专利名称：航空高光谱遥感飞行地面同步定标及反射率转换方法
技术领域：
本发明涉及遥感信息处理领域，特别涉及一种利用地面同步定标对航空高光谱遥感数据进行反射率转换的方法。
背景技术：
高光谱遥感数据在光谱维上具有较高的分辨率，可提供地物目标较为完整和详细的波谱特性。由于受大气的影响，遥感器接收到的光谱信号与地物真实光谱特性可能有一定偏差；另外反射波谱特性是地物固有的物理和化学特征指标，比辐射波谱更能反映地物的本质特性。因此，只有将高光谱遥感数据转换为反射率，才能更有效地进行后续的应用分析。对于高光谱遥感应用而言，反射率转换是一项非常重要的基础工作。
目前常用的反射率转换方法包括利用辐射传输方程进行反射率转换，利用图像本身进行反射率转换如平面场模型、内在平均相对反射率模型、对数残差模型等，以及借助地面实测反射波谱数据进行反射率转换的方法。这三类方法各有特点辐射传输理论较为成熟，但具体应用中需要知道大气参数及有关数据，航空遥感系统运行过程中姿态不稳定，没有实时大气参数记录，难以使用。利用图像本身进行反射率转换的方法比较简单，但得到的是相对反射率。因此借助地面同步定标实测数据进行反射率转换是操作起来最容易、最为有效和实用的方法。分析现有借助地面同步定标实验进行反射率转换的方法，在具体应用中一般亦存在以下问题1)地面同步定标实验布置失误或不合理地面同步定标实验是借助地面数据进行反射率转换的重要内容，没有准确可靠的地面同步定标数据，就不可能获得高精度的反射率。这是一项非常繁杂的工作，包括人工和自然定标地物类型的确定、人工定标地物的布置、自然定标地物的布点，以及地面同步定标数据的获取等。但在现实应用中存在诸如未经充分的波谱实验和分析造成定标地物类型选择不当，定标地物尺寸设计不当使得在应用中无法有效消除混合像元的影响，以及所获取地面数据同步性过差等问题使得获取的地面定标数据不够准确可靠。因此迫切需要一套完整、系统的根据航空飞行布置地面同步定标实验以进行地面同步定标，进而获取精确可靠地面定标数据的方法。
2)反射率转换方法没有考虑时间因素的影响现有利用地面同步资料进行反射率转换的方法，一般是将整幅图像作为一个整体来处理，不考虑时间因素对地物目标辐射特性的影响，这种处理方法对于空中遥感数据获取时间跨度不大的小面积试验区较为适用。航空高光谱遥感数据空间分辨率一般较高，不可能对大面积区域瞬时成像，通常一次航空飞行实验会覆盖多条航线；而由于实验条件的限制，地面同步定标只能集中于某条航线距离较近的几个典型点。因此如果地面定标点所在航线过长，或者利用地面定标数据对不含地面定标点航线图像进行反射率转换时，再不考虑时间因素的影响就会造成较大的偏差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种航空高光谱遥感飞行地面同步定标及反射率转换方法，以获取精确可靠地面定标数据，并在反射率转换时将时间对地物目标辐亮度的影响考虑在内，提高反射率转换的精度。
为实现上述目的，本发明提供一种航空高光谱遥感飞行地面同步定标及反射率转换方法，其特点在于包括下列步骤(1)确定飞行路线及主要控制点的经纬度坐标；(2)根据飞行路线确定地面定标点的范围及地面定标物类型；(3)确定地面实验的时间即飞机过地面定标点的时刻；(4)进行地面同步定标实验，获取地面同步定标数据，该同步定标数据包括地面波谱数据及地面定标辅助数据，其中地面定标辅助数据包括每次波谱数据获取的时间及每个定标物所在位置的经纬度；(5)反射率转换步骤根据获取的地面同步定标数据，以选取的太阳高度角作基准对航空高光谱遥感数据进行反射率转换。
所述地面定标物包括人工和自然地面定标物，其中人工地面定标物包括作为亮体的白棉布和作为黑体的黑棉布；自然定标物包括作为亮体的水泥地、水体和作为黑体的煤堆，其面积均不小于10×10个像元面积，且位于机下点。
