CN117436286B - 气溶胶和水汽反演、航空遥感图像校正方法、装置、设备 - Google Patents

气溶胶和水汽反演、航空遥感图像校正方法、装置、设备 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种水汽和气溶胶反演、航空遥感图像校正方法、装置、计算机设备、存储介质，涉及遥感技术领域，所述方法包括：根据航空遥感平台的观测区域和观测时间，确定水汽垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线；根据航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、在第一观测波段组合的反射率测量值以及水汽垂直分布廓线，得到对应于观测高度以及对应于整层大气的水汽含量；根据观测几何信息、观测高度、观测区域、观测时间、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值以及气溶胶垂直分布廓线，得到对应于观测高度以及整层大气的气溶胶光学厚度。本申请能够结合航空遥感平台的实际观测高度进行水汽和气溶胶反演，得到更精确的反演结果。

Description

气溶胶和水汽反演、航空遥感图像校正方法、装置、设备
技术领域
本申请涉及遥感技术领域，特别是涉及一种应用于航空遥感平台的水汽和气溶胶反演方法、航空遥感图像校正方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
随着遥感技术的发展，航空遥感平台被广泛应用于遥感图像的采集中。其中，航空遥感平台接收的光辐射信号容易受到大气影响而导致其采集的图像质量退化，因此使用航空遥感平台采集地表的原始图像后，通常需要对原始图像进行大气校正以得到更准确的图像内容。
传统技术中，通常会利用卫星或地基站点的大气产品所提供的参数对图像采集区域进行气溶胶反演、水汽反演等大气校正处理，再根据校正结果计算图像采集区域的地表反射率并进而对原始图像进行校正。然而，卫星大气产品和地基站点大气产品提供的大气参数是对应于整层大气的参数，当航空遥感平台的航飞高度在大气层中时，使用卫星或地基站点的大气产品进行反演以及校正容易引入误差。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种应用于航空遥感平台的水汽和气溶胶反演方法、航空遥感图像校正方法、装置、计算机设备和存储介质。
第一方面，本申请提供了一种应用于航空遥感平台的水汽和气溶胶反演方法。所述方法包括：
根据航空遥感平台的观测区域和观测时间，确定水汽垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线；
根据所述航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、在第一观测波段组合的反射率测量值以及所述水汽垂直分布廓线，得到对应于所述观测高度的第一水汽含量以及对应于整层大气的第二水汽含量；
根据所述航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、观测区域、观测时间、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值以及所述气溶胶垂直分布廓线，得到对应于所述观测高度的第一气溶胶光学厚度和对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度。
在其中一个实施例中，所述根据所述航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、在第一观测波段组合的反射率测量值以及所述水汽垂直分布廓线，得到对应于所述观测高度的第一水汽含量以及对应于整层大气的第二水汽含量，包括：根据所述第一观测波段组合中水汽吸收波段的反射率测量值和非水汽吸收波段的反射率测量值，确定水汽观测反射率比值；根据所述观测高度和所述水汽垂直分布廓线，设置多对水汽含量模拟值；所述水汽含量模拟值包括对应于所述观测高度的第一水汽含量模拟值以及对应于整层大气的第二水汽含量模拟值；使用大气辐射传输模型，根据所述观测几何信息和所述观测高度，以及所述多对水汽含量模拟值，得到每对所述水汽含量模拟值对应的理论反射率比值；根据所述水汽观测反射率比值和所述多对水汽含量模拟值与理论反射率比值之间的对应关系，确定所述水汽观测反射率比值对应的目标水汽含量模拟值；将所述目标水汽含量模拟值中的第一水汽含量模拟值作为所述第一水汽含量，将所述目标水汽含量模拟值中的第二水汽含量模拟值作为所述第二水汽含量。
在其中一个实施例中，所述根据所述航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、观测区域、观测时间、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值以及所述气溶胶垂直分布廓线，得到对应于所述观测高度的第一气溶胶光学厚度和对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度，包括：根据所述观测高度和所述气溶胶垂直分布廓线，设置气溶胶光学厚度模拟值；其中，所述气溶胶光学厚度模拟值包括对应于所述观测高度的第一气溶胶光学厚度模拟值以及对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度模拟值；使用大气辐射传输模型，根据所述观测几何信息、观测高度、观测区域、观测时间、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值，对所述气溶胶光学厚度模拟值进行迭代优化，直至得到符合迭代收敛条件的目标气溶胶光学厚度模拟值；将所述目标气溶胶光学厚度模拟值的第一气溶胶光学厚度模拟值作为所述第一气溶胶光学厚度，将所述目标气溶胶光学厚度模拟值的第二气溶胶光学厚度模拟值作为所述第二气溶胶光学厚度。
在其中一个实施例中，所述大气辐射传输模型的模型参数包括所述第一水汽含量和所述第二水汽含量。
第二方面，本申请还提供了一种应用于航空遥感平台的航空遥感图像校正方法。所述方法包括：
获取由多光谱相机采集的地表图像，以及由偏振多光谱辐射计采集的第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值；其中，所述多光谱相机和所述偏振多光谱辐射计在所述航空遥感平台上同步采集数据；
根据所述第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值，按照上述水汽和气溶胶反演方法的步骤，得到对应于所述航空遥感平台的观测高度的第一水汽含量和第一气溶胶光学厚度以及对应于整层大气的第二水汽含量和第二气溶胶光学厚度；
使用大气辐射传输模型，根据所述第一水汽含量、第二水汽含量、第一气溶胶光学厚度、第二气溶胶光学厚度以及所述航空遥感平台的观测高度和观测几何信息，得到对应于所述航空遥感平台的观测高度的同步大气辐射参数；
根据所述同步大气辐射参数和所述多光谱相机的各工作波段的反射率测量值，得到所述各工作波段对应的地表反射率值；
根据所述地表反射率值对所述地表图像进行大气校正处理，得到校正后的地表图像。
在其中一个实施例中，所述根据所述同步大气辐射参数和所述多光谱相机的各工作波段的反射率测量值，得到所述各工作波段对应的地表反射率值，包括：根据所述同步大气辐射参数和所述多光谱相机在各工作波段的反射率测量值，得到所述各工作波段对应的地表反射率初始值；对所述各工作波段对应的地表反射率初始值进行邻近效应校正处理，得到所述各工作波段对应的地表反射率值。
第三方面，本申请还提供了一种应用于航空遥感平台的水汽和气溶胶反演装置。所述装置包括：
分布确定模块，用于根据航空遥感平台的观测区域和观测时间，确定水汽垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线；
水汽反演模块，用于根据所述航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、在第一观测波段组合的反射率测量值以及所述水汽垂直分布廓线，得到对应于所述观测高度的第一水汽含量以及对应于整层大气的第二水汽含量；
