專利名稱：地表反射率計(jì)算方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地表反射率計(jì)算方法和裝置，具體而言，涉及一種用于環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星HJ-I的地表反射率計(jì)算方法和裝置。
背景技術(shù)：
“環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座”(以下簡(jiǎn)稱“HJ-1”)是中國(guó)第一個(gè)專門用于環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的小衛(wèi)星星座，其中HJ-1A/B星于2008年9月6日發(fā)射。衛(wèi)星載荷如下
表
衛(wèi)星平臺(tái)載荷設(shè)備GSD/幅寬譜段范圍 VS成像模式HJ-IA HJlBCCD相機(jī) (CCD)星下點(diǎn)30m /360kmBi: 0.43~0.52μιη Β2: 0.52~0.60μιη Β3: 0.63~0.69μπι Β4: 0.76~0.90μιη 推掃HJ-IB紅外相機(jī)300m (10.5~12.5μηι)150ιη (others) /720km0.75~1.10μιη 1.55~1.75μιη 3.50~3.90μηι 10.5~12.5μιη 雙面掃描HJlA超光譜成像儀 (HSI)100m 抒Okm0.45Μ).95μπι 譜段分辨率.5nm (平均) 譜段數(shù)110-128 干涉成像HJ-1A/B在以后的災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)中起著越來越重要的作用。對(duì)圖像進(jìn)行大氣校正處理，生成地表反射率產(chǎn)品，這對(duì)于后期產(chǎn)品(如植被指數(shù)、葉面積指數(shù)、土壤濕度/含水量、植被覆蓋度)的生成尤為重要。如果大氣校正的方便程度和校正精度能達(dá)到各行業(yè)對(duì)環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星數(shù)據(jù)的要求，將進(jìn)一步推動(dòng)環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星數(shù)據(jù)的使用，推動(dòng)各個(gè)行業(yè)的發(fā)展。由于大氣的分子、氣溶膠的散射以及臭氧、水汽等氣體的吸收均可以削弱傳感器接收到的信號(hào)，所以航空、航天遙感平臺(tái)上的傳感器接收到的地物信息不能真實(shí)地反映地表。因此準(zhǔn)確獲得地表信息非常有必要，它也是地表參數(shù)遙感定量反演的一個(gè)必備環(huán)節(jié)。而目前還沒有針對(duì)HJ-1A/B載荷及成像特點(diǎn)的地表反射率反演的計(jì)算方法和裝置。本方法和裝置實(shí)現(xiàn)了 HJ-1A/B的CXD和HSI數(shù)據(jù)的地表反射率的反演。

發(fā)明內(nèi)容
對(duì)此，本發(fā)明提供了一種針對(duì)HJ-1A/B的地表反射率計(jì)算方法和裝置。本方法和裝置首先理論上分析大氣傳輸過程中的大氣影響因子，然后利用 M0DTRAN對(duì)大氣-地表-遙感器之間的輻射傳輸過程進(jìn)行模擬，依據(jù)衛(wèi)星同步反演得到的大氣參數(shù)和輻亮度，針對(duì)HJ-1A/B傳感器的特性，生成適用的查找表，并最終反演出地表反射率。本發(fā)明的方法包括步驟1)利用HJ-IB C⑶及紅外相機(jī)的中紅外波段，基于暗目標(biāo)的方法得到大氣氣溶膠光學(xué)厚度；利用HJ-IA大幅寬快速重訪的特點(diǎn)，基于不變目標(biāo)方法得到大氣氣溶膠光學(xué)厚度；幻基于HJ-1A/B XML文件和影像數(shù)據(jù)計(jì)算每日周期的太陽天頂角、太陽方位角、觀測(cè)天頂角和觀測(cè)方位角；3)基于上述步驟1)和2)中得到的參數(shù)，利用M0DTRAN模擬星上輻亮度Lm ；4)通過步驟幻建立地表反射率查找表?；酶鶕?jù)大氣參數(shù)和待校正圖像，利用查找表實(shí)現(xiàn)大氣校正。本發(fā)明的地表反射率計(jì)算裝置包括大氣參數(shù)反演模塊、太陽及觀測(cè)幾何參數(shù)反演模塊和地表反射率計(jì)算模塊；大氣參數(shù)反演模塊利用暗目標(biāo)法和不變目標(biāo)法，基于經(jīng)典的大氣輻射傳輸理論， 進(jìn)行氣溶膠光學(xué)厚度反演，得出地表反射率P與空間觀測(cè)星載反射率(也稱表觀反射率) P，之間的關(guān)系。