專利名稱：Gis支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像處理方法，特別是GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換方法。
背景技術(shù)：
地形對衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的影響和山體陰影、云層陰影的消除，一直都是衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像處理與應(yīng)用中的難題?，F(xiàn)有衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像處理與應(yīng)用技術(shù)與正射影像處理技術(shù)，均沒有從根本上解決這個重要的問題。經(jīng)過查新搜索國內(nèi)外均沒有相關(guān)文獻(xiàn)和專利報道，本項發(fā)明在GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換從理論和實踐上較好地解決了這一問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換方法。
為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的構(gòu)思是本項發(fā)明是在GIS支持下利用自然中太陽直射光、天空散射光照度、地形與衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像相互之間的定量關(guān)系，解析原始衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像為太陽直射光和天空散射光遙感數(shù)字圖像。在此基礎(chǔ)上利用數(shù)字地形圖計算像元太陽直射光變換(改正)系數(shù)，天空散射光變換(改正)系數(shù)和像元地面輻射參數(shù)(散射/直射比 散射/輻射比)進(jìn)行太陽直射光和天空散射光遙感數(shù)字圖像的水平地形變換(如將起伏地形上的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為水平地面上相應(yīng)衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像)。
同時進(jìn)行地形陰影和云層陰影的消除，完成GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換和原始衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的任意地形變換，使每個像元遙感值均嚴(yán)格定量滿足數(shù)字圖像的點成像原理。
根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換方法，其特征在于首先，建立衛(wèi)星遙感信息與地形、太陽直射光和天空散射光之間定量關(guān)系的數(shù)理模型；繼之解析衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像生成太陽直射光遙感圖像和天空散射光遙感圖像、分別進(jìn)行地形變換，消除起伏地形上的輻射差異以及這種差異對衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的影響；然后判斷和消除遙感數(shù)字圖像的山體與云層陰影；在此基礎(chǔ)上最后完成衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換。本發(fā)明的理論、方法較傳統(tǒng)遙感數(shù)字處理先進(jìn)、科學(xué)、合理，可廣泛應(yīng)用于遙感技術(shù)的定量研究和應(yīng)用；其具體操作步驟如下(1)、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像與數(shù)字地形圖配準(zhǔn)；(2)、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的大氣修正；(3)、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點太陽高度角、方位角的計算；(4)、數(shù)字地形圖上計算衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點地面(坡面)太陽直射光地形改正系數(shù)和地面(坡面)天空散射光地形改正系數(shù)(5)、觀察測量或者計算衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點水平地面上的散射/輻射比(6)、解析衛(wèi)星遙感圖像；生成太陽直射光遙感圖像和天空散射光遙感圖像；(7)、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上山體與云層陰影的判斷和衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上山體與云層陰影的消除；(8)、太陽直射光遙感圖像和天空散射光遙感圖像的水平地形變換；(9)、無陰影遙感正射數(shù)字圖像的計算機(jī)生成；(10)、遙感圖像的任意地形變換。
上述的驟(1)中的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像與數(shù)字地形圖配準(zhǔn)是GIS常規(guī)操作。
上述的步驟(2)中的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的大氣修正的步步驟如下(1)利用衛(wèi)片相同地面上相鄰兩非同類像元DN1和DN2的地面反射率γ1和γ2，按下式計算可以得到離散分布的像元大氣程輻射遙感值。
DN(a)＝γ1*(DN1-DN2)/(γ1-γ2) (1)或者對衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上山體和云層陰影中的水體像元遙感值進(jìn)行分析也可以得到離散分布的像元大氣程輻射遙感值；(2)對上述結(jié)果，再采用插值算法得到每個像元大氣程輻射遙感值；對衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各像元點遙感值DNij進(jìn)行減去大氣程輻射遙感值DNAij的運(yùn)算，即DNij-DNAij，便完成了衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的大氣修正。