气溶胶反演模块，用于根据所述航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、观测区域、观测时间、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值以及所述气溶胶垂直分布廓线，得到对应于所述观测高度的第一气溶胶光学厚度和对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度。
第四方面，本申请还提供了一种应用于航空遥感平台的航空遥感图像校正装置。所述装置包括：
采集模块，用于获取由多光谱相机采集的地表图像，以及由偏振多光谱辐射计采集的第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值；其中，所述多光谱相机和所述偏振多光谱辐射计在所述航空遥感平台上同步采集数据；
反演模块，用于根据所述第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值，按照上述水汽和气溶胶反演方法的步骤，得到对应于所述航空遥感平台的观测高度的第一水汽含量和第一气溶胶光学厚度以及对应于整层大气的第二水汽含量和第二气溶胶光学厚度；
参数获取模块，用于使用辐射传输模型，根据所述第一水汽含量、第二水汽含量、第一气溶胶光学厚度、第二气溶胶光学厚度以及所述航空遥感平台的观测高度和观测几何信息，得到对应于所述航空遥感平台的观测高度的同步大气辐射参数；
反射率获取模块，用于根据所述同步大气辐射参数和所述多光谱相机的各工作波段的反射率测量值，得到所述各工作波段对应的地表反射率值；
图像校正模块，用于根据所述地表反射率值对所述地表图像进行大气校正处理，得到校正后的地表图像。
第五方面，本申请还提供了一种计算机设备。所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
根据航空遥感平台的观测区域和观测时间，确定水汽垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线；
根据所述航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、在第一观测波段组合的反射率测量值以及所述水汽垂直分布廓线，得到对应于所述观测高度的第一水汽含量以及对应于整层大气的第二水汽含量；
根据所述航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、观测区域、观测时间、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值以及所述气溶胶垂直分布廓线，得到对应于所述观测高度的第一气溶胶光学厚度和对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度。
第六方面，本申请还提供了一种计算机设备。所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
获取由多光谱相机采集的地表图像，以及由偏振多光谱辐射计采集的第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值；其中，所述多光谱相机和所述偏振多光谱辐射计在所述航空遥感平台上同步采集数据；
根据所述第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值，按照上述水汽和气溶胶反演方法的步骤，得到对应于所述航空遥感平台的观测高度的第一水汽含量和第一气溶胶光学厚度以及对应于整层大气的第二水汽含量和第二气溶胶光学厚度；
使用大气辐射传输模型，根据所述第一水汽含量、第二水汽含量、第一气溶胶光学厚度、第二气溶胶光学厚度以及所述航空遥感平台的观测高度和观测几何信息，得到对应于所述航空遥感平台的观测高度的同步大气辐射参数；
根据所述同步大气辐射参数和所述多光谱相机的各工作波段的反射率测量值，得到所述各工作波段对应的地表反射率值；
根据所述地表反射率值对所述地表图像进行大气校正处理，得到校正后的地表图像。
第七方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
根据航空遥感平台的观测区域和观测时间，确定水汽垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线；
根据所述航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、在第一观测波段组合的反射率测量值以及所述水汽垂直分布廓线，得到对应于所述观测高度的第一水汽含量以及对应于整层大气的第二水汽含量；
根据所述航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、观测区域、观测时间、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值以及所述气溶胶垂直分布廓线，得到对应于所述观测高度的第一气溶胶光学厚度和对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度。
第八方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取由多光谱相机采集的地表图像，以及由偏振多光谱辐射计采集的第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值；其中，所述多光谱相机和所述偏振多光谱辐射计在所述航空遥感平台上同步采集数据；
根据所述第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值，按照上述水汽和气溶胶反演方法的步骤，得到对应于所述航空遥感平台的观测高度的第一水汽含量和第一气溶胶光学厚度以及对应于整层大气的第二水汽含量和第二气溶胶光学厚度；
使用大气辐射传输模型，根据所述第一水汽含量、第二水汽含量、第一气溶胶光学厚度、第二气溶胶光学厚度以及所述航空遥感平台的观测高度和观测几何信息，得到对应于所述航空遥感平台的观测高度的同步大气辐射参数；
根据所述同步大气辐射参数和所述多光谱相机的各工作波段的反射率测量值，得到所述各工作波段对应的地表反射率值；
根据所述地表反射率值对所述地表图像进行大气校正处理，得到校正后的地表图像。
第九方面，本申请还提供了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
根据航空遥感平台的观测区域和观测时间，确定水汽垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线；
根据所述航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、在第一观测波段组合的反射率测量值以及所述水汽垂直分布廓线，得到对应于所述观测高度的第一水汽含量以及对应于整层大气的第二水汽含量；
根据所述航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、观测区域、观测时间、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值以及所述气溶胶垂直分布廓线，得到对应于所述观测高度的第一气溶胶光学厚度和对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度。
第十方面，本申请还提供了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取由多光谱相机采集的地表图像，以及由偏振多光谱辐射计采集的第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值；其中，所述多光谱相机和所述偏振多光谱辐射计在所述航空遥感平台上同步采集数据；
根据所述第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值，按照上述水汽和气溶胶反演方法的步骤，得到对应于所述航空遥感平台的观测高度的第一水汽含量和第一气溶胶光学厚度以及对应于整层大气的第二水汽含量和第二气溶胶光学厚度；
使用大气辐射传输模型，根据所述第一水汽含量、第二水汽含量、第一气溶胶光学厚度、第二气溶胶光学厚度以及所述航空遥感平台的观测高度和观测几何信息，得到对应于所述航空遥感平台的观测高度的同步大气辐射参数；
根据所述同步大气辐射参数和所述多光谱相机的各工作波段的反射率测量值，得到所述各工作波段对应的地表反射率值；