所述反射率转换步骤包括下列步骤(1)确定对航空高光谱遥感图像进行反射率转换时，选作基准的太阳高度角；(2)根据是将整幅图像转换为同一太阳高度角时的反射率，还是将图像像素值转换为各自成像时刻的反射率，确定图像各像素的辐亮度值Lsλ；(3)确定反射率的反演系数kλ和bλ；(4)将反演系数kλ和bλ按照ρ＝k·L+b的形式应用于步骤(2)所得的辐亮度值Lsλ，即可得到反射率数据ρgλ。
所述反演系数kλ和bλ是根据地面实测同步定标数据及其从图像提取的相应区域的辐亮度值，利用最小二乘法计算得到。
所述航空高光谱遥感数据为包含地面定标点的航线图像，且以地面定标点成像时所对应太阳高度角为基准时，所述反射率转换步骤包括下列步骤(1)确定航线图像各像素的太阳高度角，选择地面定标点在图像上的相应像素区域即图像感兴趣区，确定并以所有图像感兴趣区所对应的平均太阳高度角ht为基准；(2)根据以下公式，确定整幅图像计算整幅图像在平均太阳高度角ht成像条件下的辐亮度值LsλtLsλt=Lsλisinhi·sinht]]>其中，hi为像素i所对应的太阳高度角；Lsλi是整幅图像对应的原始辐亮度值；
(3)利用地面同步定标数据和从图像感兴趣区提取的辐亮度计算反演系数，包括下列步骤①提取每个图像感兴趣区太阳高度角为ht时每个通道所对应的辐亮度值；②根据成像光谱仪的通道参数对地面同步定标实验获取的各图像感兴趣区相应的地面波谱数据重采样，使地面波谱和图像波谱具有相同的波段数，获得重采样后的地面波谱；③对每个图像感兴趣区所对应的图像波谱和地面波谱进行配对，并按以下等式建立方程组，并求得λ波段对应的反演系数kλ和bλρgλR＝kλ·LsλR+bλ其中ρgλR为重采样后的地面波谱；LsλR为图像相应图像感兴趣区提取的太阳高度角为ht的辐亮度值；(4)把反演系数kλ和bλ按步骤(3)所示方程用于步骤(2)得到的模拟辐亮度值Lsλt，即可得到整幅图像在太阳高度角为ht的反射率ρgλt。
所述航空高光谱遥感数据为包含地面定标点的航线图像像素，且以图像各像素成像时刻对应太阳高度角为基准时，所述反射率转换步骤包括下列步骤(1)确定航线图像各像素的太阳高度角，选择地面定标点在图像上的相应像素区域即图像感兴趣区，从图像中提取每个图像感兴趣区的辐亮度值Lsλt，确定并以其成像的平均太阳高度角ht为基准；(2)根据以下公式计算每个图像感兴趣区在像素i所对应太阳高度角ht条件下的模拟辐亮度值Lsλ0iLsλ0i=Lsλtsinht·sinhi;]]>(3)利用地面同步定标数据和从图像感兴趣区提取的辐亮度值计算每一像素的反演系数，包括下列步骤①根据成像光谱仪的通道参数对地面同步定标实验获取的各图像感兴趣区相应的地面波谱数据重采样，使地面波谱和图像波谱具有相同的波段数，获得重采样后的地面波谱；
②对于像素i，对每个图像感兴趣区的模拟辐亮度值和地面重采样地面波谱进行配对，并按以下关系建立方程组，求得各像素对应反演系数ρgλ0＝ki·Lsλ0i+bi其中，ρgλ0为重采样后的地面波谱；Lsλ0i从相应图像感兴趣区提取的模拟辐亮度值；ki和bi即为所求的像素i所对应的反射率反演系数。
(4)把所求得反演系数ki和bi按以下公式应用于像素i的原始辐亮度值，即得到像素i的反射率ρgλiρgλi＝ki·Lsλi+bi其中Lsλi为像素i位置处遥感器接收到的辐亮度值。
