CN106680273B

CN106680273B - 一种高空间分辨率卫星地表反射率反演方法

Info

Publication number: CN106680273B
Application number: CN201610776454.7A
Authority: CN
Inventors: 顾行发; 郭红; 程天海; 余涛; 王颖; 包方闻; 师帅一
Original assignee: Institute of Remote Sensing and Digital Earth of CAS
Current assignee: Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2019-12-27
Anticipated expiration: 2036-08-29
Also published as: CN106680273A

Abstract

本发明公开了一种高空间分辨率卫星地表反射率反演方法，具体为：1)大气参数查找表构建；2)判断研究区域是否有AOD；3)若无AOD，采用暗像元大气校正方法反演得到地表反射率；4)若有AOD，采用6SV模型反演得到地表反射率；5)对地表反射率进行精度验证。本发明的高空间分辨率卫星地表反射率反演方法，可以精确、快速的获取高空间分辨率卫星地表反射率，促进高空间分辨率卫星在国土资源部、环境保护部、农业部等部门的广泛应用，为高空间分辨率卫星在不同行业的成功应用提供技术支撑。

Description

一种高空间分辨率卫星地表反射率反演方法

技术领域

本发明涉及遥感领域，尤指一种高空间分辨率卫星地表反射率反演方法。

背景技术

高分辨率对地观测系统(简称“高分专项”)是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)》所确定的16个重大专项之一，2010 年高分专项全面启动实施。目前，高分专项已经发射多颗高空间分辨率卫星，其中高分一号卫星和高分二号卫星分别于2013年4月26日和2014 年8月19日成功发射。高分一号卫星空间分辨率为2米(全色)、8米和16米(多光谱)，高分二号卫星空间分辨率达到1米(全色)和4米(多光谱)，高分一号卫星的主要用户部门为国土资源部、环境保护部、农业部等部门，高分二号卫星的主要用户为国土资源部、住房和城乡建设部、交通运输部、林业局等部门，同时还将为其他用户部门和有关区域提供示范应用服务，而地表反射率是高分一号卫星和高分二号卫星开展广泛应用的基础产品，因此获取高空间分辨率地表反射率产品至关重要。高空间分辨率卫星指的是空间分辨率优于等于16米的卫星，包括高分一号卫星、高分二号卫星、资源三号卫星等。

地表反射率是卫星遥感数据经过大气校正后获取的，针对高空间分辨率卫星数据，地表反射率获取存在3个问题：1)气溶胶光学厚度(AOD) 是影响地表反射率反演精度的关键因素之一，然而，在很多情况下，卫星观测的区域由于AOD反演算法、灰霾等原因，没有AOD，在这种情况下如何获取高精度的地表反射率是个难题。2)气溶胶模型是影响地表反射率反演精度的另外一个关键因素。我国华北区域大气污染严重，气溶胶类型复杂多样，6SV模型中的气溶胶模型主要是基于欧洲清洁大气环境观测的结果，不能代表我国华北区域的气溶胶特征。3)高空间分辨率卫星像元数量多，若逐像元进行计算，则耗时长，效率低。

发明内容

高空间分辨率卫星指的是空间分辨率优于等于16米的卫星，包括高分一号卫星、高分二号卫星、资源三号卫星等。

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高空间分辨率卫星地表反射率反演方法。

为实现上述目的，本发明的高空间分辨率卫星地表反射率反演方法， (以高分一号卫星16米多光谱相机WFV4为例，但不限于WFV4相机)具体为：一种高空间分辨率卫星地表反射率反演方法，具体为：

1)基于6SV矢量辐射传输模型构建大气参数查找表；

2)根据高分一号卫星WFV4相机数据的研究区域，选取MODO4 3km AOD 产品或者AERONET地基站点观测的AOD产品，根据经纬度位置对AOD和 WFV4相机数据进行匹配，判断该研究区域是否有AOD；

