專(zhuān)利名稱(chēng)：一種遙感圖像大氣訂正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及遙感領(lǐng)域，尤指一種遙感圖像大氣訂正方法。
背景技術(shù)：
為了降低大氣模糊效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星遙感圖像的影響，提高衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用能力，人們?cè)谶b感數(shù)據(jù)大氣訂正方面進(jìn)行了廣泛研究，最早的研究始于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，產(chǎn)生了許多大氣訂正方法，大致可以歸納為基于影像本身的訂正法和基于大氣輻射傳輸模型的訂正方法兩種。基于影像特征的大氣訂正方法要求己知或假定圖像中某些像元的反照率值，以此來(lái)建立地表反照率和衛(wèi)星觀測(cè)值之間的關(guān)系，并假定整幅圖像具有同樣的大氣條件，因而能夠?qū)⑦@個(gè)關(guān)系應(yīng)用到整幅圖像中。由于其不需要進(jìn)行實(shí)際地面光譜及大氣環(huán)境參數(shù)的測(cè)量，而是直接從圖像特征本身出發(fā)消除大氣影響進(jìn)行反射率反演，因此是一種相對(duì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的大氣訂正方法，應(yīng)用也比較廣泛。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了多種基于圖像特征的大氣訂正方法。主要包括暗像元法、直方圖匹配法、不變目標(biāo)法三種。Kaufman提出的暗目標(biāo)法假設(shè)整幅圖像的大氣散射影響均一，把“清潔水體”當(dāng)作暗目標(biāo)(反射率為0)，直接把暗目標(biāo)的像元值取代大氣程輻射。Schott利用不變目標(biāo)觀測(cè)量的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差提出了一種估算大氣訂正線(xiàn)性關(guān)系的斜率和截距的方法。Hall等人提出利用K-T變換中的亮度分量和綠度分量來(lái)確定不變目標(biāo)的方法，成功地應(yīng)用了這種方法對(duì)TM圖像進(jìn)行了大氣訂正。Coppin等人利用該方法進(jìn)行大氣訂正時(shí)假定了 5種不變目標(biāo)清澈且深的貧營(yíng)養(yǎng)化的湖泊、茂密的老紅松樹(shù)林、平廣的浙青屋頂、無(wú)雜質(zhì)的沙礫覆蓋區(qū)、混凝土路面或大型停泊場(chǎng)。我國(guó)學(xué)者在這方面也進(jìn)行了大量的研究。如田慶久等人對(duì)Kaufman提出的暗目標(biāo)法(利用清潔水體的象元值直接取代大氣程輻射，不考慮大氣其它因素的影響)加以改進(jìn)形成暗體減DOS (Dark Object Subtraction)方法,在DOS方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合大氣福射傳輸模型進(jìn)行大氣模擬，研究并發(fā)展了基于遙感影像信息的快速大氣輻射訂正和反射率反演方法。劉小平等人以山區(qū)陰影部分的植被作為黑體，先假設(shè)陰影區(qū)植被的反射率，估算出大氣散射對(duì)程輻射的貢獻(xiàn)，再利用迭代法對(duì)程輻射進(jìn)行訂正。張玉貴使用氣象記錄為輔助數(shù)據(jù)對(duì)暗地物作調(diào)整進(jìn)行遙感圖像的大氣訂正。陳蕾等人用基于地面藕合的暗像元法進(jìn)行影像的大氣訂正研究等等。福射傳輸計(jì)算大氣訂正方法早期的代表性研究是1972年Turner與Spencer提出的通過(guò)模擬大氣一地表系統(tǒng)來(lái)評(píng)估大氣影響的方法。當(dāng)時(shí)研究的重點(diǎn)在于消除大氣對(duì)影像對(duì)比度的影響。輻射傳輸模型法是諸多的大氣訂正方法中訂正精度較高的方法，它利用電磁波在大氣中的輻射傳輸原理建立模型對(duì)遙感圖像進(jìn)行大氣訂正。不同作者的算法在原理上基本相同，差異在于不同的假設(shè)條件和適用范圍。