一种全谱段光学成像仪遥感影像仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种全谱段光学成像仪遥感影像仿真方法，是光学遥感成像建模与数据仿真技术领域的一项重要技术。该方法利用高空间分辨率影像、DEM影像、地面温度数据实现地面场景模拟；通过建立大气辐射传输模型，建立辐射传输模型参数查找表，模拟全谱段光学成像仪入瞳辐亮度影像；通过光谱维重采样、空间维重采样、调制传递函数(MTF)退化、噪声退化过程模拟全谱段光学成像仪成像过程，得到模拟辐亮度影像。本发明专利技术是一种建立在辐射传输理论基础上的全谱段光学成像仪遥感影像仿真方法，可实现光学全谱段(0.4～14μm)遥感影像仿真，具有通用性强、计算精度高、运算速度快等优点，服务于遥感影像仿真方法研究和全谱段光学成像仪性能预测与参数评价研究。

【技术实现步骤摘要】
(一)
本专利技术涉及一种全谱段光学成像仪遥感影像仿真方法，属于光学遥感成像建模与数据仿真
，适用于全谱段遥感全链路仿真方法研究，可用于全谱段光学成像仪设计阶段生成其模拟影像，从而服务于全谱段光学成像仪的应用能力预测、参数评价、指标优化、数据处理算法开发。(二)
技术介绍
光学遥感成像建模与数据仿真是光学遥感器研制、数据应用过程中的一个重要
，在光学遥感器成像性能预测、设计指标评价、遥感数据应用中均具有重要意义。该类技术的发展能够大大推动光学遥感器的研制及其数据应用。目前，光学遥感成像建模与数据仿真研究一般分为可见光-短波红外波段的仿真和热红外波段仿真，两种方式均不能实现光学全谱段(0.4～14μm)的遥感影像仿真。仿真方法多采用全链路成像仿真的方式，将仿真过程分为地面场景模拟、大气辐射传输模拟和遥感器成像过程模拟。对于全谱段光学成像仪地面场景模拟，一般涉及到地面反射率数据、地面发射率数据和地面温度数据的模拟。地面反射率数据、地面发射率数据的模拟方法有为实地测量，遥感影像反演等。地面温度数据模拟方法有根据能量守恒方程模拟，实地测量，遥感影像反演等。实地测量的方法工作量大。遥感影像反演温度的方法精度不够高、灵活性差，其结果仅代表成像时刻的结果。根据能量守恒方程模拟的方法，对于遥感影像仿真的实用性差。对于大气辐射传输模拟，利用成熟的大气辐射传输软件建立查找表求解关键参数，建立解析模型求解遥感器入瞳辐亮度。目前，大气辐射传输模拟中，可见光-短波红外波段模拟采用的解析模型不考虑地物的发射辐射能量的传输，而中波红外-长波红外辐射传输模拟采用的解析模型不考虑邻近效应和多次反射问题，两类模型均不够全面。对于遥感器成像过程模拟，主要通过光谱维重采样、空间维重采样、调制传递函数空间维退化和噪声模拟的方式对遥感器成像过程进行模拟。其中，噪声模拟使用遥感器的信噪比SNR作为指标，而全谱段光学成像仪的中波红外波段和长波红外波段的信噪比设计参数或测量参数一般为噪声等效温差NEΔT。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种全谱段光学成像仪遥感影像仿真方法，模拟过程包括地面场景模拟、大气辐射传输模拟、成像过程模拟三部分，符合全谱段光学成像仪遥感物理过程，它实现了光学全谱段(0.4～14μm)遥感成像建模与数据仿真，克服了现有技术仿真成本高、速度慢、技术不完整、场景不够真实等不足，实现了全谱段光学成像仪全链路仿真，它是一种稳定性强、可靠性高、精确度高的全谱段光学成像仪遥感影像仿真方法。本专利技术的技术解决方案是：一种全谱段光学成像仪遥感影像仿真方法。首先，根据地面场景分类图生成地面反射率、发射率模拟数据，根据地物空间分布与地面高程信息，估计地物温度，建立地面温度场景。然后，建立一种考虑地物目标多次反射辐射、邻近目标多次反射辐射、地物目标发射辐射以及大气程辐射的光学全谱段(0.4～14μm)大气辐射传输模型。通过多次调用MODTRAN模型，并根据辐射传输模型解算参数，建立辐射传输模型参数的查找表，根据地面反射率、发射率模拟数据，地面温度场景数据，地面高程数据和辐射传输模型参数查找表，模拟全谱段光学成像仪入瞳辐亮度影像。最后，根据全谱段光学成像仪光谱响应函数、空间分辨率、调制传递函数、信噪比、噪声等效温差等参数，模拟全谱段光学成像仪成像过程。