所述航空高光谱遥感数据为不含地面定标点的航线图像像素，且以图像各像素成像时刻对应太阳高度角为基准时，所述反射率转换步骤包括以下步骤(1)确定航线图像各像素的太阳高度角，从含地面定标点图像读取的每个图像感兴趣区的辐亮度值Lsλt及相应的太阳高度角ht；(2)对于像素i，设其太阳高度角为hi，按以下公式计算各图像感兴趣区在该太阳高度角hi下相应的模拟辐射亮度Lsλ0tLsλ0i=Lsλtsinht·sinhi;]]>(3)利用地面同步定标数据和图像感兴趣区的辐亮度值计算反演系数，包括下列步骤①根据成像光谱仪的通道参数对地面同步定标实验获取的各图像感兴趣区相应的地面波谱数据重采样，使地面波谱和图像波谱具有相同的波段数，获得重采样后的地面波谱；②对于像素i，对每个图像感兴趣区的模拟辐亮度值和地面重采样地面波谱进行配对，并按以下关系建立方程组，求得各像素i对应反射率反演系数ki和biρgλ0＝ki·Lsλ0i+bi；其中，ρgλ0为重采样后的地面波谱；Lsλ0i为相应图像感兴趣区的模拟辐亮度值；(4)将得到的反演系数ki和bi按以下公式应用于像素i的原始辐亮度值，即得到像素i的反射率ρgλiρgλi＝ki·Lsλi+bi其中Lsλi为像素i位置处遥感器接收到的辐亮度值。
所述航空高光谱遥感数据为不含地面定标点的航线图像，且以地面定标点成像时所对应太阳高度角为基准时，所述反射率转换步骤包括以下步骤(1)确定航线图像各像素的太阳高度角，读取已有反演系数kλ和bλ及其所对应的成像太阳高度角ht；(2)根据以下公式，将整幅图像转换为太阳高度角ht成像条件下的模拟辐亮度值LsλtLsλt=Lsλisinhi·sinht]]>其中hi为像素i的太阳高度角；Lsλi为整幅图像原始辐亮度值；(3)将反演系数kλ和bλ按照ρ＝k·L+b的形式应用于上述步骤(2)所得的模拟辐亮度图像，即可得到整幅图像在太阳高度为ht的反射率。
所述太阳高度角是根据遥感飞行辅助数据，即各像素对应的成像时间及经纬度信息计算得到。
本发明在地面同步定标实验前对地面同步定标实验进行了科学合理的总体布置，经波谱实验和分析选择适当的定标地物类型，适当设计定标地物尺寸，有效消减混合像元的影响，保证获取地面数据的同步性，从而保证了地面同步定标实验中获取的地面同步定标数据的精确可靠；同时本发明利用地面同步定标实现获取的地面同步定标数据对航空高光谱遥感数据进行反射率转换，即以地面定标点成像时所对应太阳高度角为基准对航空高光谱遥感数据进行反射率转换，将时间对地物目标辐亮度的影响考虑在内，克服了地面定标点所在航线过长或者对不含地面定标点航线图像进行反射率转换时，不考虑时间因素将带来较大偏差的问题，提高反射率转换的精度。
以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的工作流程图。
图2为本发明的航空遥感飞行地面同步定标实验总体布置的工作流程图。
图3为本发明的对航空高光谱遥感数据进行反射率转换的实施例1的流程图。
图4为本发明的对航空高光谱遥感数据进行反射率转换的实施例2的流程图。
图5为本发明的计算太阳高度角的方法流程图。
图6为本发明的对航空高光谱遥感数据进行反射率转换的实施例3的流程图。
图7为本发明的对航空高光谱遥感数据进行反射率转换的实施例4的流程图。
具体实施例方式
本发明航空高光谱遥感飞行地面同步定标及反射率转换方法利用地面同步定标对航空高光谱遥感数据进行反射率转换，如图1所示，该方法包括地面同步定标实验总体布置、地面同步定标数据的获取和室内反射率转换三个子过程。
其中地面同步定标实验总体布置过程如图2所示，先根据应用需求确定飞行路线，并给出主要控制点的经纬度坐标，特别是转弯点或尤为感兴趣目标的经纬度坐标。