根据所述地表反射率值对所述地表图像进行大气校正处理，得到校正后的地表图像。
上述水汽和气溶胶反演方法、装置、计算机设备和存储介质，根据航空遥感平台的观测区域和观测时间，确定水汽垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线；根据航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、在第一观测波段组合的反射率测量值以及水汽垂直分布廓线，得到对应于观测高度的第一水汽含量以及对应于整层大气的第二水汽含量；根据航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值以及气溶胶垂直分布廓线，得到对应于观测高度的第一气溶胶光学厚度和对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度。其中，该方法充分考虑了大气垂直分布的不均匀性，在进行水汽反演和气溶胶反演前，先根据航空遥感平台的观测区域和观测时间确定水汽垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线，然后再结合垂直分布廓线以及航空遥感平台的实际观测高度，分别进行水汽反演和气溶胶反演，从而可以得到对应于该观测高度的更准确的水汽含量以及气溶胶光学厚度。从而，利用得到的水汽含量和气溶胶光学厚度，在后续的遥感图像校正中能够针对同步搭载的多光谱相机的工作波段，得到更精确的地表反射率，进而可以通过大气校正得到更清晰的地表图像。
附图说明
图1为一个实施例中水汽和气溶胶反演方法的流程示意图；
图2为一个实施例中获取水汽含量步骤的流程示意图；
图3为一个实施例中获取气溶胶光学厚度步骤的流程示意图；
图4为一个实施例中航空遥感图像校正方法的流程示意图；
图5为另一个实施例中航空遥感图像校正方法的流程示意图；
图6为一个实施例中水汽反演得到的水汽含量与太阳光度计的测量结果的对比示意图；
图7为一个实施例中气溶胶反演得到的气溶胶光学厚度与太阳光度计的测量结果的对比示意图；
图8为一个实施例中反演得到的地表反射率与由地物光谱仪测量的地表反射率的对比示意图；
图9为一个实施例中图像校正前的裸土地表图像；
图10为一个实施例中图像校正后的裸土地表图像；
图11为一个实施例中水汽和气溶胶反演装置的结构框图；
图12为一个实施例中航空遥感图像校正装置的结构框图；
图13为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种水汽和气溶胶反演方法，本实施例以该方法应用于航空遥感平台进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于服务器，还可以应用于包括航空遥感平台和服务器的系统，并通过航空遥感平台和服务器的交互实现。本实施例中，该方法包括以下步骤：
步骤S101，根据航空遥感平台的观测区域和观测时间，确定水汽垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线。
具体地，航空遥感平台可以搭载偏振多光谱辐射计以及定位定姿系统（Positionand Orientation System，POS）。其中，偏振多光谱辐射计可以获取用于进行水汽反演的第一观测波段组合的反射率测量值以及用于进行气溶胶反演的第二观测波段组合中各观测波段的偏振反射率测量值。定位定姿系统可以获取航空遥感平台的航飞路径上的地理信息、飞行高度等飞行轨迹数据，以及获取偏振多光谱辐射计的姿态数据。
在本步骤中，根据定位定姿系统获取的地理信息，可以确定航空遥感平台在进行观测时所处的观测区域。进而，可以根据观测区域，获取该区域的大气温室压廓线历史数据以及气溶胶消光系数廓线历史数据，并经过统计分析得到该地区在不同季节的大气温湿压廓线、水汽含量垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线。进一步地，结合观测时间，即可选择对应季节的水汽含量垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线供后续反演过程使用。
步骤S102，根据航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、在第一观测波段组合的反射率测量值以及水汽垂直分布廓线，得到对应于观测高度的第一水汽含量以及对应于整层大气的第二水汽含量。
具体地，航空遥感平台的观测几何信息可以包括由定位定姿系统获取的偏振多光谱辐射计的姿态数据，其中可以包括太阳天顶角、观测天顶角、相对方位角等。偏振多光谱辐射计可以针对第一观测波段组合，在偏振观测模式或非偏振观测模式下对组合中的各波段的反射率进行观测，得到对应的反射率测量值。其中，第一观测波段组合可以包括水汽吸收波段以及非水汽吸收波段。
另一方面，根据航空遥感平台的观测高度和水汽垂直分布廓线，则可以确定从地面至观测高度的水汽含量与地面到大气层顶的整层大气的水汽含量的比值。
进而，根据第一观测波段组合中水汽吸收波段以及非水汽吸收波段各自的反射率测量值、观测几何信息、观测高度，以及由观测高度和水汽垂直分布廓线结合确定的水汽含量的比值，可以结合大气辐射传输模型，得到对应于观测高度的第一水汽含量以及对应于整层大气的第二水汽含量。
步骤S103，根据航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值以及气溶胶垂直分布廓线，得对应于观测高度的第一气溶胶光学厚度和对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度。
具体地，偏振多光谱辐射计还可以针对第二观测波段组合的各观测波段，在偏振观测模式下得到对应的偏振反射率测量值。其中，第二观测波段组合可以包括受气溶胶影响较大的观测波段以及受气溶胶和大气分子影响较小的观测波段。而根据航空遥感平台的观测高度和气溶胶垂直分布廓线，则可以确定从地面至观测高度的气溶胶消光系数与地面到大气层顶的整层大气的气溶胶消光系数的关系。
进一步地，根据第二观测波段组合中各观测波段的偏振反射率测量值、观测几何信息、观测高度以及气溶胶垂直分布廓线，可以结合大气辐射传输模型，得到该观测高度上对应于第二观测波段组合中的观测波段，又或者是其他指定波段的第一气溶胶光学厚度以及对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度。
上述水汽和气溶胶反演方法，根据航空遥感平台的观测区域和观测时间，确定水汽垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线；根据航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、在第一观测波段组合的反射率测量值以及水汽垂直分布廓线，得到对应于观测高度的第一水汽含量以及对应于整层大气的第二水汽含量；根据航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值以及气溶胶垂直分布廓线，得到对应于观测高度的第一气溶胶光学厚度和对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度。其中，该方法充分考虑了大气垂直分布的不均匀性，在进行水汽反演和气溶胶反演前，先根据航空遥感平台的观测区域和观测时间确定水汽垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线，然后再结合垂直分布廓线以及航空遥感平台的实际观测高度，分别进行水汽反演和气溶胶反演，从而可以得到对应于该观测高度的更准确的水汽含量以及气溶胶光学厚度。从而，利用得到的水汽含量和气溶胶光学厚度，在后续的遥感图像校正中能够针对同步搭载的多光谱相机的工作波段，得到更精确的地表反射率，进而可以通过大气校正得到更清晰的地表图像。
在一个实施例中，如图2所示，上述步骤S102，根据航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、在第一观测波段组合的反射率测量值以及水汽垂直分布廓线，得到对应于所述观测高度的第一水汽含量以及对应于整层大气的第二水汽含量，包括：
步骤S201，根据第一观测波段组合中水汽吸收波段的反射率测量值和非水汽吸收波段的反射率测量值，确定水汽观测反射率比值。
