空间辐射基准传递定标方法与流程

1.本发明涉及航空航天遥感技术领域，特别涉及一种临近空间浮空器的辐亮度计几何校正方法。


背景技术：

2.随着城市、农业、林业、海洋、环境、气象、灾害等多个行业领域应用需求的不断扩展和深入，极大刺激和促进了遥感探测技术的发展，高精度、定量化遥感已成为当今遥感技术的主流发展趋势。针对星上定标难以溯源及交叉定标受制于参考载荷定标精度问题，本世纪初提出了“空间辐射测量基准卫星”的核心理念，旨在将可溯源至si(国际单位制)的辐射基准源引入少量高定标精度基准卫星，形成建立于外空间的国际基准平台，并利用基准卫星载荷与待定标卫星载荷对同一时间、同一均匀区域的观测数据进行交叉定标，实现空间辐射基准传递至其他卫星载荷，从而大幅度提升遥感卫星定标整体水平、保证数据质量一致性。
3.目前，应用最为广泛的交叉定标方法是sno(simultaneous nadir overpasses)交叉定标方法，该方法对参考载荷与待定标载荷观测同一参考目标的时间、角度等要素差异进行了严格的约束(如时间差异小于30s，角度差异小于1
°
)，从而实现参考载荷的辐射基准传递到待定标载荷。该方法主要应用于气象、海洋等分辨率较低且重访周期短(公里级空间分辨率、每天观测覆盖全球)的卫星载荷，对于高分辨率卫星载荷(如陆地、资源以及测绘系列卫星载荷)，其具有空间分辨率高、幅宽窄等特点，为获得足够的交叉匹配样本，需要放宽参考载荷与待定标载荷之间的时间差异、角度差异等要素匹配约束(例如：时间差异小于1h，角度差异小于15
°
)。对于放宽匹配约束后直接进行交叉定标这一思路，存在放宽匹配约束后定标精度不高且定标不确定性难以评估问题。对于借助大气辐射传输模型和参考目标brdf模型校正基准载荷与待定标载荷之间的时间-角度差异的方法，受限于大气辐射传输模拟、地表brdf模型的误差，高辐射定标精度难以保证。因此，针对高分辨率卫星载荷交叉定标中观测时间、观测角度等要素差异较大的问题，亟需发展新的空间辐射基准传递定标方法。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种空间辐射基准传递定标方法，包括：利用辐射基准卫星的观测数据对待定标卫星过境时自动辐射定标场对应的第一大气顶层反射率进行校正，得到第二大气顶层反射率；对所述第二大气顶层反射率进行角度转换，得到待定标卫星特定观测几何下的第三大气顶层反射率；将待定标卫星的通道光谱响应函数与所述第三大气顶层反射率进行卷积运算，得到所述待定标卫星各通道的参考大气顶层反射率；获取自动辐射定标场的区域影像的像元计数值的均值；根据所述参考大气顶层反射率和所述像元亮计数的均值计算所述待定标卫星的载荷对应的定标系数。
5.根据本发明的实施例，其中，所述利用辐射基准卫星的观测数据对待定标卫星过
境时自动辐射定标场对应的第一大气顶层反射率进行校正，得到第二大气顶层反射率包括：根据所述观测数据计算所述辐射基准卫星各通道对应的观测大气顶层反射率；根据所述观测数据模拟所述辐射基准卫星过境时各通道对应的第一模拟大气顶层反射率；建立所述观测大气顶层反射率与所述第一模拟大气顶层反射率之间的校正关系；利用所述校正关系对所述第一大气顶层反射率进行校正，得到第二大气顶层反射率。
6.根据本发明的实施例，其中，所述根据所述观测数据计算所述辐射基准卫星各通道对应的观测大气顶层反射率包括：获取所述观测数据中辐射基准卫星对所述自动辐射定标场的观测影像；根据所述自动辐射定标场的区域坐标从所述观测影像中提取所述自动辐射定标场的区域影像；计算所述自动辐射定标场的区域影像的像元计数值的均值；根据所述像元计数值的均值计算所述辐射基准卫星各通道对应的观测大气顶层反射率。
