一種高光譜遙感影像大氣糾正方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高光譜遙感影像大氣校正方法及系統(tǒng)，包括步驟：步驟1，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)獲得暗目標(biāo)藍(lán)波段和紅波段的地表反射率和觀測(cè)表觀反射率；步驟2，基于衛(wèi)星信號(hào)反演氣溶膠模式；步驟3，基于衛(wèi)星信號(hào)和當(dāng)前大氣氣溶膠模式反演水汽含量；步驟4，采用反演獲得的當(dāng)前大氣氣溶膠模式和當(dāng)前水汽含量對(duì)遙感影像進(jìn)行大氣校正。本發(fā)明針對(duì)不同區(qū)域的特點(diǎn)建立相適應(yīng)的氣溶膠模式，在大氣校正前先反演氣溶膠模式，從而提高大氣糾正的準(zhǔn)確性；本發(fā)明綜合考慮了水汽含量與氣溶膠間的相互影響，對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度與水汽含量進(jìn)行協(xié)同反演，可進(jìn)一步消除氣溶膠光學(xué)厚度與水汽含量間的相互影響。
【專利說(shuō)明】一種高光譜遙感影像大氣糾正方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于大氣環(huán)境遙感【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種高光譜遙感影像大氣校正方法 及系統(tǒng)，適用于EO-I衛(wèi)星Hyperion傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002] 大氣中氣溶膠和水汽是影響航空與航天遙感影像數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要的因素之一 [Η]，大氣糾正的目的就是為了消除大氣中各種成分對(duì)遙感信號(hào)的影響，還原真實(shí)的地表輻 射信息。大氣狀況瞬息萬(wàn)變，很難同步測(cè)量衛(wèi)星過(guò)境時(shí)大氣的參數(shù)，而如果能直接從遙感信 息中反演出大氣信息，就能更好的進(jìn)行大氣糾正。大氣中0 3、02、C02、N02、CH4等氣體含量相 對(duì)穩(wěn)定，只有氣溶膠、水汽含量變動(dòng)較大，大氣糾正的關(guān)鍵在于估算氣溶膠模式、氣溶膠含 量與水汽含量。
[0003] 目前大氣糾正的方法較多，有基于圖像特征的相對(duì)訂正法、基于地面線形回歸模 型法、大氣輻射傳輸模型法和復(fù)合模型法 [Η°]。其中大氣輻射傳輸模型法通過(guò)模擬太陽(yáng)輻 射信號(hào)通過(guò)大氣后，與地表相互作用后回到傳感器的信號(hào)，能較精確的描述水汽、氣溶膠的 作用，因此被廣泛的應(yīng)用在各種遙感圖像的大氣糾正中。但是，現(xiàn)階段基于大氣輻射傳輸模 型的大氣糾正算法對(duì)氣溶膠和水汽含量是分開進(jìn)行反演。一般先利用水汽吸收波段估算水 汽含量，在消除水汽影響后再考慮氣溶膠的反演；而且在考慮氣溶膠的影響時(shí)，假設(shè)了氣溶 膠為單一模式，未考慮氣溶膠模式的差異問(wèn)題。但在實(shí)際中，氣溶膠類型或模式是變化的， 氣溶膠模式的選擇是最大的誤差源?，F(xiàn)有成果中可以發(fā)現(xiàn)大陸型、城鎮(zhèn)型氣溶膠模式，在藍(lán) 色、紅色波段反射率最大差別可達(dá)到13% [4]。
[0004] 相關(guān)文獻(xiàn)：
[0005] [1]徐永明，覃志豪，陳愛軍.基于查找表的MODIS逐像元大氣校正方法研宄 [J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2010, 35(8) :959-962.
[0006] [2]趙祥，梁順林，劉素紅，王錦地，秦軍，厲青，李小文。高光譜遙感數(shù)據(jù)的改正暗 目標(biāo)大氣校正方法研宄中國(guó)科學(xué)D輯：地球科學(xué)2007, 37 (12) : 1653-1659.
