專利名稱：一種平坦地形下遙感輻亮度數(shù)據(jù)立方體的模擬方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種平坦地形下遙感輻亮度數(shù)據(jù)立方體的模擬方法，可用于 在遙感器的設計階段生成其模擬機載或星載數(shù)據(jù)，從而服務于遙感器的應用 能力預測和指標優(yōu)化設計、數(shù)據(jù)處理算法的開發(fā)和性能評價，是對地觀測領 域的一項支撐技術。
(二)
背景技術：
為開展遙感器的成像質(zhì)量預測和性能指標優(yōu)化、數(shù)據(jù)處理算法的開發(fā)和 效果評價，需要在特定成像條件下獲得的遙感數(shù)據(jù)。而在很多情況下，這種 特定成像條件下的遙感數(shù)據(jù)難以通過真實飛行獲得，比如遙感器尚未完成制 造、所需成像條件過于苛刻而無法實現(xiàn)或者所需采集的數(shù)據(jù)量過于巨大等。 利用計算機仿真的方法生成模擬遙感數(shù)據(jù)，是一種有效的解決途徑。
遙感數(shù)據(jù)立方體是指含有遙感場景兩維空間及一 維光譜信息的三維數(shù)
據(jù)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有的遙感數(shù)據(jù)立方體的模擬方法可以分為兩類 一是針對遙感場 景的模擬方法，二是針對遙感器的模擬方法。
針對遙感場景的模擬方法通過建立離散的地面場景并模擬大氣輻射傳 輸過程，得到遙感器高度處的離散光譜輻亮度分布。該類方法可以生成輻亮 度數(shù)據(jù)立方體，但由于未考慮遙感器的成像過程，輻亮度數(shù)據(jù)立方體不對應 實際遙感中所獲取的數(shù)據(jù)。
針對遙感器的模擬方法主要通過對已有的地面反射率數(shù)據(jù)立方體進行 光譜維重采樣和空間維重采樣，模擬指定遙感器所獲取的反射率數(shù)據(jù)立方 體。雖然在有些具體實現(xiàn)中還增加了調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)空間維退化和噪 聲疊加操作，該類方法都對遙感器成像過程的模擬不夠全面，而且不包含對 大氣傳輸過程的模擬，不符合實際遙感物理過程，其模擬數(shù)據(jù)的真實性較差。
4f、勞日月由《
本發(fā)明所要解決的技術問題是提出 一種平坦地形下遙感輻亮度數(shù)據(jù)立 方體的計算機模擬方法，模擬過程全面包含了大氣輻射傳輸和遙感器成像的
整個過程，符合實際遙感物理過程，其模擬數(shù)據(jù)的真實性高，相當于實際遙 感中獲得的1級數(shù)據(jù)。
本發(fā)明一種平坦地形下遙感輻亮度數(shù)據(jù)立方體的模擬方法，其技術方案
域的地面反射率分布，利用大氣傳輸方程結(jié)合中等光譜分辨率大氣透過率計 算模型(MODTRAN)模擬平坦地形下的大氣傳輸過程，建立遙感器成像和 定標的等效模型模擬遙感器獲取數(shù)字圖像并定標的過程，最終生成遙感輻亮 度數(shù)據(jù)立方體。其具體步驟如下
(1) 設定地面狀況、環(huán)境條件和遙感器性能指標三類模擬參數(shù)，其中 遙感器性能指標包括空間分辨率、各波段光譜響應函數(shù)、調(diào)制傳遞函數(shù) MTF、信噪比、動態(tài)范圍和量化位數(shù)；
(2) 在已有的地面反射率數(shù)據(jù)立方體中，選擇與步驟(1)中設定的模 擬參數(shù)相適應的數(shù)據(jù)，作為模擬區(qū)域的地面反射率數(shù)據(jù)立方體；
(3) 利用步驟(2)中的地面反射率數(shù)據(jù)立方體，進行大氣傳輸模擬， 得到遙感器入瞳處的輻亮度數(shù)據(jù)立方體；
(4) 根據(jù)步驟(1)中設定的空間分辨率，對步驟(3)生成的數(shù)據(jù)進 行空間維重采樣；
