本發(fā)明屬于遙感領(lǐng)域，具體涉及一種非均勻下墊面瑞利散射矢量輻射傳輸模擬方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、水色遙感能夠通過(guò)衛(wèi)星、航空或地面?zhèn)鞲衅?，測(cè)量水體表面反射的光譜信息，進(jìn)而研究水體生物化學(xué)特性和動(dòng)態(tài)變化，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源管理和生態(tài)研究等方面具有廣泛應(yīng)用。

2、為得到真實(shí)的水體反射特性，需要對(duì)遙感影像進(jìn)行大氣校正以去除大氣對(duì)傳感器接收到的光信號(hào)的影響，即去除大氣散射、吸收等效應(yīng)，使從遙感影像中獲取的光譜信息盡可能接近水體本身的反射光譜。

3、精確的大氣校正是水體參數(shù)遙感定量反演的基礎(chǔ)，而水色遙感大氣校正的首要步驟是扣除大氣分子的瑞利散射輻亮度。當(dāng)前，瑞利散射的校正通常使用基于輻射傳輸模擬的查找表方法，因此，準(zhǔn)確地模擬瑞利散射輻射傳輸過(guò)程是進(jìn)行精確大氣校正的前提保證與基礎(chǔ)。

4、水色遙感大氣校正中最為常用的seadas精確瑞利散射查找表是通過(guò)逐次散射法求解大氣矢量輻射傳輸方程建立的，查找表針對(duì)特定的遙感器。另外，基于pcoart模型生成的通用型海洋水色遙感精確瑞利散射查找表，可適用于所有水色遙感器的精確瑞利散射計(jì)算。但上述模型均假定下墊面為均勻的水體，這對(duì)于非均勻下墊面的沿岸或內(nèi)陸水體，尤其雙側(cè)均為陸地的狹長(zhǎng)型河流水體是不適用的，因?yàn)檫@些水體易受到周圍陸地像元輻射信號(hào)的影響，產(chǎn)生鄰近效應(yīng)。

5、目前缺乏能夠自主設(shè)定復(fù)雜非均勻下墊面的水陸交互矢量輻射傳輸模型，對(duì)于水色遙感在河流等復(fù)雜水體的應(yīng)用而言，其瑞利散射校正精度無(wú)法保證，從而限制后續(xù)大氣校正及水色要素的反演精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種非均勻下墊面瑞利散射矢量輻射傳輸模擬方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中缺乏能夠自主設(shè)定復(fù)雜非均勻下墊面的水陸交互矢量輻射傳輸模型的問(wèn)題。

2、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種非均勻下墊面瑞利散射矢量輻射傳輸模擬方法，應(yīng)用于衛(wèi)星遙感影像大氣校正，所述方法包括：

4、s100、按照預(yù)設(shè)條件模擬衛(wèi)星向大氣-地表系統(tǒng)中預(yù)設(shè)觀測(cè)點(diǎn)發(fā)射光子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所述預(yù)設(shè)條件至少包括所述觀測(cè)點(diǎn)處陸地/水體位置關(guān)系和大氣層高度，以及，光子初始的權(quán)重、位置、運(yùn)動(dòng)方向和偏振狀態(tài)；

5、s200、對(duì)光子的自由程進(jìn)行隨機(jī)采樣，根據(jù)光子當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)方向和自由程確定光子運(yùn)行后的位置狀態(tài)，所述位置狀態(tài)包括大氣內(nèi)部、陸地表面和水體表面；

6、s300、采用所述位置狀態(tài)對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)更新方法對(duì)光子的偏振狀態(tài)、權(quán)重進(jìn)行更新；

7、s400、根據(jù)光子的所述位置狀態(tài)，采用對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)計(jì)算方法計(jì)算光子對(duì)大氣頂輻亮度產(chǎn)生的貢獻(xiàn)值；

8、s500、判定光子當(dāng)前的權(quán)重是否低于預(yù)設(shè)閾值，若是，執(zhí)行步驟s600；若否，執(zhí)行步驟s700；

9、s600、確定光子已經(jīng)消亡，并判斷當(dāng)前模擬的光子數(shù)量是否達(dá)到預(yù)設(shè)總數(shù)，若是，執(zhí)行步驟s800；若否，重新執(zhí)行步驟s100及后續(xù)步驟，模擬衛(wèi)星發(fā)射的下一個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；

10、s700、更新光子的運(yùn)動(dòng)方向；重新執(zhí)行s200及后續(xù)步驟，模擬所述光子下一次的運(yùn)行軌跡，直至所述光子消亡；

11、s800、計(jì)算所有光子貢獻(xiàn)值的平均值，作為所述預(yù)設(shè)條件下衛(wèi)星接收到的大氣頂輻亮度，以用于大氣校正過(guò)程中瑞利散射輻亮度的校正。

