基于MODIS影像的表观反射率模型构建方法、系统及定标方法与流程

本发明涉及一种基于modis影像的表观反射率模型构建方法、系统及定标方法，属于定标检校技术领域。

背景技术：

高精度、高频次的在轨辐射定标是实现定量遥感产品反演的前提和基础。在轨辐射定标是在卫星运行期间，利用地面或星上特定目标作为参考辐射源，建立辐射亮度与图像灰度值的转换关系，得到传感器的定标系数。根据参考辐射源的不同，在轨辐射定标方法又分为星上定标器定标法、太阳定标法、月球定标法、场地定标法、场景定标法、交叉定标法等。其中，星上定标器定标法利用星上内置积分球作为定标源，实现在轨辐射定标。太阳定标法和月球定标法分别选择太阳和月球作为参考辐射源，通过调整卫星姿态，利用星上装置获取太阳和月球影像，实现在轨辐射定标。这三种方法都要求在卫星上配置相应的定标装置，在定标时需要对卫星姿态进行调整，对卫星载荷的控制要求高，可定标的频次有限，目前国产陆地卫星大部分都不具备这三种的定标能力。场地定标法依赖地面星地同步实验数据，利用定标场实测地表和大气参数，实现在轨辐射定标。该方法的定标精度和频率受限于星地同步实验的次数及过境时刻的天气情况，每次定标都需要耗费大量的人力物力，可开展的定标次数有限。场景定标法利用特定的自然场景目标作为参考辐射源，利用模型辐亮度和图像的灰度值，实现在轨辐射定标。根据自然场景的不同，又分为沙漠场景法、云场景法、海洋场景法、极地场景法等。场景定标法的优点在于定标频率高、成本低、可实现历史影像数据的定标。但不足之处在于定标精度受限于定标场景的模型，该方法假设不同地区不同时相的场景具有相同的模型，而实际上不同地区不同时相的场景影像，由于观测几何、大气条件、地表变化的差异，这一假设存在较大的不确定性，导致场景定标法精度较低。交叉定标法选择参考卫星作为参考辐射源，通过建立目标传感器与参考传感器图像之间的转换关系，实现传感器的绝对辐射定标。该方法考虑了不同卫星成像条件、光谱分辨率等之间的差异，其定标精度和选择的参考影像对直接相关。通常情况下，选择相同观测角度、相同观测时间下的影像对具有较高的定标精度。

现有的《基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法》(cn105092055b)公开了一种基于冷云目标的气象卫星太阳反射波段辐射定标方法。该方法通过冷云目标物的提取，冷云反射率归一化处理；辐射定标响应的在轨状态监控与日衰减模型建立等处理，利用辐射参考卫星，实现气象卫星太阳反射波段重新定标。该方法属于交叉定标的一种。本发明实现了卫星仪器观测的连续性和一致性；不受天气条件影响，省时省力，可以方便快捷、准实时得到卫星响应变化。然而，该方法并未考虑大观测角度下(观测角度大于30度)地表方向反射率的影响，不适用于大观测角度下影像对的交叉定标。

现有的交叉定标研究中，大多数研究都假设地表为朗伯体，忽略了不同卫星观测几何的影响，这一假设在卫星观测角度偏小时合适，但当卫星具有较大观测角度(大于30度)时，忽略场地反射率方向性的影响，将会带来较大的误差。现有的方法《考虑地物brdf特性改进后的cbers202卫星ccd相机的辐射定标系数》(遥感学报2006，第10卷第5期)虽然考虑了场地方向反射率的影响，但该方法采用的是地面测量的多角度反射率数据，只考虑了地表反射率方向性的影响，而未考虑大气层顶表观反射率方向性的影响。现有的方法《基于深度学习的在轨辐射定标方法研究》(航天返回与遥感，2017，第38卷第2期)采用时间序列modis作为参考卫星利用定标场地的大量历史卫星影像、历史大气数据和历史光谱数据，通过对这些数据的学习和筛选，构建和真实场景最接近的定标场地模型。利用这一定标场地模型，模拟出待定标卫星成像时刻对应观测几何下的表观反射率，实现传感器的绝对辐射定标。该方法虽然也取得了比较好的定标结果，但该方法对如何实现有效数据的筛选，并未给出详细的过程，且该方法是否适用于大角度影像对的交叉定标，也未得到有效验证。

综上所述，现有交叉定标方法中，较少考虑大观测角度下卫星影像对之间方向反射率的差异，或采用地面实测反射率代替大气层顶表观反射率方向性的影响，导致现有交叉定标方法不适用于大观测角度卫星影像对的交叉定标。而在实际定标过程中，绝大多数交叉定标影像对的观测角度会有较大的差异。因此，提出一种可消除大观测角度差异的表观反射率模型，实现大角度下的高精度交叉定标，具有重要的研究意义和实际应用需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种基于modis影像的表观反射率模型构建方法，该方法可消除大观测角度差异，通过建立表观反射率模型获取表观反射率，进一步完成卫星在轨定标，具有定标精度高，可用于历史数据再定标等优点。

