CN102034269B - 太阳直射光遥感数字图像的辐射变换虚拟仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳直射光遥感数字图像的辐射变换虚拟仿真方法，包括以下步骤：(1)计算太阳直射光改正系数、天空散射光改正系数、散射辐射比，获得像元的遥感值和大气程辐射遥感值；(2)生成水平地面太阳直射光遥感图像和水平地面天空散射光遥感图像；(3)逐点计算任意太阳位置和任意地形条件下的遥感值，并生成任意太阳位置和任意地形条件下的虚拟遥感数字图像，从而实现数字地形图上任意太阳方向的地形辐射变换功能。本发明将太阳虚拟为天然的探照灯，通过模拟仿真方法实现了遥感数字图像的任意地形和任意太阳位置之间的相互转换，解决了卫星无法从任意方向、任意时间探测地面的难题，完成具有严格解析意义上的遥感数字图像地形和辐射的虚拟与仿真。

Description

太阳直射光遥感数字图像的辐射变换虚拟仿真方法
技术领域
本发明属于遥感技术与测绘学领域，尤其是一种太阳直射光遥感数字图像的辐射变换虚拟仿真方法。
背景技术
随着卫星遥感技术的高速发展，卫星图像在众多领域有了广泛的应用。由于卫星图像采集的周期性，影像采集的时间相对固定，很难根据实际需求限时采集图像。采用遥感数字图像的地形变换方法，虽然可以消除地形起伏带来的地表光辐射差异与山体阴影的影响，但是仍然没有从根本上解决卫星无法从任意方向、任意时间探测地面的难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种太阳直射光遥感数字图像的辐射变换虚拟仿真方法，本发明将太阳虚拟为天然的探照灯，模拟太阳从任意方向照射地面生成的对应遥感图像，从而解决卫星从任意方向、任意时间情况下探测地面的问题。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种太阳直射光遥感数字图像的辐射变换虚拟仿真方法，包括以下步骤：
(1)根据数字地形图条件和卫星遥感图像条件，计算太阳直射光改正系数、天空散射光改正系数、散射辐射比，并根据坡面像元太阳直射光、水平地面太阳直射光与对应像元遥感值之间的关系，获得像元的遥感值和大气程辐射遥感值；
(2)根据卫星遥感图像及太阳直射光改正系数、天空散射光改正系数、散射辐射比生成水平地面太阳直射光遥感图像和水平地面天空散射光遥感图像；
(3)根据任意太阳位置和任意地形条件，逐点计算任意太阳位置和任意地形条件下的遥感值，并生成任意太阳位置和任意地形条件下的虚拟遥感数字图像，从而实现数字地形图上任意太阳方向的地形辐射变换功能。
而且，所述步骤(1)中的数字地形图条件包括地形高度、地形坡度和地形坡向，所述步骤(1)中的卫星遥感图像条件包括太阳高度角、太阳方位角和像元遥感值。
而且，所述步骤(2)中的太阳位置包括太阳高度角和方位角所述步骤(2)中的地形条件包括地形高度、地形坡度和地形坡向。
而且，所述的步骤(3)中计算任意太阳位置和任意地形条件下的遥感值的方法包括如下步骤：
(1)计算虚拟坡面上像元的太阳直射光遥感值DN`Sij：
DN`Sij＝(DNij-DAij)/(Fij+Lij×Gij)
(2)计算虚拟坡面上像元的太阳直射光改正系数F`ij：
F`ij＝1-tgαij×ctgθ`ij×cos(AL`ij-Aij)
其中，αij、Aij分别为该像元的地形坡度和地形坡向；
θ`ij、AL`ij分别虚拟的太阳高度角和太阳入射的方位角；
(3)计算虚拟的太阳直射光遥感数字图像值XDNsij：
XDNsij＝DN`Sij×F`ij＝(DNij-DAij)×F`ij/(Fij+Lij×Gij)
(4)计算虚拟坡面上像元的天空散射光遥感值DN`dij：
DN`dij＝(DNij-DAij)Lij/(Fij+Lij×Gij)
(5)计算虚拟坡面上像元的天空散射光改正系数G`ij：
G`ij＝Gij；
(6)计算虚拟的天空散射光遥感数字图像值XDNdij：
XDNdij＝DN`dij×G`ij＝(DNij-DAij)Lij×G`ij/(Fij+Lij×Gij)
(7)计算任意太阳位置和任意地形条件下的虚拟遥感数字图像值XDNij：
XDNij＝XDNSij+XDNdij
＝(DNij-DAij)(F`ij+Lij×G`ij)/(Fij+Lij×Gij)