(5) 根據(jù)步驟(1)中設定的光譜響應函數(shù)，對步驟(4)生成的數(shù)據(jù) 進行光譜維重采樣；
(6) 根據(jù)步驟(1 )中設定的MTF，對步驟(5)生成的數(shù)據(jù)進行空間 維退化；
(7) 根據(jù)步驟(1)中設定的信噪比，在步驟(6)生成的數(shù)據(jù)上疊加
噪聲；(8) 才艮據(jù)步驟(1)中設定的動態(tài)范圍，對步驟(7)生成的數(shù)據(jù)進行 飽和與截止處理；
(9) 根據(jù)步驟(1)中設定的量化位數(shù)，對步驟(8)生成的數(shù)據(jù)進行 量化，得到最終的遙感輻亮度數(shù)據(jù)立方體。
其中，步驟(2)中所述的與步驟(1)中設定的模擬參數(shù)相適應是指 數(shù)據(jù)中所含的地物狀況與設定的地面狀況相符合，其空間分辨率與設定的空 間分辨率相同或者更高，其光譜分辨率與設定的各波段光譜響應函數(shù)所對應 的光i普分辨率相同或者更高、其光譜范圍包含設定的跟波段光譜響應函數(shù)對 應的光譜范圍。
其中，步驟(3)中所述的大氣傳輸模擬是指根據(jù)大氣傳輸方程計算每 一個像元對應的遙感器入瞳處的輻亮度光譜Z:
其中，p為該像元的反射率光譜，A為該像元對應的背景平均反射率光譜， j、 i 為表示大氣傳輸特性的兩個待定系數(shù)，s為大氣反照率光譜，4為大 氣程輻射光譜。根據(jù)步驟1中設定的環(huán)境條件，運行四次中等光i普分辨率大
氣透過率計算模型MODTRAN — 一目標反射率l背景反射率分別設為0|0、 0|0.5、 0|1和1|0，得到四組遙感器入瞳輻亮度光譜4,。、 、Q.5、、,和丄u。， 可由下式計算出j、 5、 S和丄。
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，步驟(5)中所述的光錯維重采樣采用如下方法重采樣后每個 像元第/波段的輻亮度值《由重采樣前該像元各波段的輻亮度值《加權(quán)求和
得到
<formula>formula see original document page 6</formula>Z3 =^_
j ;吼
其中，g,(A)為重采樣前數(shù)據(jù)的第z'波段光譜響應函數(shù)，力(;i)為重采樣后數(shù)據(jù)
的第p皮段光譜響應函數(shù)，wg^為權(quán)重系數(shù)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于本發(fā)明給出 一種平坦地形條件下由 地面反射率數(shù)據(jù)模擬遙感輻亮度數(shù)據(jù)立方體的方法，對大氣輻射傳輸和遙感 器成像過程進行了全面的模擬，模擬數(shù)據(jù)的真實性高。生成的模擬數(shù)據(jù)可用 于進行數(shù)據(jù)處理算法開發(fā)和評價、遙感器應用能力預測和指標優(yōu)化設計，也 可用于遙感數(shù)據(jù)獲取過程中的影響因素分析等遙感機理研究。
(四)


圖1為本發(fā)明的實現(xiàn)方法流程圖。
圖2為本發(fā)明的大氣傳輸模擬過程示意圖。
(五)
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的具體實施方法如下
1、 模擬參數(shù)設定
設定模擬成像的地面狀況、環(huán)境條件、遙感器性能指標等參數(shù)。其中， 地面狀況包括地物類型及分布、成像區(qū)域中心點經(jīng)綿度等；環(huán)境條件包 括大氣類型、氣溶膠類型、能見度、大氣點擴散函數(shù)、太陽高度角和方 位角等；遙感器性能指標包括空間分辨率、各波段光譜響應函數(shù)、MTF、 信噪比、動態(tài)范圍和量化位數(shù)等。
2、 地面反射率數(shù)據(jù)立方體選擇 在已有的地面反射率數(shù)據(jù)立方體中，選擇與步驟1中設定的模擬參數(shù)