3)若无AOD，采用暗像元大气校正方法反演得到地表反射率，具体计算公式为：

其中，各参数计算方法为：

L_p＝L_dos-0.01{[E₀cos(θ_z)T_z+E_down]T_v/π}

E_down＝πL_p，

T_v＝exp(-τ_a/cosθ_v)

T_z＝exp(-τ_a/cosθ_z)＝1-4πL_p/(E₀cosθ_z)

τ_a＝-cosθ_zIn(1-4πL_p/(E₀cosθ_z))

其中，ρ为地表反射率，L_sat为卫星观测到的表观辐亮度 (W·m^-2·sr^-1·um^-1)，L_p为程辐射(W·m^-2·sr^-1·um^-1)，T_v为大气上行透过率，T_z为大气下行透过率，θ_z为太阳天顶角，E₀为大气层顶相应波长的太阳光谱辐照度(W·m^-2·um^-1)，E_down为由天空光漫射到地表的光谱辐照度(W·m^-2·um^-1)，L_dos是图像中暗像元的辐亮度(W·m^-2·sr^-1·um^-1)，τ_a为气溶胶光学厚度；

4)若有AOD，采用6SV模型反演得到地表反射率，具体计算方法为：

其中，θ_s为太阳天顶角，θ_v为观测天顶角，为相对方位角，T_λ(θ_s)T_λ(θ_v) 为大气透过率，S_λ为半球反射率，ρ₀为大气程辐射，ρ_TOA为表观反射率，为地物反射率；

5)对地表反射率进行精度验证。

进一步的，其特征在于，所述的高空间分辨率卫星指的是空间分辨率优于等于16米的卫星，包括高分一号卫星、高分二号卫星、资源三号卫星。

进一步的，步骤1)中基于6SV矢量辐射传输模型，通过在6SV矢量辐射传输模型设定不同的太阳天顶角、卫星观测天顶角、相对方位角和 AOD，以及东亚气溶胶模型，建立大气参数查找表。

进一步的，步骤3)若无AOD，通过选取WFV4相机图像中的暗像元，采用暗像元法大气校正原理反演得到地表反射率。

进一步的，步骤4)若有AOD，采用6SV模型进行大气校正，反演得到WFV4相机观测的真实地表反射率。

进一步的，步骤5)将ASD光谱仪测量的地表反射率与WFV4相机反演的地表反射率进行比对分析，评价WFV4相机反演的地表反射率精度。

本发明的高空间分辨率卫星地表反射率反演方法，可以精确、快速的获取高空间分辨率卫星地表反射率，促进高空间分辨率卫星在国土资源部、环境保护部、农业部等部门的广泛应用，为高空间分辨率卫星在不同行业的成功应用提供技术支撑。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本说明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。

附图说明

图1为本发明的高空间分辨率卫星地表反射率反演方法流程图；

图2为反演的高分一号卫星WFV4相机植被反射率与ASD地面实测反射率对比图(2015.1.19)；

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种高空间分辨率卫星地表反射率反演方法，包括基于东亚气溶胶模型和6SV矢量辐射传输模型建立大气参数查找表，再结合研究区域是否存在AOD，进而选择暗像元大气校正方法或者6SV模型进行大气校正，获取高空间分辨率卫星地表反射率。反演流程如下：

1)首先，选择东亚气溶胶模型，改进6SV模型中的气溶胶模型，使之更适合我国华北区域，东亚6种典型气溶胶模型如表1：

表1东亚地区6种典型气溶胶模型(Lee et al.，2010)

其中，R_f为细粒子气溶胶中值半径，S_f为细粒子气溶胶标准差，C_f为细粒子气溶胶浓度；R_c为粗粒子气溶胶中值半径，S_c为粗粒子气溶胶标准差，C_c为粗粒子气溶胶浓度；m_r为复折射指数的实部，m_i为复折射指数的虚部，SSA为单次散射反照率。