具体地，第一观测波段组合可以包括水汽吸收波段以及非水汽吸收波段。示例性的，水汽吸收波段可以是中心波长为910nm的波段，其反射率测量值容易收到水汽吸收的影响。非水汽吸收波段可以是与水汽吸收波段邻近的中心波长为870nm的波段，其对应的地表特性和气溶胶特性与水汽吸收波段近似，但不易受水汽吸收的影响。基于此，将水汽吸收波段和非水汽吸收波段的反射率测量值的比值作为水汽观测反射率比值，可以消除地表特征和气溶胶特征的影响。
步骤S202，根据观测高度和水汽垂直分布廓线，设置多对水汽含量模拟值；水汽含量模拟值包括对应于观测高度的第一水汽含量模拟值以及对应于整层大气的第二水汽含量模拟值。
具体地，为了对不同水汽含量对应的反射率比值进行仿真计算，本步骤中可以设置多对不同的水汽含量模拟值。其中，可以首先针对整层大气的水汽含量，设置多个不同的第二水汽含量模拟值，然后再根据观测高度和水汽垂直分布廓线，针对每个第二水汽含量模拟值，分别确定其对应于观测高度的第一水汽含量模拟值。可以理解的是，在一些实施例中，也可以先设置多个第一水汽含量模拟值，然后再根据观测高度和水汽垂直分布廓线，设置每个第一水汽含量模拟值对应的第二水汽含量模拟值。
步骤S203，使用大气辐射传输模型，根据观测几何信息和观测高度，以及多对水汽含量模拟值，得到每对水汽含量模拟值对应的理论反射率比值。
具体地，航空遥感平台的水汽观测反射率比值与其观测高度上的水汽含量之间的关系如下式所示：
其中，CWV为水汽含量，为水汽吸收波段的反射率测量值，/>为非水汽吸收波段的反射率测量值，h为观测高度，Ω为观测几何信息。
基于此，本步骤中可以根据步骤S202中获得的多对水汽含量模拟值，以及航空平台的观测几何信息和观测高度，通过大气辐射传输模型计算得到对应于每对水汽含量模拟值的理论反射率比值。
示例性地，本实施例中所采用的大气辐射传输模型可以是太阳光谱矢量中卫星信号的二次模拟模型（Second Simulation of a Satellite Signal in the SolarSpectrum-Vector，6SV）。将多对水汽含量模拟值以及航空平台的观测几何信息和观测高度输入该模型，即可计算出对应于水汽吸收波段和非水汽吸收波段的多个理论反射率比值。
而在一些实施例中，为了便于在不同观测高度以及观测几何信息下进行水汽反演，还可以预先设置多个不同的观测高度，以及多种不同的观测几何信息，根据不同的整层大气水汽含量、观测高度以及观测几何信息的组合，结合水汽垂直分布廓线，使用大气辐射传输模型得到每个组合各自对应于水汽吸收波段和非水汽吸收波段的理论反射率比值，并构建水汽查找表。根据航空遥感平台的实际观测高度和观测几何信息，可以从水汽查找表中通过索引、插值计算等方式，得到确定适用于当前水汽反演的多个理论反射率比值。
步骤S204，根据水汽观测反射率比值和多对水汽含量模拟值与理论反射率比值之间的对应关系，确定水汽观测反射率比值对应的目标水汽含量模拟值。
步骤S205，将目标水汽含量模拟值中的第一水汽含量模拟值作为第一水汽含量，将目标水汽含量模拟值中的第二水汽含量模拟值作为第二水汽含量。
具体地，根据航空遥感平台实际得到的水汽观测反射率比值，在步骤S204中可以从多个理论反射率比值中索引得到最接近的理论反射率比值及其对应的水汽含量模拟值，并通过插值计算等方式，确定水汽观测反射率比值对应的目标水汽含量模拟值。进而，在步骤S205中，可以将该目标水汽含量模拟值中的第一水汽含量模拟值以及第二水汽含量模拟值分别作为对应于整层大气的第一水汽含量以及对应于航空遥感平台的观测高度的第二水汽含量。
本实施例中，通过获取第一观测波段组合的水汽观测反射率比值，可以在水汽反演中去除气溶胶和大气分子的影响，另一方面，通过结合水汽垂直分布廓线以及观测高度设置多对水汽含量模拟值，并使用大气辐射传输模型确定每对水汽含量模拟值对应的理论反射率比值，则可以结合航空遥感平台所处的实际高度，得到其在不同的水汽含量的影响下可能观测到的反射率的取值。进而，利用水汽观测反射率比值，即可从中查找得到其对应的水汽含量，实现对水汽含量的快速精确反演。
在一个实施例中，如图3所示，上述步骤S103，根据航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值以及气溶胶垂直分布廓线，得到对应于观测高度的第一气溶胶光学厚度和对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度，包括：
步骤S301，根据观测高度和气溶胶垂直分布廓线，设置气溶胶光学厚度模拟值。其中，气溶胶光学厚度模拟值包括对应于整层大气的第一气溶胶光学厚度模拟值以及在观测高度对应的第二气溶胶光学厚度模拟值。
具体地，在步骤S301中，可以针对某一个或者几个指定波段，设置其对应的气溶胶光学厚度模拟值。其中，根据观测区域的历史气溶胶光学厚度数据，可以分析计算出该指定波段对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度模拟值，进而，结合观测高度和气溶胶垂直分布廓线，可以确定指定波段在观测高度上的第一气溶胶光学厚度模拟值。步骤S302，使用大气辐射传输模型，根据观测几何信息、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值，对气溶胶光学厚度模拟值进行迭代优化，直至得到符合迭代收敛条件的目标气溶胶光学厚度模拟值。示例性地，本实施例中使用的大气辐射传输模型可以是太阳光谱矢量中卫星信号的二次模拟模型（Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar Spectrum-Vector，6SV）。相应地，步骤S301中设置的气溶胶光学厚度模拟值可以是对应于550nm波段的气溶胶光学厚度模拟值。将包括太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角等观测几何信息以及观测高度、观测区域的地面海拔高度作为模型参数输入大气辐射传输模型，并设置气溶胶类型之后，大气辐射传输模型可以根据输入的550nm波段的气溶胶光学厚度模拟值，转换得到需要进行气溶胶反演的观测波段的气溶胶光学厚度模拟值，并进而结合地表偏振反射率值，得到各观测波段的偏振反射率仿真计算值。
其中，气溶胶类型可以根据观测区域和观测时间设置，观测区域的地面海拔高度可以根据观测区域所处的位置查询得到。进一步地，本实施例中,偏振多光谱辐射计可以在偏振观测模式下测量第二观测波段组合中的观测波段的偏振反射率测量值。其中第二观测波段组合可以包括多个不同的观测波段，例如可以包括受气溶胶影响较大的观测波段以及受气溶胶和大气分子影响较小的观测波段等。在本步骤中，利用地表偏振对波段的不敏感性，可以将受气溶胶影响较小的观测波段对应的偏振反射率测量值作为地表偏振反射率初始值。
基于此，在第一轮迭代中可以将步骤S301中得到的气溶胶光学厚度模拟值以及地表偏振反射率初始值输入大气辐射传输模型，并得到第二观测波段组合中各观测波段对应的偏振反射率仿真计算值。
进一步地，本步骤中可以基于最优估计理论，采用列文伯格-马夸尔特（Levenberg-Marquardt，LM）迭代方法实现对气溶胶光学厚度模拟值的优化求解，每轮迭代中的反演算法如下式所示：
其中x为要反演的气溶胶光学厚度，γ为阻尼因子，是高斯牛顿算法和梯度下降算法之间进行更改的参数，r a 为正则化参数，K为气溶胶光学厚度模拟值的雅可比矩阵，t为迭代次数，F(χ t)为偏振反射率仿真计算值，y为偏振多光谱辐射计实际测量的偏振反射率测量值，x a 是气溶胶光学厚度先验值估计，S a 是先验估计x a 的不确定性，S ε 是模型和测量的不确定性。
在每轮迭代中可以按照上述过程获得550nm波段对应的新的气溶胶光学厚度模拟值，并能够转换得到各观测波段对应的新的气溶胶光学厚度模拟值。进而，可以根据受气溶胶影响较小的观测波段对应的新的气溶胶光学厚度模拟值对其对应的地表偏振反射率进行计算，得到新的地表偏振反射率参考值。由此，可以将新的气溶胶光学厚度模拟值以及新的地表偏振反射率参考值再次输入大气辐射传输模型，得到各观测波段对应的新的偏振反射率仿真计算值。
其中，本实施例中迭代的收敛条件可以是Δ=|x(t+1)-xt|/x(t+1)≤0.001，当迭代得到的气溶胶光学厚度模拟值x(t+1)符合该收敛条件时，即可停止迭代，并将x(t+1)作为最终确定的目标气溶胶光学厚度模拟值。
可以理解的是，本步骤中得到的目标气溶胶光学厚度模拟值可以包括对应于上述指定波段的模拟值，也可以包括由指定波段的气溶胶光学厚度模拟值转换得到的例如第二观测波段组合中的观测波段等其他波段的气溶胶光学厚度模拟值。步骤S303，将目标气溶胶光学厚度模拟值的第一气溶胶光学厚度模拟值作为第一气溶胶光学厚度，将目标气溶胶光学厚度模拟值的第二气溶胶光学厚度模拟值作为第二气溶胶光学厚度。
