专利名称：大气程辐射遥感数字图像的计算机生成方法
技术领域：
本发明涉及一种遥感数字图像的获取方法，具体地说，是关于大气程辐射遥感数字图像的计算机生成方法。
背景技术：
大气程辐射是太阳辐射在大气传输过程中经大气中各组分(大气分子)及气溶胶微粒散射后直接到达遥感器的辐射。由于大气成分在空间分布的不均匀和大气的污染(人为和自然)，随着空气组分和大气气溶胶的含量、形状、性质、粒径、浓度等因素的空间分布差异，卫星遥感图像上各点的大气程辐射亮度(大气程辐射遥感值)是不同的。这些不同的大气程辐射遥感值是太阳辐射在大气传输过程中与不同地点相互作用的结果，表征着该点地面上的大气状况和质量。
遥感技术中大气程辐射即向上天空亮度(与大气光学厚度、浑浊度一样)遥感值是与地面状况无关的，表征大气质量状况的天空光亮度遥感分量，是大气组份、气溶胶种类、含量的函数，是大气中粒子散射的产物，利用天空光亮度分布遥感气溶胶特性、可以充分利用气溶胶的散射信息。
虽然卫星遥感数字图像已成功地广泛应用于大气环境科学研究与大气环境质量研究和监测。但现有的卫星遥感主要用于对地探测，大气信息是混合在地面遥感信息之中的微弱信息。将遥感数据中的大气信息和地面信息分离，提取其大气信息，是制约大气遥感和大气环境质量遥感监测精度，困扰遥感界多年至今尚未根本解决的技术难题。
发明内容
综上所述，如何利用卫星遥感数字图像，将遥感数据中的大气信息和地面信息分离，提取其大气信息，乃是本发明所要解决的技术问题。为此，本发明的目的在于提供一种大气程辐射遥感数字图像的计算机生成方法。
本分明的技术方案如下根据本分明的一种大气程辐射遥感数字图像的计算机生成方法，其步骤包括S1.在地理信息系统的支持下以选定的地区的地面覆盖现状图的图斑为单位，将位于该图斑上的卫星图片像元分为图斑边界上的和图斑内部的两类不同的像元；S2.利用不同的地物反射率计算图斑边界上所有像元的大气程辐射遥感数值，并建立该图斑像元的大气程辐射遥感数值和像元遥感数值之间的定量关系表达式；S3.然后，逐点计算图斑内部像元的大气程辐射遥感数值，完成该图斑所有像元的大气程辐射遥感数值计算；S4.计算完成后再返回执行步骤S2、S3计算下一个图斑，如此循环直至地面覆盖现状图中所有的图斑上卫片像元大气程辐射遥感数值都计算完毕，完成所选定地区的大气程辐射遥感数字图像的计算机生成。
进一步，所述的步骤S2中对该图斑边界上所有像元的大气程辐射遥感值的计算，是对位于边界上的与不同种类像元相邻的像元大气程辐射遥感值计算，其本质是在大气状况(大气程辐射、大气光谱透过率和地面光谱辐射照度)大致相同，下垫面(反射率)迥然不同的条件下像元大气程辐射遥感值计算，计算公式为DNA＝DNA1＝DNA2＝DN1-r1×(DN1-DN2)/(r1-r2)，其中，DN1、DN2；r1、r2分别为相邻的不同种类地物的像元遥感数值和对应地面的反射率；在所述的步骤S3中对该图斑内部像元的大气程辐射遥感值的计算，其本质是在大气状况(大气程辐射、大气光谱透过率和地面光谱辐射照度)不同，下垫面(反射率)大致相同的条件下的像元大气程辐射遥感值计算，根据表达图斑内部像元大气程辐射遥感值DNa与该像元大气光谱透过率之间的定量关系DNaij=a×ln(DNij-DNaij)+b=a×ln(DNij′)+b,]]>令Y=DNaij,X=ln(DNij-DNaij)=ln(DNij′),]]>则有回归直线方程Y＝aX+d，其中DNij′是像元原始遥感值DN的大气修正值；a、b分别为待定(回归)系数，利用包围该图斑的边界上多个(L)已知像元点的原始值和像元大气程辐射遥感值，通过最小二乘法计算得到。
本发明的方法与已有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步，其利用遥感数字图像中的大气程辐射分量构建传统遥感手段无法获得的大气遥感数字图像；在遥感数据的弱信息提取和数据挖掘方面有所突破和创新。
