遥感影像地形校正物理模型的简化与改进

第卷第期年月文章编号测绘学报城峨习中图分类号咫文献标识码遥感影像地形校正物理模型的简化与改进高永年南京大学国际地球系统科学研究所江苏南京室全球变化东亚区域研究中心北京’,张万昌’中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验刃以加山碗瓜以姗反码附切咭杯旧胡协”仪旧天妙《〕加绍如耐,加山她加吹即阮即肋肠记访元加压路即心摘进脚要针对考虑太阳直接辐射天空散射辐射以及来自于附近地表反射辐射的复杂地形十遥感影像地形校正物理模型公式复杂计算繁琐不易实施的特点以及存在过度校正的缺陷对该物理模型进行简化和改提出一套简化模型相关参数即值凡乙兄等的计算方案从而简化计算过程提高计算效率并针对该地形校正物理模型朗伯体假设的缺陷引入的地形校正物理模型的校正实验结果表明该模型很好地消除参数对模型进行非朗伯体修正简化和改进复杂地形遥感影像的地形阴影从而证明该地形校正物理模型的简化和改进方案可行关键词复杂地形十地形校正物理模型简化改进引言因此作为山区影像预处理的重要步骤必须对影像进行地形校正以消除地形效应复杂地形遥感影像由于受地形起伏的影响模型模型’自提出以来研究者相继提出了简单的地导致影像地物目标信息受到地形阴影及相邻像元地形反射辐射的影响这在一定程度上影响了遥感影像地物信息的质量以及影像处理与分析形校正物理模型‘模型’模型〔〕’〕模型〔’模型‘顾及空’关模型系的校正模型’〕等除模型和地一。修回日期收稿日期巧墓金项目国家重点基础研究发展规划项目中科院百人计划择优支持项目区域建模研究作者简介高永年男安徽郎澳人博士生主要从事生态水文参数遥感定量化和© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

测绘学报第卷外其他的地形校正模型几乎都是经验或半经验模型模型然而该模型计算相对复杂为地形校正的实现增加了困难同时该模型是基于地表朗伯体假设提出来的这也在一定程度上影响了地形校正的效果必须进行地表非朗伯体修正由于经验参数的引人在一定程度上提高‘了地形校正效果〔然而也正是由于经验参数的引人也在某种程度上限制了地形校正模型的推基于广不利于集成到现有的遥感影像处理软件中如此本文探讨了地形校正物理模型的简化方案软件没有专门的地形校正模块而中的模块也仅主要集并针对地表非朗伯体假设的缺陷对模型进行了改进成了’正问题〔,模型然而该模型存在严重的过度校’咚〕同时与现有的其他几乎所有的地形校正物理模型简化及改进基于朗伯体假设的地形校正物理模型根据笔者的研究参见另文地形校正模型一样该模型仅考虑了太阳直接辐射的影响未从物理机制上去考虑天空散射辐射和邻近地表的反射辐射效应基于地表朗伯针对此问题本文体假设复杂地形条件下考虑太阳直射辐射天空散射辐射和临近地表反射辐射的地形校正物作者提出一个考虑地表太阳直接辐射天空散射辐射和邻近地表反射辐射组分的地形校正物理理模型为兄、、二乙“,‘中、兄一岭」兄式中标兄为地形校正后辐亮度兄为地则为太阳天顶角戮兄为直射光下行辐射透过率为太阳人射角币是遮蔽形校正前辐亮度因子认为地形观测因子吟为天空观测因子脚兄「一〕。兄可表示为兄一一二一二以〔一元」为邻近地表平均反射率的天空散射辐射兄为水平地表接收到艺元丁一脚,。兄与天文太阳辐照度的比值即兄兄为了提高计算效率采用一个简化的三角法’“模型「计算天空观测因子公式为二二卫旦卫塑由下式计算一简化的计算方案如只考虑一次散射则整层大气的散射率可由大气下行散射透过率戮兄式中刀为坡度角一地形观测因子刀兄表示为「结合式一一岭二月」不考虑大气的吸收下行天空漫射光,近似为式可将式转化为‘亡兄兄」,脚兄一气兄、址婴凡乙。,‘一,上工亘上鱼旦其。。,‘。一。,。竺婴塑飞若”改进的计算方案出了一个非朗伯体反射率校正模型其计算公式由于式是建立在地表朗伯体假设基础上为’的而基于地表朗伯体假设的地形校正物理模型,兄‘兄口‘‘月存在过度校正现象因此有必要对其进行非朗伯体特性修正式中得为常数主要是用来削弱地形校转换为月正的力度其值可通过下面的回归方法计算获模型非朗伯体特性修正思想的借鉴非朗伯体校正模型基于朗伯体假设的缺陷首先将式‘—年校正法兄标兄‘‘月等「’提两边同时取对数式转换为© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

