[发明专利]一种实现起伏地形遥感场景模拟的方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种实现起伏地形遥感场景模拟的方法，特别是一种起伏地 形下传感器入瞳辐亮度数据生成的方法，在地表辐照度计算和遥感成像仿真 方面具有重要价值，属于遥感成像模拟技术领域。

背景技术

传感器入瞳辐亮度数据的生成是遥感场景模拟的关键技术。在地表平坦 均一情况下，地面接收到的光照包括太阳直射光和大气散射光两部分。这两 部分经地面反射、大气传输后进入传感器，同时进入传感器的还有大气程辐 射。实际中，地形高低起伏变化，大气程辐射不受地形起伏影响；但地面接 收到的太阳直射光和大气散射光发生改变，同时地形起伏引起周围物体反 射。尤其是地形起伏使部分地面点处于阴影中，无法接收到太阳直射光，在 遥感图像上形成亮度较低的区域，给地物识别和分类带来困难。由于地形影 响涉及太阳、地物、大气和传感器之间复杂的相互作用过程，起伏地形下传 感器入瞳辐亮度数据的生成一直是研究的一个难点问题。

在地表平坦均一假设下，中等光谱分辨率大气透射率模型Modtran以及 其它大气辐射传输模型，通过将大气分层，考虑每层大气的成分和透过率， 使用辐射传输方程逐层计算直射光和散射光在大气中的传输，求解各辐射分 量，实现传感器入瞳处辐亮度的计算。真实情况下，地形高低起伏变化，这 些方法计算出来的辐亮度与传感器入瞳实际接收的辐亮度有较大出入。现存 遥感场景模拟技术中适合于起伏地形的较少。现有考虑地形起伏的遥感场景 模拟方法的一般思路为：利用Modtran等大气辐射传输软件，获取水平地面 上接收到的辐照度，然后使用数字高程模型中提取出的各种地形信息将其转 化到起伏地形下地面接收到的辐照度，最后考虑大气辐射传输和大气程辐 射，生成传感器入瞳处的辐亮度数据。

将水平地面接收到的辐照度转化到起伏地形下涉及众多因素，现存技术 中均采取简化方式：一是仅考虑低次项影响，将复杂的非线性计算过程线性 化；二是忽略部分因素，简化地形信息提取。起伏地面接收到的辐照度是个 复杂的非线性计算过程，线性化将给模拟结果带来误差。忽略部分影响因素 和简化地形信息提取，导致模拟结果精度不高，同时地表情况复杂多变，通 常情况下影响较小可以忽略的因素，在某些情况下，变得无法忽略，致使模 拟结果与传感器入瞳实际接收的辐亮度出现较大出入。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现起伏地形遥感场景模拟的方法，以克服现 有技术的不足，基于大气辐射传输过程，精确生成传感器入瞳辐亮度数据， 实现任意起伏地形遥感场景的高精度模拟。

本发明的技术解决方案是：使用各种地形信息，将利用Modtran获取的 水平地面接收到的辐照度转化到起伏地面下，并计算周围地物反射辐照度， 然后经地面反射、大气传输、叠加大气程辐射后，生成地面点在传感器入瞳 处的辐亮度数据，实现起伏地形遥感场景的精确模拟，其具体步骤如下：

(1)将模拟场景时间、地理坐标、大气状况输入Modtran，从Modtran 输出文件中获取水平地面上太阳直射和大气散射辐照度以及大气上行透过 率、大气程辐射；

(2)输入研究区域的太阳天顶角、方位角、数字高程模型，计算坡度、 坡向、太阳入射角、天空可视因子、地形可视因子和阴影区域；

(3)由水平地面上的太阳直射、大气散射辐照度和地表反射率数据，利 用坡度、太阳入射角、天空可视因子、地形可视因子和阴影区域计算起伏地 面上的太阳直射辐照度和大气散射辐照度，同时计算周围地物反射辐照度， 这三部分组成地表接收到的总辐照度；

(4)利用地表反射率数据、大气上行透过率和大气程辐射，生成地面各 点在传感器入瞳处的辐亮度数据；

其中，步骤(2)中所述的太阳入射角、天空可视因子、地形可视因子、 阴影区域的计算如下：

太阳入射角的具体计算按照：

i＝acos(cosScosφ_s+sinSsinAcos(θs-A))

其中，S为坡度，A为坡向，φ_s为太阳天顶角，θs为太阳方位角。

天空可视因子表示地面接收到大气散射光的比例，其值介于0～1之间， 具体计算按照：

其中，V_d为天空可视因子，S为坡度，A为坡向，H_φ为方向上的最大天空 张角，取值0°～360°