具体地，根据步骤S302中的方法得到目标气溶胶光学厚度模拟值后，可以针对目标气溶胶光学厚度模拟值对应的波段，将目标气溶胶光学厚度模拟值中的第一气溶胶光学厚度模拟值作为该波段在观测高度上对应的第一气溶胶光学厚度，并将第二气溶胶光学厚度模拟值作为该波段对应的整层大气的第二气溶胶光学厚度。
本实施例中，结合观测高度和气溶胶垂直分布廓线，确定气溶胶光学厚度模拟值，然后使用大气辐射传输模型，结合各观测波段的偏振反射率测量值，对气溶胶光学厚度模拟值进行迭代优化，能够快速得到在观测高度上的第一气溶胶光学厚度以及对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度。
在一个实施例中，大气辐射传输模型的模型参数包括第一水汽含量和第二水汽含量。
具体地，在利用大气辐射传输模型对第二观测波段组合的各观测波段在观测高度上的气溶胶光学厚度进行反演时，可以直接使用大气辐射传输模型中预设的水汽含量参数进行反演计算。但是，在已经反演得到对应于同一观测高度的第一水汽含量以及对应于整层大气的第二水汽含量的情况下，则可将大气辐射传输模型中水汽含量的预设参数替换为上述过程中反演得到的两个水汽含量，从而能够在进行气溶胶反演的过程中同时考虑实际的水汽影响，更精确地实现对同一观测高度上的气溶胶光学厚度的反演。
在一个实施例中，如图4所示，提供了一种航空遥感图像校正方法，可以应用于航空遥感平台。本实施例中，该方法包括以下步骤：
步骤S401，获取由多光谱相机采集的地表图像，以及由偏振多光谱辐射计采集的第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值；其中，多光谱相机和偏振多光谱辐射计在航空遥感平台上同步采集数据。
具体地，航空遥感平台可以同步搭载多光谱相机和偏振多光谱辐射计，两者的视场相匹配。其中，多光谱相机可以在多个工作波段上采集地表图像，偏振多光谱辐射计可以同步于多光谱相机，进行第一观测波段组合的反射率测量值采集以及第二观测波段组合的偏振反射率测量值的采集。
其中，本步骤中获取的地表图像可以是由多光谱相机采集的原始图像经过辐射定标和几何定标后得到，本步骤中获取的反射率测量值和偏振反射率测量值可以是由偏振多光谱辐射计观测的原始数据经过辐射定标、偏振定标和几何定标后得到。
步骤S402，根据第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值，按照如上述水汽和气溶胶反演方法的步骤，得到对应于航空遥感平台的观测高度的第一水汽含量和第一气溶胶光学厚度，以及对应于整层大气的第二水汽含量和第二气溶胶光学厚度。
具体地，根据步骤S401中得到的第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值，可以进行水汽和气溶胶反演，以得到对应于航空遥感平台的观测高度的第一水汽含量和第一气溶胶光学厚度，以及对应于整层大气的第二水汽含量和第二气溶胶光学厚度。其中，具体的水汽和气溶胶反演方法可以参考上文中各实施例的具体实现方式进行，此处不再赘述。
步骤S403，使用大气辐射传输模型，根据第一水汽含量、第二水汽含量、第一气溶胶光学厚度、第二气溶胶光学厚度以及航空遥感平台的观测高度和观测几何信息，得到对应于观测高度的同步大气辐射参数。
具体地，本步骤中使用的大气辐射传输模型可以是太阳光谱矢量中卫星信号的二次模拟模型（Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar Spectrum-Vector，6SV）。将步骤S402中得到的对应于观测高度的第一水汽含量、第一气溶胶光学厚度，对应于整层大气的第二水汽含量、第二气溶胶光学厚度，以及航空遥感平台的观测高度和观测几何信息输入大气辐射传输模型，即可得到对应于航空遥感平台的观测高度的同步大气辐射参数。其中，同步大气辐射参数可以包括大气程辐射、大气下行透过率、大气上行透过率、大气半球反照率。
步骤S404，根据同步大气辐射参数和多光谱相机的各工作波段的反射率测量值，得到各工作波段对应的地表反射率值。
在一个实施例中，本步骤可以包括：根据同步大气辐射参数和多光谱相机在各工作波段的反射率测量值，得到各工作波段对应的地表反射率初始值；对各工作波段对应的地表反射率初始值进行邻近效应校正处理，得到各工作波段对应的地表反射率值。
具体地，根据步骤S403中得到的同步大气辐射参数，以及多光谱相机在其各工作波段中得到的反射率测量值，可以按照如下所示的大气校正公式，获得各工作波段对应的地表反射率初始值：
其中，R Cam 表示多光谱相机在观测高度h处获取的反射率测量值，R Atm 表示大气程辐射，T s和T v分别为大气下行和上行透过率，s为大气半球反照率，μ s为太阳天顶角余弦、μ v为观测天顶角余弦、φ为相对方位角，ρ为地表反射率初始值。
进一步地，可以针对地表反射率初始值进行邻近效应校正，以去除邻近效应的影响，得到各工作波段对应的地表反射率值。
步骤S405，根据地表反射率值对地表图像进行大气校正处理，得到校正后的地表图像。
具体地，根据步骤S404中得到的各工作波段对应的地表反射率值，可以对获取自多光谱相机的地表图像中各波段对应的图像分别进行大气校正处理，得到校正后的地表图像。
本实施例中，通过获取由多光谱相机和偏振多光谱辐射计同步采集的数据，利用偏振多光谱辐射计采集的多个观测波段的反射率测量值或偏振反射率测量值进行水汽反演和气溶胶反演，再利用反演得到具有较高精度的水汽含量和气溶胶光学厚度计算同步大气辐射参数，并进而实现对多光谱相机的工作波段的地表反射率值的反演，能够提高地表反射率的反演精度，有效去除大气的影响。进一步地，利用反演得到的地表反射率进行地表图像的大气校正，可以得到更清晰的图像，获取高精度的目标信息。
为了进一步阐述本申请的水汽和气溶胶反演方法以及航空遥感图像校正方法，以下通过详细的实施例对其进行说明：
具体地，本实施例中的方法可以应用于航空遥感平台。航空遥感平台可以同步搭载多光谱高分辨率相机、偏振多光谱辐射计、定位定姿系统、控制器和数据处理器。其中，多光谱高分辨率相机的工作波段包括：454nm、534nm、634nm，其可以获取地表目标的高分辨率图像数据。偏振多光谱辐射计的观测波段可以包括490nm、670nm、870nm、910nm、1610nm，其中，910nm波段使用非偏振观测模式进行反射率的观测，其余波段使用偏振观测模式进行观测。定位定姿系统（Position and Orientation System，POS）可以获取航空遥感平台的航飞路径上的地理信息、飞行高度等飞行轨迹数据，以及获取偏振多光谱辐射计的姿态数据。控制器可以对多光谱高分辨率相机、偏振多光谱辐射计、定位定姿系统等进行控制。数据处理器可以用于执行本实施例中的水汽和气溶胶反演方法以及航空遥感图像校正方法。
其中，本实施例中用于进行水汽反演的第一观测波段组合可以包括870nm和910nm，其中910nm波段为水汽吸收波段，870nm波段为非水汽吸收波段。由于地表特性和气溶胶特性在910nm与870nm两个邻近波段的变化很小，因此，可以通过两个波段的反射率测量值的比值消除地表特性和气溶胶特性对反射率的影响。
本实施例中用于进行气溶胶反演的第二观测波段组合可以包括490nm、670nm、870nm、1610nm。其中，由于地表偏振特性对波段不敏感，而一般情况下波长越长受大气分子和气溶胶散射影响越小，因此，在本实施例中可以将1610nm波段的偏振反射率测量值作为后续进行气溶胶反演时在第一轮迭代中使用的地表偏振反射率初始值。
具体地，如图5所示，本实施例中的航空遥感图像校正方法可以包括步骤：
步骤S501，获取由多光谱高分辨率相机采集的地表图像，以及由偏振多光谱辐射计采集的第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值。
具体地，由航空遥感平台的搭载的多光谱高分辨率相机以及偏振多光谱辐射计可以在控制器的控制下同步采集地表图像数据以及第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值。数据处理器获取两者采集的原始数据后，可以对其进行辐射定标、偏振定标、几何定标等预处理，得到可用于后续处理的地表图像以及各观测波段对应的反射率测量值或偏振反射率测量值。
