专利名称：一种实现起伏地形遥感场景模拟的方法
技术领域：
本发明涉及一种实现起伏地形遥感场景模拟的方法，特别是一种起伏地 形下传感器入瞳辐亮度数据生成的方法，在地表辐照度计算和遥感成像仿真 方面具有重要价值，属于遥感成像模拟技术领域。
背景技术：
传感器入瞳辐亮度数据的生成是遥感场景模拟的关键技术。在地表平坦 均一情况下，地面接收到的光照包括太阳直射光和大气散射光两部分。这两 部分经地面反射、大气传输后进入传感器，同时进入传感器的还有大气程辐
射。实际中，地形高低起伏变化，大气程辐射不受地形起伏影响；但地面接 收到的太阳直射光和大气散射光发生改变，同时地形起伏引起周围物体反 射。尤其是地形起伏使部分地面点处于阴影中，无法接收到太阳直射光，在 遥感图像上形成亮度较低的区域，给地物识别和分类带来困难。由于地形影 响涉及太阳、地物、大气和传感器之间复杂的相互作用过程，起伏地形下传 感器入瞳辐亮度数据的生成一 直是研究的 一个难点问题。
在地表平坦均一假设下，中等光谱分辨率大气透射率模型Modtran以及 其它大气辐射传输模型，通过将大气分层，考虑每层大气的成分和透过率， 使用辐射传输方程逐层计算直射光和散射光在大气中的传输，求解各辐射分 量，实现传感器入瞳处辐亮度的计算。真实情况下，地形高低起伏变化，这 些方法计算出来的辐亮度与传感器入瞳实际接收的辐亮度有较大出入。现存 遥感场景模拟技术中适合于起伏地形的较少。现有考虑地形起伏的遥感场景 模拟方法的一般思路为利用Modtran等大气辐射传输软件，获取水平地面 上接收到的辐照度，然后使用数字高程模型中提取出的各种地形信息将其转化到起伏地形下地面接收到的辐照度，最后考虑大气辐射传输和大气程辐 射，生成传感器入瞳处的辐亮度数据。
将水平地面接收到的辐照度转化到起伏地形下涉及众多因素，现存技术
中均釆取简化方式 一是仅考虑低次项影响，将复杂的非线性计算过程线性 化；二是忽略部分因素，简化地形信息提取。起伏地面接收到的辐照度是个 复杂的非线性计算过程，线性化将给模拟结果带来误差。忽略部分影响因素 和简化地形信息提取，导致模拟结果精度不高，同时地表情况复杂多变，通 常情况下影响较小可以忽略的因素，在某些情况下，变得无法忽略，致使模 拟结果与传感器入瞳实际接收的辐亮度出现较大出入。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现起伏地形遥感场景模拟的方法，以克服现 有技术的不足，基于大气辐射传输过程，精确生成传感器入瞳辐亮度数据， 实现任意起伏地形遥感场景的高精度模拟。
本发明的技术解决方案是使用各种地形信息，将利用Modtran获取的 水平地面接收到的辐照度转化到起伏地面下，并计算周围地物反射辐照度， 然后经地面反射、大气传输、叠加大气程辐射后，生成地面点在传感器入瞳 处的辐亮度数据，实现起伏地形遥感场景的精确模拟，其具体步骤如下
(1) 将模拟场景时间、地理坐标、大气状况输入Modtran，从Modtran
输出文件中获取水平地面上太阳直射和大气散射辐照度以及大气上行透过 率、大气程辐射；
(2) 输入研究区域的太阳天顶角、方位角、数字高程模型，计算坡度、 坡向、太阳入射角、天空可视因子、地形可视因子和阴影区域；
(3) 由水平地面上的太阳直射、大气散射辐照度和地表反射率数据，利 用坡度、太阳入射角、天空可视因子、地形可视因子和阴影区域计算起伏地 面上的太阳直射辐照度和大气散射辐照度，同时计算周围地物反射辐照度， 这三部分组成地表接收到的总辐照度；(4)利用地表反射率数据、大气上行透过率和大气程辐射，生成地面各 点在传感器入瞳处的辐亮度数据；
