一种基于遥感影像获取地表目标物反射率方法及系统

本专利申请要求于2021年04月13日提交的、发明名称为“一种基于遥感影像获取地表目标物反射率方法及系统”、申请号为CN2021103921944的中国专利申请的优先权，该专利申请在此全部引入作为参考。

技术领域

本申请属于遥感技术领域，特别是一种基于遥感影像获取地表目标物反射率方法及系统。

背景技术

卫星载荷接收到的光辐射信号是地表信息和大气信息的耦合信息，其中，地表信息是所需要观测的，而大气信息是其干扰项。因为，一方面，大气的散射和吸收产生的大气模糊效应，对卫星图像(即对应光辐射信号的图像)的质量产生重要影响；另一方面，使得卫星图像在反映地表真实反射率时产生失真。因此，如何从卫星图像中得到真实的地表信息，获得真实的地物反射率是研究的重点。

发明内容

本申请的目的是提供一种基于遥感影像获取地表目标物反射率方法及系统，以解决现有技术中的问题。

本申请的一种实施例提供了一种基于遥感影像获取地表目标物反射率方法，包括：通过搭载在同一颗卫星上的第一仪器和对地观测载荷相机同步获取第一大气参数信息和对地载荷图像；所述第一大气参数信息包括经纬度信息、气溶胶信息、及水汽信息；通过所述经纬度信息获得所述对地载荷图像中的各像元同步对应的气溶胶信息、水汽信息；根据预设的大气校正查找表确定各像元对应的第二大气参数；其中：所述预设的大气校正查找表用于根据所述第二大气参数对气溶胶信息、水汽信息、太阳天顶角、观测天顶角和相对方位角的依赖关系确定各像元对应的第二大气参数；根据所述对地观测载荷相机的辐射定标参数获取各像元对应的表观辐亮度；在对地载荷图像不包含云信息的情况下，根据所述表观辐亮度和所述第二大气参数获取地表综合反射率；确定所述地表目标物像元周围的背景反射率；基于所述第二大气参数、所述地表综合反射率和所述背景反射率获取所述地表目标物的反射率。

如上所述的方法，其中，可选的，所述通过所述经纬度信息获得所述对地载荷图像中的各像元同步对应的气溶胶信息、水汽信息，包括：根据时间信息，针对对地载荷图像匹配相同成像时间的第一大气参数，获得匹配所述第一大气参数之后的第一图像信息；逐像元解析所述第一图像，获得所述对地载荷图像的各像元对应的经纬度信息；基于所述经纬度信息获得同步第一大气参数信息中与各像元匹配的气溶胶信息、水汽信息。

如上所述的方法，其中，可选的，所述基于所述经纬度信息获得同步第一大气参数信息中与各像元匹配的气溶胶信息、水汽信息，包括：基于所述经纬度信息，将第一大气参数信息中的气溶胶信息、水汽信息之一或者组合通过插值法匹配给所述对地载荷图像的各像元。

如上所述的方法，其中，可选的，所述根据所述对地观测载荷相机的辐射定标参数获取各像元对应的表观辐亮度，包括：获取所述对地观测载荷相机的辐射定标参数；建立所述辐射定标参数、各像元的灰度值以及表观辐亮度之间关系的第一关系；基于所述第一关系，获取各像元对应的表观辐亮度。

如上所述的方法，其中，可选的，所述第二大气参数包括上行大气透过率T(θ

通过下式获取地表综合反射率：

其中：L为表观辐亮度；F

如上所述的方法，其中，可选的，所述确定所述地表目标物像元周围的背景反射率，包括：

根据所述对地观测载荷相机的分辨率计算反映邻近像元和目标像元之间相互影响的大气点扩散函数权重；基于所述大气点扩散函数权重和各像元的地表综合反射率确定所述地表目标物中各像元周围的背景反射率。

