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    重庆时时彩平刷软件: 一种改进的遥感影像地形校正物理方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN200910223585.2

    申请日:

    2009.11.24

    公开号:

    CN101718866A

    公开日:

    2010.06.02

    当前法律状态:

    终止

    有效性:

    无权

    法律详情: 未缴年费专利权终止IPC(主分类):G01S 7/48申请日:20091124授权公告日:20120905终止日期:20171124|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01S 7/48申请日:20091124|||公开
    IPC分类号: G01S7/48 主分类号: G01S7/48
    申请人: 中国科学院对地观测与数字地球科学中心
    发明人: 张兆明; 何国金
    地址: 100086 北京市海淀区北三环西路45号
    优先权:
    专利代理机构: 代理人:
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN200910223585.2

    授权公告号:

    |||101718866B||||||

    法律状态公告日:

    2018.11.09|||2012.09.05|||2010.07.21|||2010.06.02

    法律状态类型:

    专利权的终止|||授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    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。

    权利要求书

    1: 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。
    2: 如权利要求1所述的地形校正物理方法,其中第二步的具体转换公式如下: E d = Θ E d h cos i cos z ]]> 式中:E d 为坡面像元所接收的太阳直射辐射,E d h 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,z为太阳天顶角,Θ为地形阴影系数,若坡面为阴影区,Θ为0,否则为1;坡面太阳入射角i由下式得到: S为倾斜坡面的坡度角, 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。
    3: 如权利要求2所述的地形校正物理方法,其中第三步的详细计算过程为: E f = E f h × { 0.5 × ( 1 - F 1 ) [ 1 + cos ( S ) ] + F 1 ( a / b ) + F 2 × sin ( S ) } ]]> a=max(0,cosi) b=max(0.087,cosz) E f 是坡面像元所接收的天空散射辐射,E f h 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,F 1 和F 2 是表征天空各向异性程度的系数,它们是天气情况的函数; F 1 =F 11 +F 12 ×Δ+F 13 ×z F 2 =F 21 +F 22 ×Δ+F 23 ×z Δ是天空亮度,由下式计算, Δ = E f h × m / E 0 ]]> E 0 是外大气层太阳辐照度,m是相对大气量, m=[cos?z+0.15×(93.885-z) -1.253 ] -1 F 11 、F 12 、F 13 和F 21 、F 22 、F 23 根据天空清晰度(μ)查表得到,天空清晰度(μ)按下式确定: μ = [ ( E f h + E d h / cos z ) / E f h + 1.041 × z 3 ] / ( 1 + 1.041 × z 3 ) ]]> E d h 为水平面上所接收的太阳直射辐射,z为太阳天顶角。
    4: 如权利要求3所述的地形校正物理方法,其中第四步的具体计算公式如下: E a =E h ×ρ mean ×V t 其中E a 为坡面像元接收的周围地形的反射辐射,E h 为水平面像元所接收的总辐照度(E d h 和E f h 之和),ρ mean 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,V t 为地形可见因子,由下式获得: V t = 1 - cos ( S ) 2 ]]> S为倾斜坡面的坡度角。
    5: 如权利要求4所述的地形校正物理方法,其中第七步的详细计算过程为: L = ρ d E d + ρ f ( E f + E a ) π ]]> 其中,E d 、E f 和E a 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,ρ d 为坡面对直射辐射的反射率,ρ 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: L = L sat - L p - L env τ ]]> L sat 为星上辐射亮度,可以由传感器辐射定标得到,L p 为程辐射,L env 为环境辐射,τ为大气光学厚度,后三者可以从6S模型获得; 根据以下公式来考虑地形对太阳直射辐射反射率的影响: ρ d h ρ d = cos ( i ) + cos ( e ) cos ( i h ) + cos ( e h ) ]]> ρ d 为坡面对直射辐射的反射率,ρ d h 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,i h 和e h 分别为直射辐射在水平面上的入射角和出射角。 假设 于是: L = ρ d h E d / δ + ρ d h ( E f + E a ) π ]]> δ = cos ( i ) + cos ( e ) cos ( i h ) + cos ( e h ) ]]> 最终经过地形校正后的地表反射率的计算公式为: ρ d h = πL E d / δ + E f + E a ]]>

    说明书


    一种改进的遥感影像地形校正物理方法

        【技术领域】

        本发明属遥感技术领域,涉及遥感数据的处理及应用。

        背景技术

        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。

        【发明内容】

        本发明的目的在于提供一种改进的遥感影像地形校正物理方法,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,本发明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。

        L=Lsat-Lp-Lenvτ]]>

        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:

        Ed=ΘEdhcosicosz]]>(式1)

        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。Θ为地形阴影系数,若坡面为阴影区(cosi<0),Θ为0,否则为1;坡面太阳入射角i由式(2)得到:

        (式2)

        S为倾斜坡面的坡度角,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[高永年,张万昌.遥感影像地形校正研究进展及其比较实验.地理研究,2008,27(2):467-477.]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;未考虑地,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[Noorian?A?M,Moradi?I,Kamali?G?A.Evaluation?of?12?models?to?estimatehourly?diffuse?irradiation?on?inclined?surfaces.Renewable?Energy,2008,33:1406-1412.]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[Perez?R,Ineichen?P,Seals?R,et?al.Modeling?daylight?availability?and?irradiance?componentsfrom?direct?and?global?irradiance.Solar?Energy,1990,44(5):271-289.]的转换效果最优,本发明借鉴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。