其具体步骤如下：(1)对高空间分辨率影像进行地物分类，结合地物波谱数据库模拟地面光学全谱段(0.4～14μm)反射率数据立方体和发射率数据立方体；(2)根据对应的DEM影像，以100m为间隔，将高程划分为若干层，第i层标度为d＝[min(DEM)]+i*100，逐像元取最临近的标度，生成地面高程分层数据，以每层的高程分层数据作为该层的平均高程；(3)利用成像时间、飞行高度、观测角度、大气参数、步骤(1)生成的地物分类结果、步骤(2)生成的地面高程分层数据进行温度模拟计算，生成地面温度场景数据；(4)根据地面温度场景数据获得成像区域平均温度，利用地面高程分层数据、平均温度、成像时间、飞行高度、大气参数条件计算辐射传输模型参数，建立辐射传输模型参数查找表；(5)根据地面光学全谱段(0.4～14μm)反射率数据立方体计算得到邻近地物平均反射率数据立方体；(6)将地面光学全谱段(0.4～14μm)反射率数据立方体和发射率数据立方体、邻近地物平均反射率数据立方体、地面温度场景数据作为辐射传输模型输入，根据影像中不同像元的高程调用辐射传输模型参数查找表确定模型参数，模拟全谱段光学成像仪入瞳辐亮度影像；(7)根据全谱段光学成像仪的光谱响应函数，对模拟的入瞳辐亮度进行光谱维重采样；(8)根据全谱段光学成像仪的空间分辨率，对模拟影像进行空间维重采样；(9)根据全谱段光学成像仪的调制传递函数，对模拟影像进行空间模糊；(10)根据全谱段光学成像仪的信噪比及噪声等效温差，模拟全谱段光学成像仪噪声，对模拟影像进行噪声退化，从而得到最终模拟影像。其中，步骤(3)中所述的“利用成像时间、飞行高度、观测角度、大气参数、步骤(1)生成的地物分类结果、步骤(2)生成的地面高程分层数据进行温度模拟计算，生成地面温度场景数据”，其具体过程如下：首先，结合成像时间、飞行高度、观测角度、大气参数、步骤(2)生成的地面高程分层数据，计算不同高程处的每种地物目标的单像元温度；然后，结合步骤(1)的地物分类结果和步骤(2)生成的地面高程分层数据，确定成像区域每个像元的温度，生成地面温度场景数据。其中，步骤(4)中所述的“辐射传输模型”指单像元大气辐射传输模型为，L(λ,T)=A(λ)ρ(λ)1-ρe(λ)S(λ)+B(λ)ρe(λ)1-ρe(λ)S(λ)+La(λ)+τ(λ)ϵ(λ)LB(λ,T)]]>其中，L(λ,T)为遥感器入瞳辐亮度，ρ(λ)和ρe(λ)分别为地物目标反射率与邻近地物反射率，ε(λ)为地物目标发射率，S(λ)为大气单次散射反照率，τ(λ)为大气透过率，La(λ)为大气程辐射，LB(λ,T)为温度为T的黑体发射辐亮度，由普朗克公式得出，A(λ)和B(λ)为系数；“计算辐射传输模型参数”的具体过程如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全谱段光学成像仪遥感影像仿真方法，其特征在于：它包含以下步骤：(1)对高空间分辨率影像进行地物分类，结合地物波谱数据库模拟地面光学全谱段(0.4～14μm)反射率数据立方体和发射率数据立方体；(2)根据对应的DEM影像，以100m为间隔，将高程划分为若干层，第i层标度为d＝[min(DEM)]+i*100，逐像元取最临近的标度，生成地面高程分层数据，以每层的高程分层数据作为该层的平均高程；(3)利用成像时间、飞行高度、观测角度、大气参数、步骤(1)生成的地物分类结果、步骤(2)生成的地面高程分层数据进行温度模拟计算，生成地面温度场景数据；(4)根据地面温度场景数据获得成像区域平均温度，利用地面高程分层数据、平均温度、成像时间、飞行高度、大气参数条件计算辐射传输模型参数，建立辐射传输模型参数查找表；(5)根据地面光学全谱段(0.4～14μm)反射率数据立方体计算得到邻近地物平均反射率数据立方体；(6)将地面光学全谱段(0.4～14μm)反射率数据立方体和发射率数据立方体、邻近地物平均反射率数据立方体、地面温度场景数据作为辐射传输模型输入，根据影像中不同像元的高程调用辐射传输模型参数查找表确定模型参数，模拟全谱段光学成像仪入瞳辐亮度影像；(7)根据全谱段光学成像仪的光谱响应函数，对模拟的入瞳辐亮度进行光谱维重采样；(8)根据全谱段光学成像仪的空间分辨率，对模拟影像进行空间维重采样；(9)根据全谱段光学成像仪的调制传递函数，对模拟影像进行空间模糊；(10)根据全谱段光学成像仪的信噪比及噪声等效温差，模拟全谱段光学成像仪噪声，对模拟影像进行噪声退化，从而得到最终模拟影像。...

