CN105242247B - 一种改进的地形辐射校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种改进的地形辐射校正方法，在山地遥感影像中，忽略地表与大气之间的多次反射，将地表接收的太阳辐射概括为地表接收的太阳直接辐射、天空散射辐射及临近地形反射辐射三项之和，所提出的模型表达式中包含了地形遮蔽系数，考虑了地形遮蔽区(如山体本影和落影)的地形辐射；由于考虑了天空(漫)散射和环境(地形)辐射影响，能够很好的表达地形遮蔽区的辐射亮度信息，也使阴坡和阳坡的辐射亮度值更加接近真实情况。此外，通过线性拟合得到的k值更加真实有效；受到研究区地形条件和植被分布特点的影响，通过引入目标像元周围平均地表反射率值作为消除周围地形各向漫反射作用的调节因子改善了地形遮蔽区像元辐射亮度值的校正效果。
Description
技术领域
本发明涉及地理科学领域，具体而言，涉及一种改进的地形辐射校正方法。
背景技术
地形辐射校正是指通过物理模型或经验、半经验模型，将所有像元的辐射亮度值(或反射率)变换到某一参考平面(通常取水平面)上，从而消除由于地形效应引起的辐射亮度值的变化，恢复地物在水平条件下的真实辐射亮度值(或真实反射率)。地形辐射校正作为山区遥感影像辐射校正的重要步骤，是进行遥感定量化研究的前提。
目前，国内外学者围绕地形辐射校正方法做了大量的研究工作，提出的一系列地形辐射校正模型在研究改进中日趋成熟。这些方法根据理论机理可以归为三类，即基于波段比的方法、基于DEM的方法以及基于超球面的方法。其中基于DEM的模型大致可以归为四类，包括经验--统计模型、归一化模型、朗伯体反射率模型以及非朗伯体反射率模型。经验--统计模型主要包括Teillet-回归校正法、b校正法等，主要利用影像亮度值与太阳入射角余弦值的相关性。Civco在1989年提出的归一化模型也称为“2阶段校正法”，在校正过程中分两个阶段进行，在当时曾经得到普遍的应用。朗伯体反射率模型是以Cosine校正模型的提出为标志，早在20世纪80年代，Teillet等基于单一波段双向反射率参数为常量的假设提出了Cosine校正模型，但是由于个别波段校正效果不理想，在阴坡出现比较严重的过度校正。之后多位学者曾经根据自己需要对其进行过多次改进。而后由Teillet针对Cosine模型的缺陷对其改进提出了C校正模型，但是由于模型基于朗伯体反射率假设的缺陷，仍存在过度校正问题。2005年HuangWei等先后提出了一种改进的C校正方法和顾及空间相关性的地形校正算法，在保证校正效果的前提下省去了线性拟合求取调节系数的繁琐过程。Gu等从植被冠层角度出发提出了SCS(太阳-冠层-传感器)模型，但是由于SCS模型未考虑天空各向异性散射以及临近地表反射，导致了过度校正。之后Soenen等借助C校正的思想，引入调节参数C，将其改进为SCS+C模型，使过度校正现象有所减轻。鉴于朗伯体反射率模型假设的缺陷，Smith等通过引入经验光度计函数常数k，提出了基于非朗伯体反射模型的Minnaert模型，进一步削弱Cosine校正算法中的过度校正问题。随后Reeder对Minnaert模型参数进行了简化修改，并引入了SCS算法的思想，提出了Minnaert-SCS校正模型。
随着遥感在生态环境领域的广泛应用，如何提高遥感定量分析的精度是进行地表和植被参数反演以及其他一切遥感定量化研究面临的关键问题，因此诸如几何校正、地形辐射校正、大气校正等处理操作就显得格外重要。
早在1982年，Teillet等在考虑太阳天顶角的情况下首先提出了一个基于物理机制的校正模型即Cosine校正法，亦称余弦校正法。它假设所有波段的双向反射率因子是一个独立于入射角和反射角的常量，并且忽略散射辐射的影响。其基本原理是校正后水平面像元接收的辐射与校正前坡面像元接收的辐射存在一个由太阳入射角的余弦决定的比例关系，余弦校正模型表示为：
Lm＝L·(cosθs/cosi) (1)
其中，Lm为校正后的辐射亮度值，L为校正前辐射亮度值，θs为太阳方位角，i代表太阳有效入射角，取太阳光线和地面法线的夹角(除特别说明外，全文的变量都以首次出现为准)。cosi为太阳有效入射角余弦值，可通过下式进行计算：