其中，DNij代表衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各像元點遙感值，DNAij代表大氣程輻射遙感值，DNij-DNAij代表衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的大氣修正值。
上述的步驟(3)中的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點太陽高度角、方位角的計算按下式進(jìn)行計算
θij＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cost(i，j)) (2)A(i，j)＝arcsin(sinθij*sinφ-sinδ)/cosθij*cosφ) (3)δ＝arcsin(sinθ*sinφ-cosθ*cosφ*cosA)(4)t＝arcsin(cosθij*sinA/cosδ)+Δλ (5)θ，A、δ衛(wèi)片注記中星下點太陽高度角、方位角和太陽赤角；λ、φ分別為星下點地理經(jīng)緯度。Δλ為像元點對星下點的經(jīng)度增量。
上述的步驟(4)中的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上山體與與云層陰影的判斷方法如下利用與衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像配準(zhǔn)的數(shù)字地形圖和衛(wèi)片像元的太陽的位置參數(shù)，即高度角、方位角，進(jìn)行山體與云層陰影的判斷，其判斷的準(zhǔn)則是在太陽照射方向該像元點的最大地形、云層、高度角等于或者大于該像元點的太陽高度角即DH(i，j)≥θij，則該像元點為陰影；反之則不是陰影。
上述的步驟(5)中的觀察測量或者計算衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點水平地面上的直、散射輻射比方法如下若衛(wèi)片水平地面上有相鄰2個同類像元X和Y，像元Y位于陰影中，DN(y)和DN(x)、DNa分別是其遙感值和大氣程輻射輻射遙感值，則該處水平地面上的散、直射輻射比L＝(DN(y)-DNa)/(DN(x)-DN(y))(6)上述的步驟(6)中的計算衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點地面直射光地形影響系數(shù)按下式計算Fij＝1-tgαij·ctgθij·cosωij，ωij＝ALij-Aij(7)其中，αij代表像元地表坡角，ALij代表地表坡向，θij代表衛(wèi)片注記中星下點太陽高度角，Aij代表太陽方位角，ωij代表太陽方位角與地面坡向之夾角。
上述的步驟(7)中的計算衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點地面天空散射光地形影響系數(shù)，即衛(wèi)片像元地面天空散射光照射立體角與水平地面上的天空散射光照射立體角2π之比按下式計算Gij=1-2nπΣk=1nβk,]]>式中n＝2π/Δt (8)
其中，βk為第K個方位上的最大平均遮蔽角即立體角。Δt為方位角步長，為360°/n。n為方位劃分?jǐn)?shù)，即n為按計算精度要求將360°劃分的范圍個數(shù)。
上述的步驟(8)中的解析衛(wèi)星遙感圖像；生成太陽直射光遙感圖像和天空散射光遙感圖像，方法如下太陽直射光遙感圖像表達(dá)式DNSij=(DNij-DNAij)·Fij(Fij+Gij·Lij)---(9)]]>天空散射光遙感圖像表達(dá)式DNDij=(DNij-DNAij)·Gij·LijFij+Gij·Lij---(10)]]>i＝1，2…m；j＝1，2…n其中，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射光分量，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNAij代表大氣程輻射遙感值，Lij代表地面反射亮度，F(xiàn)ij代表數(shù)字地形圖上各點地面直射光地形影響系數(shù)，Gij代表數(shù)字地形圖上各點地面天空散射光地形影響系數(shù)，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射光分量，LSij代表地面光譜反射亮度，LDij代表地面輻射照度。
上述的步驟(9)中的太陽直射光遙感數(shù)字圖像和天空散射光遙感數(shù)字圖像的地形變換，采用以下公式計算DN′Sij=DNSij/Fij=(DNij-DNAij)/(Fij+Gij·Lij)---(11)]]>DN′Dij=DNDij/Gij=(DNij-DNAij)·Lij/(Fij+Gij·Lij)---(12)]]>i＝1，2…m；j＝1，2…n其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNij′代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)，DNSij′代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)中直射光分量，DNDij′代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)中散射光分量，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射光分量，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射光分量，DNAij代表大氣程輻射遙感值。
上述的步驟(10)中的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上山體與云層陰影的消除，采用衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上的陰影像元進(jìn)行以下數(shù)字運(yùn)算
DN′ij=(DNij-DNAij)·(1+Lij)/(Fij+Gij·Lij)---(13)]]>其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNij′代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)，DNAij代表大氣程輻射遙感值。
