专利名称：地表反射率计算方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种地表反射率计算方法和装置，具体而言，涉及一种用于环境减灾小卫星HJ-I的地表反射率计算方法和装置。
背景技术：
“环境与灾害监测预报小卫星星座”(以下简称“HJ-1”)是中国第一个专门用于环境与灾害监测预报的小卫星星座，其中HJ-1A/B星于2008年9月6日发射。卫星载荷如下
表
卫星平台载荷设备GSD/幅宽谱段范围 VS成像模式HJ-IA HJlBCCD相机 (CCD)星下点30m /360kmBi: 0.43~0.52μιη Β2: 0.52~0.60μιη Β3: 0.63~0.69μπι Β4: 0.76~0.90μιη 推扫HJ-IB红外相机300m (10.5~12.5μηι)150ιη (others) /720km0.75~1.10μιη 1.55~1.75μιη 3.50~3.90μηι 10.5~12.5μιη 双面扫描HJlA超光谱成像仪 (HSI)100m 抒Okm0.45Μ).95μπι 谱段分辨率.5nm (平均) 谱段数110-128 干涉成像HJ-1A/B在以后的灾害监测和预报中起着越来越重要的作用。对图像进行大气校正处理，生成地表反射率产品，这对于后期产品(如植被指数、叶面积指数、土壤湿度/含水量、植被覆盖度)的生成尤为重要。如果大气校正的方便程度和校正精度能达到各行业对环境减灾小卫星数据的要求，将进一步推动环境减灾小卫星数据的使用，推动各个行业的发展。由于大气的分子、气溶胶的散射以及臭氧、水汽等气体的吸收均可以削弱传感器接收到的信号，所以航空、航天遥感平台上的传感器接收到的地物信息不能真实地反映地表。因此准确获得地表信息非常有必要，它也是地表参数遥感定量反演的一个必备环节。而目前还没有针对HJ-1A/B载荷及成像特点的地表反射率反演的计算方法和装置。本方法和装置实现了 HJ-1A/B的CXD和HSI数据的地表反射率的反演。

发明内容
对此，本发明提供了一种针对HJ-1A/B的地表反射率计算方法和装置。本方法和装置首先理论上分析大气传输过程中的大气影响因子，然后利用 M0DTRAN对大气-地表-遥感器之间的辐射传输过程进行模拟，依据卫星同步反演得到的大气参数和辐亮度，针对HJ-1A/B传感器的特性，生成适用的查找表，并最终反演出地表反射率。本发明的方法包括步骤1)利用HJ-IB C⑶及红外相机的中红外波段，基于暗目标的方法得到大气气溶胶光学厚度；利用HJ-IA大幅宽快速重访的特点，基于不变目标方法得到大气气溶胶光学厚度；幻基于HJ-1A/B XML文件和影像数据计算每日周期的太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角和观测方位角；3)基于上述步骤1)和2)中得到的参数，利用M0DTRAN模拟星上辐亮度Lm ；4)通过步骤幻建立地表反射率查找表。幻根据大气参数和待校正图像，利用查找表实现大气校正。本发明的地表反射率计算装置包括大气参数反演模块、太阳及观测几何参数反演模块和地表反射率计算模块；大气参数反演模块利用暗目标法和不变目标法，基于经典的大气辐射传输理论， 进行气溶胶光学厚度反演，得出地表反射率P与空间观测星载反射率(也称表观反射率) P，之间的关系。太阳及观测几何参数反演模块基于HJ-1-A/B CXD 30米分辨率DN值数据和 HJ-1-A/B CCD XML文件，计算得到具有地理参考的太阳天顶角数据、太阳方位角数据、观测天顶角数据和观测方位角数据。地表反射率计算模块基于HJ-1-A/B CCD、HSI全波段Radiance数据或DN值和水平气象视距，太阳天顶角等大气参数，利用大气辐射传输模型M0DTRAN来建立通用查找表， 实现逐像元大气校正，得到(XD，HSI波段的地表反射率数据。本发明的方法和装置具有较高的准确性，而且由于是在MODIS数据大气校正算法的基础上进行了改进，具有一定的创新性。本发明的方法和装置对环境减灾小卫星数据进行大气校正。能有效的消除大气对遥感影像的吸收和散射，恢复地表目标的反射率，解决了行业应用的瓶颈，进一步扩展环境减灾小卫星数据的应用范围。
