一種云陰影檢測方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及遙感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種云陰影檢測方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著衛(wèi)星影像分辨率的不斷提高，云3D效應(yīng)對輻射反演精度的影響越來越明顯。 因此，在一維輻射傳輸模式的基礎(chǔ)上對云3D效應(yīng)進(jìn)行一定的修正是云天條件下地表輻射估 算的有效方法。在這一過程中，云陰影的計(jì)算和檢測成為地表太陽輻射估算的一個(gè)重要環(huán) 節(jié)，可在一定程度上提高輻射反演的準(zhǔn)確性。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中云陰影檢測主要利用光譜閾值法，或者在云檢測基礎(chǔ)上利用幾何方法 來計(jì)算，云陰影的檢測比云檢測更加困難。如果單純依靠光譜檢測，盡管有時(shí)會奏效，但也 不可避免地會和地表其他較暗的地表混淆，如地形陰影和濕地，同時(shí)也會漏掉一些不是很 暗的陰影區(qū)域以及被云遮擋的區(qū)域。Hutchison等對單純通過地表反射率等進(jìn)行光譜檢測 的云陰影識別方法進(jìn)行分析后認(rèn)為，在多數(shù)情況下存在較大誤差，于是提出一種基于幾何 關(guān)系的識別方法，即在知道太陽天頂角和方位角，以及云的高度和邊緣范圍的情況下可以 根據(jù)幾何投影預(yù)測陰影的位置，其效果優(yōu)于光譜法。Luo等也利用了幾何方法計(jì)算云陰影的 位置，但沒有考慮地形因素。Zhu等在Fmask方法中利用了 Landsat band4在云陰影處反射率 低，而陰影周圍反射率高的特定，采用Flood-fill的形態(tài)學(xué)變換方法來判別可能的云陰影。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:現(xiàn)有的利用幾何關(guān)系檢測云陰影的方法不適用于 復(fù)雜的地形條件，檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一方面提出了一種云陰影檢測方法方法，該方法包 括：
[0006] 選取云圖像中的任意云像元，獲取云像元在水平地表的垂直投影的位置、所述云 像元在水平地表上的陰影的位置和所述云像元的高度值，并建立光線的直線方程；
[0007] 獲取云圖像對應(yīng)的地表的高程數(shù)據(jù)，將所述高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到空間坐標(biāo)系下；
[0008] 根據(jù)所述高程數(shù)據(jù)中各點(diǎn)的坐標(biāo)、高程值和所述光線的直線方程獲取匹配點(diǎn)的坐 標(biāo)，所述匹配點(diǎn)的坐標(biāo)即為云像元陰影點(diǎn)的位置；
[0009] 獲取云圖像中各個(gè)云像元陰影點(diǎn)的位置，從而獲取云陰影的位置。
[0010]可選地，所述光線的直線方程為：
[0011]
[0012] 其中，（XshadQW，Yshad?)為所述云像元在水平地表上的陰影的位置，（X nadir，Ynadir)為 所述云像元在水平地表的垂直投影的位置，h為所述云像元的高度值，（X，Y，Z)為空間點(diǎn)坐 標(biāo)，Ζ為高程值。
[0013] 可選地，根據(jù)所述高程數(shù)據(jù)中各點(diǎn)的坐標(biāo)、高程值和所述光線的直線方程獲取匹 配點(diǎn)的坐標(biāo)，包括：
[0014] 根據(jù)所述高程數(shù)據(jù)中各點(diǎn)的坐標(biāo)、高程值和所述光線的直線方程獲取所述光線的 直線方程與所述云像元對應(yīng)的地表的交點(diǎn)；
[0015] 若所述交點(diǎn)唯一確定，則所述交點(diǎn)即為匹配點(diǎn)；
[0016] 若所述交點(diǎn)的數(shù)目為多個(gè)，則選擇各個(gè)交點(diǎn)中高程值最高且與所述光線距離最小 的交點(diǎn)為匹配點(diǎn)。
[0017] 可選地，所述獲取云圖像對應(yīng)的地表的高程數(shù)據(jù)，將所述高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到空間坐 標(biāo)系下，包括：
[0018] 獲取云圖像對應(yīng)的地表中各點(diǎn)的高程最低值，分別將所述云圖像中的各點(diǎn)的高程 減去該尚程最低值；
[0019] 將所述云圖像對應(yīng)的地表中各點(diǎn)的高程值除以所述云圖像的分辨率，將所述高程 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到空間坐標(biāo)系下。