上述的步驟(11)中的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像無陰影正射影像的計算機(jī)生成，使用以下數(shù)字運(yùn)算完成DNij′=DNSij′+DNDij′---(14)]]>DN′ij=(DNij-DNAij)·(1+Lij)/(Fij+Gij·Lij)---(15)]]>其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNij′代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)，DNSij′代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)中直射光分量，DNDij′代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)中散射光分量，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射光分量，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射光分量，DNAij代表大氣程輻射遙感值。
上述的像元大氣程輻射輻射DNAij，通過數(shù)字圖像中相關(guān)信息中提取或地面觀測數(shù)據(jù)計算得出；上述的像元地面太陽高度θij、方位角ALij由衛(wèi)片注記給出的相關(guān)信息計算得出；上述的像元地面坡度αij、坡向Aij以及像元經(jīng)、緯度由衛(wèi)片對應(yīng)DTM給出。上述的步驟(12)中的GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的任意地形變換，使用以下數(shù)字運(yùn)算完成XDNsij＝DN`sij×F`ij＝DNsij×F`ij/Fij＝(DNij-DAij)×F`ij/(Fij+LijGij) (16)其中虛擬的坡面像元太陽直射光水平變換系數(shù)Fij′＝(1-tgαij′·ctgθij′·cosωij′)利用公式XDNsij＝DN`sij×F`ij＝DNsij×F`ij/Fij＝(DNij-DAij)×F`ij/(Fij+LijGij)i＝1，2…m；j＝1，2…n (17)逐點計算便可完成太陽直射光遙感數(shù)字圖像地形和輻射的虛擬與仿真。
其中，XDNSij代表像元遙感數(shù)值中直射光分量，DNSij′代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)中直射光分量，F(xiàn)ij代表數(shù)字地形圖上各點地面直射光地形影響系數(shù)，F(xiàn)ij′代表經(jīng)大氣修正后的數(shù)字地形圖上各點地面直射光地形影響系數(shù)，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNAij代表大氣程輻射遙感值，Lij代表地面反射亮度，Gij代表數(shù)字地形圖上各點地面天空散射光地形影響系數(shù)，αij′代表修正后的像元地表坡角，θij′代表修正后的衛(wèi)片注記中星下點太陽高度角，ωij′代表修正后的太陽方位角與地面坡向之夾角。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點由于衛(wèi)星遙感成像是在自然光條件之下，自然光成份包括太陽直射光(方向性)分量和天空散射光(基本上是各向同性)，其相對強(qiáng)度以及在起伏地表上的再分配方式，對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的影響有很大差異。將大氣修正后衛(wèi)星遙感圖像解析，分離成太陽直射光遙感圖像和天空散射光遙感圖像，分別進(jìn)行太陽直射光和天空散射光的變換，形成對應(yīng)的太陽直射光和天空散射光的地形變換遙感數(shù)字圖像，最后將二者合成自然光條件下的地形變換衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像。其理論、方法較傳統(tǒng)遙感數(shù)字圖像處理(自然光為整體)先進(jìn)、科學(xué)、合理。同時，所生成的太陽直射光和天空散射光遙感數(shù)字圖像以及它們的地形變換數(shù)字圖像都是自然界無法直接獲取的，在理論上和實踐上均有重要價值的遙感信息。
由于遙感數(shù)字圖像的地形變換消除了地形起伏帶來的地表光輻射差異以及云層與山體陰影的影響，在遙感信息中突出了地物波譜特征，使其更具可比性。從根本上改善了遙感數(shù)字圖像的質(zhì)量具有重要的科研和應(yīng)用前景。
本項發(fā)明可廣泛應(yīng)用于遙感技術(shù)的變量研究與各種應(yīng)用，如土地利用研究與調(diào)查、軍事中的偽裝與反偽裝、陰影地物的識別、森林調(diào)查研究、衛(wèi)片的模式識別以及遙感數(shù)字圖像的虛擬與仿真等方面。


圖1為本發(fā)明GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換計算機(jī)生成流程圖。
圖2為福建龍巖地區(qū)1998.12.8經(jīng)過大氣修正后的TM遙感數(shù)字圖像(1024×1024)；圖3為與該衛(wèi)片對應(yīng)數(shù)字地形圖(立體)；圖4，5分別為衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點的太陽直射光和天空散射光地形改正系數(shù)及其可視化圖像；圖6，7分別為該衛(wèi)片解析后生成的太陽直射光和天空散射光遙感數(shù)字圖像；圖8，9分別為圖5，6的水平地形變換圖像；
圖10為圖2的無陰影遙感正射數(shù)字圖像；圖11為圖2任意地形變換后的遙感數(shù)字圖像。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例結(jié)合附圖詳細(xì)說明如下本例為福建龍巖地區(qū)1998.12.8的衛(wèi)片以GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換。參見圖1，本GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換方法是首先，建立衛(wèi)星遙感信息與地形、太陽直射光和天空散射光之間定量關(guān)系的數(shù)理模型；繼之解析衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像生成太陽直射光遙感圖像和天空散射光遙感圖像、分別進(jìn)行地形變換，消除起伏地形上的輻射差異以及這種差異對衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的影響；然后判斷和消除遙感數(shù)字圖像的山體與云層陰影；在此基礎(chǔ)上最后完成衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換。