專(zhuān)利名稱(chēng)：地表反照率反演方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及遙感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種地表反照率反演方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在眾多地表參數(shù)中，地表雙向反射分布函數(shù)(BidirectionalReflectance Distribution Function, BRDF)/反照率的準(zhǔn)確遙感反演從狹義上講常常是準(zhǔn)確估算其他 陸地表面參數(shù)如植被參數(shù)、土地利用和土地覆蓋的先決條件。因此，作為影響地球氣候系統(tǒng) 的關(guān)鍵變量，地表反照率是數(shù)值氣候模型和地表能量平衡方程中的一個(gè)重要參數(shù)。準(zhǔn)確計(jì) 算下墊面反照率可以揭示局地和區(qū)域氣候變化的內(nèi)在機(jī)制，可以更好的對(duì)生態(tài)系統(tǒng)模型進(jìn) 行參數(shù)化，提高中、長(zhǎng)期氣候預(yù)報(bào)的水平。雖然地表BRDF/反照率遙感反演具有非常重要的 意義，但是在BRDF/反照率反演過(guò)程中，面臨主要的問(wèn)題表現(xiàn)在1)傳感器獲得的多角度的地表二向反射率數(shù)據(jù)利用效率低，如何協(xié)同利用多源遙 感數(shù)據(jù)有待加強(qiáng)BRDF反演需要多個(gè)角度的信息，且反照率作為所有短波反射能量與入射能量之 比，包括地表半球空間所有方向的反射能量。多數(shù)情況下由于方向反射的原因，不同方 向地表反射率不同，不同地表組成，在各方向的反射率也有差異，故精確進(jìn)行地表BRDF/ 反照率遙感反演需要所有半球方向的多角度的地表二向反射率數(shù)據(jù)。而這對(duì)于遙感技 術(shù)是較難實(shí)現(xiàn)的。目前大多數(shù)傳感器只在一個(gè)方向進(jìn)行觀(guān)測(cè)。即使是對(duì)于大視場(chǎng)傳感 器，在假定地表短期變化不大的情況下，利用同一地表目標(biāo)的多時(shí)相的重復(fù)觀(guān)測(cè)可以獲 取多個(gè)角度的信息。但是所需周期較長(zhǎng)，如中分辨率成像光譜儀(Moderate-Resolution ImagingSpectroradiometer,M0DIS)需要半個(gè)月的時(shí)間生成BRDF/反照率的產(chǎn)品。而且由 于時(shí)間跨度大，很難保證地表的不變性。雖然如此，即使將所有角度都用上也 無(wú)法滿(mǎn)足直接 進(jìn)行反照率提取的需求。多源數(shù)據(jù)融合有待加強(qiáng)，充分利用多光譜信息，將多角度遙感信息 與多光譜遙感信息相結(jié)合。2)波譜信息利用形式單一，與多角度數(shù)據(jù)結(jié)合有待加強(qiáng)地表反照率還是全波段光譜反照率之和，但是目前傳感器觀(guān)測(cè)地表的波段數(shù)據(jù)有 限，傳感器無(wú)法覆蓋全波段，因此用有限的波段去計(jì)算全波段的反照率具有比較大的誤差。 在全波段反照率獲取時(shí)，最早的掃描輻射儀AVHRR。只能提供兩個(gè)可用波段，MSS四個(gè)波段， 目前專(zhuān)題繪圖儀(Thematic Mapper, TM)可以提高到6個(gè)波段，即使是MODIS也只能提供20 個(gè)波段。目前的BRDF/反照率(ALBEDO)模型主要是針對(duì)傳感器設(shè)置波段，反演時(shí)也是分別 實(shí)施，而沒(méi)有充分利用多光譜信息的優(yōu)勢(shì)，而不同傳感器之間波段設(shè)置區(qū)域與響應(yīng)的差距 也給在多源遙感數(shù)據(jù)協(xié)同反演時(shí)帶來(lái)困難，使得來(lái)自不同平臺(tái)傳感器的數(shù)據(jù)不能有效地結(jié) 合，如何有效的綜合利用多角度多光譜的遙感數(shù)據(jù)還有待于加強(qiáng)，因?yàn)閮烧呓Y(jié)合可為我們 提供更多的關(guān)于植被本身的信息，也可以在反演中降低對(duì)多角度的地表二向反射率數(shù)據(jù)量 的要求。3)地表的二向反射獲取