大气程辐射遥感数字图像的计算机生成为城市(区域)大气环境质量的遥感反演，为获取大气程遥感数字图像开拓了新的方法和途径。本发明方法对于机(星)载激光扫描成像和多光谱扫描成像也同样适用。
图1为本发明的一个实施例(即中国上海市)的TM遥感数字图像(1024×1024)图2图3分别为与图1卫星图片匹配的(对应)地面反射率分布图和地面覆盖现状图(土地利用现状图)；图4为本发明的实施例，即计算机生成的(中国上海市)大气程辐射遥感数字图像；图5为本发明的大气程辐射遥感数字图像生成程序流程图。
具体实施例方式
下面根据图1至图5给出本发明的一个实施例，即完成对中国上海市大气程辐射遥感数字图像的计算机生成。要指出的是，所给出的实施例是为了说明本发明方法的技术特点和功能特点，使能更易于理解本发明，而不是用来限制本发明的范围。
本实施例是在GIS(地理信息系统)支持下进行的，先请参阅图5，它是大气程辐射遥感数字图像计算机生成程序100的流程图，运行步骤如下S1000.启动程序100；S1001.输入选定地区遥感图像及地面覆盖分布图，即输入图1，图2和图3，并对它们分别给出标记，图1为TM遥感数字图像，图2为图1的地面反射率分布图，图3为地面覆盖现状图；S1002.像元地面反射率遥感反馈(或实测数数据库)地面反射率分布图，即把图3进行像元地面反射率进行遥感反馈；S1003.选定土地覆盖现状图的任一图斑，即以图3中的图斑为单位，将与位于图3所示图斑上的对应的图1像元分成图斑边界和图斑内部像元；S1004.计算边界像元大气程辐射遥感值；S1005.计算图斑内部像元大气程辐射遥感值；S1006.判断所有图斑是否计算完毕？即事先设定图2中的图斑数，并逐次减1，直至预设值为0，如果预设值≥1，则执行S1007，若预设值＝0，则执行S1008；S1007.指定下一个图斑跳回执行S1004；S1008.输出大气程遥感图像，即图4；S1009.程序结束，完成对中国上海市的大气程辐射遥感数字图像的计算机生成。
上述步骤S1003中，以图3地面覆盖现状图的图斑为单元而后由步骤S1004和S1005先后计算图3所示边界像元、图斑内部像元的大气程遥感值。
1.步骤S1004进行图斑边界(边缘)上所有像元的大气程辐射遥感值计算；位于边界上的与不同种类像元相邻的像元大气程辐射遥感值计算，其本质是在大气状况(大气程辐射、大气光谱透过率和地面光谱辐射照度)大致相同，下垫面(反射率)迥然不同的条件下像元大气程辐射遥感值计算。
根据图1所示卫星遥感数字图像的点成像公式DNij＝k×Hij×rij×τij/π+DNAij(1)公式(1)中K为卫星传感器所固有的增益系数Hij为像元地面的辐射照度；rij为像元地面的反射率τij为像元的大气光谱垂直透过率；NAij为像元的大气亮度；θ，λ分别为太阳高度角和波长；DNij、DNAij分别为像元的遥感值和大气程辐射(大气亮度)遥感值。
把边界上的小区域(最小为分辨率的两倍)大气状况和地面照度视为均匀，边界上的像元大气程辐射遥感值DNA便可以利用图2所示像元地面的反射率准确地反演计算设P1、P2分别是图3所示位于地面覆盖现状图上某类(个)图斑边界上的不同种类的相邻像元点。
由于把边界上的小区域大气状况和地面照度可视为均匀，则有H1＝H2＝H，DNA1＝DNA2＝DNA，τ1＝τ2＝τ则有二元一次方程组DN1＝K×H1×r1×τ1/π+DNA1＝K×H×r1×τ/π+DNADN2＝K×H2×r2×τ2/π+DNA2＝K×H×r2×τ/π+DNA
解之DNA＝DNA1＝DNA2＝DN1-r1×(DN1-DN2)/(r1-r2) (2)公式(2)中DN1、DN2r1、r2分别为相邻的不同种类地物的像元遥感数值和对应地面的反射率。
对于该图斑边界上所有像元实施公式(2)的计算，便得到该图斑边界上所有像元的大气程辐射遥感值。
2、步骤S1005对图3进行图斑内部像元的大气程辐射遥感值计算在图3所示地面覆盖现状图上某类(个)图斑内部位于同类像元中的，与相同种类像元相邻的像元大气程辐射遥感值计算。其本质是在大气状况(大气程辐射、大气光谱透过率和地面光谱辐射照度)不同，下垫面(反射率)大致相同的条件下的像元大气程辐射遥感值计算。
