CN110176019A - 一种夜间纯净灯光提取方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种夜间纯净灯光提取方法，解决了现有技术卫星观测的人造灯光区域辐射亮度值受云团、月光以及大气气溶胶影响的问题。包含以下步骤：对采集的影像进行除云处理。提取除云后的影像中月照分数和月球天顶角符合阈值标准的影像。提取影像中亮度大于第三阈值的像元对应的像元点。提取其中亮度值大于第三阈值的像元数量大于第四阈值的像元点。将提取的像元点上所有像元按照亮度大小排序，将亮度值最大的部分像元，按照排序每三个像元计算标准差，取对应最小标准差的三个值得平均值作为该像元点的纯净灯光值。本申请的方法在夜间观测人造灯光区域，去掉了云团、月光以及大气气溶胶影响，获得了纯净的灯光信息。

Description

一种夜间纯净灯光提取方法
技术领域
本申请涉及遥感领域，尤其涉及一种夜间纯净灯光提取方法。
背景技术
近些年，卫星技术发展使得夜间微光观测成像成为可能，VIIRS是搭载于S-NPP卫星上的传感器，它独有的DNB(Day/Night Band)具有较宽的波段响应范围(0.5-0.9μm)，仪器敏感性和辐射分辨率高，可以用于全球夜间微光探测，但是，由于受到云、月光以及大气气溶胶的影响，纯净的灯光信息很难获得，尤其是大气气溶胶的影响。通过VIIRS DBN数据可以得到观测辐射亮度值，这些观测亮区即为灯光区，由于气溶胶和云团的存在，灯光区域和附近背景值之间的对比度降低(即通过散射、吸收和水平扩散被散射的人造光)，因此卫星实际观测得到的辐射亮度值并不是地面真实灯光值。并且现有研究中往往忽略大气气溶胶及极端亮值对卫星观测灯光辐射值的影响，在利用夜间灯光进行全球环境、经济变化，人类活动等研究会带来很大的不确定性，无论是科学研究还是社会需求，对地面真实灯光的确定都尤为重要。
发明内容
本申请提出一种夜间纯净灯光提取方法，解决了现有技术卫星观测的人造灯光区域辐射亮度值受云团、月光以及大气气溶胶影响的问题。
本申请实施例提供一种夜间纯净灯光提取方法，包含以下步骤：
对遥感影像进行除云处理，处理后的影像景数为M1；各景影像中相同位置的像元处于同一像元点；
提取M1景影像中月照分数小于第一阈值和月球天顶角大于第二阈值的影像，影像景数为M2；
M2景影像的中亮度大于第三阈值的像元对应的像元点设为灯光区；
提取灯光区中常亮的像元点，所述常亮的像元点上，亮度大于第三阈值的像元数量大于第四阈值；
将提取的像元点上所有像元按照亮度大小排序，选择排序后亮度值最大的部分像元；
按照排序每三个像元亮度值计算标准差，取最小标准差对应的三个像元亮度值求平均值作为该像元点的纯净灯光值。
优选地，所述灯光提取的时间周期为一年。
优选地，所述灯光提取的影像采集频率为1次/天。
优选地，所述除云处理使用的产品为VIIRS VCCLO。
优选地，所述夜间纯净灯光提取方法使用的数据为VIIRS DNB数据。
优选地，所述第一阈值为15％。
优选地，所述第二阈值为89°。
优选地，所述第三阈值为2.5×10-9Wcm-2sr-1。
优选地，所述第四阈值为0.5×M2。
优选地，用VIIRS VCCLO提取云区，对云区边缘向外扩充3个像元。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
利用VCCLO提取云区，并对云区边缘向外扩充3个像元，严格消除云边缘影响。在去除大气气溶胶及极端亮值时采用简单有效的方法，对消除云及月光影响的地面灯光进行进一步提取，可以获得年尺度上纯净的地面真实灯光像元。
附图说明
图1为夜间纯净灯光提取的方法流程图；
图2为处理区域示意图；
图3为两个时间周期的纯净灯光影像分布对比图；
图4为两个时间周期的两个像元点提取结果对比图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为夜间纯净灯光提取的方法流程图。
本申请实施例提供一种夜间纯净灯光提取方法，包含以下步骤：
步骤1、对遥感影像进行除云处理，处理后的影像景数为M1。
利用现有的产品对遥感影像进行除云处理。
例如，除云处理可以选择VIIRS VCCLO，也可以选择其他带有云处理功能的遥感产品。优选地，所述除云处理使用的产品为VIIRS VCCLO
用VIIRS VCCLO提取云区，对云区边缘向外扩充3个像元。在云区边缘向外扩充3个像元，是为了严格消除云边缘的影响。
所述处理后的影像景数，例如，一年365天共有365景影像，经过除云处理后还剩200景影像，M1＝200。
步骤2、提取M1景影像中月照分数小于第一阈值和月球天顶角大于第二阈值的影像，影像景数为M2。
例如，符合要求的月照分数为MF<15％，符合要求的月球天顶角为LZA>89°。提取出符合月照分数和月球天顶角要求的影像，可以认为消除了月光影响。