如上所述的方法，其中，可选的，所述第二大气参数包括大气漫射透过率、大气直射透过率；所述基于所述第二大气参数、所述地表综合反射率和所述背景反射率获取所述地表目标物的反射率，包括：将所述大气漫射透过率和所述大气直射透过率之比确定为第一校正系数；利用设定关系实现所述对地载荷图像的各像素元的地表综合反射率的校正进而获取地表目标物的反射率，所述设定关系如下：

ρ

其中，ρ

如上所述的方法，其中，可选的，所述预设的大气校正查找表包括：分别对应所述地观测载荷相机各个光谱谱段的子查找表；所述子查找表的构建过程如下：

确定预构建子查找表对应的光谱谱段、光谱响应函数、气溶胶传输模型；设置参数项，所述参数项包括气溶胶信息、水汽信息、太阳天顶角、观测天顶角和相对方位角；基于所述光谱谱段、所述光谱响应函数、所述气溶胶传输模型模拟计算所述第二大气参数随所述参数项之一或者组合变化的结果；根据模拟计算结果、所述气溶胶信息、所述水汽信息、所述太阳天顶角、所述观测天顶角和所述相对方位角构建所述子查找表。

如上所述的方法，其中，可选的，在对地载荷图像包含云信息的情况下，则基于所述表观辐亮度获取表观反射率。

本申请的另一实施例提供了一种基于遥感影像获取地表目标物反射率的系统，包括：

搭载在同一颗卫星上的第一仪器和对地观测载荷相机，所述第一仪器和所述对地观测载荷相机同步获取第一大气参数信息和对地载荷图像；所述第一大气参数信息包括经纬度信息、气溶胶信息、水汽信息；

第一处理设备，用于接收所述第一仪器和所述对地观测载荷相机的信息，并通过所述经纬度信息获得所述对地载荷图像中的各像元同步对应的气溶胶信息、水汽信息；

第二处理设备，用于根据预设的大气校正查找表确定各像元对应的第二大气参数；其中：所述预设的大气校正查找表用于根据所述第二大气参数对气溶胶信息、水汽信息、太阳天顶角、观测天顶角和相对方位角的依赖关系确定各像元对应的第二大气参数；

第三处理设备，用于根据所述对地观测载荷相机的辐射定标参数获取各像元对应的表观辐亮度；

第四处理设备，用于在对地载荷图像不包含云信息的情况下，根据所述表观辐亮度和所述第二大气参数获取地表综合反射率；确定所述地表目标物像元周围的背景反射率；基于所述第二大气参数、所述地表综合反射率和所述背景反射率获取所述地表目标物的反射率。

与现有技术相比，本申请在实施过程中，通过搭载在同一颗卫星上的第一仪器和对地观测载荷相机同步获取的第一大气参数信息和对地载荷图像作为基于遥感影像获取地表目标物反射率的数据，保证了数据的可靠性，同时，在数据处理过程中，根据预设的大气校正查找表确定各像元对应的第二大气参数；其中：所述预设的大气校正查找表用于根据所述第二大气参数对气溶胶信息、水汽信息、太阳天顶角、观测天顶角和相对方位角的依赖关系确定各像元对应的第二大气参数；根据所述对地观测载荷相机的辐射定标参数获取各像元对应的表观辐亮度；在对地载荷图像不包含云信息的情况下，根据所述表观辐亮度和所述第二大气参数获取地表综合反射率；确定所述地表目标物像元周围的背景反射率；基于所述第二大气参数、所述地表综合反射率和所述背景反射率获取所述地表目标物的反射率，提高了处理结果的图像清晰度和图像质量，保证了得到的地表目标物的反射率的真实性和准确性，即保证对地载荷图像反映地表真实反射率的真实性和准确性。

附图说明

图1是本申请提供的一种基于遥感影像获取地表目标物反射率方法的流程示意图；

图2是针对城镇地区的遥感影像处理前和处理后的比较结果示意图；

图3是针对乡村地区的遥感影像处理前和处理后的比较结果示意图；

图4是遥感影像处理前和处理后的地表目标物(植被)光谱反射率及标准地物波谱发射率曲线的比较示意图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

