一種實用的遙感影像大氣校正方法

2023-12-11 17:00:07 3

專利名稱：：一種實用的遙感影像大氣校正方法
技術領域：
：本發明涉及一種對遙感影像進行大氣校正的方法，能夠應用在農業、林業、氣象、生態環境以及國防軍事等遙感部門。
背景技術：
：遙感影像大氣校正是地表反射率反演前的一個重要的預處理步驟。在遙感大氣校正研究中，精確的大氣校正需要衛星過境時刻同步測量的大氣探空數據，而這種數據的獲得往往很困難，理想的大氣校正方法是僅需要圖像本身的信息而不需要衛星過境時刻的同步測量數據，暗目標減法(DarkObjectSubtraction,DOS)就是為了滿足這種需要而產生的。該方法的基本原理就是在地表均勻、朗伯面反射、大氣性質均一，忽略大氣多次散射的前提下，假定待校正的遙感圖像上存在反射率為0的黑暗像元區域，由於大氣的影響，使得這些像元的反射率實際不為0，可以認為增加的這部分輻射是由於大氣程輻射而產生的。利用暗目標像元值計算出程輻射，藉助於DOS模型即可實現大氣校正。DOS大氣校正方法自出現以來，由於它的簡單實用，獲得了廣泛的應用。大氣透過率是決定DOS大氣校正方法校正精度的關鍵因素。在影響大氣透過率的四種因素(大氣分子、臭氧含量、氣溶膠和總大氣水蒸汽含量)中，大氣分子和臭氧含量比較穩定，在空間上差異不大，而氣溶膠和總大氣水蒸汽含量在空間上變動較大，因此必需提高氣溶膠光學厚度和大氣水蒸汽光學厚度的精度才能提高大氣透過率的精度，從而提高最終大氣校正的精度。高精度地獲取氣溶膠光學厚度和大氣水蒸汽光學厚度的空間分布非常困難，通常的做法是不考慮這兩個因素或者利用氣象點數據來近似代替面數據，這樣就嚴重影響了DOS大氣校正方法的精度。因此，為了提高DOS方法大氣校正的精度，必須提高氣溶膠光學厚度和大氣水蒸汽光學厚度的計算精度。本發明針對以往做法的不足，提出利用MODIS數據來獲取大面積區域的氣溶膠光學厚度和大氣水蒸汽光學厚度，然後結合DOS模型進行大氣校正。由於MODIS數據每天都可以免費獲得，本方法操作起來實用性很強。
發明內容本發明的目的在於提供一種對遙感影像進行大氣校正的方法，以克服現有的DOS模型的缺點。利用本方法進行大氣校正能夠獲得高精度的地表反射率，從而促進相關領域遙感應用3的發展。為實現上述目的，本發明提出的遙感影像大氣校正方法為第一步、反演大氣氣溶膠光學厚度1-1)對MODIS數據進行幾何校正1-2)根據所獲影像的特徵選擇濃密植被區域；l-3)根據濃密植被區域MODIS數據中紅外波段(2.1nm)反射率與紅(0.66nm)、藍(0.47nm)波段反射率之間的關係，由中紅外波段的反射率得到紅、藍波段的反射率；1-4)利用6S模型査找表求得藍、紅波段的氣溶膠光學厚度；1-5)由藍、紅波段的氣溶膠光學厚度根據Angstrom公式得到各個波段的氣溶膠光學厚度；第二步、反演大氣水蒸汽光學厚度2-1)利用MODIS波段比值方法計算總大氣水蒸汽含量；2-2)由總大氣水蒸汽含量計算大氣水蒸汽光學厚度；第三步、火氣校正和地表反射率反演3-1)對陸地衛星影像進行幾何校正；3-2)將陸地衛星影像的亮度值轉換為星上輻射亮度；3-3)計算大氣程輻射；3-4)計算天空光漫射到地表面的光譜輻照度；3-5)計算臭氧吸收光學厚度和瑞利散射光學厚度；3-6)計算大氣透過率；3-7)利用DOS模型進行大氣校正，得到地表反射率；3-8)對地表反射率反演結果進行精度驗證。圖l是本發明的主流程示意圖具體實施例方式遙感地表反射率反演是以輻射傳輸方程為基礎的，在假定地表均勻、朗伯面反射、大氣性質均一，忽略大氣多次散射的前提下，星上輻射亮度和地表反射率的關係如式1所示[KaufmanYJ,SendraC.Algorithmforautomaticatmosphericcorrectiontovisibleandnear-IRsatelliteimagery,InternationalJournalofRemoteSensing，1988，9(8):1357-1381.]:formulaseeoriginaldocumentpage5式i中"t是星上輻射亮度，z^是程輻射，Frf是地表接收到的輻照度，7;是傳感器觀測方向的大氣透過率，s是大氣下界的半球反射率，p是地表反射率，"是日地距離。