本發(fā)明涉及一種針對(duì)大觀測(cè)角傳感器的基于數(shù)據(jù)同化的交叉輻射定標(biāo)方法及系統(tǒng)，屬于遙感影像處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著遙感應(yīng)用的深入，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外主流的遙感技術(shù)已從定性分析發(fā)展到了定量研究，而輻射定標(biāo)是定量遙感的基礎(chǔ)和前提。輻射定標(biāo)是將傳感器記錄的無(wú)量綱的數(shù)字量化值(dn值)轉(zhuǎn)換成具有實(shí)際物理意義的大氣頂層輻射亮度或反射率。它的主要作用體現(xiàn)在：(1)通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，校正傳感器的性能衰變，修正大氣、光照條件和環(huán)境變化等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，保證測(cè)量結(jié)果真實(shí)反映目標(biāo)和背景的特征；(2)建立不同平臺(tái)、不同傳感器的輻射量基準(zhǔn)，使不同時(shí)間和空間尺度下獲得的多源觀測(cè)數(shù)據(jù)可以相互對(duì)比、轉(zhuǎn)換和融合。

衛(wèi)星發(fā)射后，傳感器性能隨著太空環(huán)境的變化而變化，必須對(duì)其進(jìn)行在軌輻射定標(biāo)，在軌輻射定標(biāo)分為星上定標(biāo)和替代定標(biāo)，星上定標(biāo)主要依賴于星上定標(biāo)設(shè)備，具有較高的定標(biāo)精度，但隨著時(shí)間推移，定標(biāo)設(shè)備會(huì)發(fā)生衰減，而且部分傳感器沒有配備星上定標(biāo)設(shè)備，因此必須探尋星上定標(biāo)的有效補(bǔ)充，即進(jìn)行替代定標(biāo)。目前常用的替代定標(biāo)方法有場(chǎng)地定標(biāo)和交叉定標(biāo)，如我國(guó)的環(huán)境系列、風(fēng)云系列衛(wèi)星等,使用的定標(biāo)數(shù)據(jù)來自于在敦煌絕對(duì)福射校正場(chǎng)及青海湖校正場(chǎng)進(jìn)行的場(chǎng)地定標(biāo)實(shí)驗(yàn)。然而場(chǎng)地定標(biāo)方法需要地面和衛(wèi)星同步觀測(cè),容易受到大氣狀況、太陽(yáng)角度等各種自然條件的限制，而且需要耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力、物力；更重要的是，它不能實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的定標(biāo)。因此，無(wú)需地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的交叉定標(biāo)方法被提出并得到廣泛研究和應(yīng)用。交叉定標(biāo)的基本過程是,通過參考傳感器與待定標(biāo)傳感器同時(shí)觀測(cè)同一目標(biāo),用參考傳感器獲取的信息對(duì)待定標(biāo)傳感器進(jìn)行定標(biāo)。與場(chǎng)地定標(biāo)相比,交叉定標(biāo)不需要投入大量的人力、儀器及資金等進(jìn)行地面測(cè)量,對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的要求也低于場(chǎng)地定標(biāo)，還可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)。

交叉定標(biāo)過程中必須消除參考傳感器和待定標(biāo)傳感器之間差異，這些差異主要體現(xiàn)在光譜響應(yīng)、大氣輻射傳輸以及地表二向性反射分布三個(gè)方面，其中大氣輻射傳輸和地表二向性反射分布都與衛(wèi)星的觀測(cè)角度顯著相關(guān)。衛(wèi)星的觀測(cè)角就是成像時(shí)衛(wèi)星與目標(biāo)地物的角度關(guān)系，有衛(wèi)星天頂角和衛(wèi)星方位角，衛(wèi)星天頂角是衛(wèi)星和目標(biāo)的連線與天頂方向的夾角，如果衛(wèi)星垂直拍攝地面那么天頂角就是0°。衛(wèi)星方位角是衛(wèi)星和目標(biāo)的連線在地面的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角。衛(wèi)星觀測(cè)角度的差異主要體現(xiàn)在衛(wèi)星天頂角，普通衛(wèi)星(大多是太陽(yáng)同步軌道)一般近垂直拍攝，衛(wèi)星天頂角一般接近0°，比如landsat-8oli的衛(wèi)星天頂角范圍為±7°。大觀測(cè)角衛(wèi)星，比如地球靜止軌道衛(wèi)星gf-4pms的衛(wèi)星天頂角的范圍為-65°-70°，觀測(cè)地點(diǎn)距離星下點(diǎn)越遠(yuǎn)，角度越大。普通太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星的衛(wèi)星方位角浮動(dòng)范圍較小，大觀測(cè)角衛(wèi)星，如靜止軌道衛(wèi)星的衛(wèi)星方位角浮動(dòng)范圍相對(duì)較大，例如在敦煌定標(biāo)場(chǎng)，landsat-8oli的衛(wèi)星方位角為98°，而gf-4pms的衛(wèi)星方位角為161°?？梢宰鳛閰⒖嫉亩?biāo)精度較高的傳感器絕大多數(shù)觀測(cè)角度都很小，那么待定標(biāo)傳感器的觀測(cè)角度越大，他們之間的大氣輻射傳輸和地表二向性反射分布差異就會(huì)越顯著。因此，對(duì)于大觀測(cè)角的衛(wèi)星，由于不考慮大氣輻射傳輸或者地表二向性反射分布差異性，傳統(tǒng)交叉定標(biāo)方法無(wú)法得到準(zhǔn)確的輻射定標(biāo)系數(shù)。