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種綜合考慮水汽含量與氣溶膠間相互 影響、且能針對(duì)區(qū)域特點(diǎn)建立相適應(yīng)的氣溶膠模式的高光譜遙感影像大氣校正方法。
[0018] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0019] 一、高光譜遙感影像大氣校正方法，包括步驟：
[0020] 步驟1，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)獲得暗目標(biāo)藍(lán)波段和紅波段的地表反射率和觀測(cè)表觀反射 率；
[0021] 步驟2,基于衛(wèi)星信號(hào)反演氣溶膠模式，具體為：
[0022] 2. 1選擇多種與衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)區(qū)域?qū)嶋H情況相符的氣溶膠類型，并按不同體積比 將各氣溶膠類型進(jìn)行組合獲得一系列氣溶膠模式；
[0023] 2. 2在各氣溶膠模式下，基于6S福射傳輸模型創(chuàng)建由大氣參數(shù)和氣溶膠模式的對(duì) 應(yīng)關(guān)系構(gòu)成的氣溶膠模式查找表；
[0024] 2. 3采用分辨率成像光譜儀獲得與衛(wèi)星信號(hào)同時(shí)段的氣溶膠光學(xué)厚度與水汽含 量，基于氣溶膠模式查找表獲得上述氣溶膠光學(xué)厚度與水汽含量下各氣溶膠模式對(duì)應(yīng)的其 他大氣參數(shù)；根據(jù)暗目標(biāo)藍(lán)波段和紅波段的地表反射率和對(duì)應(yīng)的大氣參數(shù)計(jì)算各氣溶膠模 式下暗目標(biāo)藍(lán)波段和紅波段的理論表觀反射率，以觀測(cè)表觀反射率和理論表觀反射率差距 最小的氣溶膠模式為當(dāng)前大氣氣溶膠模式；
[0025] 步驟3,基于衛(wèi)星信號(hào)和當(dāng)前大氣氣溶膠模式反演水汽含量，具體為：
[0026] 3. 1在當(dāng)前大氣氣溶膠模式下，基于6S輻射傳輸模型和觀測(cè)幾何參數(shù)創(chuàng)建由大氣 參數(shù)與地表反射率、表觀反射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系構(gòu)成的水汽含量反演查找表；
[0027] 3. 2采用三通道水汽含量反演法獲得衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)的水汽透過(guò)率；
[0028] 3. 3基于6S輻射傳輸模型獲得水汽含量與水汽透過(guò)率的關(guān)系模型，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào) 對(duì)應(yīng)的水汽透過(guò)率獲得衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)的當(dāng)前水汽含量；
[0029] 步驟4,采用反演獲得的當(dāng)前大氣氣溶膠模式和當(dāng)前水汽含量對(duì)遙感影像進(jìn)行大 氣校正。
[0030] 子步驟2. 1中所述的選擇多種與衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)區(qū)域?qū)嶋H情況相符的氣溶膠類型， 是從6S輻射傳輸模型定義的氣溶膠類型中選擇，6S輻射傳輸模型定義的氣溶膠類型包括 沙塵型氣溶膠、海洋型氣溶膠、水溶型氣溶膠和煤煙型氣溶膠。
[0031] 子步驟2. 3中所述的觀測(cè)表觀反射率和理論表觀反射率差距 -A)2 -A)2，其中，f和Ρ?分別為暗目標(biāo)的紅波段和藍(lán)波段的理論表觀反射 率，pjPpb分別為暗目標(biāo)的紅波段和藍(lán)波段的觀測(cè)表觀反射率。
[0032] 子步驟3. 2中所述的采用三通道水汽含量反演法獲得衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)的水汽透過(guò) 率，具體為：