7.根据本发明的实施例，其中，所述根据所述观测数据模拟所述辐射基准卫星过境时各通道对应的第一模拟大气顶层反射率包括：获取所述观测数据中所述辐射基准卫星过境时所述自动辐射定标场对应的第一地表反射率、第一大气参数以及所述辐射基准卫星对应的第一观测天顶角、第一观测方位角、第一太阳天顶角、第一太阳方位角；基于所述第一地表反射率、所述第一大气参数、所述第一观测天顶角、所述第一观测方位角、所述第一太阳天顶角、所述第一太阳方位角模拟所述观测数据对应的初始模拟大气顶层反射率；将所述辐射基准卫星的通道光谱响应函数与所述初始模拟大气顶层反射率进行卷积运算，得到所述第一模拟大气顶层反射率。
8.根据本发明的实施例，其中，所述对所述第二大气顶层反射率进行角度转换，得到待定标卫星特定观测几何下自动辐射定标场的第三大气顶层反射率包括：获取所述待定标卫星成像时刻对应的第二太阳天顶角、第二观测天顶角、相对方位角和所述待定标卫星过境时自动辐射定标场对应的第二大气参数；根据所述第二太阳天顶角、第二观测天顶角以及相对方位角模拟计算所述自动辐射定标场的第二地表反射率；将所述第二观测天顶角以及相对方位角设置为零，所述第二太阳天顶角保持不变，模拟计算所述自动辐射定标场的第三地表反射率；保持所述第二太阳天顶角、所述第二观测天顶角和所述相对方位角不变，根据所述第二地表反射率和所述第二大气参数模拟所述待定标卫星对应的第二模拟大气顶层反射率；保持所述第二太阳天顶角和所述相对方位角不变，将所述第二观测天顶角设置为零，根据所述第三地表反射率和所述第二大气参数模拟所述待定标卫星对应的第三模拟大气顶层反射率；根据所述第二模拟大气顶层反射率与所述第三模拟大气顶层反射率计算角度转换因子；利用所述角度转换因子对所述第二大气顶层反射率进行角度转换，得到所述第三大气顶层反射率。
9.根据本发明的实施例，其中，所述根据所述第二模拟大气顶层反射率与所述第三模拟大气顶层反射率计算角度转换因子包括：根据：
[0010][0011]
计算所述角度转换因子，其中，k为所述角度转换因子，为所述第二模拟大气顶层反射率，ρ
toa
(θs，0，0)为第三模拟大气顶层反射率，θs为所述第二太阳天顶角、θv为所述第二观测天顶角，为所述相对方位角。
[0012]
根据本发明的实施例，其中，所述利用所述角度转换因子对所述第二大气顶层反射率进行角度转换，得到所述第三大气顶层反射率包括：根据：
[0013][0014]
对所述第二大气顶层反射率进行角度转换，其中，为所述第三大气顶层反射率，为所述第二大气顶层反射率。
[0015]
根据本发明的实施例，其中，所述将待定标卫星的通道光谱响应函数与所述第三大气顶层反射率进行卷积运算，得到所述待定标卫星各通道的参考大气顶层反射率包括：根据：
[0016][0017]
进行卷积运算，其中，为通道号为b的参考大气顶层反射率，ξ(λ)为所述待定标卫星通道号为b的通道光谱响应函数，λ为波长，为所述第三大气顶层反射率。
[0018]
根据本发明的实施例，其中，所述根据所述参考大气顶层反射率和所述像元计数值的均值计算所述待定标卫星的载荷的定标系数包括：将所述参考大气顶层反射率计算大气顶层的辐亮度；根据所述大气顶层的辐亮度和所述像元计数值的均值计算所述待定标卫星的载荷的定标系数。
[0019]
根据本发明的实施例，其中，所述根据所述大气顶层的辐亮度和所述像元计数值的均值计算所述待定标卫星的载荷对应的定标系数包括：根据
[0020][0021]
计算所述定标系数，其中，gb为所述定标系数，为所述大气顶层的辐亮度，dnb为所述像元计数值均值，为大气外层太阳辐照度，d为日地距离校正因子，θs为所述待定标卫星成像时刻对应的第二太阳天顶角，为通道号为b的参考大气顶层反射率。
[0022]
