[发明专利]遥感影像地形标准化方法

摘要

一种遥感影像地形标准化方法，在Ross Thick‑Li Sparse线性核驱动模型中，将坡度坡向引入Ross体散射核函数与Li氏几何光学核函数，建立山区BRDF模型；在现有遥感影像地形标准化成果基础上，改变地表朗伯反射特征假设，引入山区BRDF模型，最大限度减少复杂地形区BRDF形状的改变对遥感数据的影响；将MODIS水汽和气溶胶大气产品作为地形标准化模型参数，获得卫星影像过境时刻的大气参数，消除大气光学因素的影响。该方法不仅去除了大气光学特性对遥感影像的辐射畸变，同时有效去除地形遮蔽等因子、地表BRDF特性引起的辐射畸变，从而获得地表真实反射率。

主权项

一种遥感影像地形标准化方法，其特征在于，该方法具体为：1）卫星传感器获得的大气顶辐射亮度LTOP(λ)由路径辐射Lp(λ)和来自地表反射的辐射L(λ)，即：LTOP(λ)= Lp(λ)+ L(λ)T(λ,θν)                 (1)在山区，来自地表反射辐射为：L(λ)=(1/π)(Edir(λ)+ Eaniso‑dif(λ))×ρT(λ)(is,iν,Φs‑ν)+ (1/π) (Eiso‑dif(λ)+ Eref(λ))ρTsd(λ) (iν,Φν)  (2)式中：Edir(λ)、Eiso‑dif(λ)、Eaniso‑dif(λ)和Eref(λ)分别表示太阳直接辐射、各向同性散射辐射、各向异性散射辐射和来自周围地形的反射辐射；ρT(λ)和ρTsd(λ)分别表示坡地方向‑方向反射率和半球‑方向反射率；对于相同地表覆盖类型而言，坡地与消除地形的平坦地表方向‑方向反射率不同，其关系为：ρT(λ)( is, iv,Φs‑v)=Ω(λ) ( is, iv,Φs‑v,θs,θv,φs‑v) ×ρH(λ) (θs,θv,φs‑v)  (5)式中，Ω(λ) ( is, iv,Φs‑v,θs,θv,φs‑v)为坡地BRDF归一化方向反射因子；由于半球‑方向反射率比较复杂，同时坡地各向同性散射辐射和来自周围地形反射辐射的能量较小，因此不区分坡地和平坦地表半球‑方向反射率，即：ρTsd(λ)(iv,Φv)=ρH(λ) (θs,θv,φs‑v)  (6)因此，将公式（2）、公式（5）和公式（6）代入公式（1），地形标准化后的反射率为：ρH(λ) (θs,θv,φs‑v)=π(LTOP(λ)‑ Lp(λ))/T(λ,θv)〔(Edir(λ)+ Eaniso‑dif(λ)) Ω(λ)+ Eiso‑dif(λ) + Eref(λ)〕  (7)当Ω(λ)=1时，地表假设为朗伯体反射特征；存在两种情况，一种是对遥感影像只进行大气校正，公式可变为：ρH(λ) (θs,θv,φs‑v)=π(LTOP(λ)‑ Lp(λ))/T(λ,θv)E0(λ)D0T(λ,θs)   (8)另外一种情况是对遥感影像同时进行大气校正与地形校正，即地形标准化，但只是去除地形对太阳照射角的影响，则地表反射率反演公式为：ρH(λ) (θs,θv,φs‑v)=π(LTOP(λ)‑ Lp(λ))/T(λ,θv)E(λ)   (9)2）大气透过率受气溶胶、水汽含量的影响较大，同时也受瑞利散射和臭氧吸收的影响，即：T(λ,θs)= To3(λ,θs)Tw(λ,θs) Tr(λ,θs)Ta(λ,θs)     (10)式中：T(λ,θs)、To3(λ,θs)、Tw(λ,θs)、Tr(λ,θs)和Ta(λ,θs)分别表示总的大气波谱透过率、臭氧透过率、水汽透过率、瑞利散射透过率和气溶胶透过率， 由于臭氧吸收与瑞利散射随时空分布变化不大，臭氧光学厚度可采用多年平均的空间分布数据，瑞利散射可利用经验公式估算；然而在山区，气溶胶和水汽分布随时空变化较为强烈，水汽和气溶胶波谱透过率公式如下：式中，k(λ)、m和w分别表示水汽有效吸收系数、大气质量及大气可降水厚度；α和β是angstrom波长指数与浑浊度；对于大气可降水厚度，MODIS水汽产品PW直接作为水汽透过率输入参数；AOD产品中的波长指数α也作为气溶胶透过率的输入参数；β表示为：Β=τ0.55(0.55)a       (14)在山区，总的太阳波谱辐射由太阳直接辐射、太阳散射和周围地形反射辐射三部分组成，均为波长的函数；考虑到太阳方向对散射辐射的影响，将其又分解为各向同性散射辐射和各向异性散射辐射，即：E(λ)= Edir(λ)+Eiso‑dif(λ)+Eaniso‑dif(λ)+Eref(λ)    (15)对于Landsat TM每个波段的太阳直接辐射与散射辐射同时受大气与地形作用的影响；周围地形反射辐射估算方法如下：式中，Fij为地形结构因子，表示来自周围可见像元的反射辐射能量与可见像元自身总的太阳波谱辐射； Li(λ)是周围可见像元的辐射亮度，由Landsat TM影像测量而得；3）坡地BRDF 归一化方向反射因子是遥感影像地形标准化的重要参数，是坡地与消除地形的平坦地表方向‑方向反射率之比，而这两种方向反射率均遵循地表BRDF规律；半经验线性核驱动模型由一定物理意义核的线性组合来拟合地表二向反射特性，其公式如下：ρH(λ) (θs,θv,φs‑v)=fiso(λ)+ fvol(λ)Kvol(θs,θv,φs‑v)+ fgeo(λ)Kgeo(θs,θv,φs‑v)  (17)式中，Kvol(θs,θv,φs‑v)和Kgeo(θs,θv,φs‑v)表示核函数，是太阳照射角与传感器观测角度的函数， fiso(λ)、fvol(λ) 和fgeo(λ)表示BRDF模型各向同性、体散射与几何光学核函数的权重系数；以坡元实际太阳照射角代替太阳天顶角，以坡元传感器实际观测角代替传感器天顶角，得到坡元在传感器过境时刻的反射率：ΡT(λ) (is, iv,Φs‑v)=fiso(λ)+ fvol(λ)Kvol(is, iv,Φs‑v)+ fgeo(λ)Kgeo(is, iv,Φs‑v)  (18)其中，Φs‑v=∣Φs ‑Φv∣，式中：Φs‑v为太阳与传感器相对方位角，Φs表示由于地形影响坡元上实际来自太阳的照射角，Φv表示由于地形影响坡元上实际来自传感器方向的观测角。