一种基于大气气溶胶光学厚度和植被反射率星载遥感方法外文翻译资料

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一种基于大气气溶胶光学厚度和植被反射率星载遥感方法

Qiu Jinhuan（邱金桓）

中国科学院，大气物理研究所，Beijing100029；

1997年2月25日收到；1997年6月3日修订；

摘要： 星载遥感方法对大气气溶胶光学厚度和植被反射率的意义是非常重要的，但它仍然是一个尚未解决的问题，基于植被反射率光谱从近紫外到近红外与大气气溶胶光学厚度对植被反射率和辐射敏感性的研究，分析了一种新的方法星载合成远程感应反射和深度的方法，和一个运用迭代反演算法的相关性，本文开发了数值实验对辐亮度误差，在气溶胶虚指数和植被介质非均匀性对检索结果的误差进行了分析。结果表明，气溶胶反演误差的虚指数的影响是非常重要的。由于气溶胶虚指数的误差范围在0.01以内，气溶胶光学厚度的标准误差和植被反射光谱通道的解决方案与410 nm到900 nm分别小于0.063和0.023。在辐射误差2%以内，标准误差小于0.023到0.0056的范围内。

关键字：植被反射率 气溶胶光学厚度 星载遥感 天空辐亮度

1简介

大气气溶胶光学厚度和植被反射率光谱特性对研究大气环境和气候的变化以及空间对地基遥感等具有极其重要的作用。而植被覆盖率为50 ~90在大多数陆地表面区域上可以达到热带雨林地区的百分之90以上。植被反射光谱特性可以指示植被生长状况和季节变化，并影响地球辐射平衡，它也是空间遥感应用的理论基础之一，和它已广泛应用于遥感信息发现，环境污染监测植物病虫害监测、农作物产量估算及地质矿产定位等（Collins et al.，1978；Horloor et al.，1983；Tong，1990）。

大气气溶胶可以包括直接形成云雾，影响地球辐射收支平衡和臭氧层平衡参与其非均匀化学反应。而其中的大气气溶胶粒子临界深度是一个重要的物理参数，它表征大气浑浊度和CRU社会因素确定气溶胶辐射气候效应。观测地面的大气气溶胶光学厚度的仪器和地球上的物体反射的光谱辐射计有悠久的历史（Deirmendjian，1980）；kontratyev，1969；Tong，1990）。然而，基于地面的测量不能提供气溶胶和土坝—大面积的参数。

因此，本文利用星载遥感是唯一可以提供参数的手段，以确定全球范围内气溶胶光学厚度和地表反射率。事实上，在过去的20多年来，卫星遥感探测气溶胶光学厚度和地表再反射取得重要进展。目前，主要有气溶胶光学厚度遥感探测的空间方法。一个是掩星法，灵云球面光学深度的日出和太阳测量太阳直接辐射的测定设计（McCormick et al.，1992）。

但它有一个缺点，以确定总大气气溶胶光学厚度。另一是检索大气气溶胶光学在太空中的天空辐射信息的深度，主要应用联合国在海洋下垫面情况（Wang et al.，1994；Tanre et al.，1991）。在土地表面的情况下，其反射率是非常复杂的，它一般比海洋大，所以对向上的天空辐射有较强的影响。因此，大气气溶胶光学厚度遥感大气气溶胶光学仍然是一个悬而未解决的问题。

星载遥感探测方法研究地球物体的反射，气溶胶的影响通常是忽略或大气校正与气溶胶PA参数的一些假设（Trare et al.1992）,这可能会导致一些错误。所以寻求一个气溶胶光学厚度和植被发射率综合遥感的方法是极其重要的，基于植被反射特性从近紫外到近红外和外辐射对植被反射率和大气气溶胶光学特性的敏感性，星载合成遥感反射率和光学校准深度是本文提出的一种新的方法，和相应的迭代反演算法的相关算法的开发。根据数值模拟，精确运算本方法的分析。