例如，M1＝200景影像中月照分数小于15％，月球天顶角大于89°的影像景数M2＝80。
步骤3、M2景影像的中亮度大于第三阈值的像元对应的像元点设为灯光区。所述第三阈值2.5×10-9Wcm-2sr-1。
所述像元为影像中一个图像点。各景影像中相同位置的像元处于同一像元点。至少有一个像元亮度大于所述第三阈值，则这个像元对应的像元点即被设为灯光区。
例如，一个像元点有M2＝80个像元，其中亮度大于2.5×10-9Wcm-2sr-1的像元有2个，这个像元点即被设为灯光区。
步骤4、提取灯光区中常亮的像元点，所述常亮的像元点上，亮度大于第三阈值的像元数量大于第四阈值。
例如，所述第四阈值为0.5×M2。
例如，一个像元点有M2＝80个像元，其中亮度大于2.5×10-9Wcm-2sr-1的像元数为45个，则此像元点是常亮的像元点，被提取作进一步处理。
也就是说，如果不是常亮的像元点，作为不合格点去除。
步骤5、将所述常亮的像元点上所有像元按照亮度大小排序，选择亮度值最大的部分(例如10～30％)像元。
例如，选择亮度值最大的20％像元点，目的在于计算标准差和平均值，消除大气气溶胶以及极端亮值的影响。
需要说明的是，亮度值最大的部分像元，例如为总像元的30％，亮度均可以是大于第三阈值，或者至少有一部分大于第三阈值。
步骤6、按照排序每三个像元亮度值计算标准差，取最小标准差对应的三个像元亮度值求平均值作为该像元点的纯净灯光值
例如，第x1、x2、x3、x4......xn个像元，按照x1、x2、x3计算标准差，x2、x3、X4计算标准差……这样的形式每三个像元计算标准差。将得到的标准差比大小。取最小的标准差对应的三个像元的亮度值做平均值，得到该像元点的纯净灯光值。
灯光提取的时间周期为灯光提取的总时长。影像采集频率为每次采集间隔的时长。
优选地，所述灯光提取的时间周期为一年，影像采集频率1次/天。
例如，选择所述划定处理区域2014年全年VIIRS DNS数据，所述VIIRS DNS数据每24小时采集一次。
图2为处理区域示意图。
像元点是指各景影像中相同位置像元所在的点，也就是说，各景影像中相同地理位置的像元处于同一像元点。
例如，通过本申请实施例的方法，提取划定区域11内的两个像元点，像元点1和像元点2，作为常亮的像元点。
像元点1，对应于各景影像在地理位置(39.977°N，116.281°E)的像元；
像元点2，对应于各景影像在地理位置(39.933°N，116.317°E)的像元。
图3为两个时间周期的纯净灯光影像分布对比图。
为了评估夜间灯光提取的效果，利用年尺度之间的对比对结果进行分析，2014年和2015年全年的纯净灯光分布状况对比，可以看出两年的纯净灯光分布较为一致。
图4为两个时间周期的两个像元点提取结果对比图。
所述像元点1和像元点2，经过排序和取均值等处理后，2014年和2015年两年的结果相差小于10％。综合来看，利用本方法可以有效的提取纯净的夜间灯光。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.本申请公开了一种夜间纯净灯光提取方法，其特征在于，包含以下步骤：
对遥感影像进行除云处理，处理后的影像景数为M1；各景影像中相同位置的像元处于同一像元点；
提取M1景影像中月照分数小于第一阈值和月球天顶角大于第二阈值的影像，影像景数为M2；
M2景影像的中亮度大于第三阈值的像元对应的像元点设为灯光区；
提取灯光区中常亮的像元点，所述常亮的像元点上，亮度大于第三阈值的像元数量大于第四阈值；
将所述常亮的像元点上所有像元按照亮度大小排序，选择亮度值最大的部分像元；
按照排序每三个像元亮度值计算标准差，取最小标准差对应的三个像元亮度值求平均值作为该像元点的纯净灯光值。
2.根据权利要求1所述夜间纯净灯光提取方法，其特征在于，所述灯光提取的时间周期为一年。
3.根据权利要求1所述夜间纯净灯光提取方法，其特征在于，所述灯光提取的影像采集频率为1次/天。
4.根据权利要求1所述夜间纯净灯光提取方法，其特征在于，所述除云处理使用的产品为VIIRS VCCLO。
5.根据权利要求1所述夜间纯净灯光提取方法，其特征在于，所述夜间纯净灯光提取方法使用的数据为VIIRS DNB数据。
6.根据权利要求1所述夜间纯净灯光提取方法，其特征在于，所述第一阈值为15％。
7.根据权利要求1所述夜间纯净灯光提取方法，其特征在于，所述第二阈值为89°。
8.根据权利要求1所述夜间纯净灯光提取方法，其特征在于，所述第三阈值为2.5×10- 9Wcm-2sr-1。
9.根据权利要求1所述夜间纯净灯光提取方法，其特征在于，所述第四阈值为0.5×M2。
10.根据权利要求4所述夜间纯净灯光提取方法，其特征在于，用VIIRS VCCLO提取云区，对云区边缘向外扩充3个像元。
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