本發(fā)明的理論、方法較傳統(tǒng)遙感數(shù)字處理先進(jìn)、科學(xué)、合理，可廣泛應(yīng)用于遙感技術(shù)的定量研究和應(yīng)用；其具體操作步驟如下(1)、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像與數(shù)字地形圖配準(zhǔn)；(2)、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的大氣修正；(3)、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點太陽高度角、方位角的計算；(4)、數(shù)字地形圖上計算衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點地面(坡面)太陽直射光地形改正系數(shù)和地面(坡面)天空散射光地形改正系數(shù)(5)、觀察測量或者計算衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點水平地面上的散射/輻射比(6)、解析衛(wèi)星遙感圖像；生成太陽直射光遙感圖像和天空散射光遙感圖像；(7)、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上山體與云層陰影的判斷和衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上山體與云層陰影的消除；(8)、太陽直射光遙感圖像和天空散射光遙感圖像的水平地形變換；(9)、無陰影遙感正射數(shù)字圖像的計算機(jī)生成；(10)、遙感圖像的任意地形變換。
衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換在有多點實時輻射觀測資料(散射/輻射比)、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像高精度大氣修正、典型地物反射率和相應(yīng)高精度的數(shù)字地形圖等條件下有最佳的地形變換效果。如果上述條件不能滿足，僅僅利用一般精度的數(shù)字地形圖進(jìn)行衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像地形變換也可以取得令人滿意的較好效果。上述方案中各步驟說明如下1、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像與數(shù)字地形圖配準(zhǔn)
衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像與數(shù)字地形圖(TEM)配準(zhǔn)系GIS常規(guī)操作。
2、星遙感數(shù)字圖像的大氣修正獲得像元大氣程輻射遙感值的方法有兩種利用衛(wèi)片相同地面上相鄰兩非同類像元DN1和DN2的地面反射率γ1和γ2，進(jìn)以下計算DN(a)＝γ1*(DN1-DN2)/(γ1-γ2) (1)可以得到離散分布的像元大氣程輻射遙感值。
對衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上山體和云層陰影中的水體像元遙感值進(jìn)行分析也可以得到離散分布的像元大氣程輻射遙感值。
對上述結(jié)果，再采用插值算法可得到每個像元大氣程輻射遙感值。對衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各像元點遙感值進(jìn)行減去大氣程輻射遙感值的運(yùn)算，即DNij-DNAij，便完成了衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的大氣修正。
其中，DNij代表衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各像元點遙感值，DNAij代表大氣程輻射遙感值，DNij-DNAij代表衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的大氣修正值。
3、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點太陽高度角、方位角的計算按下式進(jìn)行計算θij＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cost(i，j)) (2)A(i，j)＝arcsin(sinθij*sinφ-sinδ)/cosθij*cosφ) (3)δ＝arcsin(sinθ*sinφ-cosθ*cosφ*cosA) (4)t＝arcsin(cosθij*sinA/cosδ)+Δλ (5)θ，A、δ衛(wèi)片注記中星下點太陽高度角、方位角和太陽赤角；λ、φ分別為星下點地理經(jīng)緯度。Δλ為像元點對星下點的經(jīng)度增量。
4、遙感數(shù)字圖像上山體與云層陰影的判斷利用與衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像配準(zhǔn)的數(shù)字地形圖和衛(wèi)片像元的太陽的位置參數(shù)，即高度角、方位角，進(jìn)行山體與云層陰影的判斷，其判斷的準(zhǔn)則是在太陽照射方向該像元點的最大地形、云層、高度角等于或者大于該像元點的太陽高度角即DH(i，j)≥θij，則該像元點為陰影；反之則不是陰影。
5、觀測或計算衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點水平地面上的直、散射輻射比若衛(wèi)片水平地面上有相鄰2個同類像元X和Y，像元Y位于陰影中，DN(y)和DN(x)、DNa分別是其遙感值和大氣程輻射遙感值，則該處水平地面上的散、直射輻射比
L＝(DN(y)-DNa)/(DN(x)-DN(y)) (6)6、計算數(shù)字地形圖上各點地面直射光地形影響系數(shù)Fij＝1-tgαij·ctgθij·cosωij，ωij＝ALij-Aij(7)其中，αij代表像元地表坡角，ALij代表地表坡向，θij代表衛(wèi)片注記中星下點太陽高度角，Aij代表太陽方位角，ωij代表太陽方位角與地面坡向之夾角。