12、可選的，所述步驟s100包括：

13、步驟s101、以預(yù)設(shè)觀測(cè)點(diǎn)為原點(diǎn)，以垂直于觀測(cè)點(diǎn)所在表面的法線方向?yàn)閦軸，以太陽(yáng)在xoy平面的投影方向?yàn)閤軸正方向，以右手螺旋定則確定y軸，構(gòu)建光子運(yùn)行的空間坐標(biāo)系；

14、步驟s102、獲取太陽(yáng)和衛(wèi)星觀測(cè)的幾何條件以及大氣層高度，所述幾何條件至少包括觀測(cè)太陽(yáng)天頂角、觀測(cè)天頂角和相對(duì)方位角；

15、步驟s103、根據(jù)所述幾何條件確定光子初始的運(yùn)動(dòng)方向和位置，包括：

16、衛(wèi)星的傳感器位于大氣頂，按照以下公式計(jì)算光子初始的運(yùn)動(dòng)方向和位置：

17、

18、

19、其中，是觀測(cè)天頂角，是相對(duì)方位角，是大氣層高度；

20、步驟s104、將光子初始的權(quán)重設(shè)置為1，偏振狀態(tài)矩陣設(shè)置為單位矩陣。

21、可選的，所述步驟s200包括：

22、s201、隨機(jī)采樣獲得光子的自由程；

23、s202、在光子按照自由程運(yùn)行后，根據(jù)下式計(jì)算光子所在的位置：

24、

25、其中，是光子自由程；

26、s203、根據(jù)光子所在的位置判定光子是否位于大氣中，若是，確定光子當(dāng)前的位置狀態(tài)為大氣內(nèi)部；若否，執(zhí)行步驟s204；

27、s204、根據(jù)所述陸地/水體位置關(guān)系，確定光子運(yùn)行自由程后是否到達(dá)水體表面或陸地表面，并在光子到達(dá)水體表面時(shí)確定光子當(dāng)前的位置狀態(tài)為水體表面，在光子到達(dá)陸地表面時(shí)確定光子當(dāng)前的位置狀態(tài)為陸地表面。

28、可選的，所述步驟s300包括：

29、在光子的位置狀態(tài)為大氣內(nèi)部時(shí)，根據(jù)瑞利散射相函數(shù)更新光子的偏振狀態(tài)和權(quán)重；

30、在光子的位置狀態(tài)為陸地表面時(shí)，根據(jù)朗伯反射矩陣更新光子的權(quán)重，并將偏振狀態(tài)設(shè)置為無(wú)偏；

31、在光子的位置狀態(tài)為水體表面時(shí)，根據(jù)鏡面反射矩陣更新光子的偏振狀態(tài)和權(quán)重。

32、可選的，所述步驟s400包括：

33、在光子的位置狀態(tài)為大氣內(nèi)部時(shí)，基于瑞利散射相函數(shù)和散射角計(jì)算光子貢獻(xiàn)值；

34、在光子的位置狀態(tài)為陸地表面時(shí)，基于地表反照率和反射角計(jì)算光子貢獻(xiàn)值；

35、在光子的位置狀態(tài)為水體表面時(shí)，基于瑞利散射相函數(shù)和鏡面反射矩陣計(jì)算光子貢獻(xiàn)值。

36、可選的，所述步驟s700包括：

37、在光子的位置狀態(tài)為大氣內(nèi)部時(shí)，確定光子發(fā)生散射，采用隨機(jī)抽樣方法和拒絕-接收方法獲取散射角，采用隨機(jī)抽樣方法獲取散射方位角，并基于散射角和散射方位角計(jì)算光子下一次的運(yùn)動(dòng)方向；

38、在光子的位置狀態(tài)為陸地表面時(shí)，確定光子發(fā)生朗伯反射，采用隨機(jī)抽樣方法獲取光子的反射角和方位角，并基于反射角和方位角計(jì)算光子下一次的運(yùn)動(dòng)方向；

39、在光子的位置狀態(tài)為水體表面時(shí)，確定光子發(fā)生鏡面反射，根據(jù)鏡面反射的入射角獲取光子的反射角，采用隨機(jī)抽樣方法獲取光子的方位角，并基于反射角和方位角計(jì)算光子下一次的運(yùn)動(dòng)方向。

40、可選的，在光子的位置狀態(tài)為大氣內(nèi)部時(shí)，按照以下方式更新光子的偏振狀態(tài)和權(quán)重：

41、光子的權(quán)重根據(jù)瑞利散射單次散射反照率進(jìn)行衰減，預(yù)先設(shè)置，光子偏振狀態(tài)矩陣根據(jù)散射矩陣進(jìn)行改變：

42、

43、

44、其中，為光子權(quán)重，為偏振狀態(tài)矩陣，由下式計(jì)算得到：

45、

46、

47、

48、其中，是瑞利散射相矩陣，是旋轉(zhuǎn)矩陣，是預(yù)設(shè)的退偏因子，分別為發(fā)生散射時(shí)的散射角和參考平面旋轉(zhuǎn)角，由子午面法計(jì)算得到，入射子午面、出射子午面和散射面之間的夾角分別為和。