因此產(chǎn)生了很多可選擇的大氣較正模型，應(yīng)用廣泛的有近 30 個(gè)，如 6S(Second Simulation of the Satellite Signal in theSolar Spectrum)模型、L0WTRAN(Low Resolution Transmission)模型、M0RTRAN(ModerateResolution Transmission)模型、大氣去除程序 ATREM(The Atmosphere Removalprogram),紫外線(xiàn)和可見(jiàn)光福射模型 UVRAD (Ultraviolet and Visible Radiation).TURNER大氣訂正模型、空間分布快速大氣訂正模型ATCOR (ASpatially-Adaptive FastAtmos pheric Correction)等。其中，以 6S、MODTRAN、L0WTRAN、和 ACTOR 模型應(yīng)用最為廣泛?；谟跋癖旧硖卣鞯挠喺椒ū容^簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但在其訂正的過(guò)程中主觀因素影響較大，訂正的質(zhì)量和一致性難以保證?；诖髿鈪?shù)的輻射傳輸計(jì)算訂正方法可精確校正大氣氣溶膠、分子的大氣散射和水汽、臭氧、二氧化碳等成分的大氣吸收對(duì)觀測(cè)影像造成的模糊效應(yīng)，理論上該方法可以達(dá)到較高的訂正精度，然而，由于大氣氣溶膠光學(xué)厚度具有空間和時(shí)間變化快的特點(diǎn)，這種方法的應(yīng)用依賴(lài)于高精度實(shí)時(shí)大氣氣溶膠光學(xué)厚度的獲取。
利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行氣溶膠的反演工作已經(jīng)開(kāi)展了三十多年。由于海洋表面相對(duì)均一，反射率很小并且近似為常數(shù)，因此，早期氣溶膠直接反演研究和應(yīng)用主要集中海洋和大的水體表面上空，并投入N0AA/AVHRR產(chǎn)品的業(yè)務(wù)應(yīng)用，目前已經(jīng)發(fā)展了兩代算法，正在發(fā)展第三代算法(Husar et al.，1997)。而在陸地上空，由于氣溶膠和地表反射率在時(shí)間和空間上的高度不均一性，且陸地地表反射率相對(duì)來(lái)說(shuō)較大。另外，大氣頂標(biāo)量輻射對(duì)氣溶膠和地表反射率都有較強(qiáng)的敏感性，因此，很難從衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)信號(hào)中把氣溶膠和地表的貢獻(xiàn)定量區(qū)別開(kāi)來(lái)，以提取氣溶膠的光學(xué)厚度和地表反射率。應(yīng)用于MODIS傳感器多波段數(shù)據(jù)的濃密植被氣溶膠反演方法自TERRA衛(wèi)星發(fā)射后已經(jīng)廣泛應(yīng)用于全球氣溶膠光學(xué)厚度的觀測(cè)。其算法原理是M0DIS的通道I (紅620 670nm)和通道3 (藍(lán)459 479nm)的地表反射率與通道7 (近紅外2105 2155nm)觀測(cè)到的表觀反射率在密集植被地區(qū)呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性相關(guān)，而且近紅外通道7的觀測(cè)基本不受氣溶膠的影響，因此，利用這一通道的數(shù)據(jù)區(qū)分濃密植被，并得到通道I和通道3在濃密植被地表的反射率。2007年MODIS算法(C5)對(duì)可見(jiàn)光與近紅外波段的地表反射率關(guān)系進(jìn)行了修正，以及在全球范圍內(nèi)使用了更多樣化更精確的氣溶膠模式后(基于全球氣溶膠地基觀測(cè)網(wǎng)AER0NET得到)，反演精度較之前的C4版本有了大幅度的提升(見(jiàn)下圖)，但是，升級(jí)后的算法在部分城市地區(qū)的反演結(jié)果并不理想。圖Ia和圖lb、圖2a和圖2b是李占清等針對(duì)MODIS的C4算法和新C5算法在中國(guó)不同地區(qū)做的驗(yàn)證分析。左圖是香河的驗(yàn)證結(jié)果，右圖是北京城區(qū)的驗(yàn)證結(jié)果。從圖中可以看出，新算法在非城區(qū)的精度相當(dāng)高，擬合斜率達(dá)到了 I. 0，但是在城市地區(qū)卻較差，擬合斜率只有0. 38，相關(guān)性也較差。該算法在城市地區(qū)失效是由于在城市地區(qū)難以找到足夠的濃密植被像元，尤其是在冬季，算法中可見(jiàn)光與中紅外地表反射率之間的關(guān)系已經(jīng)不存在。