专利名称：地表反照率反演方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及遥感技术领域，特别涉及一种地表反照率反演方法及系统。
背景技术：
在众多地表参数中，地表双向反射分布函数(BidirectionalReflectance Distribution Function, BRDF)/反照率的准确遥感反演从狭义上讲常常是准确估算其他 陆地表面参数如植被参数、土地利用和土地覆盖的先决条件。因此，作为影响地球气候系统 的关键变量，地表反照率是数值气候模型和地表能量平衡方程中的一个重要参数。准确计 算下垫面反照率可以揭示局地和区域气候变化的内在机制，可以更好的对生态系统模型进 行参数化，提高中、长期气候预报的水平。虽然地表BRDF/反照率遥感反演具有非常重要的 意义，但是在BRDF/反照率反演过程中，面临主要的问题表现在1)传感器获得的多角度的地表二向反射率数据利用效率低，如何协同利用多源遥 感数据有待加强BRDF反演需要多个角度的信息，且反照率作为所有短波反射能量与入射能量之 比，包括地表半球空间所有方向的反射能量。多数情况下由于方向反射的原因，不同方 向地表反射率不同，不同地表组成，在各方向的反射率也有差异，故精确进行地表BRDF/ 反照率遥感反演需要所有半球方向的多角度的地表二向反射率数据。而这对于遥感技 术是较难实现的。目前大多数传感器只在一个方向进行观测。即使是对于大视场传感 器，在假定地表短期变化不大的情况下，利用同一地表目标的多时相的重复观测可以获 取多个角度的信息。但是所需周期较长，如中分辨率成像光谱仪(Moderate-Resolution ImagingSpectroradiometer,M0DIS)需要半个月的时间生成BRDF/反照率的产品。而且由 于时间跨度大，很难保证地表的不变性。虽然如此，即使将所有角度都用上也 无法满足直接 进行反照率提取的需求。多源数据融合有待加强，充分利用多光谱信息，将多角度遥感信息 与多光谱遥感信息相结合。2)波谱信息利用形式单一，与多角度数据结合有待加强地表反照率还是全波段光谱反照率之和，但是目前传感器观测地表的波段数据有 限，传感器无法覆盖全波段，因此用有限的波段去计算全波段的反照率具有比较大的误差。 在全波段反照率获取时，最早的扫描辐射仪AVHRR。只能提供两个可用波段，MSS四个波段， 目前专题绘图仪(Thematic Mapper, TM)可以提高到6个波段，即使是MODIS也只能提供20 个波段。目前的BRDF/反照率(ALBEDO)模型主要是针对传感器设置波段，反演时也是分别 实施，而没有充分利用多光谱信息的优势，而不同传感器之间波段设置区域与响应的差距 也给在多源遥感数据协同反演时带来困难，使得来自不同平台传感器的数据不能有效地结 合，如何有效的综合利用多角度多光谱的遥感数据还有待于加强，因为两者结合可为我们 提供更多的关于植被本身的信息，也可以在反演中降低对多角度的地表二向反射率数据量 的要求。3)地表的二向反射获取
目前虽有比较多的模型来描述地表的二向反射特性。但由于观测方向的有限性， 目前很难精确进行地表二向反射的获取。目前物理模型有些过于复杂，参数反演较为困难。 作为半经验的核驱动模型也需要多角度的地表二向反射率数据，并且进行迭代运算获取模 型的参数，运算量大而且不太稳定。总而言之，地表BRDF/反照率遥感反演需要多角度信息的支持，目前只能通过多 角度/大视场传感器如MODIS、POLDER、MISR等实现。单一传感器利用多角度信息进行的 BRDF/反照率遥感反演往往具有信息量不足，反演精度不能满足要求，特别是在多角度的地 表二向反射率数据角度分布不合理条件下，反演存在极大的风险性，有时会生成极端错误 的结果；同时由于传感器波段设置的局限，单一的传感器往往不能覆盖全波段，用极有限的 波段求取全波段的地表反照率也具有比较大的误差。在获取宽波段反照率时需要将反演得 到的窄波段反照率转化到宽波段上，目前针对这个问题多数研究采用了给定经验权重的算 法，这一过程无疑又会带来额外的误差，而且权重系数也随不同地表类型及不同卫星而变 化，不同学者给出的结果也存在较大的差异，地域性很强，难以推广，同时这种差异性也制 约着综合利用多源遥感数据协同反演，不能更好的综合利用有限的数据资源。