其次确定地面定标点的范围以及合适的地面定标物类型(简称地物类型)，其中地面定标物包括人工和自然定标地物两种。结合飞行航线，选取合适的布点位置，如交通不太拥挤的码头、路的交叉口、公园等，以便既有足够的空间置放人工定标物，又包含满足条件的自然定标地物。可作为定标点的地物要求满足以下条件没有明显的吸收或反射，具有良好的朗伯体特性；波谱特性随时间变化稳定；尺寸大小合适，有不小于10×10个像元的面积，以减小混合像元的面积；定标点个数为5～7个，其反射率覆盖高、中、低反射率范围；定标点位于机下点，以避免几何和辐射畸变；定标点距离的远近要在同步实验可接受的范围内，最大限度保证同步性。经室内波谱对比分析和人工地物的准备选取人工定标地物；经野外踏勘和地物波谱对比分析，选取自然定标地物，确定其具体的位置，并将该位置的经纬度及时反馈给航空飞行组织单位以确保航线覆盖该区域。
最后确定地面实验的时间飞行当日准确获取飞机起飞的具体时间，以确定飞机过地面定标点的时刻。
而后进行地面同步定标实验，进入地面同步定标数据的获取过程，这是对航空高光谱遥感数据进行反射率转换的前提。该同步定标数据包括地面波谱数据及地面定标辅助数据，其中地面定标辅助数据包括每次波谱数据获取的时间及每个定标物所在位置的经纬度等。
以上地面同步定标实验总体布置及地面同步定标数据的获取可通过以下实施例详细说明。
在上海地区进行OMIS(实用型�？榛上窆馄滓�)与PHI(推帚式面阵CCD超光谱成像仪)的高光谱遥感飞行实验，飞行前，确定以下几项内容1)根据应用需求确定飞行路线，淀山湖→徐浦大桥→南浦大桥→杨浦大桥(沿浦东)→江湾机场(面积)→杨浦大桥→南浦大桥(沿浦西)，并给出主要控制点的经纬度坐标。
2)确定定标点的大致范围和合适的地物类型为了选择地面同步定标实验用人工地物，对涤棉、棉纱卡、尼丝纺、平绒、纯棉、莱卡、丝、绸等不同质地的白、黑布进行室内光谱对比分析实验，最后选择加工12×12m2的黑棉布和白棉布分别作为定标用黑体和亮体。
经野外踏勘和地物波谱对比分析，选择水泥地、植被、地砖、大理石、煤堆、土壤、水体作为自然定标地物，确定其具体的位置，并将位置的经纬度及时反馈给航空飞行组织单位。
3)一步确定地面实验的时间飞行当日准确获取飞机起飞的具体时间，以确定飞机过地面定标点的时刻。
4)进行地面同步定标实验，获取地面同步定标数据航空飞行当日，利用黑、亮体和各种自然地物，在东西外滩、徐浦大桥以南段、江湾机场和南浦广场公园等地进行了地面同步定标实验，获取水泥地、植被、地砖、大理石、煤堆、土壤、水体等各种自然地物目标的波谱及相关辅助数据，为航空高光谱遥感数据的处理提供了数据源。
获取地面同步定标数据后，根据该地面同步定标数据，以选取的太阳高度角作基准对航空高光谱遥感数据进行反射率转换。一次航空高光谱遥感飞行一般会覆盖几条航线，而由于实验条件的限制，地面同步定标往往只能集中于某条航线距离较近的几个典型点。因此下面利用本发明所提出反射率转换方法分别就所校正航线图像含或不含地面定标点给出具体的实例。
1、含地面定标点的航线图像对于含地面定标点航线图像的反射率转换，可以地面定标点成像时所对应太阳高度角为基准对整幅图像进行反射率转换，具体实现步骤见图3；亦可以将图像像素转换为各自成像条件下的反射率，具体实现步骤见图4。其详述如下1)地面定标点成像时所对应太阳高度角为基准(实施例1)首先计算图像各像素太阳高度角；接下来选择地面定标点，计算地面定标点的平均太阳高度角，作为整幅图像反射转换的基准；计算整幅图像在该基准太阳高度角条件下的辐亮度值；利用地面同步定标数据和从图像感兴趣区(Region of Interest，简称ROI)提取的辐亮度值由最小二乘法计算反演系数；最后将反演系数应用于整幅图像获得反射率。如图3所示，其具体包括以下步骤步骤1读取要进行反射率转换的含地面定标点的航线图像，要求是辐亮度值。
步骤2根据读取图像相应的遥感飞行辅助数据，获取各像素对应的成像时间及经纬度信息，并计算每像素所对应的太阳高度角，其计算步骤如图5所示步骤21根据成像的年、月、日计算日角J；步骤22；由日角J计算太阳赤纬角δ；步骤23计算太阳时角τ，实现步骤为步骤231根据经度信息，将成像的北京时S换成地方时Sd，步骤232由日角J计算时差，并将地方时进行时差订正，得真太阳时，步骤233计算太阳时角τ；步骤24根据纬度信息以及所得太阳赤纬角δ、太阳时角τ计算太阳高度角h。