II.敏感性分析原理

在下面一段，首先，辐射传输方程及其运算法进行介绍，进一步分析了可见光到近红外波段的植被反射率特征，最后，根据上述特点和怒江数值解方程，分析了地表辐射对植被反射率和大气气溶胶光学厚度的敏感性，分析了遥感反射率和反射率的合成原理。

1. 辐射传输方程

假设在没有热辐射和平面平行大气辐射传输方程中

在这里是辐射，是光学厚度，是天顶角的余弦，是方位角，是太阳方位角，是太阳高度角的余弦，是大气反照率，是均匀大气散射相位函数，和是地球大气圈内的一样辐射强度，和可以表示为

=

在这里是气溶胶光学厚度，和是分子散射和吸收光学厚度，是气溶胶单散射率，是气溶胶粒子和分子散射相函数， 对气溶胶的大小分布情况和复折射率密切相关（尤其是它的虚指数）。在这编文章中，给出了波长。

此外，一种改进的高斯赛德尔迭代算法提出了邱金环采用求解辐射传输方程（Qiu,1986）,和部分是。

2.植被反射率特征

无论是地表反射率或气溶胶光学厚度它们都可以从向上辐射同时检索关键取决于物体表面的反射光谱特征分析，地表面的反射率越大，它影响的辐射也越大，而更不利于它的是，提取出的光学厚度，但有利的是检索的表面反射率。近三十多年来我国植被反射率的研究。 Tong Qingxi编译的光谱反照率数据的中国典型的地球观察测量近年来成书者（Tong,1990)。

图形 1 ：显示平均值，标准误差，最大和最小的五十种植被反射光谱从410纳米到1000纳米。在五十多种植物当中，其中18种是大米或小米，26种不同的数，其余的都是草地或芦荟。

图形 2： 显示12种植物重新反射光谱在410~1000nm范围内，这些12种植物分别是米，小麦，棉花，油菜，马铃薯，紫云英，油松，云杉，柏树，雪松，白杨和草地。

根据图1、2植被反射的一些特点可以看出如下特点：

（a）在410- 500纳米的波长范围内，它们的反射率比近红外反射率反射率相对较小，其中一些甚至比海水的反照率还要小。五十类植被反射率平均值小于0.05，其标准偏差小于0.02，和反射率的变化比较小，从0.008到0.101。

(b) 这些最大的反射率在550 -560纳米，这变化在0.05—0.3和最小的反射率可以发现约680纳米。

（c）从680到740nm之间，当波长其折痕时，反射率明显增大。当它是大于740nm的近红外处，反射率通常都是很高。五十种反射率平均值大于0.38，标准误差大于0.2，反射率变化范围为0.84~0.19.上述特点的kontratyev研究结论是一致的（1969）。合成方法本文所提出的地表反射率和气溶胶光学厚度遥感图像的遥感技术是一种很有研究的方法基于这些特征的植被反射率。

如表1，就同意植被类型而言，反射率的变化可以使非常小的波长范围内相当于小与500nm。表1表示11组水稻光谱的波长在500nm到800nm之间（标记为A1和A2）。

波长（nm）

图1. 50-1000nm波长范围内50多种植被反射率的平均值，最大值，最小值和标准误差.

波长（nm）

图2 12类植被的反射光谱

他们的平均值和标准误差，在 Tong Qingxi(1990)，共有11组水稻反射率测得的数据在七月和8月。表1中列出的数据

引用的11组数据。如表所示，在11组数据中11组水稻反射率在500和800纳米的平均值分别为0.057和0.727，而标准偏差分别为0.0033和0.0606。

显然，500纳米的反射率的变化是非常小的，远小于800纳米的反射率，在下面的分析中看到，这一数字向上的天空辐射波长远小于500纳米适合检索气溶胶光学厚度的变化。

3.天空辐射对地表反射率和气溶胶光学厚度的敏感性

正如上面所讨论的，在波长小于680纳米的植被反射率近红外具有不同性质，所以在表示向上辐射的敏感性对波长500 nm和800 nm的表面反射率和气溶胶光学厚图3说明向上辐射的变化在500 nm和800 nm的反射率。

