遥感影像地形标准化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于遥感技术领域，涉及一种遥感影像地形标准化方法。
【背景技术】
[0002] 地表反照率是影响地表短波净辐射的重要因素，高分辨率遥感影像成为反照率 (Albedo)反演的重要数据源。然而，遥感观测不仅受水汽、气溶胶等大气光学因素影响，同 时还受坡度、坡向、地形遮蔽、天空可视因子等地形因子以及地表二向反射分部函数（BRDF) 或太阳-地表-传感器几何关系的影响，不能真实地反映地表状况。因此，遥感影像地形标 准化已经成为地表Albedo精确反演的必要预处理手段，在高分辨率数字高程模型（DEM)基 础上，用于同步消除或减小大气效应、地形效应和地表BRDF效应。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种遥感影像地形标准化方法，消除或减小大气效应、地形 效应和地表BRDF效应，真实反映地表状况。
[0004] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种遥感影像地形标准化方法，其 特征在于，该方法具体为： 1)卫星传感器获得的大气顶辐射亮度Zkf(J)由路径辐射Zp(J)和来自地表反射的 福射K』），即： LT0P{^)= Lp{A)+ 1{λ) Τ{λ, θ ν) (1) 在山区，来自地表反射辐射为： L{A) = {/ π){Εα?Γ{λ)+ EaniS0_dif{A))XpT{A){is,i r, 0s_r)+ {1/ π) {Eiso_dif{ λ) + Eref(A)) pTsd(A) (iv, Φν) (2) 式中：私#( 2)、2)、2)和万"，（ 2)分别表不太阳直接福射、各向同性 散射福射、各向异性散射福射和来自周围地形的反射福射；和』）分别表不坡 地方向-方向反射率和半球-方向反射率； 对于相同地表覆盖类型而言，坡地与消除地形的平坦地表方向-方向反射率不同，其 关系为： P Λ A) ( is，iv，0S-) = Ω ( i) ( is, ?γ, 0s_r, Θ s, θ γ, φ S_v) X P Η{ λ) (θ^θ^φ^) (5) 式中，Ω(2) ( is，八L L U为坡地BRDF归一化方向反射因子；由于半 球-方向反射率比较复杂，同时坡地各向同性散射辐射和来自周围地形反射辐射的能量较 小，因此不区分坡地和平坦地表半球-方向反射率，即： PtsAa) Uv, Φ) = Ρε(Λ) (0S, θν，Φ5-) (6) 因此，将公式（2)、公式（5)和公式（6)代入公式（1)，地形标准化后的反射率为： Ph^) θ, Φ5-)=πατ〇λ^)- Ιρ{λ))/Τ{λ, Θ) {{Edir{A)+ Eaniso^A)) Ω ( ^l)+ Eiso_dif{ λ) + Eref( λ) ) (7) 当Ω ( 2)=1时，地表假设为朗伯体反射特征；存在两种情况，一种是对遥感影像只进 行大气校正，公式可变为： (0s，K Φ5-)= ^ (Ltop(A)- Lp(A))/Τ( Λ, θ ) Ε0( Λ) D0Ti Λ, θ) (8) 另外一种情况是对遥感影像同时进行大气校正与地形校正，即地形标准化，但只是去 除地形对太阳照射角的影响，则地表反射率反演公式为： ΡΗ^λ) (0s，φ5_ν)=π{1Τ0Ρ{λ)- Ιρ{λ))/Τ{λ, θ)Ε{λ) (9) 2) 大气透过率受气溶胶、水汽含量的影响较大，同时也受瑞利散射和臭氧吸收的影响， 即： θ)= Τ〇3{λ, θ)Τψ{λ, θ) ΤΓ{λ, θ)Τ3{λ, θ) (10) 式中：/(2，05)、7^(2，6)5)、7；(2，（95)、7；(2，（9 5)和713(2，（95)分另1」表不总的大气 波谱透过率、臭氧透过率、水汽透过率、瑞利散射透过率和气溶胶透过率。由于臭氧吸收与 瑞利散射随时空分布变化不大，臭氧光学厚度可采用多年平均的空间分布数据，瑞利散射 可利用经验公式估算；然而在山区，气溶胶和水汽分布随时空变化较为强烈，水汽和气溶胶 波谱透过率公式如T·
【主权项】
1. 一种遥感影像地形标准化方法，其特征在于，该方法具体为： 1) 卫星传感器获得的大气顶辐射亮度Zkf(J)由路径辐射Zp(J)和来自地表反射的 福射K』），即： LT0P{^)= Lp{A)+ 1{λ) Τ{λ, θ ν) (1) 在山区，来自地表反射辐射为： L{A) = {/ π){Εα?