一般情况下，航空遥感飞行的辅助数据精度有限，必要的时候可内插获取每行或每像素的辅助信息。
步骤3显示图像，选择地面定标点在图像上的相应像素区域，即图像感兴趣区(ROI区)。
步骤4统计计算所有ROI区所对应的平均太阳高度角ht。
步骤5根据以下公式，将整幅图像转换为平均太阳高度角ht成像条件下的辐亮度值LsλtLsλt=Lsλisinhi·sinht]]>其中，hi为像素i所对应的太阳高度角；Lsλt是整幅图像对应的原始辐亮度值；Lsλt为整幅图像在太阳高度角为ht时所对应的辐亮度值。
步骤6提取每个ROI区太阳高度角为ht时每个通道对应的辐亮度值。
步骤7读取地面同步定标实验所获取的各ROI区相应的地面反射波谱数据。
步骤8根据成像光谱仪的通道参数对其所获的地面反射波谱数据进行重采样，使地面波谱和图像波谱具有相同的波段数。
步骤9获得重采样后的地面反射波谱。
步骤10对每个ROI区所对应的图像波谱和地面波谱进行配对。
步骤11根据步骤10，按以下等式建立方程组，并求得反演系数kλ和bλρgλR＝kλ·LsλR+bλ其中，ρgλR为重采样后的地面实测反射波谱；LsλR为图像相应ROI区提取的太阳高度角为ht的辐亮度值；kλ和bλ为要求的λ波段对应的反演系数。
步骤12最后再把kλ和bλ按步骤11所示方程用于步骤5的得到的辐亮度值，即可得到整幅图像在太阳高度角为ht的反射率。
2)将图像像素转换为各像素成像条件下的反射率(实施例2)首先计算各像素太阳高度角；选择地面定标点，计算各ROI区的辐亮度值和平均太阳高度角；对于每像素，计算各ROI区在该太阳高度角下的模拟辐亮度值；利用地面定标数据和模拟辐亮度值计算每一像素的反演系数；最后将反演系数用于每一像素即得反射率。如图4所示，其具体包括以下步骤步骤1读取要进行反射率转换的含地面定标点的航线图像，要求是辐亮度值。
步骤2按图5所示步骤计算图像每像素的太阳高度角。
步骤3显示图像，选择地面定标点在图像上的相应像素区域，即图像感兴趣区(ROI区)。
步骤4对于每个ROI区，从图像提取其辐亮度值Lsλt，并统计计算其成像的平均太阳高度角ht，步骤5按以下公式计算其在像素i所对应太阳高度角ht条件下的模拟辐亮度值Lsλ0tLsλ0i=Lsλtsinht·sinhi]]>步骤6读取地面同步定标实验所获取的各ROI区相应的地面反射波谱数据。
步骤7根据成像光谱仪的通道参数对其所获的地面反射波谱数据进行重采样，使地面波谱和图像波谱具有相同的波段数。
步骤8获得重采样后的地面反射波谱。
步骤9对于像素i，对每个ROI区的步骤5得到的模拟辐亮度值和步骤8得到的地面重采样地面波谱进行配对。
步骤10根据步骤9，按以下关系建立方程组，求得各像素对应反演系数ρgλ0＝ki·Lsλ0i+bi其中，ρgλ0为重采样后的地面定标点实测反射波谱；Lsλ0i从相应ROI区提取的模拟辐亮度值；ki和bi即为所求的像素i所对应的反射率反演系数。
步骤11最后所求得ki和bi按以下公式应用于像素i的原始辐亮度值，即得到其反射率ρgλt＝ki·Lsλt+bi其中，ρgλi为像素i所对应的反射率；Lsλi为像素i位置处遥感器接收到的辐亮度值。
2、不包含地面定标点的航线图像对于飞行实验当天获取的不含地面定标点航线图像的反射率转换，可以根据用户输入，将整幅图像转换为某太阳高度角成像条件下的反射率，其具体实现步骤见图6；亦可以将图像像素转换为各自成像条件下的反射率，其具体实现步骤见图7。
