基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正系统及方法，该方法突破了现有方法只能适用于浓密植被地区的不足，根据城市地区具有多种稳定不变地物目标的特征，假设不同地区不同时相的地物目标具有相似的光谱特征，通过光谱匹配技术，建立不同气溶胶光学厚度下的地表反射率与参考光谱的相似度，最终实现多光谱影像的气溶胶反演和大气校正，不需要多时相卫星影像，适用于全年各种天气和各类城市，可实现单幅多光谱图像的大气校正。

Atmospheric Correction System and Method for Multispectral Remote Sensing Images Based on Reference Spectrum Matching

【技术实现步骤摘要】
基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正系统及方法
本专利技术涉及基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正系统及方法，属于光谱遥感大气校正

技术介绍
随着遥感理论和技术的不断发展，遥感由定性应用逐步走向定量化。遥感的定量化是遥感应用的一个重要发展趋势，其关键在于建立传感器、大气和地表之间的定量关系，实现与电磁波辐射有关的各类地物属性的定量探测。遥感定量化的前提是传感器的定标和遥感数据的大气校正。大气不仅造成遥感影像模糊、对比度下降和细节损失等问题，还会使地表反射率、植被指数、水体叶绿素浓度等定量反演结果失真。大气校正效果的好坏，依赖于大气参数的精度，而大气参数中对大气校正效果影响最大的是大气气溶胶，由于气溶胶的时空分布变化大，无规律可循，因此精确地测定气溶胶的时空分布是大气校正的重要步骤。利用卫星遥感反演气溶胶光学厚度主要有深蓝算法、暗像元法以及改进的暗像元法等方法。深蓝算法利用在波长较短(蓝光)波段，大气反射信号较强，而地表反射信号较弱，同时假定蓝波段地表反射率随时间变化较小，将晴朗天的地表反射率作为已知的地表反射率实现气溶胶反演。首先根据晴朗天气遥感影像建立地表反射率库，在气溶胶较小时仅使用蓝光数据进行反演，较大时则综合使用红光和蓝光数据进行反演。该方法需要获取相同场地不同时相的影像，且对不同时间的配准精度要求较高，且假设蓝波段地表反射率不发生变化，使得该方法的应用范围受到极大限制。暗像元法是利用浓密植被(即暗像元)在红、蓝波段对地表反射率比较低且容易确定的特点，通过去除地表反射率的贡献实现气溶胶光学厚度的反演。暗像元法需要利用2100nm短波红外波段，以获取地表反射率信息。该方法适用于浓密植被覆盖的影像，但在裸土、沙漠等较亮地表的反演效果较差；由于国产卫星大多数只有蓝、绿、红、近红外4个光谱波段，缺少中红外波段，难以准确估算地表反射率贡献,无法有效提取浓密植被暗像元，传统的暗目标法无法直接应用于国产多光谱影像，实现气溶胶光学厚度的反演。改进的暗像元法通过建立浓密植被(暗像元)红蓝波段反射率与地表反射率之间的关系,实现气溶胶光学厚度的反演与大气校正。不论是暗像元法还是改进的暗像元方法，都是基于浓密植被区域像元进行气溶胶的反演。而在我国北方城市地区，缺少大面积浓密植被，尤其是在冬季，暗像元法和改进的暗像元方法在北方城市地区不适用。因此，提出一种可适用于北方冬季城市地区的多光谱遥感影像大气校正方法，具有重要的研究意义和实际应用需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法，该方法实现多光谱影像的气溶胶反演和大气校正，不需要多时相卫星影像，适用于全年各种天气和各类城市地标，尤其北方城市地区多光谱遥感影像的大气校正，并可实现单幅多光谱图像的大气校正。本专利技术的另外一个目的在于提供基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正系统。本专利技术的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法，包括如下步骤：从获取的多光谱遥感影像中提取地面稳定目标图像，计算所述地面稳定目标的平均灰度，并将所述地面稳定目标的平均灰度转换为稳定目标的平均表观辐亮度；将多光谱影像的观测几何、成像日期、地面海拔高度、光谱响应函数大气参数以及多个气溶胶光学厚度输入辐射传输模型，得到不同气溶胶光学厚度下对应的大气校正参数；利用所述地面稳定目标的平均表观辐亮度和所述不同气溶胶光学厚度下的大气校正参数获得不同气溶胶光学厚度下对应的稳定目标的地表反射率；将地面稳定目标的地面实测光谱与传感器光谱响应函数进行卷积，得到地面稳定目标的地面实测参考光谱；将所述地面稳定目标的地面实测参考光谱和所述不同气溶胶光学厚度下稳定目标的地表反射率进行光谱匹配，确定光谱夹角最小时的气溶胶光学厚度和对应的大气校正参数，将所述大气校正参数作为最佳大气校正参数完成多光谱遥感影像大气校正。