目前本領(lǐng)域急需一種針對(duì)大觀測(cè)角傳感器的交叉定標(biāo)方法，消除參考傳感器與待定標(biāo)傳感器之間的大氣輻射傳輸和地表二向性反射分布差異，從而得到準(zhǔn)確的交叉定標(biāo)結(jié)果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出了一種針對(duì)大觀測(cè)角傳感器的基于數(shù)據(jù)同化的交叉輻射定標(biāo)技術(shù)方案，同時(shí)考慮兩傳感器之間光譜響應(yīng)、大氣輻射傳輸以及地表二向性反射分布函數(shù)(brdf)的差異，將交叉定標(biāo)看作是一個(gè)最佳逼近的問題，無(wú)需通過復(fù)雜模型計(jì)算brdf，而是建立一個(gè)brdf調(diào)整系數(shù)，與定標(biāo)系數(shù)一起作為待同化參數(shù)，利用同化算法通過循環(huán)迭代的方式找到最優(yōu)的輻射定標(biāo)系數(shù)和brdf調(diào)整系數(shù)。

本發(fā)明的技術(shù)方案提供一種用于大觀測(cè)角傳感器的交叉輻射定標(biāo)方法，包括以下步驟，

步驟1，配準(zhǔn)待定標(biāo)影像和參考影像，對(duì)待定標(biāo)影像和參考影像的每一組對(duì)應(yīng)波段分別進(jìn)行隨機(jī)采樣得到對(duì)應(yīng)的定標(biāo)點(diǎn)；

步驟2，針對(duì)每個(gè)波段，分別對(duì)每一對(duì)定標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行如下的交叉定標(biāo)操作，

步驟2.1，基于參考影像的定標(biāo)點(diǎn)的dn值計(jì)算大氣表觀反射率，并通過大氣校正得到地表反射率；

步驟2.2，對(duì)參考影像的地表反射率進(jìn)行匹配找到最接近的光譜曲線，計(jì)算參考影像與待定標(biāo)影像之間的光譜調(diào)整系數(shù)sbafi，下標(biāo)i用于表示第i波段；

步驟2.3，建立brdf調(diào)整系數(shù)ci，所述brdf調(diào)整系數(shù)ci為待定標(biāo)影像第i波段的地表二向性反射分布函數(shù)與參考影像第i波段的地表二向性反射分布函數(shù)的比值；

步驟2.4，初始化參數(shù)，包括設(shè)定待定標(biāo)影像的輻射定標(biāo)系數(shù)gaini和offseti的初始值、有效范圍和變化步長(zhǎng)，以及brdf調(diào)整系數(shù)ci的初始值、有效范圍和變化步長(zhǎng)，作為同化算法的輸入?yún)?shù)，其中g(shù)aini為定標(biāo)增益系數(shù)，offseti為絕對(duì)定標(biāo)偏移系數(shù)；然后以迭代的方式進(jìn)行如下處理，

步驟2.4.1，基于待定標(biāo)影像的dn值計(jì)算大氣表觀反射率，并通過大氣校正得到地表反射率ρ(target,i)；

步驟2.4.2，基于待定標(biāo)影像的地表反射率ρ(target,i)，利用步驟2.3所建立brdf調(diào)整系數(shù)ci的當(dāng)前值和步驟2.2所得光譜調(diào)整系數(shù)sbafi通過下式模擬得到參考影像的地表反射率ρsimulated(reference,i)；