其中&=￡d。w是由天空光漫射到地表面的光譜輻照度，&是太陽直射輻照度，五6二五oCOS(&)7;,五o是大氣層外相應波長的太陽光譜輻照度，可由探測器響應函數計算得到。r-是太陽照射方向上的大氣透過率。^是太陽天頂角，由影像頭文件獲得。因為S值很小，通常可以忽略，所以由式l可以得到地表反射率的計算公式(式2):formulaseeoriginaldocumentpage5星上輻射亮度Zsat可以由像元亮度值經輻射定標得到(式3)。formulaseeoriginaldocumentpage5其中，Zsat為星上輻射亮度(w/(m2nmsr))，QCAL為某一像元的亮度值，QCAL臓和QCALmin分別為像元可以取得的最大和最小亮度值，L隨和L^分別為QCAL-QCAL隨和QCAL=QCALmin時的光譜輻射亮度值，QCALmax、QCAUh、Lmax和Lmin可以由影像頭文件得到。程輻射丄p由式4計算。formulaseeoriginaldocumentpage5QCALdi是影像中暗目標的亮度值，暗目標可以選擇水體或者陰影。日地距離d(天文單位)根據式5和式6計算[SpencerJW.FourierseriesrepresentationofthepositionoftheSun.Search,1971,2(5):172-201.]formulaseeoriginaldocumentpage5dn為儒略日(即遙感影像獲取日期距離1月1日的天數)，如果遇到閏年，則用366代替式6中的365。太陽照射方向和傳感器觀測方向的大氣透過率7;和7;是大氣光學厚度t的函數。Tz=exp(-r/cos02)=exp{(—;-:"—t0-tJ/cos^}(式7)7V=exp(-r/cos0V)=exp{(-rr—r。一r0-z:沐)/cos《}(式8)其中，；、T。、r。和^分別是瑞利散射光學厚度、氣溶膠光學厚度、臭氧吸收光學厚度和大氣水蒸汽光學厚度。隊是傳感器觀測天頂角，由影像頭文件獲得。瑞利散射光學厚度；和臭氧吸收光學厚度r。相對穩定，可以表達為波長X和高程h的函數[StephensGL.RemoteSensingoftheLowerAtmosphere.OxfordUniversityPress,1994,pp.523.]、[GuzziR，RizziRandZibordiG.Atmosphericcorrectionofdatameasuredbyaflyingplatformoverthesea:elementsofamodelanditsexperimentalvalidation.AppliedOptics,1987,26:3043-3051.]:「=[exp(—0.1188A—0.00116A2)](式9)"。3(1-1+。.。=,)eXP[-，-Q.6)2](式10)其中，人是影像各波段的中心波長0im)，h是海拔高度(km)。本發明的關鍵在於利用MODIS數據來反演大氣氣溶膠光學厚度和大氣水蒸汽光學厚度，然後和DOS模型結合進行大氣校正。利用MODIS數據反演大氣氣溶膠光學厚度使用的是濃密植被算法。它的主要思路是基於較低反射率地表(濃密植被區域)在中紅外波段(2.1pm)反射率與紅(0.66jim)、藍(0.47nrn)可見光波段反射率之間的統計關係[KaufmanYJ，WaldAE,RemerLA，etal.TheMODIS2.1jamchannel-correlationwithvisiblereflectanceforuseinremotesensingofaerosol.IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,1997,35(5):1286-1298.](式11和式12)。A).47=/>2.l/4(式ll)/>0.66=/>2.l/2(式12)中紅外波段受大氣影響很小，其星上反射率就近似等於地表反射率，由中紅外波段地表反射率利用式11和式12確定藍、紅波段地表反射率。然後利用6S模型查找表求得藍、紅波段的氣溶膠光學厚度。Angstrom[AngstromA.Theparametersofatmosphericturbidity.Tellus，1964，16:64-75.]