太陽及觀測(cè)幾何參數(shù)反演模塊基于HJ-1-A/B CXD 30米分辨率DN值數(shù)據(jù)和 HJ-1-A/B CCD XML文件，計(jì)算得到具有地理參考的太陽天頂角數(shù)據(jù)、太陽方位角數(shù)據(jù)、觀測(cè)天頂角數(shù)據(jù)和觀測(cè)方位角數(shù)據(jù)。地表反射率計(jì)算模塊基于HJ-1-A/B CCD、HSI全波段Radiance數(shù)據(jù)或DN值和水平氣象視距，太陽天頂角等大氣參數(shù)，利用大氣輻射傳輸模型M0DTRAN來建立通用查找表， 實(shí)現(xiàn)逐像元大氣校正，得到(XD，HSI波段的地表反射率數(shù)據(jù)。本發(fā)明的方法和裝置具有較高的準(zhǔn)確性，而且由于是在MODIS數(shù)據(jù)大氣校正算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，具有一定的創(chuàng)新性。本發(fā)明的方法和裝置對(duì)環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正。能有效的消除大氣對(duì)遙感影像的吸收和散射，恢復(fù)地表目標(biāo)的反射率，解決了行業(yè)應(yīng)用的瓶頸，進(jìn)一步擴(kuò)展環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍。
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，其中

圖1為本發(fā)明的地表反射率計(jì)算方法的流程圖；圖2為太陽天頂角(SZA)和M0DTRAN運(yùn)行的光譜幅亮度(mod_sr)的關(guān)系圖；圖3為水平氣象視距(VIS)和M0DTRAN運(yùn)行的光譜幅亮度(mod_sr)的關(guān)系圖；圖4為發(fā)明的地表反射率計(jì)算方法的示意圖；以及圖5為本發(fā)明的地表反射率計(jì)算裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
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下面參照?qǐng)D1和圖4詳細(xì)描述本發(fā)明(一 )大氣參數(shù)反演對(duì)大氣參數(shù)的反演利用了暗目標(biāo)法和不變目標(biāo)法。暗目標(biāo)法其基本原理就是在假定待校正的遙感圖像存在黑暗像元區(qū)域、地表朗伯面反射、大氣性質(zhì)均一，忽略大氣多次散射輻照作用和鄰近像元漫反射作用的前提下，反射率很小的黑暗像元是由于大氣的影響，而使得這些像元的反射率相對(duì)增加，可以認(rèn)為這部分增加的反射率是由于大氣程輻射的影響產(chǎn)生的。然而，如果區(qū)域內(nèi)植被稀疏，該方法就不適用。由于要求存在水體或濃密植被的條件，使得該方法在應(yīng)用于冬季獲取的地表影像上受到很大的限制；對(duì)于環(huán)境星地表反射率反演的業(yè)務(wù)化、批量處理的要求而言。暗目標(biāo)方法需要人工確定暗目標(biāo)點(diǎn)等人及交互操作；而且對(duì)于不同植被條件下的中紅外波段和可見光/近紅外之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系是不同的，因此在應(yīng)用該方法之前，必須有大量的實(shí)地影像的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)。不變目標(biāo)法假定圖像上存在具有較穩(wěn)定反射輻射特性的像元，并且可確定這些像元的物理意義，那么就稱這些像元為不變目標(biāo)，這些不變目標(biāo)在不同時(shí)相的遙感圖像上的反射率將存在一種線性關(guān)系。當(dāng)確定了不變目標(biāo)以及它們?cè)诓煌瑫r(shí)相遙感圖像中反射率的這種線性關(guān)系，就可以對(duì)遙感圖像進(jìn)行大氣校正。該方法簡(jiǎn)單、直接，但是本質(zhì)上是一種統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)不同時(shí)間和區(qū)域的影像大氣校正的應(yīng)用程度值得考慮，也是一種相對(duì)校正方法，而很難校正異質(zhì)大氣氣溶膠散射的影響是該方法的另一個(gè)先天性缺陷。本發(fā)明基于HJ-IB 4譜段CXD相機(jī)和MODIS/Terra多光譜遙感數(shù)據(jù)，利用HJ-IB 和MODIS/Terra雙星協(xié)同反演陸地下墊面1000米高空間分辨率3個(gè)波段的大氣氣溶膠光學(xué)厚度遙感定量反演。