其次，根据东亚气溶胶模型和6SV矢量辐射传输模型建立大气参数查找表。通过设定不同的太阳和卫星观测几何参数：11个太阳天顶角 (0，12，24，36，48，54，60，66，72，78，84)、14个观测天顶角 (0，8，14，20，24，30，36，42，48，54，60，66，72，81)、15个相对方位角(0，12，24，36，48，60，72，84，96，108，120，132，144，160，180)，不同的大气气溶胶参数：东亚6种典型气溶胶模型、24个0.55μm处的AOD (0.0001，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.3， 1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0，2.5，3.0，4.0)，使用6SV矢量辐射传输模型进行计算得出的由多组大气参数组合而成的查找表。

2)根据高分一号卫星WFV4相机数据的研究区域，选取MODO4 3km AOD 产品或者AERONET地基站点观测的AOD产品，根据经纬度位置对AOD和WFV4相机数据进行匹配，判断该研究区域是否有AOD。

3)若无AOD，通过选取WFV4相机图像中的暗像元，采用暗像元法大气校正原理反演得到地表反射率。具体流程为：①暗像元法大气校正原理如下(Song et al.，2001)：

L_p＝L_dos-0.01{[E₀cos(θ_z)T_z+E_down]T_v/π} (2)

E_down＝πL_p (3)

T_v＝exp(-τ_a/cosθ_v) (4)

T_z＝exp(-τ_a/cosθ_z)＝1-4πL_p/(E₀cosθ_z) (5)

τ_a＝-cosθ_zIn(1-4πL_p/(E₀cosθ_z)) (6)

其中，ρ为地表反射率，L_sat为卫星观测到的表观辐亮度 (W·m^-2·sr^-1·um^-1)，L_p为程辐射(W·m^-2·sr^-1·um^-1)，T_v为大气上行透过率，T_z为大气下行透过率，θ_z为太阳天顶角，E₀为大气层顶相应波长的太阳光谱辐照度(W·m^-2·um^-1)，E_down为由天空光漫射到地表的光谱辐照度(W·m^-2·um^-1)，L_dos是图像中暗像元的辐亮度(W·m^-2·sr^-1·um^-1)，τ_a为气溶胶光学厚度。②高空间分辨率卫星由于“纯像元”更容易获取，因此基于高空间分辨率卫星的暗像元选取变得更加容易。本发明利用直方图统计法，选择整景图像或者一景图像的大部分像元中具有一定数量的较小的图像灰度值(DN值) 为暗像元。③根据暗像元的DN值，并结合定标系数计算得到L_dos。④首先假设T_v＝T_z＝1，利用图像中识别的暗像元计算L_p和τ_a，然后将计算得到的τ_a带入公式(2)、(3)、(4)、(5)中，重新计算L_p、T_v、T_z和E_down，这样一般迭代4～5次就可以得到稳定的τ_a，进而推算出L_p、T_v、T_z和E_down。⑤将L_p、T_v、T_z和E_down等参数带入公式(1)中，计算得到高空间分辨率卫星WFV4相机地表反射率。

4)若有AOD，采用6SV模型进行大气校正，反演得到WFV4相机的真实地表反射率。具体流程为：①假设陆地表面为均匀的朗伯体，并不考虑气体吸收，在大气垂直均匀变化的条件下，卫星观测到的地表反射率可以表示为(Vermote et al.，1997，2008)：

其中，θ_s为太阳天顶角，θ_v为观测天顶角，为相对方位角，T_λ(θ_s)T_λ(θ_v) 为大气透过率，S_λ为半球反射率，ρ₀为大气程辐射，ρ_TOA为表观反射率，为地物反射率。②根据定标系数将WFV4相机DN值转换为表观反射率。③根据AOD和WFV4相机的观测几何(太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角)，在查找表中找到与之对应的大气参数(ρ₀，S_λ和 T_λ(θ_s)T_λ(θ_v))，进而计算得到大气反射率，再利用WFV4相机观测的表观反射率减去大气反射率，即可获取真实的地表反射率。④高空间分辨率卫星数据像元数量多，数据量大，其中高分一号卫星16米多光谱相机WFV4 一景数据大概有3亿个像元，若要对整景图像的像元进行逐一计算，则耗时长，效率低。为此，本发明按照[1000×1000]或者[500×500]个像元对整景图像进行分块处理，对[1000×1000]或者[500×500]个像元区域只赋予一个AOD值，减少AOD与WFV4像元匹配的次数，从而提升高空间分辨率卫星数据的运算效率。

