專利名稱：大氣程輻射遙感數(shù)字圖像的計算機(jī)生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種遙感數(shù)字圖像的獲取方法，具體地說，是關(guān)于大氣程輻射遙感數(shù)字圖像的計算機(jī)生成方法。
背景技術(shù)：
大氣程輻射是太陽輻射在大氣傳輸過程中經(jīng)大氣中各組分(大氣分子)及氣溶膠微粒散射后直接到達(dá)遙感器的輻射。由于大氣成分在空間分布的不均勻和大氣的污染(人為和自然)，隨著空氣組分和大氣氣溶膠的含量、形狀、性質(zhì)、粒徑、濃度等因素的空間分布差異，衛(wèi)星遙感圖像上各點的大氣程輻射亮度(大氣程輻射遙感值)是不同的。這些不同的大氣程輻射遙感值是太陽輻射在大氣傳輸過程中與不同地點相互作用的結(jié)果，表征著該點地面上的大氣狀況和質(zhì)量。
遙感技術(shù)中大氣程輻射即向上天空亮度(與大氣光學(xué)厚度、渾濁度一樣)遙感值是與地面狀況無關(guān)的，表征大氣質(zhì)量狀況的天空光亮度遙感分量，是大氣組份、氣溶膠種類、含量的函數(shù)，是大氣中粒子散射的產(chǎn)物，利用天空光亮度分布遙感氣溶膠特性、可以充分利用氣溶膠的散射信息。
雖然衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像已成功地廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境科學(xué)研究與大氣環(huán)境質(zhì)量研究和監(jiān)測。但現(xiàn)有的衛(wèi)星遙感主要用于對地探測，大氣信息是混合在地面遙感信息之中的微弱信息。將遙感數(shù)據(jù)中的大氣信息和地面信息分離，提取其大氣信息，是制約大氣遙感和大氣環(huán)境質(zhì)量遙感監(jiān)測精度，困擾遙感界多年至今尚未根本解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
綜上所述，如何利用衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像，將遙感數(shù)據(jù)中的大氣信息和地面信息分離，提取其大氣信息，乃是本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題。為此，本發(fā)明的目的在于提供一種大氣程輻射遙感數(shù)字圖像的計算機(jī)生成方法。
本分明的技術(shù)方案如下根據(jù)本分明的一種大氣程輻射遙感數(shù)字圖像的計算機(jī)生成方法，其步驟包括S1.在地理信息系統(tǒng)的支持下以選定的地區(qū)的地面覆蓋現(xiàn)狀圖的圖斑為單位，將位于該圖斑上的衛(wèi)星圖片像元分為圖斑邊界上的和圖斑內(nèi)部的兩類不同的像元；S2.利用不同的地物反射率計算圖斑邊界上所有像元的大氣程輻射遙感數(shù)值，并建立該圖斑像元的大氣程輻射遙感數(shù)值和像元遙感數(shù)值之間的定量關(guān)系表達(dá)式；S3.然后，逐點計算圖斑內(nèi)部像元的大氣程輻射遙感數(shù)值，完成該圖斑所有像元的大氣程輻射遙感數(shù)值計算；S4.計算完成后再返回執(zhí)行步驟S2、S3計算下一個圖斑，如此循環(huán)直至地面覆蓋現(xiàn)狀圖中所有的圖斑上衛(wèi)片像元大氣程輻射遙感數(shù)值都計算完畢，完成所選定地區(qū)的大氣程輻射遙感數(shù)字圖像的計算機(jī)生成。
