CN110411565B - 一种由多光谱地表反射率推演高光谱地表反射率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种由多光谱地表反射率推演高光谱地表反射率的方法，首先获取辐射校正场高光谱地表反射率参考曲线：通过波段式对地辐射计与光谱仪同步观测同一片区域，将光谱仪获取的平均高光谱地表反射率作为参考曲线；然后校正波段式对地辐射计与光谱仪之间的系统偏差获得校正系数；最后计算卫星过顶时刻的高光谱地表反射率：利用相邻两个波段的地表反射率与高光谱地表反射率参考曲线带内地表反射率之间的比例关系，确立相邻波段之间任意波长处的地表反射率；在多光谱地表反射率不能覆盖的区域，利用距离所求波长最近的多光谱地表反射率比例对高光谱地表反射率参考曲线进行缩放，确定地表反射率；本发明提高了在轨卫星遥感器辐射定标的精度。

Description

一种由多光谱地表反射率推演高光谱地表反射率的方法

技术领域

本发明属于卫星遥感器自动化辐射定标技术领域，特别是一种由多光谱地表反射率推演高光谱地表反射率的方法。

背景技术

地表反射率是卫星遥感器绝对辐射定标的关键参数。目前，卫星遥感器的场地替代定标一直采用人工跑场的工作模式，由于定标场一般为远离市镇的戈壁、沙漠，环境恶劣供给困难，再加上天气条件和卫星过顶时刻的限制，完成1次辐射定标试验，通常需要花费1-2个月的时间，耗费大量物力、人力、财力，同时定标频次很难提高。目前我国遥感卫星的场地辐射定标频次维持在每年1次的水平，而遥感卫星设计寿命一般为3-5年。

为提高卫星遥感器的定标频次，从而提升遥感器测量辐射量的精度，业内人士正在努力寻求长序列自动化定标方法，采用无人值守、长期自动观测的仪器代替人工现场获取场地数据。目前，国内自动化观测定标应用较为成功的是中国科学院光学精密机械研究所，利用辐射校正场地表反射率曲线形状基本稳定的特性，定标过程中根据波段式对地辐射计获取的多光谱地表反射率幅值的变化，对光谱仪获取的参考高光谱地表反射率曲线在幅值上平移获取任意时刻的高光谱地表反射率，此种方法的缺点是：实际上各个波长的地表反射率随时间、环境变化的幅值并不完全相同，这种方法无法表达出曲线形状扭曲的实际情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由多光谱地表反射率推演高光谱地表反射率的方法，以提高高光谱地表反射率的推演精度，从而提高在轨卫星遥感器辐射定标的精度。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种由多光谱地表反射率推演高光谱地表反射率的方法，包括以下步骤：

步骤1、获取辐射校正场高光谱地表反射率参考曲线：通过波段式对地辐射计与光谱仪同步观测同一片区域，将光谱仪获取的辐射校正场平均高光谱地表反射率ρref作为参考曲线；

步骤2、校正波段式对地辐射计与光谱仪之间的系统偏差，获得校正系数；

步骤3、计算卫星过顶时刻的高光谱地表反射率：

步骤3.1、利用相邻两个波段的地表反射率与高光谱地表反射率参考曲线带内地表反射率之间的比例关系，确立相邻波段之间任意波长处的地表反射率；

步骤3.2、在多光谱地表反射率不能覆盖的区域，采用就近原则，利用距离所求波长最近的多光谱地表反射率比例对高光谱地表反射率参考曲线进行缩放，确定地表反射率。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

本发明利用波段式对地辐射计获取的离散的地表反射率和辐射校正场高光谱地表反射率参考曲线，获取任意时刻的高光谱地表反射率，同时弥补波形扭曲带来的误差，大大提高自动化替代定标的精度和不确定度。

附图说明

图1为本发明方法的技术流程图。

图2为实施例中敦煌辐射校正场高光谱地表反射率参考曲线与本发明推演结果曲线图。

图3为实施例中传统方法推演结果与本发明推演结果曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1，本发明是一种由多光谱地表反射率推演高光谱地表反射率的方法，包括以下步骤：