目前雖有比較多的模型來(lái)描述地表的二向反射特性。但由于觀(guān)測(cè)方向的有限性， 目前很難精確進(jìn)行地表二向反射的獲取。目前物理模型有些過(guò)于復(fù)雜，參數(shù)反演較為困難。 作為半經(jīng)驗(yàn)的核驅(qū)動(dòng)模型也需要多角度的地表二向反射率數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行迭代運(yùn)算獲取模 型的參數(shù)，運(yùn)算量大而且不太穩(wěn)定?？偠灾?，地表BRDF/反照率遙感反演需要多角度信息的支持，目前只能通過(guò)多 角度/大視場(chǎng)傳感器如MODIS、POLDER、MISR等實(shí)現(xiàn)。單一傳感器利用多角度信息進(jìn)行的 BRDF/反照率遙感反演往往具有信息量不足，反演精度不能滿(mǎn)足要求，特別是在多角度的地 表二向反射率數(shù)據(jù)角度分布不合理?xiàng)l件下，反演存在極大的風(fēng)險(xiǎn)性，有時(shí)會(huì)生成極端錯(cuò)誤 的結(jié)果；同時(shí)由于傳感器波段設(shè)置的局限，單一的傳感器往往不能覆蓋全波段，用極有限的 波段求取全波段的地表反照率也具有比較大的誤差。在獲取寬波段反照率時(shí)需要將反演得 到的窄波段反照率轉(zhuǎn)化到寬波段上，目前針對(duì)這個(gè)問(wèn)題多數(shù)研究采用了給定經(jīng)驗(yàn)權(quán)重的算 法，這一過(guò)程無(wú)疑又會(huì)帶來(lái)額外的誤差，而且權(quán)重系數(shù)也隨不同地表類(lèi)型及不同衛(wèi)星而變 化，不同學(xué)者給出的結(jié)果也存在較大的差異，地域性很強(qiáng)，難以推廣，同時(shí)這種差異性也制 約著綜合利用多源遙感數(shù)據(jù)協(xié)同反演，不能更好的綜合利用有限的數(shù)據(jù)資源。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何解決觀(guān)測(cè)信息量不足，傳統(tǒng)算法中窄波段向?qū)挷?段轉(zhuǎn)化誤差很大，以及遙感數(shù)據(jù)利用率低的問(wèn)題。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種地表反照率反演方法，包括以下步驟Sl 通過(guò)觀(guān)測(cè)衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)上的每個(gè)像元獲取多角度的地表二向反射率數(shù)據(jù)；S2 根據(jù)所述遙感數(shù)據(jù)中每個(gè)像元的地表類(lèi)型，從先驗(yàn)波譜知識(shí)庫(kù)選擇對(duì)應(yīng)的組 份波譜數(shù)據(jù)，所述先驗(yàn)波譜知識(shí)庫(kù)為存儲(chǔ)地表類(lèi)型和對(duì)應(yīng)的組份波譜數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，所述 組份波譜數(shù)據(jù)為連續(xù)的；S3 針對(duì)不同傳感器的波段設(shè)置，將所述組份波譜數(shù)據(jù)積分到對(duì)應(yīng)波段；S4 從所述遙感數(shù)據(jù)中讀取觀(guān)測(cè)幾何數(shù)據(jù)，所述觀(guān)測(cè)幾何數(shù)據(jù)包括太陽(yáng)天頂角、 觀(guān)測(cè)天頂角和太陽(yáng)與衛(wèi)星的相對(duì)方位角；S5:根據(jù)所述多角度的地表二向反射率數(shù)據(jù)與經(jīng)過(guò)積分處理后的組份波譜數(shù)據(jù)以 及所述觀(guān)測(cè)幾何數(shù)據(jù)代入線(xiàn)性方程，構(gòu)建線(xiàn)性方程組，所述線(xiàn)性方程中包括核系數(shù)和核函 數(shù)；S6:通過(guò)最小二乘法解得所述線(xiàn)性方程組的核系數(shù)，根據(jù)所述線(xiàn)性方程的核系數(shù) 和核函數(shù)，計(jì)算黑半球波譜反照率、白半球波譜反照率、以及真實(shí)地表波譜反照率；S7 根據(jù)所述線(xiàn)性方程的核系數(shù)和核函數(shù)、及總下行輻射量的波譜分布，計(jì)算任意 波段范圍內(nèi)的黑半球?qū)挷ǘ畏凑章?、白半球?qū)挷ǘ畏凑章?、以及真?shí)寬波段反照率。其中，步驟S2中所述地表類(lèi)型包括植被、土壤、水體和雪。 其中，在步驟S3中通過(guò)下式進(jìn)行積分R1 = \Ae'f (A)-R(A)ClA
'^si
其中，i表示第i個(gè)波段，λ si和λ ei分別為第i個(gè)波段的起始波長(zhǎng)和終止波長(zhǎng)， f(x)為對(duì)應(yīng)傳感器的波譜響應(yīng)函數(shù)，RU)為連續(xù)的組份波譜數(shù)據(jù)，Ri為經(jīng)過(guò)積分處理的 組份波譜數(shù)據(jù)。其中，步驟S5中所述的線(xiàn)性方程為R( θ θ ν，φ, λ) = C1 · Ic1U^c2 · k2U)+c3 · k3( θ ρ θ ν，φ, X)+c4 · k4( θ ρ θν，φ,入)+(5.、(9” θν, φ, λ)其中，
