天基遥感仪器特性的仿真方法、装置和电子设备

本发明主要涉及天基遥感载荷监测，尤其涉及一种天基遥感仪器特性的仿真方法、装置和电子设备。

背景技术：

1、人造卫星是由人类建造，以太空飞行载具如火箭、航天飞机等发射到太空中，像天然卫星一样环绕地球或其它行星的装置。其中，对地观测卫星是在空间对地球及其大气层进行观测的人造地球卫星。由于视角高、观测范围广，对地观测卫星能有效获得地球表面、大气云层、海洋环境、植被覆盖、人类活动等多种信息。

2、天基黑土地有机质含量高精度监测对黑土资源利用与保护具有重要意义。基于天基高光谱数据的土壤有机质含量预测是实现大区域土壤高时空覆盖监测的有效手段，基于土壤有机质与土壤光谱反射率存在的定量关系，天基遥感影像可以被用于有机质含量的空间反演与预测。为进一步评估农耕活动对黑土土壤的影响、衡量地区土壤保护政策有效性等方面提供科学数据支撑。

3、现有运用相关性分析法选取黑土有机质敏感波长区间，采取逐步回归建模方法建立了黑土土壤有机质反演模型，以及使用连续小波变换法提取土壤有机质特征波段，采用机器学习最邻近法、装袋算法、多元感知器、随机森林算法对高光谱数据进行建模等一系列方法。

4、目前，针对黑土有机质光谱数据的处理以及反演算法的研究已经非常成熟，而从仪器层面研究仪器参数对反演预测性能的影响方面，对于真实大气效应影响与天基遥感仪器特性影响的考虑较少。且大多数研究未考虑信噪比与光谱波长及光谱分辨率之间的耦合关系，仪器模型与反演模型之间的耦合不够，无法为黑土有机质监测卫星的系统设计提供最精确科学的理论数据支撑。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种天基遥感仪器特性的仿真方法、装置和电子设备，能够体现仪器特性模型与反演模型之间的耦合关系，还原真实天基遥感载荷参数对反演的影响，可以用于检测天基遥感载荷参数是否合适以及选择合适的天基遥感载荷参数。

2、为解决上述技术问题，第一方面，本发明提供了一种天基遥感仪器特性的仿真方法，包括：基于当前天基遥感载荷参数，根据toa直接过程将第一光谱数据模拟为卫星的入瞳辐亮度；对模拟的所述入瞳辐亮度数据进行重采样，使重采样后的所述入瞳辐亮度数据能够反应出光谱分辨率对所述入瞳辐亮度的影响；将仪器的信噪比加入重采样后的所述入瞳辐亮度数据中；根据toa反向过程将所述入瞳辐亮度模拟为第二光谱数据；根据所述第二光谱数据反演土壤中物质含量，基于反演的所述物质含量与土壤中真实的物质含量构建评价指标。

3、可选地，所述toa直接过程由以下公式表示：

4、

5、式中，l为传感器入瞳时接收的总辐亮度，ρ为目标像元表面反射率，s为大气朝下的球面反照率，la为大气程辐射，a为基于大气条件和几何光照条件的系数。

6、可选地，所述第一光谱数据采用实验室高光谱数据。

7、可选地，所述toa直接过程通过大气传输模型modtran仿真实现。

8、可选地，所述对模拟的所述入瞳辐亮度数据进行重采样包括：采用高斯函数重采样方法对模拟的所述入瞳辐亮度数据进行重采样。

9、可选地，所述信噪比由以下方式计算而得：首先得出像面上任意位置的单个探测器像元接收到的辐射能量，根据所述辐射能量得出单个探测器像元产生的电子数ne，则所述信噪比为所述电子数ne与总噪声电子数ntotal的比值。

10、可选地，所述根据所述第二光谱数据反演土壤中物质含量包括：采用偏最小二乘回归反演模型反演土壤中物质含量。

11、可选地，在根据所述第二光谱数据反演土壤中物质含量之前，还包括：去除大气气体吸收范围内的噪声带和/或去除所述第二光谱数据中异常值。

12、可选地，所述评价指标包括决定系数r2：

13、

14、式中：yi为第i个土壤样本的真实值，为所有土壤样本预测的平均值，为第i个土壤样本的预测值，n为土壤样本总数。

15、可选地，所述评价指标包括预测均方根误差rmse：

16、

17、式中：yi为第i个土壤样本的真实值，为第i个土壤样本的预测值，n为土壤样本总数。

18、第二方面，本发明提供了一种天基遥感仪器特性的仿真装置，包括：第一模拟模块，用于基于当前天基遥感载荷参数，根据toa直接过程将第一光谱数据模拟为卫星的入瞳辐亮度；重采样模块，用于对模拟的所述入瞳辐亮度数据进行重采样，使重采样后的所述入瞳辐亮度数据能够反应出光谱分辨率对所述入瞳辐亮度的影响；加入模块，用于将仪器的信噪比加入重采样后的所述入瞳辐亮度数据中；第二模拟模块，用于根据toa反向过程将所述入瞳辐亮度模拟为第二光谱数据；构建模块，用于根据所述第二光谱数据反演土壤中物质含量，基于反演的所述物质含量与土壤中真实的物质含量构建评价指标。

