耦合水汽反演的星载高光谱相机在轨光谱定标方法及系统与流程

本发明涉及大气遥感，具体而言，涉及一种耦合水汽反演的星载高光谱相机在轨光谱定标方法及系统。

背景技术：

1、自从高光谱遥感技术得到快速发展及应用以来，高光谱遥感在农林精细分类、自然资源调查、生态环境保护以及地物目标识别等多个领域显示出了重要的应用价值。高光谱遥感技术以其“图谱合一”的特性，为地球观测提供了一个独特的视角。高光谱遥感不仅能够进行数量和空间分布的调查，而且能够利用连续光谱特性精细识别地物成分和健康状况，展现了在数量、质量与生态监测方面的巨大潜力。特别是在获取区域乃至全球尺度的地表信息方面，高光谱遥感技术显示出了无可比拟的优势，成为全球科研人员和技术开发者关注的焦点。

2、高光谱相机光谱性能参数的定标，作为高光谱遥感信息定量化的关键步骤，旨在通过精确的光谱定标过程，为不同时间和地点的高光谱相机成像光谱数据提供统一参考，保证数据的可比较性和准确性。高光谱相机的精确光谱定标对于地物目标特征的定量化反演至关重要，是进一步进行辐射定标和高光谱遥感定量化应用的基础。光谱定标过程包括实验室光谱定标技术的应用，实现对成像光谱仪的精确光谱定标，并通过辐射定标获取光谱通道中心波长处的光谱响应函数，从而促进观测目标参数的精确反演。

3、然而，高光谱相机在卫星发射或运行过程中，因为剧烈的振动、气压和温度的变化等因素，可能导致光谱性能参数发生变化，因此常常需要对高光谱相机的在轨光谱性能参数进行重新定标。

4、近年来，随着我国在星载高光谱相机研发方面的大量投入，我国的高光谱卫星遥感系统已经形成了多星在轨、联合观测的新模式。然而，现阶段在没有星地同步实验条件下，通过在轨光谱性能参数定标和监测来保持高光谱数据的精确性和一致性方面，仍面临很大难题。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明的目的在于提出一种耦合吸收通道水汽含量反演的星载高光谱相机在轨光谱定标方法，无需依赖星地同步观测数据，同时考虑到吸收通道的大气参数反演精度，能够精确、有效反演出中心波长和半波宽的偏移量，从而提升高光谱数据的精确性和一致性，为高光谱遥感定量化应用奠定坚实的基础。

2、本发明提供耦合水汽反演的星载高光谱相机在轨光谱定标方法，包括以下步骤：

3、s1、基于大气辐射传输模型，计算大气参数与地表参数的敏感系数，进行敏感性分析，确定最佳大气吸收通道；

4、s2、对星载高光谱相机的有效表观反射率与大气总透过率进行光谱归一化和包络线去除处理，构建有效表观反射率与大气透过率之间的代价函数；

5、s3、将气体含量作为待反演参数加入到所述代价函数中，构建耦合吸收通道气体含量反演的高光谱卫星光谱定标模型，所述高光谱卫星光谱定标模型的数学表达式为：

6、

7、式(1)中，为光谱定标模型中构建的代价函数，△λ,△fwhm分别是中心波长和半波宽的偏移量，是水汽含量；n为吸收波段临近的参与光谱定标的波段数；和分别是第k波段的有效表观反射率与大气总透过率。

8、进一步地，所述步骤s1的计算大气参数与地表参数的敏感系数的方法包括以下步骤：

9、s11、设地表均匀，朗伯特性良好，通过大气辐射传输模型modtran，计算星载高光谱相机观测到的光谱辐亮度lobs：

10、

11、式(2)中，lobs为高光谱遥感器观测的入瞳辐亮度，e0为大气层顶太阳辐射照度；

12、s12、计算高光谱相机观测的表观反射率ρ*：

13、

14、式(3)中，lobs为高光谱遥感器观测的入瞳辐亮度，lpath为大气程辐射，为大气程辐射等效反射率，e0为大气层顶太阳辐射照度，ρ为地表反射率，s为大气下行反照率，t(θs)为太阳到地表路径的总透过率，t(θv)为地表到高光谱相机观测路径的总透过率，以上各个物理量均是波长相关的函数；θs为太阳天顶角，θv为高光谱相机观测天顶角；