[0033] 根據(jù)一個(gè)水汽強(qiáng)吸收波段和兩個(gè)分別位于水汽強(qiáng)吸收波段前后的水汽弱吸收波 段對(duì)應(yīng)的觀測(cè)表觀反射率和大氣程輻射計(jì)算衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)的水汽透過(guò)率T(H2O)):
[00

【權(quán)利要求】
1. 一種高光譜遙感影像大氣校正方法，其特征在于，包括步驟： 步驟1，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)獲得暗目標(biāo)藍(lán)波段和紅波段的地表反射率和觀測(cè)表觀反射率； 步驟2,基于衛(wèi)星信號(hào)反演氣溶膠模式，具體為： 2. 1選擇多種與衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)區(qū)域?qū)嶋H情況相符的氣溶膠類型，并按不同體積比將各 氣溶膠類型進(jìn)行組合獲得一系列氣溶膠模式； 2. 2在各氣溶膠模式下，基于6S福射傳輸模型創(chuàng)建由大氣參數(shù)和氣溶膠模式的對(duì)應(yīng)關(guān) 系構(gòu)成的氣溶膠模式查找表； 2. 3采用分辨率成像光譜儀獲得與衛(wèi)星信號(hào)同時(shí)段的氣溶膠光學(xué)厚度與水汽含量，基 于氣溶膠模式查找表獲得上述氣溶膠光學(xué)厚度與水汽含量下各氣溶膠模式對(duì)應(yīng)的其他大 氣參數(shù)；根據(jù)暗目標(biāo)藍(lán)波段和紅波段的地表反射率和對(duì)應(yīng)的大氣參數(shù)計(jì)算各氣溶膠模式下 暗目標(biāo)藍(lán)波段和紅波段的理論表觀反射率，以觀測(cè)表觀反射率和理論表觀反射率差距最小 的氣溶膠模式為當(dāng)前大氣氣溶膠模式； 步驟3,基于衛(wèi)星信號(hào)和當(dāng)前大氣氣溶膠模式反演水汽含量，具體為： 3. 1在當(dāng)前大氣氣溶膠模式下，基于6S輻射傳輸模型和觀測(cè)幾何參數(shù)創(chuàng)建由大氣參數(shù) 與地表反射率、表觀反射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系構(gòu)成的水汽含量反演查找表； 3. 2采用三通道水汽含量反演法獲得衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)的水汽透過(guò)率； 3. 3基于6S輻射傳輸模型獲得水汽含量與水汽透過(guò)率的關(guān)系模型，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng) 的水汽透過(guò)率獲得衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)的當(dāng)前水汽含量； 步驟4,采用反演獲得的當(dāng)前大氣氣溶膠模式和當(dāng)前水汽含量對(duì)遙感影像進(jìn)行大氣校 正。
2. 如權(quán)利要求1所述的高光譜遙感影像大氣校正方法，其特征在于： 子步驟2. 1中所述的選擇多種與衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)區(qū)域?qū)嶋H情況相符的氣溶膠類型，是從 6S輻射傳輸模型定義的氣溶膠類型中選擇，6S輻射傳輸模型定義的氣溶膠類型包括沙塵 型氣溶膠、海洋型氣溶膠、水溶型氣溶膠和煤煙型氣溶膠。
3. 如權(quán)利要求1所述的高光譜遙感影像大氣校正方法，其特征在于：
其中，<和A分別為暗目標(biāo)的紅波段和藍(lán)波段的理論表觀反射率，PjPPb分別為暗目標(biāo) 的紅波段和藍(lán)波段的觀測(cè)表觀反射率。
4. 如權(quán)利要求1所述的高光譜遙感影像大氣校正方法，其特征在于： 子步驟3. 2中所述的采用三通道水汽含量反演法獲得衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)的水汽透過(guò)率，具 體為： 根據(jù)一個(gè)水汽強(qiáng)吸收波段和兩個(gè)分別位于水汽強(qiáng)吸收波段前后的水汽弱吸收波段對(duì) 應(yīng)的觀測(cè)表觀反射率和大氣程輻射計(jì)算衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)的水汽透過(guò)率T(H20)):