其中，S为地面坡度，为太阳方位角，A为地面坡向角。
由于余弦校正模型基于地表反射为朗伯体的假定，并且忽略了天空漫散射和周围地形的反射辐射的影响，因此图像中的阴影区经过余弦校正后存在过校正的现象，在太阳入射角越接近90°时表现越为明显。
Minnaert函数于1941年由比利时天体物理学家Minnaert提出，此模型基于对常用的余弦校正模型(Cosine)的改进，它主要用于削弱地形校正的力度，后被广泛应用于月球表面的测量光度分析。基于朗伯体假设的缺陷，Smith等在地形校正算法中引入经验光度计函数常量k来描述地表的二项分布函数(BRDF)，提出了一个非朗伯体反射率模型，即Minnaert校正模型。k介于0和1之间，当地面为朗伯体时，k取1，否则k小于1，k主要通过回归算法进行确定。Minnaert校正方法考虑了地面的粗糙程度，一定程度上削弱了Cosine校正后阴坡过度校正问题。Minnaert校正模型表达式如下：
其中，e为辐射出射角(在常见的观测系统中，如Landsat卫星倾角接近90°，为了便于计算通常取地表坡度角S代替观测角)。
Minnaert模型的缺点是，首先，Minnaert模型基于非朗伯体反射理论，以纯粹的经验模型为基础，没有物理模型基础，其模型随机性较大。其次，Minnaert模型未考虑周围地形反射辐射对阴坡像元辐射亮度值的影响。单一的k值在整个公式中起着关键性作用，然而k值是一个常数，适合在坡度变化较小的区域，而在地形起伏变化较大的区域，校正精度有待进一步通过完善模型来提高。此外，当引入前向或后向散射时，Minnaert校正算法的缺点就很明显。
综上，Minnaert模型基于非朗伯体假设，在一定程度上解决了阴坡像元的过度校正问题，但其忽略了天空各向漫射辐射以及周围地形反射辐射，因此在地形起伏变化较大的区域，其校正精度欠佳。此外在进行k值的求解过程中，同样忽略了天空各向同性散射及环境反射光。而在可见光波段，天空的漫射光占总入射辐照度比例较大(特别是在阴坡像元)，造成回归分析中因变量和自变量的线性关系减弱，势必影响到k值的精度，从而影响最终的校正效果。
发明内容
本发明针对Minnaer模型的上述不足，在辐射传输理论基础上，考虑天空各向同性散射辐射和临近地形反射辐射对山区像元的贡献，提出了一种改进的地形辐射校正方法(Minnaert-E模型)。
为达到上述目的，本发明提供了一种改进的地形辐射校正方法，包括以下步骤：
在山地遥感影像中，忽略地表与大气之间的多次反射，将地表接收的太阳辐射概括为地表接收的太阳直接辐射、天空散射辐射及临近地形反射辐射三项之和，山地坡面像元所接收到的太阳总辐射E表示为：
E＝ΘEd+Ef+Eadj
其中，Θ为地形遮蔽系数，若地表像元位于阴影区，Θ为0，否则为1；Ed为地表像元接收的直接太阳辐射，Ef为地表像元接收到的天空散射辐射，Eadj为地形像元接收的邻近地形反射辐射；
假定研究区局部大气为由水平方向均匀结构的薄片组成，则到达坡面像元的直接太阳辐射Ed为：假定研究区局部大气为由水平方向均匀结构的薄片组成，得到到达坡面像元的直接太阳辐射表达式
式中，E0(λ)为与波段有关的大气顶层太阳辐照度，τ为总的垂直大气光学厚度，cosθs为太阳天顶角的余弦值，dr为地球轨道偏心率订正因子，cosi为坡面太阳入射角余弦值，为大气透过率；
忽略天空各向异性散射，假定天空散射各向同性分布，则复杂地形下的天空各向同性散射辐射Ef为：
Ef＝Ep·Vd
式中，Ep为未考虑地形影响的天空各向同性散射辐照度，Vd为天空观测因子；
基于地表朗伯体假设，设r为水平地表接收到的天空散射辐射Ep与大气顶层辐射E0的比值，即：r＝Ep/E0，则式Ef＝Ep·Vd表示为：
忽略地表与大气之间多次反射，临近地形反射辐射与大气底层辐射有如下关系：
其中，Ct为地形结构因子，为邻近像元反射率均值，为邻近地形反射辐射贡献的反射率，天空观测因子Vd与地形结构因子Ct有如下关系：
Ct＝1-Vd，
采用解析法求得天空观测因子的近似值为
Vd≈(1+cosS)/2
式中S为像元所在坡度，将上述各式代入式E＝ΘEd+Ef+Eadj，得到山地所接收到的太阳辐射表达式为：将得到山地所接收到的太阳辐射表达式两边乘以等效反射率，转化为辐射亮度形式
将上式两边乘以等效反射率，转化为辐射亮度形式：