在上述基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法中，将所述地面稳定目标的平均灰度转换为稳定目标的平均表观辐亮度的具体方法为：其中，Li为稳定目标的多光谱遥感影像第i波段平均表观辐亮度；和分别为多光谱遥感影像第i波段的表观辐亮度定标系数的增益和截距；DN为地面固定的稳定目标的平均灰度值。在上述基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法中，所述观测几何包括太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角和观测方位角；选取的气溶胶光学厚度的范围为0.1～1.0，步长为0.01～0.1。在上述基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法中，所述地面稳定目标为地面平坦均匀的稳定目标，具体为道路、广场或机场。在上述基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法中，利用所述地面稳定目标的平均表观辐亮度和所述不同气溶胶光学厚度下的大气校正参数获得不同气溶胶光学厚度下对应的地面稳定目标的地表反射率的具体方法如下：ρsij＝yij/(1+xcij·yij)yij＝xaij·Li-xbij其中：ρsij为第i波段第j厚度对应的稳定目标的地表反射率；Li为多光谱遥感影像第i波段表观辐亮度；xaij,xbij,xcij为第i波段第j厚度的大气校正参数，分别表示大气校正增益、大气校正截距和大气半球反射率。在上述基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法中，将地面稳定目标的地面实测光谱与传感器光谱响应函数进行卷积，得到地面稳定目标的地面实测参考光谱的具体方法如下：其中：Ri为地面稳定目标第i波段的地面实测参考光谱；S(λi)为传感器第i波段的光谱响应函数；R(λi)为地面稳定目标第i波段的地面实测光谱；Δλ为步长。在上述基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法中，采用如下方法将所述地面稳定目标的地面实测参考光谱和所述不同气溶胶光学厚度下地面稳定目标的地表反射率进行光谱匹配，得到每个波段不同厚度的光谱夹角值，并从中找出每个波段的最小光谱夹角：其中：αij为第i波段第j厚度的光谱夹角值；nb为波段数；ρsij为第i波段第j厚度的地表反射率，Ri为地面稳定目标第i波段的地面实测参考光谱；根据每个波段的最小光谱夹角，得到每个波段最小光谱夹角对应的气溶胶光学厚度和对应的大气校正参数，将所述大气校正参数作为最佳大气校正参数完成多光谱遥感影像大气校正。在上述基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法中，根据所述最佳大气校正参数实现城市地区多光谱影像的大气校正，得到城市地区多光谱地表发射率影像。基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正系统，包括稳定目标图像信息提取模块、稳定目标反射率反演模块、大气校正参数反演模块和多光谱图像大气校正模块，其中：稳定目标图像信息提取模块：从获取的多光谱遥感影像中提取地面稳定目标图像，计算所述稳定目标的平均灰度，并将所述稳定目标的平均灰度转换为稳定目标的平均表观辐亮度，发送给稳定目标反射率反演模块；稳定目标反射率反演模块：将多光谱影像的观测几何、成像日期、地面海拔高度、光谱响应函数大气参数以及多个气溶胶光学厚度输入辐射传输模型，得到不同气溶胶光学厚度下对应的大气校正参数；接收稳定目标图像信息提取模块发送的稳定目标的平均表观辐亮度；利用所述稳定目标的平均表观辐亮度和所述不同气溶胶光学厚度下的大气校正参数获本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法，其特征在于：包括如下步骤：从获取的多光谱遥感影像中提取地面稳定目标图像，计算