權(quán)利要求
1.一種地表反照率反演方法，其特征在于，包括以下步驟s1通過(guò)觀(guān)測(cè)衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)上的每個(gè)像元獲取多角度的地表二向反射率數(shù)據(jù)；s2根據(jù)所述遙感數(shù)據(jù)中每個(gè)像元的地表類(lèi)型，從先驗(yàn)波譜知識(shí)庫(kù)選擇對(duì)應(yīng)的組份波 譜數(shù)據(jù)，所述先驗(yàn)波譜知識(shí)庫(kù)為存儲(chǔ)地表類(lèi)型和對(duì)應(yīng)的組份波譜數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，所述組份 波譜數(shù)據(jù)為連續(xù)的；s3針對(duì)不同傳感器的波段設(shè)置，將所述組份波譜數(shù)據(jù)積分到對(duì)應(yīng)波段；s4從所述遙感數(shù)據(jù)中讀取觀(guān)測(cè)幾何數(shù)據(jù)，所述觀(guān)測(cè)幾何數(shù)據(jù)包括太陽(yáng)天頂角、觀(guān)測(cè) 天頂角和太陽(yáng)與衛(wèi)星的相對(duì)方位角；s5:根據(jù)所述多角度的地表二向反射率數(shù)據(jù)與經(jīng)過(guò)積分處理后的組份波譜數(shù)據(jù)以及所 述觀(guān)測(cè)幾何數(shù)據(jù)代入線(xiàn)性方程，構(gòu)建線(xiàn)性方程組，所述線(xiàn)性方程中包括核系數(shù)和核函數(shù)；s6通過(guò)最小二乘法解得所述線(xiàn)性方程組的核系數(shù)，根據(jù)所述線(xiàn)性方程的核系數(shù)和核 函數(shù)，計(jì)算黑半球波譜反照率、白半球波譜反照率、以及真實(shí)地表波譜反照率；s7根據(jù)所述線(xiàn)性方程的核系數(shù)和核函數(shù)、及總下行輻射量的波譜分布，計(jì)算任意波段 范圍內(nèi)的黑半球?qū)挷ǘ畏凑章?、白半球?qū)挷ǘ畏凑章?、以及真?shí)寬波段反照率。
2.如權(quán)利要求1所述的地表反照率反演方法，其特征在于，步驟S2中所述地表類(lèi)型包 括植被、土壤、水體和雪。
3.如權(quán)利要求1所述的地表反照率反演方法，其特征在于，在步驟S3中通過(guò)下式進(jìn)行 積分R1 = ζ"/(λ)-R(A)CiA其中，i表示第i個(gè)波段，λ si和λ ei分別為第i個(gè)波段的起始波長(zhǎng)和終止波長(zhǎng)，f( λ ) 為對(duì)應(yīng)傳感器的波譜響應(yīng)函數(shù)，R(X)為連續(xù)的組份波譜數(shù)據(jù)，Ri為經(jīng)過(guò)積分處理的組份波 譜數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求1所述的地表反照率反演方法，其特征在于，步驟S5中所述的線(xiàn)性方程為R( θ θν，φ，λ) = Cl · Ic1U^c2 · k2U)+c3 · k3( θ ” θν, φ,入)+ ·!^^" θν, Φ，入)+(5.、(9” θν, φ, λ)其中，R1(X) = -P {m0,λ) πk2(A) = --AJA)-p (m0,A) πΚΨιΑ,Φ,義)=^-ρμ) · (‘+1) + 丄Λ; · ρ ) 3ππΚΨιΑ, Φ,義)=~-k8geo · Aw(A) · Pg(m0,A) π嫩U， 忐忐…)‘⑷、」kg - —(sec + sec ^v) · (t - cost· sin/) - sec - sec ^v +1 π
5.如權(quán)利要求4所述的地表反照率反演方法，其特征在于，步驟S6中包括561對(duì)所述線(xiàn)性方程組采用最小二乘法通過(guò)代價(jià)函數(shù)，計(jì)算所述核系數(shù)Cl、c2, c3, C4,C5 ；562通過(guò)下式計(jì)算黑半球波譜反照率、白半球波譜反照率、以及真實(shí)地表波譜反照率，
6.如權(quán)利要求5所述的地表反照率反演方法，其特征在于，步驟S7中通過(guò)下式計(jì)算任 意波段范圍內(nèi)的黑半球?qū)挷ǘ畏凑章?、白半球?qū)挷ǘ畏凑章?、以及真?shí)地表寬波段反照率，
7.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的地表反照率反演方法，其特征在于，所述觀(guān)測(cè)衛(wèi)星為 環(huán)境一號(hào)Α/Β星，所述觀(guān)測(cè)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為所述中國(guó)環(huán)境一號(hào)Α/Β星的電荷耦合元件CCD 相機(jī)獲取的數(shù)據(jù)。
