宽视域卫星影像地表反射率反演方法

摘要

太阳照射天顶角和卫星观测天顶角是卫星遥感影像大气校正和地表反射率反演中很重要的输入参数。针对视场角较大的影像，本发明逐像元计算太阳照射天顶角和卫星观测天顶角，然后反演地表反射率，提出一种宽视域陆地卫星遥感影像地表反射率获取的方法。

主权项

一种宽视域卫星影像地表反射率反演的方法，其步骤为：第一步、对卫星影像进行几何校正；第二步、辐射定标，将影像像元亮度值转换为星上辐射亮度L_λ；L_λ＝Gain×DN+BiasL_λ为波段λ的星上辐射亮度，DN为波段λ的像元值，Gain和Bias分别为波段λ的增益和偏置；第三步、获取大气程辐射L_pL_p＝Gain×DN_min+Bias‑0.01E₀cosθ_zT_zT_v/πd²第四步、逐像元计算太阳天顶角(4‑1)计算太阳时：$t=t_s+0.170\sin \left(\frac{4\pi (J-80)}{373}\right)-0.129\sin \left(\frac{2\pi (J-8)}{355}\right)+\frac{12(\mathrm{SM}-L)}{\pi }$其中t是太阳时(小时数，带小数位)，t_s是标准时(小时数，带小数位)，SM是该时区标准经线的经度(弧度)，L是该像元点的经度(弧度)，J是儒略日；(4‑2)计算太阳赤纬：$\delta =0.4093\sin \left(\frac{2\pi (J-81)}{368}\right)$其中δ是太阳赤纬(弧度)，J是儒略日；(4‑3)计算太阳天顶角${\theta }_z=\frac{\pi }{2}-\arcsin (\sin l\sin \delta -\cos l\cos \delta \cos \frac{\mathrm{\pi t}}{12})$其中θ_z是太阳天顶角(弧度)，l是该像元点的纬度(弧度)，δ是太阳赤纬(弧度)，t是太阳时；第五步、在陆地卫星影像星下点成像情况下，按照以下步骤逐像元计算卫星观测天顶角：(5‑1)获取任一像元点E与影像中心点0的行距(Δx)和列距(Δy)；(5‑2)由行距和列距计算像元点E与影像中心点0的距离s$s=\sqrt{{\left(\mathrm{\Delta x}\right)}^2+{\left(\mathrm{\Delta y}\right)}^2}$(5‑3)由s和卫星高度h之间的三角关系获取该像元点的卫星观测天顶角θ_vθ_v＝arctan(s/h)第六步、计算大气光学厚度τ(6‑1)根据陆地卫星遥感影像的经纬度和影像成像时间，获取同一地理范围、同步过境的MODIS气溶胶光学厚度(0.47μm和0.66μm)、总可降水汽、地表气压和臭氧浓度影像，并将各影像做几何校正，转换为和陆地卫星遥感影像一致的投影方式和分辨率，且影像行列数一致；(6‑2)由MODIS总可降水汽w计算大气水蒸汽光学厚度；${\tau }_w=\frac{{0.2385a}_{\mathrm{w\lambda }}\mathrm{wM}}{{(1+{20.07a}_{\mathrm{w\lambda }}\mathrm{wM})}^{0.45}}$其中，τ_w是大气水蒸汽光学厚度，a_wλ是水汽吸收系数，w是总可降水汽，M是相对大气量；(6‑3)计算臭氧吸收光学厚度τ_o＝C_ozone×A_ozone(λ)τ_o是臭氧吸收光学厚度，C_ozone为MODIS臭氧浓度(单位为Dobson)，A_ozone(λ)为波段λ的臭氧吸收系数；(6‑4)由MODIS 0.47μm和0.66μm的气溶胶光学厚度，利用下式计算波长指数(α)及大气浑浊度系数(β)$\alpha =-\frac{{\ln \tau }_{\mathrm{a\alpha }}\left({\lambda }_1\right)-{\ln \tau }_{\mathrm{a\alpha }}\left({\lambda }_2\right)}{{\ln \lambda }_1-{\ln \lambda }_2}$β＝τ_a(λ₁)λ₁^α＝τ_α(λ₂)λ₂^αλ₁和λ₂分别为0.47μm和0.66μm，τ_a(λ₁)和τ_a(λ₂)分别为0.47μm和0.66μm的气溶胶光学厚度；在得到α和β后，可以利用下式得到任意波长λ的气溶胶光学厚度τ_a(λ)：τ_a(λ)＝βλ^‑α其中，λ为波长(μm)，τ_a(λ)是该波长的气溶胶光学厚度；(6‑5)计算瑞利散射光学厚度；${\tau }_r=\frac{p}{1013.25}{0.008569\lambda }^{-4}(1+0.0133{\lambda }^{-2}+{0.00013\lambda }^{-4})$其中，τ_r为瑞利散射光学厚度，λ是影像各波段的中心波长(μm)；p为MODIS的地表气压产品；(6‑6)τ＝τ_w+τ_o+τ_a+τ_r第七步、计算太阳照射方向和卫星观测方向的大气透过率；T_z＝exp(‑τ/cosθ_z)＝exp{(‑τ_r‑τ_a‑τ_o‑τ_w)/cosθ_z}T_v＝exp(‑τ/cosθ_v)＝exp{(‑τ_r‑τ_a‑τ_。‑τ_w)/cosθ_v}其中，T_z和T_v分别是太阳照射方向和卫星观测方向的大气透过率，τ是大气光学厚度，θ_z是太阳天顶角，θ_v是卫星观测天顶角，τ_r、τ_a、τ_o和τ_w分别是瑞利散射光学厚度、气溶胶光学厚度、臭氧吸收光学厚度和大气水蒸汽光学厚度；第八步、计算地表反射率ρ$\rho =\frac{\pi (L_{\lambda }-L_p)d^2}{E_0\cos {\theta }_z{T}_z{T}_v}$d＝1+0.0167sin[2π(J‑93.5)/365]E₀是大气层外相应波长的太阳光谱辐照度，d是日地距离(天文单位)，J是儒略日。