[0001] 本发明涉及地球背景红外辐射仿真技术领域，具体为一种林火场景下的地球背景红外辐射特性仿真方法。

[0002] 预警卫星对于目标的识别是天基反导体系的第一步。地球背景中不同地物类型的辐射特性差别较大，建立完善的地球背景红外辐射模型对于预警卫星的目标识别十分重要。由于地球及临边背景的红外辐射传输受到地表类型和天气的影响，在对地球及临边背景的红外辐射特性进行仿真时，需要考虑真实的地球环境，如林火场景。林火场景显著影响探测区域的红外辐射特性，对目标导弹背景的红外辐射的仿真增加就许多难点。为了更加准确、高效的识别目标红外辐射特征，需要开展林火场景下的地球及临边背景红外辐射特性的仿真。目前对于地球背景红外辐射特性的仿真都是针对典型区域进行的仿真，没有考虑探测区域着火的情况。对于林火的图像仿真都是从蔓延预测的角度，小尺度下的仿真该类仿真并不适用于卫星视场下大尺度空间的要求。

[0049] 为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。

[0050] 本发明提供了一种林火场景下的地球背景红外辐射特性仿真方法，根据卫星数据建立林火等级模型，弥补现有技术中没有的针对林火场景的地球背景辐射仿真，建立了林火辐射模型，以便快速计算存入到数据库，同时数据库采用sqlite进行存储，通过连表查询即可查询得到林火场景辐射数据；本申请基于改进元胞自动机模型，建立了大尺度空间的火场图像模型，可以根据输入的火场规模和持续时间随机呈现火场的图像。图像网格上每一点的数值都是对应的不同火场等级，然后通过查找火场辐射数据库找到对应的辐射数据，最后生成探测区域火场的辐射仿真图像。具体包括：

[0051] 步骤1，基于MOD11A1热异常火灾产品对2023年加拿大北部着火区域进行火点探测。通过MOD11A1陆地温度产品获取探测区域的地表温度和地表发射率的数值变化，通过MCD19A2陆地气溶胶光学厚度产品获取探测区域的气溶胶厚度的变化，通过实验数据获得水汽含量和CO2浓度随火势的变化，最后建立火场参数等级分类模型。

[0052] 步骤2，根据元胞自动机模型，对元胞状态、元胞邻域和元胞规则3个方面进行了改进，使得图像模型适用于卫星视角下大尺度探测视场。

[0053] 步骤3，根据火场参数等级分类模型，借助MODTRAN进行辐射计算，可以实现2～14μm中任意波段、不同林火初始状态以及不同林火持续时间的地球任意区域的林火场景红外辐射特性仿真。

[0054] 需要注意的是，由于数据量很大，本实施例选择sqlite数据库进行存储。通过连表查询查询林火场景辐射，以保证区域辐射的计算的快速性。

[0055] 具体的：

[0056] 本发明基于2023年夏季加拿大北部森林大火的卫星遥感数据结合前人对于林火的研究成果从地表参数和大气参数两个方面进行获取，分析林火场景的典型特征。根据分析结果，通过改变物理参数对着火情况进行等级分类。具体流程如图1所示。

[0057] 为了对林火场景进行辐射仿真，首先需要对林火场景的数据进行获取。目前，卫星机载传感器已经运用于测绘和评估大空间尺度的森林可燃物的分布状况，且时效性高，获取方便，极大的节约了人力和物力。2023年夏季加拿大艾伯塔省北部史密斯堡及奴河区域发生大型野外火灾，累计过火面积达17万平方公里，打破了历史记录。这对于研究林火的参数具有很高的价值。故本发明通过卫星遥感数据进行加拿大艾伯塔省北部火灾区域的地表温度和发射率数据的获取。

[0058] 本发明利用MOD14A1数据产品进行火场识别得到火灾区域。MOD14A1为每天1公里分辨率的网格化3级产品。产品信息可宏观反映火灾情况，确定火灾发生的位置、火灾等级以及暗火与燃烧比。

[0059] 本发明共获取了2023年7月20日至2023年8月10日加拿大北部探测区域的数据。图2为其中7月29日的数据处理效果。根据该地区的地表类型图可知，该地区多为草地和常绿林，湿地较少。根据火点图可知，该地有多点发生可信度较高的火灾。综合来说，该地区可为本发明获取林火场景的物理参数提供场景数据支撑。

[0060] 当发生火灾时，地表温度会急剧上升，地表发射率也会发生改变。这两个参数随着火势会发生动态变化，对于辐射传输有着重要影响。本发明通过MOD11A1陆地温度数据结合上文的火场识别对加拿大北部着火区域的地表参数进行获取。

[0061] 如图3所示，为2022年和2023年7月29日探测区域的地表温度分布图。通过对比可以明显看出，2023年探测区域的地表温度较高，普遍在300～310K范围，少数地区可达到330K以上的高温，而2022年探测区域的地表温度基本在290K左右。

