光学遥感对地成像过程中的邻近效应模拟分析

第３４卷第２期２０１５年４月

文章编号：１００１—９０１４（２０１５）０２～０２５０—０７

红外与毫米波学报

Ｊ．Ｉｎｆｒａｒｅｄ

Ｖ０１．３４，Ｎｏ．２Ａｐｒｉｌ，２０１５

Ｍｉｌｌｉｍ．Ｗａｖｅｓ

ＤＯＩ：１０．１１９７２／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—９０１４．２０１５．０２．０２１

光学遥感对地成像过程中的邻近效应模拟分析

马晓珊１’２，

郭晓勇１，

孟

新１，杨震１，彭晓东１，李立钢１，谢文明１

（１．中国科学院空间科学与应用研究中心复杂航天系统电子信息技术重点实验室，北京１００１９０；

２．中国科学院空间天气学国家重点实验室，北京１００１９０）

摘要：光学遥感的邻近效应可以看作大气点扩散函数（ＰＳＦ）和地表辐射场的卷积，通过逆向蒙特卡罗法模拟大气ＰＳＦ，利用辐射传输模型ＭＯＤＴＲＡＮ计算地表辐射场，获得遥感器入瞳处的辐亮度值．开展不同对比度目标背景物在典型条件下的邻近效应模拟与分析，结果显示：目标和背景的反射率分布对邻近效应影响很大，背景反射率越大，邻近效应占总辐射的比例越高；暗目标在亮背景下的邻近效应明显大于亮目标在暗背景下的邻近效应；固定成像高度和区域，空间分辨率越高，邻近效应越明显；地面气象视距对邻近效应的影响非常显著，气象视距增大，邻近效应减弱；太阳天顶角增大，邻近效应减弱．模拟结果为高分辨率光学遥感成像系统高精度建模和邻近效应校正算法研究提供了依据．

关键词：光学遥感；邻近效应；大气点扩散函数；蒙特卡罗

文献标识码：Ａ中图分类号：ＴＰ７５１．１；ＴＰ３９１．９

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔｉｎｅａｒｔｈ－ｉｍａｇｉｎｇ

ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ

ＭＡＸｉａｏ—Ｓｈａｎｌ，一，ＧＵＯＸｉａｏ．Ｙｏｎ９１，ＭＥＮＧＸｉｎｌ，ＹＡＮＧＺｈｅｎｌ，

ＰＥＮＧＸｉａｏ．Ｄｏｎ９１，ＬＩＬｉ—Ｇａｎ９１，ＸＩＥＷｅｎ－Ｍｉｎ９１

（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＳｐａｃｅＳｙｓｔｅｍ，ＣｅｎｔｅｒｆｏｒＳｐａｃｅ

ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＡｐｐｌｉｅｄＲｅｓｅａｒｃｈ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ

１００１９０，Ｃｈｉｎａ；

２．ＳａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｐａｃｅＷｅａｔｈｅｒ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔｏｆｓｐｒｅａｄｆｕｎｃｔｉｏｎ（ＰＳＦ）ａｎｄｔｈｅａｄｊａｃｅｎｃｙ

ｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｃｏｕｌｄｂｅｒｅｇａｒｄｅｄ

ａｓ

ｔｈｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｏｉｎｔ

ｓｕｒｆａｃｅ—ｌｅａｖｉｎｇｒａｄｉａｎｃｅ．ＢｙｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＰＳＦｗｉｔｈｂａｃｋｗａｒｄＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ

ｍｅｔｈｏｄａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｓｕｒｆａｃｅ．１ｅａｖｉｎｇｒａｄｉａｎｃｅｗｉｔｌｌＭＯＤＴＲＡＮｍｏｄｅｌ．ｔｈｅａｔ—ｓｅｎｓｏｒｒａｄｉａｎｃｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ

ｅｆｆｅｃｔｓｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔａｒｇｅｔａｎｄｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄ

ａｎａｌｙｚｅｄ．

ｒａ－

Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔａｒｇｅｔａｎｄｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙａｆｆｅｃｔａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙａｎｄｔｈｅｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｏｆｔｈｅ

ｂｙ

ｄｉａｎｃｅｃａｕｓｅｄｔｈｅ

ａｄｊａｃｅｎｃｙ

ｅｆｆｅｃｔｉｎｔｈｅｔｏｔａｌｒａｄｉａｎｃｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ．Ａｄ—

ｊａｃｅｎｃｙ

ｅｆｆｅｃｔｆｏｒｄａｒｋｔａｒｇｅｔｕｎｄｅｒｂｒｉｇｈｔｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｉｓｍｏｒｅｏｂｖｉｏｕｓｔｈａｎｔｈａｔｆｏｒｂｒｉｇｈｔｔａｒｇｅｔｕｎｄｅｒｄａｒｋｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ．

Ｇｉｖｅｎｉｍａｇｉｎｇｈｅｉｇｈｔａｎｄａｒｅａ，ｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｉｍａｇｉｎｇｓｐａｃｅｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｔｒｏｎｇｅｒｔｈｅａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔｉｓ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌｒａｎｇｅｔｈｅｂｉｇｇｅｒｔｈｅ

