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      一種改進(jìn)的地形輻射校正方法

      文檔序號(hào):9488583閱讀:1846來源:國知局
      一種改進(jìn)的地形輻射校正方法
      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001] 本發(fā)明涉及地理科學(xué)領(lǐng)域,具體而言,涉及一種改進(jìn)的地形輻射校正方法。
      【背景技術(shù)】
      [0002] 地形輻射校正是指通過物理模型或經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)?zāi)P停瑢⑺邢裨妮椛淞炼戎?(或反射率)變換到某一參考平面(通常取水平面)上,從而消除由于地形效應(yīng)引起的輻射 亮度值的變化,恢復(fù)地物在水平條件下的真實(shí)輻射亮度值(或真實(shí)反射率)。地形輻射校正 作為山區(qū)遙感影像輻射校正的重要步驟,是進(jìn)行遙感定量化研究的前提。
      [0003]目前,國內(nèi)外學(xué)者圍繞地形輻射校正方法做了大量的研究工作,提出的一系列地 形輻射校正模型在研究改進(jìn)中日趨成熟。這些方法根據(jù)理論機(jī)理可以歸為三類,即基于波 段比的方法、基于DEM的方法以及基于超球面的方法。其中基于DEM的模型大致可以歸為 四類,包括經(jīng)驗(yàn)一統(tǒng)計(jì)模型、歸一化模型、朗伯體反射率模型以及非朗伯體反射率模型。經(jīng) 驗(yàn)一統(tǒng)計(jì)模型主要包括Teillet-回歸校正法、b校正法等,主要利用影像亮度值與太陽入 射角余弦值的相關(guān)性。Civco在1989年提出的歸一化模型也稱為"2階段校正法",在校正 過程中分兩個(gè)階段進(jìn)行,在當(dāng)時(shí)曾經(jīng)得到普遍的應(yīng)用。朗伯體反射率模型是以Cosine校正 模型的提出為標(biāo)志,早在20世紀(jì)80年代,Teillet等基于單一波段雙向反射率參數(shù)為常量 的假設(shè)提出了Cosine校正模型,但是由于個(gè)別波段校正效果不理想,在陰坡出現(xiàn)比較嚴(yán)重 的過度校正。之后多位學(xué)者曾經(jīng)根據(jù)自己需要對(duì)其進(jìn)行過多次改進(jìn)。而后由Teillet針對(duì) Cosine模型的缺陷對(duì)其改進(jìn)提出了C校正模型,但是由于模型基于朗伯體反射率假設(shè)的缺 陷,仍存在過度校正問題。2005年HuangWei等先后提出了一種改進(jìn)的C校正方法和顧及 空間相關(guān)性的地形校正算法,在保證校正效果的前提下省去了線性擬合求取調(diào)節(jié)系數(shù)的繁 瑣過程。Gu等從植被冠層角度出發(fā)提出了SCS(太陽-冠層-傳感器)模型,但是由于SCS 模型未考慮天空各向異性散射以及臨近地表反射,導(dǎo)致了過度校正。之后Soenen等借助C 校正的思想,引入調(diào)節(jié)參數(shù)C,將其改進(jìn)為SCS+C模型,使過度校正現(xiàn)象有所減輕。鑒于朗伯 體反射率模型假設(shè)的缺陷,Smith等通過引入經(jīng)驗(yàn)光度計(jì)函數(shù)常數(shù)k,提出了基于非朗伯體 反射模型的Minnaert模型,進(jìn)一步削弱Cosine校正算法中的過度校正問題。隨后Reeder 對(duì)Minnaert模型參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化修改,并引入了SCS算法的思想,提出了Minnaert-SCS校 正模型。
      [0004] 隨著遙感在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,如何提高遙感定量分析的精度是進(jìn)行地表 和植被參數(shù)反演以及其他一切遙感定量化研究面臨的關(guān)鍵問題,因此諸如幾何校正、地形 輻射校正、大氣校正等處理操作就顯得格外重要。