如1为一种基于遥感影像获取地表目标物反射率方法的流程示意图，如图1所示，本申请的实施例提供了一种基于遥感影像获取地表目标物反射率方法，包括：

S1，在同一颗卫星上的第一仪器和对地观测载荷相机同步获取第一大气参数信息和对地载荷图像；所述第一大气参数信息包括经纬度信息、气溶胶信息、及水汽信息。

具体的，地球大气的组成在各个区域是不同的，且随时在变化，特别是水汽和气溶胶随时间和空间变化较大，是大气中主要的不确定因素。为实现较高的对地载荷图像校正精度水平，本申请通过在同一颗卫星上的第一仪器和对地观测载荷相机同步获取的第一大气参数信息和对地载荷图像为前提。

所采用的对地观测载荷相机，示例性的为宽幅多光谱相机、高光谱相机、红外相机，本申请可以为宽幅多光谱相机，其相机分辨率16m，幅宽800km，全视场62.6°，通过该相机获得的是宽幅大视场对地载荷图像。由于视场比较大，该相机观测天顶角和观测方位角是随像元变化的，并且在整个幅宽内，随着地理位置的变化，太阳天顶角和太阳方位角也是变化的，观测天顶角和观测方位角、太阳天顶角和太阳方位角的不同会导致大气传输路径长短不同，进而导致气溶胶光学厚度和水汽含量等大气参数是变化的，即经纬度信息、气溶胶信息、及水汽信息是随像元变化的，故需要第一仪器同步获取。所采用的第一仪器为大气校正仪，用于同步获取较高精度的大气参数，大气参数示例性的包括经纬度信息、气溶胶信息、及水汽信息等。

S2，通过所述经纬度信息获得所述对地载荷图像中的各像元同步对应的气溶胶信息、水汽信息；

具体的，根据时间信息，针对对地载荷图像匹配相同成像时间的第一大气参数，获得匹配所述第一大气参数之后的第一图像信息；然后逐像元解析所述第一图像，获得所述对地载荷图像的各像元对应的经纬度信息；并基于所述经纬度信息获得同步第一大气参数信息中与各像元匹配的气溶胶信息、水汽信息。

在具体实施的时候，宽幅多光谱图像产品数据和大气校正仪的产品数据都是分景保存的，它们每景幅宽相同。根据待校正宽幅多光谱图像数据的成像日期、时间，匹配相同成像时间的大气校正仪数据，实现分景匹配。

读取宽幅多光谱图像对应的rpb文件，基于有理函数模型，解析获得多光谱图像每个像元的经纬度信息和经纬度信息。

大气校正仪获得的气溶胶、水汽参数是保存在H5文件中的，气溶胶信息、水汽信息和经纬度信息是一一对应的，根据宽幅多光谱图像每个像元的经纬度信息和大气校正仪数据的经纬度信息，将大气校正仪获得的大气参数逐像元匹配到宽幅多光谱图像上。

S3，根据预设的大气校正查找表确定各像元对应的第二大气参数；其中：所述预设的大气校正查找表用于根据所述第二大气参数对气溶胶信息、水汽信息、太阳天顶角、观测天顶角和相对方位角的依赖关系确定各像元对应的第二大气参数；

S4，根据所述对地观测载荷相机的辐射定标参数获取各像元对应的表观辐亮度；

S5，在对地载荷图像不包含云信息的情况下，根据所述表观辐亮度和所述第二大气参数获取地表综合反射率；确定所述地表目标物像元周围的背景反射率；基于所述第二大气参数、所述地表综合反射率和所述背景反射率获取所述地表目标物的反射率。