ｓｕｎ

ｏｎ

ａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔｉｓｏｆｈｉｇｈ

ｚｅｎｉｔｈａｎｇｌｅ，ｔｈｅｗｅａｋｅｒｔｈｅ

ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ．Ｔｈｅ

ａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔｉｓ．Ｔｈｅｓｅｒｅｓｕｌｔｓ

ｅｆｆｅｃｔ，ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｏｉｎｔｓｐｒｅａｄ

ｌａｒｇｅｒｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌｒａｎｇｅ，ｃｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｍｏｄｅｌｉｎｇｔｈｅ

ｏｐｔｉｃａｌｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｅｘｐｌｏｒｉｎｇｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆｔｈｅＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌｒｅｍｏｔｅＰＡＣＳ：４２．３０．一ｄ

ｓｅｎｓｉｎｇ，ａｄｊａｃｅｎｃｙ

ａｄｊａｃｅｎｃｙ

ｆｕｎｃｔｉｏｎ（ＰＳＦ），ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ

ｅｆｆｅｃｔ．

晡

光学遥感的邻近效应（ＡｄｊａｅｅｎｃｙＥｆｆｅｃｔ）是指遥

收稿日期：２０１３．１０—１３，修回日期：２０１４—０９—２４

霎鬟晶鬈蚕筹葱耋嚣磐嚣

所示，图中ＩＦＯＶ表示瞬时视场（Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ

Ｒｅｃｅｉｖｅｄｄａｔｅ：２０１３－１０－１３，ｒｅｖｉｓｅｄ

Ｆｉｅｌｄ

ｄａｔｅ：２０１４－０９＿２４

基金项目：国家自然科学基金（６１３０８０９８）；空间天气学国家重点实验室专项基金（Ｙ２２６１２ＢＡ３Ｓ）

Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｔｅｍｓ：ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（６１３０８０９８），ａｎｄｔｈｅＳｐｅｃｉａｌｉｚｅｄ

ｒｉｅｓ（Ｙ２２６１２ＢＡ３Ｓ）

ＲｅｓｅａｒｃｈＦｕｎｄｆｏｒＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏ—

作者简介（Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ）：马晓珊（１９７８一），女，河南南阳人，副研究员，博士，主要研究领域为光学遥感成像模拟、大气光学特性等．Ｅ－ｍａｉｌ：ｍ“ｓ＠