本发明的另外一个目的在于提供一种基于modis影像的表观反射率模型构建系统。

本发明的又一个目的在于提供一种基于modis影像的定标方法及定标系统。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

基于modis影像的表观反射率模型构建方法，包括：

获取定标场地时间序列modis卫星影像；

根据定标场地位置，从所述modis卫星影像中提取定标场地上空对应的图像灰度值、图像定标系数和图像观测几何信息；

根据所述图像定标系数，得到定标场地时间序列表观辐亮度、表观反射率和表观亮温；

根据所述表观亮温得到包络线亮温，建立包络线亮温曲线，选取包络线亮温曲线中，包络线亮温和图像亮温的差值小于10k的图像；

计算modis可见近红外区间第1波段的场地图像灰度值的变异系数，选取变异系数大于4％的图像；

将同时满足包络线亮温和图像亮温的差值小于10k、变异系数大于4％的图像作为有效定标场地影像，得到所述有效定标场地影像对应的图像表观反射率和角度信息；

根据所述有效定标场地影像对应的图像表观反射率以及角度信息，利用核驱动模型，得到表观反射率校正系数；

将所述表观反射率校正系数代入所述核驱动模型，建立表观反射率模型，用于获取表观反射率。

在上述基于modis影像的表观反射率模型构建方法中，所述定标场地的要求为：(1)场地面积不小于5公里×5公里；(2)定标场地均匀平坦、无植被覆盖；(3)场地晴天数多；(4)场地位于干旱区；获取定标场地1年以上的时间序列mod021km卫星影像。

在上述基于modis影像的表观反射率模型构建方法中，所述图像灰度值包括modis可见近红外区间的波段1-7，和热红外波段31，32；所述图像定标系数包括各通道反射率定标系数和辐亮度定标系数；所述图像观测几何信息包括场地位置对应的太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角和观测方位角。

在上述基于modis影像的表观反射率模型构建方法中，所述表观辐亮度计算公式如下：

其中，li为modis第i波段表观辐亮度，和分别为modis第i波段的表观辐亮度定标系数的增益和截距；

所述表观反射率计算公式如下：

其中，ρi为modis第i波段表观反射率，和分别为modis第i波段的表观反射率定标系数的增益和截距，θs为对应的太阳天顶角；dn为遥感图像的计数值；

所述表观亮温计算公式如下：

其中，t为表观亮温，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，c为光速，λ为波长，l为表观辐亮度。

在上述基于modis影像的表观反射率模型构建方法中，所述计算modis可见近红外区间第1波段的场地图像灰度值的变异系数，即计算场地图像灰度值标准差与均值的比值；所述角度信息包括观测天顶角、观测方位角、太阳天顶角和太阳方位角。

在上述基于modis影像的表观反射率模型构建方法中，所述核驱动模型表示如下：

其中，为二向表观反射率；kgeo为几何光学核，kvol为体散射核；θs为太阳天顶角；θv为观测天顶角；为相对方位角，即太阳方位角与观测方位角的相对差值；fiso，fgeo，fvol为校正系数，分别表示各向均匀散射、几何光学散射、体散射所占比例。

在上述基于modis影像的表观反射率模型构建方法中，根据获取的所述表观反射率，计算场地模型的反演精度，即得到所有晴天图像的平均绝对偏差和平均相对偏差，具体如下：

平均绝对偏差的计算公式为：

平均相对偏差的计算公式为：

其中：εave为平均绝对偏差、εrel为平均相对偏差、为根据建立的表观反射率模型获取的modis第i波段表观反射率；ρi为modis第i波段表观反射率。

基于modis影像的表观反射率模型构建系统，包括图像信息提取模块、表观参数获取模块、有效影像筛选模块、校正系数计算模块和表观反射率模型建立模块，其中：

图像信息提取模块：获取定标场地时间序列modis卫星影像，根据定标场地位置，从所述modis卫星影像中提取定标场地上空对应的图像灰度值、图像定标系数和图像观测几何信息，并发送给表观参数获取模块；

表观参数获取模块：根据所述图像定标系数，得到定标场地时间序列表观辐亮度、表观反射率和表观亮温，并发送给有效影像筛选模块；

有效影像筛选模块：根据所述表观亮温得到包络线亮温，建立包络线亮温曲线，选取包络线亮温曲线中，包络线亮温和图像亮温的差值小于10k的图像；计算modis可见近红外区间第1波段的场地图像灰度值的变异系数，选取变异系数大于4％的图像；选取同时满足包络线亮温和图像亮温的差值小于10k、变异系数大于4％的图像作为有效定标场地影像，得到所述有效定标场地影像对应的图像表观反射率和角度信息，并发送给校正系数计算模块；