[0020] 可選地，所述根據(jù)所述高程數(shù)據(jù)中各點(diǎn)的坐標(biāo)、高程值和所述光線的直線方程獲 取所述光線的直線方程與所述云像元對應(yīng)的地表的交點(diǎn)，包括：
[0021] 將所述高程數(shù)據(jù)中各點(diǎn)的坐標(biāo)和高程值帶入以下公式，獲取所述光線的直線方程 與所述云像元對應(yīng)的地表的交點(diǎn)；
[0022]
[0023] 穴,，。廠
[0024] 可選地，所述若所述交點(diǎn)的數(shù)目為多個(gè)，則選擇各個(gè)交點(diǎn)中高程值最高且與所述 光線距離最小的交點(diǎn)為匹配點(diǎn)，包括：
[0025]在所述交點(diǎn)中獲取各點(diǎn)最小的高程值，將所述交點(diǎn)的高程值減去所述最小的高程 值；
[0026] 獲取所述交點(diǎn)的高程值與所述最小的高程值之差大于兩倍高程分辨率的交點(diǎn)作 為新的交點(diǎn)，并從所述新的交點(diǎn)中選擇與所述光線距離最小的新的交點(diǎn)為匹配點(diǎn)。
[0027] 可選地，所述從所述新的交點(diǎn)中選擇與所述光線距離最小的新的交點(diǎn)為匹配點(diǎn)， 包括：
[0028] 選取各新的交點(diǎn)鄰域內(nèi)的兩點(diǎn)與該點(diǎn)組成一個(gè)平面，獲取所述平面與所述光線的 交點(diǎn)作為平面光線交點(diǎn)；
[0029]獲取所述各新的交點(diǎn)與相應(yīng)的平面光線交點(diǎn)的距離，選擇所述距離最小的新的交 點(diǎn)為匹配點(diǎn)。
[0030] 另一方面，本發(fā)明還提出了一種云陰影檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[0031] 光線的直線方程建立單元，用于選取云圖像中的任意云像元，獲取云像元在水平 地表的垂直投影的位置、所述云像元在水平地表上的陰影的位置和所述云像元的高度值， 并建立光線的直線方程；
[0032] 高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元，用于獲取云圖像對應(yīng)的地表的高程數(shù)據(jù)，將所述高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換到空間坐標(biāo)系下；
[0033]云像元陰影點(diǎn)位置獲取單元，用于根據(jù)所述高程數(shù)據(jù)中各點(diǎn)的坐標(biāo)、高程值和所 述光線的直線方程獲取匹配點(diǎn)的坐標(biāo)，所述匹配點(diǎn)的坐標(biāo)即為云像元陰影點(diǎn)的位置；
[0034]云陰影位置獲取單元，用于獲取云圖像中中各個(gè)云像元陰影點(diǎn)的位置，從而獲取 云陰影的位置。
[0035]可選地，所述光線的直線方程為：
[0036]
[0037] 其中，（Χ-，Υ-)為所述云像元在水平地表上的陰影的位置，（Xnadir，Ynadir)為 所述云像元在水平地表的垂直投影的位置，h為所述云像元的高度值，（X，Y，Z)為空間點(diǎn)坐 標(biāo)，Ζ為高程值。
[0038]進(jìn)一步地，所述高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元，用于獲取云圖像對應(yīng)的地表中各點(diǎn)的高程最 低值，分別將所述云圖像中的各點(diǎn)的高程減去該高程最低值；
[0039]將所述云圖像對應(yīng)的地表中各點(diǎn)的高程值除以所述云圖像的分辨率，將所述高程 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到空間坐標(biāo)系下。
[0040] 本發(fā)明提供一種云陰影檢測方法及系統(tǒng)，通過云檢測和獲取云高程數(shù)據(jù)，將云投 影于起伏地表的過程抽象為幾何過程，并結(jié)合幾何學(xué)計(jì)算復(fù)雜地形條件下云陰影的位置， 能夠滿足在復(fù)雜地形條件下計(jì)算云陰影位置的需要，提高了云陰影檢測的準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0041] 通過參考附圖會更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖是示意性的而不應(yīng)理 解為對本發(fā)明進(jìn)行任何限制，在附圖中：
[0042] 圖1示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的云陰影檢測方法的流程示意圖；
[0043] 圖2示出了光線投射到復(fù)雜地形的幾何示意圖；
[0044]圖3示出了 一幅云圖像；