上述公式中：
i＝1，2，……，m；j＝1，2，……，n；m，n是该遥感数字图像最大纵向元数和最大横向元数；
Fij为太阳直射光改正系数，Gij为天空散射光改正系数，Lij为散射辐射比；
F`ij：为虚拟的太阳直射光水平变换系数，G`ij：为虚拟的天空散射光水平变换系数；
DNij为像元的遥感值，DAij为大气程辐射遥感值。
本发明的优点和积极效果是：
本发明将太阳虚拟为天然的探照灯，通过模拟仿真方法实现了遥感数字图像的任意地形和任意太阳位置之间的相互转换，解决了卫星无法从任意方向、任意时间探测地面的难题，避免了卫星遥感图像上出现低亮度和永久阴影的现象，完成具有严格解析意义上的遥感数字图像地形和辐射的虚拟与仿真功能。
附图说明
图1是本发明处理流程图；
图2是某地区数字高程模型示意图；
图3是某地区太阳光从东南方向照射的遥感图像；
图4是图3利用图2进行虚拟该地区太阳从西北方向照射的遥感图像。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种太阳直射光遥感数字图像的辐射变换虚拟仿真方法，如图1所示，包括如下步骤：
1、根据数字地形图条件(包括地形高度、地形坡度和地形坡向)和卫星遥感图像条件(包括太阳高度角、太阳方位角和像元遥感值)，计算太阳直射光改正系数Fij、天空散射光改正系数Gij、散射辐射比Lij，并根据坡面像元太阳直射光、水平地面太阳直射光与对应像元遥感值之间的关系，获得像元的遥感值DNij和大气程辐射遥感值DAij：
2、根据卫星遥感图像及太阳直射光改正系数Fij、天空散射光改正系数Gij、散射辐射比Lij生成水平地面太阳直射光遥感图像和水平地面天空散射光遥感图像；
3、根据任意太阳位置(包括太阳高度角和方位角)和任意地形条件(包括地形高度、地形坡度和地形坡向)，逐点计算任意太阳位置和任意地形条件下的遥感值，并生成任意太阳位置和任意地形条件下的虚拟遥感数字图像，从而实现数字地形图上任意太阳方向的地形辐射变换功能。其具体实现方法包括如下步骤：
(1)计算虚拟坡面上像元的太阳直射光遥感值DNsij：
DN`Sij＝(DNij-DAij)/(Fij+Lij×Gij)
其中：DNij、DAij分别为像元的遥感值和大气程辐射遥感值；
(2)计算虚拟坡面上像元的太阳直射光改正系数F`ij：
F`ij＝1-tgα`ij×ctgθ`ij×cosω`ij，
由于ω`ij＝AL`ij-A`ij，
因此：F`ij＝1-tgα`ij×ctgθ`ij×cosω`ij
＝1-tgα`ij×ctgθ`ij×cos(AL`ij-A`ij)
在本次发明方法中前后虚拟的地形模型不变，α`ij＝αij，A`ij＝Aij
所以：F`ij＝1-tgαij×ctgθ`ij×cos(AL`ij-Aij)
其中，αij、Aij分别为该像元的地形坡度和地形坡向；
θ`ij、AL`ij分别虚拟的太阳高度角和太阳入射的方位角；
α`ij、θ`ij分别为该像元虚拟的地形坡度和太阳高度角，A`ij、AL`ij、
ω`ij分别为该像元虚拟的地形坡向、太阳入射的方位角以及它们之间的夹角；
(3)计算虚拟的太阳直射光遥感数字图像值XDNsij
XDNsij＝DN`Sij×F`ij＝(DNij-DAij)×F`ij/(Fij+Lij×Gij)
(4)计算虚拟坡面上像元的天空散射光遥感值DN`dij：
DN`dij＝(DNij-DAij)Lij/(Fij+Lij×Gij)
(5)计算虚拟坡面上像元的天空散射光改正系数G`ij
G`ij：虚拟数字地面模型上像元点的天空散射光改正系数，在本次发明方法中前后虚拟的地形模型不变，因此G`ij＝Gij；
(6)计算虚拟的天空散射光遥感数字图像值XDNdij
XDNdij＝DN`dij×G`ij＝(DNij-DAij)Lij×G`ij/(Fij+Lij×Gij)
(7)计算任意太阳位置和任意地形条件下的虚拟遥感数字图像值XDNij
XDNij＝XDNSij+XDNdij＝DN`Sij×F`ij+DN`dij×G`ij
＝(DNij-DAij)×F`ij/(Fij+Lij×Gij)+(DNij-DAij)Lij×G`ij/(Fij+Lij×Gij)
＝(DNij-DAij)(F`ij+Lij×G`ij)/(Fij+Lij×Gij)
其中：i＝1，2，……，m；j＝1，2，……，n；m，n是该遥感数字图像最大纵向元数和最大横向元数。
