一種星載光學遙感器全視場表觀光譜輻亮度確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種星載光學遙感器全視場表觀光譜輻亮度確定方法，特別是針對搭載有大視場寬幅遙感器的光學衛(wèi)星或搭載有高分辨率遙感器的光學敏捷衛(wèi)星。
【背景技術(shù)】
[0002]光學衛(wèi)星遙感器接收到的遙感信息是太陽輻射經(jīng)過大氣后，經(jīng)地球表面再次穿過大氣傳輸?shù)竭_遙感器的輻射。地球表面地物目標反射的太陽輻射信息經(jīng)過大氣的散射、吸收以及大氣湍流、大氣輻射、天空背景輻射、地表干擾背景輻射等影響因素作用后到達遙感器入瞳處，通過光學系統(tǒng)，最后被遙感器探測系統(tǒng)所獲取。地面應(yīng)用系統(tǒng)利用獲取的遙感信息，通過處理，反演出地物目標的幾何信息、輻射信息與光譜信息等。
[0003]光譜輻亮度是指單位面積、單位立體角和單位波長上的能量，典型單位為瓦每平方米每球面度每微米(W.πΓ2.sf1.μπΓ1)，其中sr (球面度)是立體角的單位，μπι(微米)是波長單位。表觀光譜福亮度(Apparent Spectral Radiance)是指大氣層頂?shù)墓庾V福亮度，即衛(wèi)星入瞳處的光譜福亮度(At-Aperture Spectral Radiance)。光學衛(wèi)星入軌后，表觀光譜輻亮度值可以通過衛(wèi)星遙感器獲取的圖像產(chǎn)品，利用輻射定標增益(Gain，單位 W.πΓ2.sr-1.μ πΓ1.DN-1)和偏置(Offset,單位 W.πΓ2.sr-1.μ πΓ1)系數(shù)，通過等式 Lx= Gainx -DNj^OfTsetx計算得到?？梢姡匚锬繕斯庾V和福射信息定量反演的精度與遙感器表觀光譜輻亮度計算值息息相關(guān)。因此，光學衛(wèi)星遙感器表觀光譜輻亮度指標的確定與分析是光學衛(wèi)星進行設(shè)計時需要重點關(guān)注的指標之一。
[0004]地物目標表觀光譜輻亮度與衛(wèi)星平臺的軌道、姿態(tài)，遙感器成像系統(tǒng)特性，大氣觀測條件、地物及背景特性、地球自轉(zhuǎn)、地球曲率、地形起伏等因素相關(guān)?；谳椛鋫鬏斃碚摰倪b感器表觀光譜輻亮度計算方法是一種重要的計算方法。利用采用輻射傳輸理論準確計算遙感器的表觀光譜輻亮度，需要根據(jù)衛(wèi)星平臺和遙感器的工作特性，對地球、地物目標及背景特性、大氣條件及星載遙感器這整個輻射傳輸鏈路進行建模與仿真。利用蒙特卡羅光線追蹤模型，將遙感器模型、地物目標模型、輻射傳輸路徑模型和地球模型等通過觀測幾何關(guān)系聯(lián)系在一起。因此，衛(wèi)星遙感器觀測幾何參數(shù)是遙感器表觀光譜輻亮度計算過程中需要重點考慮的因素。
[0005]衛(wèi)星遙感器觀測幾何參數(shù)主要包括太陽天頂角、太陽方位角、衛(wèi)星觀測天頂角、衛(wèi)星觀測方位角。地球上某點P (Point，點)的地平面(切面)的法線與此點P和太陽/衛(wèi)星觀測方向連線的夾角稱為此時此地的太陽/衛(wèi)星觀測天頂角。太陽/衛(wèi)星觀測方位角以地平面上過P點正北方向為起點，以P點和太陽/衛(wèi)星觀測方向連線在過P點的法平面上的投影線為終止方向，按順時針方向所測量的角度。
[0006]一般地物目標光譜特性反射率通常采用雙向反射分布函數(shù)(BRDF，Bidirect1nalReflectance Distribut1n Funct1n)來表達，反射率除與波長相關(guān)外，還與遙感器幾何觀測參數(shù)有關(guān)。不考慮地物自身反射率的方向特性，將地物目標看成各向輻射特性相同的朗伯體，同一地物目標在不同的觀測幾何參數(shù)下，由于大氣作用路徑和譜段特性不同，導(dǎo)致遙感器入瞳接收的輻亮度值也出現(xiàn)差異。