所述地面稳定目标的平均灰度，并将所述地面稳定目标的平均灰度转换为稳定目标的平均表观辐亮度；将多光谱影像的观测几何、成像日期、地面海拔高度、光谱响应函数大气参数以及多个气溶胶光学厚度输入辐射传输模型，得到不同气溶胶光学厚度下对应的大气校正参数；利用所述地面稳定目标的平均表观辐亮度和所述不同气溶胶光学厚度下的大气校正参数获得不同气溶胶光学厚度下对应的稳定目标的地表反射率；将地面稳定目标的地面实测光谱与传感器光谱响应函数进行卷积，得到地面稳定目标的地面实测参考光谱；将所述地面稳定目标的地面实测参考光谱和所述不同气溶胶光学厚度下稳定目标的地表反射率进行光谱匹配，确定光谱夹角最小时的气溶胶光学厚度和对应的大气校正参数，将所述大气校正参数作为最佳大气校正参数完成多光谱遥感影像大气校正。

【技术特征摘要】
1.基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法，其特征在于：包括如下步骤：从获取的多光谱遥感影像中提取地面稳定目标图像，计算所述地面稳定目标的平均灰度，并将所述地面稳定目标的平均灰度转换为稳定目标的平均表观辐亮度；将多光谱影像的观测几何、成像日期、地面海拔高度、光谱响应函数大气参数以及多个气溶胶光学厚度输入辐射传输模型，得到不同气溶胶光学厚度下对应的大气校正参数；利用所述地面稳定目标的平均表观辐亮度和所述不同气溶胶光学厚度下的大气校正参数获得不同气溶胶光学厚度下对应的稳定目标的地表反射率；将地面稳定目标的地面实测光谱与传感器光谱响应函数进行卷积，得到地面稳定目标的地面实测参考光谱；将所述地面稳定目标的地面实测参考光谱和所述不同气溶胶光学厚度下稳定目标的地表反射率进行光谱匹配，确定光谱夹角最小时的气溶胶光学厚度和对应的大气校正参数，将所述大气校正参数作为最佳大气校正参数完成多光谱遥感影像大气校正。2.根据权利要求1所述的基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法，其特征在于：将所述地面稳定目标的平均灰度转换为稳定目标的平均表观辐亮度的具体方法为：其中，Li为稳定目标的多光谱遥感影像第i波段平均表观辐亮度；和分别为多光谱遥感影像第i波段的表观辐亮度定标系数的增益和截距；DN为地面固定的稳定目标的平均灰度值。3.根据权利要求1所述的基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法，其特征在于：所述观测几何包括太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角和观测方位角；选取的气溶胶光学厚度的范围为0.1～1.0，步长为0.01～0.1。4.根据权利要求1所述的基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法，其特征在于：所述地面稳定目标为地面平坦均匀的稳定目标，具体为道路、广场或机场。5.根据权利要求1所述的基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法，其特征在于：利用所述地面稳定目标的平均表观辐亮度和所述不同气溶胶光学厚度下的大气校正参数获得不同气溶胶光学厚度下对应的地面稳定目标的地表反射率的具体方法如下：ρsij＝yij/(1+xcij·yij)yij＝xaij·Li-xbij其中：ρsij为第i波段第j厚度对应的稳定目标的地表反射率；Li为多光谱遥感影像第i波段表观辐亮度；xaij,xbij,xcij为第i波段第j厚度的大气校正参数，分别表示大气校正增益、大气校正截距和大气半球反射率。6.根据权利要求1所述的基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法，其特征在于：将地面稳定目标的地面实测光谱与传感器光谱响应函数进行卷积，得到地面稳定目标的地面实测参考光谱的具体方法如下：其中：Ri为地面稳定目标第i波段的地面实测参考光谱；S(λi)为传感器第i波段的光谱响应函数；R(λi)为地面稳定目标第i波段的地面实测光谱；Δλ为步长。7.根据权利要求1-6之一所述的基于参考光谱匹配的多光谱遥感影像大气校正方法，其特征在于：采用如下方法将所述地面稳定目标的地面实...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘李，高海亮，闵祥军，胡新凯，程天海，潘志强，
申请(专利权)人：中国资源卫星应用中心，
类型：发明
国别省市：北京,11