其中，數(shù)據(jù)來源為HJ-1B CXD 1-3波段DN數(shù)據(jù)；HJ-IB紅外相機(jī)第 2波段DN數(shù)據(jù)；MODIS/Terra第1、3、4、6波段DN數(shù)據(jù)；HJ-IB成像時(shí)間及傳感器ID;以及 MODIS成像太陽及觀測(cè)幾何數(shù)據(jù)。本發(fā)明基于經(jīng)典的大氣輻射傳輸理論，推導(dǎo)得出地表反射率P與空間觀測(cè)星載反射率(也稱表觀反射率)P ‘間的關(guān)系表達(dá)式 —⑴其中a = sec θ，b = 2，ε是后向散射系數(shù)，通常取值為0. 1，α是波長(zhǎng)指數(shù)，β 是消光系數(shù)。太陽天頂角可由經(jīng)度、緯度以及衛(wèi)星過境時(shí)間計(jì)算得到。大氣光學(xué)厚度<取決于大氣的濁度狀態(tài)。Au Pm分別代表MODis和HJ-IB影像數(shù)據(jù)的地表真實(shí)反射率，其中i =1,2,3,分別代表HJ-IB影像數(shù)據(jù)的0. 47，0. 55,0. 66 μ m等三個(gè)波段與MODIS對(duì)應(yīng)波段。 此時(shí)，我們將得到未知量遠(yuǎn)大于已知觀測(cè)值的方程組(9個(gè)未知量，6個(gè)方程)，屬于不定解問題。然而，地表各波段反射率的變化與地表物質(zhì)在分子尺度上對(duì)光的反射和吸收有關(guān)，一般可看為波長(zhǎng)的強(qiáng)函數(shù)。氣溶膠和大氣分子的散射也是波長(zhǎng)的函數(shù)。地表的二向反射特性主要受地表物質(zhì)的宏觀物理結(jié)構(gòu)影響，隨波長(zhǎng)的變化較小。因此可以認(rèn)為，在可見光和近紅外波段，地表的二向反射率與波長(zhǎng)無關(guān)，而與觀測(cè)的空間幾何位置關(guān)系有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，不同角度的兩次觀測(cè)的地表真實(shí)反射率間存在如下關(guān)系 k _ P UX
權(quán)利要求
1.一種用于HJ-1A/B衛(wèi)星的地表反射率計(jì)算方法，其特征在于，包括步驟1)基于暗目標(biāo)法或不變目標(biāo)方法得到大氣氣溶膠光學(xué)厚度；2)基于HJ-1A/BXML文件和影像數(shù)據(jù)計(jì)算每日周期的太陽天頂角、太陽方位角、觀測(cè)天頂角和觀測(cè)方位角；3)基于上述步驟1)和2)中得到的參數(shù)，利用M0DTRAN模擬星上幅亮度Lm；4)通過步驟幻建立地表反射率查找表；5)根據(jù)大氣參數(shù)和待校正圖像，利用查找表實(shí)現(xiàn)大氣校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地表反射率計(jì)算方法，其特征在于，在步驟幻之前，還包括將氣溶膠光學(xué)厚度轉(zhuǎn)換為水平氣象視距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地表反射率計(jì)算方法，其特征在于，在步驟幻之前，還包括通過表觀輻亮度及反射率的反演，得到大氣上界的表觀反射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地表反射率計(jì)算方法，其特征在于，在步驟4)中，查找表的自變量是大氣模式、水平氣象視距、太陽天頂角、衛(wèi)星天頂角，因變量是求地表反射率的三個(gè)參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的地表反射率計(jì)算方法，其特征在于，還包括步驟6)參考MODIS大氣校正算法中水平氣象視距、太陽天頂角這兩個(gè)變量的變化間距，然后根據(jù) M0DTRAN運(yùn)行結(jié)果來判定水平氣象視距、太陽天頂角的變化間距上是否符合精度，若不符合精度，則進(jìn)行插值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地表反射率計(jì)算方法，其特征在于，通過輸入HJ-1A/BC⑶藍(lán)光、紅光和近紅外地表反射率數(shù)據(jù)和高光譜反射率數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)植被指數(shù)的反演。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地表反射率計(jì)算方法，其特征在于，所述生態(tài)參數(shù)反演模塊通過植被指數(shù)和葉面積指數(shù)LAI，實(shí)現(xiàn)植被覆蓋度的反演。