本申请通过以上过程，通过搭载在同一颗卫星上的第一仪器和对地观测载荷相机同步获取的第一大气参数信息和对地载荷图像作为基于遥感影像获取地表目标物反射率的数据，保证了数据的准确性，同时，在数据处理过程中，根据预设的大气校正查找表确定各像元对应的第二大气参数；其中：所述预设的大气校正查找表用于根据所述第二大气参数对气溶胶信息、水汽信息、太阳天顶角、观测天顶角和相对方位角的依赖关系确定各像元对应的第二大气参数；根据所述对地观测载荷相机的辐射定标参数获取各像元对应的表观辐亮度；在对地载荷图像不包含云信息的情况下，根据所述表观辐亮度和所述第二大气参数获取地表综合反射率；确定所述地表目标物像元周围的背景反射率；基于所述第二大气参数、所述地表综合反射率和所述背景反射率获取所述地表目标物的反射率，提高了处理结果的图像清晰度和图像质量，保证了得到的地表目标物的真实反射率，即保证对地载荷图像反映地表真实反射率的真实性。

考虑到大气特性在一定空间内变化不大，目前一般大气校正仪的空间分辨率是km级的，而对地载荷宽幅多光谱图像的空间分辨率是m级的，故将大气校正仪的部分或者全部信息通过插值法逐像元匹配到宽幅多光谱图像上。即基于所述经纬度信息，将第一大气参数信息中的气溶胶信息、水汽信息之一或者组合通过插值法匹配给所述对地载荷图像的各像元。

进一步的，步骤S4所述根据所述对地观测载荷相机的辐射定标参数获取各像元对应的表观辐亮度，包括：

获取所述对地观测载荷相机的辐射定标参数；建立所述辐射定标参数、各像元的灰度值以及表观辐亮度之间关系的第一关系；基于所述第一关系，获取各像元对应的表观辐亮度。

具体的，对地观测载荷相机，如本申请的多光谱相机，具有辐射定标参数，对地观遥感影像每个像元对应有图像像元灰度值，建立所述辐射定标参数、各像元的灰度值以及表观辐亮度之间关系的第一关系如下：

L＝A·DN+C

上式中，DN为对地观遥感影像每个谱段的每个像元的灰度值，A为地观测载荷相机辐射定标系数的斜率，C为辐射定标系数的截距，L为转化得到的多光谱图像表观辐亮度。

进一步的，第二大气参数示例性的包括上行大气透过率、下行大气透过率、大气直射透过率、大气漫射透过率、半球反照率、程辐射和地表辐照度等，各像元对应的第二大气参数根据预设的大气校正查找表确定，所述预设的大气校正查找表用于根据所述第二大气参数对气溶胶信息、水汽信息、太阳天顶角、观测天顶角和相对方位角的依赖关系确定各像元对应的第二大气参数；在具体实施的时候，所述预设的大气校正查找表包括：分别对应所述地观测载荷相机各个光谱谱段的子查找表。

而所述子查找表的构建过程如下：

确定预构建子查找表对应的光谱谱段、光谱响应函数、气溶胶传输模型；设置参数项，所述参数项包括气溶胶信息、水汽信息、太阳天顶角、观测天顶角和相对方位角；基于所述光谱谱段、所述光谱响应函数、所述气溶胶传输模型模拟计算所述第二大气参数随所述参数项之一或者组合变化的结果；根据模拟计算结果、所述气溶胶信息、所述水汽信息、所述太阳天顶角、所述观测天顶角和所述相对方位角构建所述子查找表。

子查找表的构建在以上框架下本领域技术人员可以按需展开，在此并不作进一步详细阐述。

步骤S5所述根据所述表观辐亮度和所述第二大气参数获取地表综合反射率，具体包括：通过下式获取地表综合反射率：

其中：L为表观辐亮度；L

步骤S5所述确定所述地表目标物像元周围的背景反射率，包括：

根据所述对地观测载荷相机的分辨率计算反映邻近像元和目标像元之间相互影响的大气点扩散函数权重；基于所述大气点扩散函数权重和各像元的地表综合反射率确定所述地表目标物中各像元周围的背景反射率。

