[发明专利]基于冠层内辐射传输机理的光学遥感影像地形校正方法

说明书

本发明涉及光学遥感影像地形校正技术领域，从光子‑冠层‑地形交互的物理机理出发，通过简化辐射传输方程，提出一种兼顾物理机理完备性和数学形式简洁性的光学遥感影像地形校正方法，包括以下步骤：收集目标的光学遥感影像和DEM数据；根据DEM数据计算坡度、坡向，根据影像头文件，计算逐像元的成像几何；对遥感影像进行大气校正，获得地表反射率；然后计算各像元对应的平地或坡地消光路径；将地表反射率和消光路径作为输入，将坡地反射率校正为平地反射率。本发明的地形校正方法普适性强，具备业务化运行能力，有助于提高卫星遥感技术在山区的应用潜力。

技术领域

本发明涉及光学遥感影像地形校正技术领域，具体涉及一种基于冠层内辐射传输机理的光学遥感影像地形校正方法。

背景技术

遥感技术因其宏观、动态和客观的优点，在环境监测、防灾减灾、农业估产等众多领域取得了广泛应用。但在地形复杂的山区，地形显著影响光学遥感的成像过程，使遥感观测的辐射信号中包含了过多非地表实况的地形扰动信息。抑制光学遥感信号中的地形信息，获得影像的等效平地反射率(即地形校正)，是山地光学遥感应用的基本预处理技术。

地形以多种途径使光学遥感影像产生畸变，如：①地形对太阳入射辐射的再分配；②地形对大气底层辐射传输过程的影响；③地形倾斜对冠层结构的调制。相应地，已有地形校正方法也可以大致分为三类：①入射辐射校正方法，如余弦校正；②地形-大气协同校正方法，如Kobayashi方法；③坡地冠层反射率地形校正方法，如SCS校正。

SCS校正是一种常用的坡地冠层反射率校正方法，它认为冠层反射率主要有光照树冠决定，通过考虑地形倾斜引起的光照树冠面积的变化，将地形校正后的反射率表达为：式中，ρ_t、ρ_SCS分别是地形校正前后的反射率，α为坡度，θ₁为太阳入射高度角，θ₁’为坡地上的局地入射高度角，且θ₁′＝cosθ₁cosα+sinθ₁sinαcosβ，式中，β为坡向。相对于余弦校正、C校正等，SCS方法考虑了地形对冠层结构的调制，物理机理更加完备。但是，此方法基于几何光学基本原理，将树冠视为不透光的刚体，并且仅考虑了地形对光照树冠面积的影响，而忽略了阴影树冠、光照背景、阴影背景三分量对冠层反射率的贡献。SCS方法在稀疏植被区的校正精度还存在不足。亟需发展对坡地冠层结构刻画更为准确的反射率校正方法。

D-S校正也是一种常用的坡地冠层反射率校正方法，它认为平地和坡地冠层反射率模型均可以表达为以下形式：式中，为入射方向和观测方向之间夹角的函数，θ₁、θ₂分别为为入射天顶角和观测天顶角。基于以上假设，地形校正之后的反射率可表达为：式中，ρ_t、ρ_D-S分别是地形校正前后的反射率，θ’₁、θ’₂分别为坡地上的局地入射高度角和观测高度角，可由式θ′₁＝cosθ₁cosα+sinθ₁sinαcosβ计算得到。D-S校正物理机理清晰，数学形式简洁，是一种有效的坡地冠层反射率校正方法。但是，坡地冠层内辐射传输是一个高度非线性的物理过程，其满足式的假设过于简单，使D-S校正存在较大的不确定性，限制了它的广泛应用。亟需发展对坡地冠层内辐射传输过程刻画更为细致的反射率校正方法。

本发明将基于辐射传输基本理论，考虑由地表倾斜引起的冠层内光子传输自由路径长度的改变，据此构建坡地辐射传输方程；最后，通过简化辐射传输方程，得到形式简洁、机理完备的地形校正方法，普适性强，具备业务化运行能力，有助于提高光学卫星遥感技术在山区的应用潜力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于冠层内辐射传输机理的光学遥感影像地形校正方法，从光子-冠层-地形交互的物理机理出发，通过简化辐射传输方程，提出一种兼顾物理机理完备性和数学形式简洁性的坡地冠层反射率归一化算法。