相適應的數(shù)據(jù)，作為模擬區(qū)域的地面反射率數(shù)據(jù)立方體。此處，與步驟1中 設定的模擬參數(shù)相適應是指數(shù)據(jù)中所含的地物狀況與設定的地面狀況相符 合，其空間分辨率與設定的空間分辨率相同或者更高，其光譜分辨率與設定 的各波段光譜響應函數(shù)所對應的光譜分辨率相同或者更高、其光譜范圍包設定的跟波段光譜響應函數(shù)對應的光譜范圍。
3、大氣傳輸模擬 大氣傳輸模擬過程如圖2。
利用步驟1中設定的大氣點擴散函數(shù)，對步驟2中選擇的地面反射率數(shù) 據(jù)立方體進行巻積，生成背景平均反射率數(shù)據(jù)立方體。
根據(jù)步驟1中設定的環(huán)境條件，運行四次MODTRAN——目標反射率| 背景反射率分別設為0|0、 0|0.5、 0|1和1|0，得到四組遙感器入瞳輻亮 度光譜、。、丄,、Z。n和A。，由此計算出表示大氣傳輸特性的四個參數(shù)^、 5、
S和丄"<formula>formula see original document page 8</formula>
對每一個像元，計算遙感器入瞳處的輻亮度光譜f:
<formula>formula see original document page 8</formula> (2)
其中，p為該像元的反射率光譜，A為該像元對應的背景平均反射率光譜。 4、空間維重采樣
步驟3生成的入瞳輻亮度數(shù)據(jù)立方體具有與地面反射率數(shù)據(jù)立方體相 同的空間分辨率，通過對其進行空間維重采樣，將其空間分辨率轉(zhuǎn)換為步驟 1中的設定值。具體過程如下
以入瞳輻亮度圖像的左上角點為基準，根據(jù)步驟1中設定的空間分辨 率，計算空間重采樣后每個像元在原輻亮度圖像上的像元坐標(,'+ "J + v),其
中,'、j'為非負整數(shù)，"、v為
(7)
Z , C (7, /) >丄
max , 1 V" J / , "max
其中，4(/,力為處理前數(shù)據(jù)中像元(/,力第yfc波段的輻亮度值，4"力為相應的 處理后的輻亮度值，Zmax、 Z^分別為動態(tài)范圍的上下限。 9、量化
根據(jù)步驟1中設定的量化位數(shù)，對步驟8中生成的輻亮度數(shù)據(jù)立方體進 行等間隔量化
2 = Z)/(26-l) (8)
丄7 =,r(Zf/g + 0.5)*g (9) 其中D為動態(tài)范圍，6為量化位數(shù)，g為量化間隔。 最終得到模擬遙感輻亮度數(shù)據(jù)立方體。
權(quán)利要求
1、一種平坦地形下遙感輻亮度數(shù)據(jù)立方體的模擬方法，其特征在于它包括以下步驟(1)設定地面狀況、環(huán)境條件和遙感器性能指標三類模擬參數(shù)，其中遙感器性能指標包括空間分辨率、各波段光譜響應函數(shù)、調(diào)制傳遞函數(shù)、信噪比、動態(tài)范圍和量化位數(shù)；(2)在已有的地面反射率數(shù)據(jù)立方體中，選擇與步驟(1)中設定的模擬參數(shù)相適應的數(shù)據(jù)，作為模擬區(qū)域的地面反射率數(shù)據(jù)立方體；(3)利用步驟(2)中的地面反射率數(shù)據(jù)立方體，進行大氣傳輸模擬，得到遙感器入瞳處的輻亮度數(shù)據(jù)立方體；(4)根據(jù)步驟(1)中設定的空間分辨率，對步驟(3)生成的數(shù)據(jù)進行空間維重采樣；(5)根據(jù)步驟(1)中設定的光譜響應函數(shù)，對步驟(4)生成的數(shù)據(jù)進行光譜維重采樣；(6)根據(jù)步驟(1)中設定的調(diào)制傳遞函數(shù)，對步驟(5)生成的數(shù)據(jù)進行空間維退化；(7)根據(jù)步驟(1)中設定的信噪比，在步驟(6)生成的數(shù)據(jù)上疊加噪聲；(8)根據(jù)步驟(1)中設定的動態(tài)范圍，對步驟(7)生成的數(shù)據(jù)進行飽和與截止處理；(9)根據(jù)步驟(1)中設定的量化位數(shù)，對步驟(8)生成的數(shù)據(jù)進行量化，得到最終的模擬遙感輻亮度數(shù)據(jù)立方體。