汽弱吸收波段波長(zhǎng)，X3表不水汽強(qiáng)吸收波段波長(zhǎng)；P?(1)、Ptm(2)、PTm(3)分別為水汽 強(qiáng)吸收波段1和位于水汽強(qiáng)吸收波段前后的水汽弱吸收波段2、3對(duì)應(yīng)的觀測(cè)表觀反射率； Ppath(l)、Ppath(2)、Ppath(3)分別為水汽強(qiáng)吸收波段1和位于水汽強(qiáng)吸收波段前后的水汽 弱吸收波段2、3對(duì)應(yīng)的大氣程輻射，即大氣參數(shù)，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的觀測(cè)表觀反射率和地表 反射率即可從水汽含量反演查找表中獲得對(duì)應(yīng)的大氣程輻射。
5. 如權(quán)利要求1所述的高光譜遙感影像大氣校正方法，其特征在于： 子步驟3. 3中所述的基于6S輻射傳輸模型獲得水汽含量與水汽透過(guò)率的關(guān)系模型，具 體為： 在當(dāng)前大氣氣溶膠模式下，采用子步驟3. 2的方法計(jì)算不同氣溶膠光學(xué)厚度與水汽含 量下的水汽透過(guò)率，在不同氣溶膠光學(xué)厚度下對(duì)水汽含量和水汽透過(guò)率進(jìn)行擬合，獲得水 汽含量與水汽透過(guò)率的關(guān)系模型。
6. 如權(quán)利要求1所述的高光譜遙感影像大氣校正方法，其特征在于： 還包括循環(huán)迭代反演氣溶膠模式和水汽含量的步驟，具體為： (1) 根據(jù)當(dāng)前氣溶膠厚度t,，采用權(quán)利要求1步驟3所述方法計(jì)算當(dāng)前大氣氣溶膠模 式下衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)的當(dāng)前水汽含量WVp氣溶膠厚度初始值從設(shè)定的氣溶膠光學(xué)厚度區(qū)間 取值； (2) 根據(jù)暗目標(biāo)藍(lán)波段和紅波段的地表反射率和觀測(cè)表觀反射率以及當(dāng)前水汽含量 WVp采用水汽含量反演查找表得到對(duì)應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度Ti+1，基于氣溶膠光學(xué)厚度Ti+1 采用步驟6. 1方法獲得氣溶膠光學(xué)厚度ti+1對(duì)應(yīng)的水汽含量WVi+1; (3) 將氣溶膠光學(xué)厚度^和ti+1作差，同時(shí)將水汽含量WVjPWVi+1作差，判斷氣溶 膠光學(xué)厚度和水汽含量的差值是否均在設(shè)定范圍內(nèi)；若均在設(shè)定范圍內(nèi)，執(zhí)行步驟（4);否 貝1J，以氣溶膠光學(xué)厚度Ti+1為當(dāng)前氣溶膠厚度tp以水汽含量WVi+1為當(dāng)前水汽含量值WV。 循環(huán)執(zhí)行步驟⑴?⑵； (4) 以當(dāng)前氣溶膠厚度^和當(dāng)前水汽含量值WVi對(duì)遙感影像進(jìn)行大氣校正。
7. -種高光譜遙感影像大氣校正系統(tǒng)，其特征在于，包括： 第一模塊，用來(lái)根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)獲得暗目標(biāo)藍(lán)波段和紅波段的地表反射率和觀測(cè)表觀反 射率； 第二模塊，用來(lái)基于衛(wèi)星信號(hào)反演氣溶膠模式，所述的第二模塊進(jìn)一步包括子模塊： 氣溶膠模式確定模塊，用來(lái)選擇多種與衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)區(qū)域?qū)嶋H情況相符的氣溶膠類 型，并按不同體積比將各氣溶膠類型進(jìn)行組合獲得一系列氣溶膠模式； 氣溶膠模式查找表構(gòu)建模塊，用來(lái)在各氣溶膠模式下，基于6S輻射傳輸模型創(chuàng)建由大 