而且，即使?jié)饷苤脖凰惴ㄔ诔鞘械貐^(qū)是可行的，但是，由于環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD相機(jī)沒(méi)有中紅外波段，無(wú)法得到濃密植被的地表反射率，因此，該算法不可用于環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種遙感圖像大氣訂正方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的遙感圖像大氣訂正方法，具體為1)查找表構(gòu)建；2)表觀反射率計(jì)算；3)角度信息獲??；4)氣溶膠光學(xué)厚度獲取基于純像元方法利用HJ-I衛(wèi)星 CCD數(shù)據(jù)反演得到；5)由像元成像幾何及光學(xué)厚度插值得到四個(gè)大氣校正參數(shù)；6)逐像素進(jìn)行大氣校正，得到地表反射率。進(jìn)一步，步驟I)中采用6S輻射傳輸模型構(gòu)建關(guān)于大氣校正參數(shù)Rrt、Tg( e s，e v)、T(9S) T(0V)和S的查找表。 進(jìn)一步，步驟2)根據(jù)定標(biāo)系數(shù)將HJ-IC⑶影像DN值轉(zhuǎn)換為表觀反射率。進(jìn)一步，步驟3)中太陽(yáng)天頂角、方位角通過(guò)查詢(xún)HJ-IC⑶數(shù)據(jù)描述文件XML文件得到；觀測(cè)天頂角和方位角從Sat_Zenith_Azimuth. txt文件中得到。進(jìn)一步，步驟4)中的反演方法具體為a)根據(jù)輻射傳輸模型建立查找表；b)依據(jù)純像元指數(shù)提取HJ-IC⑶遙感影像中的純像元，生成純像元掩膜；c)確定純像元地表反射率；d)根據(jù)查找表，將遙感觀測(cè)的輻射亮度反演為氣溶膠光學(xué)厚度。進(jìn)一步，該反演方法還包括步驟e)對(duì)整幅影像進(jìn)行內(nèi)插，得到光學(xué)厚度圖。進(jìn)一步，步驟a)采用6S輻射傳輸程序進(jìn)行輻射傳輸計(jì)算得出多組不同的大氣參數(shù)(Rr+a、Tg(es，0V)、T(0S) -T(Sv)和S)組合而成的查找表。進(jìn)一步，步驟c)具體為選取一個(gè)時(shí)間段內(nèi)(小于3個(gè)月)的晴朗日影像和污染日影像，假設(shè)在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)純像元地表反射率變化較小，對(duì)晴朗天氣的影像進(jìn)行大氣校正，獲取純像元的地表反射率。進(jìn)一步，步驟d)具體為根據(jù)讀取的太陽(yáng)天頂角、太陽(yáng)方位角、觀測(cè)天頂角、觀測(cè)方位角，在查找表選取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行線(xiàn)性插值，得到不同波段、不同氣溶膠光學(xué)厚度的Rr+a>Tg(0s, ev)、T(0s) -T(Sv)和S大氣參數(shù)；結(jié)合步驟c)得到的純像元地表反射率，按照公式IV(OsH-Cto = Tg(OsA) Rr+aiesAA+計(jì)算每個(gè)預(yù)設(shè)
氣溶膠光學(xué)厚度對(duì)應(yīng)的表觀反射率，與衛(wèi)星真實(shí)測(cè)量的表觀反射率進(jìn)行比較，相差最小的氣溶膠光學(xué)厚度值即為所求，03是太陽(yáng)天頂角，Cts傳感器天頂角，07是太陽(yáng)方位角，是傳感器方位角，Tg是氣體吸收透過(guò)率，Rr+a是由分子散射加氣溶膠散射所構(gòu)成的路徑程輻
射反射率，T ( 0 s)、T ( 0 v)分別為太陽(yáng)-目標(biāo)、目標(biāo)-傳感器大氣路徑透射率,S為大氣
下屆半球反照率，R是地物目標(biāo)反射率。本發(fā)明的遙感圖像大氣訂正方法同暗像元方法相比，本方法更接近地表實(shí)測(cè)的反射率，校正精度大幅度提高。