步骤S502，根据航空遥感平台的观测区域和观测时间，确定水汽垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线。
具体地，根据观测区域和观测时间，本实施例中可以从美国气象环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）获取观测区域的大气温湿压廓线历史数据，经过统计分析、计算得到不同季节的大气温湿压廓线及水汽含量垂直分布廓线。
另一方面可以通过查找云-气溶胶激光雷达和红外路径卫星观测（Cloud–AerosolLidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation，CALIPSO）数据产品获取观测区域的气溶胶消光系数廓线历史数据，通过统计分析、计算得到不同季节的气溶胶垂直分布廓线。
步骤S503，根据第一观测波段组合中水汽吸收波段的反射率测量值和非水汽吸收波段的反射率测量值，确定水汽观测反射率比值。
本步骤中，可以根据第一观测波段组合中水汽吸收波段910nm，以及非水汽吸收波段870nm各自对应的反射率测量值的比值，得到水汽观测反射率比值。
步骤S504，根据观测高度和水汽垂直分布廓线，设置多对水汽含量模拟值，使用大气辐射传输模型，根据观测几何信息和观测高度，以及多对水汽含量模拟值，得到每对水汽含量模拟值对应的理论反射率比值。
具体地，本实施例中使用的大气辐射传输模型可以是太阳光谱矢量中卫星信号的二次模拟模型（Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar Spectrum-Vector，6SV）。在本步骤中，可以预先针对观测几何信息、观测高度、整层大气的第二水汽含量模拟值等参数，分别设置不同的取值，使用大气辐射传输模型模拟不同参数取值的组合所对应的水汽吸收波段与非水汽吸收波段到的理论反射率比值，构建水汽查找表。其中，水汽查找表索引参数设置如下表所示：
进一步地，根据观测高度和水汽垂直分布廓线，可以基于第二水汽含量模拟值的不同参数取值，分别设置对应于观测高度的多个第一水汽含量模拟值。
基于此，根据航空遥感平台的实际观测高度、观测几何信息，即可在水汽查找表中通过索引、插值计算等方式，得到每对第一水汽含量模拟值和第二水汽含量模拟值对应的理论反射率比值。
步骤S505，根据水汽观测反射率比值和多对水汽含量模拟值与理论反射率比值之间的对应关系，确定水汽观测反射率比值对应的目标水汽含量模拟值，将目标水汽含量模拟值中的第一水汽含量模拟值作为对应于观测高度的第一水汽含量，将目标水汽含量模拟值中的第二水汽含量模拟值作为对应于整层大气的第二水汽含量。
基于步骤S504中得到的多对水汽含量模拟值与理论反射率比值之间的对应关系，本步骤中可以结合步骤S503中得到的水汽观测反射率比值，确定其对应的目标水汽含量模拟值，并将其中的第一水汽含量模拟值作为对应于航空遥感平台的观测高度的第一水汽含量，以及将其中的第二水汽含量模拟值作为对应于整层大气的第二水汽含量。
步骤S506，根据观测高度和气溶胶垂直分布廓线，设置气溶胶光学厚度模拟值。
具体地，本步骤中可以首先根据观测区域和观测时间，设置气溶胶类型，然后结合观测高度和气溶胶垂直分布廓线，针对指定波段，设置对应的气溶胶光学厚度模拟值。其中，该气溶胶光学厚度模拟值包括在观测高度上的第一气溶胶光学厚度模拟值以及对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度模拟值。示例性地，本实施例中，该指定波段为550nm波段。
步骤S507，使用大气辐射传输模型，根据观测几何信息、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值，对气溶胶光学厚度模拟值进行迭代优化，直至得到符合迭代收敛条件的目标气溶胶光学厚度模拟值，确定对应于观测高度的第一气溶胶光学厚度以及对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度。其中，大气辐射传输模型的模型参数包括对应于观测高度的水汽含量。
具体地，本步骤中可以将大气辐射传输模型中预设的水汽含量参数替换为步骤S505中得到的对应于观测高度的第一水汽含量以及对应于整层大气的第二水汽含量，并将调整后的大气辐射传输模型应用于气溶胶反演中。
调整后的大气辐射传输模型可以将包括太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角等观测几何信息以及观测高度、观测区域的地面海拔高度、气溶胶类型等信息作为模型参数，根据输入的地表偏振反射率值和气溶胶光学厚度模拟值，得到对应波段的偏振反射率仿真计算值。
其中，本步骤中可以先将第二观测波段组合中1610nm波段的偏振反射率测量值作为地表偏振反射率值以及550nm波段的气溶胶光学厚度模拟值输入至大气辐射传输模型中，得到第二观测波段组合中各观测波段的偏振反射率仿真计算值。然后，根据列文伯格-马夸尔特迭代方法获取对应于550nm波段的新的气溶胶光学厚度模拟值，并根据其更新1610nm波段的气溶胶光学厚度模拟值，进而更新1610nm波段的地表偏振反射率参考值，再将新的550nm波段的气溶胶光学厚度模拟值以及地表偏振反射率参考值输入至大气辐射传输模型中，再次进行偏振反射率仿真计算值的估算。如此反复迭代，直至迭代得到的目标气溶胶光学厚度模拟值符合收敛条件，即可将其中的第一气溶胶光学厚度模拟值和第二气溶胶光学厚度模拟值分别作为550nm波段在观测高度中对应的第一气溶胶光学厚度和对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度。
步骤S508，使用大气辐射传输模型，根据第一水汽含量、第二水汽含量、第一气溶胶光学厚度、第二气溶胶光学厚度以及航空遥感平台的观测高度和观测几何信息，得到对应于观测高度的同步大气辐射参数。
具体地，本步骤中可以利用大气辐射传输模型，根据上述步骤中得到对应于观测高度的第一水汽含量、第一气溶胶光学厚度，对应于整层大气的第二水汽含量、第二气溶胶光学厚度，以及航空遥感平台的观测高度和观测几何信息，得到对应的同步大气辐射参数，包括大气程辐射、大气下行透过率、大气上行透过率、大气半球反照率等。
步骤S509，根据同步大气辐射参数和多光谱高分辨率相机的各工作波段的反射率测量值，得到各工作波段对应的地表反射率值。
具体地，本步骤中可以对多光谱高分辨率相机的工作波段454nm、534nm、634nm，分别进行反射率校正。其中，可以首先根据同步大气辐射参数以及多光谱高分辨率相机在各工作波段得到的反射率测量值，利用大气校正公式计算出各工作波段对应的地表反射率初始值。然后再对地表反射率初始值进行邻近效应校正，得到去除邻近效应的影响的地表反射率值。
步骤S510，根据地表反射率值对地表图像进行大气校正处理，得到校正后的地表图像。
利用步骤S509中得到的地表反射率值，本步骤中可以对多光谱高分辨率相机采集的地表图像进行各工作波段的大气校正处理，得到校正后的地表图像。
请参考图6、图7，其分别为本实施例中水汽反演后得到的对应于整层大气的第二水汽含量（图6中标记为反演值）以及气溶胶反演后得到的对应于550nm波段的整层大气的第二气溶胶光学厚度（图7中标记为反演值）与地面的CE318型太阳光度计的测量结果（图6、7中标记为CE318）的对比示意图。可见，本实施例中反演得到的水汽含量以及气溶胶光学厚度均与太阳光度计的测量结果接近。
如图8所示，其为本实施例中对多光谱高分辨率相机的各工作波段的地表反射率进行反演计算后得到的地表反射率（图中标记为反演反射率）与由地物光谱仪测量的地表反射率（图中标记为真实反射率）的对比示意图。可见，基于上述方法中得到的精确的水汽含量以及气溶胶光学厚度，可以对地表反射率进行具有较高准确度的反演。
另请参考图9和图10，其中图9为使用本实施例中的方法进行图像校正前的由多光谱高分辨率相机拍摄的裸土地表图像，图10为使用本实施例中的航空遥感图像校正方法对图9进行校正后得到的地表图像。可见，使用本实施例中的方法进行校正后，图像目视效果得到改善，图像更加清洗，能够有效去除大气对图像的影响。