49、可選的，在光子的位置狀態(tài)為陸地表面時(shí)，按照以下方式更新光子的偏振狀態(tài)和權(quán)重：

50、光子的權(quán)重根據(jù)預(yù)設(shè)的陸地反照率進(jìn)行衰減，光子偏振狀態(tài)矩陣根據(jù)反射矩陣進(jìn)行相應(yīng)的改變：

51、

52、

53、其中，為陸地反照率，a為的值，表示預(yù)先獲取的入射角余弦值。

54、可選的，在光子的位置狀態(tài)為水體表面時(shí)，按照以下方式更新光子的偏振狀態(tài)和權(quán)重：

55、光子的權(quán)重根據(jù)預(yù)設(shè)的鏡面反射反照率進(jìn)行衰減，光子偏振狀態(tài)矩陣根據(jù)反射矩陣進(jìn)行改變：

56、

57、

58、

59、其中，

60、

61、其中，表示入射光與水面法向量之間的預(yù)設(shè)入射角，表示水的折射率，值為1.34。

62、本發(fā)明的另一方面提供一種非均勻下墊面瑞利散射矢量輻射傳輸模擬系統(tǒng)，應(yīng)用于衛(wèi)星遙感影像大氣校正，所述系統(tǒng)包括：

63、光子模擬模塊，被配置為按照預(yù)設(shè)條件模擬衛(wèi)星向大氣-地表系統(tǒng)中預(yù)設(shè)觀測(cè)點(diǎn)發(fā)射光子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所述預(yù)設(shè)條件至少包括所述觀測(cè)點(diǎn)處陸地/水體位置關(guān)系和大氣層高度，以及，光子初始的權(quán)重、位置、運(yùn)動(dòng)方向和偏振狀態(tài)；

64、位置確定模塊，被配置為對(duì)光子的自由程進(jìn)行隨機(jī)采樣，根據(jù)光子當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)方向和自由程確定光子運(yùn)行后的位置狀態(tài)，所述位置狀態(tài)包括大氣內(nèi)部、陸地表面和水體表面；

65、更新模塊，被配置為采用所述位置狀態(tài)對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)更新方法對(duì)光子的偏振狀態(tài)、權(quán)重進(jìn)行更新；

66、貢獻(xiàn)值計(jì)算模塊，被配置為根據(jù)光子的所述位置狀態(tài)，采用對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)計(jì)算方法計(jì)算光子對(duì)大氣頂輻亮度產(chǎn)生的貢獻(xiàn)值；

67、判斷及輻亮度確定模塊，被配置為判定光子當(dāng)前的權(quán)重是否低于預(yù)設(shè)閾值，

68、在光子當(dāng)前的權(quán)重低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，確定光子已經(jīng)消亡，并判斷當(dāng)前模擬的光子數(shù)量是否達(dá)到預(yù)設(shè)總數(shù)；在當(dāng)前模擬的光子數(shù)量未達(dá)到預(yù)設(shè)總數(shù)時(shí)，采用光子模擬模塊，模擬衛(wèi)星發(fā)射的下一個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；在當(dāng)前模擬的光子數(shù)量達(dá)到預(yù)設(shè)總數(shù)時(shí)，計(jì)算所有光子貢獻(xiàn)值的平均值，作為所述預(yù)設(shè)條件下衛(wèi)星接收到的大氣頂輻亮度，以用于大氣校正過(guò)程中瑞利散射輻亮度的校正；

69、在光子當(dāng)前的權(quán)重不低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，更新光子的運(yùn)動(dòng)方向，采用位置確定模塊，模擬所述光子下一次的運(yùn)行軌跡，直至所述光子消亡。

70、本發(fā)明公開(kāi)的非均勻下墊面瑞利散射矢量輻射傳輸模擬方法及系統(tǒng)，模擬光子的輻射傳輸過(guò)程，區(qū)分光子在到達(dá)大氣、陸地表面和水體表面后對(duì)大氣頂輻亮度的不同影響。通過(guò)所模擬的預(yù)設(shè)數(shù)量個(gè)光子，統(tǒng)計(jì)在預(yù)設(shè)條件下衛(wèi)星接收到的大氣頂輻亮度，實(shí)現(xiàn)在大氣校正過(guò)程中對(duì)瑞利散射輻亮度的精確校正。

71、提供
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
部分是為了以簡(jiǎn)化的形式來(lái)介紹對(duì)概念的選擇，它們?cè)谙挛牡木唧w實(shí)施方式中將被進(jìn)一步描述。發(fā)明內(nèi)容部分無(wú)意標(biāo)識(shí)本公開(kāi)的重要特征或必要特征，也無(wú)意限制本公開(kāi)的范圍。