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平坦地形下遙感輻亮度數(shù)據(jù)立方體的模 擬方法，其特征在于步驟(2)中所述的與步驟(1)中設定的模擬參數(shù)相 適應是指數(shù)據(jù)中所含的地物狀況與設定的地面狀況相符合，其空間分辨率與設定的空間分辨率相同或者更高，其光譜分辨率與設定的各波段光譜響應 函數(shù)所對應的光譜分辨率相同或者更高、其光譜范圍包含設定的跟波段光譜 響應函數(shù)對應的光謙范圍。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平坦地形下遙感輻亮度數(shù)據(jù)立方體的模 擬方法，其特征在于步驟(3)中所述的大氣傳輸模擬是指根據(jù)大氣傳輸 方程計算每一個像元對應的遙感器入瞳處的輻亮度光譜￡:其中，p為該像元的反射率光譜，A為該像元對應的背景平均反射率光譜， j、 B為表示大氣傳輸特性的兩個待定系數(shù)，s為大氣反照率光譜，丄。為大 氣程輻射光譜。根據(jù)步驟1中設定的環(huán)境條件，運行四次中等光譜分辨率大氣透過率計算模型MODTRAN——目標反射率l背景反射率分別設為0|0、 0|0.5、 0|1和1|0,得到四組遙感器入瞳輻亮度光譜、。、zQ|。.5、、和A。， 可由下式計算出<formula>formula see original document page 3</formula>|0 )"丄0卩-A)|0.5 ) 、iS =(丄。|0 +丄0卩-2丄0|。 5)/(丄叩-丄攀5)
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平坦地形下遙感輻亮度數(shù)據(jù)立方體的模 擬方法，其特征在于步驟(5)中所述的光譜維重采樣采用如下方法重 采樣后每個像元第7'波段的輻亮度值《由重采樣前該像元各波段的輻亮度值 《加權(quán)求和得到<formula>formula see original document page 3</formula>其中，g,(義)為重采樣前數(shù)據(jù)的第/波段光譜響應函數(shù)，力(義)為重采樣后數(shù)據(jù)的第y波段光譜響應函數(shù)，w饑,為權(quán)重系數(shù)。
全文摘要
一種平坦地形下遙感輻亮度數(shù)據(jù)立方體的模擬方法，是對地觀測領域的一項支撐技術。該方法通過模擬參數(shù)設定、地面反射率數(shù)據(jù)立方體選擇、大氣傳輸模擬、空間維重采樣、光譜維重采樣、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)空間維退化、噪聲疊加、飽和與截止以及量化的過程，得到相當于實際遙感中1級數(shù)據(jù)的模擬輻亮度數(shù)據(jù)。本發(fā)明對大氣輻射傳輸和遙感器成像過程進行了全面的模擬，生成的模擬數(shù)據(jù)真實性高。利用本發(fā)明，可以在遙感器的設計階段就得到其模擬數(shù)據(jù)，從而服務于遙感器的應用能力預測和指標優(yōu)化設計、以及數(shù)據(jù)處理算法的開發(fā)和性能評價。
文檔編號G01S17/00GK101515038SQ20091007981
公開日2009年8月26日 申請日期2009年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月12日
發(fā)明者娜 李, 賈國瑞, 趙慧潔 申請人:北京航空航天大學