8.一種用于HJ-1A/B衛(wèi)星的地表反射率計(jì)算裝置，其特征在于，包括大氣參數(shù)反演模塊，其基于暗目標(biāo)法或不變目標(biāo)方法得到大氣氣溶膠光學(xué)厚度；太陽及觀測(cè)幾何參數(shù)反演模塊，其基于HJ-1A/B XML文件和影像數(shù)據(jù)計(jì)算每日周期的太陽天頂角、太陽方位角、觀測(cè)天頂角和觀測(cè)方位角；地表反射率反演模塊，其利用大氣參數(shù)反演模塊和太陽及觀測(cè)幾何參數(shù)反演模塊計(jì)算得到的參數(shù)，利用M0DTRAN模擬星上幅亮度Lm ；并建立地表反射率查找表；然后根據(jù)大氣參數(shù)和待校正圖像，利用查找表實(shí)現(xiàn)大氣校正。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的地表反射率計(jì)算裝置，其特征在于，還包括生態(tài)參數(shù)反演模塊，其通過輸入HJ-1A/B CXD藍(lán)光、紅光和近紅外地表反射率數(shù)據(jù)和高光譜反射率數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)植被指數(shù)的反演。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的地表反射率計(jì)算裝置，其特征在于，所述生態(tài)參數(shù)反演模塊通過土地利用/ 土地覆蓋數(shù)據(jù)和HJ-1A/HJ-BCCD第3、第4地表反射率數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)葉面積指數(shù)LAI的反演。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的地表反射率計(jì)算裝置，其特征在于，所述生態(tài)參數(shù)反演模塊通過植被指數(shù)和葉面積指數(shù)LAI，實(shí)現(xiàn)植被覆蓋度的反演。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的地表反射率計(jì)算裝置，其特征在于，所述地表反射率反演模塊還將氣溶膠光學(xué)厚度轉(zhuǎn)換為水平氣象視距。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的地表反射率計(jì)算裝置，其特征在于，所述查找表的自變量是大氣模式、水平氣象視距、太陽天頂角、衛(wèi)星天頂角，因變量是求地表反射率的三個(gè)參數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的地表反射率計(jì)算裝置，其特征在于，所述地表反射率反演模塊參考MODIS大氣校正算法中水平氣象視距、太陽天頂角這兩個(gè)變量的變化間距，然后根據(jù)M0DTRAN運(yùn)行結(jié)果來判定水平氣象視距、太陽天頂角的變化間距上是否符合精度，若不符合精度，則進(jìn)行插值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于HJ-1A/B衛(wèi)星的地表反射率計(jì)算方法和裝置，其包括步驟1)利用HJ-1B CCD及紅外相機(jī)的中紅外波段，基于暗目標(biāo)的方法得到大氣氣溶膠光學(xué)厚度；利用HJ-1A大幅寬快速重訪的特點(diǎn)，基于不變目標(biāo)方法得到大氣氣溶膠光學(xué)厚度；2)基于HJ-1A/BXML文件和影像數(shù)據(jù)計(jì)算每日周期的太陽天頂角、太陽方位角、觀測(cè)天頂角和觀測(cè)方位角；3)基于上述步驟1)和2)中得到的參數(shù)，利用MODTRAN模擬星上幅亮度Lm；4)通過步驟3)建立地表反射率查找表。5)根據(jù)大氣參數(shù)和待校正圖像，利用查找表實(shí)現(xiàn)大氣校正。利用本發(fā)明能有效的消除大氣對(duì)遙感影像的吸收和散射，恢復(fù)地表目標(biāo)的反射率，解決了行業(yè)應(yīng)用的瓶頸，進(jìn)一步擴(kuò)展環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)G01S7/48GK102338871SQ20101023761
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2010年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22日
發(fā)明者曹春香 申請(qǐng)人:張顥, 曹春香, 鄭盛