根据本发明提供的空间辐射基准传递定标方法，利用辐射定标精度较高的基准卫星对地面自动辐射定标场观测数据，对地面自动辐射定标场的连续大气顶层(toa)反射率产品进行校正，降低其不确定度，实现辐射基准从基准卫星传递至自动辐射定标场toa反射率产品。同时，通过校正后的toa反射率产品与其他待定标卫星观测数据比对，完成辐射基准从自动辐射定标场toa反射率产品传递至待定标卫星；通过上述处理，实现了“基准卫星
→
自动辐射定标场toa反射率产品
→
待定标卫星”这一空间辐射基准传递链路，降低了高分辨率卫星载荷交叉定标中时空谱角要素匹配差异引起的传递定标误差，提高了待定标卫星载荷的定标精度和频次，保证卫星载荷辐射定标的高频次、高精度和可溯源性。
附图说明
[0023]
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
[0024]
图1示意性示出了根据本发明实施例的空间辐射基准传递定标方法的流程图。
[0025]
图2示意性示出了根据本发明实施例的操作s101的流程图。
[0026]
图3示意性示出了根据本发明实施例的操作s102的流程图。
具体实施方式
[0027]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0029]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0030]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0031]
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本发明中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本发明的限制。
[0032]
类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0033]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
[0034]
图1示意性示出了根据本发明实施例的空间辐射基准传递定标方法的流程图。
[0035]
如图1所示，该空间辐射基准传递定标方法例如可以包括操作s101～操作s105。
[0036]
在操作s101，利用辐射基准卫星的观测数据对待定标卫星过境时自动辐射定标场对应的第一大气顶层反射率进行校正，得到第二大气顶层反射率。
[0037]
在本发明实施例中，基准卫星一般选择辐射定标精度较高的卫星，如landsat-8、modis或者未来发射的空间辐射基准卫星。获取的观测数据例如可以包括辐射基准卫星对自动辐射定标场的观测影像和相应元数据信息，以及自动辐射定标场影像数据对应的一些元数据信息，包括：基准卫星的成像时间，该成像时间对应的第一观测天顶角、第一观测方位角、第一太阳天顶角、第一太阳方位角、辐射定标系数，辐射基准卫星过境时自动辐射定标场对应的第一地表反射率、第一大气参数等。
[0038]
图2示意性示出了根据本发明实施例的操作s101的流程图。
[0039]
如图2所示，操作s101例如可以包括操作s201～操作s204。
[0040]
在操作s201，根据观测数据计算辐射基准卫星各通道对应的观测大气顶层反射率。
[0041]
在本发明一实施例中，首先，获取观测数据中辐射基准卫星对自动辐射定标场的观测影像和相应元数据信息。相应元数据信息包括有自动辐射定标场的区域坐标。
[0042]
其次，根据自动辐射定标场的区域坐标从观测影像中提取自动辐射定标场的区域影像。
[0043]
再次，计算自动辐射定标场的区域影像的像元计数值(digital number，dn值)的均值。可以利用envi软件根据自动辐射定标场区域坐标定位自动辐射定标场区域，并统计该区域图像dn值的均值。
[0044]