在计算虚拟阴影像元的遥感值时，由于，XDNSij＝0，因此，将上述虚拟遥感数字图像值计算公式进行推导得到：
XDNij＝XDNsij+XDNdij＝XDNdij
＝DN’dij×G`ij
＝DNdij×G`ij/Gij＝(DNij-DAij)Lij×G`ij/(Fij+LijGij)
本发明的工作原理：数字地形图上的卫星太阳直射光遥感数字图像辐射变换虚拟与仿真本质上是在严格遵守卫星成像规律的原则下，实现遥感数字图像水平地形变换的逆过程-将水平地面的遥感数字图像转换为任何地形(非水平)上的遥感数字图像，相当于在一个虚拟的数字地形图上叠加一幅经过水平地形变换的卫星遥感数字图像后，再利用这个虚拟数字地面模型和太阳位置参数对水平地面上的太阳直射光遥感图像各点遥感值进行逐点辐射变换的过程，最终生成任意太阳位置和任意地形条件下的虚拟遥感数字图像。如图2至图4所示，图2为某地区数字高程模型示意图，图3是某地区太阳光从东南方向照射的遥感图像，经模拟仿真后生成了太阳从西北方向照射的虚拟遥感数字图像。
本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种太阳直射光遥感数字图像的辐射变换虚拟仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴根据数字地形图条件和卫星遥感图像条件，计算太阳直射光改正系数、天空散射光改正系数、散射辐射比，并根据坡面像元太阳直射光、水平地面太阳直射光与对应像元遥感值之间的关系，获得像元的遥感值和大气程辐射遥感值；
⑵根据卫星遥感图像及太阳直射光改正系数、天空散射光改正系数、散射辐射比生成水平地面太阳直射光遥感图像和水平地面天空散射光遥感图像；
⑶根据任意太阳位置和任意地形条件，逐点计算任意太阳位置和任意地形条件下的遥感值，并生成任意太阳位置和任意地形条件下的虚拟遥感数字图像，从而实现数字地形图上任意太阳方向的地形辐射变换功能；
所述的计算任意太阳位置和任意地形条件下的遥感值的方法包括如下步骤：
①计算虚拟坡面上像元的太阳直射光遥感值DN`Sij：
DN`Sij=(DNij－DAij)/(Fij+Lij×Gij)
②计算虚拟坡面上像元的太阳直射光改正系数F`ij：
F`ij=1－tgαij×ctgθ`ij×cos(AL`ij－Aij)
其中，αij、Aij分别为该像元的地形坡度和地形坡向；
θ`ij、AL`ij分别虚拟的太阳高度角和太阳入射的方位角；
③计算虚拟的太阳直射光遥感数字图像值XDNsij：
XDNsij=DN`Sij×F`ij=(DNij-DAij)×F`ij/(Fij+Lij×Gij)
④计算虚拟坡面上像元的天空散射光遥感值DN`dij：
DN`dij=(DNij－DAij)Lij/(Fij+Lij×Gij)
⑤计算虚拟坡面上像元的天空散射光改正系数G`ij：
G`ij=Gij；
⑥计算虚拟的天空散射光遥感数字图像值XDNdij：
XDNdij=DN`dij×G`ij=(DNij－DAij)Lij×G`ij/(Fij+Lij×Gij)
⑦计算任意太阳位置和任意地形条件下的虚拟遥感数字图像值XDNij：
XDNij=XDNSij+XDNdij
=(DNij－DAij)（F`ij+Lij×G`ij）/(Fij+Lij×Gij)
上述公式中：
i=1,2,……,m;j=1,2,……,n；m,n是该遥感数字图像最大纵向元数和最大横向元数；
Fij为太阳直射光改正系数，Gij为天空散射光改正系数，Lij为散射辐射比；
F`ij：为虚拟的太阳直射光水平变换系数，G`ij：为虚拟的天空散射光水平变换系数；
DNij为像元的遥感值，DAij为大气程辐射遥感值。
2.根据权利要求1所述的太阳直射光遥感数字图像的辐射变换虚拟仿真方法，其特征在于：所述步骤⑴中的数字地形图条件包括地形高度、地形坡度和地形坡向，所述步骤⑴中的卫星遥感图像条件包括太阳高度角、太阳方位角和像元遥感值。
3.根据权利要求1所述的太阳直射光遥感数字图像的辐射变换虚拟仿真方法，其特征在于：所述步骤⑶中的太阳位置包括太阳高度角和方位角；所述步骤⑶中的地形条件包括地形高度、地形坡度和地形坡向。
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