发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何解决观测信息量不足，传统算法中窄波段向宽波 段转化误差很大，以及遥感数据利用率低的问题。(二)技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种地表反照率反演方法，包括以下步骤Sl 通过观测卫星的遥感数据上的每个像元获取多角度的地表二向反射率数据；S2 根据所述遥感数据中每个像元的地表类型，从先验波谱知识库选择对应的组 份波谱数据，所述先验波谱知识库为存储地表类型和对应的组份波谱数据的数据库，所述 组份波谱数据为连续的；S3 针对不同传感器的波段设置，将所述组份波谱数据积分到对应波段；S4 从所述遥感数据中读取观测几何数据，所述观测几何数据包括太阳天顶角、 观测天顶角和太阳与卫星的相对方位角；S5:根据所述多角度的地表二向反射率数据与经过积分处理后的组份波谱数据以 及所述观测几何数据代入线性方程，构建线性方程组，所述线性方程中包括核系数和核函 数；S6:通过最小二乘法解得所述线性方程组的核系数，根据所述线性方程的核系数 和核函数，计算黑半球波谱反照率、白半球波谱反照率、以及真实地表波谱反照率；S7 根据所述线性方程的核系数和核函数、及总下行辐射量的波谱分布，计算任意 波段范围内的黑半球宽波段反照率、白半球宽波段反照率、以及真实宽波段反照率。其中，步骤S2中所述地表类型包括植被、土壤、水体和雪。 其中，在步骤S3中通过下式进行积分R1 = \Ae'f (A)-R(A)ClA
'^si
其中，i表示第i个波段，λ si和λ ei分别为第i个波段的起始波长和终止波长， f(x)为对应传感器的波谱响应函数，RU)为连续的组份波谱数据，Ri为经过积分处理的 组份波谱数据。其中，步骤S5中所述的线性方程为R( θ θ ν，φ, λ) = C1 · Ic1U^c2 · k2U)+c3 · k3( θ ρ θ ν，φ, X)+c4 · k4( θ ρ θν，φ,入)+(5.、(9” θν, φ, λ)其中，
权利要求
1.一种地表反照率反演方法，其特征在于，包括以下步骤s1通过观测卫星的遥感数据上的每个像元获取多角度的地表二向反射率数据；s2根据所述遥感数据中每个像元的地表类型，从先验波谱知识库选择对应的组份波 谱数据，所述先验波谱知识库为存储地表类型和对应的组份波谱数据的数据库，所述组份 波谱数据为连续的；s3针对不同传感器的波段设置，将所述组份波谱数据积分到对应波段；s4从所述遥感数据中读取观测几何数据，所述观测几何数据包括太阳天顶角、观测 天顶角和太阳与卫星的相对方位角；s5:根据所述多角度的地表二向反射率数据与经过积分处理后的组份波谱数据以及所 述观测几何数据代入线性方程，构建线性方程组，所述线性方程中包括核系数和核函数；s6通过最小二乘法解得所述线性方程组的核系数，根据所述线性方程的核系数和核 函数，计算黑半球波谱反照率、白半球波谱反照率、以及真实地表波谱反照率；s7根据所述线性方程的核系数和核函数、及总下行辐射量的波谱分布，计算任意波段 范围内的黑半球宽波段反照率、白半球宽波段反照率、以及真实宽波段反照率。
2.如权利要求1所述的地表反照率反演方法，其特征在于，步骤S2中所述地表类型包 括植被、土壤、水体和雪。
3.如权利要求1所述的地表反照率反演方法，其特征在于，在步骤S3中通过下式进行 积分R1 = ζ"/(λ)-R(A)CiA其中，i表示第i个波段，λ si和λ ei分别为第i个波段的起始波长和终止波长，f( λ ) 为对应传感器的波谱响应函数，R(X)为连续的组份波谱数据，Ri为经过积分处理的组份波 谱数据。
