一种基于BRDF模型的卫星高频次场地定标方法

技术领域

本发明属于遥感卫星场地绝对辐射定标技术领域，涉及一种基于BRDF模型的卫星高频次场地定标方法。

背景技术

绝对辐射定标是遥感卫星定量化应用的基础和前提。我国陆地观测卫星由于没有可靠的星上定标系统，采用的是基于辐射校正场的场地定标方法。反射率基法是最常用、最有效的可见光近红外通道在轨辐射场地定标方法，即在卫星过境同时，进行场地反射率测量和大气参数测量，将这些同步测量数据输入辐射传输模型模拟计算，获得卫星过境时入瞳处的辐亮度，通过与卫星图像的DN值对比获得绝对辐射定标系数。

卫星发射后，受太空辐射的影响，卫星辐射性能随时间逐渐衰减。为了监测这种辐射性能的衰减变化规律，同时，为了实时获取不同时间段内的绝对辐射定标系数，以便促进遥感卫星的定量化应用，需要遥感卫星在轨运行期间实现高频次的绝对辐射定标。国外遥感卫星(如美国的MODIS、Landsat卫星和欧空局的Sentinel卫星等)一般采用星上定标方式，其定标频次优于每月一次。我国陆地观测卫星由于没有成熟可靠的星上定标系统，通常采用的是基于辐射定标场的定标方法。该方法由于需要人工获取卫星过定标场地时的实时测量数据，其定标频次每年一般只有1-2次，这难以满足卫星辐射性能监测对定标频次的需求。与国外遥感卫星采用星上定标模式随时更新定标系数相比，国产卫星在定标频次和定标精度方面存在较大差距。

利用场地定标实现高频次定标，需要实时获得卫星所有过定标场地时刻的场地同步测量数据，即大气参量和地表反射参量。大气参量有成熟的自动观测仪器(如CE318)获得实时观测数据，但地表反射率数据由于测量过程要求较高，目前还没有完全成熟的商业化地表反射率自动观测仪器，这严重制约了地表反射率数据的实时获取，从而难以实现高频次的场地定标。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，为解决地表反射率实时获取问题，提出一种基于BRDF模型的卫星高频次场地定标方法，解决了定标场地表反射率实时获取的难题，同时结合定标场地大气自动观测仪器获取的测量数据，实现了国产遥感卫星的长时间序列高频次定标。

本发明解决技术的方案是：一种基于BRDF模型的卫星高频次场地定标方法，包括以下步骤：

S1、在定标场地选取卫星的多个观测点，测量每个观测点的方向反射率曲线，利用测量的方向反射率曲线，计算卫星在每个观测点上各工作波段的方向反射率，记录每个观测点方向反射率曲线的测量时刻，获取测量时刻的太阳天顶角和太阳方位角；所述每个观测点由不同卫星观测方位角和卫星观测天顶角确定；所述方向反射率曲线横坐标为光谱仪的测量波长，单位为纳米，纵坐标为测量波长对应的反射率；

S2、利用每个观测点对应的卫星观测方位角、卫星观测天顶角、太阳天顶角、太阳方位角以及各工作波段的方向反射率，构建定标场地内卫星各工作波段的BRDF模型；

S3、利用BRDF模型计算卫星过境时刻各工作波段的方向反射率；所述过境时刻为卫星过定标场地上空的时刻；

S4、实时测量定标场地的大气数据，以所述大气数据、卫星过境时刻各工作波段的方向反射率、卫星观测方位角、卫星观测天顶角、太阳天顶角、太阳方位角为输入，利用已有的大气辐射传输模型，计算卫星绝对辐射定标系数；