ρsimulated(reference,i)＝ρ(target,i)/ci/sbafi

步驟2.4.3，比較參考影像的模擬地表反射率ρsimulated(reference,i)與真實(shí)反演的地表反射率ρ(reference,i)之間的差異，若差異比小于預(yù)設(shè)閾值，便得到最佳的輻射定標(biāo)系數(shù)，結(jié)束迭代；反之，利用同化算法優(yōu)化更新輻射定標(biāo)系數(shù)gaini和offseti以及brdf調(diào)整系數(shù)ci，然后回到步驟2.4.1；

步驟3，針對(duì)每個(gè)波段，將一個(gè)波段的交叉定標(biāo)結(jié)果中偏離平均值大于預(yù)設(shè)閾值的點(diǎn)刪除，然后取平均值作為最終的交叉定標(biāo)結(jié)果，獲得最終的輻射定標(biāo)系數(shù)gaini和offseti。

而且，所述計(jì)算大氣表觀反射率，采用以下公式，

li＝gaini·dni+offseti

其中，i為波段序號(hào)，li為轉(zhuǎn)換后輻亮度，dni為該波段的數(shù)字量化值，gaini為定標(biāo)增益系數(shù)，offseti為絕對(duì)定標(biāo)偏移系數(shù)；

ρtoa(i)＝π·li·d²/(ei·cosθ)

其中，ρtoa(i)為i波段的大氣表觀反射率，θ為太陽(yáng)高度角，d是天文單位的日地距離；ei是大氣層頂?shù)钠骄?yáng)光譜輻照度。

而且，計(jì)算參考影像與待定標(biāo)影像之間的光譜調(diào)整系數(shù)sbafi，采用以下公式，

其中，sbafi為某一地物第i波段的光譜匹配系數(shù)，λ表示波長(zhǎng)，ρ(λ)為目標(biāo)地物的連續(xù)光譜反射率，f(λ)為連續(xù)的大氣層外太陽(yáng)光譜輻照度，starget,i(λ)和sreference,i(λ)分別為待定標(biāo)傳感器和參考傳感器第i波段的波譜響應(yīng)函數(shù)，atarget,i，btarget,i和areference,i，breference,i分別為待定標(biāo)傳感器和參考傳感器第i波段的波長(zhǎng)范圍下限和上限。

而且，參考影像的模擬地表反射率ρsimulated(reference,i)與真實(shí)反演的地表反射率ρ(reference,i)之間的差異比計(jì)算方式為，

而且，同化算法采用sce-ua算法、遺傳算法、模擬退火算法、變分算法、kalman濾波或貝葉斯算法。

本發(fā)明相應(yīng)提供一種用于大觀測(cè)角傳感器的交叉輻射定標(biāo)系統(tǒng)，包括以下模塊，

配準(zhǔn)模塊，用于配準(zhǔn)待定標(biāo)影像和參考影像，對(duì)待定標(biāo)影像和參考影像的每一組對(duì)應(yīng)波段分別進(jìn)行隨機(jī)采樣得到對(duì)應(yīng)的定標(biāo)點(diǎn)；

交叉定標(biāo)模塊，用于針對(duì)每個(gè)波段，分別對(duì)每一對(duì)定標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行如下的交叉定標(biāo)操作，

步驟s1，基于參考影像的定標(biāo)點(diǎn)的dn值計(jì)算大氣表觀反射率，并通過大氣校正得到地表反射率；

步驟s2，對(duì)參考影像的地表反射率進(jìn)行匹配找到最接近的光譜曲線，計(jì)算參考影像與待定標(biāo)影像之間的光譜調(diào)整系數(shù)sbafi，下標(biāo)i用于表示第i波段；

步驟s3，建立brdf調(diào)整系數(shù)ci，所述brdf調(diào)整系數(shù)ci為待定標(biāo)影像第i波段的地表二向性反射分布函數(shù)與參考影像第i波段的地表二向性反射分布函數(shù)的比值；

步驟s4，初始化參數(shù)，包括設(shè)定待定標(biāo)影像的輻射定標(biāo)系數(shù)gaini和offseti的初始值、有效范圍和變化步長(zhǎng)，以及brdf調(diào)整系數(shù)ci的初始值、有效范圍和變化步長(zhǎng)，作為同化算法的輸入?yún)?shù)，其中g(shù)aini為定標(biāo)增益系數(shù)，offseti為絕對(duì)定標(biāo)偏移系數(shù)；然后以迭代的方式進(jìn)行如下處理，

步驟s4.1，基于待定標(biāo)影像的dn值計(jì)算大氣表觀反射率，并通過大氣校正得到地表反射率ρ(target,i)；

步驟s4.2，基于待定標(biāo)影像的地表反射率ρ(target,i)，利用步驟s3所建立brdf調(diào)整系數(shù)ci的當(dāng)前值和步驟s2所得光譜調(diào)整系數(shù)sbafi通過下式模擬得到參考影像的地表反射率ρsimulated(reference,i)；

