一种起伏地形下卫星侧摆成像大气邻近效应模拟方法
【专利摘要】一种起伏地形下卫星侧摆成像大气邻近效应模拟方法，首先输入场景对应的地面反射率数据以及空间分辨率相适应的数字高程模型并设置卫星侧摆成像时的大气条件和设定侧摆成像时的成像几何关系；然后利用中等光谱分辨率大气透过率计算模型计算大气光学特性、坡度、太阳入射角、阴影系数和起伏地表接收到的总辐照度，最后计算邻近地物对传感器入瞳辐亮度的贡献，模拟起伏地形条件下卫星侧摆成像大气邻近效应，本发明克服了现有模拟方法在起伏地形场景下适用性不高的问题，能够实现卫星传感器在侧摆成像时任意起伏地形场景的大气邻近效应模拟，有效地提高了大气邻近效应的计算精度，最大程度满足了起伏地形下卫星侧摆成像大气邻近效应模拟的需求。
【专利说明】一种起伏地形下卫星侧摆成像大气邻近效应模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种起伏地形下卫星侧摆成像大气邻近效应模拟方法，属于工程科学 技术中的遥感成像模拟【技术领域】，在遥感成像仿真方面能够发挥重要作用。
【背景技术】
[0002] 在对地观测遥感系统中，传感器接收到的辐射能量由三部分组成：一部分来自太 阳辐射在大气中的后向散射，此部分能量不与地表发生作用而直接进入瞬时视场；一部分 来自瞬时视场内地物的反射；另一部分来自瞬时视场外邻近地物的贡献，邻近地物的反射 能量经过大气气溶胶、大气分子以及云粒子的单次散射、多次散射后，其辐射强度和传播方 向都会发生变化，从而也进入了遥感器的瞬时视场，这部分散射能量包含了邻近地物的特 征信息，通常将这种现象称为大气邻近效应。大气邻近效应能够模糊目标与环境的差别，降 低遥感数据的对比度，给地物识别和分类带来困难。
[0003] 卫星对地观测时，为了扩大观测范围，通常采用侧摆成像的手段。当卫星采用侧摆 成像时，视场中心与视场边缘对应的地物点远离星下点，成像几何关系发生显著变化，"太 阳一地表一传感器"路径上的辐射传输过程受到影响，大气邻近效应的影响机制也随之不 同，同时考虑到真实地表是一个倾斜、起伏的3D面，又同时处于大气的吸收、散射层中，地 形影响对大气邻近效应的模拟带来困难。基于上述原因，卫星侧摆成像时起伏地形下的大 气邻近效应模拟一直是研究难点。
[0004] 基于起伏地形的卫星侧摆成像大气邻近效应模拟涉及诸多因素，目前大气邻近效 应模拟技术适合起伏地形的较少，且多数是利用大气点扩散函数进行近似，而少数考虑地 形起伏的大气邻近效应模拟方法却只适合于星下点成像模式。利用大量光线追踪的蒙特卡 洛模拟方法能够同时考虑地形起伏和卫星侧摆，但其由于计算效率较低，无法满足海量遥 感数据的处理需求，致使难于实际应用。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种起伏地形下卫星侧 摆成像大气邻近效应模拟方法，并结合成像几何关系，建立了卫星侧摆成像时的大气邻近 效应模型，克服了现有模拟方法在起伏地形场景下适用性不高的问题，能够实现卫星传感 器在侧摆成像时任意起伏地形场景的大气邻近效应模拟，有效地提高了大气邻近效应的计 算精度，最大程度满足了起伏地形下卫星侧摆成像大气邻近效应模拟的需求。
[0006] 本发明的技术解决方案是：一种起伏地形下卫星侧摆成像大气邻近效应模拟方 法，步骤如下：
[0007] (1)选择地面场景，所述地面场景包括地面反射率数据以及与地面反射率数据相 适应的数字高程数据，即DEM数据；