步骤1、获取辐射校正场高光谱地表反射率参考曲线：

选择太阳天顶角不低于30°的t₀时刻，通过波段式对地辐射计与光谱仪同步观测同一片区域，将光谱仪(使用较为普遍的是SVC光谱仪，SVC测量后可直接生成高光谱反射率曲线，横轴为波长，纵轴为反射率)此时获取的辐射校正场平均高光谱地表反射率ρ_ref作为参考曲线(图2虚线a)。

步骤2、校正波段式对地辐射计与光谱仪之间的系统偏差，获得校正系数：

校正波段式对地辐射计与光谱仪之间的系统偏差，即波段式对地辐射计测量的多光谱地表反射率与光谱仪测量的高光谱地表反射率在多光谱带内的等效地表反射率之间存在一定的偏差，此偏差主要是由测量仪器本身引起的。二者的偏差可通过下式校正：

ρ_{[i]_ref}＝α_i×ρ_{i_t0}, (1)

其中,ρ_{i_t0}为t₀时刻波段式对地辐射计获取的波段i的地表反射率，ρ_{[i]_ref}为光谱仪测量的高光谱地表反射率参考曲线在波段i内的等效地表反射率，α_i为波段i的校正系数，为常数。

步骤3、计算卫星过顶时刻的高光谱地表反射率：

卫星遥感器过顶时刻t，波段式对地辐射计自动观测地表反射率，可根据实时测量的多光谱地表反射率和高光谱地表反射率参考曲线获取此时刻的高光谱地表反射率。

3.1、利用相邻两个波段的地表反射率与高光谱地表反射率参考曲线带内地表反射率之间的比例关系，确立相邻波段之间任意波长处的地表反射率：

在[μ_i，μ_i+1]区间内任意波长μ处的地表反射率ρ_μ可表示为：

其中，μ_i表示波段i的中心波长，ρ_i为波段式对地辐射计获取的波段i的地表反射率，ρ_{μ_ref}为光谱仪获取的高光谱地表反射率参考曲线在波长μ处的地表反射率，ρ_{[i]_ref}为高光谱地表反射率参考曲线在波段i内的等效地表反射率。

3.2、在多光谱地表反射率不能覆盖的区域，采用就近原则，利用距离所求波长最近的多光谱地表反射率比例对高光谱地表反射率参考曲线进行缩放，确定地表反射率：

在[0.350μm,μ₁]区间内任意波长μ处的地表反射率ρ_μ可表示为：

在[μ_max，2.50μ_m]区间内任意波长μ处的地表反射率ρ_μ可表示为：

其中，μ_max为波段式对地辐射计最大波段的中心波长，ρ_max为波段式对地辐射计测量的最大波段地表反射率，ρ_{[max]_ref}为辐射校正场高光谱地表反射率参考曲线在波段式对地辐射计最大波段的等效地表反射率。

实施例

步骤1、获取辐射校正场高光谱地表反射率参考曲线：

选择太阳天顶角不低于30°的时刻，通过波段式对地辐射计与光谱仪同步观测同一片区域，将此时获取的辐射校正场平均高光谱地表反射率ρ_ref作为参考曲线(如图2曲线a)。

步骤2、获得校正系数：

假设波段式对地辐射计波段1的中心波长为0.405μm，实测值为0.149，对应高光谱地表反射率参考曲线在波段1的带内等效地表反射率为0.142，如要计算波段式对地辐射计与光谱仪波段1的校正系数，可将数据带入公式(1)：

0.142＝α₁×0.149，

其他波段校正系数计算方式与此类似。

步骤3、获取卫星过顶时刻的多光谱地表反射率：

卫星遥感器过顶时刻，波段式对地辐射计自动观测地表反射率，测量值如图2中方框所示，波段1-8的地表反射率分别为ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄、ρ₅、ρ₆、ρ₇、ρ₈，均为敦煌辐射校正场2015年8月的实测值。