根据图1所示卫星遥感数字图像的点成像公式可以导出，同一图斑内部像元的像元大气程辐射遥感值(DNa)与像元原始遥感值(DN)之间关系有如下形式DNaij＝a×ln(DNij-DNaij)+b＝a×ln(DNij′)+b(3)公式(3)的实质是表达图斑内部像元大气程辐射遥感值(DNa)与该像元大气光谱透过率之间定量关系。令Y＝DNaijX＝ln(DNij-DNaij)＝ln(DNij′)则有回归直线方程 Y＝aX+d (4)公式中DNij′是像元原始遥感值(DN)的大气修正值；a、b分别为待定(回归)系数，利用包围该图斑的边界上多个(L)已知像元点的原始遥感值和像元大气程辐射遥感值，通过最小二乘法计算得到。
在利用公式的过程中，使用迭代递推，逐次逼近法求解像元的大气程辐射遥感值。
实质上边界上像元大气程辐射遥感值的计算和图3所示地面覆盖现状的分类(图斑)都是依赖于图2所示像元地面反射率。
概括起来，本发明的大气程辐射遥感数字图像计算机生成方法的依据是遥感数字图像分类的波谱特性同质异谱和异质同谱是例外，其前提是地面反射率为已知。众所周知，像元地面反射率是可以通过遥感界公认的实测和遥感反演方法获取的。
权利要求
1.一种大气程辐射遥感数字图像的计算机生成方法，包括步骤S1.在地理信息系统的支持下以选定的地区的地面覆盖现状图的图斑为单位，将位于该图斑上的卫星图片像元分为图斑边界上的和图斑内部的两类不同的像元，S2.利用不同的地物反射率计算图斑边界上所有像元的大气程辐射遥感数值，并建立该图斑像元的大气程辐射遥感数值和像元遥感数值之间的定量关系表达式，S3.然后，逐点计算图斑内部像元的大气程辐射遥感数值，完成该图斑所有像元的大气程辐射遥感数值计算，以及S4.计算完成后再返回执行步骤S2、S3计算下一个图斑，如此循环直至地面覆盖现状图中所有的图斑上卫片像元大气程辐射遥感数值都计算完毕，完成所选定地区的大气程辐射遥感数字图像的计算机生成。
2.根据权利要求1所述的大气程辐射遥感数字图像的计算机生成方法，其特征在于，在步骤S2中对该图斑边界上所有像元按公式DNA＝DNA1＝DNA2＝DN1-r1×(DN1-DN2)/(r1-r2)计算，其中，DN1、DN2；r1、r2分别为相邻的不同种类地物的像元遥感数值和对应地面的反射率。
3.根据权利要求1所述的大气程辐射遥感数字图像的计算机生成方法，其特征在于，在步骤S3中对该图斑内部像元的大气程辐射遥感值计算，按公式DNaij＝a×ln(DNij-DNaij)+b＝a×ln(DNij′)+b该公式表达图斑内部像元大气程辐射遥感值DNa与该像元大气光谱透过率之间定量关系，令Y＝DNaijX＝ln(DNij-DNaij)＝ln(DNij′)则有回归直线方程Y＝aX+b，其中DNij′是像元原始遥感值DN的大气修正值；a、b分别为待定回归系数，利用包围该图斑的边界上多个已知像元点的原始遥感值和像元大气程辐射遥感值，通过最小二乘法计算得到。
全文摘要
一种大气程辐射遥感数字图像的计算机生成方法，包括步骤S1.在地理信息系统的支持下，以选定地区的地面覆盖现状图的图斑为单元，将位于该图斑上的卫星图片像元分为图斑边界和内部两类像元，S2.计算图斑边界像元的大气辐射遥感值，S3.计算图斑内部像元的大气辐射遥感值，S4.一个图斑计算完成后再返回步骤S2、S3计算下一个图斑，如此循环直至地面覆盖现状图中所有的图斑上卫星图片像元大气程辐射遥感数值都计算完毕。本发明方法利用遥感数字图像中大气程辐射分量构建传统遥感手段无法获得的大气程辐射遥感数字图，在遥感数据的弱信号中提取和挖掘方面有所突破和创新。
文档编号G01S7/48GK1700036SQ20051002727
公开日2005年11月23日 申请日期2005年6月29日 优先权日2005年6月29日
发明者李先华 申请人:上海大学