其中，步骤(2)中所述的太阳入射角、天空可视因子、地形可视因子、 阴影区域的计算如下
太阳入射角的具体计算按照
i=acos(cosScos -s +sinSsinAcos( Ps-A))
其中，S为坡度，^为坡向，^为太阳天顶角，Ps为太阳方位角。
天空可视因子表示地面接收到大气散射光的比例，其值介于0~1之间， 具体计算按照
Vd =丰广[cosSsin2H<p十sinScos((p-A)(H9 -sinl^cosH )]dcp 2兀
其中，Vd为天空可视因子，S为坡度，^为坡向，A为(p方向上的最大天空 张角，cp取值0。 ~360°
地形可视因子与天空可视因子互补，具体计算按照Vt=l-^。
阴影区域包括自阴影和投射阴影两部分。自阴影是指地面点处于背离太 阳的坡向上，无法接收到太阳光照射；投射阴影是由于太阳光被周围地物遮 挡，地面点处于阴影区域。具体计算按照自阴影点的太阳入射角小于0° ， 投射阴影使用光线追踪法判断。
其中，步骤(3)中所述的起伏地面上的太阳直射辐照度、大气散射辐照 度和周围地物反射辐照度的计算如下
起伏地面上的太阳直射辐照度利用太阳入射角、水平地面太阳直射辐照 度和阴影区域情况计算，具体计算按照
Edir "《固'
其中，E&为起伏地面上的太阳直射辐照度，《为水平地面上的太阳辐照度， /为太阳入射角，6为阴影表征系数，处于阴影时为0，否则为1。
起伏地面上的大气散射辐照度利用坡度、太阳入射角、天空可视因子和阴影区域情况，由水平地面接收到大气散射辐照度转化过来，具体计算按照 cos A
其中，￡#为起伏地面上的大气散射辐照度，《为水平地面上的大气散射辐 照度，^为太阳天顶角，^为天空可视因子，A为比例系数，表征大气散射 各向异性的程度。
起伏地面上的周围地物反射辐照度由地表反射率、起伏地面上的太阳直 射和大气散射辐照度以及地形可视因子得到，具体计算按照
其中，为起伏地面上的周围地物反射辐照度，^为地表平均反射率，E&为 起伏地面上的太阳直射辐照度，E^为起伏地面上的大气散射辐照度，^为 地形可视因子。
其中，步骤(4)中所述的地面每一点对应的传感器入瞳处辐亮度数据， 由地表接收到的各辐照度太阳直射辐照度、大气散射辐照度和周围地物反 射辐照度，结合地表反射率，大气上行透过率得到，具体计算按照
Z =私r + ~ +五耐]P / " + /一 其中，/为地面点在传感器入瞳处的辐亮度，￡rf,,、 ￡《和￡一.分别为起伏地面 接收到的太阳直射、大气散射和周围地物反射辐照度，/^为程辐射亮度，r 为大气上行透过率，p为地表反射率。
本发明 一种实现起伏地形遥感场景模拟的方法，与现有技术相比的优点 在于
(1)本发明使用坡度、坡向、天空可视因子、地形可视因子和阴影区域 来系统描述地形起伏，基于复杂的非线性过程精确计算出地表接收到的辐照 度，精确生成传感器入瞳辐亮度数据，实现任意起伏地形遥感场景的高精度 模拟，纠正了现有技术釆取线性化计算带来的误差。(2)本发明精确计算各种地形信息，全面考虑地表接收到的太阳直射辐 照度、大气散射辐照度和周围地物反射辐照度，克服现有技术忽略部分因素 和简化地形信息提取带来的模拟误差，提高了模拟精度。
图1为本发明一种实现起伏地形遥感场景模拟的方法的流程图。
具体实施例方式
以西藏驱龙地区遥感场景模拟过程为例，如图1所示，本发明的具体实 施方法如下
(1)将模拟场景时间、地理坐标、大气状况输入Modtran获取水平地 面上太阳直射和大气散射辐照度以及大气上行透过率、大气程辐射。