２期

马晓珊等：光学遥感对地成像过程中的邻近效应模拟分析

ｏｆ

Ｖｉｅｗ），定义为一个探测单元在光学系统轴向所

拟‘１３－１５３两种方法．解析近似大多采用单次散射近

确定的对象角．邻近效应不仅影响高空间分辨率光

学遥感成像仿真的建模精度，而且在很大程度上影

似，本质上是抛弃辐射传输方程中的多次散射项，使方程退化而得到的近似解．这种近似与实际大

气状况是有距离的，究竟会给ＰＳＦ带来什么样的影响难以预知．蒙特卡罗方法是一种随机模拟方

响并制约着定量遥感的发展和应用：一方面影响卫星对地面目标的遥感能力，降低了相邻像元地表亮度的对比，模糊了目标和背景的差别旧１；另一方面

也影响卫星对大气的遥感能力，给准确扣除大气遥感中的地表信息造成困难旧Ｊ．长期以来，邻近效应

法，以最大的逼真度描述光子在大气中的传输过程，既保留了多次散射过程，又回避了求解辐射传输方程的困难，是研究邻近效应的有效方法．

本文采用逆向蒙特卡罗法研究光学遥感的邻近效应，重点分析地表反射率分布、成像空间分辨率、地面气象视距和太阳天顶角等因素对邻近效应的影

响规律．

并没有得到足够的重视．一方面是早期卫星图像的空间分辨率不高，邻近效应的影响不明显；另一方

面，邻近效应本质上是针对水平非均匀反射地表的

三维辐射传输问题，求解困难．随着光学遥感空间分辨率和应用遥感信息定量化程度要求的不断提高，

开展光学遥感邻近效应研究已经成为定量遥感发展

１蒙特卡罗模拟

１．１遥感器入瞳处的辐射方程

针对工作在可见光一近红外波段的被动式光学

面临的重要前沿性科学难题，也是高空间分辨率光

学遥感成像仿真高精度建模亟待解决的关键技术

问题．

遥感成像系统，假定表面为朗伯漫反射体，当遥感器

对目标像元（ｉ，，）成像时，遥感器接收的辐射可以表

ＳｉｎｇｌｅＤｅｔｅｃｔｉｏｎＵｎ

示为‘８】：

Ｌ（ｉ√）＝ｔ。（ｉ√）Ｌ。（ｉ，Ｊ）＋

，１、

—

ｃ暑

∑∑Ｐ（ｉ，ｊ；ｋ，ｚ）ｔ（ｉ＋后√＋ｚ）＋０（ｉＪ）

式中各量均为波长的函数，为简单起见，下标中忽略波长．式中右侧第一项表示离开目标像元表面直接

Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ

Ｐｉｘｅｌ

秽舛、一

ＴａｒｇｅｔＰｉｘｅｌ

进入ＩＦＯＶ的辐射贡献．其中ｔ。（ｉ，Ｊ）表示目标至遥

二

感器的大气透过率；￡：（ｉ，Ｊ）表示离开目标像元表面的辐亮度，其来源是太阳直射辐射和天空漫射辐射．第二项表示由离开场景表面的漫反射辐射经过大气

ｅｆｆｅｃｔ

Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ

Ｐｉｘｅｌ

Ｆｉｇ．１

图１邻近效应示意图

Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅａｄｊａｃｅｎｃｙ

散射进入ＩＦＯＶ的辐射贡献．Ｐ（ｉ，Ｊ．；尼，Ｚ）是权重值，表示当对像元（ｉ√）成像时，离开像元（ｉ＋ｋ，Ｊ＋ｆ）的

辐射中经散射进入ＩＦＯＶ的那部分．当ｋ＝Ｚ＝０时，

邻近效应本质上是针对水平非均匀反射地表

的三维辐射传输问题，理论上可以通过求解辐射传输方程来解决，但至今辐射传输方程还没有严格的解析解．早期研究的重点是通过各种假设获得解析近似模型Ｈ引，虽简化了问题，却使得研究

结果意义不直观，造成应用上的局限性．近年来，

表示离开目标像元表面的漫反射辐射经大气前向散射而造成的辐射增强；当ｋ≠０或Ｚ≠Ｏ时，表示邻近效应的辐射影响．第三项表示大气程辐射．通过逆向蒙特卡罗模拟确定Ｐ（ｉ，ｊ；ｋ，ｚ）的值．一旦Ｐ（ｉ，Ｊ；ｋ，

Ｚ）生成，只要视线几何以及大气状况不变，式（１）对任何Ｌ。的表面分布都是适用的．１．２逆向蒙特卡罗模拟１．２．１光子发射

逆向蒙特卡罗模拟是从遥感器出发，模拟光子的行进路径，直至光子到达场景表面．光子发射时考

有研究人员通过设计测量装置开展实验研究，方法新颖，但结果的正确性有待进一步验证№’７Ｊ．此外，另一种广泛采用的方法是大气点扩散函数

（Ｐｏｉｎｔ

Ｓｐｒｅａｄ

Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＰＳＦ）．邻近像元的影响可

以看作是地表辐射场和大气ＰＳＦ的卷积¨Ｊ，大气

ＰＳＦ的物理意义是它描述了邻近像元对遥感器总辐射亮度贡献率的空间分布．大气ＰＳＦ的获取主要有解析近似１９。刮和蒙特卡罗（ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ）模

虑遥感器的ＩＦＯＶ．设遥感器的空间分辨率为尺，遥感器高度为Ｈ，ＩＦＯＶ内光子发射时与竖直方向的最

大夹角为：

红外与毫米波学报

３４卷

‰；＝ａｒｃｔａｎ（刍）

．（２）

借助两个在［０，１］区间内均匀取值的随机数ｈ和

乙，获得光子发射的天顶角和方位角：

口ｏ＝～。０…

．

（３）

妒ｏ

２

ｒ∞。２１Ｔ

设光子发射的方向矢量为（Ｕ，＿ｌ，，Ｗ），Ｕ，ｌ，，Ｗ分别为

发射方向的余弦，可表示为：

Ｕ＝ｓｉｎ００。ＣＯＳ（Ｄｏ‘

ｌ，＝ｓｉｎ００．ｓｉｎ妒ｏＬ４）

Ｗ＝ＣＯＳ００

１．２．２光子传输

光子在大气中传输时，将与大气中的分子或气

溶胶发生随机碰撞．完整地描述这一过程需要４个

参数：

①发生碰撞的性质：决定光子是与分子碰撞还是与气溶胶碰撞．假定某一高度ｚ上的分子光学

厚度与气溶胶光学厚度可分别用ｒ。（彳）与丁。（ｚ）表

示，那么光子与分子相碰撞的概率可用７－。（ｚ）／［丁。（ｚ）＋丁。（ｚ）］表达．对于一次偶然碰撞的性质，借助一个在［０，Ｉ］区间内均匀取值的随机数ｒ０来描述．当０≤ｒ。≤７－。（ｚ）／［丁。（名）＋丁。（ｚ）］时，确认光子