具体的，邻近像元和目标像元之间相互影响是邻近效应(Adjacency Effect)引起的，可以理解的，邻近效应是指遥感中非观测目标反射的光子，再经大气的散射而达到传感器的现象，也称为大气的交叉辐射(Cross Radiance)。这使得高空平台上遥感器对地观测到的表观辐射量含有来自视场周围环境地表的贡献，造成图像模糊并降低遥感图像的实际分辨率和定量化精度。影响邻近效应的三个主要因子为：对地观测载荷相机的分辨率、大气参数以及卫星观测几何条件。故邻近像元的影响可以看作目标表面的辐射场和大气点扩散函数的卷积，可以根据多光谱相机的空间分辨率，计算大气点扩散函数的权重函数，进而确定各像元的地表综合反射率：

上式中，ρ

进一步的，所述第二大气参数包括大气漫射透过率、大气直射透过率；步骤S5所述基于所述第二大气参数、所述地表综合反射率和所述背景反射率获取所述地表目标物的反射率，包括：

将所述大气漫射透过率和所述大气直射透过率之比确定为第一校正系数；利用设定关系实现所述对地载荷图像的各像素元的地表综合反射率的校正进而获取地表目标物的反射率，所述设定关系如下：

ρ

其中，ρ

本申请通过步骤S5对来源于步骤S1且经过步骤S2至步骤S4初步处理的对地载荷图像信息，即各像元对应的表观辐亮度进行了进一步处理，整体达到可以有效的提高遥感图像的对比度和清晰度，色彩更加鲜艳真实，更好的呈现图像的细节，以保证获取的地表目标物反射率的效果，针对城镇地区的遥感影像处理前和处理后的比较结果如图2所示,其中，左图为未处理城镇地区遥感影像图像，右侧为已处理城镇地区遥感影像图像；针对乡村地区的遥感影像处理前和处理后的比较结果如图3所示，左图为未处理乡村地区遥感影像图像，右侧为已处理乡村地区遥感影像图像。而遥感影像处理前和处理后的地表目标物(植被)光谱反射率及标准地物波谱发射率曲线的比较如图4所示。

进一步的方法还包括：在对地载荷图像包含云信息的情况下，则基于所述表观辐亮度获取表观反射率。

可以理解的，在对地载荷图像包含云信息的情况下，则不能获得地表目标物反射率，此时基于所述表观辐亮度获取表观反射率作为地载荷图像的一种处理结果。对地载荷图像是否包含云信息可以在获取各像元对应的表观辐亮度后，根据各像元对应的表观辐亮度进行判断。判断过程本领域技术人员可以按需展开，在此不再赘述。

本申请实施例还提供了一种基于遥感影像获取地表目标物反射率的系统，包括：

搭载在同一颗卫星上的第一仪器和对地观测载荷相机，所述第一仪器和所述对地观测载荷相机同步获取第一大气参数信息和对地载荷图像；所述第一大气参数信息包括经纬度信息、气溶胶信息、水汽信息；

第一处理设备，用于接收所述第一仪器和所述对地观测载荷相机的信息，并通过所述经纬度信息获得所述对地载荷图像中的各像元同步对应的气溶胶信息、水汽信息；

第二处理设备，用于根据预设的大气校正查找表确定各像元对应的第二大气参数；其中：所述预设的大气校正查找表用于根据所述第二大气参数对气溶胶信息、水汽信息、太阳天顶角、观测天顶角和相对方位角的依赖关系确定各像元对应的第二大气参数；

第三处理设备，用于根据所述对地观测载荷相机的辐射定标参数获取各像元对应的表观辐亮度；

第四处理设备，用于在对地载荷图像不包含云信息的情况下，根据所述表观辐亮度和所述第二大气参数获取地表综合反射率；确定所述地表目标物像元周围的背景反射率；基于所述第二大气参数、所述地表综合反射率和所述背景反射率获取所述地表目标物的反射率。

本系统可以有效的提高处理得到的遥感影像图像的对比度和清晰度，色彩更加鲜艳真实，更好的呈现图像的细节，以保证获取的地表目标物反射率的效果。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本申请的保护范围内。