使用西藏驱龙地区地面分辨率为30m的数字高程模型和地表反射率数 据。模拟场景时间设置为2002年4月3日上午10: 6: 56，大气状况美国 标准大气中炜度夏天，区域中心地理坐标为29.98°N， 36.37°E。多次运行 Modtran从输出文件中获取水平地面接收到的太阳直射辐照度、大气散射辐 照度、大气上行透过率和大气程辐射。
(2)输入研究区域的数字高程模型，根据太阳天顶角、方位角，计算地 面坡度、坡向、太阳入射角、天空可视因子、地形可视因子和阴影区域。
在设定的模拟时间和地理坐标下，太阳入射角/的具体计算按照
i=acos(cosScos^s+sinSsinAcos(6s-A)) 其中，！'为太阳入射角，S为坡度，4为坡向，^为太阳天顶角63.54°, ^为 太阳方位角260.14。。
天空可视因子表示地面接收到天空散射光的比例，其值介于0~1之间， 具体计算按照
1 r27t 7
Vd =—丄[cosSsin H9+sinSc0s((p陽A)(H,sinH,0sHp)]d(p 2兀力
其中，Vd为天空可视因子，S为坡度，X为坡向，^为cp方向上的最大天空张角，cp取值0。 360。。
地形可一见因子与天空可^L因子互补，具体计算按照Vt=i-I^。
阴影区域包括自阴影和投射阴影两部分。自阴影是指地面点处于背离太 阳的坡向上，无法接收到太阳光照射；投射阴影是由于太阳光被周围地物遮 挡，地面点处于阴影区域。具体计算按照自阴影点的太阳入射角小于0° ， 投射阴影使用光线追踪法判断。
(3)由水平地面上的太阳直射、大气散射辐照度和地表反射率数据， 利用坡度、太阳入射角、天空可视因子、地形可视因子和阴影区域计算起伏 地面上的太阳直射和大气散射辐照度，并计算周围地物反射辐照度。
起伏地面上的太阳直射辐照度利用太阳入射角、水平地面太阳直射辐照 度和阴影区域情况计算，计算公式为
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，E&为起伏地面上的太阳直射辐照度，《为水平地面上的太阳辐照度， Z为太阳入射角，6为阴影表征系数，处于阴影时为O,否则为1。
起伏地面上的大气散射辐照度是利用坡度、太阳入射角、天空可视因子 和阴影区域情况，由水平地面接收到大气散射辐照度转化过来，计算公式为
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，￡<为起伏地面上的大气散射辐照度，《为水平地面上的大气散射辐 照度，A为太阳天顶角，^为天空可视因子，it为比例系数，表征大气散射 各向异性的程度。
起伏地面上的周围地物反射辐照度由地表反射率、起伏地面上的太阳直
射和大气散射辐照度以及地形可视因子得到，计算公式为<formula>formula see original document page 9</formula>其中，五^为起伏地面上的周围地物反射辐照度，；^为地表平均反射率，E他为起伏地面上的太阳直射辐照度，￡#为起伏地面上的大气散射辐照度，R为
地形可^L因子。
(4)利用地表反射率数据、大气上行透过率和大气程辐射，生成地面各 点在传感器入瞳处的辐亮度数据。
由地面接收到的各辐照度量太阳直射辐照度、大气散射辐照度和周围 地物反射辐照度，结合地表反射率，大气上行透过率，具体按照
Z =眠,+ ^ + ^ ]p / ;r + /一
生成地面每一点对应的传感器入瞳处辐亮度数据。其中，/为地面点在传感 器入瞳处的辐亮度，A,一 ￡#和￡。^分别为起伏地面接收到的太阳直射、大
气散射和周围地物反射辐照度，/一为程辐射亮度，r为大气上行透过率，p
为地表反射率。