ρsimulated(reference,i)＝ρ(target,i)/ci/sbafi

步驟s4.3，比較參考影像的模擬地表反射率ρsimulated(reference,i)與真實(shí)反演的地表反射率ρ(reference,i)之間的差異，若差異比小于預(yù)設(shè)閾值，便得到最佳的輻射定標(biāo)系數(shù)，結(jié)束迭代；反之，利用同化算法優(yōu)化更新輻射定標(biāo)系數(shù)gaini和offseti以及brdf調(diào)整系數(shù)ci，然后回到步驟s4.1；

輸出模塊，用于針對(duì)每個(gè)波段，將一個(gè)波段的交叉定標(biāo)結(jié)果中偏離平均值大于預(yù)設(shè)閾值的點(diǎn)刪除，然后取平均值作為最終的交叉定標(biāo)結(jié)果，獲得最終的輻射定標(biāo)系數(shù)gaini和offseti。

而且，所述計(jì)算大氣表觀反射率，采用以下公式，

li＝gaini·dni+offseti

其中，i為波段序號(hào)，li為轉(zhuǎn)換后輻亮度，dni為該波段的數(shù)字量化值，gaini為定標(biāo)增益系數(shù)，offseti為絕對(duì)定標(biāo)偏移系數(shù)；

ρtoa(i)＝π·li·d²/(ei·cosθ)

其中，ρtoa(i)為i波段的大氣表觀反射率，θ為太陽(yáng)高度角，d是天文單位的日地距離；ei是大氣層頂?shù)钠骄?yáng)光譜輻照度。

而且，計(jì)算參考影像與待定標(biāo)影像之間的光譜調(diào)整系數(shù)sbafi，采用以下公式，

其中，sbafi為某一地物第i波段的光譜匹配系數(shù)，λ表示波長(zhǎng)，ρ(λ)為目標(biāo)地物的連續(xù)光譜反射率，f(λ)為連續(xù)的大氣層外太陽(yáng)光譜輻照度，starget,i(λ)和sreference,i(λ)分別為待定標(biāo)傳感器和參考傳感器第i波段的波譜響應(yīng)函數(shù)，atarget,i，btarget,i和areference,i，breference,i分別為待定標(biāo)傳感器和參考傳感器第i波段的波長(zhǎng)范圍下限和上限。

而且，參考影像的模擬地表反射率ρsimulated(reference,i)與真實(shí)反演的地表反射率ρ(reference,i)之間的差異比計(jì)算方式為，

而且，同化算法采用sce-ua算法、遺傳算法、模擬退火算法、變分算法、kalman濾波或貝葉斯算法。

本發(fā)明的特點(diǎn)是：

(1)本發(fā)明針對(duì)大觀測(cè)角引起的交叉定標(biāo)問題，消除待定標(biāo)傳感器和參考傳感器在光譜響應(yīng)、大氣輻射傳輸以及brdf三個(gè)方面的差異性，使得交叉定標(biāo)結(jié)果準(zhǔn)確性更高；

(2)本發(fā)明建立了待定標(biāo)傳感器和參考傳感器之間brdf的調(diào)整系數(shù)以消除兩者之間的二向性反射差異，采用待定標(biāo)傳感器與參考傳感器brdf的比值，利用同化算法以迭代優(yōu)化的方式求解，無(wú)需引入其他輔助數(shù)據(jù)通過復(fù)雜模型計(jì)算brdf，計(jì)算方法簡(jiǎn)單穩(wěn)定，效果可控。最后剔除誤差較大的定標(biāo)結(jié)果，取均值作為最終的輻射定標(biāo)系數(shù)，可操作性強(qiáng)，而且可排除引入輔助數(shù)據(jù)計(jì)算brdf產(chǎn)生的誤差以及異常定標(biāo)點(diǎn)對(duì)結(jié)果的影響。

(3)本發(fā)明以迭代優(yōu)化的方法得到輻射定標(biāo)系數(shù)，操作簡(jiǎn)單，每對(duì)定標(biāo)點(diǎn)都可以得到一組結(jié)果，可排除偶然誤差，結(jié)果可控。

因此，本發(fā)明具有重要的實(shí)用意義和市場(chǎng)價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