与分子发生碰撞；当丁。（ｚ）／［丁。（ｚ）＋丁。（ｚ）］＜ｒ。≤

１时，确认光子与气溶胶发生碰撞．

②光子自由路程ｄ．自由路程可定义为连续两

次碰撞之间光子所经历的路程，一般用光学距离

（定义为沿自由路程对消光系数的积分）ｚ来表示．

如果取非碰撞概率密度函数Ｐ与２间的函数关系为

Ｐ＝ｅ～，那么光子与粒子相距光学距离Ｚ时的非碰撞

概率ｒ，应为：

ｒ１

ｒ，＝ＪＰ（ｚ’）ｄｌ７＝ｉ—ｅ～

．

（５）

当Ｚ＿∞，则ｒ，一１，表明两个粒子相距无穷远时，它

们之间不发生碰撞是一个必然事件；当ｚ珈时，ｒ。＿÷

０，表明两个粒子无穷靠近时，它们之间发生碰撞是

必然事件．对于一个随机碰撞过程，ｒ。是一个在［０，１］间均匀取值的随机数，那么由公式Ｚ＝一Ｉｎ（１一ｒ，）便可算得与ｒ，对应的光学距离值．

③散射相函数Ｐ（０，ｇ）（０为散射角，ｇ为不对称因子）．散射相函数决定光子碰撞后的去向，它由碰撞的性质决定．分子对光子的散射采用Ｒａｙｌｅｉｇｈ散射相函数：

Ｐ（０）＝÷（１＋ｃｏｓ２０）

（６）

气溶胶对光子的散射采用改进的Ｈｅｎｙｅｙ—Ｇｒｅｅｎｓｔｅｉｎ散射相函数：

１

气

尸（０，ｇ）＝之・÷・斗１Ｔ

ｚ

．

（７）

（！二墨：！（！±竺Ｑ曼：旦）

（２＋９２）（１＋９２—２９ｃｏｓ９）”２

定义归一化的散射相函数：

Ｐ（ｐ，ｇ）＝之＿——一．（８）陬９，，ｇ）蚓

ｆｏ

Ｐ（臼’，ｇ）ｄＯ’

则Ｐ（ｐ，ｇ）的取值位于［０，１］之间．产生一个在［０，１］间均匀取值的随机数ｒ：，令／＇２＝Ｐ（目，ｇ），即可获得随机的散射角．设散射后光子的相对方位角为９，

产生一个随机数＿，令９＝２－ｒｒｒ，，可以获得随机的方位角．由此可以确定散射之后的光子传输方向．

④确定光子与粒子碰撞后的空间位置．大气光学厚度与垂直高度石之间存在一一对应关系，可以

用来确定光子的空间位置．设光子与大气中的某种

粒子发生碰撞时的位置为（戈，ｙ，彳），由随机数ｒｏ确

定光子与粒子碰撞的性质，由ｒ：与ｒ３确定粒子碰撞

后的去向（０，９），由ｒ，确定发生碰撞后光子自由行

进的光学距离Ｚ，与它对应的大气光学厚度之差应为

Ａｒ＝／ｃｏｓ

０，根据大气光学厚度和大气层高度的对应

关系，将ＡＴ转化为＆，则自由路程ｄ＝５ｚ／ｃｏｓ０，相应地水平坐标的位移量应为：氲＝ｄｓｉｎ０ｃｏｓ妒，Ａｙ＝

ｄｓｉｎＯｓｉｎ９．如此不断循环，直到光子到达地面为止．

１．３光子传输环境

光子传输的大气环境通过美国空军地球物理实

验室（ＡＦＧＬ）研发的大气辐射传输模型ＭＯＤＴＲＡＮ４来构建．主要进行两方面的工作：①计算大气上行和下行透过率、大气程辐射、太阳直射辐射、天空漫射辐射等参数，带人公式（１）计算遥感器人瞳处的总辐射量；②计算不同高度的大气光学厚度（包括分子和气溶胶光学厚度），建立大气光学厚度和大气层高度的对应查找表，用于蒙特卡罗模拟时确定光子与粒子碰撞后的空间位置．针对５５０ｎｍ波长，

采用１９７６年美国标准大气，乡村型气溶胶类型，

５

ｋｍ地面气象视距，计算得到分子和气溶胶光学厚

度随高度的变化曲线，如图２所示．

２模拟结果与分析

２．１大气ＰＳＦ的模拟结果

从距离地表３０ｋｍ的高度处，在０．０７６。的ＩＦＯＶ内，发射１０６个波长为５５０ｎｍ的光子，采用计算图２

２期

马晓珊等・：光学遥感对地成像过程中的邻近效应模拟分析

２．２．１表面反射率分布

研究中选取目标和背景反射率差异较大的两种情况：暗目标在亮背景下和亮目标在暗背景下．计算Ｐ，分别为０．０２（暗目标）和Ｏ．６２（亮目标）时，Ｐ。逐渐变大，邻近效应占总辐射的比例随波长的变化，结果如图４所示．由图可知：①在整个可见光一近红外波段，背景反射率的变化对邻近效应的影响很明

显，随着背景反射率增大，邻近效应占总辐射的比例

也增大；②暗目标在亮背景下的邻近效应占总辐射的比例明显高于亮目标在暗背景下邻近效应占总辐

图２大气光学厚度随高度的变化曲线

Ｆｉｇ．２

ｔｈｅ

Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ

ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｏｐｔｉｃａｌｄｅｐｔｈｗｉｔｈ

ａｌｔｉｔｕｄｅ

射的比例，说明亮背景下的暗目标比暗背景下的亮目标更加难以识别；③在７６０ｎｍ、９４０ｍ、１１００ｎｍ等几个Ｈ：Ｏ、Ｏ：吸收峰，邻近效应在总辐射中所占的比例非常的高（图中横坐标断开的区域），因此除