圖Ia為MODIS C4算法驗(yàn)證圖；圖Ib為MODIS C5算法驗(yàn)證圖；圖2a為MODIS C5算法在非城區(qū)(香河)驗(yàn)證圖；圖2b為MODIS C5算法在城區(qū)(北京)驗(yàn)證圖；圖3為對(duì)整幅影像進(jìn)行內(nèi)插，得到光學(xué)厚度圖(2009年10月10日氣溶膠光學(xué)厚度圖(550nm))；圖4為本發(fā)明的方法AOD反演結(jié)果與AER0NET對(duì)比驗(yàn)證圖；圖5為MODIS氣溶膠產(chǎn)品與AER0NET對(duì)比驗(yàn)證圖；圖6為本發(fā)明的大氣校正流程圖7a和圖7b分別為2009年8月13日覆蓋北京市城區(qū)及其周邊地區(qū)影像第一波段(藍(lán)光)校正前、校正后反射率8a和圖Sb分別為2009年8月13日覆蓋北京市城區(qū)及其周邊地區(qū)影像第三波段(紅光)校正前、校正后反射率圖；圖9為大氣校正驗(yàn)證點(diǎn)位置示意圖；圖IOa為水泥大氣校正前后反射率及與地面實(shí)測(cè)反射率對(duì)比圖；圖IOb為植被大氣校正前后反射率及與地面實(shí)測(cè)反射率對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式與現(xiàn)有的氣溶膠反演的傳感器相比，環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CXD相機(jī)具有極高的空間分辨率(30米)，這樣，相比于濃密植被像元，在影像上能找到更多的純像元，這些純像元可能包含植被，但同時(shí)也包括城市中的大型廣場(chǎng)(如北京的天安門(mén)廣場(chǎng))、樓頂、道路以及湖水，而后面這些純像元在冬季也都是存在的。環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CCD相機(jī)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它的高時(shí)間分辨率，尤其是將A星和B星結(jié)合起來(lái)的時(shí)候這一優(yōu)勢(shì)更加明顯。因此，針對(duì)同一目標(biāo)在一定時(shí)間段內(nèi)可獲取一系列觀測(cè)值，其中包含了晴朗天氣的觀測(cè)以及污染天氣的觀測(cè)。已有多種氣溶膠光學(xué)厚度反演算法假設(shè)地表反射率在一定時(shí)間段內(nèi)(如三個(gè)月內(nèi)，如果有足夠的觀測(cè)可考慮一個(gè)月內(nèi))變化較小，通過(guò)該時(shí)間段內(nèi)的晴朗清晰影像獲取目標(biāo)的地表反射率，如結(jié)構(gòu)函數(shù)法(Tanr6et al, 1988)、深藍(lán)算法(Hsu et al. , 2004)、及 Liang et al,(2006)提出的亮地表地區(qū)MODIS改進(jìn)算法。目標(biāo)的地表反射率可通過(guò)晴朗天氣的觀測(cè)值通過(guò)大氣校正得到，因此污染天氣的氣溶膠可基于該地表反射率反演得到。使用純像元除了受季節(jié)影響較小外，還有許多優(yōu)勢(shì)，如不受城市中高大建筑物的遮擋、不受混合像元影響、更容易獲得純像元的雙向反射特征等等。因此，本方法充分發(fā)揮環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星CXD相機(jī)數(shù)據(jù)高空間分辨率(30m)的優(yōu)勢(shì)，利用圖像中的純像元，從觀測(cè)信號(hào)中分離出地表的貢獻(xiàn)，得到氣溶膠光學(xué)厚度。假定地表為朗伯體的情況下，傳感器接收到的表觀反射率R*定義為R* =紅(1 )
Focos0s式中，L為表觀輻亮度，F(xiàn)0外大氣層外太陽(yáng)輻照度。傳感器接收到的反射率為(Vermote et al, 1997)R\osMs-^)^Tg{eARr+sesAA~^T{e^T{ev)-^-
L1-奶」(2)式中03是太陽(yáng)天頂角，^傳感器天頂角，0 7是太陽(yáng)方位角，(K是傳感器方位角，Tg是氣體吸收透過(guò)率，Rrt是由分子散射加氣溶膠散射所構(gòu)成的路徑程輻射反射率，T(es)、T(0v)分別為太陽(yáng)一目標(biāo)、目標(biāo)一傳感器大氣路徑透射率，S為大氣下屆半球反照率，R是地物目標(biāo)反射率。大氣校正流程如圖6所示利用基于復(fù)雜的輻射傳輸原理建立起來(lái)的輻射傳輸模型大氣校正方法是諸多大氣校正方法中精度較高的一種方法。通過(guò)上面的公式⑵可以得到地物目標(biāo)反射率
權(quán)利要求
1.一種遙感圖像大氣訂正方法，具體為1)查找表構(gòu)建；2)表觀反射率計(jì)算；3)角度信息獲取；4)氣溶膠光學(xué)厚度獲取基于純像元方法利用HJ-I衛(wèi)星CXD數(shù)據(jù)反演得到；5)由像元成像幾何及光學(xué)厚度插值得到四個(gè)大氣校正參數(shù)；6)逐像素進(jìn)行大氣校正，得到地表反射率。
2.如權(quán)利要求I所述的遙感圖像大氣訂正方法，其特征在于，步驟I)中采用6S輻射傳輸模型構(gòu)建關(guān)于大氣校正參數(shù)Rm、Tg(0S，0V)、T(0S) T(0V)的查找表。
