月基对地观测平台热红外传感器成像模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种月基对地观测平台热红外传感器成像模拟方法，该方法能够实现大尺度甚至半球尺度热红外对地观测平台的成像模拟。测试结果表明本发明专利技术提出的月基对地观测平台热红外成像模拟方法模拟的地表温度时空分布数据与实际情况接近，能够反映真实的地表温度分布情况；最终模拟生成的月基对地观测平台热红外影像DN(Digital Number)值的空间分布与入瞳处辐射亮度影像十分相似，较好的描述了地表热红外辐射能量的空间分布特性。

【技术实现步骤摘要】
月基对地观测平台热红外传感器成像模拟方法
本专利技术涉及热红外对地观测成像模拟领域，尤其涉及一种月基对地观测平台热红外传感器成像模拟方法。
技术介绍
月球作为地球的自然卫星，其轨道特性与人造卫星轨道差异明显，在月球上建立工作在热红外波段的地球观测平台(即月基对地观测平台)在获取全球及区域大尺度地表长波辐射及地表温度方面具有独特的优势，能够有效弥补现有人造卫星在对地观测领域数据获取的缺陷，为准确的获取全球尺度的地表温度及长波辐射提供了新的观测方式。但目前月基对地观测平台还处于理论论证阶段，在月基对地观测平台建成之前需要借助于模拟的方式对其整体的观测性能和影像质量进行分析。然而，月球的轨道特性及其观测特性与人造卫星存在较大差异，已有的遥感成像模拟模型无法直接用于月基对地观测平台热红外传感器的模拟。利用计算机进行遥感成像系统模拟的物理模型能够以较低的成本对将要发射的遥感系统性能进行评估，进而为遥感系统的载荷设计等相关工作提供有力参考。因此，国内外众多研究机构和学者针对遥感成像系统模拟开展了大量研究工作，并已研究出多种遥感成像系统模拟模型且在计划发射的遥感卫星研制中进行了成功的应用(A,WiestL,KellerP,etal.SENSOR:atoolforthesimulationofhyperspectralremotesensingsystems[J].IsprsJournalofPhotogrammetry&RemoteSensing,2001,55(5):299-312；KarlSegl,LuisGuanter,ChristianRogass,etal.EeteS—TheEnMAPEnd-to-EndSimulationTool[J].IEEEJournalofSelectedTopicsinAppliedEarthObservations&RemoteSensing,2012,5(2):522-530；KaufmannH,SeglK,RichterR,etal.End-to-endsensorsimulationforspectralbandselectionandoptimizationwithapplicationtotheSentinel-2mission[J].ApplOpt,2012,51(4):439-449；PandyaMR,ShahDB,TrivediHJ,etal.Simulationofat-sensorradianceoverlandforproposedthermalchannelsofImagerpayloadonboardINSAT-3DsatelliteusingMODTRANmodel[J].JournalofEarthSystemScience,2011,120(1):19-25；ProsserCD.PICASSO:anend-to-endimagesimulationtoolforspaceandairborneimagingsystemsII.Extensiontothethermalinfrared:equationsandmethods[J].ProcSpie,2010,4(4):2840-2849；SchottJR,BrownSD,RV,etal.AnAdvancedSyntheticImageGenerationModelanditsApplicationtoMulti/HyperspectralAlgorithmDevelopment[J].CanadianJournalofRemoteSensing,1999,25(2):99-111.)。目前已有的遥感成像模拟模型存在一些局限，主要表现在以下几个方面：1)成像模拟模型主要是针对某一类型人造卫星或者航空平台搭载的成像系统而研发的，由于不同的遥感成像系统的观测目标、轨道特性、光谱通道、空间分辨率、成像方式等存在较大差异，在具体应用时需要有针对性的进行调整和修改；2)热红外成像模拟模型主要是针对幅宽较小的中高分辨率遥感卫星，无法直接应用于大尺度热红外遥感卫星模拟。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对月基对地观测平台的轨道特点，提出一种适合月基对地观测平台热红外传感器的大尺度成像模拟方法。本专利技术的技术方案：本专利技术提供了一种月基对地观测平台热红外传感器成像模拟方法，包括以下步骤：步骤1：获取MODIS月合成地表发射率、地表温度(LST)、观测时间、NOAA提供的全球数字高程数据(DEM)；步骤2：计算本初子午线整点时刻全球各地对应的当地太阳时；步骤3：计算一天中任意时刻LST，根据某一时刻全球各地对应的当地太阳时，通过日变化模型计算出对应时刻的LST，即可得到该时刻全球LST空间分布数据；步骤4：根据星历数据通过计算月球高度角获得月基对地观测平台热红外传感器观测区域二值影像；步骤5：将步骤3中计算得到的某一时刻全球LST空间分布数据与步骤4中计算出的对应时刻的月基对地观测平台热红外传感器观测区域二值影像相乘获取观测范围内的LST空间分布；步骤6：通过大气辐射传输模型MODTRAN模型计算出月基对地观测平台热红外传感器入瞳处辐射亮度；步骤7：计算到达月基对地观测平台热红外传感器面元的热红外辐射通量E；步骤8：计算得到月基对地观测平台热红外波段灰度影像。