非用于大气遥感，对地遥感成像时应避开这些波长区域，同时也表明较强吸收波段的传输方程是不同

所需的大气条件以及图２所示的大气光学厚度随高

度的变化曲线，通过逆向蒙特卡罗法模拟光子传输

过程，获得二维大气ＰＳＦ，如图３所示．中心像元为

４０ｍＸ４０４１．７４％．

ｍ，落在中心像元的光子数占光子总数的

的；④不考虑吸收峰的情况下，亮目标在背景极暗（ｐ。≤０．０２）时，邻近效应占总辐射的比例小于

４０

３０式

≥蔓２０Ｊ—

ｌＯ

０

图３蒙特旨罗法模拟的二维大气ＰＳＦ

ｐｏｉｎｔ

ｓｐｒｅａｄ

ｆｕｎｃｔｉｏｎ

４００５００积）０７００８∞９００ｌｏ（１０１１００】二ｏＯ

ＴｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＦｉｇ．３

ｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙＭｏｎｔｅＣａｒｌｏｍｅｔｈｏｄ

ＷａｖｅｌｅｎｆｆＣｈ／ｎｍ（ａ）Ｄａｒｋｔａｒｇｅｔ：ｐＴ＝０．０２

２．２影响因素分析

影响邻近效应的因素很多，本文对标准朗伯面且具有固定反射率的目标在不同背景反射率、成像空间分辨率、地面气象视距、太阳天顶角下的邻近效应进行模拟．研究中选取参数如下：研究的波段范围为可见光一近红外波段（３５０

型，地面气象视距选择５

ｎｍ～１２５０

ｎｍ）；大气

类型为１９７６年美国标准大气；气溶胶类型为乡村

ｋｍ、１０ｋｍ、２３

ｋｍ；目标反

Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｎｍ（ｂ）Ｂｒｉｇｈｔｔａｒｇｅｔ：Ｐ．＝０．６２

射率（ｐ，）选择０．０２和０．６２，背景反射率（Ｐ。）选择

０．０２、０．３２和０．６２；遥感器在３０ｋｍ高度垂直向下观测；成像空间分辨率选择１

ｍ、４ｍ、１６

ｍ；太阳天顶

图４目标和背景反射率对邻近效应的影响（ａ）暗目标，（ｂ）亮目标Ｆｉｇ．４Ａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔａｒｇｅｔａｎｄｂａｃｋ．ｇｒｏｕｎｄｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ（ａ）ｄａｒｋｔａｒｇｅｔ，（ｂ）ｂｒｉｇｈｔｔａｒｇｅｔ

角选择０。、３０。、６０。．模拟输出遥感器人瞳处的总辐射

（Ｌ，）和邻近效应产生的辐射（Ｌ），以邻近效应产生的辐射占总辐射的百分比表征邻近效应的强弱．

红外与毫米波学报３４卷

０．５％，可以忽略；暗目标在背景极暗（Ｐ。≤０．０２）

时，邻近效应占总辐射的比例小于１．６％，基本可以忽略；当背景反射率增大时，邻近效应所占的比例显著增大，是否可以忽略需进行定量计算才能确定．

２．２．２成像空间分辨率

针对１．０２４

ｋｍ×１．０２４

始终较高，必须予以考虑．这种情况下，邻近效应占总辐射的比例呈现出较强的波长相关性，随着波长增加，邻近效应占总辐射的比例总体呈现快速增长

趋势，但在某些波段范围（如以９４０ｎｍ和１

１００ａｍ

为中心的水汽吸收带附近），出现快速下降、再快速

ｋｍ的矩形地表区域，选

择亮目标在极暗背景下（Ｐ，＝０．６２，Ｐ。＝０．０２）、暗目标在极亮背景下（Ｐ，＝０．０２，Ｐ。＝０．６２）两种极端情

上升的情况．③亮目标在极暗背景下，即使成像分辨率高达１ｍ，邻近效应占总辐射的比例始终小于

０．２％，可以忽略．２．２．３地面气象视距

选择乡村型气溶胶类型，分别选取地面气象视

况，模拟成像分辨率分别为１ｍ（图像尺寸１０２４×１０２４）、４ｍ（图像尺寸２５６ｘ２５６）、１６ｍ（图像尺寸

６４

ｘ６４）时，邻近效应占总辐射的比例，如图５所示．距为５

ｋｍ、１０

ｋｍ和２３ｋｍ开展模拟，结果如图６所

计算结果显示：①在整个可见光一近红外波段，随着成像分辨率提高，邻近效应占总辐射的比例略有增大．这是由于对于同样大小的成像区域，成像分辨率越高，目标区域所占的范围就越小，背景区域所占的范围则越大，背景像元对总辐射的贡献增加，邻近效应所占的比例增大．②暗目标在极亮背景的情况下，在计算的波段范围内，邻近效应占总辐射的比例