[0008] (2)设置大气条件，所述大气条件包括大气类型、气溶胶类型和大气廓线；
[0009] (3)设置成像几何关系，所述成像几何关系包括太阳天顶角、太阳方位角、观测天 顶角和卫星与太阳之间的相对方位角；
[0010] (4)将步骤（2)中设置的大气条件和步骤（3)中确定的太阳与卫星之间的成像几 何关系输入中等光谱分辨率大气透过率计算模型Modtran，获取平坦地形条件下太阳直射 辐照度、大气散射辐亮度、大气半球反照率、大气各层透过率和大气各层气溶胶光学厚度；
[0011] (5)根据步骤（1)选择的DEM数据和步骤（3)中确定的成像几何关系，计算步骤 (1)中选择的地面场景的坡度、天空立体角、太阳入射角和阴影系数；
[0012] (6)根据步骤（4)和步骤（5)的结果计算起伏地形接收到的总辐照度，所述起伏地 形接收到的总辐照度包括照射到起伏地形的太阳直射辐照度、大气散射辐照度、地气耦合 辐照度和周围地物反射辐照度；
[0013] (7)利用步骤（1)中选择的地面反射率数据、步骤（6)中计算的起伏地形接收到的 总辐照度、步骤（4)中计算得到的大气各层透过率与大气各层气溶胶光学厚度和步骤（3) 中确定的太阳与卫星之间的成像几何关系，计算起伏地形邻近地物在传感器入瞳处产生的 辐亮度值；
[0014] (8)利用步骤（7)中计算的起伏地表邻近地物在传感器入瞳处产生的辐亮度值模 拟起伏地形条件下卫星侧摆成像大气邻近效应。
[0015] 所述步骤（4)中将步骤（2)中设置的大气条件和步骤（3)中确定的太阳与卫星之 间的成像几何关系输入中等光谱分辨率大气透过率计算模型Modtran，获取平坦地形条件 下太阳直射辐照度、大气散射辐亮度、大气半球反照率、大气各层透过率和大气各层气溶胶 光学厚度；具体为：
[0016] a)在Modtran中设置传感器为向下观测模式，根据步骤（2)设置的大气条件，以 30°的间隔在Modtran中改变观测天顶角，观测天顶角的设置范围从90°至180°，在每个 观测天顶角条件下以500m的间隔在Modtran中改变地面海拔，地面海拔的设置范围从0km 至5km，共运行40次Modtran，得到不同观测天顶角和地面海拔组合条件下平坦地形的太阳 直射辐照度、大气半球反照率、大气各层透过率和大气各层气溶胶光学厚度；
[0017] b)在Modtran中设置传感器为向上观测模式，步骤（2)设置的大气条件，以30° 的间隔在Modtran中改变观测天顶角，观测天顶角的设置范围从0°至90° ,在每个观测天 顶角条件下以30°的间隔在Modtran中改变相对方位角，相对方位角的设置范围从0°至 180°，在每个相对方位角条件下以500m的间隔在Modtran中改变地面海拔，地面海拔的设 置范围从〇km至5km，共运行210次Modtran,得到不同观测天顶角、相对方位角和地面海拔 组合条件下的大气散射辐亮度。
[0018] 所述步骤（6)中根据步骤（4)和步骤（5)的结果计算起伏地形接收到的总辐照 度，具体为：
[0019] 起伏地表上太阳直射辐照度的计算公式如下：
[0020] Edir (ζ, λ ) = Eflat ( λ ) · Θ · cos θ j
[0021] 式中，Eflatu)为步骤⑷中得到的平坦地形太阳直射辐照度，θ为阴影系数，θ i 为太阳入射角，λ表示卫星成像波长，ζ表示地面海拔；
[0022] 起伏地表上大气散射辐照度的计算公式如下：
[0023]
【权利要求】