針對(duì)普通傳感器傳統(tǒng)方法無(wú)需進(jìn)行大氣校正和brdf校正，針對(duì)大觀測(cè)角傳感器必須解決大氣和brdf的影響(因?yàn)槎吆陀^測(cè)角度顯著相關(guān))，所以本發(fā)明針對(duì)大觀測(cè)角傳感器提出6s模型大氣校正和brdf調(diào)整系數(shù)。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種針對(duì)大觀測(cè)角傳感器的基于數(shù)據(jù)同化的交叉輻射定標(biāo)方法，流程如圖1所示，具體包括以下步驟：

(1)配準(zhǔn)待定標(biāo)影像和參考影像，對(duì)待定標(biāo)影像和參考影像的每一組對(duì)應(yīng)波段分別進(jìn)行隨機(jī)采樣得到對(duì)應(yīng)的定標(biāo)點(diǎn)：

實(shí)施例中，對(duì)待定標(biāo)影像和參考影像對(duì)進(jìn)行幾何配準(zhǔn)并選取感興趣區(qū)，以參考影像為基準(zhǔn)，采用sift匹配方法選取數(shù)量足夠且分布均勻的控制點(diǎn)對(duì)相同區(qū)域的參考影像進(jìn)行幾何配準(zhǔn)，誤差控制在1個(gè)像素以內(nèi)。具體實(shí)施時(shí)，控制點(diǎn)應(yīng)當(dāng)均勻分布全局，優(yōu)選地選取20個(gè)以上。在參考影像上隨機(jī)選取100000個(gè)點(diǎn)，以每個(gè)點(diǎn)為中心，計(jì)算m×n(具體窗口大小可由本領(lǐng)域技術(shù)人員預(yù)設(shè)，和空間分辨率有關(guān))窗口內(nèi)所有像素標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值(cv)，如果該值小于1％，且位于待定標(biāo)影像中相同位置的p×q(和參考影像的窗口大小一致，和空間分辨率有關(guān))窗口的cv值也小于1％，則待定標(biāo)影像和參考影像中的相應(yīng)窗口被選為一對(duì)定標(biāo)點(diǎn)，取窗口的均值作為定標(biāo)點(diǎn)的dn值。

設(shè)參考影像的分辨率記為分辨率1，設(shè)待定標(biāo)影像的分辨率記為分辨率2，存在以下關(guān)系：

(p×q×分辨率1×分辨率1)約等于(m×n×分辨率2×分辨率2)

(2)針對(duì)每個(gè)波段，分別對(duì)每一對(duì)定標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行如下的交叉定標(biāo)操作：

(2.1)基于參考影像的定標(biāo)點(diǎn)的dn值計(jì)算大氣表觀反射率，并通過大氣校正得到地表反射率：

本發(fā)明優(yōu)選使用6s大氣校正模型進(jìn)行校正。6s大氣校正模型建立在輻射傳輸理論的基礎(chǔ)之上，描述了大氣如何影響輻射在太陽(yáng)-地表-傳感器之間的傳輸，相比于其他大氣校正模型，其應(yīng)用范圍廣，不受研究區(qū)特點(diǎn)及目標(biāo)類型的影響。6s模型進(jìn)行大氣校正所需的參數(shù)包括大氣條件——大氣模型，氣溶膠類型，氣溶膠光學(xué)厚度/大氣能見度；觀測(cè)幾何——太陽(yáng)天頂角，太陽(yáng)方位角，衛(wèi)星天頂角，衛(wèi)星方位角，衛(wèi)星高度；波普響應(yīng)——波譜響應(yīng)函數(shù)，具體實(shí)施時(shí)6s模型需要的氣溶膠參數(shù)可從modis的aot產(chǎn)品數(shù)據(jù)獲取。

實(shí)施例中，基于參考影像定標(biāo)點(diǎn)的dn值dnreference,i利用以下的公式(1)和公式(2)計(jì)算得到大氣表觀反射率ρtoa(reference,i)，并通過6s模型大氣校正得到地表反射率ρ(reference,i)；

li＝gaini·dni+offseti(1)

式中，i為波段序號(hào)，li為轉(zhuǎn)換后輻亮度，單位為w·m^-2·sr^-1·μm^-1，dni為該波段的數(shù)字量化值(dn值)，無(wú)量綱，gaini為定標(biāo)增益系數(shù)，offseti為絕對(duì)定標(biāo)偏移系數(shù)，參考衛(wèi)星各個(gè)波段輻射定標(biāo)系數(shù)gaini和offseti是已知的，待定標(biāo)的目標(biāo)衛(wèi)星的相應(yīng)系數(shù)待求解。然后可以通過如下公式將輻射亮度值轉(zhuǎn)換為大氣表觀反射率：

ρtoa(i)＝π·li·d²/(ei·cosθ)(2)