本实施例中的方法，通过在航空遥感平台同步搭载多光谱高分辨率相机以及偏振多光谱辐射计，由两者同步进行地表图像以及反射率的采集，结合水汽垂直分布廓线和观测高度，利用偏振多光谱辐射计采集的第一观测波段组合的反射率测量值进行水汽反演，得到对应于观测高度和整层大气的水汽含量，再结合水汽含量、气溶胶垂直垂直分布廓线和观测高度，利用偏振多光谱辐射计采集的第二观测波段组合的偏振反射率测量值进行气溶胶反演，得到各观测波段对应于观测高度和整层大气的气溶胶光学厚度，从而实现对大气的精确反演。进一步地，利用反演得到的水汽含量和气溶胶光学厚度，可以为多光谱高分辨率相机采集的地表图像的大气校正提供更精确的同步大气参数，从而能够针对多光谱高分辨率相机的每个工作波段计算出更准确的地表反射率，提高了大气校正的精度。进而，能够利用地表反射率对地表图像进行校正，获取高精度的目标信息。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的水汽和气溶胶反演方法的水汽和气溶胶反演装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个水汽和气溶胶反演装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于水汽和气溶胶反演方法的限定，在此不再赘述。
在一个实施例中，如图11所示，提供了一种应用于航空遥感平台的水汽和气溶胶反演装置1100，包括：
分布确定模块1101，用于根据航空遥感平台的观测区域和观测时间，确定水汽垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线；
水汽反演模块1102，用于根据所述航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、在第一观测波段组合的反射率测量值以及所述水汽垂直分布廓线，得到对应于所述观测高度的第一水汽含量以及对应于整层大气的第二水汽含量；
气溶胶反演模块1103，用于根据所述航空遥感平台的观测几何信息、观测高度、观测区域、观测时间、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值以及所述气溶胶垂直分布廓线，得到对应于所述观测高度的第一气溶胶光学厚度和对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度。
在一个实施例中，水汽反演模块1102，还用于：根据所述第一观测波段组合中水汽吸收波段的反射率测量值和非水汽吸收波段的反射率测量值，确定水汽观测反射率比值；根据所述观测高度和所述水汽垂直分布廓线，设置多对水汽含量模拟值；所述水汽含量模拟值包括对应于所述观测高度的第一水汽含量模拟值以及对应于整层大气的第二水汽含量模拟值；使用大气辐射传输模型，根据所述观测几何信息和所述观测高度，以及所述多对水汽含量模拟值，得到每对所述水汽含量模拟值对应的理论反射率比值；根据所述水汽观测反射率比值和所述多对水汽含量模拟值与理论反射率比值之间的对应关系，确定所述水汽观测反射率比值对应的目标水汽含量模拟值；将所述目标水汽含量模拟值中的第一水汽含量模拟值作为所述第一水汽含量，将所述目标水汽含量模拟值中的第二水汽含量模拟值作为所述第二水汽含量。
在一个实施例中，气溶胶反演模块1103，还用于：根据所述观测高度和所述气溶胶垂直分布廓线，设置气溶胶光学厚度模拟值；其中，所述气溶胶光学厚度模拟值包括对应于所述观测高度的第一气溶胶光学厚度模拟值以及对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度模拟值；使用大气辐射传输模型，根据所述观测几何信息、观测高度、观测区域、观测时间、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值，对所述气溶胶光学厚度模拟值进行迭代优化，直至得到符合迭代收敛条件的目标气溶胶光学厚度模拟值；将所述目标气溶胶光学厚度模拟值的第一气溶胶光学厚度模拟值作为所述第一气溶胶光学厚度，将所述目标气溶胶光学厚度模拟值的第二气溶胶光学厚度模拟值作为所述第二气溶胶光学厚度。
在一个实施例中，所述大气辐射传输模型的模型参数包括所述第一水汽含量和所述第二水汽含量。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的航空遥感图像校正方法的航空遥感图像校正装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个航空遥感图像校正装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于航空遥感图像校正方法的限定，在此不再赘述。
在一个实施例中，如图12所示，提供了一种应用于航空遥感平台的航空遥感图像校正装置1200，包括：
采集模块1201，用于获取由多光谱相机采集的地表图像，以及由偏振多光谱辐射计采集的第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值；其中，所述多光谱相机和所述偏振多光谱辐射计在所述航空遥感平台上同步采集数据；
反演模块1202，用于根据所述第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值，按照上述水汽和气溶胶反演方法的步骤，得到对应于所述航空遥感平台的观测高度的第一水汽含量和第一气溶胶光学厚度以及对应于整层大气的第二水汽含量和第二气溶胶光学厚度；
参数获取模块1203，用于使用辐射传输模型，根据所述第一水汽含量、第二水汽含量、第一气溶胶光学厚度、第二气溶胶光学厚度以及所述航空遥感平台的观测高度和观测几何信息，得到对应于所述航空遥感平台的观测高度的同步大气辐射参数；
反射率获取模块1204，用于根据所述同步大气辐射参数和所述多光谱相机的各工作波段的反射率测量值，得到所述各工作波段对应的地表反射率值；
图像校正模块1205，用于根据所述地表反射率值对所述地表图像进行大气校正处理，得到校正后的地表图像。
在一个实施例中，反射率获取模块1204，还用于：根据所述同步大气辐射参数和所述多光谱相机在各工作波段的反射率测量值，得到所述各工作波段对应的地表反射率初始值；对所述各工作波段对应的地表反射率初始值进行邻近效应校正处理，得到所述各工作波段对应的地表反射率值。
上述水汽和气溶胶反演装置或航空遥感图像校正装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图13所示。该计算机设备包括处理器、存储器、输入/输出接口(Input/Output，简称I/O）和通信接口。其中，处理器、存储器和输入/输出接口通过系统总线连接，通信接口通过输入/输出接口连接到系统总线。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储航空遥感平台的观测区域、观测时间、观测几何信息、观测高度、反射率、偏振反射率测量值等数据。该计算机设备的输入/输出接口用于处理器与外部设备之间交换信息。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种水汽和气溶胶反演方法或航空遥感图像校正方法。
本领域技术人员可以理解，图13中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
需要说明的是，本申请所涉及的用户信息（包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等）和数据（包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等），均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据，且相关数据的收集、使用和处理需要遵守相关国家和地区的相关法律法规和标准。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（Read-OnlyMemory，ROM）、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器（ReRAM）、磁变存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）、铁电存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FRAM）、相变存储器（Phase Change Memory，PCM）、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器（Static Random AccessMemory，SRAM）或动态随机存取存储器（Dynamic RandomAccess Memory，DRAM）等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种水汽和气溶胶反演方法，其特征在于，应用于航空遥感平台，所述方法包括：