1)根据用户输入，将整幅图像转换为某太阳高度角成像条件下的反射率(实施例3)首先读取已有反射率反演系数及该反演系数所对应的太阳高度角；计算图像在该太阳高度角成像条件下的辐射亮度值；利用线性模型，得到整幅不含地面定标点的新航线图像在该太阳高度角条件下的反射率。如图6所示，其具体包括以下步骤步骤1读取要进行反射率转换的含地面定标点的航线图像，要求是辐亮度值。
步骤2按图5所示步骤计算图像每像素的太阳高度角。
步骤3读取已有反射率转换系数kλ和bλ，及其所对应的成像太阳高度角ht。
步骤4根据以下公式，将整幅图像转换为太阳高度角ht成像条件下的模拟辐亮度值Lsλt=Lsλisinhi·sinht]]>其中，hi为像素i的太阳高度角；Lsλi为其图像原始辐亮度值；Lsλt为其在太阳高度角为ht时所对应的辐亮度值。
步骤5将转换系数kλ和bλ，按照ρ＝k·L+b的形式应用于步骤4得到的模拟辐亮度值，即可得到整幅图像在太阳高度角为ht的反射率。
2)将图像像素转换为各像素成像条件下的反射率(实施例4)首先计算各像素太阳高度角；然后读取由含地面定标点航线图像提取的各ROI区辐亮度值和太阳高度角；对于每一像素，计算各ROI区在该太阳高度角下的模拟辐亮度值；利用地面定标数据和模拟辐亮度值计算每一像素的反演系数；最后将反演系数用于每一像素即得反射率。如图7所示，其具体包括以下步骤步骤1读取要进行反射率转换的含地面定标点的航线图像，要求是辐亮度值。
步骤2按图5所示步骤计算图像每像素的太阳高度角。
步骤3读取从含地面定标点图像得到的每个ROI区的辐射波谱及相应的太阳高度角。
步骤4对于像素i，设其太阳高度角为ht，按以下公式计算各ROI区在该太阳高度角ht下相应的模拟辐亮度值Lsλ0i=Lsλtsinht·sinht]]>其中，Lsλt为从含地面定标点图像提取的ROI区在太阳高度角为ht时的辐亮度值，Lsλ0t为该ROI区在太阳高度角为hi时的辐亮度值。
步骤5读取地面同步定标实验所获取的各ROI区相应的地面波谱数据。
步骤6根据成像光谱仪的通道参数对其进行重采样，使地面波谱和图像波谱具有相同的波段数。
步骤7获得重采样后的地面反射波谱。
步骤8对于像素i，对每个ROI区的步骤4得到的模拟辐亮度值和步骤7得到的地面重采样地面波谱进行配对。
步骤9根据步骤8，按以下关系建立方程组，求得各像素对应反演系数ρgλ0＝ki·Lsλ0i+bi其中，ρgλ0为重采样后的地面实测反射波谱；Lsλ0i为相应ROI区的模拟辐亮度值；kt和bi即为像素i所对应的反射率反演系数。
步骤10最后ki和bi按以下公式应用于像素i的原始辐亮度值，即得到其反射率ρgλi＝ki·Lsλi+bi其中，ρgλi为像素i所对应的反射率；Lsλi为像素i位置处遥感器接收到的辐亮度值。
本发明在地面同步定标实验前对地面同步定标实验进行了科学合理的总体布置，保证了地面同步定标实验中获取的地面同步定标数据的精确可靠；同时本发明利用地面同步定标实验获取的地面同步定标数据对航空高光谱遥感数据进行反射率转换，将时间对地物目标辐亮度的影响考虑在内，克服了地面定标点所在航线过长或者对不含地面定标点航线图像进行反射率转换时，不考虑时间因素将带来较大偏差的问题，提高反射率转换的精度。此外本发明在反射率转换时提出了以地面定标点成像时所对应太阳高度角为基准对整幅图像进行反射率转换和将图像像素转换为各自成像条件下反射率的方法，并根据欲转换航线图像含不含地面定标点分别处理。
权利要求
1.一种航空高光谱遥感飞行地面同步定标及反射率转换方法，其特征在于包括下列步骤(1)确定飞行路线及主要控制点的经纬度坐标；(2)根据飞行路线确定地面定标点的范围及地面定标物类型；(3)确定地面实验的时间即飞机过地面定标点的时刻；(4)进行地面同步定标实验，获取地面同步定标数据，该同步定标数据包括地面波谱数据及地面定标辅助数据，其中地面定标辅助数据包括每次波谱数据获取的时间及每个定标物所在位置的经纬度；(5)反射率转换步骤；根据获取的地面同步定标数据，以选取的太阳高度角作基准对航空高光谱遥感数据进行反射率转换。