[0045] 圖4示出了轉(zhuǎn)換后的高程數(shù)據(jù)；
[0046] 圖5示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的云陰影檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0048]圖1示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的云陰影檢測方法的流程示意圖。如圖1所示，該方 法包括：
[0049] S1:選取云圖像中的任意云像元，獲取云像元在水平地表的垂直投影的位置、所述 云像元在水平地表上的陰影的位置和所述云像元的高度值，并建立光線的直線方程；
[0050] S2:獲取云圖像對應(yīng)的地表的高程數(shù)據(jù)，將所述高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到空間坐標(biāo)系下；
[0051] S3:根據(jù)所述高程數(shù)據(jù)中各點(diǎn)的坐標(biāo)、高程值和所述光線的直線方程獲取匹配點(diǎn) 的坐標(biāo)，所述匹配點(diǎn)的坐標(biāo)即為云像元陰影點(diǎn)的位置；
[0052] S4:獲取云圖像中各個(gè)云像元陰影點(diǎn)的位置，從而獲取云陰影的位置。
[0053]本實(shí)施例的云陰影檢測方法，通過云檢測和獲取云高程數(shù)據(jù)，將云投影于起伏地 表的過程抽象為幾何過程，并結(jié)合幾何學(xué)計(jì)算復(fù)雜地形條件下云陰影的位置，能夠滿足在 復(fù)雜地形條件下計(jì)算云陰影位置的需要，提高了云陰影檢測的準(zhǔn)確性。
[0054] 在實(shí)際應(yīng)用中，是通過獲取云像元的空間位置、云像元在水平地表上的陰影的位 置和所述云像元的高度值和相關(guān)幾何學(xué)公式推導(dǎo)得到光線的直線方程。
[0055] 在一個(gè)可選的實(shí)施方式中，所述光線的直線方程為：
[0056]
[0057] 其中，（Χ-，Υ-)為所述云像元在水平地表上的陰影的位置，（Xnadir，Ynadir)為 所述云像元在水平地表的垂直投影的位置，h為所述云像元的高度值，（X，Y，Z)為空間點(diǎn)坐 標(biāo)，Ζ為高程值。
[0058] 進(jìn)一步地，根據(jù)所述高程數(shù)據(jù)中各點(diǎn)的坐標(biāo)、高程值和所述光線的直線方程獲取 匹配點(diǎn)的坐標(biāo)，包括：
[0059] 根據(jù)所述高程數(shù)據(jù)中各點(diǎn)的坐標(biāo)、高程值和所述光線的直線方程獲取所述光線的 直線方程與所述云像元對應(yīng)的地表的交點(diǎn)；
[0060] 若所述交點(diǎn)唯一確定，則所述交點(diǎn)即為匹配點(diǎn)；
[0061] 若所述交點(diǎn)的數(shù)目為多個(gè)，則選擇各個(gè)交點(diǎn)中高程值最高且與所述光線距離最小 的交點(diǎn)為匹配點(diǎn)。
[0062] 圖2示出了光線投射到復(fù)雜地形的幾何示意圖。圖3示出了一幅云圖像，記載了云 檢測數(shù)據(jù)。
[0063] 本實(shí)施例將光線透過云像元照射到坡面上形成陰影的過程抽象成一條直線穿過 一個(gè)面并與該面相交于一點(diǎn)或幾點(diǎn)。它們所形成的交點(diǎn)所在的位置即為云像元在坡面上所 形成的陰影點(diǎn)所在位置。通過云像元的實(shí)際位置和計(jì)算得到的水平地表的陰影位置和對應(yīng) 的云像元高度可以獲得代表該條光線的空間直線方程，再將坡地的坐標(biāo)和高程值代入該方 程尋找匹配點(diǎn)即可得到相應(yīng)坡面上的云像元的位置。獲取云圖像中各個(gè)云像元陰影點(diǎn)的位 置，從而獲取云陰影的位置。
[0064]因?yàn)閷?shí)際光線會首先被高程高的坡面所遮擋，而抽象的計(jì)算過程會包含所有直線 穿過的點(diǎn)，因而若所述交點(diǎn)的數(shù)目為多個(gè)，則選擇各個(gè)交點(diǎn)中高程值最高且與所述光線距 離最小的交點(diǎn)為匹配點(diǎn)。
[0065]進(jìn)一步地，所述獲取云圖像對應(yīng)的地表的高程數(shù)據(jù)，將所述高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到空間 坐標(biāo)系下，包括：
[0066]獲取云圖像對應(yīng)的地表中各點(diǎn)的高程最低值，分別將所述云圖像中的各點(diǎn)的高程 減去該尚程最低值；
[0067] Zpi = Zi_Zmin
[0068] 其中，Zmin表示高程最低值，i表示各點(diǎn)編號，Zi為i點(diǎn)的原始高程值，Zpi為i點(diǎn)"平 臺化"后的高程值；
[0069] 將所述云圖像對