        Ef=Efh×{0.5×(1-F1)[1+cos(S)]+F1×(a/b)+F2×sin(S)}]]>(式3)

        a=max(0,cosi)?????????(式4)

        b=max(0.087,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,F1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。

        F1=F11+F12×Δ+F13×z????(式6)

        F2=F21+F22×Δ+F23×z????(式7)

        Δ是天空亮度,由式(8)计算,

        Δ=Efh×m/E0]]>(式8)

        E0是外大气层太阳辐照度,m是相对大气量[Kasten?F.A?new?table?and?approximate?formula?forrelative?optical?air?mass.Archives?of?Meteorology?Geophysics?and?Bioclimatology?SeriesB,1966,14(2):206-223.]

        m=[cos?z+0.15×(93.885-z)-1.253]-1????(式9)

        F11、F12、F13和F21、F22、F23根据天空清晰度(μ)查表得到,天空清晰度(μ)按下式确定[Perez?R,Ineichen?P,Seals?R,et?al.Modeling?daylight?availability?and?irradiance?components?from?direct?andglobal?irradiance.Solar?Energy,1990,44(5):271-289.]:

        μ=[(Efh+Edh/cosz)/Efh+1.041×z3]/(1+1.041×z3)]]>(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[Sandmeier?S,Itten?K?I.A?physically-based?modelto?correct?atmospheric?and?illumination?effects?in?optical?satellite?data?of?rugged?terrain.IEEETransactions?on?Geoscience?and?Remote?Sensing,1997,35(3):708-717.]:

        Ea=Eh×ρmean×Vt????(式11)

        其中Eh为水平面所接收的总辐照度(Edh和Efh之和),ρmean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:

        Vt=1-cos(S)2]]>(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:

        L=ρdEd+ρf(Ef+Ed)π]]>(式13)

        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。ρd为坡面对直射辐射的反射率,ρf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:

        L=Lsat-Lp-Lenvτ]]>(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,Lenv为环境辐射,τ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?effect?in?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:

        ρdhρd=cos(i)+cos(e)cos(ih)+cos(eh)]]>(式15)

        ρd为坡面对直射辐射的反射率,ρdh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射角。

        由于卫星传感器所接收的信息大部分来源于地表对太阳直射辐射的反射,天空散射辐射和周围地形的反射辐射相对较小,地形对它们反射率的影响也较小。为了简化计算,假设于是:

        L=ρdhEd/δ+ρdh(Ef+Ea)π]]>(式16)

        δ=cos(i)+cos(e)cos(ih)+cos(eh)]]>(式17)

        最终经过地形校正后的地表反射率的计算公式为:

        ρdh=πLEd/δ+Ef+Ea]]>(式18)

        5地形校正试验

        在下面的地形校正试验中,将本发明方法与常用的C地形校正方法进行了对比分析。

        试验数据利用2006年7月12日北京北部山区的Landsat?5TM影像,试验所用DEM的分辨率为30米。

        对地形校正效果的验证,本发明借鉴实践中常用的两种定量评价方法,即“地表反射率和对应太阳入射角余弦的相关性”和“标准差”。地形校正前,像素的地表反射率与太阳入射角余弦的相关性明显,像素地表反射率明显地随着太阳入射角的变化而变化。经过地形校正后,如果像素的地表反射率不再受因地形起伏引起的太阳入射角变化的影响,那么两者的相关性应该减弱,并且相关性越弱,表明地形校正的效果越好。另外经过地形校正后,同类地物的地表反射率值更加接近,地物变得更加“均质”,因此标准差应该减小,并且标准差越小,表明地形校正的效果越好

        为了计算地表反射率和对应太阳入射角余弦的相关性,将地形校正前后的地表反射率图像和cosi图像叠加,然后随机选取采样点,则这些采样点线性回归方程的斜率和相关系数表示地表反射率和cosi的相关性。斜率越大,相关性越强(指地表反射率受cosi变化的影响较大);相关系数越大,相关性越强。

        地形校正前后各地表反射率与太阳入射角余弦cosi的相关性如表1所示(以TM第四波段为例):

        表1地形校正前后各地表反射率与cosi的相关性

        ??线性方程的斜率??相关系数??地形校正前??0.1415??0.61??本发明方法校正后??-0.0008??0.004??C校正方法校正后??-0.0511??0.232

        由表1可以看出,利用本发明方法进行地形校正后,地表反射率与cosi之间的相关性(斜率和相关系数)明显减弱,表明了本发明方法的有效性。利用C校正方法校正后,地表反射率与cosi之间的相关性也明显减弱,但斜率和相关系数大于本发明方法,表明本发明方法的校正效果好于C校正方法。

        为了进一步验证地形校正的效果,在TM影像上选取森林样区,然后分别统计地形校正前后TM第四波段反射率的标准差(表2)。

        表2地形校正前后标准差比较

        ??标准差??地形校正前??6.99??本发明方法校正后??4.38??C校正方法校正后??5.01

        一个好的地形校正方法使得地形校正后同类地物的标准差减小,本发明方法所得结果正好验证了这一点,经过地形校正后,标准差明显减小,表明同类地物的内部变动变小,更能反映地表的实际状况,并且本发明方法对应的标准差小于C校正方法,表明本发明方法的校正效果优于C校正方法。

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