最后，根据像元计数值的均值计算辐射基准卫星各通道对应的观测大气顶层反射率。可以通过对dn值均值进行辐射校正，再利用辐射校正的dn值均值计算各通道对应的观测大气顶层反射率ρ
obs
，通道数为n。
[0045]
在操作s202，根述观测数据模拟辐射基准卫星过境时各通道对应的第一模拟大气顶层反射率。
[0046]
在本发明实施例中，首先，获取观测数据中辐射基准卫星过境时间t1对应的自动辐射定标场对应的第一地表反射率、第一大气参数，第一大气参数例如可以包括气溶胶光学厚度、水汽含量等。
[0047]
然后，将第一地表反射率、第一大气参数以及第一观测天顶角、第一观测方位角、第一太阳天顶角、第一太阳方位角输入大气辐射传输模型modtran模拟对应的初始模拟大气顶层反射率。
[0048]
最后，将辐射基准卫星的通道光谱响应函数与初始模拟大气顶层反射率进行卷积运算，得到第一模拟大气顶层反射率
[0049]
在操作s203，建立观测大气顶层反射率与第一模拟大气顶层反射率之间的校正关系。
[0050]
在本发明实施例中，利用n个通道对应的观测大气顶层反射率和第一模拟大气顶层反射率，建立二者之间的校正关系，如下式所示：
[0051][0052]
在操作s204，利用校正关系对第一大气顶层反射率进行校正，得到第二大气顶层反射率。
[0053]
在本发明实施例中，根据待定标卫星过境时间t2，利用自动辐射定标场地自动观测系统测量的第二地表反射率和第二大气参数，结合t2时刻待定标卫星对应的第二观测天顶角、第二观测方位角、第二太阳天顶角、第二太阳方位角等数据输入大气辐射传输模型modtran模拟得到第一大气顶层反射率
[0054]
利用建立的校正关系f校正t2时刻对应的模第一大气顶层反射率如下式所示：
[0055][0056]
其中，为校正后的t2时刻对应的第二大气顶层反射率。
[0057]
在操作s102，对第二大气顶层反射率进行角度转换，得到待定标卫星特定观测几何下的第三大气顶层反射率。
[0058]
在本发明实施例中，由于自动辐射定标场自动观测系统为连续测量，因此，上一操作s101中校正后的第二大气顶层反射率已与待定标卫星载荷进行了时间匹配，二者观测时间一致。
[0059]
图3示意性示出了根据本发明实施例的操作s102的流程图。
[0060]
如图3所示，操作s102例如可以包括操作s301～操作s307。
[0061]
在操作s301，获取待定标卫星成像时刻对应的第二太阳天顶角、第二观测天顶角、相对方位角和待定标卫星过境时自动辐射定标场对应的第二大气参数。
[0062]
在操作s302，根据第二太阳天顶角、第二观测天顶角以及相对方位角模拟计算自动辐射定标场的第二地表反射率。
[0063]
可以利用自动辐射定标场brdf模型计算对应的自动辐射定标场的第二地表反射率其中，θs为第二太阳天顶角、θv为第二观测天顶角，为相对方位角，相对方位角为待定标卫星成像时刻对应的第二太阳方位角和待定标卫星第二观测方位角之间的差值。自动辐射定标场brdf模型来自基于地面多角度测量数据构建的半经验brdf模型(如ross-li模型、roujean模型等为代表)。
[0064]
在操作s303，将第二观测天顶角以及相对方位角设置为零，第二太阳天顶角保持不变，模拟计算自动辐射定标场的第三地表反射率。
[0065]
也可以利用自动辐射定标场brdf模型计算对应的自动辐射定标场的第三地表反射率ρ(θs，0，0)。
[0066]
在操作s304，保持第二太阳天顶角、第二观测天顶角和相对方位角不变，根据第二地表反射率和第二大气参数模拟待定标卫星对应的第二模拟大气顶层反射率。
[0067]
将待定标卫星成像时刻对应的第二太阳天顶角、第二观测天顶角和相对方位角、