15、s13、考虑大气散射与大气吸收的交互作用，计算每个散射路径的气体吸收，将式(3)改写为：

16、

17、式(4)中，tg为气体吸收透过率；

18、s14、将气体吸收分为水汽吸收和其它气体吸收两类，将式(4)改写为：

19、

20、式(5)中，为其它气体吸收透过率，为水汽吸收透过率，为水汽含量；

21、s15、基于式(5)计算大气参数与地表参数的敏感系数，包括：

22、针对大气窗口波段，水汽的吸收透过率基本保持不变，表观反射率对水汽含量的敏感系数为：

23、

24、针对水汽吸收波段，吸收透过率随着水汽含量的变化而改变，表观反射率对水汽含量的敏感系数为：

25、

26、针对所有波段，由于吸收透过率、散射透过率、大气内反射率、球面反照率等都不随地表反射率变化而改变，表观反射率对地表反射率的敏感系数为：

27、

28、针对水汽吸收波段，结合表观反射率对水汽含量的敏感系数可知，表观反射率包含的程辐射既是波长的函数，又独立于大气透过率和地表反射率，从而增加表观反射率与大气透过率之间非线性效应，最终影响到光谱定标结果。

29、进一步地，所述步骤s2的光谱归一化的方法包括以下步骤：

30、s211、选取目标和参考图像：确定需进行归一化的目标图像，选取作为标准的参考图像(可以是具有已知特性的图像，如地面反射率高的地物或标准化的图像)；

31、s212、对目标图像和参考图像进行辐射校正，所述辐射校正包括：大气校正和太阳辐射校正，保证图像数据反映真实的地面反射率；对目标图像和参考图像进行几何校正，使得目标图像和参考图像在空间上对齐，以便归一化处理；

32、s213、在目标图像和参考图像中选择一系列相同的具有稳定和已知的光谱特性的地物作为控制点，利用所述控制点计算目标图像到参考图像的归一化系数；可通过简单的线性回归模型完成计算，模型计算出使得目标图像在控制点处的光谱值最接近参考图像的缩放因子和偏移量；

33、s214、使用计算得到的归一化系数，对目标图像的每个像素进行归一化处理；

34、优选地，归一化处理通常涉及到按比例缩放像素值，以及加上或减去一个固定的偏移量。

35、s215、对归一化后的图像进行视觉和统计检查，保证归一化处理后改善图像的光谱一致性，没有引入不期望的伪影；如果结果不满意，则返回到步骤s213，重新选择控制点或调整计算方法，再次进行归一化处理。

36、进一步地，所述s2步骤的包络线去除处理的方法包括以下步骤：

37、s221、使用滤波器(如中值滤波、高斯滤波)去除图像中的随机噪声；调整亮度和对比度，改善图像的视觉效果，以便更好地识别包络线和感兴趣的特征；

38、s222、使用边缘检测算法(如sobel算子、canny边缘检测器等)识别图像中的边缘；以找出图像中的边界和轮廓；

39、s223、通过形态学分析操作(如膨胀、腐蚀)进一步处理边缘检测的结果，识别并突出包络线；利用轮廓跟踪算法(如轮廓跟踪法)进一步精细化边缘信息，保证包络线的准确识别；

40、s224、创建一个掩模，将包络线区域标记为背景或不感兴趣的区域，在后续的处理中忽略或替换所述标记为背景或不感兴趣的区域；和/或，直接调整或修改包络线区域的像素值，使其与周围环境更加协调，减少其对最终结果的影响；

41、s225、使用平滑滤波器(如高斯模糊)对去除包络线后出现的锯齿边缘或粗糙区域进行平滑处理；调整图像的对比度和亮度，以最佳化图像质量。

42、本发明还提供耦合水汽反演的星载高光谱相机在轨光谱定标系统，执行如上述所述的耦合水汽反演的星载高光谱相机在轨光谱定标方法，包括：

43、敏感性分析模块：用于基于大气辐射传输模型，计算大气参数与地表参数的敏感系数，进行敏感性分析，确定最佳大气吸收通道；

44、构建代价函数模块：用于对星载高光谱相机的有效表观反射率与大气总透过率进行光谱归一化和包络线去除处理，构建有效表观反射率与大气透过率之间的代价函数作为光谱定标模型；