[0062] 对于地表发射率，由于从MOD11A1产品中得到的是像素产品，需要对第31和32波段的发射率数据进行处理。根据式(1)，将像素数值转换为发射率数值。图4为2023年7月29日探测区域的地表发射率分布图。通过两图对比可以发现，探测区域的发射率随波段变化不大，因此，本发明将林火场景看作是灰体模型。从探测区域内来看，发射率随地点的变化不大，发射率波动范围在0.02，这种差别的发射率数值对于辐射的影响很小，可以忽略。通过下式，将探测区域所有点都进行数值转换：

[0063] ε＝0.002DN+0.49  (1)

[0064] 式中，DN为像素值，ε为发射率。参数0.002和0.49均从MODIS官方得到。

[0065] 综合考虑，基于计算得到的平均值，本发明将发射率设为0.986，燃烧后的发射率设为0.97。

[0066] 当发生森林火灾时会产生大量的烟雾颗粒，影响气溶胶粒子的光学厚度从而降低了大气透过率。由于生物质的燃烧，还会释放大量的CO2和水汽等气体，使得大气中的CO2浓度和含湿量增加，对大气辐射传输产生极大的影响。本发明通过加拿大北部火场区域的MCD19A2遥感数据对和前人的实验研究结果去分析获取火场的气溶胶、CO2、水汽参数。图5为2022年和2023年7月29日的AOD分布图。从图中可以明显看出这两年的AOD差别。在2022年，大部分地区的AOD为0.1～0.2，整体最高不超过0.3。在2023年，AOD基本在2.5～3的范围，一些地区可以达到4.3。本发明采用Clements和Potter等测量的现场实验数据作为数据来源，得到CO2和H2O浓度数据。

[0067] 为了建立林火场景的模型，需要对AOD进行数值推导，转化为VIS，以满足MODTRAN辐射参数输入计算的条件。

[0068] MODTRAN根据上述公式，用气象视距V(单位为km)作为输入参数，给出的公式为:

[0069]

[0070] 式中：0.01159是地表瑞利散射的消光系数(550nm处)。

[0071] 在水平均匀大气中，引入大气气溶胶光学厚度：

[0072]

[0073] 式中：k(z)是气溶胶的消光系数，包括吸收系数和散射系数，h1是地表的高度，h2是大气层顶的高度，τa是气溶胶光学厚度。

[0074] 由此可知，AOD与气溶胶消光系数的廓线分布有关；而VIS仅和地表的消光系数有关，与AOD没有直接关系。本发明根据前人研究总结的AOD与VIS相互转化的经验公式进行转化。在乡村、城市和海洋3种气溶胶类型、夏季和冬季2种季节、3种水汽含量(0g/cm2、3g/cm2、6g/cm2)下用MODTRAN4模拟AOD和VIS的关系。通过拟合数据，发现V和 两者有很好的线性关系，采用：

[0075]

[0076] 式中：根据本发明的需要，a和b的值，分别为0.12022071和0.29739269。

[0077] 以建立林火场景为目的，根据地表温度、地表发射率、水平视距VIS、CO2浓度、H2O水汽含量在不同火势下以及火场燃烧过后的参数变化建立如下表1所示的林火场景等级模型：

[0078] 表1林火场景参数的等级分类

[0079]

[0080] 林火场景的红外探测模型是构建复杂场景下地球及临边背景辐射模型的重要组成部分。根据不同火场等级，针对森林火灾的扩散特点以及卫星观测视场下大空间尺度的特点，本发明通过改进元胞自动基模型建立林火场景随时间动态变化的图像模型。通过林火场景等级分类中不同参数的特点，借助MODTRAN4大气传输模型进行了辐射计算。将计算结果与输入参数对应，按照不同火场等级，通过sqlite建立了林火场景的辐射数据库。

[0081] 本模型的元胞状态共有4种，分别是：未着火、着火、着过火、无法着火，其中着火状态分为5个着火等级。在元胞初始状态中通过探测区域的地表类型判断元胞点是否能着火。当元胞点对应的地表类型为海水、雪地、沙漠和湿地类型时，元胞状态为无法着火，元胞点对应其余地表类型时，随机确定着火点，根据输入的场景初始规模确定随机着火点的数目。在大尺度空间下，探测区域会有多个区域着火。为满足该特点，本发明以不同着火点为中心，进行小范围区域火势的扩散。其中，该范围也与输入的林火规模有关，并且随着范围的扩大着火的概率降低。如式5所示，(i,j)表示区域中心点的坐标，(m,n)表示扩散范围内某点的坐标，当D＜1时，则判定元胞(m,n)为着火点，

[0082]

[0083] 需要解释的是，关于不同等级下的元胞状态以及状态幅值，参照下表2，每个网格点的初始状态均为未着火(C＝0)，初始赋值的时，根据地表类型，类型对应为有海水、雪地、沙漠和湿地类型的网格点状态为无法着火(C＝‑2)；对应其他地表类型时，随机确定一部分区域是着火状态(C＝1)，具体的，先在区域内随机确定若干点，以这些点为中心，在一定范围内，确定为着火区域。D为一个范围的判定。