其中，ρtoa(i)為i波段的大氣表觀反射率，無(wú)量綱，θ為太陽(yáng)高度角，d是天文單位的日地距離。ei是大氣層頂?shù)钠骄?yáng)光譜輻照度，單位為w·m^-2。

本步驟中，將基于參考影像定標(biāo)點(diǎn)的dn值dnreference,i代入公式(1)作為dni計(jì)算，根據(jù)公式(2)得到相應(yīng)的ρtoa(i)，即基于參考影像的大氣表觀反射率ρtoa(reference,i)。

(2.2)將參考影像的地表反射率與已有的地物光譜庫(kù)(例如usgs光譜庫(kù))中的光譜曲線進(jìn)行匹配找到最接近的光譜曲線，進(jìn)而根據(jù)公式(3)計(jì)算參考影像與待定標(biāo)影像之間的光譜調(diào)整系數(shù)sbafi；

其中，sbafi為某一地物第i波段的光譜匹配系數(shù)，λ表示波長(zhǎng)，ρ(λ)為目標(biāo)地物的連續(xù)光譜反射率，f(λ)為連續(xù)的大氣層外太陽(yáng)光譜輻照度，starget,i(λ)和sreference,i(λ)分別為待定標(biāo)傳感器和參考傳感器第i波段的波譜響應(yīng)函數(shù)，atarget,i，btarget,i和areference,i，breference,i分別為待定標(biāo)傳感器和參考傳感器第i波段的波長(zhǎng)范圍下限和上限。

(2.3)建立brdf調(diào)整系數(shù)ci，消除待定標(biāo)傳感器與參考傳感器之間成像時(shí)的角度的差異，模擬得到與參考影像相同觀測(cè)角和相同太陽(yáng)光入射角時(shí)待定標(biāo)影像的地表反射率，ci的表達(dá)式如下：

其中，brdf是二向性反射分布函數(shù)，

為待定標(biāo)影像第i波段的地表二向性反射分布函數(shù)，

為參考影像第i波段的地表二向性反射分布函數(shù)，

θs-target和分別是待定標(biāo)影像的太陽(yáng)天頂角和方位角，θv-target和則分別是待定標(biāo)影像的衛(wèi)星觀測(cè)天頂角和方位角，θs-reference和分別是參考影像的太陽(yáng)天頂角和方位角，θv-reference和則分別是參考影像的衛(wèi)星觀測(cè)天頂角和方位角?，F(xiàn)有技術(shù)通過brdf模型分別計(jì)算目標(biāo)傳感器和參考傳感器的brdf值，模型中的未知系數(shù)需要通過modis的brdf產(chǎn)品獲取。本發(fā)明獨(dú)創(chuàng)建立了一種brdf調(diào)整系數(shù)ci，為待定標(biāo)傳感器與參考傳感器brdf的比值，從而無(wú)需通過復(fù)雜模型單獨(dú)計(jì)算待定標(biāo)傳感器與參考傳感器的brdf值，而是只關(guān)注以上兩個(gè)函數(shù)的比值，不關(guān)注函數(shù)本身，減少?gòu)?fù)雜計(jì)算，使得計(jì)算過程更加簡(jiǎn)單，而且可以排除因引入輔助數(shù)據(jù)計(jì)算brdf而引起的誤差。

(2.4)初始化參數(shù)，包括設(shè)定待定標(biāo)影像的輻射定標(biāo)系數(shù)gaini和offseti的初始值、有效范圍和變化步長(zhǎng)，以及brdf調(diào)整系數(shù)ci的初始值、有效范圍和變化步長(zhǎng)，作為同化算法的輸入?yún)?shù)；具體實(shí)施時(shí)，初始化參數(shù)可由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)具體情況設(shè)定，例如對(duì)gf4-pms衛(wèi)星，這三個(gè)參數(shù)的初始值分別為0.1，5，1，有效范圍分別為[0,0.5]，[0,20]，[0,1]，變化步長(zhǎng)分別為0.001，0.1，0.01。

然后以迭代的方式進(jìn)行如下處理：

利用輻射定標(biāo)系數(shù)反演待定標(biāo)影像定標(biāo)點(diǎn)的地表反射率，進(jìn)而通過brdf和光譜調(diào)整得到參考影像的模擬地表反射率，比較參考影像的模擬地表反射率與真實(shí)反演的地表反射率之間的差異，若滿足收斂條件，便得到最佳的輻射定標(biāo)系數(shù)；反之，利用同化算法優(yōu)化更新輻射定標(biāo)系數(shù)和brdf調(diào)整系數(shù)。不斷重復(fù)該處理直到參考影像的模擬地表反射率與真實(shí)反演的地表反射率之間的差異小于設(shè)定閾值，便得到最優(yōu)的輻射定標(biāo)系數(shù)。