优选地，在步骤1之前还包括对MODIS数据中LST和地表发射率中的低质量或者无效数据进行筛选过滤，高质量或有效LST数据的判定条件为(式1)-(式4)：GP1＝((QC≤1)or(16≤QC≤17)or(64≤QC≤65)or(80≤QC≤81))(式1)GP2＝(LST1＜LST2＞LST3＞LST4)(式2)GP3＝(T4＜T1＜T2＜T3)(式3)GP＝((GP1＝1)and(GP2＝1)and(GP3＝1))(式4)。优选地，上述步骤中还包括通过MODISLST的筛选结果对MODISLST影像、发射率影像、观测时间影像及NOAA提供的全球数字高程数据(DEM)进行掩膜，MODISLST筛选结果为二值影像，即有效像元用1表示，无效象元用0表示，以此作为掩膜基准影像，分别与MODISLST影像、发射率影像、观测时间影像及NOAA提供的全球数字高程数据(DEM)相乘，最终得到有效LST像元所对应的LST值、地表发射率、观测时间及其高程数值。优选地，步骤7利用公式15计算到达传感器面元的热红外辐射通量式中F＝f0/D，为传感器光学系统F数，D为传感器光学系统的有效孔径，f0是传感器光学系统的有效焦距，τ是光学系统的总透过率，Ls入瞳处辐射亮度，cos4α是光学系统导致的成像阴影效应，α是红外焦平面上探测象元与中心轴线之间的夹角，可通过公式16计算得到式中dx,dy分别表示探测元之间的垂直和水平间距，m,n分别为探测器阵列行列数，即探测器成像尺寸，i,j分别为探测元在探测器阵列中的行列号，αij为探测器阵列中第行第列探测元所对应的α角。优选地，步骤8利用公式17计算得到月基对地观测平台热红外波段灰度影像；NearestInteger[]为取整运算函数，E代表某个象元的辐射强度，Emin观测范围内单个象元辐射强度最小值，Emax观测范围本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种月基对地观测平台热红外传感器成像模拟方法，包括以下步骤：步骤1：获取MODIS月合成地表发射率、地表温度(LST)、观测时间、NOAA提供的全球数字高程数据(DEM)；步骤2：计算本初子午线整点时刻全球各地对应的当地太阳时；步骤3：计算一天中任意时刻LST，根据步骤2中计算得出的某一时刻全球各地对应的当地太阳时，通过日变化模型计算出对应时刻的LST，得到该时刻全球LST空间分布数据；步骤4：根据星历数据通过计算月球高度角获得月基对地观测平台热红外传感器观测区域二值影像；步骤5：将步骤3中计算得到的某一时刻全球LST空间分布数据与步骤4中计算出的对应时刻的月基对地观测平台热红外传感器观测区域二值影像相乘获取观测范围内的LST空间分布；步骤6：通过大气辐射传输模型MODTRAN模型计算出月基对地观测平台热红外传感器入瞳处辐射亮度；步骤7：计算到达月基对地观测平台热红外传感器面元的热红外辐射通量E；步骤8：计算得到月基对地观测平台热红外波段灰度影像。

【技术特征摘要】
1.一种月基对地观测平台热红外传感器成像模拟方法，包括以下步骤：步骤1：获取MODIS月合成地表发射率、地表温度(LST)、观测时间、NOAA提供的全球数字高程数据(DEM)；步骤2：计算本初子午线整点时刻全球各地对应的当地太阳时；步骤3：计算一天中任意时刻LST，根据步骤2中计算得出的某一时刻全球各地对应的当地太阳时，通过日变化模型计算出对应时刻的LST，得到该时刻全球LST空间分布数据；步骤4：根据星历数据通过计算月球高度角获得月基对地观测平台热红外传感器观测区域二值影像；步骤5：将步骤3中计算得到的某一时刻全球LST空间分布数据与步骤4中计算出的对应时刻的月基对地观测平台热红外传感器观测区域二值影像相乘获取观测范围内的LST空间分布；步骤6：通过大气辐射传输模型MODTRAN模型计算出月基对地观测平台热红外传感器入瞳处辐射亮度；步骤7：计算到达月基对地观测平台热红外传感器面元的热红外辐射通量E；步骤8：计算得到月基对地观测平台热红外波段灰度影像。2.根据权利要求1所述的月基对地观测平台热红外传感器成像模拟方法，其特征在于：在步骤1之前还包括对MODIS数据中LST和地表发射率中的低质量或者无效数据进行筛选过滤，高质量或有效LST数据的判定条件为(式1)-(式4)：GP1＝((QC≤1)or(16≤QC≤17)or(64≤QC≤65)or(80≤QC≤81))(式1)GP2＝（LST1＜LST2＞LST3＞LST4)(式2)GP3＝（T4＜T1＜T2＜T3)(式3)GP＝((GP1＝1)and(GP2＝1)and(GP3＝1))(式4)。3.根据权利要求2所述的月基对地观测平台热红外传感器成像...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖静娟，聂臣巍，沈国状，
申请(专利权)人：中国科学院遥感与数字地球研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11