      [0005] 早在1982年,Teillet等在考慮太陽天頂角的情況下首先提出了一個(gè)基于物理機(jī) 制的校正模型即Cosine校正法,亦稱余弦校正法。它假設(shè)所有波段的雙向反射率因子是一 個(gè)獨(dú)立于入射角和反射角的常量,并且忽略散射輻射的影響。其基本原理是校正后水平面 像元接收的輻射與校正前坡面像元接收的輻射存在一個(gè)由太陽入射角的余弦決定的比例 關(guān)系,余弦校正模型表示為:
      [0006]Lm=L·(cosΘs/cosi) (1)
      [0007] 其中,Ln為校正后的輻射亮度值,L為校正前輻射亮度值,Θs為太陽方位角,i代 表太陽有效入射角,取太陽光線和地面法線的夾角(除特別說明外,全文的變量都以首次 出現(xiàn)為準(zhǔn))。cosi為太陽有效入射角余弦值,可通過下式進(jìn)行計(jì)算:
      [0008]
      [0009]其中,S為地面坡度,#為太陽方位角,A為地面坡向角。
      [0010] 由于余弦校正模型基于地表反射為朗伯體的假定,并且忽略了天空漫散射和周圍 地形的反射輻射的影響,因此圖像中的陰影區(qū)經(jīng)過余弦校正后存在過校正的現(xiàn)象,在太陽 入射角越接近90°時(shí)表現(xiàn)越為明顯。
      [0011]Minnaert函數(shù)于1941年由比利時(shí)天體物理學(xué)家Minnaert提出,此模型基于對(duì) 常用的余弦校正模型(Cosine)的改進(jìn),它主要用于削弱地形校正的力度,后被廣泛應(yīng)用于 月球表面的測(cè)量光度分析?;诶什w假設(shè)的缺陷,Smith等在地形校正算法中引入經(jīng)驗(yàn) 光度計(jì)函數(shù)常量k來描述地表的二項(xiàng)分布函數(shù)(BRDF),提出了一個(gè)非朗伯體反射率模型, 即Minnaert校正模型。k介于0和1之間,當(dāng)?shù)孛鏋槔什w時(shí),k取1,否則k小于1,k主 要通過回歸算法進(jìn)行確定。Minnaert校正方法考慮了地面的粗糙程度,一定程度上削弱了 Cosine校正后陰坡過度校正問題。Minnaert校正模型表達(dá)式如下:
      [0013] 其中,e為輻射出射角(在常見的觀測(cè)系統(tǒng)中,如Landsat衛(wèi)星傾角接近90°,為 了便于計(jì)算通常取地表坡度角S代替觀測(cè)角)。
      [0014] Minnaert模型的缺點(diǎn)是,首先,Minnaert模型基于非朗伯體反射理論,以純粹的 經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蜑榛A(chǔ),沒有物理模型基礎(chǔ),其模型隨機(jī)性較大。其次,Minnaert模型未考慮周圍 地形反射輻射對(duì)陰坡像元輻射亮度值的影響。單一的k值在整個(gè)公式中起著關(guān)鍵性作用, 然而k值是一個(gè)常數(shù),適合在坡度變化較小的區(qū)域,而在地形起伏變化較大的區(qū)域,校正精 度有待進(jìn)一步通過完善模型來提高。此外,當(dāng)引入前向或后向散射時(shí),Minnaert校正算法 的缺點(diǎn)就很明顯。
      [0015] 綜上,Minnaert模型基于非朗伯體假設(shè),在一定程度上解決了陰坡像元的過度校 正問題,但其忽略了天空各向漫射輻射以及周圍地形反射輻射,因此在地形起伏變化較大 的區(qū)域,其校正精度欠佳。此外在進(jìn)行k值的求解過程中,同樣忽略了天空各向同性散射及 環(huán)境反射光。而在可見光波段,天空的漫射光占總?cè)肷漭椪斩缺壤^大(特別是在陰坡像 元),造成回歸分析中因變量和自變量的線性關(guān)系減弱,勢(shì)必影響到k值的精度,從而影響 最終的校正效果。

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0016] 本發(fā)明針對(duì)Minnaer模型的上述不足,在福射傳輸理論基礎(chǔ)上,考慮天空各向同 性散射輻射和臨近地形反射輻射對(duì)山區(qū)像元的貢獻(xiàn),提出了一種改進(jìn)的地形輻射校正方法 (Minnaert-E模型)。