步骤4、计算各波长处的地表反射率：

4.1、设波段1的中心波长为0.405μm,实测值为0.153，对应参考曲线带内等效反射率为0.147，校正系数为0.95；波段2的中心波长为0.450μm,实测值为0.181，对应参考曲线带内等效反射率为0.177，校正系数为0.92；波段8中心波长为1.54μm，实测值为0.352，对应参考曲线带内等效反射率为0.357，校正系数为0.90。

此时要获取[0.405μm,0.450μm]之间任意波长的地表反射率，可带入公式(2)计算，假设参考曲线0.436μm处的地表反射率为0.167，如要计算0.436μm处的地表反射率，带入数据为

4.2、波段1左侧区间[0.35μm,0.405μm]任意波长的地表反射率可通过(3)式获得，设参考曲线0.370μm处的地表反射率为0.127，如要计算0.370μm处的地表反射率，带入数据为

4.3、波段8右侧区间[1.54μm,2.50μm]任意波长的地表反射率可通过(4)式获取，设参考曲线1.8μm处的地表反射率为0.384，如要计算1.80μm处的地表反射率，代入数据为

根据上述步骤4.1-4.3，可以计算出任意波长处的地表反射率，因此可获取此时刻的高光谱地表反射率，如图2曲线b。

图3是根据2015年8月敦煌辐射校正场测量数据处理的结果，其中曲线d为卫星过顶时刻光谱仪同步实测的高光谱地表反射率，曲线c为传统方法推演的卫星过顶时刻的高光谱地表反射率，曲线b为本发明推演的卫星过顶时刻的高光谱地表反射率。从图中可以明显看出，相对于传统推演方法，本发明推演的高光谱地表反射率与光谱仪实测高光谱地表反射率更加接近，推演误差更小，可有效提高卫星遥感器的定标精度。

Claims (2)

1.一种由多光谱地表反射率推演高光谱地表反射率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取辐射校正场高光谱地表反射率参考曲线：通过波段式对地辐射计与光谱仪同步观测同一片区域，将光谱仪获取的辐射校正场平均高光谱地表反射率ρ_ref作为参考曲线；

步骤2、校正波段式对地辐射计与光谱仪之间的系统偏差，获得校正系数；

步骤3、计算卫星过顶时刻的高光谱地表反射率：

步骤3.1、利用相邻两个波段的地表反射率与高光谱地表反射率参考曲线带内地表反射率之间的比例关系，确立相邻波段之间任意波长处的地表反射率；

具体过程为：

在[μ_i，μ_i+1]区间内任意波长μ处的地表反射率ρ_μ表示为：

其中，μ_i表示波段i的中心波长，ρ_i为波段式对地辐射计获取的波段i的地表反射率，ρ_{μ_ref}为光谱仪获取的高光谱地表反射率参考曲线在波长μ处的地表反射率，ρ_{[i]_ref}为高光谱地表反射率参考曲线在波段i内的等效地表反射率；α_i为波段i的校正系数；

步骤3.2、在多光谱地表反射率不能覆盖的区域，采用就近原则，利用距离所求波长最近的多光谱地表反射率比例对高光谱地表反射率参考曲线进行缩放，确定地表反射率具体过程为：

在[0.350μm,μ₁]区间内任意波长μ处的地表反射率ρ_μ表示为：

在[μ_max，2.50μm]区间内任意波长μ处的地表反射率ρ_μ表示为：

μ_max为波段式对地辐射计最大波段的中心波长，ρ_max为波段式对地辐射计测量的最大波段地表反射率，

为辐射校正场高光谱地表反射率参考曲线在波段式对地辐射计最大波段的等效地表反射率。

2.根据权利要求1所述的由多光谱地表反射率推演高光谱地表反射率的方法，其特征在于，步骤2校正系数由下式获得：

ρ_{[i]_ref}＝α_i×ρ_{i_t0}, (1)

其中,ρ_{i_t0}为t₀时刻波段式对地辐射计获取的波段i的地表反射率，ρ_{[i]_ref}为光谱仪测量的高光谱地表反射率参考曲线在波段i内的等效地表反射率。

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