19、第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器，所述存储器存储可在所述处理器上运行的程序或指令，所述程序或指令被所述处理器执行时实现如第一方面所述的天基遥感仪器特性的仿真方法的步骤。

20、第四方面，本发明提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现如第一方面所述的天基遥感仪器特性的仿真方法的步骤。

21、与现有技术相比，本发明具有以下优点：首先基于当前天基遥感载荷参数，根据toa直接过程将第一光谱数据模拟为卫星的入瞳辐亮度；再对模拟的入瞳辐亮度数据进行重采样，使重采样后的入瞳辐亮度数据能够反应出光谱分辨率对入瞳辐亮度的影响；又将仪器的信噪比加入重采样后的入瞳辐亮度数据中；又根据toa反向过程将入瞳辐亮度模拟为第二光谱数据；最后根据第二光谱数据反演土壤中物质含量，基于反演的物质含量与土壤中真实的物质含量构建评价指标，进而能够体现仪器特性模型与反演模型之间的耦合关系，还原真实天基遥感载荷参数对反演的影响，可以用于检测天基遥感载荷参数是否合适以及选择合适的天基遥感载荷参数。

技术特征：

1.一种天基遥感仪器特性的仿真方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的天基遥感仪器特性的仿真方法，其特征在于，所述toa直接过程由以下公式表示：

3.如权利要求2所述的天基遥感仪器特性的仿真方法，其特征在于，所述第一光谱数据采用实验室高光谱数据。

4.如权利要求2所述的天基遥感仪器特性的仿真方法，其特征在于，所述toa直接过程通过大气传输模型modtran仿真实现。

5.如权利要求1所述的天基遥感仪器特性的仿真方法，其特征在于，所述对模拟的所述入瞳辐亮度数据进行重采样包括：采用高斯函数重采样方法对模拟的所述入瞳辐亮度数据进行重采样。

6.如权利要求1所述的天基遥感仪器特性的仿真方法，其特征在于，所述信噪比由以下方式计算而得：

7.如权利要求1所述的天基遥感仪器特性的仿真方法，其特征在于，所述根据所述第二光谱数据反演土壤中物质含量包括：采用偏最小二乘回归反演模型反演土壤中物质含量。

8.如权利要求7所述的天基遥感仪器特性的仿真方法，其特征在于，在根据所述第二光谱数据反演土壤中物质含量之前，还包括：去除大气气体吸收范围内的噪声带和/或去除所述第二光谱数据中异常值。

9.如权利要求1所述的天基遥感仪器特性的仿真方法，其特征在于，所述评价指标包括决定系数r2：

10.如权利要求1或9所述的天基遥感仪器特性的仿真方法，其特征在于，所述评价指标包括预测均方根误差rmse：

11.一种天基遥感仪器特性的仿真装置，其特征在于，包括：

12.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器和存储器，所述存储器存储可在所述处理器上运行的程序或指令，所述程序或指令被所述处理器执行时实现如权利要求1-10任一项所述的天基遥感仪器特性的仿真方法的步骤。

13.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现如权利要求1-10任一项所述的天基遥感仪器特性的仿真方法的步骤。

技术总结
本发明提供了一种天基遥感仪器特性的仿真方法、装置和电子设备，其中方法包括：基于当前天基遥感载荷参数，根据TOA直接过程将第一光谱数据模拟为卫星的入瞳辐亮度；对模拟的入瞳辐亮度数据进行重采样，使重采样后的入瞳辐亮度数据能够反应出光谱分辨率对入瞳辐亮度的影响；将仪器的信噪比加入重采样后的入瞳辐亮度数据中；根据TOA反向过程将入瞳辐亮度模拟为第二光谱数据；根据第二光谱数据反演土壤中物质含量，基于反演的物质含量与土壤中真实的物质含量构建评价指标。本发明能够体现仪器特性模型与反演模型之间的耦合关系，还原真实天基遥感载荷参数对反演的影响，可以用于检测天基遥感载荷参数是否合适以及选择合适的天基遥感载荷参数。

技术研发人员：李泽鑫,高爽,胡登辉,刘国华
受保护的技术使用者：中国科学院微小卫星创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16