4.如权利要求1所述的地表反照率反演方法，其特征在于，步骤S5中所述的线性方程为R( θ θν，φ，λ) = Cl · Ic1U^c2 · k2U)+c3 · k3( θ ” θν, φ,入)+ ·!^^" θν, Φ，入)+(5.、(9” θν, φ, λ)其中，R1(X) = -P {m0,λ) πk2(A) = --AJA)-p (m0,A) πΚΨιΑ,Φ,义)=^-ρμ) · (‘+1) + 丄Λ; · ρ ) 3ππΚΨιΑ, Φ,义)=~-k8geo · Aw(A) · Pg(m0,A) π嫩U， 忐忐…)‘⑷、」kg - —(sec + sec ^v) · (t - cost· sin/) - sec - sec ^v +1 π
5.如权利要求4所述的地表反照率反演方法，其特征在于，步骤S6中包括561对所述线性方程组采用最小二乘法通过代价函数，计算所述核系数Cl、c2, c3, C4,C5 ；562通过下式计算黑半球波谱反照率、白半球波谱反照率、以及真实地表波谱反照率，
6.如权利要求5所述的地表反照率反演方法，其特征在于，步骤S7中通过下式计算任 意波段范围内的黑半球宽波段反照率、白半球宽波段反照率、以及真实地表宽波段反照率，
7.如权利要求1-6任一项所述的地表反照率反演方法，其特征在于，所述观测卫星为 环境一号Α/Β星，所述观测卫星遥感数据为所述中国环境一号Α/Β星的电荷耦合元件CCD 相机获取的数据。
8.如权利要求1-6任一项所述的地表反照率反演方法，其特征在于，所述传感器的波 段范围为0. 3 3μπι。
9.一种地表反照率反演系统，其特征在于，包括获取模块，用于通过观测卫星的遥感数据上的每个像元获取多角度的地表二向反射率 数据；选择模块，用于根据所述遥感数据中每个像元的地表类型，利用先验波谱知识库选择 对应的组份波谱数据，所述先验波谱知识库为存储地表类型和对应的组份波谱数据的数据 库，所述组份波谱数据为连续的；积分模块，用于针对不同传感器的波段设置，将所述组份波谱数据积分到对应波段；读取模块，用于从所述遥感数据中读取观测几何数据，所述观测几何数据包括太阳天 顶角、观测天顶角和太阳与卫星的相对方位角；构建模块，用于根据所述多角度的地表二向反射率数据与经过积分处理后的组份波谱 数据以及所述观测几何数据代入线性方程，构建线性方程组，所述线性方程中包括核系数 和核函数；计算模块，用于通过最小二乘法解得所述线性方程组的核系数，根据所述线性方程的 核系数和核函数，计算黑半球波谱反照率、白半球波谱反照率、以及真实地表波谱反照率；宽波段计算模块，用于根据所述线性方程的核系数和核函数、及总下行辐射量的波谱 分布，计算任意波段范围内的黑半球宽波段反照率、白半球宽波段反照率、以及真实宽波段 反照率。
全文摘要
本发明公开了一种地表反照率反演方法，包括S1通过观测卫星的遥感数据上的每个像元获取多角度的地表二向反射率数据；S2根据所述遥感数据中每个像元的地表类型，从先验波谱知识库选择对应的组份波谱数据；S3针对不同传感器的波段设置，将所述组份波谱数据积分到对应波段；S4从所述遥感数据中读取观测几何数据；S5构建线性方程组；S6计算黑半球波谱反照率、白半球波谱反照率、以及真实地表波谱反照率；S7计算任意波段范围内的黑半球宽波段反照率、白半球宽波段反照率、以及真实宽波段反照率。本发明解决了测信息量不足，传统算法中窄波段向宽波段转化误差很大，以及遥感数据利用率低的问题。
文档编号G01N21/41GK102103076SQ20111003441
公开日2011年6月22日 申请日期2011年2月1日 优先权日2011年2月1日
发明者刘强, 刘思含, 张峰, 李小文, 柳钦火, 王桥 申请人:中国科学院遥感应用研究所, 环境保护部卫星环境应用中心