7、計算數(shù)字地形圖上各點地面天空散射光地形影響系數(shù)，即衛(wèi)片像元地面天空散射光照射立體角與水平地面上的天空散射光照射立體角2π之比Gij=1-2nπΣk=1nβk,]]>式中n＝2π/Δt (8)其中，βk為第K個方位上的最大平均遮蔽角即立體角。Δt為方位角步長，為360°/n。n為方位劃分?jǐn)?shù)，即n為按計算精度要求將360°劃分的范圍個數(shù)。
8、解析衛(wèi)星遙感圖像，生成太陽直射光遙感圖像和天空散射光遙感圖像，方法如下太陽直射光遙感圖像表達(dá)式DNSij=(DNij-DNAij)·Fij(Fij+Gij·Lij)---(9)]]>天空散射光遙感圖像表達(dá)式DNDij=(DNij-DNAij)·Gij·LijFij+Gij·Lij---(10)]]>i＝1，2…m；j＝1，2…n其中，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射光分量，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNAij代表大氣程輻射遙感值，Lij代表地面反射亮度，F(xiàn)ij代表數(shù)字地形圖上各點地面直射光地形影響系數(shù)，Gij代表數(shù)字地形圖上各點地面天空散射光地形影響系數(shù)，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射光分量，LSij代表地面光譜反射亮度，LDij代表地面輻射照度。
9、太陽直射光遙感數(shù)字圖像和天空散射光遙感數(shù)字圖像的地形變換，采用以下公式計算DN′Sij=DNSij/Fij=(DNij-DNAij)/(Fij+Gij·Lij)---(11)]]>
DN′Dij=DNDij/Gij=(DNij-DNAij)·Lij/(Fij+Gij·Lij)---(12)]]>i＝1，2…m；j＝1，2…n其中，DDij代表像元遙感數(shù)值，DNij′代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)，DNSij′代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)中直射光分量，DNDij′代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)中散射光分量，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射光分量，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射光分量，DNAij代表大氣程輻射遙感值。
10、GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換，使用以下數(shù)字運(yùn)算完成DNij′=DNSij′+DNDij′---(13)]]>DN′ij=(DNij-DNAij)·(1+Lij)/(Fij+Gij·Lij)---(14)]]>其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNij′代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)，DNSij′代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)中直射光分量，DNDij′代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)中散射光分量，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射光分量，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射光分量，DNAij代表大氣程輻射遙感值。
11、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上山體與云層陰影的消除，采用衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上的陰影像元進(jìn)行以下數(shù)字運(yùn)算DN′ij=(DNij-DNAij)·(1+Lij)/(Fij+Gij·Lij)---(15)]]>其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNij′代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)，DNAij代表大氣程輻射遙感值。
上述的像元大氣程輻射輻射DNAij，通過數(shù)字圖像中相關(guān)信息中提取或地面觀測數(shù)據(jù)計算得出；上述的像元地面太陽高度θij、方位角ALij由衛(wèi)片注記給出的相關(guān)信息計算得出；上述的像元地面坡度αij、坡向Aij以及像元經(jīng)、緯度由衛(wèi)片對應(yīng)DTM給出。
12、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的任意地形變換，使用以下數(shù)字運(yùn)算完成XDNsij＝DN`sij×F`ij＝DNsij×F`ij/Fij＝(DNij-DAij)×F`ij/(Fij+LijGij) (16)其中虛擬的坡面像元太陽直射光水平變換系數(shù)Fij′＝(1-tgαij′·ctgθij′·cosωij′)利用公式XDNsij＝DN`sij×F`ij＝DNsij×F`ij/Fij＝(DNij-DAij)×F`ij/(Fij+LijGij)i＝1，2…m；j＝1，2，…，n (17)逐點計算便可完成太陽直射光遙感數(shù)字圖像地形和輻射的虛擬與仿真。
其中，XDNSij代表像元遙感數(shù)值中直射光分量，DNSij′代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)中直射光分量，F(xiàn)ij代表數(shù)字地形圖上各點地面直射光地形影響系數(shù)，F(xiàn)ij′代表經(jīng)大氣修正后的數(shù)字地形圖上各點地面直射光地形影響系數(shù)，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNAij代表大氣程輻射遙感值，Lij代表地面反射亮度，Gij代表數(shù)字地形圖上各點地面天空散射光地形影響系數(shù)，αij′代表修正后的像元地表坡角，θij′代表修正后的衛(wèi)片注記中星下點太陽高度角，ωij′代表修正后的太陽方位角與地面坡向之夾角。
衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換在有多點實時輻射觀測資料(散射/輻射比)、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像高精度大氣修正、典型地物反射率和相應(yīng)高精度的數(shù)字地形圖等條件下有最佳的地形變換效果。如果上述條件不能滿足，僅僅利用一般精度的數(shù)字地形圖進(jìn)行衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像地形變換也可以取得令人滿意的較好效果。
由于衛(wèi)星遙感成像是在自然光條件之下，自然光成份包括太陽直射光(方向性)分量和天空散射光(基本上是各向同性)，其相對強(qiáng)度以及在起伏地表上的再分配方式，對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的影響有很大差異。將大氣修正后衛(wèi)星遙感圖像解析，分離成太陽直射光遙感圖像和天空散射光遙感圖像，分別進(jìn)行太陽直射光和天空散射光的變換，形成對應(yīng)的太陽直射光和天空散射光的地形變換遙感數(shù)字圖像，最后將二者合成自然光條件下的地形變換衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像。其理論、方法較傳統(tǒng)遙感數(shù)字圖像處理(自然光為整體)先進(jìn)、科學(xué)、合理。同時，所生成的太陽直射光和天空散射光遙感數(shù)字圖像以及它們的地形變換數(shù)字圖像都是自然界無法直接獲取的，在理論上和實踐上均有重要價值的遙感信息。
遙感數(shù)字圖像的地形變換消除了地形起伏帶來的地表光輻射差異以及云層與山體陰影的影響，在遙感信息中突出了地物波譜特征，使其更具可比性。從根本上改善了遙感數(shù)字圖像的質(zhì)量具有重要的科研和應(yīng)用前景。
圖2為福建龍巖地區(qū)1998.12.8經(jīng)過大氣修正后的TM遙感數(shù)字圖像(1024×1024)；圖3為與該衛(wèi)片匹配的對應(yīng)數(shù)字地形圖(立體)；圖4、圖5分別為該衛(wèi)片解析后生成的太陽直射光和天空散射光遙感數(shù)字圖像太陽直射光遙感數(shù)字圖像(圖4)為地形影響的太陽直射光下的遙感數(shù)字圖像上有明顯的陰影分布、山脊兩邊直射光輻射有明顯差異；天空散射光遙感數(shù)字圖像(圖5)為地形影響的低照度天空散射光下的遙感數(shù)字圖像。
圖6、圖7分別地形直射光地形變換系數(shù)和天空散射光地形變換系數(shù)的可視化，它們有著十分清晰的物理和地學(xué)意義圖6為地形直射光地形變換系數(shù)的線性拉伸。表達(dá)成像瞬間太陽直射光輻射在起伏地面上的真實歸一化(水平地面上太陽直射光輻射照度為1)分布。
圖7為天空散射光地形變換系數(shù)的線性拉伸。表達(dá)成像瞬間天空散射光輻射在起伏地面上的真實歸一化(水平地面上天空散射光輻射照度為1)分布。
直射光地形變換系數(shù)和天空散射光地形變換系數(shù)及其可視化在數(shù)字沙盤、地圖暈染和數(shù)字可視化等方面有廣泛應(yīng)用。
圖8、圖9分別為太陽直射光和天空散射光遙感數(shù)字圖像所對應(yīng)的水平地形變換的圖像太陽直射光(非偏振光)遙感數(shù)字圖像的地形變換圖像(圖8)上陰影已經(jīng)消除，原來隱藏在陰影中的水體清晰可見，山脊兩邊直射光輻射差異已不明顯，起伏山地已變成平原。與原來的遙感數(shù)字圖像相比太陽直射光遙感數(shù)字圖像的地形變換圖像顯然有利于計算機(jī)的自動識別與分類，其圖像質(zhì)量有重大的改善和提高。
天空散射光遙感數(shù)字圖像的地形變換圖像(圖9)為消除了地形影響在各向均勻的天空散射光(偏振光)條件下的成像的遙感數(shù)字圖像。
圖10為計算機(jī)生成的無陰影衛(wèi)星遙感數(shù)字正射影像(圖8和圖9的合成)。
圖11為圖2任意地形變換后的遙感數(shù)字圖像。
衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換在有多點同步實時輻射觀測資料(散射/直射比)、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像高精度大氣修正、典型地物反射率和相應(yīng)高精度的數(shù)字地形圖等條件下有最佳的地形變換效果。如果上述條件不能滿足，僅僅利用一般精度的數(shù)字地形圖進(jìn)行衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像地形變換也可以取得令人滿意的較好效果。
權(quán)利要求
1.GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換，其特征在于首先，建立衛(wèi)星遙感信息與地形、太陽直射光和天空散射光之間定量關(guān)系的數(shù)理模型；繼之解析衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像生成太陽直射光遙感圖像和天空散射光遙感圖像、分別進(jìn)行地形變換，消除起伏地形上的輻射差異以及這種差異對衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的影響；然后判斷和消除遙感數(shù)字圖像的山體與云層陰影；在此基礎(chǔ)上最后完成衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換；其具體操作步驟如下(1)、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像與數(shù)字地形圖配準(zhǔn)；(2)、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的大氣修正；(3)、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點太陽高度角、方位角的計算；(4)、數(shù)字地形圖上計算衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點地面或坡面太陽直射光地形改正系數(shù)和地面或坡面天空散射光地形改正系數(shù)；(5)、觀察測量或者計算衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點水平地面上的散射/輻射比；(6)、解析衛(wèi)星遙感圖像；生成太陽直射光遙感圖像和天空散射光遙感圖像；(7)、衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上山體與云層陰影的判斷和衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上山體