示．由图可知：①在整个可见光一近红外波段，地面气象视距对邻近效应的影响非常明显．②亮目标在

暗背景下，随着气象视距增大，邻近效应占总辐射的

比例迅速下降，且随着波长增加，邻近效应占总辐射的比例也呈下降趋势．③暗目标在亮背景下，情况比较复杂：当气象视距由５ｋｍ增大至２３ｋｍ时（由混浊大气变为清洁大气），邻近效应占总辐射的比

５０

４０享

＞寸３０、

■

一

２０

１０

４００５００６００７００８００

９００

１０００

】１００１２００

Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｎｍ

（ａ）

７５０－７７０ｎｍ

９３０－９６０ｒｉｍｌｌ００～ｌ１６０ｎｍ

４００５００６００７００８００９００ｌ０００１１００１２００

Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｎｍ

（ｂ）

ＷａｖｅｌｅＥ【ｇｔｈ／ｎｍ

（ｂ）

图５成像空间分辨率对邻近效应的影响（ａ）暗目标，亮背景，（ｂ）亮目标，暗背景

Ｆｉｇ．５

Ａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔ

ｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔ

ｉｍａｇｉｎｇｓｐａｃｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ；

图６地面气象视距对邻近效应的影响（ａ）暗目标，亮背景，（ｂ）亮目标，暗背景

Ａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｆａｃｅｍｅｔｅｏｒ‘Ｆｉｇ．６

ｏｌｏｇｉｃａｌｒａｎｇｅ：（ａ）ｄａｒｋｔａｒｇｅｔｉｎｂｒｉｇｈｔｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ；

（ｂ）ｂｒｉｇｈｔｔａｒｇｅｔｉｎｄａｒｋｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ

ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ：（ａ）ｄａｒｋ

ｔａｒｇｅｔｉｎｂｒｉｇｈｔ

（ｂ）ｂｒｉｇｈｔｔａｒｇｅｔｉｎｄａｒｋｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ

２期

马晓珊等：光学遥感对地成像过程中的邻近效应模拟分析

２５５

例大幅下降；当气象视距由５ｋｍ增大至１０ｋｍ时输模型ＭＯＤＴＲＡＮ计算地表辐射场，获得遥感器入

瞳处的辐亮度．通过改变目标和背景的反射率、大气

（大气始终较为混浊），波长较短时，气象视距对邻近效应的影响并不明显，随着波长增加，邻近效应占

总辐射的比例随气象视距增加而显著减小．２．２．４太阳天顶角

参数和观测条件，研究邻近效应的主要影响因素，取

得了一些研究结果．邻近效应是由背景辐射场通过大气多次散射进入目标像元的ＩＦＯＶ引起的，是一个非常复杂的过程，需要考虑的影响因素众多，影响

对于可见光一近红外波段，太阳是主要的辐射源，太阳天顶角的变化必然会对成像产生影响．由于太阳天顶角的变化，造成到达目标和背景的太阳直

射辐射和天空漫射辐射同时发生变化，因此可以预

机制复杂．尤其是当大气较混浊或地表不均匀的情况下，大气中的多次散射很重要，邻近效应的影响更为复杂．本文在模拟时虽然考虑了地表的非均匀性，但对于目标和背景均采用朗伯体假设，没有考虑地表的双向反射分布特性．后续仍需开展持续而深入的研究．

采用的蒙特卡罗模拟方法的优点在于其具有随

机的特性，能够模拟光子在大气中的随机传输过程．

计，太阳天顶角对邻近效应会有影响，但不会是太大

的影响．模拟太阳天顶角为０。、３０。、６０。时，邻近效应占总辐射的百分比，如图７所示．总体来看，随着太

阳天顶角增大，邻近效应占总辐射的比例下降，只有当太阳天顶角比较大时，这种下降的幅度才会较大．

７５０－－７７０ｎｍ

９３０＂９６０ｎｍ１１００－１１６０ｎｍ

但这种随机性，也导致难以获得简单明晰的解析表达式，只能靠大量的统计分析才能得到规律性结果．

虽然随着计算机技术的高速发展，这一缺点显得不

那么重要了，但依然需要考虑对算法进行优化，获得

更加稳定的、有代表性的结果．

致谢

本研究受到国家自然科学基金、空间天气学国

４００５００６００７００８００

９００

ｌ０００

１１００ｌ１０（

家重点实验室专项基金的支持，在此表示感谢！

Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ

Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｎｍ

［１］Ｓｃｈｏｎ

０．６

Ｎｅｗ

ＪＲ．Ｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ：ｔｈｅｉｍａｇｅｃｈａｉｎａｐｐｒｏａｃｈ［Ｍ］．

Ｙｏｒｋ：ＯｘｆｏｒｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ，２００７：５８—６１．

０．５

２ＩＲｉｃｈｔｅｒＲ，ＢａｃｈｍａｎｎＭ，ＤｏｒｉｇｏＷ，ｅｔａ１．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅ

ａｄｊａｃｅｎｃｙ

０．４妾

ｅｆｆｅｃｔ

ｏｎ

ＩＥＥＥ３

Ｇｅｏｓｃｉ．Ｒｅｍｏｔｅ

ｇｒｏｕｎｄｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．

Ｓ．，２００６，３（４）：５６５—５６９．

Ｘ

寸０．３、

■

０．２

ＬｙａｐｕｓｔｉｎＡＩ，ＫａｕｆｍａｎＹＪ．Ｒｏｌｅｏｆａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔｉｎｔｈｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｏｆａｅｒｏｓｏｌ［Ｊ］．上Ｇｅｏｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．，２００１，

