天基遥感分块插值计算太阳高度角的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及天基遥感分块插值计算太阳高度角的方法，属于遥感技术领域。 技术背景
[0002] 卫星、宇宙飞船和航天飞机等天基对地遥感获取数据过程中受到遥感平台和自然 环境等多种因素的制约，在遥感反演之前必须对遥感数据进行定位、辐射和几何等方面的 校正。太阳对地球的辐射中，太阳高度角具有日周期和年周期变化，对观测点的辐亮度影响 甚大。太阳辐射类地球遥感以辐亮度反演地物则不利于对地物的识别，不符合定量遥感的 要求。天基遥感太阳高度角校正有3个主流模式，即表观辐亮度、表观反射率和地表反射率 等模式，主流模式在理论上都比较成熟，许多文献对其作了较为严谨的推介。太阳高度角校 正实质上只是辐射角度问题，在主流模式上所起到的作用都一样。还有其它模式，如栗琳等 学者用关系模型来研宄太阳高度角校正。在遥感数据预处理中，太阳高度角校正是太阳辐 射类地球遥感数据校正中的一项常态性处理工作。
[0003] 遥感数据产品提供太阳高度角参数数据不足，遥感数据是大数据，若每个像元或 局部像元附带一个太阳高度角数据或者定位信息，会相应增大数据产品数据量，增加数据 通信负荷，增加数据存储空间和降低遥感应用时效。李先华等学者指出，中高空间分辨率卫 星每景数据仅提供中心点太阳高度角数据，对于数据校正精度则十分勉强，并根据卫星传 感器运行原理与定位关系叙述了卫星数据逐个像元的太阳高度角参数计算方法。该方法需 掌握传感器在轨运行原理及其相关参数数据，对末端数据用户要求偏高。黄晓园、周靖斐等 学者利用一级数据产品携带的固定间隔点太阳高度角数据进行插值，增加了太阳高度角数 据，提高了太阳高度角校正精度。由于该方法插值函数与实际关系不一致，不利于充分提高 太阳高度角校正精度。当前对太阳高度角数据的插值密度还没有相应研宄，不利于对其数 据插值密度的合理确定。没有携带充足太阳高度角数据的遥感数据产品则没有较好的实用 方式解决太阳高度角精校正问题。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于解决天基遥感数据产品太阳高度角数据不足而影响数据校正精 度的现实问题，为了增加天基遥感太阳高度角数据而设计一种天基遥感分块插值计算太阳 高度角的方法。
[0005] 本发明为了实现上述目的，天基遥感分块插值计算太阳高度角的方法包括：确认 遥感数据状态以便采取相应处理；利用附带参数数据作为数据插值的参照依据；按照数据 精度要求、利用太阳高度角数据遵循理论依据确定数据分块大小；根据数据状态确定数据 插值模式；根据插值模式落实数据插值方程式；根据插值方程式计算各项插值数据；利用 插值数据计算各元数据块太阳高度角参数。
[0006] 所述确认遥感数据状态以便采取相应处理，即遥感数据产品从校正数据状况可分 为0~五级，确认数据校正级别，落实数据产品是否已经完成数据定位、辐射定标、系统几 何校正和坐标映射，不同级别的数据产品需要根据附带定位数据分布、采集数据阵形和数 据采集时序等状况采取相应的数据插值处理。
[0007] 所述利用附带参数数据作为数据插值的参照依据，即天基遥感数据产品附带有相 关参数数据，利用这些参数数据作为数据插值的参照依据。
[0008] 所述按照数据精度要求、利用太阳高度角数据遵循理论依据确定数据分块大小， 包括数据分块理论依据和数据分块操作方法。所述数据分块理论依据，即通过数据校正偏 差率公式推论确立数据校正偏差率与太阳高度角偏差的关系，通过太阳高度角偏差特征规 律确立数据块行列宽度与太阳高度角偏差的关系，以太阳高度角偏差特征规律和数据校正 偏差率公式推论作为数据分块的理论依据。所述数据分块操作方法，包括数据分块方案和 数据分块计算。所述数据分块方案，即对整幅或整景或整轨数据无法按圆形区域分块，为了 满足数据精度要求，并使插值过程简单化，采取圆形区域最大内方块为元数据块。所述数 据分块计算，即根据数据用途确定校正数据精度大小，调用附带太阳高度角参数数据，或根 据公式计算太阳高度角参数，由数据校正偏差率公式计算出元数据块的太阳高度角偏差， 依据数据块行列宽度与太阳高度角偏差的关系计算出元数据块行列宽度，确定元数据块大 小。
[0009] 所述根据数据状态确定数据插值模式，包括确定一级或二级数据产品元数据块经 炜度插值模式；确定一级或二级数据产品元数据块采集时间插值模式；确定赤炜、时角参 数插值模式。
[0010] 所述根据插值模式落实数据插值方程式，包括根据相应的插值模式，落实一级数 据产品元数据块经炜度插值方程式和采集时间插值方程式；或者根据相应的插值模式，落 实二级数据产品元数据块经炜度插值方程式和采集时间插值方程式；根据赤炜、时角参数 插值模式，落实赤炜、时角参数插值方程式。
[0011] 所述根据插值方程式计算各项插值数据，即利用附带参数数据根据相应的插值方 程式计算各项插值数据。
[0012] 所述利用插值数据计算各元数据块太阳高度角参数，即根据太阳高度角公式，代 入由插值得到的参数数据，计算各元数据块太阳高度角参数。
