[发明专利]卫星遥感夜光辐亮度的观测角度归一化方法

说明书

本发明涉及一种卫星遥感夜光辐亮度的观测角度归一化方法。首先建立夜光辐亮度与观测天顶角之间的天顶‑辐亮度二次(ZRQ)模型，采用最小二乘法求解二次函数的系数，然后基于ZRQ模型将观测到的夜光辐亮度分解为天顶角为0°时的夜光辐亮度与二次函数值的乘积，采用最小二乘法求解分解后的二次函数系数，并计算当前传感器获取的夜光辐亮度与二次函数值的比值，求解天顶角为0°时的夜光辐亮度，进而消除夜光辐亮度的角度效应。本发明基于ZRQ模型构建夜光辐亮度角度归一化模型，顾及人类活动和传感器测量误差等因素造成的时间序列波动，连续两次采用模型拟合求解参数，提高了角度归一化的精度，可实现对长时间覆盖范围的夜光辐亮度角度归一化。

技术领域

本发明属于统计回归模型在夜光遥感影像各向异性消除领域的应用，特别是涉及一种卫星遥感夜光辐亮度的观测角度归一化方法。

背景技术

夜光遥感是获取夜间无云时地表发射的可见光信息，通过夜间灯光可以发现人类聚集区并记录地表灯光强度信息，进而可以通过夜光遥感影像间接反映居民在城镇中的行为活动与空间分布。深入挖掘夜光辐亮度时间序列的动态变化规律，对于准确监测城市化进程、电力供应以及评估自然灾害等重大突发事件有着重要的作用。

随着遥感技术的不断发展，夜光遥感产品逐渐丰富。特别是新一代夜光辐亮度数据NPP/VIIRS(National Polar-Orbiting Partnership's Visible Infrared ImagingRadiometer Suite)不仅具有检测微弱夜间灯光的能力，而且弥补了DMSP/OLS数据低空间分辨率与低辐射分辨率的缺点，能更多地应用在建立夜光辐亮度与人类活动模式经验关系的研究中。由于夜间灯光信号会受到杂散光、大气成分、季节性等噪声信号干扰，从而造成夜光辐亮度时间序列的波动。为此，NASA团队生产出了一套全球可用的、包含丰富时间与空间信息的黑色大理石夜光影像产品(VNP46)。该产品去除了受云污染的像素，并对受大气、地形、植被、雪、月球以及杂散光影响的夜光辐亮度进行了校正，使得产品的夜光辐亮度更为可靠。但是Li等学者发现，夜光辐亮度与卫星传感器观测天顶角存在非线性关系，特别是在高建筑物区域，受到城市三维形态的影响，夜光辐亮度会存在明显的冷点和热点效应。因此，在利用长时间序列的夜光影像进行研究时，为了更准确地反映城市的动态变化，消除夜光辐亮度的角度效应十分必要。

目前许多学者在光学各向异性的研究主要包括基于双向反射率分布函数(BRDF)表征地球表面反射率各向异性的研究与模拟城市上空光分布的光污染研究。地球表面反射光会受到地物的物理结构、传感器视角以及太阳光照角度变化的影响，产生地球表面反射率各向异性特征。Landsat卫星通过最低点一定范围的视角获取地球表面影像，会导致地表反射率产生较小的方向性影响。Roy等人基于全球高质量的MODIS BRDF产品，得出一组固定的BRDF光谱模型参数，从而完成Landsat数据地表反射率角度校正，但作为描述叶子空间分布格局的关键参数，聚集指数(CI)会受到BRDF模型与太阳天顶角的影响。Wei等人使用归一化冷热点差异(NDHD)评估BRDF模型的不同参数配置与太阳天顶角对CI估计的影响，结果表明太阳天顶角为0°时会低估CI值，而60°时会高估CI值。此外，Jiao等人在线性核驱动的BRDF模型基础上，提出了一种表征纯雪反射率各向异性的雪核，从而更好地模拟雪的散特性。