1. 一种起伏地形下卫星侧摆成像大气邻近效应模拟方法，其特征在于步骤如下： (1) 选择地面场景，所述地面场景包括地面反射率数据以及与地面反射率数据相适应 的数字高程数据，即DEM数据； (2) 设置大气条件,所述大气条件包括大气类型、气溶胶类型和大气廓线； (3) 设置成像几何关系，所述成像几何关系包括太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角 和卫星与太阳之间的相对方位角； (4) 将步骤（2)中设置的大气条件和步骤（3)中确定的太阳与卫星之间的成像几何关 系输入中等光谱分辨率大气透过率计算模型Modtran，获取平坦地形条件下太阳直射辐照 度、大气散射辐亮度、大气半球反照率、大气各层透过率和大气各层气溶胶光学厚度； (5) 根据步骤（1)选择的DEM数据和步骤（3)中确定的成像几何关系，计算步骤（1)中 选择的地面场景的坡度、天空立体角、太阳入射角和阴影系数； (6) 根据步骤（4)和步骤（5)的结果计算起伏地形接收到的总辐照度，所述起伏地形接 收到的总辐照度包括照射到起伏地形的太阳直射辐照度、大气散射辐照度、地气耦合辐照 度和周围地物反射辐照度； (7) 利用步骤（1)中选择的地面反射率数据、步骤（6)中计算的起伏地形接收到的总辐 照度、步骤（4)中计算得到的大气各层透过率与大气各层气溶胶光学厚度和步骤（3)中确 定的太阳与卫星之间的成像几何关系，计算起伏地形邻近地物在传感器入瞳处产生的辐亮 度值； (8) 利用步骤（7)中计算的起伏地表邻近地物在传感器入瞳处产生的辐亮度值模拟起 伏地形条件下卫星侧摆成像大气邻近效应。
2. 根据权利要求1所述的一种起伏地形下卫星侧摆成像大气邻近效应模拟方法，其特 征在于：所述步骤（4)中将步骤（2)中设置的大气条件和步骤（3)中确定的太阳与卫星之 间的成像几何关系输入中等光谱分辨率大气透过率计算模型Modtran，获取平坦地形条件 下太阳直射辐照度、大气散射辐亮度、大气半球反照率、大气各层透过率和大气各层气溶胶 光学厚度；具体为： a) 在Modtran中设置传感器为向下观测模式，根据步骤（2)设置的大气条件，以30° 的间隔在Modtran中改变观测天顶角，观测天顶角的设置范围从90°至180°，在每个观测 天顶角条件下以500m的间隔在Modtran中改变地面海拔，地面海拔的设置范围从0km至 5km，共运行40次Modtran，得到不同观测天顶角和地面海拔组合条件下平坦地形的太阳直 射辐照度、大气半球反照率、大气各层透过率和大气各层气溶胶光学厚度； b) 在Modtran中设置传感器为向上观测模式，步骤（2)设置的大气条件，以30°的 间隔在Modtran中改变观测天顶角，观测天顶角的设置范围从0°至90° ,在每个观测天 顶角条件下以30°的间隔在Modtran中改变相对方位角，相对方位角的设置范围从0°至 180°，在每个相对方位角条件下以500m的间隔在Modtran中改变地面海拔，地面海拔的设 置范围从〇km至5km，共运行210次Modtran,得到不同观测天顶角、相对方位角和地面海拔 组合条件下的大气散射辐亮度。
3. 根据权利要求1所述的一种起伏地形下卫星侧摆成像大气邻近效应模拟方法，其特 征在于：所述步骤（6)中根据步骤（4)和步骤（5)的结果计算起伏地形接收到的总辐照度， 具体为： 起伏地表上太阳直射辐照度的计算公式如下： Edir(z, λ ) = Eflat(A ) . Θ · cos θ J 式中，EflatU)为步骤⑷中得到的平坦地形太阳直射辐照度，Θ为阴影系数， 太阳入射角，λ表示卫星成像波长，z表示地面海拔； 起伏地表上大气散射辐照度的计算公式如下：