提出大氣氣溶膠光學厚度隨波長的變化可寫為tau)=yar(式i3)其中，A為波長(pm)，t。(W是該波長的氣溶膠光學厚度，々為Angstrom大氣渾濁度係數，它是波長為lpm處大氣氣溶膠光學厚度，"<0.1，表示大氣非常清潔；^〉0.2，則表示大氣是渾濁的。a為波長指數，提供氣溶膠粒子尺度信息，a越大，粒子尺度越小，反之亦然。利用兩個波長(0.47nm和0.66pm)的氣溶膠光學厚度可以按式14和式15得到ct和A值，然後利用式13得到各個波長的氣溶膠光學厚度。a--1^")-1^")(式14)lrb^-ln^〃-、(^)A"-r。(;g^"(式15)7K蒸汽光學厚度r^可表達為[LecknerB.Thespectraldistributionofsolarradiationattheearth'ssurface-elementsofamodel.SolarEnergy,1978，20:143—150.]:w(l+20.07awAwM)045其中w是可降水汽(cm),a^是水汽吸收係數，各波長的aw值可以查文獻得到[BirdRE,RiordanC.Simplesolarspectralmodelfordirectanddiffiiseirradianceonhorizontalandtiltedplanesattheearth'ssurfaceforcloudlessatmospheres.Journalofclimateandappliedmeteorology,1986,25:87—97.]。相對大氣量M由下式獲得[KastenF.Anewtableandapproximateformulaforrelativeopticalairmass.ArchivesofMeteorologyGeophysicsandBioclimatologySeriesB,1966,14(2):206-223.]M=[cos《+0.15(93.885-<9z)-1253]_1(式17)^是太陽天頂角，由影像頭文件得到。其中可降水汽w(cm)與總大氣水蒸汽含量『(g/cm^在數值上相等，可見計算水蒸汽光學厚度tw的關鍵在於獲取總大氣水蒸汽含量『。總大氣水蒸汽含量可以由MODIS的波段比值方法計算得到[SobrinoJA,KharrazJEL.SurfacetemperatureandwatervaporretrievalfromMODISdata[J].InternationalJournalofRemoteSensing，2003，24(24):5161-5182.]，具體計算過程如下首先按式18-式20計算水汽吸收通道與大氣窗口通道的輻射亮度比值G/7,G/s和g(式18)17丄2g(式19)g_k(式20)、丄17、Z^和丄i9分別是MODIS17、18和19波段傳感器接收到的輻射亮度。輻射亮度(丄)按式21計算Z=radiance_scales(SI—radianoe—offiete)(式21)其中，radiance—scales和radiance—offsets分別是MODIS數據各波段的輻射率縮放比和輻射率截距，由頭文件得到，SI為MODIS影像中的亮度值。然後，計算從17、18和19波段得到的總大氣水蒸汽含量W7=26.314-54.434G17+28.449《7(式22)W8=5.012-23.017(718+27.884《8(式23)^9=9.446-26.887G19+19.914G,2,(式24)在同樣的大氣情況下，大氣水汽在三個通道的吸收情況並不相同，需要為各通道賦予一個權重，這樣最終總大氣水蒸汽含量(的按式25確定『=0.192W7+0.453]^s+0.355;9(式25)如果不考慮地表和大氣間的多次反射，天空光漫射到地表面的光譜輻照度五d。wn可以表示為五down(式26)其中，仏為瑞利散射分量，￡。為氣溶膠散射分量。&=￡。/t/2cos(《)r。7;7;a(i—rr。95)o.5(式27)￡。=￡。"2cos(《)7;7;2;。7;15(1-乙)《(式28)其中r。