2.根据权利要求1所述的航空高光谱遥感飞行地面同步定标及反射率转换方法，其特征在于所述地面定标物包括人工和自然地面定标物，其中人工地面定标物包括作为亮体的白棉布和作为黑体的黑棉布；自然定标物包括作为亮体的水泥地、水体和作为黑体的煤堆，其面积均不小于10×10个像元面积，且位于机下点。
3.根据权利要求1或2所述的航空高光谱遥感飞行地面同步定标及反射率转换方法，其特征在于所述反射率转换步骤包括下列步骤(1)确定对航空高光谱遥感图像进行反射率转换时，选作基准的太阳高度角；(2)根据是将整幅图像转换为同一太阳高度角时的反射率，还是将图像像素值转换为各自成像时刻的反射率，确定图像各像素的辐亮度值Lsλ；(3)确定反射率的反演系数kλ和bλ；(4)将反演系数kλ和bλ按照ρ＝k·L+b的形式应用于步骤(2)所得的辐亮度值Lsλ，即可得到反射率数据ρgλ。
4.根据权利要求3所述的航空高光谱遥感飞行地面同步定标及反射率转换方法，其特征在于所述反演系数kλ和bλ是根据地面实测同步定标数据及其从图像提取的相应区域的辐亮度值，利用最小二乘法计算得到。
5.根据权利要求4所述的航空高光谱遥感飞行地面同步定标及反射率转换方法，其特征在于所述航空高光谱遥感数据为包含地面定标点的航线图像，且以地面定标点成像时所对应太阳高度角为基准时，所述反射率转换步骤包括下列步骤(1)确定航线图像各像素的太阳高度角，选择地面定标点在图像上的相应像素区域即图像感兴趣区，确定并以所有图像感兴趣区所对应的平均太阳高度角ht为基准；(2)根据以下公式，确定整幅图像计算整幅图像在平均太阳高度角ht成像条件下的辐亮度值LsλtLsλt=Lsλisinhi·sinht]]>其中，hi为像素i所对应的太阳高度角；Lsλi是整幅图像对应的原始辐亮度值；(3)利用地面同步定标数据和从图像感兴趣区提取的辐亮度计算反演系数，包括下列步骤①提取每个图像感兴趣区太阳高度角为ht时每个通道所对应的辐亮度值；②根据成像光谱仪的通道参数对地面同步定标实验获取的各图像感兴趣区相应的地面波谱数据重采样，使地面波谱和图像波谱具有相同的波段数，获得重采样后的地面波谱；③对每个图像感兴趣区所对应的图像波谱和地面波谱进行配对，并按以下等式建立方程组，并求得λ波段对应的反演系数kλ和bλρgλR＝kλ·LsλR+bλ其中ρgλR为重采样后的地面波谱；LsλR为图像相应图像感兴趣区提取的太阳高度角为ht的辐亮度值；(4)把反演系数kλ和bλ按步骤(3)所示方程用于步骤(2)得到的模拟辐亮度值Lsλt，即可得到整幅图像在太阳高度角为ht的反射率ρgλt。
6.根据权利要求4所述的航空高光谱遥感飞行地面同步定标及反射率转换方法，其特征在于所述航空高光谱遥感数据为包含地面定标点的航线图像像素，且以图像各像素成像时刻对应太阳高度角为基准时，所述反射率转换步骤包括下列步骤(1)确定航线图像各像素的太阳高度角，选择地面定标点在图像上的相应像素区域即图像感兴趣区，从图像中提取每个图像感兴趣区的辐亮度值Lsλt，确定并以其成像的平均太阳高度角ht为基准；(2)根据以下公式计算每个图像感兴趣区在像素i所对应太阳高度角hi条件下的模拟辐亮度值Lsλ0iLsλ0i=Lsλtsinht·sinhi;]]>(3)利用地面同步定标数据和从图像感兴趣区提取的辐亮度值计算每一像素的反演系数，包括下列步骤①根据成像光谱仪的通道参数对地面同步定标实验获取的各图像感兴趣区相应的地面波谱数据重采样，使地面波谱和图像波谱具有相同的波段数，获得重采样后的地面波谱；②对于像素i，对每个图像感兴趣区的模拟辐亮度值和地面重采样地面波谱进行配对，并按以下关系建立方程组，求得各像素对应反演系数ρgλ0＝ki·Lsλ0i+bi其中，ρgλ0为重采样后的地面波谱；Lsλ0i从相应图像感兴趣区提取的模拟辐亮度值；kt和bi即为所求的像素i所对应的反射率反演系数。(4)把所求得反演系数ki和bi按以下公式应用于像素i的原始辐亮度值，即得到像素i的反射率ρgλiρgλi＝ki·Lsλi+bi其中Lsλi为像素i位置处遥感器接收到的辐亮度值。