5)利用ASD光谱仪测量平坦地区植被的地表反射率，将ASD的测量值通过与WFV4相机的光谱曲线进行卷积计算，得到针对WFV4相机波段的地表反射率值，将之与WFV4相机反演的地表反射率进行比对分析，从而评价WFV4相机反演的地表反射率精度。

为了评估本发明方法的性能，使用2015年1月19号ASD观测的北京森林公园入口处的植被数据(中心经纬度位置：116.3986E，40.0190N) 来进行对比验证。如图2所示，高分一号卫星WFV4相机反演的4个波段的地表反射率与ASD光谱仪测量值非常接近，从而说明了本发明方法的先进性。

Claims

1.一种高空间分辨率卫星地表反射率反演方法，具体为：

1)基于6SV矢量辐射传输模型构建大气参数查找表；

2)根据高分一号卫星WFV4相机数据的研究区域，选取MOD04 3km AOD产品或者AERONET地基站点观测的AOD产品，根据经纬度位置对AOD和WFV4相机数据进行匹配，判断该研究区域是否有AOD；

其中，各参数计算方法为：

L_p＝L_dos-0.01{[E₀cos(θ_z)T_z+E_down]T_v/π}

E_down＝πL_p.

T_v＝exp(-τ_a/cosθ_v)

T_z＝exp(-τ_a/cosθ_z)＝1-4πL_p/(E₀cosθ_z)

τ_a＝-cosθ_zIn(1-4πL_p/(E₀cosθ_z))

其中，ρ为地表反射率，L_sat为卫星观测到的表观辐亮度(W·m^-2·sr^-1·um^-1)，L_p为程辐射(W·m^-2·sr^-1·um^-1)，T_v为大气上行透过率，T_z为大气下行透过率，θ_z为太阳天顶角，E₀为大气层顶相应波长的太阳光谱辐照度(W·m^-2·um^-1)，E_down为由天空光漫射到地表的光谱辐照度(W·m^-2·um^-1)，L_dos是图像中暗像元的辐亮度(W·m^-2·sr^-1·um^-1)，τ_a为气溶胶光学厚度；

其中，θ_s为太阳天顶角，θ_v为观测天顶角，为相对方位角，T_λ(θ_s)T_λ(θ_v)为大气透过率，S_λ为半球反射率，ρ₀为大气程辐射，ρ_TOA为表观反射率，为地物反射率；

5)对地表反射率进行精度验证。

2.如权利要求1所述的高空间分辨率卫星地表反射率反演方法，其特征在于，所述的高空间分辨率卫星指的是空间分辨率优于等于16米的卫星，包括高分一号卫星、高分二号卫星、资源三号卫星。

3.如权利要求1所述的高空间分辨率卫星地表反射率反演方法，其特征在于，步骤1)中基于6SV矢量辐射传输模型，通过在6SV矢量辐射传输模型设定不同的太阳天顶角、卫星观测天顶角、相对方位角和AOD，以及东亚气溶胶模型，建立大气参数查找表。

4.如权利要求1所述的高空间分辨率卫星地表反射率反演方法，其特征在于，步骤3)若无AOD，通过选取WFV4相机图像中的暗像元，采用暗像元法大气校正原理反演得到地表反射率。

5.如权利要求1所述的高空间分辨率卫星地表反射率反演方法，其特征在于，步骤4)若有AOD，采用6SV模型进行大气校正，反演得到WFV4相机观测的真实地表反射率。

6.如权利要求1所述的高空间分辨率卫星地表反射率反演方法，其特征在于，步骤5)将ASD光谱仪测量的地表反射率与WFV4相机反演的地表反射率进行比对分析，评价WFV4相机反演的地表反射率精度。