、^和7;分別是臭氧吸收透過率、水汽吸收透過率和瑞利散射透過率，7^和7^分別是氣溶膠吸收透過率和氣溶膠散射透過率，兩者之積為氣溶膠透過率，F,是氣溶膠散射向下分量的比例，各參數的具體計算參見文獻[BirdRE,RiordanC.Simplesolarspectralmodelfordirectanddiffuseirradianceonhorizontalandtiltedplanesattheearth'ssurfaceforcloudlessatmospheres.Journalofclimateandappliedmeteorology,1986,25:87—97.]。利用本發明的方法對CBERS02CCD陸地衛星影像進行大氣校正，利用衛星過境時實地測量的地表反射率對本發明的地表反射率反演結果進行了精度驗證，驗證結果如表1所示。表1大氣校正前後地表反射率與實測值的對比msituTOATOAs加p—pTOC,"逾P—PBand10.0470.1030.0610.0560.014Band2O術0.1030.0850.016-0.002測點1Band30.0750.1080.1050.0330.03Band40.4660.3140.437-0.152-0.029RMSE0.0830.022Band10.0440.114O扁0.070.036Band20.0810.1140.1020.0330.021測點2Band30.0610.1100.1080.0490.047Band40.4810.3220.441-0.159-0.04RMSE0.0920.037表示實測^k表反射率;/GA表示大氣校正前的地表反射率;/>TOe表示利用本發明進行大氣校正後的地表反射率從表1可知，經過本發明大氣校正方法校正後，各個波段的精度都有所提高。對於測點1，大氣校正前的均方根誤差(rootmeansquarederror,RMSE)為0.083，大氣校正後降為0.022;對於測點2，大氣校正前的均方根誤差(rootmeansquarederror,RMSE)為0.092，大氣校正後降為0.037，表明了本發明大氣校正方法的有效性。9權利要求1、一種實用的遙感影像大氣校正方法，其步驟為第一步、反演大氣氣溶膠光學厚度第二步、反演大氣水蒸汽光學厚度第三步、大氣校正和地表反射率反演。2、如權利要求l所述的方法，其中，第一步包括以下五個步驟-2-1)對MODIS數據進行幾何校正2-2)根據所獲影像的特徵選擇濃密植被區域；2-3)根據濃密植被區域MODIS數據中紅外波段反射率與紅、藍波段反射率之間的關係，由中紅外波段的反射率得到紅、藍波段的反射率；2-4)利用大氣輻射傳輸模型查找表求得藍、紅波段的氣溶膠光學厚度；2-5)由藍、紅波段的氣溶膠光學厚度根據Angstrom公式得到各個波段的氣溶膠光學厚度。3、如權利要求2所述的方法，其中，第二步包括以下兩個步驟3-1)利用MODIS波段比值方法計算總大氣水蒸汽含量；3-2)由總大氣水蒸汽含量計算大氣水蒸汽光學厚度。4、如權利要求3所述的方法，其中，第三步包括以下八個步驟4-1)對陸地衛星影像進行兒何校正；4-2)將陸地衛星影像像元亮度值轉換為星上輻射亮度；4-3)計算大氣程輻射；4-4)計算天空光漫射到地表面的光譜輻照度；4-5)計算臭氧吸收光學厚度和瑞利散射光學厚度；4-6)計算大氣透過率；4-7)利用DOS模型進行大氣校正，得到地表反射率；4-8)對地表反射率反演結果進行精度驗證。5、如權利要求4所述的方法，其中大氣輻射傳輸模型為6S模型。全文摘要一種實用的遙感影像大氣校正方法，包含三個步驟第一步驟是基於濃密植被算法藉助於6S模型查找表從MODIS數據反演大氣氣溶膠光學厚度。第二個步驟是利用MODIS數據波段比值方法計算總大氣水蒸汽含量，然後計算大氣水蒸汽光學厚度。第三個步驟是將反演得到的大氣氣溶膠光學厚度和大氣水蒸氣光學厚度與DOS模型相結合反演地表反射率。本發明計算得到的地表反射率精度高，該方法實用性強，適用於各種陸地衛星影像，而且MODIS數據每天都可以免費獲取，因此本方法可以作為一種業務化的遙感影像大氣校正方法。文檔編號G01S17/00GK101598543SQ200910157389公開日2009年12月9日申請日期2009年7月29日優先權日2009年7月29日發明者何國金,張兆明申請人:中國科學院對地觀測與數字地球科學中心