根据航空遥感平台的观测区域和观测时间，确定水汽垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线；
根据所述航空遥感平台在第一观测波段组合中水汽吸收波段的反射率测量值和非水汽吸收波段的反射率测量值，确定水汽观测反射率比值；根据所述航空遥感平台的观测高度和所述水汽垂直分布廓线，设置多对水汽含量模拟值；所述水汽含量模拟值包括对应于所述观测高度的第一水汽含量模拟值以及对应于整层大气的第二水汽含量模拟值；使用大气辐射传输模型，根据所述航空遥感平台的观测几何信息和所述观测高度，以及所述多对水汽含量模拟值，得到每对所述水汽含量模拟值对应的理论反射率比值；根据所述水汽观测反射率比值和所述多对水汽含量模拟值与理论反射率比值之间的对应关系，确定所述水汽观测反射率比值对应的目标水汽含量模拟值；将所述目标水汽含量模拟值中的第一水汽含量模拟值作为对应于所述航空遥感平台的观测高度的第一水汽含量，将所述目标水汽含量模拟值中的第二水汽含量模拟值作为对应于整层大气的第二水汽含量；
根据所述观测高度和所述气溶胶垂直分布廓线，设置气溶胶光学厚度模拟值；其中，所述气溶胶光学厚度模拟值包括对应于所述观测高度的第一气溶胶光学厚度模拟值以及对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度模拟值；使用大气辐射传输模型，根据所述观测几何信息、观测高度、观测区域、观测时间、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值，对所述气溶胶光学厚度模拟值进行迭代优化，直至得到符合迭代收敛条件的目标气溶胶光学厚度模拟值；将所述目标气溶胶光学厚度模拟值的第一气溶胶光学厚度模拟值作为对应于所述航空遥感平台的观测高度的第一气溶胶光学厚度，将所述目标气溶胶光学厚度模拟值的第二气溶胶光学厚度模拟值作为对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用大气辐射传输模型，根据所述观测几何信息、观测高度、观测区域、观测时间、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值，对所述气溶胶光学厚度模拟值进行迭代优化，直至得到符合迭代收敛条件的目标气溶胶光学厚度模拟值之前，包括：
将所述第一水汽含量和所述第二水汽含量作为所述大气辐射传输模型的模型参数。
3.一种航空遥感图像校正方法，其特征在于，应用于航空遥感平台，所述方法包括：
获取由多光谱相机采集的地表图像，以及由偏振多光谱辐射计采集的第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值；其中，所述多光谱相机和所述偏振多光谱辐射计在所述航空遥感平台上同步采集数据；
根据所述第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值，按照权利要求1至2中任一项所述的方法的步骤，得到对应于所述航空遥感平台的观测高度的第一水汽含量和第一气溶胶光学厚度以及对应于整层大气的第二水汽含量和第二气溶胶光学厚度；
使用大气辐射传输模型，根据所述第一水汽含量、第二水汽含量、第一气溶胶光学厚度、第二气溶胶光学厚度以及所述航空遥感平台的观测高度和观测几何信息，得到对应于所述航空遥感平台的观测高度的同步大气辐射参数；
根据所述同步大气辐射参数和所述多光谱相机的各工作波段的反射率测量值，得到所述各工作波段对应的地表反射率值；
根据所述地表反射率值对所述地表图像进行大气校正处理，得到校正后的地表图像。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述同步大气辐射参数和所述多光谱相机的各工作波段的反射率测量值，得到所述各工作波段对应的地表反射率值，包括：
根据所述同步大气辐射参数和所述多光谱相机在各工作波段的反射率测量值，得到所述各工作波段对应的地表反射率初始值；
对所述各工作波段对应的地表反射率初始值进行邻近效应校正处理，得到所述各工作波段对应的地表反射率值。
5.一种水汽和气溶胶反演装置，其特征在于，应用于航空遥感平台，所述装置包括：
分布确定模块，用于根据航空遥感平台的观测区域和观测时间，确定水汽垂直分布廓线和气溶胶垂直分布廓线；
水汽反演模块，用于根据所述航空遥感平台在第一观测波段组合中水汽吸收波段的反射率测量值和非水汽吸收波段的反射率测量值，确定水汽观测反射率比值；根据所述航空遥感平台的观测高度和所述水汽垂直分布廓线，设置多对水汽含量模拟值；所述水汽含量模拟值包括对应于所述观测高度的第一水汽含量模拟值以及对应于整层大气的第二水汽含量模拟值；使用大气辐射传输模型，根据所述航空遥感平台的观测几何信息和所述观测高度，以及所述多对水汽含量模拟值，得到每对所述水汽含量模拟值对应的理论反射率比值；根据所述水汽观测反射率比值和所述多对水汽含量模拟值与理论反射率比值之间的对应关系，确定所述水汽观测反射率比值对应的目标水汽含量模拟值；将所述目标水汽含量模拟值中的第一水汽含量模拟值作为对应于所述航空遥感平台的观测高度的第一水汽含量，将所述目标水汽含量模拟值中的第二水汽含量模拟值作为对应于整层大气的第二水汽含量；
气溶胶反演模块，用于根据所述观测高度和所述气溶胶垂直分布廓线，设置气溶胶光学厚度模拟值；其中，所述气溶胶光学厚度模拟值包括对应于所述观测高度的第一气溶胶光学厚度模拟值以及对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度模拟值；使用大气辐射传输模型，根据所述观测几何信息、观测高度、观测区域、观测时间、在第二观测波段组合的偏振反射率测量值，对所述气溶胶光学厚度模拟值进行迭代优化，直至得到符合迭代收敛条件的目标气溶胶光学厚度模拟值；将所述目标气溶胶光学厚度模拟值的第一气溶胶光学厚度模拟值作为对应于所述航空遥感平台的观测高度的第一气溶胶光学厚度，将所述目标气溶胶光学厚度模拟值的第二气溶胶光学厚度模拟值作为对应于整层大气的第二气溶胶光学厚度。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述气溶胶反演模块，还用于将所述第一水汽含量和所述第二水汽含量作为所述大气辐射传输模型的模型参数。
7.一种航空遥感图像校正装置，其特征在于，应用于航空遥感平台，所述装置包括：
采集模块，用于获取由多光谱相机采集的地表图像，以及由偏振多光谱辐射计采集的第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值；其中，所述多光谱相机和所述偏振多光谱辐射计在所述航空遥感平台上同步采集数据；
反演模块，用于根据所述第一观测波段组合的反射率测量值和第二观测波段组合的偏振反射率测量值，按照权利要求1-2中任一项所述的方法的步骤，得到对应于所述航空遥感平台的观测高度的第一水汽含量和第一气溶胶光学厚度以及对应于整层大气的第二水汽含量和第二气溶胶光学厚度；
参数获取模块，用于使用辐射传输模型，根据所述第一水汽含量、第二水汽含量、第一气溶胶光学厚度、第二气溶胶光学厚度以及所述航空遥感平台的观测高度和观测几何信息，得到对应于所述航空遥感平台的观测高度的同步大气辐射参数；
反射率获取模块，用于根据所述同步大气辐射参数和所述多光谱相机的各工作波段的反射率测量值，得到所述各工作波段对应的地表反射率值；
图像校正模块，用于根据所述地表反射率值对所述地表图像进行大气校正处理，得到校正后的地表图像。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述反射率获取模块，还用于根据所述同步大气辐射参数和所述多光谱相机在各工作波段的反射率测量值，得到所述各工作波段对应的地表反射率初始值；对所述各工作波段对应的地表反射率初始值进行邻近效应校正处理，得到所述各工作波段对应的地表反射率值。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至2中任一项所述的方法或权利要求3至4中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至2中任一项所述的方法或权利要求3至4中任一项所述的方法的步骤。
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