S5、在定标场地地物稳定期内，当有卫星过境定标场地且天气晴朗时，重复S3～S4，对卫星进行高频次绝对辐射定标。

进一步的，S1计算卫星在每个观测点上各工作波段的方向反射率，具体为：

选择定标场地内某一固定观测区域，利用光谱仪获取每个观测点的方向反射率曲线：首先固定一个卫星观测天顶角θ

然后再固定另外一个卫星观测天顶角θ

获取卫星各工作波段的光谱响应曲线；

将每个观测点的方向反射率曲线都与卫星各工作波段的光谱响应曲线进行卷积计算，得到卫星在每个观测点上各工作波段的方向反射率。

进一步的，S2具体为：

S210、构建Ross-Li BRDF模型，如下式所示：

其中，λ表示卫星某个波段的光谱范围；

S220、计算每个观测点对应的体散射核

S230、重复S220，得到卫星各工作波段下的f

进一步的，所述体散射核

其中，

进一步的，所述几何光学散射核

其中，

进一步的，S3具体为：

获取卫星过定标场地时刻的卫星观测方位角、卫星观测天顶角、太阳天顶角、太阳方位角，计算出对应的体散射核

进一步的，S4所述大气辐射传输模型包括6S大气辐射传输模型、MODTRAN大气辐射传输模型之一。

进一步的，S4所述定标场地的大气数据，包括大气气溶胶光学厚度、水汽含量。

进一步的，S4所述计算卫星绝对辐射定标系数，具体为：

利用大气辐射传输模型模拟计算出卫星入瞳处的辐亮度值，获取卫星过境时刻拍摄的卫星图像上定标场地区域的DN值，由卫星入瞳处的辐亮度值除以所述定标场地区域的DN值，得到卫星绝对辐射定标系数。

进一步的，当定标场地地表发生变化时，在定标场地地表处于下一个稳定期内，重复S1～S4，重新测量方向反射率以及对应的卫星观测方位角、卫星观测天顶角、太阳天顶角、太阳方位角并重新构建定标场地BRDF模型，用于定标场地稳定的新周期内卫星绝对辐射定标。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明利用地表稳定均一的辐射定标场，通过构建定标场地BRDF模型，并利用场地实测的大气观测数据，实现定标场地地物稳定不变时期内的长时间序列多次定标。解决了以往人工进行场地反射率测量时，受天气、人力和物力等条件限制，一般每年只能进行1-2次定标的局限，实现了在定标场地地物稳定期内，只要卫星过境且天气晴好的情况下都可以进行定标的目标，从而可以大大提高遥感卫星的定标频次，对卫星辐射性能的高频次监测具有重要意义，同时，可以大大节省场地定标的人力物力。

附图说明

图1为本发明实施例绝对辐射定标计算流程图；

图2为本发明实施例定标场地方向反射率测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1

定标场地一般为比较均一的自然地物，例如位于敦煌戈壁的国家级辐射定标场，在一定时间范围内(一般每年的7-9月)，场地的地物均一稳定，则其方向反射特性可认为在该时间范围内是稳定不变的。因此，可以测量并建立该时间段内的BRDF模型，利用BRDF模型及卫星过境时的太阳和卫星的观测几何数据，便可计算卫星过境时地表的方向反射率(即卫星观测的方向反射率)，而不必在卫星过境时进行实地的反射率测量。利用BRDF模型在该时间段内可以计算任一过境时刻的地表方向反射率，从而可以实现长时间序列多次定标。

如图1所示，本发明所述的一种基于BRDF模型的卫星高频次场地定标方法，具体包括以下步骤：

S1、在定标场地内选取卫星的多个观测点，测量每个观测点的方向反射率曲线，利用测量的方向反射率曲线，计算卫星在每个观测点上各工作波段的方向反射率，记录每个观测点方向反射率曲线的测量时刻，获取测量时刻的太阳天顶角和太阳方位角；所述每个观测点由不同卫星观测方位角和卫星观测天顶角确定；所述方向反射率曲线横坐标为光谱仪的测量波长，单位为纳米，纵坐标为测量波长对应的反射率。

如图2所示，选择均匀场地中某一固定区域，利用光谱仪在卫星的不同观测方位角和观测天顶角进行方向反射率曲线测量，每测量一个方向反射率曲线，需同时记录测量时间，根据测量时间确定方向反射率曲线测量时刻的太阳天顶角和太阳方位角。