图3说明向上辐射的变化在500 nm和800 nm的反射率，在图中，辐亮度是统一时的表面反射率为零，意味着辐射的关系性。这里的气溶胶粒径分布是Deirmendjian（1969）大陆模式，和气溶胶折射率为1.5 0.01i。气溶胶光学厚度tau;= 0.2。它可以从图3：

1. 当反射率增加时，辐射亮度也相应的增加.
2. 而辐射式非常敏感的反射率的变化，特别是800纳米的波长范围内。

如图3A，在这种情况下，当植被反射率变化在0到0.8之间， 在500纳米和800纳米的辐射分别增加了12和36倍。此外，因为在波长小于500纳米的植被反射率通常小于0.1，虽然近红外反射率可以在很宽的范围内的0.18改为0.85。 在波长小于500 nm的光通道是不太敏感的植被反射率比nearin红外通道，有利于反演气溶胶光学厚度。

（c）在小于时，对地表反射率不敏感。

如图4表示，气溶胶光学厚度在500纳米和800纳米之间向上辐射的变化。这里的辐亮度为1时光学厚度为0，波长为500纳米和800纳米的五十种植被反射率平均值为如图2所示，分别为0.051和0.405。气溶胶的粒度分布是大陆Deirmendjian分布，和气溶胶复折射率为1.5 0.01i。从图4可以看出：

1. 在500nm的波长，随着气溶胶光学厚度的增加，辐射率也会增加。

（b）500纳米的辐射是更敏感的气溶胶光学厚度比800纳米

辐射。例如，的情况下，当从0到1的厚度变化，500纳米的辐射率增加58%，而800纳米的辐射率变化只有7%。

（c）小

波长（nm）

图1. 50-1000nm波长范围内50多种植被反射率的平均值，最大值，最小值和标准误差.

波长（nm）

图2. 12类植被的反射光谱

他们的平均值和标准误差，在 Tong Qingxi(1990)，共有11组水稻反射率测得的数据在七月和8月。表1中列出的数据

引用的11组数据。如表所示，在11组数据中11组水稻反射率在500和800纳米的平均值分别为0.057和0.727，而标准偏差分别为0.0033和0.0606。

显然，500纳米的反射率的变化是非常小的，远小于800纳米的反射率，在下面的分析中看到，这一数字向上的天空辐射波长远小于500纳米适合检索气溶胶光学厚度的变化。

3.天空辐射对地表反射率和气溶胶光学厚度的敏感性

正如上面所讨论的，在波长小于680纳米的植被反射率近红外具有不同性质，所以在表示向上辐射的敏感性对波长500 nm和800 nm的表面反射率和气溶胶光学厚图3说明向上辐射的变化在500 nm和800 nm的反射率。

图3说明向上辐射的变化在500 nm和800 nm的反射率，在图中，辐亮度是统一时的表面反射率为零，意味着辐射的关系性。这里的气溶胶粒径分布是Deirmendjian（1969）大陆模式，和气溶胶折射率为1.5 0.01i。气溶胶光学厚度tau;= 0.2。它可以从图3：

1. 当反射率增加时，辐射亮度也相应的增加.
2. 而辐射式非常敏感的反射率的变化，特别是800纳米的波长范围内。

如图3A，在这种情况下，当植被反射率变化在0到0.8之间， 在500纳米和800纳米的辐射分别增加了12和36倍。此外，因为在波长小于500纳米的植被反射率通常小于0.1，虽然近红外反射率可以在很宽的范围内的0.18改为0.85。 在波长小于500 nm的光通道是不太敏感的植被反射率比nearin红外通道，有利于反演气溶胶光学厚度。

（c）在小于时，对地表反射率不敏感。

如图4表示，气溶胶光学厚度在500纳米和800纳米之间向上辐射的变化。这里的辐亮度为1时光学厚度为0，波长为500纳米和800纳米的五十种植被反射率平

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