本發(fā)明中，利用同化算法求解brdf調(diào)整系數(shù)ci，通過迭代不斷優(yōu)化，直到滿足收斂條件，便得到最優(yōu)的brdf調(diào)整系數(shù)，無(wú)需通過復(fù)雜模型求解。

實(shí)施例中，具體實(shí)現(xiàn)包括以迭代方式進(jìn)行以下流程：

(2.4.1)基于待定標(biāo)影像的dn值dntarget,i，利用當(dāng)前的輻射定標(biāo)系數(shù)gaini和offseti取值，通過公式(1)和公式(2)計(jì)算大氣表觀反射率ρtoa(target,i)，進(jìn)而通過6s模型大氣校正得到地表反射率ρ(target,i)；

本步驟中，將dntarget,i代入公式(1)作為dni計(jì)算，根據(jù)公式(2)得到相應(yīng)的ρtoa(i)，即基于待定標(biāo)影像的大氣表觀反射率ρtoa(target,i)。第一次執(zhí)行本步驟時(shí)，輻射定標(biāo)系數(shù)gaini和offseti取值為初始值，后續(xù)采用上一次迭代優(yōu)化后的結(jié)果。

(2.4.2)基于待定標(biāo)影像的地表反射率ρ(target,i)利用步驟2.3所建立brdf調(diào)整系數(shù)ci的當(dāng)前值和步驟2.2所得光譜調(diào)整系數(shù)sbafi通過公式(5)模擬得到參考影像的地表反射率ρsimulated(reference,i)；

ρsimulated(reference,i)＝ρ(target,i)/ci/sbafi(5)

其中ci是brdf調(diào)整系數(shù)，是待定標(biāo)傳感器與參考傳感器brdf的比值。

(2.4.3)比較參考影像的模擬地表反射率ρsimulated(reference,i)與真實(shí)反演的地表反射率ρ(reference,i)之間的差異，若差異比小于預(yù)設(shè)閾值(具體實(shí)施時(shí)本領(lǐng)域技術(shù)人員可預(yù)設(shè)取值，例如0.01)，便得到最佳的輻射定標(biāo)系數(shù)，結(jié)束迭代；反之，利用同化算法優(yōu)化更新輻射定標(biāo)系數(shù)gaini和offseti，以及brdf調(diào)整系數(shù)ci，然后回到步驟(2.4.1)。

差異比計(jì)算如下：

所用到的同化方法可以選擇常見方法，對(duì)于具體采用哪一種方法不做限制，例如sce-ua算法、遺傳算法、模擬退火算法、變分算法、kalman濾波、貝葉斯算法等數(shù)據(jù)同化方法。

利用同化算法求解brdf調(diào)整系數(shù)ci，通過迭代不斷優(yōu)化，直到滿足收斂條件，便得到最優(yōu)的brdf調(diào)整系數(shù)，無(wú)需通過復(fù)雜模型求解；

利用同化算法計(jì)算輻射定標(biāo)系數(shù)gaini和offseti，通過迭代過程不斷優(yōu)化更新該系數(shù)值，直到參考影像模擬地表反射率與反演的地表反射率之間的差異最小。

執(zhí)行同化算法時(shí)，通過參數(shù)的范圍和變化步長(zhǎng)設(shè)置，在這個(gè)有效范圍內(nèi)以變化步長(zhǎng)為間隔生成大量的隨機(jī)值。多個(gè)參數(shù)的情況下，隨機(jī)值會(huì)隨機(jī)組合。首先利用初始值得到模擬結(jié)果，將模擬結(jié)果與真實(shí)結(jié)果或者參考進(jìn)行比較，不符合閾值條件時(shí)，同化算法會(huì)根據(jù)其規(guī)則找到更優(yōu)的參數(shù)值，并淘汰大量隨機(jī)值中的部分值，并將剩下的隨機(jī)值按一定規(guī)則排列或組合成多個(gè)子集。不斷重復(fù)這個(gè)過程，直到滿足收斂條件，那么此時(shí)找到的參數(shù)值就是最佳解。

(3)當(dāng)對(duì)于每個(gè)波段的所有的定標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行上述步驟(2)的操作完成后，將一個(gè)波段的交叉定標(biāo)結(jié)果中偏離平均值較遠(yuǎn)的點(diǎn)刪除，然后取平均值作為最終的交叉定標(biāo)結(jié)果，獲得最終的輻射定標(biāo)系數(shù)gaini和offseti。實(shí)施例中，去掉超過增益系數(shù)gaini平均值±10％的點(diǎn)，計(jì)算剩余點(diǎn)的平均值，如果剩余點(diǎn)中還有超過平均值±10％的點(diǎn)，將其剔除，不斷重復(fù)此過程，直到?jīng)]有超過平均值±10％的點(diǎn)，則將剩余點(diǎn)的均值作為該波段的增益系數(shù)。偏移系數(shù)offseti也通過同樣的方法獲取。

