一种改进的遥感影像地形校正物理方法技术

一种改进的遥感影像地形校正物理方法，它同时考虑了地形对坡面接收的入射辐照度和地表反射率的影响，较高精度地计算了坡面像元所接收的天空散射辐射，在地形校正的同时考虑了大气影响，本发明专利技术方法能够得到较好的地形校正结果，而且该方法是一种物理方法，具有普适性，能够应用于各种光学遥感影像。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属遥感
，涉及遥感数据的处理及应用。
技术介绍
在崎岖的山地，地形对卫星传感器所接收信号的影响表现在两个方面一是地形 影响地面目标所接收到的入射辐照度；二是地形改变了太阳、地表和卫星传感器三者所构 成的几何结构，进而影响到地面目标在卫星传感器方向上的反射率。相应的地形校正也应 包括两部分，首先将水平面像元所接收的总辐射转换为坡面像元所接收的总辐射，称为入 射辐照度校正(坡面像元所接收的总辐射包括三部分太阳直射辐射、天空散射辐射和周 围地形的反射辐射；相应的，入射辐照度校正也应包括太阳直射辐射校正、天空散射辐射校 正和周围地形的反射辐射校正)。然后将坡面反射率转换为水平面反射率，称为反射率校 正。消除或减少山区遥感影像中地形因素的影响是提高光谱反射率反演精度的必然要求。 从20世纪70年代开始，国内外学者就针对遥感影像的地形效应问题展开研究，提 出了不少遥感影像地形校正方法，如余弦校正，C校正，SCS校正方法等。其中最常用的是 C地形校正方法。但是C方法的明显不足是其基于朗伯体假设，仅考虑了地形起伏对像元 接收入射辐照度的影响，并且它是一种经验模型，带有主观性，对于不同的遥感影像得到的 校正模型各不相同，不具有通用性，这就对其广泛应用造成了困难。随着定量遥感技术的发 展，对地形校正的要求也越来越高，本文在传统地形校正方法的基础上提出了一种改进的 遥感影像地形校正方法，该方法的优点是它同时考虑了地形对入射辐照度和地表反射率的 影响，较高精度地计算了坡面像元所接收的天空散射辐射，在地形校正的同时考虑了大气 影响，而且它是一种物理模型，具有普适性，适用于所有的光学遥感影像。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，以克服现有地形 校正方法的不足。利用本方法可以获得更好的地形校正效果，从而促进相关领域遥感应用 的发展。 为实现上述目的，本专利技术提出的改进的遥感影像地形校正方法为 第一步、利用6S辐射传输模型计算水平面像元所接收的太阳直射辐射和水平面像元所接收的天空散射辐射。 第二步、利用余弦校正计算坡面像元接收的太阳直射辐射。 第三步、由Perez (1990)模型计算坡面像元接收的天空散射辐射。 第四步、计算周围地形的反射辐射。 第五步、利用6S辐射传输模型对遥感影像进行大气校正。 第六步、利用下面公式将星上辐射亮度转换为大气底部的辐射亮度。 第七步、利用Dymond(1999)公式将坡面反射率转换为水平面反射率，完成地形校 正。具体实施例方式1.太阳直射辐射计算 坡面像元所接收的太阳直射辐射可由其对应的水平面像元所接收的直射辐射经 余弦校正转换得到，具体转换公式如下 &= 《^(式1) cosz 式中Ed为坡面像元所接收的太阳直射辐射，Edh为水平面像元所接收的太阳直射 辐射，由6S模型得到。i为坡面太阳入射角(太阳直射光与坡面法线的夹角)，z为太阳天 顶角。 为地形阴影系数，若坡面为阴影区(Cosi<0)， 为0，否则为1 ;坡面太阳入射 角i由式(2)得到:cos/= coszcosS + sinzsinScos(^ —J)(式2) S为倾斜坡面的坡度角，伊为太阳方位角，A为倾斜坡面的坡向。太阳天顶角和太阳 方位角可由影像头文件得到，坡面坡度角和坡向可由DEM数据得到。 2.天空散射辐射计算 定量计算倾斜坡面所接收的天空散射辐射和周围地形的反射辐射往往比较困难， 在很多地形校正模型中，都没有考虑这两个因素的影响。文献对不同地形校正方法 的校正效果进行了比较分析，结果发现考虑到天空散射辐射和周围地形的反射辐射的，地 形校正效果就较好；未考虑的，效果则较差。因此为了提高地形校正模型的校正精度，需要 考虑天空散射辐射和周围地形的反射辐射的影响。 Noorian(2008)等对12种天空散射辐射计算模型进行了对比研究，并利用 实地测量数据进行了验证。