校正系数计算模块：根据所述有效定标场地影像对应的图像表观反射率以及角度信息，利用核驱动模型，得到表观反射率校正系数，并发送给表观反射率模型建立模块；

表观反射率模型建立模块：将所述表观反射率校正系数代入所述核驱动模型，建立表观反射率模型，用于获取表观反射率。

在上述基于modis影像的表观反射率模型构建系统中，还包括反演精度计算模块，所述反演精度计算模块接收表观反射率模型建立模块发送的表观反射率，根据所述表观反射率，计算场地模型的反演精度，即得到所有晴天图像的平均绝对偏差和平均相对偏差，具体如下：

平均绝对偏差的计算公式为：

平均相对偏差的计算公式为：

其中：εave为平均绝对偏差、εrel为平均相对偏差、为根据建立的表观反射率模型获取的modis第i波段表观反射率；ρi为modis第i波段表观反射率。

一种基于modis影像的定标方法，采用上述表观反射率模型构建方法获取表观反射率，根据所述表观反射率和图像计数值，得到卫星传感器的辐射定标系数，完成定标。

一种基于modis影像的定标系统，包括上述表观反射率模型构建系统和辐射定标系数获取模块，其中所述表观反射率模型构建系统用于获取表观反射率，所述辐射定标系数获取模块用于根据所述表观反射率和图像计数值，得到卫星传感器的辐射定标系数，完成定标。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明提出一种基于长时间序列modis影像的定标场地方向表观反射率模型构建方法，通过选取有效定标场地影像，得到对应的图像表观反射率及相关角度信息，进一步利用核驱动模型，得到表观反射率校正系数，从而建立表观反射率模型，用于获取表观反射率，在此基础上实现卫星定标，实现定标的高精度。

(2)、本发明提出了一种利用卫星影像数据实现厚云、薄云、积雪等影响表观反射率的识别方法，实现了定标场地有效表观反射率的筛选和确定，在此基础上构建的方向性模型，和现有地面实测光谱相比，具有更好的校正效果。

(3)、本发明可以根据表观反射率计算场地模型的反演精度，即得到所有晴天图像的平均绝对偏差和平均相对偏差，确定各类模型的适用范围和相应的方向性模型不确定度，应用范围广。

(4)、本发明构建一种可消除大观测角度差异的表观反射率方向性校正模型，在此基础上实现不同传感器卫星影像对的交叉定标，本发明方法可适用于多光谱卫星的在轨定标，尤其是大角度影像对之间的交叉定标，该方法具有定标精度高，可用于历史数据再定标等优点。

(5)、本发明不用开展星地同步实验，取消了场地必须具有朗伯性的假设，不仅可用于小角度影像的交叉定标，而且可用于大角度下影像对的交叉定标，极大提高了定标的频率和精度。

附图说明

图1本发明基于modis影像的表观反射率模型构建方法流程图；

图2为本发明某场地时间序列表观反射率图；

图3为本发明某场地时间序列表观等效包络线亮温曲线图；

图4为本发明某场地有效表观反射率提取(第1波段)图；

图5为本发明基于modis影像的表观反射率模型构建系统结构组成图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明基于modis影像的表观反射率模型构建方法流程图，本发明基于modis影像的表观反射率模型构建方法具体包括如下步骤：

步骤一，获取定标场地时间序列modis影像数据。定标场地的要求如下：1)场地面积不小于5公里×5公里；2)定标场地均匀平坦、无植被覆盖；3)场地晴天数多(一年内晴天数大于200天)；4)场地位于干旱区，降雨量小。获取定标场地1年以上的时间序列mod021km卫星影像。

步骤二，根据定标场地位置，从mod021km影像中提取定标场地上空对应的图像灰度值、定标系数、观测几何信息。其中，图像灰度值包括modis可见近红外区间的波段1-7，和热红外波段31，32，场地大小为5公里×5公里，即根据场地中心经纬度获取mod021km图像5×5像元大小的灰度值。定标系数包括各通道反射率定标系数和辐亮度定标系数；观测几何包括场地位置对应的太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角。

步骤三，根据modis图像的定标系数，分别得到定标场地时间序列表观辐亮度、表观反射率和表观亮温。

其中，表观辐亮度计算公式

其中，li是modis第i波段表观辐亮度，和分别是modis第i波段的表观辐亮度定标系数的增益和截距；

表观反射率计算公式如下：

其中，ρi是modis第i波段表观反射率，和分别是modis第i波段的表观反射率定标系数的增益和截距，θs是对应的太阳天顶角；dn为遥感图像的计数值；

表观亮温计算公式如下

其中，t为表观亮温，h为普朗克常数，h＝6.626e-34，k为玻尔兹曼常数，k＝1.3806e-23，c为光速，c＝299792.458e3.λ为波长。选择modis的第31波段别进行亮温反演，对应的中心波长为11.006um；l为表观辐亮度。