進(jìn)一步，所述的步驟S2中對該圖斑邊界上所有像元的大氣程輻射遙感值的計算，是對位于邊界上的與不同種類像元相鄰的像元大氣程輻射遙感值計算，其本質(zhì)是在大氣狀況(大氣程輻射、大氣光譜透過率和地面光譜輻射照度)大致相同，下墊面(反射率)迥然不同的條件下像元大氣程輻射遙感值計算，計算公式為DNA＝DNA1＝DNA2＝DN1-r1×(DN1-DN2)/(r1-r2)，其中，DN1、DN2；r1、r2分別為相鄰的不同種類地物的像元遙感數(shù)值和對應(yīng)地面的反射率；在所述的步驟S3中對該圖斑內(nèi)部像元的大氣程輻射遙感值的計算，其本質(zhì)是在大氣狀況(大氣程輻射、大氣光譜透過率和地面光譜輻射照度)不同，下墊面(反射率)大致相同的條件下的像元大氣程輻射遙感值計算，根據(jù)表達(dá)圖斑內(nèi)部像元大氣程輻射遙感值DNa與該像元大氣光譜透過率之間的定量關(guān)系DNaij=a×ln(DNij-DNaij)+b=a×ln(DNij′)+b,]]>令Y=DNaij,X=ln(DNij-DNaij)=ln(DNij′),]]>則有回歸直線方程Y＝aX+d，其中DNij′是像元原始遙感值DN的大氣修正值；a、b分別為待定(回歸)系數(shù)，利用包圍該圖斑的邊界上多個(L)已知像元點的原始值和像元大氣程輻射遙感值，通過最小二乘法計算得到。
本發(fā)明的方法與已有技術(shù)相比具有突出的實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步，其利用遙感數(shù)字圖像中的大氣程輻射分量構(gòu)建傳統(tǒng)遙感手段無法獲得的大氣遙感數(shù)字圖像；在遙感數(shù)據(jù)的弱信息提取和數(shù)據(jù)挖掘方面有所突破和創(chuàng)新。
大氣程輻射遙感數(shù)字圖像的計算機(jī)生成為城市(區(qū)域)大氣環(huán)境質(zhì)量的遙感反演，為獲取大氣程遙感數(shù)字圖像開拓了新的方法和途徑。本發(fā)明方法對于機(jī)(星)載激光掃描成像和多光譜掃描成像也同樣適用。


圖1為本發(fā)明的一個實施例(即中國上海市)的TM遙感數(shù)字圖像(1024×1024)圖2圖3分別為與圖1衛(wèi)星圖片匹配的(對應(yīng))地面反射率分布圖和地面覆蓋現(xiàn)狀圖(土地利用現(xiàn)狀圖)；圖4為本發(fā)明的實施例，即計算機(jī)生成的(中國上海市)大氣程輻射遙感數(shù)字圖像；圖5為本發(fā)明的大氣程輻射遙感數(shù)字圖像生成程序流程圖。
具體實施例方式
下面根據(jù)圖1至圖5給出本發(fā)明的一個實施例，即完成對中國上海市大氣程輻射遙感數(shù)字圖像的計算機(jī)生成。要指出的是，所給出的實施例是為了說明本發(fā)明方法的技術(shù)特點和功能特點，使能更易于理解本發(fā)明，而不是用來限制本發(fā)明的范圍。
本實施例是在GIS(地理信息系統(tǒng))支持下進(jìn)行的，先請參閱圖5，它是大氣程輻射遙感數(shù)字圖像計算機(jī)生成程序100的流程圖，運(yùn)行步驟如下S1000.啟動程序100；S1001.輸入選定地區(qū)遙感圖像及地面覆蓋分布圖，即輸入圖1，圖2和圖3，并對它們分別給出標(biāo)記，圖1為TM遙感數(shù)字圖像，圖2為圖1的地面反射率分布圖，圖3為地面覆蓋現(xiàn)狀圖；S1002.像元地面反射率遙感反饋(或?qū)崪y數(shù)數(shù)據(jù)庫)地面反射率分布圖，即把圖3進(jìn)行像元地面反射率進(jìn)行遙感反饋；S1003.選定土地覆蓋現(xiàn)狀圖的任一圖斑，即以圖3中的圖斑為單位，將與位于圖3所示圖斑上的對應(yīng)的圖1像元分成圖斑邊界和圖斑內(nèi)部像元；S1004.計算邊界像元大氣程輻射遙感值；S1005.計算圖斑內(nèi)部像元大氣程輻射遙感值；S1006.判斷所有圖斑是否計算完畢？即事先設(shè)定圖2中的圖斑數(shù)，并逐次減1，直至預(yù)設(shè)值為0，如果預(yù)設(shè)值≥1，則執(zhí)行S1007，若預(yù)設(shè)值＝0，則執(zhí)行S1008；S1007.指定下一個圖斑跳回執(zhí)行S1004；S1008.輸出大氣程遙感圖像，即圖4；S1009.程序結(jié)束，完成對中國上海市的大氣程輻射遙感數(shù)字圖像的計算機(jī)生成。