Γ{λ)+ EaniS0_dif{A))XpT{A){is,i r, 0s_r)+ {1/ π) {Eiso_dif{ λ) + Eref(A)) pTsd(A) (iv, Φν) (2) 式中：私#( 2)、2)、2)和万"，（ 2)分别表不太阳直接福射、各向同性 散射福射、各向异性散射福射和来自周围地形的反射福射；/^(』）和』）分别表不坡 地方向-方向反射率和半球-方向反射率； 对于相同地表覆盖类型而言，坡地与消除地形的平坦地表方向-方向反射率不同，其 关系为： ( i；, iY, Os_) = Q{A) ( 4，Os^ Os, θγ, φ5_) ^ρΗ{λ) {θ5, θγ, φ3 -ν) (5) 式中，Ω(2) ( is，夂L L D为坡地BRDF归一化方向反射因子；由于半 球-方向反射率比较复杂，同时坡地各向同性散射辐射和来自周围地形反射辐射的能量较 小，因此不区分坡地和平坦地表半球-方向反射率，即： P TsAA) Uv, Φ) = Λ) ^Κθν，Φ3-) (6) 因此，将公式（2)、公式（5)和公式（6)代入公式（1)，地形标准化后的反射率为： Ph^) (^, Κ，Φ5-)=πατ〇λ^)- Ιρ{λ))/Τ{λ, Θ) {{Edir{A)+ Eaniso^A)) Ω ( ^l)+ Eiso_dif{ λ) + Eref( λ) ) (7) 当Ω ( 2)=1时，地表假设为朗伯体反射特征；存在两种情况，一种是对遥感影像只进 行大气校正，公式可变为： Ph(A) (0s，θ ν，Φ S-)= ^UtoAa)- Lp(A))/Τ( Λ, θ ) Ε0( Λ) D0T( Λ, θ) (8) 另外一种情况是对遥感影像同时进行大气校正与地形校正，即地形标准化，但只是去 除地形对太阳照射角的影响，则地表反射率反演公式为： ΡΗ^λ) (0s，θ, Φ5-ν)= ^{LT0P{A)~ Lp{A))/T{A, θ)Ε{λ) (9) 2) 大气透过率受气溶胶、水汽含量的影响较大，同时也受瑞利散射和臭氧吸收的影响， 即： θ)= Τ〇3{λ, θ)Τψ{λ, θ) ΤΓ{λ, θ)Τ3{λ, θ) (10) 式中：/(2，05)、7^(2，6)5)、7；(2，（95)、7；(2，（9 5)和713(2，（95)分另1」表不总的大气 波谱透过率、臭氧透过率、水汽透过率、瑞利散射透过率和气溶胶透过率。由于臭氧吸收与 瑞利散射随时空分布变化不大，臭氧光学厚度可采用多年平均的空间分布数据，瑞利散射 可利用经验公式估算；然而在山区，气溶胶和水汽分布随时空变化较为强烈，水汽和气溶胶 波谱透过率公式如下：
式中，2)、》和r分别表示水汽有效吸收系数、大气质量及大气可降水厚度；σ和f 是angstrom波长指数与浑浊度；对于大气可降水厚度，MODIS水汽产品PW直接作为水汽透 过率输入参数;AOD产品中的波长指数σ也作为气溶胶透过率的输入参数；表示为： B= r〇 55(〇. 55)3 (14) 在山区，总的太阳波谱辐射由太阳直接辐射、太阳散射和周围地形反射辐射三部分组 成，均为波长的函数；考虑到太阳方向对散射辐射的影响，将其又分解为各向同性散射辐射 和各向异性散射辐射，BP : E{ A)= Edir( ^) +Eiso_dif{ λ) + Eaniso^dif{ λ) +Eref{ λ) (15) 对于Landsat TM每个波段的太阳直接辐射与散射辐射同时受大气与地形作用的影 响； 周围地形反射辐射估算方法如下： E,c,(16) ι-ι 式中，地形结构因子，表示来自周围可见像元的反射辐射能量与可见像元自身总 的太阳波谱福射；4( W是周围可见像元的福射亮度，由Landsat TM影像测量而得； 3)坡地BRDF归一化方向反射因子是遥感影像地形标准化的重要参数，是坡地与消除 地形的平坦地表方向-方向反射率之比，而这两种方向反射率均遵循地表BRDF规律；半经 验线性核驱动模型由一定物理意义核的线性组合来拟合地表二向反射特性，其公式如下： P (0s，θν，^_)=^〇(^)+ ?ν〇λ^Κγο1{θ s, θγ, φ5_ν)+ fgeo{A) Kgeo( θ3, θν, φ3_) (17) 式中，L，和L，表示核函数，是太阳照射角与传感器观 测角度的函数，/^( 2)、/ra7( 2)和/_( 2)表示BRDF模型各向同性、体散射与几何光学 核函数的权重系数； 以坡元实际太阳照射角代替太阳天顶角，以坡元传感器实际观测角代替传感器天顶 角，得到坡元在传感器过境时刻的反射率： Pt^a) (4, ?0 0s-)=fis〇^A)+ fv〇AA)Kv〇iUs, Ir, φ5-)+ fge〇^A)KgeoUs^ ?0 φ5-) (18) 其中，Φ_= I Φ3-Φγ \ , 式中：为太阳与传感器相对方位角，φ肩示由于地形影响坡元上实际来自太阳的 照射角，Φ廣示由于地形影响坡元上实际来自传感器方向的观测角。
【专利摘要】一种遥感影像地形标准化方法，在Ross Thick-Li Sparse线性核驱动模型中，将坡度坡向引入Ross体散射核函数与Li氏几何光学核函数，建立山区BRDF模型；在现有遥感影像地形标准化成果基础上，改变地表朗伯反射特征假设，引入山区BRDF模型，最大限度减少复杂地形区BRDF 形状的改变对遥感数据的影响；将MODIS水汽和气溶胶大气产品作为地形标准化模型参数，获得卫星影像过境时刻的大气参数，消除大气光学因素的影响。该方法不仅去除了大气光学特性对遥感影像的辐射畸变，同时有效去除地形遮蔽等因子、地表BRDF特性引起的辐射畸变，从而获得地表真实反射率。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104834814
【申请号】CN201510211271
【发明人】张彦丽, 李新, 闻建光, 柳钦火, 阎广建, 赵军
【申请人】西北师范大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月29日