7.根据权利要求4所述的航空高光谱遥感飞行地面同步定标及反射率转换方法，其特征在于所述航空高光谱遥感数据为不含地面定标点的航线图像像素，且以图像各像素成像时刻对应太阳高度角为基准时，所述反射率转换步骤包括以下步骤(1)确定航线图像各像素的太阳高度角，从含地面定标点图像读取的每个图像感兴趣区的辐亮度值Lsλt及相应的太阳高度角ht；(2)对于像素i，设其太阳高度角为hi，按以下公式计算各图像感兴趣区在该太阳高度角hi下相应的模拟辐射亮度Lsλ0iLsλ0i=Lsλtsinht·sinhi;]]>(3)利用地面同步定标数据和图像感兴趣区的辐亮度值计算反演系数，包括下列步骤①根据成像光谱仪的通道参数对地面同步定标实验获取的各图像感兴趣区相应的地面波谱数据重采样，使地面波谱和图像波谱具有相同的波段数，获得重采样后的地面波谱；②对于像素i，对每个图像感兴趣区的模拟辐亮度值和地面重采样地面波谱进行配对，并按以下关系建立方程组，求得各像素i对应反射率反演系数ki和biρgλ0＝ki·Lsλ0i+bi；其中，ρgλ0为重采样后的地面波谱；Lsλ0i为相应图像感兴趣区的模拟辐亮度值；(4)将得到的反演系数ki和bi按以下公式应用于像素i的原始辐亮度值，即得到像素i的反射率ρgλtρgλi＝ki·Lsλt+bi其中Lsλt为像素i位置处遥感器接收到的辐亮度值。
8.根据权利要求3所述的航空高光谱遥感飞行地面同步定标及反射率转换方法，其特征在于所述航空高光谱遥感数据为不含地面定标点的航线图像，且以地面定标点成像时所对应太阳高度角为基准时，所述反射率转换步骤包括以下步骤(1)确定航线图像各像素的太阳高度角，读取已有反演系数kλ和bλ及其所对应的成像太阳高度角ht；(2)根据以下公式，将整幅图像转换为太阳高度角ht成像条件下的模拟辐亮度值LsλtLsλt=Lsλisinhi·sinht]]>其中hi为像素i的太阳高度角；Lsλi为整幅图像原始辐亮度值；(3)将反演系数kλ和bλ按照ρ＝k·L+b的形式应用于上述步骤(2)所得的模拟辐亮度图像，即可得到整幅图像在太阳高度为ht的反射率。
9.根据权利要求1或2所述的航空高光谱遥感飞行地面同步定标及反射率转换方法，其特征在于所述太阳高度角是根据遥感飞行辅助数据，即各像素对应的成像时间及经纬度信息计算得到。
全文摘要
本发明涉及一种航空高光谱遥感飞行地面同步定标及反射率转换方法。该方法包括地面同步定标实验总体布置、地面同步定标数据的获取和室内反射率转换三个子过程。本发明根据地面同步定标实验获取的地面同步定标数据，以选取的太阳高度角作基准，航空高光谱遥感数据进行反射率转换。通过本发明所提方法可获取精确可靠地面定标数据，并在反射率转换时将时间对地物目标辐亮度的影响考虑在内，提高反射率转换的精度，同时有效地解决航线图像获取时间过长或图像不含地面定标点的情况，为高光谱遥感信息的应用分析奠定了基础。
文档编号G01J3/28GK1556381SQ20031012294
公开日2004年12月22日 申请日期2003年12月30日 优先权日2003年12月30日
发明者尹球, 张风丽, 许卫东, 巩彩兰, 周宁, 胡勇, 朱迅, 马永泉, 尹 球 申请人:中国科学院上海技术物理研究所
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