其中，L↑为经传感器定标后的表观辐射亮度值，Ld为地面等效辐射亮度，未考虑天空散射和周围地形散射辐射对地表接收到太阳辐射的影响的Minnaert校正模型基于双向反射率因子求得卫星辐射亮度为：
Lm＝L·cose/(coski·coske)；
在建立模型时，假定L为地面接收的直接太阳辐射，即Ld，将Ld代入上式，得到改进后的Minnaert-E模型为：
进一步地，上述通过6S大气校正模型求得。
本发明提出的Minnaert-E模型表达式中包含了地形遮蔽系数Θ，考虑了地形遮蔽区(如山体本影和落影)的地形辐射；地形遮蔽区太阳入射角度余弦值为负(cosi<0)，如果直接采用Minnaert模型进行较正，得到地形遮蔽区的辐射亮度值可能为负(比如高反射率的地物)，这显然与实际情况不符。由于本发明的Minnaert-E模型考虑了天空(漫)散射和环境(地形)辐射影响，能够很好的表达地形遮蔽区的辐射亮度信，也使阴坡和阳坡的辐射亮度值更加接近真实情况。此外，通过线性拟合得到的k值更加真实有效；受到研究区地形条件和植被分布特点的影响，通过引入目标像元32×32像元范围(像元大小为30m×30m)平均地表反射率值作为消除周围地形各向漫反射作用的调节因子可以明显改善地形遮蔽区像元辐射亮度值的校正效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例的改进的地形辐射校正方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一个实施例的改进的地形辐射校正方法流程图。以下结合图1的流程进行具体说明。
在山地遥感影像中，如果忽略地表与大气之间的多次反射，地表接收的太阳辐射可以概括为地表接收的太阳直接辐射、天空(漫)散射辐射及临近地形反射辐射三项之和，故山地坡面像元所接收到的太阳总辐射可以表示为：
E＝ΘEd+Ef+Eadj (4)
其中，Θ为地形遮蔽系数，若像元位于阴影区，Θ为0，否则为1；Ed为地表像元接收的直接太阳辐射，Ef为地表像元接收到的天空散射辐射，Eadj为像元接收的邻近地形反射辐射。假设研究区局部大气为水平方向均匀结构的薄片组成，到达坡面像元的直接太阳辐射为：
式中，E0(λ)为与波段有关的大气顶层太阳辐照度，τ为总的垂直大气光学厚度，cosθs为太阳天顶角的余弦值，dr为地球轨道偏心率订正因子，cosi为坡面太阳入射角余弦值，为大气透过率。求得的是大气底层太阳直接辐射亮度，可以通过6S大气校正模型求得。如果忽略天空各向异性散射，认为天空散射各向同性分布，那么复杂地形下的天空各向同性散射辐射可以表示为：
Ef＝Ep·Vd (6)
式中，Ep为未考虑地形影响的天空各向同性散射辐照度，即大气底层散射辐射，同样可由6S模型计算求得，Vd为天空观测因子。
Ef+Eadj为天空(漫)散射辐射和地形反射辐射的加和。关于这两部分辐射的计算大都步骤繁琐，生涩难懂。Dozier等对临近地形附加反射辐射的算法进行了简化，提高了模型计算的效率和可读性，但是由于直接采用平均反射率值计算坡面反射率，导致阴坡像元计算精度有所降低。为了便于计算，基于地表朗伯体假设，设r为水平地表接收到的天空散射辐射Ep与大气顶层辐射E0的比值，即：r＝Ep/E0。则(6)式可以写成：
忽略地表与大气之间多次反射，临近地形反射辐射与大气底层辐射有如下关系：
其中，Ct为地形结构因子，为邻近像元反射率均值，为邻近地形反射辐射贡献的反射率。Dozier等认为天空观测因子Vd与地形结构因子Ct有如下关系：
Ct＝1-Vd (9)
并采用解析法求得天空观测因子的近似值为
Vd≈(1+cosS)/2 (10)
式中S为像元所在坡度，将(5)式～(10)式代入(4)式，得到山地所接收到的太阳辐射表达式为：
(11)式两边乘以等效反射率，转化为辐射亮度形式：
其中，L↑为经传感器定标后的表观辐射亮度值，Ld为地面等效辐射亮度。Minnaert校正模型未考虑天空散射和周围地形散射辐射对地表接收到太阳辐射的影响，基于双向反射率因子求得卫星辐射亮度为：
Lm＝L·cose/(coski·coske) (13)
