地表熱紅外輻射背景場(chǎng)建模與成像模擬研究

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1、畢業(yè)論文題目：絲盤墊塾2￡塹盟鱟量塹蕉送芻盛堡送墊塹窒壹婆塹蕉墊盛專業(yè)2QQ墨級(jí)博士生姓名：墊歪!氐指導(dǎo)教師：里鏖叁熬撞摘要地表熱輻射場(chǎng)景生成機(jī)理與遙感成像過程的模擬分析一直是熱紅外遙感領(lǐng)域高度關(guān)注的研究熱點(diǎn)。新型航天紅外遙感成像系統(tǒng)研發(fā)與設(shè)計(jì)需要大量的前期論證，傳感器參數(shù)的設(shè)計(jì)離不開多種場(chǎng)景、成像條件下紅外輻射場(chǎng)景特性分析及所成圖像的評(píng)估，這就需要對(duì)熱紅外遙感過程進(jìn)行模擬。同時(shí)，正確認(rèn)識(shí)和建立熱紅外遙感前向模型也是進(jìn)行地表溫度反演的基礎(chǔ)，通過研究地表能量的產(chǎn)生機(jī)理和變化規(guī)律，以及成像過程對(duì)紅外影像的影響，可以為提高地表溫度反演精度提供參考依據(jù)和解決途徑。

2、本文以地表熱輻射的產(chǎn)生、傳遞為主線，以熱輻射動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的建模、分析為重點(diǎn)，圍繞熱紅外遙感成像過程鏈路進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。首先結(jié)合一維地表導(dǎo)熱方程與地表能量平衡模型，模擬植被、裸土、柏油路面和混凝土地面四種典型地表組份熱輻射日變化規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，利用隨機(jī)分形的思想建立三維地形場(chǎng)景，基于能量線性混合的假設(shè)，以高空間分辨率光學(xué)遙感圖像(IKONOS、AVIRIS)豐度分解為基礎(chǔ)，構(gòu)建了5m／10m分辨率的熱輻射背景場(chǎng)，并結(jié)合輻射換熱理論探索表面間能量的交換，解析地描述了表面間多次散射引起的目標(biāo)有效輻射增量，并建立多次散射模型MSM(Multi．scattering

3、Model)以分析目標(biāo)紅外輻射特性；基于熱輻射大氣傳輸模型和湍流MTF模型分析大氣對(duì)地表熱輻射場(chǎng)景的影響，最后根據(jù)能量傳遞的物理過程模擬紅外傳感器對(duì)地表熱輻射場(chǎng)景的響應(yīng)。通過本文的研究，得到以下主要結(jié)論和認(rèn)識(shí)：(1)地表溫度日變化規(guī)律受物侯特性影響，且與近地表氣象條件相關(guān)二次諧波形式可以較好地表達(dá)裸露地表溫度日變化特征，模擬值與實(shí)測(cè)值最大標(biāo)準(zhǔn)偏差在3。C以內(nèi)，誤差主要來源于地表熱力學(xué)參數(shù)測(cè)量、估算方面。裸露地表的導(dǎo)熱系數(shù)越低，晝夜溫度起伏越大；對(duì)流換熱系數(shù)越小，溫度出現(xiàn)峰值的時(shí)刻越接近太陽輻照度峰值時(shí)刻；對(duì)于植被冠層，白天溫度還受葉面積指數(shù)的影響。近地面大

4、氣相對(duì)濕度、溫度與地表溫度之間具有較高的線性關(guān)系，尤其是大氣溫度對(duì)地表溫度很高的指示作用。植被和水體溫度在晝夜周期內(nèi)的變化相對(duì)平緩，裸露地表日溫度變化相對(duì)劇烈，且受入射輻射影響較大；日出前和日落后一段時(shí)間內(nèi)各類地表溫度差異最小，正午前后一段時(shí)間內(nèi)溫度差異最大。(2)地表熱輻射場(chǎng)景隨地表溫度、類型分布以及觀測(cè)方位產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化基于分形地形和地表豐度／覆蓋度數(shù)據(jù)，結(jié)合地物溫度與發(fā)射率特性，可簡(jiǎn)單有效地模擬出地表熱輻射場(chǎng)景分布與方向亮溫變化，且不喪失地表紋理細(xì)節(jié)信息。MSM模型考慮了像元組分間多次散射輻射的影響，可提高混合像元有效輻射的模擬精度，亦可用來定義非同溫

5、混合元的有效發(fā)射率。地表熱輻射場(chǎng)景細(xì)節(jié)豐富程度以及亮溫方向特性均隨時(shí)間發(fā)生變化：溫差越大時(shí)地物紋理越清晰，場(chǎng)景亮溫方向特性越明顯。地表單元的有效輻射與單元內(nèi)組分溫度、材質(zhì)、幾何結(jié)構(gòu)以以及組分細(xì)分程度等有關(guān)，并隨觀測(cè)角度而發(fā)生改變；組分間的多次散射增強(qiáng)了地表有效輻射，但同時(shí)又對(duì)輻射方向特性產(chǎn)生平滑作用；大氣下行輻射對(duì)地表輻射方向特性無明顯影響，但增加了像元的有效輻射，使像元亮溫更接近表面溫度。(3)大氣對(duì)地表熱輻射場(chǎng)景產(chǎn)生模糊作用大氣輻射與消光作用削弱了傳感器入疃處地表熱輻射場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍，大氣湍流使熱輻射傳遞路徑發(fā)生抖動(dòng)，進(jìn)一步模糊了傳感器觀測(cè)到的熱輻射影

6、像，且空間分辨率越高，大氣湍流對(duì)影像的模糊作用越強(qiáng)。夜間條件下大氣輻射一般為正效應(yīng)，增強(qiáng)了地表輻射表觀輻亮度，而白天時(shí)大氣一般起負(fù)作用。大氣水汽、觀測(cè)角度、通道設(shè)置以及地表比輻射率是地表熱輻射場(chǎng)景大氣作用模擬需要重視的關(guān)鍵參量，而對(duì)大氣湍流作用的模擬需要注意垂直廓線方向上湍流折射結(jié)構(gòu)系數(shù)變化。(4)場(chǎng)景熱輻射信號(hào)經(jīng)探測(cè)器系統(tǒng)成像被進(jìn)一步退化增大紅外相機(jī)的孔徑可以增加探測(cè)器焦平面上聚集到的能量，有效降低光學(xué)系統(tǒng)衍射造成的模糊效應(yīng)；探測(cè)器對(duì)輻射能量的響應(yīng)受積分時(shí)間、平臺(tái)振動(dòng)的干擾，使得獲得的圖像質(zhì)量進(jìn)一步退化：噪聲產(chǎn)生于成像系統(tǒng)整個(gè)過程中，對(duì)于集成度較高的當(dāng)代

7、紅外遙感成像系統(tǒng)，可以用等效噪聲溫差來表征系統(tǒng)的噪聲水平，系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲對(duì)低溫條件下成像的圖像質(zhì)量的影響顯著。關(guān)鍵詞：熱紅外遙感，輻射場(chǎng)景模擬，高空間分辨率，紅外多次散射，遙感成像模擬IIIIIIIIIIIlUllIIIIIIIIIIIIUIY2372274THESIS：ThermalinfraredradiancemodelingoflandsurfacebackgroundandimagingsimulationSPECIALIZATION：RemotesensingforresourcesandenvironmentPOSTGRADUATE：ZHA0L

8、iminMENTOR：ProfessorTIANQingjiuAB