【技术特征摘要】
1.一种全谱段光学成像仪遥感影像仿真方法，其特征在于：它包含以下
步骤：
(1)对高空间分辨率影像进行地物分类，结合地物波谱数据库模拟地面
光学全谱段(0.4～14μm)反射率数据立方体和发射率数据立方体；
(2)根据对应的DEM影像，以100m为间隔，将高程划分为若干层，
第i层标度为d＝[min(DEM)]+i*100，逐像元取最临近的标度，生成地面高程
分层数据，以每层的高程分层数据作为该层的平均高程；
(3)利用成像时间、飞行高度、观测角度、大气参数、步骤(1)生成
的地物分类结果、步骤(2)生成的地面高程分层数据进行温度模拟计算，生
成地面温度场景数据；
(4)根据地面温度场景数据获得成像区域平均温度，利用地面高程分层
数据、平均温度、成像时间、飞行高度、大气参数条件计算辐射传输模型参
数，建立辐射传输模型参数查找表；
(5)根据地面光学全谱段(0.4～14μm)反射率数据立方体计算得到
邻近地物平均反射率数据立方体；
(6)将地面光学全谱段(0.4～14μm)反射率数据立方体和发射率数
据立方体、邻近地物平均反射率数据立方体、地面温度场景数据作为辐射传
输模型输入，根据影像中不同像元的高程调用辐射传输模型参数查找表确定
模型参数，模拟全谱段光学成像仪入瞳辐亮度影像；
(7)根据全谱段光学成像仪的光谱响应函数，对模拟的入瞳辐亮度进行
光谱维重采样；
(8)根据全谱段光学成像仪的空间分辨率，对模拟影像进行空间维重采
样；
(9)根据全谱段光学成像仪的调制传递函数，对模拟影像进行空间模糊；
(10)根据全谱段光学成像仪的信噪比及噪声等效温差，模拟全谱段光

\t学成像仪噪声，对模拟影像进行噪声退化，从而得到最终模拟影像。
2.根据权利要求1所述的一种全谱段光学成像仪遥感影像仿真方法，其
特征在于：步骤(3)中所述的“利用成像时间、飞行高度、观测角度、大气
参数、步骤(1)生成的地物分类结果、步骤(2)生成的地面高程分层数据
进行温度模拟计算，生成地面温度场景数据”，其具体过程如下：首先，结
合成像时间、飞行高度、观测角度、大气参数、步骤(2)生成的地面高程分
层数据，计算不同高程处的每种地物目标的单像元温度；然后，结合步骤(1)
的地物分类结果和步骤(2)生成的地面高程分层数据，确定成像区域每个像
元的温度，生成地面温度场景数据。
3.根据权利要求1所述的一种全谱段光学成像仪遥感影像仿真方法，其
特征在于：步骤(4)中所述的“辐射传输模型”指单像元大气辐射传输模型为，
L(λ,T)=A(λ)ρ(λ)1-ρe(λ)S(λ...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵慧洁，邱显斐，贾国瑞，甘甫平，魏丹丹，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，中国国土资源航空物探遥感中心，
类型：发明
国别省市：北京;11