本发明实施例测量每个观测点的方向反射率曲线，进而计算卫星在每个观测点上各工作波段的方向反射率的过程具体为：

110、首先固定一个卫星观测天顶角θ

120、然后再固定另外一个卫星观测天顶角θ

130、获取卫星各工作波段的光谱响应曲线；

140、将每个观测点的方向反射率曲线都与卫星各工作波段的光谱响应曲线进行卷积计算，得到卫星在每个观测点上各工作波段的方向反射率。

根据方向反射率曲线测量时刻、观测区域中心点的经纬度坐标和高程，计算获取方向反射率曲线测量时刻的太阳天顶角和太阳方位角。

S2、利用每个观测点对应的卫星观测方位角、卫星观测天顶角、太阳天顶角、太阳方位角以及各工作波段的方向反射率，构建定标场地内卫星各工作波段的BRDF模型。

BRDF模型(Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF)描述了入射光线经过某个表面反射后如何在各个出射方向上分布。Ross-Li BRDF模型被称为核驱动模型，它将具有不同物理意义的物理模型(如辐射传输模型、几何光学模型)作为核进行了线性组合，使模型既有一定的物理意义，又易于进行求解，很快成为研究和应用最为广泛的BRDF模型。Ross-li模型已被用于MODIS的BRDF产品的业务化生产中。只要获得了定标场地的一定数量的多角度方向反射率观测数据，及其对应的卫星和太阳的观测几何，便可以构建该地表的BRDF模型。

本实施例中，构建定标场地内卫星各工作波段的BRDF模型，具体为：

S210、构建Ross-Li BRDF模型，如下式所示：

其中，λ表示卫星某个波段的光谱范围；

公式(1)中，体散射核

其中，

公式(1)中，几何光学散射核

其中，

S220、计算每个观测点对应的体散射核

S230、重复S220，得到卫星各工作波段下的f

S3、利用BRDF模型计算卫星过境时刻各工作波段的方向反射率；所述过境时刻为卫星过定标场地上空的时刻。

利用已构建的BRDF模型，获取卫星过定标场地时刻的卫星观测方位角、卫星观测天顶角、太阳天顶角、太阳方位角，计算出对应的体散射核

本实施例中，卫星具有4个波段的光谱范围，每个波段都对应一组BRDF拟合参数(f

S4、实时测量定标场地的大气数据，以所述大气数据、卫星过境时刻各工作波段的方向反射率、卫星观测方位角、卫星观测天顶角、太阳天顶角、太阳方位角为输入，利用已有的大气辐射传输模型，计算卫星绝对辐射定标系数。

进行卫星场地定标除了需要方向反射率这一重要参量外，还需要测量卫星过境时的大气数据，目前有成熟的专业仪器，可以部署在野外全天候进行测量。本发明利用大气测量仪器实时测量定标场地的大气气溶胶光学厚度、水汽含量。

利用大气辐射传输模型模拟计算出卫星入瞳处的辐亮度值，获取卫星过境时刻拍摄的卫星图像上定标场地区域的DN值，由卫星入瞳处的辐亮度值除以所述定标场地区域的DN值，得到卫星绝对辐射定标系数。

所述大气辐射传输模型可以采用6S(Second Simulation of Satellite Signalin the Solar Spectrum)大气辐射传输模型或者MODTRAN(MODerate spectralresolution atmospheric TRANsmittance)大气辐射传输模型。

S5、在定标场地地物稳定期内，当有卫星过境定标场地且天气晴朗时，重复S3～S4，对卫星进行高频次绝对辐射定标。

当定标场地地表发生变化时，则原来构建的BRDF模型不再适用，需在定标场地地表处于下一个稳定期内，重复S1～S4，重新测量方向反射率以及对应的卫星观测方位角、卫星观测天顶角、太阳天顶角、太阳方位角并重新构建定标场地BRDF模型，从而用于定标场地稳定的新周期内卫星绝对辐射定标。

本发明解决了定标场地表反射率实时获取的难题，同时结合定标场地大气自动观测仪器获取的测量数据，实现了国产遥感卫星高频次长时间序列定标。解决了以往人工进行场地反射率测量时，受天气、人力和物力等条件限制，一般每年只能进行1-2次定标的局限。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。