上述步驟S1003中，以圖3地面覆蓋現(xiàn)狀圖的圖斑為單元而后由步驟S1004和S1005先后計算圖3所示邊界像元、圖斑內(nèi)部像元的大氣程遙感值。
1.步驟S1004進(jìn)行圖斑邊界(邊緣)上所有像元的大氣程輻射遙感值計算；位于邊界上的與不同種類像元相鄰的像元大氣程輻射遙感值計算，其本質(zhì)是在大氣狀況(大氣程輻射、大氣光譜透過率和地面光譜輻射照度)大致相同，下墊面(反射率)迥然不同的條件下像元大氣程輻射遙感值計算。
根據(jù)圖1所示衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的點成像公式DNij＝k×Hij×rij×τij/π+DNAij(1)公式(1)中K為衛(wèi)星傳感器所固有的增益系數(shù)Hij為像元地面的輻射照度；rij為像元地面的反射率τij為像元的大氣光譜垂直透過率；NAij為像元的大氣亮度；θ，λ分別為太陽高度角和波長；DNij、DNAij分別為像元的遙感值和大氣程輻射(大氣亮度)遙感值。
把邊界上的小區(qū)域(最小為分辨率的兩倍)大氣狀況和地面照度視為均勻，邊界上的像元大氣程輻射遙感值DNA便可以利用圖2所示像元地面的反射率準(zhǔn)確地反演計算設(shè)P1、P2分別是圖3所示位于地面覆蓋現(xiàn)狀圖上某類(個)圖斑邊界上的不同種類的相鄰像元點。
由于把邊界上的小區(qū)域大氣狀況和地面照度可視為均勻，則有H1＝H2＝H，DNA1＝DNA2＝DNA，τ1＝τ2＝τ則有二元一次方程組DN1＝K×H1×r1×τ1/π+DNA1＝K×H×r1×τ/π+DNADN2＝K×H2×r2×τ2/π+DNA2＝K×H×r2×τ/π+DNA
解之DNA＝DNA1＝DNA2＝DN1-r1×(DN1-DN2)/(r1-r2) (2)公式(2)中DN1、DN2r1、r2分別為相鄰的不同種類地物的像元遙感數(shù)值和對應(yīng)地面的反射率。
對于該圖斑邊界上所有像元實施公式(2)的計算，便得到該圖斑邊界上所有像元的大氣程輻射遙感值。
2、步驟S1005對圖3進(jìn)行圖斑內(nèi)部像元的大氣程輻射遙感值計算在圖3所示地面覆蓋現(xiàn)狀圖上某類(個)圖斑內(nèi)部位于同類像元中的，與相同種類像元相鄰的像元大氣程輻射遙感值計算。其本質(zhì)是在大氣狀況(大氣程輻射、大氣光譜透過率和地面光譜輻射照度)不同，下墊面(反射率)大致相同的條件下的像元大氣程輻射遙感值計算。
根據(jù)圖1所示衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像的點成像公式可以導(dǎo)出，同一圖斑內(nèi)部像元的像元大氣程輻射遙感值(DNa)與像元原始遙感值(DN)之間關(guān)系有如下形式DNaij＝a×ln(DNij-DNaij)+b＝a×ln(DNij′)+b(3)公式(3)的實質(zhì)是表達(dá)圖斑內(nèi)部像元大氣程輻射遙感值(DNa)與該像元大氣光譜透過率之間定量關(guān)系。令Y＝DNaijX＝ln(DNij-DNaij)＝ln(DNij′)則有回歸直線方程 Y＝aX+d (4)公式中DNij′是像元原始遙感值(DN)的大氣修正值；a、b分別為待定(回歸)系數(shù)，利用包圍該圖斑的邊界上多個(L)已知像元點的原始遙感值和像元大氣程輻射遙感值，通過最小二乘法計算得到。
在利用公式的過程中，使用迭代遞推，逐次逼近法求解像元的大氣程輻射遙感值。
實質(zhì)上邊界上像元大氣程輻射遙感值的計算和圖3所示地面覆蓋現(xiàn)狀的分類(圖斑)都是依賴于圖2所示像元地面反射率。