步骤四、根据表观亮温得到包络线亮温，建立包络线亮温曲线tcr，如图3所示为本发明某场地时间序列表观等效包络线亮温曲线图，图中横轴表示时间，纵轴表示亮温，最上端的曲线为包络线。选取包络线亮温曲线中，包络线亮温和图像亮温的差值小于10k的图像，此时的图像认为为晴天影像，否则为有云的影像。

步骤五、计算modis可见近红外区间第1波段的场地图像灰度值的变异系数，即场地图像灰度值标准差与均值的比值，选取变异系数大于4％的图像，若变异系数大于4％，则认为有云覆盖，否则为晴天影像。

步骤六、将同时满足包络线亮温和图像亮温的差值小于10k、变异系数大于4％的图像作为有效定标场地影像，即晴天定标场地影像，得到有效定标场地影像对应的图像表观反射率和角度信息，角度信息包括观测天顶角、观测方位角、太阳天顶角、太阳方位角等信息。

步骤七、根据有效定标场地影像对应的图像表观反射率以及角度信息，利用核驱动模型，得到表观反射率校正系数。

核驱动模型表示如下：

其中，为二向表观反射率；kgeo为几何光学核，kvol为体散射核；θs为太阳天顶角；θv为观测天顶角；为相对方位角，即太阳方位角与观测方位角的相对差值；；fiso，fgeo，fvol为校正系数，分别表示各向均匀散射、几何光学散射、体散射三部分所占比例。

步骤八、将得到的表观反射率校正系数代入上述核驱动模型，建立表观反射率模型，用于获取表观反射率。

步骤九、利用步骤八获取的表观反射率，结合图像dn计数值，得到卫星传感器的辐射定标系数，完成定标。

可以根据获取的表观反射率，计算场地模型的反演精度，即得到所有晴天图像的平均绝对偏差和平均相对偏差，具体如下：

平均绝对偏差的计算公式为：

平均相对偏差的计算公式为：

其中：εave为平均绝对偏差、εrel为平均相对偏差、为根据建立的表观反射率模型获取的modis第i波段表观反射率；ρi为modis第i波段表观反射率。

如图2所示为本发明某场地时间序列表观反射率图，图2为没有经过有效影像筛选的表观反射率图。

如图4所示为本发明某场地有效表观反射率提取(第1波段)图，图4为经过有效影像筛选的表观发射率图，其中深色点即为图2中的band1的离散点，浅色点为经过有效影像删选后的离散点，筛选之后离散点更加集中。

本发明还提供一种基于modis影像的表观反射率模型构建系统，如图5所示为本发明基于modis影像的表观反射率模型构建系统结构组成图，由图可知模型构件系统包括图像信息提取模块、表观参数获取模块、有效影像筛选模块、校正系数计算模块和表观反射率模型建立模块，其中：

图像信息提取模块：获取定标场地时间序列modis卫星影像，根据定标场地位置，从所述modis卫星影像中提取定标场地上空对应的图像灰度值、图像定标系数和图像观测几何信息，并发送给表观参数获取模块；

表观参数获取模块，根据所述图像定标系数，得到定标场地时间序列表观辐亮度、表观反射率和表观亮温，并发送给有效影像筛选模块。

有效影像筛选模块，根据所述表观亮温得到包络线亮温，建立包络线亮温曲线，选取包络线亮温曲线中，包络线亮温和图像亮温的差值小于10k的图像；计算modis可见近红外区间第1波段的场地图像灰度值的变异系数，选取变异系数大于4％的图像；选取同时满足包络线亮温和图像亮温的差值小于10k、变异系数大于4％的图像作为有效定标场地影像，得到所述有效定标场地影像对应的图像表观反射率和角度信息，并发送给校正系数计算模块。

校正系数计算模块，根据所述有效定标场地影像对应的图像表观反射率以及角度信息，利用核驱动模型，得到表观反射率校正系数，并发送给表观反射率模型建立模块。

表观反射率模型建立模块，将所述表观反射率校正系数代入所述核驱动模型，建立表观反射率模型，用于获取表观反射率。

上述各个模块的功能参见上述对表观反射率模型构建方法的描述，在此不再赘述。

本发明实现了定标场地有效表观反射率的筛选和确定，在此基础上构建的方向性模型，和现有地面实测光谱相比，具有更好的校正效果。本发明不用开展星地同步实验，取消了场地必须具有朗伯性的假设，不仅可用于小角度影像的交叉定标，而且可用于大角度下影像对的交叉定标，极大提高了定标的频率和精度。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。