[0007]隨著用戶對重訪周期的要求越來越高，為了滿足用戶高時間分辨率需求，往往采用搭載有大視場中等分辨率的光學遙感器或利用衛(wèi)星平臺的敏捷特性結(jié)合高分辨遙感器，通過多星組網(wǎng)，對特定區(qū)域或目標進行重訪。同一時刻，上述光學遙感器焦面上不同位置處像元對應(yīng)不同視場處的地物衛(wèi)星觀測幾何參數(shù)差異較大，為了準確獲取遙感器全視場內(nèi)表觀光譜輻亮度，需要計算遙感器各個像元的觀測幾何參數(shù)。結(jié)合目標特性數(shù)據(jù)，通過大氣輻射傳輸模型軟件，逐個像元計算出到達相機入瞳處的光譜輻亮度。
[0008]對相關(guān)文獻檢索如下:楊本永等，《成像光譜反射率反演中觀測角影響的分析》，量子電子學報，2005，22 (4):667?671 ;阿布都瓦斯提.吾拉木等，《基于6S模型的可見光、近紅外遙感數(shù)據(jù)的大氣校正》，北京大學學報(自然科學版)，2004，40(4):611?618;楊貴軍等，《中紅外大氣輻射傳輸解析模型及遙感成像模擬》，光譜學與光譜分析，2009，29(3):629?634 ;林如強等，《一種基于遙感圖像仿真的大氣查找表優(yōu)化方法》，蘭州理工大學學報，2010，36(3):102?105。在這些文章中均對基于大氣輻射傳輸模型軟件的光譜幅亮度的計算過程和常用方法進行了說明，部分文章對觀測幾何參數(shù)對遙感反演的影響進行了分析。但問題是這些計算分析中沒有考慮衛(wèi)星和遙感器的工作模式和特性參數(shù)，對遙感器成像過程中地物目標、大氣條件、遙感器之間的嚴格成像約束條件進行了簡化，采用假設(shè)或簡化的參數(shù)進行光學衛(wèi)星表觀光譜輻亮度計算，其計算結(jié)果精度不高，對衛(wèi)星后續(xù)應(yīng)用如在軌成像參數(shù)的調(diào)整、衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品定量遙感應(yīng)用等均會帶來較大的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種星載光學遙感器全視場表觀光譜輻亮度確定方法，適用于具有不同類型光學系統(tǒng)的光學衛(wèi)星遙感器，特別是針對搭載有大視場寬幅遙感器的光學衛(wèi)星或搭載有高分辨率遙感器的光學敏捷衛(wèi)星，該方法給出了遙感器焦面不同位置處像元對應(yīng)視場處接收的表觀光譜輻亮度。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種星載光學遙感器全視場表觀光譜輻亮度確定方法，步驟如下:
[0011]I)利用STK軟件進行光學遙感衛(wèi)星觀測模型場景仿真；
[0012]11)創(chuàng)建仿真場景；
[0013]12)創(chuàng)建衛(wèi)星及遙感器模型；
[0014]13)設(shè)置目標觀測對象；
[0015]14)設(shè)置衛(wèi)星軌道和姿態(tài)；
[0016]15)根據(jù)實際遙感器類型和遙感衛(wèi)星工作模式，對仿真場景進行約束；
[0017]2)計算獲得光學遙感衛(wèi)星全視場觀測參數(shù)；
[0018]21)地物目標與參數(shù)獲?。?br>[0019]21a)根據(jù)場景約束關(guān)系，獲取不同時刻遙感器不同視場處的地物目標在WGS84坐標系下的位置數(shù)據(jù)，所述的位置數(shù)據(jù)包括經(jīng)度、瑋度和高程數(shù)據(jù)；