ｅｆｆｅｃｔｓ

１０６（ｄ１１）：１１９０９—１１９１６．

［４］ＳａｎｔｅｒＲ，ＳｃｈｍｅｃｈｔｉｇＣ．Ａｄｊａｃｅｎｃｙ

ｏｎｗａｔｅｒｓｕｒ—

０．１

ｆａｃｅｓ：ｐｒｉｍａｒｙｓｃａｔｔｅｒｉｎｇａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎａｎｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｓｔｕｄｙ

０

４００５００６０（Ｉ７００８００

９００

１Ｏｏｏ

１１００１１【）０

［Ｊ］．Ａｐｐｌ．ｏｐｔ．，２０００，３９（３）：３６１—３７５．

［５］ＷＥＮＸｉｎｇ—Ｐｉｎｇ，ＨＵＧｕａｎｇ—Ｄａｏ，ＹＡＮＧＸｉａｏ—Ｆｅｎｇ．Ｓｉｍｕ－

ｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ

ｓｅｎｓｉｎｇ

ｏｎ

Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｔｕｎ

（ｂ）

ａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔｏｆｓａｔｅｌｌｉｔｅ

ｒｅｍｏｔｅ

图７太阳天顶角对邻近效应的影响（ａ）暗目标，亮背景，（ｂ）亮目标，暗背景

Ｆｉｇ．７

ｐｉｘｅｌｓ［Ｊ］．■ＩｎｆｒａｒｅｄＭｉｌｌｉｍ．Ｗａｖｅｓ（温兴平，胡

光道，杨晓峰．卫星遥感像元邻近效应的模拟试验．红外与毫米波学报），２００９，２８（１）：４６—６５．

［６］ＭａＪＷ，ＣｈｅｎＸ．Ａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｂｙｇｒｏｕｎｄ

ｓｐｅｃｔｒａｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

ｎｏｕｓ

Ａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔ

ｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｌａｒｚｅｎｉｔｈ

ａｎ—

ａｎｄｓａｔｅｌｌｉｔｅｏｐｔｉｃａｌ

ｓｅｎｓｏｒ

ｓｙｎｃｈｒｏ—

ｇｌｅ：（ａ）ｄａｒｋ

ｔａｒｇｅｔ

ｔａｒｇｅｔｉｎｂｒｉｇｈｔｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ；（ｂ）ｂｒｉｇｈｔ

ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ

ｄａｔａ［Ｊ］．Ｃｈｉｎ．Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，２００６，４（９）：

Ｘｕｅ，ＭＡＪｉａｎ—Ｗｅｎ，ｅｔａ１．Ａｅｏｍｐａｒ－

ｃｏｒ－

ｉｎｄａｒｋｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ

５４６—５４９．

［７］ＷＡＮＧＱｉａｎ，ＣＨＥＮ

ａｔｉｖｅｒｅｃｔｉｏｎＡｃｔａ

ｓｔｕｄｙｏｆｔｗｏｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｉｍａｇｅａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｂａｓｅｄ

ｏｎ

３

结论

利用逆向蒙特卡罗法模拟大气ＰＳＦ，以辐射传

ＳＨＤＯＭｅｍｐｉｒｉｃａｌｅｑｕａｔｉｏｎＪ１．

Ｓｉｎｉｃａ（王倩，陈雪，马建文，等．基于

ＳＨＤＯＭ经验方程和基于同步实测光谱数据的遥感影像邻近效应校正算法对比研究．光学学报），２０１０，３０

Ｏｐｔｉｃａ

红外与毫米波学报

３４卷

（１１）：３３４２—３３４８．

［８］Ｒｅｉｎｅｒｓｍａｎ

Ｐ

Ｎ，ＣａｒｄｅｒＫＬ．ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ

ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｏｉｎｔ—ｓｐｒｅａｄｆｕｎｃｔｉｏｎｗｉｔｈ

ａｎ

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ｔｏ

ｃｏｔ－

ｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒ

ｔｈｅａｄｊａｃｅｎｃｙ

ｅｆｆｅｃｔ［Ｊ］．Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，１９９５，３４

（２１）：４４５３—４４７１．

［９］ＸＩＡＯＱｉｎｇ，ＬＩＵＱｉｎ—Ｈｕｏ，ＬＩＸｉａｏ—Ｗｅｎ，ｅｔ

ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ

ａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｒｏｓｓｒａｄｉａｔｉｏｎｆｏｒｈｉｇｈｇｅｏ．ｍｅｔｒｉｃｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｉｒｂｏｒｎｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｄａｔａ『Ｊ］．上ｍ—

