基于冠层内辐射传输机理的光学遥感影像地形校正方法与流程

本发明涉及光学遥感影像地形校正技术领域，具体涉及一种基于冠层内辐射传输机理的光学遥感影像地形校正方法。

背景技术：

遥感技术因其宏观、动态和客观的优点，在环境监测、防灾减灾、农业估产等众多领域取得了广泛应用。但在地形复杂的山区，地形显著影响光学遥感的成像过程，使遥感观测的辐射信号中包含了过多非地表实况的地形扰动信息。抑制光学遥感信号中的地形信息，获得影像的等效平地反射率(即地形校正)，是山地光学遥感应用的基本预处理技术。

地形以多种途径使光学遥感影像产生畸变，如：①地形对太阳入射辐射的再分配；②地形对大气底层辐射传输过程的影响；③地形倾斜对冠层结构的调制。相应地，已有地形校正方法也可以大致分为三类：①入射辐射校正方法，如余弦校正；②地形-大气协同校正方法，如kobayashi方法；③坡地冠层反射率地形校正方法，如scs校正。

scs校正是一种常用的坡地冠层反射率校正方法，它认为冠层反射率主要有光照树冠决定，通过考虑地形倾斜引起的光照树冠面积的变化，将地形校正后的反射率表达为：式中，ρt、ρscs分别是地形校正前后的反射率，α为坡度，θ1为太阳入射高度角，θ1’为坡地上的局地入射高度角，且θ1′＝cosθ1cosα+sinθ1sinαcosβ，式中，β为坡向。相对于余弦校正、c校正等，scs方法考虑了地形对冠层结构的调制，物理机理更加完备。但是，此方法基于几何光学基本原理，将树冠视为不透光的刚体，并且仅考虑了地形对光照树冠面积的影响，而忽略了阴影树冠、光照背景、阴影背景三分量对冠层反射率的贡献。scs方法在稀疏植被区的校正精度还存在不足。亟需发展对坡地冠层结构刻画更为准确的反射率校正方法。

d-s校正也是一种常用的坡地冠层反射率校正方法，它认为平地和坡地冠层反射率模型均可以表达为以下形式：式中，为入射方向和观测方向之间夹角的函数，θ1、θ2分别为为入射天顶角和观测天顶角。基于以上假设，地形校正之后的反射率可表达为：式中，ρt、ρd-s分别是地形校正前后的反射率，θ’1、θ’2分别为坡地上的局地入射高度角和观测高度角，可由式θ′1＝cosθ1cosα+sinθ1sinαcosβ计算得到。d-s校正物理机理清晰，数学形式简洁，是一种有效的坡地冠层反射率校正方法。但是，坡地冠层内辐射传输是一个高度非线性的物理过程，其满足式的假设过于简单，使d-s校正存在较大的不确定性，限制了它的广泛应用。亟需发展对坡地冠层内辐射传输过程刻画更为细致的反射率校正方法。

本发明将基于辐射传输基本理论，考虑由地表倾斜引起的冠层内光子传输自由路径长度的改变，据此构建坡地辐射传输方程；最后，通过简化辐射传输方程，得到形式简洁、机理完备的地形校正方法，普适性强，具备业务化运行能力，有助于提高光学卫星遥感技术在山区的应用潜力。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于冠层内辐射传输机理的光学遥感影像地形校正方法，从光子-冠层-地形交互的物理机理出发，通过简化辐射传输方程，提出一种兼顾物理机理完备性和数学形式简洁性的坡地冠层反射率归一化算法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于冠层内辐射传输机理的光学遥感影像地形校正方法，包括以下步骤：

s1.收集目标的光学遥感影像和dem数据；

s2.根据dem数据计算坡度、坡向，根据影像头文件，计算逐像元的成像几何，然后根据下列公式计算各像元对应的平地或坡地消光路径，

s(θ)＝1/cos(θ)

式中，θ、φ分别为太阳/观测天顶角和方位角，α、β分别为坡度、坡向，s、st分别为相同成像几何条件下平地和坡地的归一化消光路径；

同时对遥感影像进行大气校正，获得地表反射率；

s3.将地表反射率和消光路径作为输入，利用下列公式将坡地反射率校正为平地反射率，

式中，ρt、ρrt分别是地形校正前后的反射率，ω1为太阳入射方向，ω2为观测方向。

进一步地，所述步骤s2中，利用envi、arcgis或reliefvisualizationtoolbox软件处理dem数据计算坡度、坡向。

进一步地，所述步骤s2中，影像头文件由usgs网站下载，并据此计算得到逐像元成像几何产品。

进一步地，所述步骤s2中，利用6s、mortran或envi软件的flaash模块完成对遥感影像进行大气校正，获得地表反射率。

本发明的工作原理：假设坡地冠层是由倾斜的冠层顶和冠层底界定的浑浊介质。在重力影响下，植被具有向地生长特性，单株植被结构，如树冠形状、叶倾角等在水平面(而非倾斜坡面)的方位角上具有旋转不变性，因此适于在水平坐标系，而非局地坡面坐标系上描述冠层内的辐射传输过程。辐射传输方程描述了辐射量在冠层内的传输过程，可表示为：