不同于傳統(tǒng)方法利用所有定標(biāo)點(diǎn)擬合得到一組輻射定標(biāo)系數(shù)，本發(fā)明提供的針對(duì)方法每一對(duì)定標(biāo)點(diǎn)都可以得到一組輻射定標(biāo)系數(shù)，可以剔除誤差較大的點(diǎn)，利用定標(biāo)結(jié)果較為一致的定標(biāo)點(diǎn)得到最終的輻射定標(biāo)系數(shù)。因此該方法可以排除異常的定標(biāo)點(diǎn)引起的誤差。

具體實(shí)施時(shí)，以上流程可采用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行。本發(fā)明還提出采用模塊化方式提供相應(yīng)系統(tǒng)。

本發(fā)明實(shí)施例相應(yīng)提供一種用于大觀測(cè)角傳感器的交叉輻射定標(biāo)系統(tǒng)，包括以下模塊，

配準(zhǔn)模塊，用于配準(zhǔn)待定標(biāo)影像和參考影像，對(duì)待定標(biāo)影像和參考影像的每一組對(duì)應(yīng)波段分別進(jìn)行隨機(jī)采樣得到對(duì)應(yīng)的定標(biāo)點(diǎn)；

交叉定標(biāo)模塊，用于針對(duì)每個(gè)波段，分別對(duì)每一對(duì)定標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行如下的交叉定標(biāo)操作，

步驟s1，基于參考影像的定標(biāo)點(diǎn)的dn值計(jì)算大氣表觀反射率，并通過大氣校正得到地表反射率；

步驟s2，對(duì)參考影像的地表反射率進(jìn)行匹配找到最接近的光譜曲線，計(jì)算參考影像與待定標(biāo)影像之間的光譜調(diào)整系數(shù)sbafi，下標(biāo)i用于表示第i波段；

步驟s3，建立brdf調(diào)整系數(shù)ci，所述brdf調(diào)整系數(shù)ci為待定標(biāo)影像第i波段的地表二向性反射分布函數(shù)與參考影像第i波段的地表二向性反射分布函數(shù)的比值；

步驟s4，初始化參數(shù)，包括設(shè)定待定標(biāo)影像的輻射定標(biāo)系數(shù)gaini和offseti的初始值、有效范圍和變化步長(zhǎng)，以及brdf調(diào)整系數(shù)ci的初始值、有效范圍和變化步長(zhǎng)，作為同化算法的輸入?yún)?shù)，其中g(shù)aini為定標(biāo)增益系數(shù)，offseti為絕對(duì)定標(biāo)偏移系數(shù)；然后以迭代的方式進(jìn)行如下處理，

步驟s4.1，基于待定標(biāo)影像的dn值計(jì)算大氣表觀反射率，并通過大氣校正得到地表反射率ρ(target,i)；

步驟s4.2，基于待定標(biāo)影像的地表反射率ρ(target,i)，利用步驟s3所建立brdf調(diào)整系數(shù)ci的當(dāng)前值和步驟s2所得光譜調(diào)整系數(shù)sbafi通過下式模擬得到參考影像的地表反射率ρsimulated(reference,i)；

ρsimulated(reference,i)＝ρ(target,i)/ci/sbafi

步驟s4.3，比較參考影像的模擬地表反射率ρsimulated(reference,i)與真實(shí)反演的地表反射率ρ(reference,i)之間的差異，若差異比小于預(yù)設(shè)閾值，便得到最佳的輻射定標(biāo)系數(shù)，結(jié)束迭代；反之，利用同化算法優(yōu)化更新輻射定標(biāo)系數(shù)gaini和offseti以及brdf調(diào)整系數(shù)ci，然后回到步驟s4.1；

輸出模塊，用于針對(duì)每個(gè)波段，將一個(gè)波段的交叉定標(biāo)結(jié)果中偏離平均值大于預(yù)設(shè)閾值的點(diǎn)刪除，然后取平均值作為最終的交叉定標(biāo)結(jié)果，獲得最終的輻射定標(biāo)系數(shù)gaini和offseti。

各模塊具體實(shí)現(xiàn)可參見相應(yīng)步驟，本發(fā)明不予贅述。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。