3.如權(quán)利要求2所述的遙感圖像大氣訂正方法，其特征在于，步驟2)根據(jù)定標(biāo)系數(shù)將影像DN值轉(zhuǎn)換為表觀反射率。
4.如權(quán)利要求3所述的遙感圖像大氣訂正方法，其特征在于，步驟3)中太陽(yáng)天頂角、方位角通過(guò)查詢(xún)數(shù)據(jù)描述文件XML文件得到；觀測(cè)天頂角和方位角從Sat_Zenith_Azimut h.txt文件中得到。
5.如權(quán)利要求4所述的遙感圖像大氣訂正方法，其特征在于，步驟4)中的反演方法具體為a)根據(jù)輻射傳輸模型建立查找表；b)依據(jù)純像元指數(shù)提取遙感圖像中的純像元，生成純像元掩膜；c)確定純像元地表反射率；d)根據(jù)查找表，將遙感觀測(cè)的輻射亮度反演為氣溶膠光學(xué)厚度。
6.如權(quán)利要求5所述的遙感圖像大氣訂正方法，其特征在于，該反演方法還包括步驟e)對(duì)整幅影像進(jìn)行內(nèi)插，得到光學(xué)厚度圖。
7.如權(quán)利要求6所述的遙感圖像大氣訂正方法，其特征在于，步驟a)采用6S輻射傳輸程序進(jìn)行輻射傳輸計(jì)算得出多組不同的大氣參數(shù)Rrt、Tg(0s, 9 v)、T( 0 s) T( 0 v)和S組合而成的查找表，R&是由分子散射加氣溶膠散射所構(gòu)成的路徑程輻射反射率，T(0S)、T(9V)分別為太陽(yáng)一目標(biāo)、目標(biāo)一傳感器大氣路徑透射率，S為大氣下屆半球反照率。
8.如權(quán)利要求7所述的遙感圖像大氣訂正方法，其特征在于，步驟c)具體為選取一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的晴朗日影像和污染日影像，假設(shè)在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)純像元地表反射率變化較小，對(duì)晴朗天氣的影像進(jìn)行大氣校正，獲取純像元的地表反射率。
9.如權(quán)利要求8所述的遙感圖像大氣訂正方法，其特征在于，步驟d)具體為根據(jù)讀取的太陽(yáng)天頂角、太陽(yáng)方位角、觀測(cè)天頂角、觀測(cè)方位角，在查找表選取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行線(xiàn)性插值，得到不同波段、不同氣溶膠光學(xué)厚度的Rrt、Tg(0s，ev)、T(0s) -T(Sv)和S大氣參數(shù)；結(jié)合步驟c)得到的純像元地表反射率，按照公式 ines凡水-D二Tg、esA)Rr+a{es幾水-計(jì)算每個(gè)預(yù)設(shè)氣溶膠光學(xué)厚度對(duì)應(yīng)的表觀反射率，與衛(wèi)星真實(shí)測(cè)量的表觀反射率進(jìn)行比較，相差最小的氣溶膠光學(xué)厚度值即為所求，03是太陽(yáng)天頂角，Cts傳感器天頂角，07是太陽(yáng)方位角，是傳感器方位角，Tg是氣體吸收透過(guò)率，Rr+a是由分子散射加氣溶膠散射所構(gòu)成的路徑程輻射反射率，T( 0 s)、T( 0 v)分別為太陽(yáng)一目標(biāo)、目標(biāo)一傳感器大氣路徑透射率，S為大氣下屆半球反照率，R是地物目標(biāo)反射率。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種遙感圖像大氣訂正方法，具體為1)查找表構(gòu)建；2)表觀反射率計(jì)算；3)角度信息獲??；4)氣溶膠光學(xué)厚度獲取基于純像元方法利用HJ-1衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)反演得到；5)由像元成像幾何及光學(xué)厚度插值得到四個(gè)大氣校正參數(shù)；6)逐像素進(jìn)行大氣校正，得到地表反射率。本發(fā)明的遙感圖像大氣訂正方法同暗像元方法相比，本方法更接近地表實(shí)測(cè)的反射率，校正精度大幅度提高。
文檔編號(hào)G01S7/497GK102628940SQ20121011888
公開(kāi)日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者余濤, 方莉, 李家國(guó), 趙利民, 顧行發(fā), 高海亮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所