概括起來，本發(fā)明的大氣程輻射遙感數(shù)字圖像計算機(jī)生成方法的依據(jù)是遙感數(shù)字圖像分類的波譜特性同質(zhì)異譜和異質(zhì)同譜是例外，其前提是地面反射率為已知。眾所周知，像元地面反射率是可以通過遙感界公認(rèn)的實測和遙感反演方法獲取的。
權(quán)利要求
1.一種大氣程輻射遙感數(shù)字圖像的計算機(jī)生成方法，包括步驟S1.在地理信息系統(tǒng)的支持下以選定的地區(qū)的地面覆蓋現(xiàn)狀圖的圖斑為單位，將位于該圖斑上的衛(wèi)星圖片像元分為圖斑邊界上的和圖斑內(nèi)部的兩類不同的像元，S2.利用不同的地物反射率計算圖斑邊界上所有像元的大氣程輻射遙感數(shù)值，并建立該圖斑像元的大氣程輻射遙感數(shù)值和像元遙感數(shù)值之間的定量關(guān)系表達(dá)式，S3.然后，逐點計算圖斑內(nèi)部像元的大氣程輻射遙感數(shù)值，完成該圖斑所有像元的大氣程輻射遙感數(shù)值計算，以及S4.計算完成后再返回執(zhí)行步驟S2、S3計算下一個圖斑，如此循環(huán)直至地面覆蓋現(xiàn)狀圖中所有的圖斑上衛(wèi)片像元大氣程輻射遙感數(shù)值都計算完畢，完成所選定地區(qū)的大氣程輻射遙感數(shù)字圖像的計算機(jī)生成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣程輻射遙感數(shù)字圖像的計算機(jī)生成方法，其特征在于，在步驟S2中對該圖斑邊界上所有像元按公式DNA＝DNA1＝DNA2＝DN1-r1×(DN1-DN2)/(r1-r2)計算，其中，DN1、DN2；r1、r2分別為相鄰的不同種類地物的像元遙感數(shù)值和對應(yīng)地面的反射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣程輻射遙感數(shù)字圖像的計算機(jī)生成方法，其特征在于，在步驟S3中對該圖斑內(nèi)部像元的大氣程輻射遙感值計算，按公式DNaij＝a×ln(DNij-DNaij)+b＝a×ln(DNij′)+b該公式表達(dá)圖斑內(nèi)部像元大氣程輻射遙感值DNa與該像元大氣光譜透過率之間定量關(guān)系，令Y＝DNaijX＝ln(DNij-DNaij)＝ln(DNij′)則有回歸直線方程Y＝aX+b，其中DNij′是像元原始遙感值DN的大氣修正值；a、b分別為待定回歸系數(shù)，利用包圍該圖斑的邊界上多個已知像元點的原始遙感值和像元大氣程輻射遙感值，通過最小二乘法計算得到。
全文摘要
一種大氣程輻射遙感數(shù)字圖像的計算機(jī)生成方法，包括步驟S1.在地理信息系統(tǒng)的支持下，以選定地區(qū)的地面覆蓋現(xiàn)狀圖的圖斑為單元，將位于該圖斑上的衛(wèi)星圖片像元分為圖斑邊界和內(nèi)部兩類像元，S2.計算圖斑邊界像元的大氣輻射遙感值，S3.計算圖斑內(nèi)部像元的大氣輻射遙感值，S4.一個圖斑計算完成后再返回步驟S2、S3計算下一個圖斑，如此循環(huán)直至地面覆蓋現(xiàn)狀圖中所有的圖斑上衛(wèi)星圖片像元大氣程輻射遙感數(shù)值都計算完畢。本發(fā)明方法利用遙感數(shù)字圖像中大氣程輻射分量構(gòu)建傳統(tǒng)遙感手段無法獲得的大氣程輻射遙感數(shù)字圖，在遙感數(shù)據(jù)的弱信號中提取和挖掘方面有所突破和創(chuàng)新。
文檔編號G01S7/48GK1700036SQ20051002727
公開日2005年11月23日 申請日期2005年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月29日
發(fā)明者李先華 申請人:上海大學(xué)