[发明专利]林区机载推扫式高光谱影像的BRDF归一化校正方法

权利要求书

1.一种林区机载推扫式高光谱影像的BRDF归一化校正方法，所述林区机载推扫式高光谱影像为针对起伏地形的林区机载推扫式高光谱影像，其特征在于，包括以下步骤：

(1)针对几何校正和大气校正后的机载高光谱影像，根据机载推扫式高光谱成像仪设备观测视场和数据采集时飞行姿态以及太阳几何位置信息,计算影像中每个像元基于平面的太阳-观测几何信息，基于平面的太阳-观测几何信息包括观测方位角、观测天顶角、太阳方位角和太阳天顶角；

在计算影像像元的太阳-观测几何时，应结合机载推扫式高光谱成像仪设备观测视场信息和数据采集时飞行姿态数据；依据摄影测量共线方程，若将地面坐标系的原点位置平移到传感器扫描线中心位置,此时像框标坐标系坐标到地面空间坐标系坐标的转换过程为:

式(1)中，(x,y)和(x₀,y₀)分别为像素点坐标和像主点S在框标坐标系下的坐标；推扫式成像传感器对地表进行逐行的扫描成像，因此在同一行上的不同像素在像空间坐标系中(y-y₀)坐标均为0；传感器扫描行宽度范围内的像素数目为nb,像素尺寸大小为p mm，则像主点坐标为f为摄影中心到成像影像的垂距，即焦距，(x-x₀，y-y₀，-f)为像素点在像空间坐标系的三维坐标，(u,v,w)为像素点在地面空间坐标系中的三维坐标，(2)式中，ω和k为外方位元素，确定了像空间坐标系三轴在地面坐标系中的方向,上述信息由机载POS数据提供,航向方位角为α_az，像素点的观测天顶角θ_v与方位角计算公式如下式所示：

(2)利用机载高光谱数据采集范围内的高精度数字高程模型数据计算影像中每个像元的坡度、坡向信息；根据像元的坡度、坡向信息将步骤(1)中各个像元的观测几何由全局坐标系变换到局部坐标系，获得像元基于起伏地形的真实的太阳-观测几何信息；

为了获得像元的真实太阳-观测几何，需要将基于地球平面坐标系(全局坐标系)的像元按照其对应的坡度(α)和坡向(β)信息，转换到该像元对应坡面的局部坐标系中，利用太阳及传感器在像元的局部坐标系中的坐标，即可计算出该像元对应坡面的真实太阳入射及观测几何；全局坐标系到局部坐标系的转换方式包括：首先将全局坐标系绕w轴旋转(π/2-β)，再将旋转后的坐标系绕v轴旋转α，即得到基于坡面的局部坐标系；假设(x′，y′，z ′)为通过坐标系转换将传感器在全局坐标系中的位置(u′,v′,w′)转换到局部坐标系中的新坐标换，则转换公式可表示为：

其中，r为传感器到像元的直线距离，在后续的角度计算中作为共有项将忽略，亦可将r看作单位距离1带入公式(5)计算；

在局部坐标系中，像元的真实观测天顶角θ′_v和方位角分别由式(6)、(7)计算获得：

同理，坡面像元的真实太阳天顶角和方位角亦可通过上述方式计算；

(3)依据坡度分层抽样提取同一树种像元的各个波段反射率以及该像元局部坐标系的太阳-观测几何信息，构建该树种各个波段的BRDF模型，并提取模型参数；利用乘法归一化因子，对机载高光谱影像中各个像元的不同角度的方向反射率归一化到指定太阳角度以及传感器观测方向的反射率值；验证并评估BRDF归一化校正结果；

其中，高光谱影像可根据像元的真实太阳-观测几何视为新型多角度观测数据集；在假设影像范围区域具有均匀的森林结构和地物结构，并且不随坡度和坡向变化的前提下，对新型多角度数据集采用半经验线性核驱动二项反射模型对不同树种的BRDF效应进行模拟，核的组合为体散射Ross-Thick核和几何光学Li-Sparse核；BRDF模型及核的具体计算公式如下：

其中是二项反射分布函数，它是太阳天顶角θ′_s，观测天顶角θ′_v，太阳和传感器的相对方位角不同地物类型c以及波长λ的函数；K_vol和K_geo分别代表体散射Ross-Thick核和几何光学Li-Sparse核，f_iso(c,λ)、f_vol(c,λ)和f_geo分别代表某一地物类型在某一波段反射率的BRDF模型中各核函数项所对应的系数；

再者，依据坡度和坡向信息对影像分层抽样，抽样比例根据实际情况而定，抽样后获得m(m为正整数)个像元子集，再根据地物树种分类数据提取m个像元子集中同一植被类型的n(n为正整数)个像元的各个波段的反射率值以及局部坐标系的太阳-观测几何数据，并利用最小二乘法对该地物某一波段反射率的BRDF模型参数进行解算,建模过程如式(9)所示，

求解X·B＝Y，则X^T·X·B＝X^T·Y,可求的B＝(X^T·X)^-1X^T·Y，即求解出某一地物类型在某一波段反射率的BRDF模型中各核函数项所对应的系数f_iso，f_vol和f_geo。