在模型建立时，认为L为地面接收的直接太阳辐射，即(12)式的Ld(而L实际等效于(12)式中的L↑)，因此将(12)式中的Ld代入(13)式，得到改进后的Minnaert-E模型为：
上述Minnaert-E模型表达式((14)式)中包含了地形遮蔽系数Θ，考虑了地形遮蔽区(如山体本影和落影)的地形辐射；地形遮蔽区太阳入射角度余弦值为负(cosi<0)，如果直接采用Minnaert模型进行较正，得到地形遮蔽区的辐射亮度值可能为负(比如高反射率的地物)，这显然与实际情况不符。由于本发明的Minnaert-E模型考虑了天空(漫)散射和环境(地形)辐射影响，能够很好的表达地形遮蔽区的辐射亮度信，也使阴坡和阳坡的辐射亮度值更加接近真实情况。此外，通过线性拟合得到的k值更加真实有效；受到研究区地形条件和植被分布特点的影响，通过引入目标像元32×32像元范围(像元大小为30m×30m)平均地表反射率值作为消除周围地形各向漫反射作用的调节因子可以明显改善地形遮蔽区像元辐射亮度值的校正效果。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种改进的地形辐射校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
在山地遥感影像中，忽略地表与大气之间的多次反射，将地表接收的太阳辐射概括为地表接收的太阳直接辐射、天空散射辐射及临近地形反射辐射三项之和，山地坡面像元所接收到的太阳总辐射E表示为：
E＝ΘEd+Ef+Eadj
其中，Θ为地形遮蔽系数，若地表像元位于阴影区，Θ为0，否则为1；Ed为地表像元接收的直接太阳辐射，Ef为地表像元接收到的天空散射辐射，Eadj为地形像元接收的邻近地形反射辐射；
假定研究区局部大气为由水平方向均匀结构的薄片组成，则到达坡面像元的直接太阳辐射Ed为：
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式中，E0(λ)为与波段有关的大气顶层太阳辐照度，τ为总的垂直大气光学厚度，cosθs为太阳天顶角的余弦值，dr为地球轨道偏心率订正因子，cosi为坡面太阳入射角余弦值，为大气透过率；
忽略天空各向异性散射，假定天空散射各向同性分布，则复杂地形下的天空各向同性散射辐射Ef为：
Ef＝Ep·Vd
式中，Ep为未考虑地形影响的天空各向同性散射辐射，Vd为天空观测因子；
基于地表朗伯体假设，设r为水平地表接收到的天空散射辐射Ep与大气顶层辐射E0的比值，即：r＝Ep/E0，则式Ef＝Ep·Vd表示为：
Ef＝r·E0·Vd，
忽略地表与大气之间多次反射，临近地形反射辐射与大气底层辐射有如下关系：
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其中，Ct为地形结构因子，为邻近像元反射率均值，为邻近地形反射辐射贡献的反射率，天空观测因子Vd与地形结构因子Ct有如下关系：
Ct＝1-Vd，
采用解析法求得天空观测因子的近似值为
Vd≈(1+cosS)/2
式中S为像元所在坡度，将上述各式代入式E＝ΘEd+Ef+Eadj，得到山地所接收到的太阳辐射表达式为：
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其中，L↑为经传感器定标后的表观辐射亮度值，Ld为地面等效辐射亮度，未考虑天空散射和周围地形散射辐射对地表接收到太阳辐射的影响的Minnaert校正模型基于双向反射率因子求得卫星辐射亮度为：
Lm＝L·cose/(coski·coske)；
其中，e为辐射出射角，k为经验光度计函数常量，k大于等于0，且k小于等于1；
在建立模型时，假定L为地面接收的直接太阳辐射，即Ld，将Ld代入上式，得到
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L实际等效于L↑，得到改进后的Minnaert-E模型为：
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2.根据权利要求1所述的改进的地形辐射校正方法，其特征在于，通过6S大气校正模型求得。
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