权利要求
1、一种实现起伏地形遥感场景模拟的方法，其特征在于包含以下步骤(1)将模拟场景的时间、地理坐标、大气状况输入中等光谱分辨率大气透射率模型Modtran，从Modtran输出文件中获取水平地面上太阳直射和大气散射辐照度以及大气上行透过率、大气程辐射；(2)输入研究区域的太阳天顶角、方位角和数字高程模型，计算坡度、坡向、太阳入射角、天空可视因子、地形可视因子和阴影区域；(3)由水平地面上的太阳直射、大气散射辐照度和地表反射率数据，利用坡度、太阳入射角、天空可视因子、地形可视因子和阴影区域计算起伏地面上的太阳直射辐照度和大气散射辐照度，同时计算周围地物反射辐照度，这三部分组成地表接收到的总辐照度；(4)利用地表反射率数据、大气上行透过率和大气程辐射，生成地面各点在传感器入瞳处的辐亮度数据，实现起伏地形遥感场景的精确模拟。
2、 根据权利要求1所述的一种实现起伏地形遥感场景模拟的方法，其 特征在于所述步骤(2)中，天空可视因子表示地面接收到大气散射光的比 例，其值介于0 1之间，具体计算按照1 r2it 2Vd = — L [cosSsin'H9+sinScos((p-A)(H9-sinHpCosH》]d(p 2兀山其中，Vd为天空可4见因子，S为坡度，4为坡向，/^为(p方向上的最大天空张角，cp取值0。 360。。
3、 根据权利要求1所述的一种实现起伏地形遥感场景模拟的方法，其 特征在于所述步骤(2)中阴影区域包括自阴影和投射阴影两部分，自阴影 是指地面点处于背离太阳的坡向上，无法接收到太阳光照射；投射阴影是由 于太阳光被周围地物遮挡，地面点处于阴影区域。
4、 根据权利要求1所述的一种实现起伏地形遥感场景模拟的方法，其特征在于所述步骤(3)中起伏地面上的大气散射辐照度是利用坡度、太阳 入射角、天空可视因子和阴影区域情况，由水平地面接收到大气散射辐照度 转化过来，转化公式为cos A其中，￡#为起伏地面上的大气散射辐照度，《为水平地面上的大气散射辐照度，/为太阳入射角，^为太阳天顶角，^为天空可^L因子，6为阴影表征 系数，处于阴影区域时为O，否则为1, yt为比例系数，表征大气散射各向异 性的程度。
5、根据权利要求1所述的一种实现起伏地形遥感场景模拟的方法，其 特征在于所述步骤(4)中地面各点在传感器入瞳处的辐亮度计算按照Z =+ ~ +五。《〗卢+ " 其中，/为地面点在传感器入瞳处的辐亮度，￡&、 ￡#和￡。^.分别为起伏地面接收到的太阳直射、大气散射和周围地物反射辐照度，为大气程辐射，r为大气上行透过率，p为地表反射率。
全文摘要
一种实现起伏地形遥感场景模拟的方法，(1)将模拟场景的时间、地理坐标、大气状况输入中等光谱分辨率大气透射率模型Modtran，获取水平地面上太阳直射和大气散射辐照度以及大气上行透过率、大气程辐射；(2)输入太阳天顶角、方位角和数字高程模型，计算坡度、坡向、太阳入射角、天空可视因子、地形可视因子和阴影区域；(3)由水平地面上的太阳直射、大气散射辐照度和地表反射率数据，利用坡度、太阳入射角、天空可视因子、地形可视因子和阴影区域计算起伏地面上的太阳直射辐照度和大气散射辐照度，计算周围地物反射辐照度，这三部分组成地表接收到的总辐照度；(4)利用地表反射率数据、大气上行透过率和大气程辐射，生成地面各点在传感器入瞳处的辐亮度数据。
文档编号G01S17/88GK101598797SQ20091008933
公开日2009年12月9日 申请日期2009年7月16日 优先权日2009年7月16日
发明者娜 李, 澄 江, 王亚超, 贾国瑞, 赵慧洁 申请人:北京航空航天大学