式中，为沿(σ,妁方向散射到地面的大气散射辐亮度，〇和，分别表示入 射光线的天顶角和方位角，Ω为天空立体角； 起伏地表上地气耦合辐照度的计算公式如下：
式中，ρε(λ)为步骤（1)中的地面反射率数据求平均得到的地面平均反射率，8(λ) 为大气半球反照率； 起伏地表上周围地物反射辐照度的计算公式如下：
式中，P (x，y，z, λ)为地面反射率数据中的邻近地物反射率，E(x，y，z, λ)为起伏地 表接收到的太阳直射辐照度、大气散射辐照度和地气耦合辐照度之和，r为邻近地物与目标 地物之间的距离，α为目标地物的法线方向与目标地物和邻近地物连线之间的夹角，Π为 邻近地物的法线方向与目标地物和邻近地物连线之间的夹角，Υ为邻近地物所在坡面的坡 度，V用来指示邻近地物是否被目标地物可见，若其值为1，则邻近地物在目标地物的可视 范围内，值为〇则邻近地物不在目标地物的可视范围内，dxdy表示起伏坡面上邻近像元在 平坦地表上投影的面积。
4.根据权利要求1所述的一种起伏地形下卫星侧摆成像大气邻近效应模拟方法，其特 征在于：所述步骤（7)中利用步骤（1)中选择的地面反射率数据、步骤（6)中计算的起伏地 形接收到的总辐照度、步骤（4)中计算得到的大气各层透过率与大气各层气溶胶光学厚度 和步骤（3)中确定的太阳与卫星之间的成像几何关系，计算起伏地形邻近地物在传感器入 瞳处产生的辐亮度值；具体为 ： a)将整层大气沿垂直方向分为N层，计算邻近像元（x，y，z)反射至第i层大气介质上 的辐射通量，公式如下： (1Φ (X，y，z，λ ) = L · ?\ · d Ω · dxdy · cos ω /cos y 其中，L为邻近像元的反射辐亮度，?\为邻近像元-大气介质路径上的大气透过率，ω 为此邻近像元的法线方向与反射光线方向之间的夹角，（1Ω为第i层大气介质相对于邻近 像元的立体角，计算公式如下：
其中，dV为大气介质的体积微元，Θ为散射角，α为卫星侧摆角，dh为大气层的高度 微元，R为辐射能量从邻近像元到大气介质的传输距离； ?\由公式： ?\ = T(l)T(2)...T(i)...T(M) 给出，式中，T(i)为邻近像元到大气介质之间大气各层的透过率，1彡i彡M，M为邻近 像元与大气介质之间所包含的大气层数； b) 根据(1Φ (X，y，ζ，λ )和角散射系数β ( θ，λ )计算经大气介质单次散射后进入传感 器视场的辐射强度，计算公式如下：
式中，角散射系数β ( 9，λ)的计算由散射系数β (λ)和散射相函数Ρ( Θ )共同求 得：
β(λ) = τ(λ)/Δζ
其中，τ (λ)为大气介质所在层的气溶胶光学厚度，ΛΖ为大气介质所在层的层高，g 为非对称因子，取值为〇?1 ; c) 计算传感器处接收到的光谱福亮度，具体由下式计算：
式中，T2为大气介质-传感器路径上的大气透过率，具体由公式： T2 = Τ(1)Τ⑵…T(j)…T(Q) 给出，式中，T (j)为邻近像元到大气介质之间大气各层的透过率，1彡j彡Q，Q为大气 介质与传感器之间所包含的大气层数； d) 计算起伏地形邻近地物在传感器入瞳处产生的辐亮度值，具体由公式：
给出。
【文档编号】G01N21/25GK104217128SQ201410484602
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】江澄, 何红艳, 鲍云飞, 邢坤 申请人:北京空间机电研究所