      [0017] 為達(dá)到上述目的,本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的地形輻射校正方法,包括以下步驟:
      [0018] 在山地遙感影像中,忽略地表與大氣之間的多次反射,將地表接收的太陽輻射概 括為地表接收的太陽直接輻射、天空散射輻射及臨近地形反射輻射三項(xiàng)之和,山地坡面像 元所接收到的太陽總輻射Ε表示為:
      [0019]E= 0Ed+Ef+Eadj
      [0020] 其中,Θ為地形遮蔽系數(shù),若地表像元位于陰影區(qū),Θ為0,否則為1出,為地表像 元接收的直接太陽輻射,Ef為地表像元接收到的天空散射輻射,Eadj為地形像元接收的鄰近 地形反射輻射;
      [0021] 假定研究區(qū)局部大氣為由水平方向均勻結(jié)構(gòu)的薄片組成,則到達(dá)坡面像元的直接 太陽輻射Ed為:假定研究區(qū)局部大氣為由水平方向均勻結(jié)構(gòu)的薄片組成,得到到達(dá)坡面像 元的直接太陽輻射表達(dá)式
      [0023] 式中,EJλ)為與波段有關(guān)的大氣頂層太陽輻照度,τ為總的垂直大氣光學(xué)厚度, cosΘs為太陽天頂角的余弦值,cU為地球軌道偏心率訂正因子,cosi為坡面太陽入射角余 弦值,為大氣透過率;
      [0024] 忽略天空各向異性散射,假定天空散射各向同性分布,則復(fù)雜地形下的天空各向 同性散射福射Ef為:
      [0025] Ef=Ep.Vd
      [0026] 式中,Ep為未考慮地形影響的天空各向同性散射輻照度,Vd為天空觀測(cè)因子;
      [0027] 基于地表朗伯體假設(shè),設(shè)r為水平地表接收到的天空散射輻射Ep與大氣頂層輻射 E。的比值,即:r=ΕP/E。,則式Ef =Εp ·Vd表示為:
      [0029] 忽略地表與大氣之間多次反射,臨近地形反射輻射與大氣底層輻射有如下關(guān)系:
      [0030] Eadj =Crp-(Ed+Ef)
      [0031] 其中,(;為地形結(jié)構(gòu)因子,歹為鄰近像元反射率均值,?·/?為鄰近地形反射輻射 貢獻(xiàn)的反射率,天空觀測(cè)因子Vd與地形結(jié)構(gòu)因子Ct有如下關(guān)系:
      [0032] Ct=l_Vd,
      [0033] 采用解析法求得天空觀測(cè)因子的近似值為
      [0034] Vd^ (l+cosS)/2
      [0035] 式中S為像元所在坡度,將上述各式代入式Ε= ?Ed+Ef+Ead],得到山地所接收到的 太陽輻射表達(dá)式為:將得到山地所接收到的太陽輻射表達(dá)式兩邊乘以等效反射率,轉(zhuǎn)化為 輻射亮度形式
      [0037] 將上式兩邊乘以等效反射率,轉(zhuǎn)化為輻射亮度形式:
      [0039] 其中,L丨為經(jīng)傳感器定標(biāo)后的表觀輻射亮度值,Ld為地面等效輻射亮度,未考慮 天空散射和周圍地形散射福射對(duì)地表接收到太陽福射的影響的Minnaert校正模型基于雙 向反射率因子求得衛(wèi)星輻射亮度為:
      [0040]Lm=L·cose/(coski.coske);
      [0041] 在建立模型時(shí),假定L為地面接收的直接太陽輻射,即Ld,將"代入上式,得到改 進(jìn)后的Minnaert-E模型為:
      [0043] 進(jìn)一步地,上述通過6S大氣校正模型求得。
      [0044] 本發(fā)明提出的Minnaert-E模型表達(dá)式中包含了地形遮蔽系數(shù)Θ,考慮了地形遮 蔽區(qū)(如山體本影和落影)的地形輻射;地形遮蔽區(qū)太陽入射角度余弦值為負(fù)(c〇si〈0), 如果直接采用Minnaert模型進(jìn)行較正,得到地形遮蔽區(qū)的輻射亮度值可能為負(fù)(比如高反 射率的地物),這顯然與實(shí)際情況不符。由于本發(fā)明的Minnaert-E模型考慮了天空(漫) 散
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