目标物在不同条件下的邻近效应进行了模拟,得出能见度对邻近效应的影响最大,其次是卫星天顶角,太阳高度角对邻近效应的影响最小;在能见度较高时,辐射率变化百分率曲线形状接近背景反射率曲线,但这种情况在能见度较低时并没有出现;在能见度较高时,随着波长增加,辐射率变化百分率逐渐减小,但在能见度较低时,这种关系没有出现.表明随着能见度减小,其对邻近效应的影响也呈现复杂化.模拟结果为消除邻近效应的影响提供了依据.     

短波红外垂直失水指数对大气效应的敏感性分析

在业务应用中,用光学遥感方法反演地表土壤水分时常常会因受到大气效应的影响而降低精度。利用中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer.MODIS)的卫星观测数据、相应的地表反射率产品以及辐射传输模型模拟方法,评估了短波红外垂直失水指数(Shortwave Infrared Perpendicular Water Stress Index,SPSI)对大气效应的敏感性。结果表明,大气效应会使近红外和短波红外波段的反射率呈线性增加,但对由近红外和短波红外波段组成的光谱特征空间中的典型三角形分布以及像元间几何关系影响较小,能够在一定程度上补偿大气效应对土壤水分反演的影响。因此,在实际的区域化应用中,可以不考虑大气效应给SPSI指数计算及土壤水分反演带来的不确定性,从而简化业务流程。     

卫星影像"邻近效应"PSF校正方法

将传感器接收到的信号TOAS(the top of the atmosphere signals)转换成反映地表目标特性的反射信号是遥感信息定量化的关键环节之一.在假定大气干扰已经被排除的条件下,由于像元之间"邻近效应"的存在,被观测目标像元的反射信号(DN值中)包含了背景地物像元散射的贡献.这种贡献的大小与背景像元的反射率值大小成正比,同时与距离目标像元的远近相关.据Carder(1995),Christopher(1998)等的研究结果,当空间分辨率大于250 m时,"邻近效应"的影响作用超过混合像元影响作用.随着卫星遥感空间分辨率和应用遥感信息定量化程度要求的提高,"邻近效应"及其校正已经开始受到遥感界的重视.近来,我们在国家自然科学基金的支持下,开展这方面的工作.介绍了我们选择北京地区Landsat5 TM数据为例,利用辐射传输模型原理,对影像中存在的"邻近效应"进行了分析和校正,试图理解"邻近效应"的一般影响特征.     

基于光场理论的场景仿真

成像系统仿真对光学遥感器的论证、设计和在轨性能预估具有重要意义。场景作为遥感的对象,其特性的表征和模拟对仿真结果有直接影响。场景特性难以全面表征,针对光学遥感及其应用最为关键的几何、光谱和辐射特性,提出一种基于光场理论的数字场景仿真方法。以包含空间坐标、方向、波长、强度的全光函数作为数字场景仿真的表征参数,建立了涵盖太阳直射、天空漫射和背景反射等因素的数字场景入射辐照度场模型,以及考虑方向反射特性的数字场景出射辐亮度场模型,并基于简单场景对模型进行分析和验证。该方法能够为成像系统仿真及新型载荷研制提供包含多种特性的数字场景模型。     

基于遥感反演的地球红外背景建模

模拟地球红外辐射背景的前提是要获取可靠的全球表面温度。利用卫星遥感数据可以反演得到较精确的地表温度。反演算法采用了应用广泛的分裂窗算法,并将反演结果绘制成了全球表面温度分布图。同时,建立了完整的地球红外辐射亮度模型,考虑不同地域、纬度和季节模式下的大气辐射亮度和大气衰减。通过遥感反演技术与红外辐射建模技术的结合,最终完成了任意波段全球红外辐射背景亮度的计算与图像生成。结果表明:模拟的地球红外辐射图像效果精细,真实反映了地球背景的红外辐射特征,在空间目标的热环境分析,以及空间红外探测与隐身技术的研究等方面具有重要的应用价值。     

Atmospheric effect on spectral signature-measurements andcorrections

Measurements of the atmospheric effect on the spectral signature of surface cover were conducted during hazy conditions over the Chesapeake Bay and its eastern shore. In the experiment the upward radiance was measured by an airborne scanning radiometer in nine spectral bands between 465 and 773 nm, above and below the haze layer. Simultaneous measurements of the aerosol optical thickness and its vertical distribution were conducted. The results of the measurements are used to study the spectral dependence of the atmospheric effect on remote sensing of water bodies and vegetated fields (forest, corn field, and pasture), and to verify theoretical predictions. It is suggested that the radiances over dark areas (e.g. water in the near IR and forest in the visible) can be used to derive the aerosol optical thickness as is done over oceans with the CZCS satellite images     

海洋成像光谱仪信噪比研究

为实现海洋遥感卫星高光谱分辨率及弱目标的探测需求,需要在窄谱段内、低照度下实现高信噪比.通过对成像光谱仪信噪比的推导,建立了成像光谱仪信噪比的评估模型.利用成像光谱仪的光学透过率、光栅的衍射效率、CCD器件的量子效率、CCD暗电流、读出噪声,以及视频噪声等,对海洋水色谱段、中心波长处、典型辐亮度下、5 nm光谱带宽内的系统信噪比进行仿真分析.最后,对系统信噪比进行了测试.测试结果表明:仿真分析正确,此成像光谱仪信噪比可达到60 dB.     

基于暗通道先验原理的偏振图像去雾增强算法研究

在装备试验与测试中,常规光学成像系统极易受气象环境(如雾霾、沙尘等)影响,导致探测距离、成像效果、测量精度等受到大幅限制,从而严重影响目标成像效果及关键参数获取。如何增强雾霾条件下光学探测识别能力及成像质量,成为了当前急需解决的关键问题。本文利用偏振成像优势,结合暗通道先验原理,提出了基于暗通道先验原理的偏振图像去雾增强算法。该算法首先利用采集到的偏振图像提取偏振特征,计算偏振度和偏振角;同时,采用基于区域增长算法自动提取出天空区域,对天空区域进行大气光参数估计,获取大气光偏振度及偏振角相关参数估计;然后,结合暗通道先验原理,获取无穷远处大气光强,进而计算各像素点的大气光强;最后,建立在大气物理退化模型基础上,实现图像去雾增强。实例分析与验证中,通过主观评价与客观评价两种方法,对比本文提出的方法和常见其他方法,实际结果表明,本文算法去雾增强能力较强,能有效提升光学系统的探测识别能力及成像质量,对雾霾条件下武器装备关键参数获取具有重要意义。     

光学遥感图像仿真软件ORSIS介绍

光学遥感图像的可靠仿真具有很强的应用背景.简要描述了研制的光学遥感图像仿真软件,该软件由三个模块组成,即地面景观光学特性仿真模块、大气辐射传输仿真模块和传感器仿真模块,可对多种光学遥感器进行端-端的模拟,并简要介绍了仿真软件的应用.     

地物目标热红外光谱发射率的野外测量方法研究

在航天红外遥感应用中,地物目标光谱发射率是卫星遥感测量地面温度的一个重要参数。野外测量的大气环境、目标背景和地物的热力学特性等因素的影响,使得野外测量地物目标表面光谱发射率变得较为复杂。重点讨论了利用傅里叶变换红外光谱仪野外测量地物目标光谱发射率的方法和程序,介绍了几种正确分离目标温度与发射率的方法。野外测量实验结果表明,按照文中所述的测量方法,测量得到的地物热红外光谱发射率具有良好的一致性,发射率测量误差小于0．02。