氣參數(shù)和氣溶膠模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系構(gòu)成的氣溶膠模式查找表； 氣溶膠模式反演模塊，用來(lái)采用分辨率成像光譜儀獲得與衛(wèi)星信號(hào)同時(shí)段的氣溶膠光 學(xué)厚度與水汽含量，基于氣溶膠模式查找表獲得上述氣溶膠光學(xué)厚度與水汽含量下各氣溶 膠模式對(duì)應(yīng)的其他大氣參數(shù)；根據(jù)暗目標(biāo)藍(lán)波段和紅波段的地表反射率和對(duì)應(yīng)的大氣參數(shù) 計(jì)算各氣溶膠模式下暗目標(biāo)藍(lán)波段和紅波段的理論表觀反射率，以觀測(cè)表觀反射率和理論 表觀反射率差距最小的氣溶膠模式為當(dāng)前大氣氣溶膠模式； 第三模塊，用來(lái)基于衛(wèi)星信號(hào)和當(dāng)前大氣氣溶膠模式反演水汽含量，所述的第三模塊 進(jìn)一步包括子模塊： 水汽含量反演查找表構(gòu)建模塊，用來(lái)在當(dāng)前大氣氣溶膠模式下，基于6S輻射傳輸模型 和觀測(cè)幾何參數(shù)創(chuàng)建由大氣參數(shù)與地表反射率、表觀反射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系構(gòu)成的水汽含量反 演查找表； 水汽透過(guò)率獲得模塊，用來(lái)采用三通道水汽含量反演法獲得衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)的水汽透過(guò) 率； 水汽含量反演模塊，用來(lái)基于6S輻射傳輸模型獲得水汽含量與水汽透過(guò)率的關(guān)系模 型，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)的水汽透過(guò)率獲得衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)的當(dāng)前水汽含量； 第四模塊，用來(lái)采用反演獲得的當(dāng)前大氣氣溶膠模式和當(dāng)前水汽含量對(duì)遙感影像進(jìn)行 大氣校正。
8.如權(quán)利要求7所述的高光譜遙感影像大氣校正系統(tǒng)，其特征在于： 還包括第五模塊，本模塊進(jìn)一步包括子模塊： 第一水汽含量反演模塊，用來(lái)根據(jù)當(dāng)前氣溶膠厚度t,，采用第三模塊計(jì)算當(dāng)前大氣氣 溶膠模式下衛(wèi)星信號(hào)對(duì)應(yīng)的當(dāng)前水汽含量WVp氣溶膠厚度初始值從設(shè)定的氣溶膠光學(xué)厚 度區(qū)間取值； 第二水汽含量反演模塊，用來(lái)根據(jù)暗目標(biāo)藍(lán)波段和紅波段的地表反射率和觀測(cè)表觀反 射率以及當(dāng)前水汽含量WVi，采用水汽含量反演查找表得到對(duì)應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度ti+1，基 于氣溶膠光學(xué)厚度Ti+1采用第一水汽含量反演模塊獲得氣溶膠光學(xué)厚度Ti+1對(duì)應(yīng)的水汽 含量wvi+1; 判定模塊，用來(lái)將氣溶膠光學(xué)厚度T,和Ti+1作差，同時(shí)將水汽含量wvdPWVi+1作差， 判斷氣溶膠光學(xué)厚度和水汽含量的差值是否均在設(shè)定范圍內(nèi)；若均在設(shè)定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)至第 四模塊；否則，以氣溶膠光學(xué)厚度Ti+1為當(dāng)前氣溶膠厚度Ti，以水汽含量WVi+1為當(dāng)前水汽 含量值wvi，轉(zhuǎn)至第一水汽含量反演模塊。
【文檔編號(hào)】G01S7/497GK104483663SQ201410827642
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月25日
【發(fā)明者】方圣輝, 佃袁勇, 姚崇懷, 周志翔, 王娣 申請(qǐng)人:武漢大學(xué), 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)