與云層陰影的消除；(8)、太陽直射光遙感圖像和天空散射光遙感圖像的水平地形變換；(9)、無陰影遙感正射數(shù)字圖像的計算機(jī)生成；(10)、遙感圖像的任意地形變換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換，其特征在于所述的步驟(2)中的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的大氣修正的步驟如下(1)利用衛(wèi)片相同地面上相鄰兩非同類像元DN1和DN2的地面反射率γ1和γ2，按下式計算可以得到離散分布的像元大氣程輻射遙感值DN(a)＝γ1*(DN1-DN2)/(γ1-γ2)，或者對衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上山體和云層陰影中的水體像元遙感值進(jìn)行分析得到離散分布的像元大氣程輻射遙感值；(2)對上述結(jié)果，再采用插值算法得到每個像元大氣程輻射遙感值；(3)對衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各像元點遙感值DNij進(jìn)行減去大氣程輻射遙感值DNAij的運(yùn)算，即DNij-DNAij，便完成了衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的大氣修正，其中，DNij代表衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各像元點遙感值，DNAij代表大氣程輻射遙感值，DNij-DNAij代表衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的大氣修正值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換，其特征在于所述的步驟(3)中的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點太陽高度角、方位角的計算按下式進(jìn)行計算θij＝arcsin(sinφ*sinδ+cosφ*cosδ*cost(i，j))，A(i，j)＝arcsin(sinθij*sinφ-sinδ)/cosθij*cosφ)，δ＝arcsin(sinθ*sinφ-cosθ*cosφ*cosA)，t＝arcsin(cosθij*sinA/cosδ)+Δλ，θ，A、δ衛(wèi)片注記中星下點太陽高度角、方位角和太陽赤角；λ、φ分別為星下點地理經(jīng)緯度。Δλ為像元點對星下點的經(jīng)度增量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換，其特征在于所述的步驟(4)中的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上山體與云層陰影的判斷方法如下利用與衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像配準(zhǔn)的數(shù)字地形圖和衛(wèi)片像元的太陽的位置參數(shù)，即高度角、方位角，進(jìn)行山體與云層陰影的判斷，其判斷的準(zhǔn)則是在太陽照射方向該像元點的最大地形、云層、高度角等于或者大于該像元點的太陽高度角即DH(i，j)≥θij，則該像元點為陰影；反之則不是陰影。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換，其特征在于所述的步驟(5)中的觀測或計算衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上各點水平地面上的直、散射輻射比方法如下若衛(wèi)片水平地面上有相鄰2個同類像元X和Y，像元Y位于陰影中，DN(y)和DN(x)、DNa分別是其遙感值和大氣程輻射遙感值，則該處水平地面上的散、直射輻射比L＝(DN(y)-DNa)/(DN(x)-DN(y))。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換，其特征在于所述的步驟(6)中的計算數(shù)字地形圖上各點地面直射光地形影響系數(shù)按下式計算Fij＝1-tgαij·ctgθij·cosωij，ωij＝ALij-Aij，其中，αij代表像元地表坡角，ALij代表地表坡向，θij代表衛(wèi)片注記中星下點太陽高度角，Aij代表太陽方位角，ωij代表太陽方位角與地面坡向之夾角。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換，其特征在于所述的步驟(7)中的計算數(shù)字地形圖上各點地面天空散射光地形影響系數(shù)，即衛(wèi)片像元地面天空散射光照射立體角與水平地面上的天空散射光照射立體角2π之比按下式計算Gij=1-2nπΣk=1nβk,]]>式中n＝2π/Δt，其中，βk為第K個方位上的最大平均遮蔽角即立體角，Δt為方位角步長，為360°/n，n為方位劃分?jǐn)?shù)，即n為按計算精度要求將360°劃分的范圍個數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換，其特征在于所述的步驟(8)中的解析衛(wèi)星遙感圖像，生成太陽直射光遙感圖像和天空散射光遙感圖像，方法如下太陽直射光遙感圖像表達(dá)式DNSij=(DNij-DNAij)·Fij(Fij+Gij·Lij),]]>天空散射光遙感圖像表達(dá)式DNDij=(DNij-DNAij)·Gij·LijFij+Gij·Lij,]]>i＝1，2…m，j＝1，2…n，其中，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射光分量，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNAij代表大氣程輻射遙感值，Lij代表地面反射亮度，F(xiàn)ij代表數(shù)字地形圖上各點地面直射光地形影響系數(shù)，Gij代表數(shù)字地形圖上各點地面天空散射光地形影響系數(shù)，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射光分量，LSij代表地面光譜反射亮度，LDij代表地面輻射照度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換，其特征在于所述的步驟(9)中的太陽直射光遙感數(shù)字圖像和天空散射光遙感數(shù)字圖像的地形變換，采用以下公式計算DN′Sij＝DNSij/Fij＝(DNij-DNAij)/(Fij+Gij·Lij)，DN′Dij＝DNDij/Gij＝(DNij-DNAij)·Lij/(Fij+Gij·Lij)，i＝1，2…m，j＝1，2…n，其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DN′ij代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)，DN′Sij代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)中直射光分量，DN′Dij代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)中散射光分量，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射光分量，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射光分量，DNAij代表大氣程輻射遙感值。