8.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的地表反照率反演方法，其特征在于，所述傳感器的波 段范圍為0. 3 3μπι。
9.一種地表反照率反演系統(tǒng)，其特征在于，包括獲取模塊，用于通過(guò)觀(guān)測(cè)衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)上的每個(gè)像元獲取多角度的地表二向反射率 數(shù)據(jù)；選擇模塊，用于根據(jù)所述遙感數(shù)據(jù)中每個(gè)像元的地表類(lèi)型，利用先驗(yàn)波譜知識(shí)庫(kù)選擇 對(duì)應(yīng)的組份波譜數(shù)據(jù)，所述先驗(yàn)波譜知識(shí)庫(kù)為存儲(chǔ)地表類(lèi)型和對(duì)應(yīng)的組份波譜數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù) 庫(kù)，所述組份波譜數(shù)據(jù)為連續(xù)的；積分模塊，用于針對(duì)不同傳感器的波段設(shè)置，將所述組份波譜數(shù)據(jù)積分到對(duì)應(yīng)波段；讀取模塊，用于從所述遙感數(shù)據(jù)中讀取觀(guān)測(cè)幾何數(shù)據(jù)，所述觀(guān)測(cè)幾何數(shù)據(jù)包括太陽(yáng)天 頂角、觀(guān)測(cè)天頂角和太陽(yáng)與衛(wèi)星的相對(duì)方位角；構(gòu)建模塊，用于根據(jù)所述多角度的地表二向反射率數(shù)據(jù)與經(jīng)過(guò)積分處理后的組份波譜 數(shù)據(jù)以及所述觀(guān)測(cè)幾何數(shù)據(jù)代入線(xiàn)性方程，構(gòu)建線(xiàn)性方程組，所述線(xiàn)性方程中包括核系數(shù) 和核函數(shù)；計(jì)算模塊，用于通過(guò)最小二乘法解得所述線(xiàn)性方程組的核系數(shù)，根據(jù)所述線(xiàn)性方程的 核系數(shù)和核函數(shù)，計(jì)算黑半球波譜反照率、白半球波譜反照率、以及真實(shí)地表波譜反照率；寬波段計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述線(xiàn)性方程的核系數(shù)和核函數(shù)、及總下行輻射量的波譜 分布，計(jì)算任意波段范圍內(nèi)的黑半球?qū)挷ǘ畏凑章省装肭驅(qū)挷ǘ畏凑章?、以及真?shí)寬波段 反照率。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種地表反照率反演方法，包括S1通過(guò)觀(guān)測(cè)衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)上的每個(gè)像元獲取多角度的地表二向反射率數(shù)據(jù)；S2根據(jù)所述遙感數(shù)據(jù)中每個(gè)像元的地表類(lèi)型，從先驗(yàn)波譜知識(shí)庫(kù)選擇對(duì)應(yīng)的組份波譜數(shù)據(jù)；S3針對(duì)不同傳感器的波段設(shè)置，將所述組份波譜數(shù)據(jù)積分到對(duì)應(yīng)波段；S4從所述遙感數(shù)據(jù)中讀取觀(guān)測(cè)幾何數(shù)據(jù)；S5構(gòu)建線(xiàn)性方程組；S6計(jì)算黑半球波譜反照率、白半球波譜反照率、以及真實(shí)地表波譜反照率；S7計(jì)算任意波段范圍內(nèi)的黑半球?qū)挷ǘ畏凑章?、白半球?qū)挷ǘ畏凑章?、以及真?shí)寬波段反照率。本發(fā)明解決了測(cè)信息量不足，傳統(tǒng)算法中窄波段向?qū)挷ǘ无D(zhuǎn)化誤差很大，以及遙感數(shù)據(jù)利用率低的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01N21/41GK102103076SQ20111003441
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2011年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月1日
發(fā)明者劉強(qiáng), 劉思含, 張峰, 李小文, 柳欽火, 王橋 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所, 環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心