以下结合附图详细说明本发明，其中

图1为本发明的地表反射率计算方法的流程图；图2为太阳天顶角(SZA)和M0DTRAN运行的光谱幅亮度(mod_sr)的关系图；图3为水平气象视距(VIS)和M0DTRAN运行的光谱幅亮度(mod_sr)的关系图；图4为发明的地表反射率计算方法的示意图；以及图5为本发明的地表反射率计算装置的结构示意图。
具体实施例方式
5
下面参照图1和图4详细描述本发明(一 )大气参数反演对大气参数的反演利用了暗目标法和不变目标法。暗目标法其基本原理就是在假定待校正的遥感图像存在黑暗像元区域、地表朗伯面反射、大气性质均一，忽略大气多次散射辐照作用和邻近像元漫反射作用的前提下，反射率很小的黑暗像元是由于大气的影响，而使得这些像元的反射率相对增加，可以认为这部分增加的反射率是由于大气程辐射的影响产生的。然而，如果区域内植被稀疏，该方法就不适用。由于要求存在水体或浓密植被的条件，使得该方法在应用于冬季获取的地表影像上受到很大的限制；对于环境星地表反射率反演的业务化、批量处理的要求而言。暗目标方法需要人工确定暗目标点等人及交互操作；而且对于不同植被条件下的中红外波段和可见光/近红外之间的经验关系是不同的，因此在应用该方法之前，必须有大量的实地影像的统计基础。不变目标法假定图像上存在具有较稳定反射辐射特性的像元，并且可确定这些像元的物理意义，那么就称这些像元为不变目标，这些不变目标在不同时相的遥感图像上的反射率将存在一种线性关系。当确定了不变目标以及它们在不同时相遥感图像中反射率的这种线性关系，就可以对遥感图像进行大气校正。该方法简单、直接，但是本质上是一种统计方法，对不同时间和区域的影像大气校正的应用程度值得考虑，也是一种相对校正方法，而很难校正异质大气气溶胶散射的影响是该方法的另一个先天性缺陷。本发明基于HJ-IB 4谱段CXD相机和MODIS/Terra多光谱遥感数据，利用HJ-IB 和MODIS/Terra双星协同反演陆地下垫面1000米高空间分辨率3个波段的大气气溶胶光学厚度遥感定量反演。其中，数据来源为HJ-1B CXD 1-3波段DN数据；HJ-IB红外相机第 2波段DN数据；MODIS/Terra第1、3、4、6波段DN数据；HJ-IB成像时间及传感器ID;以及 MODIS成像太阳及观测几何数据。本发明基于经典的大气辐射传输理论，推导得出地表反射率P与空间观测星载反射率(也称表观反射率)P ‘间的关系表达式 —⑴其中a = sec θ，b = 2，ε是后向散射系数，通常取值为0. 1，α是波长指数，β 是消光系数。太阳天顶角可由经度、纬度以及卫星过境时间计算得到。大气光学厚度<取决于大气的浊度状态。Au Pm分别代表MODis和HJ-IB影像数据的地表真实反射率，其中i =1,2,3,分别代表HJ-IB影像数据的0. 47，0. 55,0. 66 μ m等三个波段与MODIS对应波段。 此时，我们将得到未知量远大于已知观测值的方程组(9个未知量，6个方程)，属于不定解问题。然而，地表各波段反射率的变化与地表物质在分子尺度上对光的反射和吸收有关，一般可看为波长的强函数。气溶胶和大气分子的散射也是波长的函数。地表的二向反射特性主要受地表物质的宏观物理结构影响，随波长的变化较小。因此可以认为，在可见光和近红外波段，地表的二向反射率与波长无关，而与观测的空间几何位置关系有关。实验表明，不同角度的两次观测的地表真实反射率间存在如下关系 k _ P UX
权利要求
1.一种用于HJ-1A/B卫星的地表反射率计算方法，其特征在于，包括步骤1)基于暗目标法或不变目标方法得到大气气溶胶光学厚度；2)基于HJ-1A/BXML文件和影像数据计算每日周期的太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角和观测方位角；3)基于上述步骤1)和2)中得到的参数，利用M0DTRAN模拟星上幅亮度Lm；4)通过步骤幻建立地表反射率查找表；5)根据大气参数和待校正图像，利用查找表实现大气校正。