式中，i为特定高度和方向的分谱辐亮度(w/m²·nm·sr)，μ为叶面积体密度(m²/m³)，g(ω2)为所有朝向的叶片向ω2方向的平均投影面积，γ(ω1→ω2)为散射相函数，即光子由ω1方向碰撞叶片后被散射到ω2方向的概率。z为由冠层顶(z＝0)至冠层底(z＝-1)的归一化距离；

在以下假设下：

假设i：天空散射光为0，即忽略天空散射光的影响；

假设ii：传感器接收的信号为植被的单次散射，即土壤背景的反射以及植被自身的多次散射可以忽略；

基于以上假设，传感器接收到的辐亮度可以表达为：

式中，l(z)为高度z处的累积叶面积指数，s(z,ω2)为高度z处，沿ω2方向逃逸出冠层所经过的消光路径长度；f(z,ω2)为源函数，且

式中，j为太阳入射辐照度。

根据双向反射因子的定义，可知冠层反射率可表示为：

式中，s(ω1)和s(ω2)分别为ω1、ω2方向相对于天顶方向的归一化消光路径。进一步假设：

假设iii：叶倾角类型为球型，即g≡0.5；

则，

由于植被的单体结构特征和叶片光学特性受地形的影响可以近似忽略，所以，式(9)中仅有1-exp[-lg(ω1)s(ω1)-lg(ω2)s(ω2)]与地形有关，对该项进行泰勒级数展开，并忽略二阶以上的高阶项，得：

将平地和坡地反射率都写为式(9)的形式，两者取比值，并进一步整理可得本发明坡地反射率校正方法：

式中，ρt、ρrt分别是地形校正前后的反射率，s、st分别为相同成像几何条件下平地和坡地的归一化消光路径；且

s(θ)＝1/cos(θ)

式中，θ、分别为太阳/观测天顶角和方位角，α、β分别为坡度、坡向；可见，山地情况下消光路径不再具有方位角上的旋转不变性，并且受坡度、坡向的影响。

本发明的有益效果是：本发明基于冠层内辐射传输机理的光学遥感影像地形校正方法，考虑了坡地冠层内的辐射传输过程机理，克服了已有方法物理机理不完备的缺点；进一步通过化简辐射传输方程，得到了解析的坡地冠层反射率校正方法；由于本发明兼顾了物理机理的完备性和数学形式的简洁性，可以很方便地嵌入已有入射辐射校正方法和地形-大气协同校正方法，构造全链路地形校正方法，有助于显著提高光学遥感技术在山区的应用潜力。

附图说明

图1为本发明光学遥感影像地形校正方法的流程图；

图2为本发明试验例中校正前的影像图；

图3为本发明试验例中的dem数据图；

图4为本发明试验例中采用本发明方法校正后的影像图；

图5为本发明试验例中采用scs校正方法校正后的影像图；

图6为本发明试验例中采用d-s校正方法校正后的影像图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例

如图1所示，一种基于冠层内辐射传输机理的光学遥感影像地形校正方法，包括以下步骤：

s1.收集目标的光学遥感影像和dem数据；

s2.根据dem数据计算坡度、坡向，根据影像头文件，计算逐像元的成像几何，然后根据下列公式计算各像元对应的平地或坡地消光路径，

s(θ)＝1/cos(θ)

式中，θ、φ分别为太阳/观测天顶角和方位角，α、β分别为坡度、坡向，s、st分别为相同成像几何条件下平地和坡地的归一化消光路径；

同时对遥感影像进行大气校正，获得地表反射率；

s3.将地表反射率和消光路径作为输入，利用下列公式将坡地反射率校正为平地反射率，

式中，ρt、ρrt分别是地形校正前后的反射率，ω1为太阳入射方向，ω2为观测方向。

在一个优选实施例中，所述步骤s2中，利用envi、arcgis或reliefvisualizationtoolbox软件处理dem数据计算坡度、坡向。

在一个优选实施例中，所述步骤s2中，影像头文件由usgs网站下载得到逐像元成像几何产品。

在一个优选实施例中，所述步骤s2中，利用6s、mortran或envi软件的flaash模块完成对遥感影像进行大气校正，获得地表反射率。

试验例

采用图2和图3所示landsat8-oli影像及对应dem数据作为输入，使用scs、d-s及本发明方法对其进行了地形校正，校正后的结果如图4～6所示。

由图4～6得出，三种方法均能有效抑制由地形起伏引起的反射率变化，地形校正后阴阳坡之间的反射率差异减弱；但是对比发现，scs和d-s校正后的影像相对于原始影像色调发生了变化(均采用相同的2％线性拉伸方式显式，因此排除了由显示方法差异带来的虚假变化)，即两种地形校正方法在抑制地形畸变的同时，会带来新的反射率畸变；而本发明方法较好的保持了原始影像的总体色调特征。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。