[0020]21b)根據(jù)步驟21a)獲得的位置數(shù)據(jù)，得到該位置處地物目標的反射率特性數(shù)據(jù)；
[0021]22)衛(wèi)星觀測幾何參數(shù)建模與獲?。?br>[0022]22a)創(chuàng)建地物目標，所需的地物目標的經(jīng)度、瑋度和高程數(shù)據(jù)按步驟21a)獲取的地物目標位置數(shù)據(jù)進行設(shè)置；
[0023]22b)創(chuàng)建參考坐標系，參考坐標系原點位于地物目標質(zhì)心，+X軸指向正北，+Y軸指向正西，+Z軸與+X軸和+Y軸滿足右手正交關(guān)系，指向天頂；
[0024]22c)創(chuàng)建地物目標指向衛(wèi)星的參考矢量Vec_Fac2Sat，向量起點為地物目標本體質(zhì)心，向量終點為衛(wèi)星本體質(zhì)心；
[0025]22d)創(chuàng)建地物目標指向太陽的參考矢量Vec_Fac2Sun，向量起點為地物目標本體質(zhì)心，向量終點為太陽質(zhì)心；
[0026]22e)創(chuàng)建地物目標指向衛(wèi)星參考矢量在地物目標本體系XOY面上的投影向量Vec—Sat—Proj ；
[0027]22f)創(chuàng)建地物目標指向太陽參考矢量在地物目標本體系XOY面上的投影向量Vec_Sun_Proj ；
[0028]22g)創(chuàng)建地物目標天頂方向向量與地物目標指向衛(wèi)星的向量Vec_Fac2Sat之間的夾角Angle_FacZ2Sat ;所述地物目標天頂方向向量指向參考坐標系+Z軸方向；
[0029]22h)創(chuàng)建地物目標天頂方向向量與地物目標指向太陽的向量Vec_Fac2Sun之間的夾角 Angle_FacZ2Sun ；
[0030]22i)創(chuàng)建地物目標正北方向向量與地物目標指向太陽向量的投影向量Vec_Sun_Proj之間的夾角Angle_Azim_Sun ;所述地物目標正北方向向量指向參考坐標系+X軸方向；
[0031]22j)創(chuàng)建地物目標正西方向向量與地物目標指向太陽向量的投影向量Vec_Sun_Proj之間的夾角Angle_Posi_Y_Sun_Proj ;所述地物目標正西方向向量指向參考坐標系+Y軸方向；
[0032]22k)創(chuàng)建地物目標正北方向向量與地物目標指向衛(wèi)星向量的投影向量Vec_Sat_Proj 之間的夾角 Angle_Azim_Sat ；
[0033]221)創(chuàng)建地物目標正西方向向量與地物目標指向衛(wèi)星向量的投影向量Vec_Sat_Proj 之間的夾角 Angle_Posi_Y_Sat_Proj ；
[0034]22m)獲取遙感器成像時刻衛(wèi)星軌道高度H，并根據(jù)步驟22a)-步驟221)，得到地物目標攝影點以下六個角度觀測參數(shù)，即衛(wèi)星觀測天頂角Angle_FacZ2Sat、衛(wèi)星觀測方位角 Angle_Azim_Sat_0、太陽天頂角 Angle_FacZ2Sun、太陽方位角 Angle_Azim_Sun_0、太陽方位參考角 Angle_Posi_Y_Sun_Proj、衛(wèi)星觀測方位參考角 Angle_Posi_Y_Sat_Proj ；
[0035]23)計算獲得遙感器不同視場觀測參數(shù)；
[0036]23a)計算太陽天頂角和太陽方位角；
[0037]對步驟22m)中太陽天頂角Angle_FacZ2Sun進行判斷，若Angle_FacZ2Sun大于90°，表明獲