ｍｏｔｅ

Ｓｅｎｓ．（肖青，柳钦火，李小文，等．高分辨率机载遥感数据的交叉辐射影响及其校正．遥感学报），２００５，９（６）：６２１—６３３．

１０

ＪｉａＧＲＺｈａｏＨＪ，ＬｉＮ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｓｃｅｎｅｗｉｔｈｆｕｌｌａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔ『Ｃ］．ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＧｅｏｓｃｉ．

ｅｒｔｃｅ

ａｎｄＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇＳｙｍｐｏｓｉｕｍ。２００８，３：ＩＵ７２４一Ⅲ

７２７．

［１１］ＹＡＮＧ

Ｇｕｉ—Ｊｕｎ，ＬＩＵ

Ｑｉｎ—Ｈｕｏ，ＬＩＵＱｉａｎｇ，ｅｔａ１．Ａｄｊａ—

ｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔａｎａｌｙｓｉｓｉｎｉｍａｇｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ——ｒｅｓｏｌｕ－

ｔｉｏｎ

ｍｉｄ—ｉｎｆｒａｒｅｄ（３—５“ｍ）ｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ［Ｊ］．上Ｉｎｆｒａ—

ｒｅｄＭｉｌｌｉｍ．Ｗａｖｅｓ（杨贵军，柳钦火，刘强，等．高分辨率中红外遥感（３—５“ｍ）成像模拟中邻近效应分析．红外与毫米波学报），２００８，２７（８）：２３３—２４０．

［１２］ＬＩＵ

Ｃｈｅｎｇ－Ｙｕ，ＣＨＥＮＣｈｕｎ，ＺＨＡＮＧＳｈｕ－Ｑｉｎｇ，ｅｔ

ａ１．

Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ

ｏｆ

ＥＴＭ

ｉｍａｇｅｓ

［Ｊ］．Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ．Ｓｐｅｃｔ．Ａｎａｌ．（刘成玉，陈春，张树清，等．ＥＴＭ图像大气邻近效应校正．光谱学与光谱分析），２０１０，３０（９）：２５２９—２５３２．

［１３］ＬＩＨｏｎｇ—Ｓｈｕｎ，ＬＩＵＷｅｉ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅａａｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔ

ｉｎｓａｔｅｌｌｉｔｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｂｙｕｓｉｎｇｂａｃｋｗａｒｄＭｏｎｔｅＣａｒｌｏｍｅｔｈｏｄＪ１．上Ｈｕａｚｈｏｎｇ．Ｕｎｉｖ．ｏｆＳｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．（ＮａｔｕｒｅＳｃｉｅｎｃｅ

Ｅｄｉｔｉｏｎ）（李宏顺，刘伟．用逆向蒙特卡罗法分析

卫星遥感中的邻近效应．华中科技大学学报（自然科学版）），２００４，３２（１１）：１—３．

１４

ＬＩＵＧｕａｎｇ—Ｙｕａｎ，ＱＩＵＪｉｎ．Ｈｕａｎ．Ａｄｉａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔｏｆｓａｔ—

ｅｌｌｉｔｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ

ｏｎ

ｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅｓｔｕｄｉｅｓ『Ｊ］．Ｃｈｉｎ．．，．

Ａｔｍｏｓ．Ｓｃｉ．（刘广员，邱金桓．卫星对地遥感应用中的邻近效应研究．大气科学），２００４，２８（２）：３１１—３１９．［１５］ＷＡＮＧＱｉａｎ．Ｒｅｓｅａｒａｃｈｏｎ

ａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎａｌ—

ｇｏｒｉｔｈｍｉｎｒａｄｉａｎｔｔｒａｎｓｆｅｒｏｆｏｏｐｔｉｃａｌｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｉｎｆｏｒ—ｍａｔｉｏｎ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ（王

倩．光学遥感信息辐射传输中邻近效应校正算法研究．北京：中国地质大学），２０１０．

光学遥感对地成像过程中的邻近效应模拟分析

作者：作者单位：

马晓珊， 郭晓勇， 孟新， 杨震， 彭晓东， 李立钢， 谢文明， MA Xiao-Shan， GUO Xiao-Yong，MENG Xin， YANG Zhen， PENG Xiao-Dong， LI Li-Gang， XIE Wen-Ming

马晓珊,MA Xiao-Shan(中国科学院空间科学与应用研究中心复杂航天系统电子信息技术重点实验室,北京100190;中国科学院空间天气学国家重点实验室,北京100190)， 郭晓勇,孟新,杨震,彭晓东,李立钢,谢文明,GUO Xiao-Yong,MENG Xin,YANG Zhen,PENG Xiao-Dong,LI Li-Gang,XIE Wen-Ming(中国科学院空间科学与应用研究中心复杂航天系统电子信息技术重点实验室,北京,100190)红外与毫米波学报

Journal of Infrared and Millimeter Waves2015,34(2)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

引用本文格式：马晓珊. 郭晓勇. 孟新. 杨震. 彭晓东. 李立钢. 谢文明. MA Xiao-Shan. GUO Xiao-Yong. MENG Xin. YANG Zhen. PENG Xiao-Dong . LI Li-Gang. XIE Wen-Ming 光学遥感对地成像过程中的邻近效应模拟分析[期刊论文]-红外与毫米波学报 2015(2)