结果发现Perez模型的转换效果最优，本专利技术借鉴 Noorian(2008)等的最新研究成果，利用Perez模型来计算坡面像元所接收的天空散射辐 射。=《x{0.5x(l-A) +巧x—) + F2xsinOS)}(式3) a = max (0， cosi) (式4) b = max(O. 087， cos z) (式5) Ef是坡面像元所接收的天空散射辐射，Efh是水平面像元所接收的天空散射辐射， 由6S模型模拟得到。a和b是中间变量。S为倾斜坡面的坡度角，z和i分别是太阳天顶 角和坡面太阳入射角，&和F2是表征天空各向异性程度的系数，它们是天气情况的函数。 = Fn+F12X A+F13Xz (式6) F2 = F21+F22 X A +F23 X z (式7) A是天空亮度，由式(8)计算， A-《xw/五o(式8) E。是外大气层太阳辐照度，m是相对大气量 m = —1 (式9) Fu、 F12、 F13和F21、 F22、 F23根据天空清晰度)查表得到，天空清晰度(iO按下 式石角定:〃 =/(l + 1.041xz3)(式10) Edh为水平面上所接收的太阳直射辐射，z为太阳天顶角。 3.计算周围地形的反射辐射 周围地形的反射辐射(Ea)按照下式来计算: Ea = EhXpmeanXVt (式U) 其中Eh为水平面所接收的总辐照度(Edh和Efh之和)，P _n表示周围地形的平均 反射率，取经过6S大气校正后的影像的平均反射率，Vt为地形可见因子，由下式获得 K=^^"^(式12) S为倾斜坡面的坡度角。 4地形校正 基于地表反射是各向异性的假定，地形起伏会引起太阳_地表_传感器几何关系 的变化，从而改变了太阳光线的入射角和出射角，使得像元的反射率发生显著变化。而对于 水平面，不同像元的入射角和出射角相同，从而同类地物的水平面反射率相同。因此，为了 消除地形起伏对像元反射率的影响，需要将坡面反射率转换为水平面反射率。 经过地形校正的地表辐射亮度计算公式如下 z = 〃" 〃A ■/^(式13)兀 其中，Ed、Ef和Ea分别代表坡面像元接收的太阳直射辐射、天空散射辐射和周围地 形的反射辐射。P d为坡面对直射辐射的反射率，P f为坡面对散射辐射的反射率，L为大气 底部的辐射亮度，由下式得到 " W￡eOT (式14) Lsat为星上辐射亮度，可以由传感器辐射定标得到，Lp为程辐射，Lmv为环境辐射， t为大气光学厚度，后三者可以从6S模型获得。 Dymond等[Dymond J R， Shepherd J D. Correction of the topographic effect6in remote sensing. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,1999，37(5) :2618-2620.]提出了以下公式来考虑地形对太阳直射辐射反射率的影响「 ， ；O， cos(i') + cos(e) , j 、 ^ = ~^-^ (式15) p d为坡面对直射辐射的反射率，P dh为水平面对直射辐射的反射率，i和e分别 为直射辐射在坡面上的入射角和出射角，ih和eh分别为直射辐射在水平面上的入射角和出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的遥感影像地形校正物理方法，其步骤为：第一步、利用６Ｓ辐射传输模型计算水平面像元所接收的太阳直射辐射和水平面像元所接收的天空散射辐射；第二步、利用余弦校正计算坡面像元接收的太阳直射辐射；第三步、由Ｐｅｒｅｚ（１９９０）模型计算坡面像元接收的天空散射辐射；第四步、计算周围地形的反射辐射；第五步、利用６Ｓ辐射传输模型对遥感影像进行大气校正；第六步、利用下面公式将星上辐射亮度转换为大气底部的辐射亮度；Ｌ＝（Ｌ↓［ｓａｔ］－Ｌ↓［ｐ］－Ｌ↓［ｅｎｖ］）／τ第七步、利用Ｄｙｍｏｎｄ（１９９９）公式将坡面反射率转换为水平面反射率，完成地形校正。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张兆明，何国金，
申请(专利权)人：中国科学院对地观测与数字地球科学中心，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]