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換，其特征在于所述的步驟(10)中的GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換，使用以下數(shù)字運(yùn)算完成DN′ij＝DN′Sij+DN′Dij，DN′ij＝(DNij-DNAij)·(1+Lij)/(Fij+Gij·Lij)，其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DN′ij代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)，DN′Sij代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)中直射光分量，DN′Dij代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)中散射光分量，DNDij代表像元遙感數(shù)值中散射光分量，DNSij代表像元遙感數(shù)值中直射光分量，DNAij代表大氣程輻射遙感值。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換，其特征在于所述的步驟(11)中的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上山體與云層陰影的消除，采用衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像上的陰影像元進(jìn)行以下數(shù)字運(yùn)算DN′ij＝(DNij-DNAij)·(1+Lij)/(Fij+Gij·Lij)，其中，DNij代表像元遙感數(shù)值，DN′ij代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)，DNAij代表大氣程輻射遙感值。
12.根據(jù)權(quán)利要求2或3或6所述的GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換，其特征在于所述的像元大氣程輻射輻射DNAij，通過數(shù)字圖像中相關(guān)信息中提取或地面觀測數(shù)據(jù)計算得出；所述的像元地面太陽高度θij、方位角ALij由衛(wèi)片注記給出的相關(guān)信息計算得出；所述的像元地面坡度αij、坡向Aij以及像元經(jīng)、緯度由衛(wèi)片對應(yīng)DTM給出。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換，其特征在于所述的步驟(12)中的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的任意地形變換，使用以下數(shù)字運(yùn)算完成XDNsij＝DN`sij×F`ij＝DNsij×F`ij/Fij＝(DNij-DNAij)×F`ij/(Fij+LijGij)，其中虛擬的坡面像元太陽直射光水平變換系數(shù)F′ij＝(1-tgα′ij·ctgθ′ij·cosω′ij)利用公式XDNsij＝DN`sij×F`ij＝DNsij×F`ij/Fij＝(DNij-DNAij)×F`ij/(Fij+LijGij)i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n逐點計算便可完成太陽直射光遙感數(shù)字圖像地形和輻射的虛擬與仿真，其中，XDNSij代表像元遙感數(shù)值中直射光分量，DN′Sij代表經(jīng)大氣修正后的衛(wèi)星像元遙感數(shù)據(jù)中直射光分量，F(xiàn)ij代表數(shù)字地形圖上各點地面直射光地形影響系數(shù)，F(xiàn)′ij代表經(jīng)大氣修正后的數(shù)字地形圖上各點地面直射光地形影響系數(shù)，DNij代表像元遙感數(shù)值，DNAij代表大氣程輻射遙感值，Lij代表地面反射亮度，Gij代表數(shù)字地形圖上各點地面天空散射光地形影響系數(shù)，α′ij代表修正后的像元地表坡角，θ′ij代表修正后的衛(wèi)片注記中星下點太陽高度角，ω′ij代表修正后的太陽方位角與地面坡向之夾角。
全文摘要
本發(fā)明涉及GIS支持下的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換。本方法是首先，建立衛(wèi)星遙感信息與地形、太陽直射光和天空散射光之間定量關(guān)系的數(shù)理模型；繼之解析衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像生成太陽直射光遙感圖像和天空散射光遙感圖像、分別進(jìn)行地形變換，消除起伏地形上的輻射差異以及這種差異對衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的影響；然后判斷和消除遙感數(shù)字圖像的山體與云層陰影；在此基礎(chǔ)上最后完成衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的地形變換。本發(fā)明的理論、方法較傳統(tǒng)遙感數(shù)字處理先進(jìn)、科學(xué)、合理，可廣泛應(yīng)用于遙感技術(shù)的定量研究和應(yīng)用。
文檔編號G06T5/00GK101034472SQ20071003872
公開日2007年9月12日 申請日期2007年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月29日
發(fā)明者李先華, 師彪 申請人:上海大學(xué)