[0013] 0级数据产品应完成一级数据产品相应校正处理后才可进行太阳高度角校正，可 参照一级数据产品分块插值计算太阳高度角的方法；0级或一级数据产品完成二级数据产 品相应的数据校正，可参照二级数据产品分块插值计算太阳高度角的方法；三级以后数据 产品一般已进行了太阳高度角校正，可去除太阳高度角粗校正，添加太阳高度角精校正，可 参照二级数据产品分块插值计算太阳高度角的方法。
[0014] 太阳高度角与太阳天顶角之和为90°，对于太阳高度角校正，太阳高度角计算与 太阳天顶角计算是等效的。
[0015] 本发明只适用于太阳辐射类天基遥感增加太阳高度角数据的需要，应用于可见 光、近红外等波段，地基、空基遥感由于观测区域较小，使用定位数据计算太阳高度角参数 就已经满足数据校正精度要求，不需使用本技术方案；夜间对地遥感（使用红外等长波波 段）和主动遥感（星载雷达如合成孔径雷达（SAR)使用微波等波段）属于非太阳辐射类遥 感，不涉及太阳辐射因素，不需使用本技术方案。
[0016] 在本发明中，其核心创新点在太阳高度角数据密度的确定上，因此，本发明还提供 了一种确定天基遥感太阳高度角数据密度的方法，包括数据分块理论依据和数据分块操作 方法；所述数据分块理论依据，即通过数据校正偏差率公式推论确立数据校正偏差率与太 阳高度角偏差的关系，通过太阳高度角偏差特征规律确立数据块行列宽度与太阳高度角偏 差的关系，以太阳高度角偏差特征规律和数据校正偏差率公式推论作为数据分块的理论依 据；所述数据分块操作方法，包括数据分块方案和数据分块计算；所述数据分块方案，即对 整幅或整景或整轨数据无法按圆形区域分块，为了满足数据精度要求，并使插值过程简单 化，采取圆形区域最大内方块为元数据块；所述数据分块计算，即根据数据用途确定校正数 据精度大小，调用或计算太阳高度角参数数据，由数据校正偏差率公式计算元数据块的太 阳高度角偏差，依据数据块行列宽度与太阳高度角偏差的关系计算出元数据块行列宽度， 确定元数据块大小；在遥感数据处理中元数据块大小确定，并且每个元数据块共同使用一 个太阳高度角数据，也就确定了遥感数据的太阳高度角数据密度。
[0017]本发明得到一些有益效果：本发明以分块插值计算太阳高度角参数，为天基遥感 增加太阳高度角数据，解决了天基遥感太阳高度角数据不足的实际问题；建立了确定天基 遥感太阳高度角数据密度的方法和计算公式，利于确定合理的太阳高度角数据分布；充分 提高天基遥感太阳高度角校正数据精度，利于遥感地物反演和识别；采用本技术方案，一级 数据产品不需携带固定间隔点太阳高度角数据；采用插值法降低了末端数据用户增加太阳 高度角数据的处理难度，技术方法具有易理解、易实现、实用佳和高精度等特点。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明实现流程图；
[0019] 图2、图3分别为TERRA/MODIS、AQUA/MODIS卫星遥感一级数据产品某轨采集数据 阵形示意图；
[0020] 图4、图5分别为图2、图3对应的二级数据产品采集数据阵形示意图；
[0021] 图6为HJ-1/C⑶卫星遥感二级数据产品某景降轨采集数据阵形示意图。
【具体实施方式】
[0022] 天基遥感分块插值计算太阳高度角的方法参见图1，是基于插值法以分块形式得 到元数据块中心点经炜度值和采集时间，根据公式计算元数据块太阳高度角参数，其方法 包括：确认遥感数据状态以便采取相应处理；利用附带参数数据作为数据插值的参照依 据；按照数据精度要求、利用太阳高度角数据遵循理论依据确定数据分块大小；根据数据 状态确定数据插值模式；根据插值模式落实数据插值方程式；根据插值方程式计算各项插 值数据；利用插值数据计算各元数据块太阳高度角参数。选择IDL或FORTRAN等语言编写 程序处理数据，先以太阳同步极轨卫星为例阐述如下：
[0023] 1.确认遥感数据状态以便采取相应处理遥感数据产品从校正数据状况可分为 0~五级，太阳高度角校正适宜在一级或二级数据产品实施。0级数据产品未完成数据定 位、辐射定标等处理，未达到本技术方案插值处理条件，一级和二级数据产品已完成数据定 位、辐射定标，并且二级数据产品也完成了系统几何校正和坐标映射。太阳高度角校正可安 排在系统几何校正之前或之后，应安排在几何精校正和地形辐射校正等之前。不同数据产 品级别与数据插值模式有关。一级数据产品采集数据阵形与0级相同（参见图2、图3)，为 方形，虽然完成了数据定位，由于未完成系统几何校正，数据定位信息在采集数据阵形上尚 未得到体现。数据采集时序与0级相同，文件数据行与数据采集顺序一致。二级数据产品 已完成系统几何校正，数据定位信息在采集数据阵形上已得到体现，并且由坐标映射建立 了采集数据与坐标系的关系（参见图4、图5)。受地球自转、在轨道飞行方向及其速度和传 感器推扫方向等影响，降轨时采集数据阵形扭摆西南向，升轨时采集数据阵形扭摆西北向， 文件数据（含边空数据）顶角和图像数据（不含边空数据）顶角不一致，采集数据阵形接 近菱形。数据采集行与文件数据行存在一定大小夹角，数据采集时序在降轨时为顺序，在升 轨时为逆序。受地球曲率影响，幅宽较大的数据两侧出现校正拉伸。在系统几何校正中不 同的投影方式对采集数据阵形的改变则有一些差别，等经炜度投影对高炜度区域拉伸尺度 大于低炜度区域。幅宽较大的一级数据产品其太阳高度角校正往往与局地数据投影一起处 理。不同级别的数据产品需要根据附