第二地表反射率以及t2时刻自动辐射定标场对应的第二大气参数输入大气辐射传输模型modtran模拟待定标卫星对应的第二模拟大气顶层反射率
[0068]
在操作s305，保持第二太阳天顶角和相对方位角不变，将第二观测天顶角设置为零，根据第三地表反射率和第二大气参数模拟待定标卫星对应的第三模拟大气顶层反射率。
[0069]
将于操作s304相同的第二太阳天顶角和相对方位角和零度第二观测天顶角、第三地表反射率ρ(θs，0，0)和第二大气参数输入大气辐射传输模型modtran模拟待定标卫星对应的第三模拟大气顶层反射率ρ
toa
(θs，0，0)。
[0070]
在操作s306，根据第二模拟大气顶层反射率与第三模拟大气顶层反射率计算角度转换因子。
[0071]
在本发明实施例中，根据：
[0072][0073]
计算角度转换因子k。
[0074]
在操作s307，利用角度转换因子对第二大气顶层反射率进行角度转换，得到第三大气顶层反射率。
[0075]
根据：
[0076][0077]
对第二大气顶层反射率进行角度转换，其中，为第三大气顶层反射率。
[0078]
在操作s103，将待定标卫星的通道光谱响应函数与第三大气顶层反射率进行卷积运算，得到待定标卫星各通道的参考大气顶层反射率。
[0079]
在本发明实施例中，可以根据：
[0080][0081]
进行卷积运算，其中，为通道号为b的参考大气顶层反射率，ξ(λ)为待定标卫星通道号为b的通道光谱响应函数，λ为波长，为第三大气顶层反射率。
[0082]
参考大气顶层反射率为待定标卫星载荷对自动辐射定标场成像时的辐射参考基准，可以追溯到基准卫星的辐射基准。
[0083]
在操作s104，获取自动辐射定标场的区域影像的像元计数值的均值。
[0084]
在本发明实施例中，从待定标卫星影像数据中提取自动辐射定标场区域dn值得平均值，可以利用envi软件根据自动辐射定标场区域坐标定位自动辐射定标场区域，并统计该区域图像dn值的均值。
[0085]
在操作s105，根据所大气顶层反射率和像元计数值的均值计算待定标卫星的载荷
对应的定标系数。
[0086]
在本发明实施例中，首先，将参考大气顶层反射率计算大气顶层的辐亮度。
[0087]
可以根据
[0088][0089]
计算参考大气顶层反射率对应的辐亮度。其中，为所述大气顶层的辐亮度，为大气外层太阳辐照度，d为日地距离校正因子。
[0090]
然后，根据大气顶层的辐亮度和像元计数值的均值计算待定标卫星的载荷的定标系数。
[0091]
可以根据
[0092][0093]
计算待定标卫星对应载荷的定标系数，其中，gb为定标系数，dnb为待定标卫星对应的自动辐射定标场的区域影像的像元计数值的均值。
[0094]
获得定标系数后，根据定标系数完成待定标卫星载荷的辐射定标，实现空间辐射基准从基准卫星传递至待定标卫星。
[0095]
综上所述，本发明实施例利用辐射定标精度较高的基准卫星观测数据对地面自动辐射定标场的大气顶层反射率产品进行校正，可以降低自动辐射定标场大气顶层反射率的不确定度，实现计量意义上的辐射基准传递。同时可在自动辐射定标场部署自动观测设备，连续测量地表/大气参数，生产出时间连续的自动辐射定标场大气顶层反射率产品，利用校正后的自动辐射定标场大气顶层反射率产品对其他待定标卫星载荷进行交叉定标，可将辐射基准进一步传递至待定标卫星载荷，并且大气顶层反射率产品的连续性可进一步提高辐射基准从基准卫星传递至待定标卫星的频次。因此，对于基准卫星交叉频次受限的高分辨率卫星来说，该方法可提高其搭载载荷的辐射定标精度和频次。
[0096]
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
[0097]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。