45、光谱定标模型模块：用于将气体含量作为待反演参数加入到所述代价函数中，构建耦合吸收通道气体含量反演的高光谱卫星光谱定标模型。

46、进一步地，所述敏感性分析模块包括：

47、光谱辐亮度单元：用于设地表均匀，朗伯特性良好，通过大气辐射传输模型modtran，计算星载高光谱相机观测到的光谱辐亮度lobs；

48、表观反射率单元：用于计算高光谱相机观测的表观反射率ρ*；

49、计算散射路径气体吸收单元：用于考虑大气散射与大气吸收的交互作用，计算每个散射路径的气体吸收；

50、气体吸收分类单元：用于将气体吸收分为水汽吸收和其它气体吸收两类；

51、计算敏感系数单元：用于基于式(5)计算大气参数与地表参数的敏感系数。

52、进一步地，所述构建代价函数模块包括：光谱归一化子模块、包络线去除处理子模块；

53、其中，光谱归一化子模块包括：

54、数据准备单元：用于选取目标和参考图像：确定需进行归一化的目标图像，选取作为标准的参考图像；

55、预处理单元：用于对目标图像和参考图像进行辐射校正，所述辐射校正包括：大气校正和太阳辐射校正，保证图像数据反映真实的地面反射率；对目标图像和参考图像进行几何校正，使得目标图像和参考图像在空间上对齐，以便归一化处理；

56、计算归一化系数单元：用于在目标图像和参考图像中选择一系列相同的具有稳定和已知的光谱特性的地物作为控制点，利用所述控制点计算目标图像到参考图像的归一化系数；

57、归一化处理单元：用于使用计算得到的归一化系数，对目标图像的每个像素进行归一化处理；

58、归一化后处理单元：用于对归一化后的图像进行视觉和统计检查，保证归一化处理后改善图像的光谱一致性，没有引入不期望的伪影；如果结果不满意，则返回到步骤s213，重新选择控制点或调整计算方法，再次进行归一化处理。

59、进一步地，所述包络线去除处理子模块包括：

60、图像预处理单元：用于使用滤波器去除图像中的随机噪声；调整亮度和对比度，改善图像的视觉效果，以便更好地识别包络线和感兴趣的特征；

61、边缘检测单元：用于使用边缘检测算法识别图像中的边缘，以找出图像中的边界和轮廓；

62、包络线识别单元：用于通过形态学分析操作进一步处理边缘检测的结果，识别并突出包络线；利用轮廓跟踪算法进一步精细化边缘信息，保证包络线的准确识别；

63、包络线去除单元：用于创建一个掩模，将包络线区域标记为背景或不感兴趣的区域，在后续的处理中忽略或替换所述标记为背景或不感兴趣的区域；和/或，直接调整或修改包络线区域的像素值，使其与周围环境更加协调，减少其对最终结果的影响；

64、包络线去除后处理单元：用于使用平滑滤波器对去除包络线后出现的锯齿边缘或粗糙区域进行平滑处理；调整图像的对比度和亮度，以最佳化图像质量。

65、本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上述所述的耦合水汽反演的星载高光谱相机在轨光谱定标方法的步骤。

66、本发明还提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的耦合水汽反演的星载高光谱相机在轨光谱定标方法的步骤。

67、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

68、本发明提供的耦合水汽反演的星载高光谱相机在轨光谱定标方法及系统基于大气辐射传输模型计算大气参数与地表参数的敏感系数，确定最佳大气吸收通道；对星载高光谱相机的有效表观反射率与大气总透过率进行包络线去除处理，构建有效表观反射率与大气透过率之间的代价函数作为光谱定标模型；对于吸收通道，将气体含量也作为待反演参数加入到代价函数中，构建耦合吸收通道气体含量反演的高光谱卫星光谱定标模型，能够有效、精确反演出中心波长和半波宽的偏移量；无需依赖星地同步观测数据，便于定期开展星载高光谱相机的在轨光谱性能参数的定标与监测；同时还兼顾吸收通道的大气参数反演精度等因素的影响，提高了高光谱相机在轨光谱定标的准确性，有效提升了高光谱数据的精确性和一致性，为高光谱遥感定量化应用奠定了坚实基础。