2.根据权利要求1所述的地表反射率计算方法，其特征在于，在步骤幻之前，还包括将气溶胶光学厚度转换为水平气象视距。
3.根据权利要求1所述的地表反射率计算方法，其特征在于，在步骤幻之前，还包括通过表观辐亮度及反射率的反演，得到大气上界的表观反射率。
4.根据权利要求1所述的地表反射率计算方法，其特征在于，在步骤4)中，查找表的自变量是大气模式、水平气象视距、太阳天顶角、卫星天顶角，因变量是求地表反射率的三个参数。
5.根据权利要求4所述的地表反射率计算方法，其特征在于，还包括步骤6)参考MODIS大气校正算法中水平气象视距、太阳天顶角这两个变量的变化间距，然后根据 M0DTRAN运行结果来判定水平气象视距、太阳天顶角的变化间距上是否符合精度，若不符合精度，则进行插值。
6.根据权利要求1所述的地表反射率计算方法，其特征在于，通过输入HJ-1A/BC⑶蓝光、红光和近红外地表反射率数据和高光谱反射率数据，实现植被指数的反演。
7.根据权利要求1所述的地表反射率计算方法，其特征在于，所述生态参数反演模块通过植被指数和叶面积指数LAI，实现植被覆盖度的反演。
8.一种用于HJ-1A/B卫星的地表反射率计算装置，其特征在于，包括大气参数反演模块，其基于暗目标法或不变目标方法得到大气气溶胶光学厚度；太阳及观测几何参数反演模块，其基于HJ-1A/B XML文件和影像数据计算每日周期的太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角和观测方位角；地表反射率反演模块，其利用大气参数反演模块和太阳及观测几何参数反演模块计算得到的参数，利用M0DTRAN模拟星上幅亮度Lm ；并建立地表反射率查找表；然后根据大气参数和待校正图像，利用查找表实现大气校正。
9.根据权利要求8所述的地表反射率计算装置，其特征在于，还包括生态参数反演模块，其通过输入HJ-1A/B CXD蓝光、红光和近红外地表反射率数据和高光谱反射率数据，实现植被指数的反演。
10.根据权利要求9所述的地表反射率计算装置，其特征在于，所述生态参数反演模块通过土地利用/ 土地覆盖数据和HJ-1A/HJ-BCCD第3、第4地表反射率数据，实现叶面积指数LAI的反演。
11.根据权利要求10所述的地表反射率计算装置，其特征在于，所述生态参数反演模块通过植被指数和叶面积指数LAI，实现植被覆盖度的反演。
12.根据权利要求8所述的地表反射率计算装置，其特征在于，所述地表反射率反演模块还将气溶胶光学厚度转换为水平气象视距。
13.根据权利要求12所述的地表反射率计算装置，其特征在于，所述查找表的自变量是大气模式、水平气象视距、太阳天顶角、卫星天顶角，因变量是求地表反射率的三个参数。
14.根据权利要求13所述的地表反射率计算装置，其特征在于，所述地表反射率反演模块参考MODIS大气校正算法中水平气象视距、太阳天顶角这两个变量的变化间距，然后根据M0DTRAN运行结果来判定水平气象视距、太阳天顶角的变化间距上是否符合精度，若不符合精度，则进行插值。
全文摘要
本发明涉及一种用于HJ-1A/B卫星的地表反射率计算方法和装置，其包括步骤1)利用HJ-1B CCD及红外相机的中红外波段，基于暗目标的方法得到大气气溶胶光学厚度；利用HJ-1A大幅宽快速重访的特点，基于不变目标方法得到大气气溶胶光学厚度；2)基于HJ-1A/BXML文件和影像数据计算每日周期的太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角和观测方位角；3)基于上述步骤1)和2)中得到的参数，利用MODTRAN模拟星上幅亮度Lm；4)通过步骤3)建立地表反射率查找表。5)根据大气参数和待校正图像，利用查找表实现大气校正。利用本发明能有效的消除大气对遥感影像的吸收和散射，恢复地表目标的反射率，解决了行业应用的瓶颈，进一步扩展环境减灾小卫星数据的应用范围。
文档编号G01S7/48GK102338871SQ20101023761
公开日2012年2月1日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者曹春香 申请人:张颢, 曹春香, 郑盛