[0084] 表2不同等级下的元胞状态

[0085]

[0086] 本模型网格的邻域方式采用Moore型邻域。邻域由元胞上下左右4个相邻元胞加上对角线方向的4个次邻元胞组成，如图6所示。根据卫星探测区域的像元数目及分辨率确定网格数量和网格边长对应的尺度，本发明采用的是512×512的网格数量，网格的边长对应的是1km精度。

[0087] 从火场的角度考虑，一个火灾会伴随着火势升级、火势扩散和火势熄灭几个方面，从一开始较小的火势慢慢增大，然后逐渐熄灭，中间也会有向周围的蔓延的情形。因此，本模型的元胞规则从火势升级、火势扩散和火势熄灭三个方面设计，判断周围火势的情况，根据周围着火数目，决定当前网格点是否会被蔓延成着火状态。具体的，先分成相邻元胞和次邻元胞两个部分，相邻元胞有着火的，周围着火数目直接+1；次邻元胞有着火的，会有一个概率进行着火数目+1(考虑到次邻较远一些，这个概率是较为常见的)。最后判断周围着火数目的数量，当着火数目>2时，该元胞的下一时刻的状态就是着火状态。

[0088] 火势升级的首要条件是 其次根据式6，计算每个等级升级的概率L，等级越高，概率越低。

[0089]

[0090] 火势扩散的规模与初始的林火规模有关，火势扩散的首要条件是 和分别代表元胞(i,j)t时刻和t+1时刻元胞的状态。如果元胞(i,j)处于为燃烧状态，即为确定元胞周围着火点数目，考虑到距离因素，需要对相邻元胞和次邻元胞分开进行统计。N为元胞(i,j)周围着火的数目，假设元胞(i,j)周围4个相邻元胞有且仅有1个元胞的着火等级大于2，那么直接增加一个着火数目；假设元胞(i,j)周围4个次邻元胞有且仅有1个元胞的着火等级大于2，那么有 的概率增加1个着火数目。当元胞(i,j)周围着火数目N＞2时，

[0091]

[0092] 火势熄灭的条件是 熄灭的规模和林火的初始规模与燃烧时间有关，初始规模越大，燃烧时间越久，则林火的熄灭范围久越大。

[0093] 在燃烧时间迭代完成后，考虑到真实的火场情况，对于着火点设定了0.2范围的扰动，图7为基于元胞自动机的林火场景图像模型，该图像与真实地表类型结合，仿真区域为加拿大北部史密斯堡地区。模型的初始规模为大规模，燃烧时间为8天。从仿真结果来看，在有水区域、沙漠和湿地的地表类型下没有火点，火场的蔓延比较符合真实情况。

[0094] 利用MODTRAN辐射计算软件，计算2～14μm波段，0.1μm精度的林火场景模型的辐射亮度。通过步骤1中归纳的地表参数和大气参数的等级分类进行参数输入。辐射计算模型的参数说明：1)、大气模式：根据林火场景地表温度较高的特点，选取中纬度夏季大气模式。2)、气溶胶类型：由于森林火灾会产生大量烟尘，城市气溶胶中有20％是燃烧生成物等形成的烟尘类气溶胶，对比农村气溶胶、海洋气溶胶等类型，城市气溶胶较为符合。3)、地表温度：根据林火场景不同等级分类进行输入，范围为310K～350K,燃烧后的地表温度为305K。
4)、地表发射率：将林火场景模型当作灰体模型处理，由于不同等级之间的发射率差异不大，统一为定值0.986，燃烧后的地表发射率为0.97。5)、VIS：根据林火场景不同等级分类进行输入，范围为0.3～3.07km，燃烧后的VIS为3.92km。6)CO2浓度：根据林火场景不同等级分类进行输入，范围为450～2560ppmv,燃烧后的CO2浓度为410ppmv。7)、水汽浓度：根据林火场景不同等级分类进行输入，范围为2.96～3.84g/cm2，燃烧后的水汽浓度为3.05g/cm2。
8)、天顶角：天顶角范围为90～180°，每10°一组。9)太阳天顶角：探测器处的太阳天顶角，该夹角范围为0～90°，每10°一组。其它参数采用MODTRAN的默认值进行输入。

[0095] 为了快速计算林火场景下的地球背景红外辐射，本发明基于林火场景的红外辐射计算结果，建立林火场景的红外辐射数据库，数据库参数说明如下表：

[0096] 表2林火场景红外辐射数据库参数说明

[0097]

[0098] 注：其中场景等级对应的参数与4.1.4节中林火场景等级模型的参数分类一致。

[0099] 以美国加洲地区(西经122.6°，北纬38.9°)为探测区域，图8是林火场景设定为小型规模，考虑了太阳辐射的影响，在2～3μm和8～14μm两个波段下的仿真情况。图9和图10分别是林火场景设定为中型规模和大型规模探测区域的仿真情况。图11和图12通过改变火场的持续时间对于林火场景进行仿真，得到的探测区域辐照度分布。

[0100] 本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。