第期‘高永年等遥感影像地形校正物理模型的简化与改进元刀卜月,兄口现象且当入射角接近时过度校正最剧〕想烈年’借鉴校正的思令。二,‘兄口二引人一个半经验常数‘作为调节参数对模型、。劝则可将式转换为线性形式的回归值献模型进行改进将其发展为、由此可以计算获得。“二朗伯体模型正校正法的非朗伯体特性修一旦旦旦‘“乙毛蕊布一卫、业旦旦兰川基于太阳一植被冠层一传感器的考虑等川‘,、物理模型的非朗伯体特性改进方案于卯年提出了‘校正算法其计算公式为、,借鉴模型对模型非朗伯体特性对本文提出的物理模型、标由于在“二气“旦旦旦卫旦旦旦卫、的修正思想引人参数上一赢寸’的简化方案进行非朗伯体特性修正从而将式模型中未考虑地表的非朗伯体校正的过度校正改进为兄一二一一下二一下尸二一二一特性从而导致了类似于「一口标兄二气劝一一一一一一一一一一一一一一一一一三二兰业兰兰竺一一一一一一』一召一兄一一一一一」日‘、一二一乙刀一裙山少乙对于值的确定采用夸中介绍的回归兄方法进行计算对于大气下行倾斜透过率戮可采用不同的方法进行计算〔‘,〕本文采用一月皿山凡口一口一一七”日获取的压乙一」》影像轨道号为太阳天顶角为方位角为数据来源于马里兰大学获取网址为数据记录格式为的研究结果〔反射率,伙表对于邻近地表平均可根据研究区的地形复杂度地表覆产品级别为正射校正作为地形的分辨率应盖及季节气候等特征进行近似估算表校正的重要数据支撑其精度将直接影响到地形校正效果的好坏但一般认为大气下行透过率与参数止口月当不低于或高于遥感影像的空间分辨率因此将本研究数据的精度确定为并采用参数兄万地形图数字化生成《《】实验过程主要包括以下三步遥感数据前处理首先对影像进行辐射’注表示〕未提供在此近似取校准采用光谱辐射亮度计算公式〕将影像由上可见式了简化即在相比式在五个地方进行兄值转换为辐亮度值其次是消除程辐射采用洲提出的方法进行计算生成值竹和的计算相万地形图数字化生成上进行了简化有利于提高计算速度比式式精度扫描的纸质的过程为首先在软件中对主要是引人了参数进行了地表非朗伯万地形图文件进行空间配体修正准和屏幕数字化然后将等高线数据插值生成校正实验数据与处理再由转换为分辨率的栅格模型地形校正选择五种地形校正方法即本文提出的简化模型和改进模型以及实验区位于陕西省宝鸡市的太白县和凤县地处秦岭南麓海拔在高程为校正实验研究模型模型进行校正比较实验一之间平均简化模型和改进模型的中间参数的计算采用本文提出的方案进行计算其中实验区由于地形起伏较大导致遥感影近似取像地形效应比较严重图适合进行地形坡度角刀根据计算获得人射角根据校正实验遥感数据采用年太阳高度角和太阳方位角等进行计算© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

测绘学报第卷校正效果分析正效果而模型模型和本文提出视觉效果比较图的改进模型则表现出相近的校正效果并且可以可以为地形校正前后的实验区影像看出该三种模型的校正效果要优于和简化模型模型模看出五种地形校正方法均在一定程度上消除了由于地形起伏而导致的地形阴影其中比较阴阳坡还可以发现模型和简化模型存在严重的过度校正想象型和本文提出的简化模型表现出相近的视觉校图实验区影像假彩色合成地形校正前后效果比较卯统计特征分析为进一步检验各模型校正效果的好坏采用用改进模型校正后其方差得到了降低并且均低于校正前而其均值略高于校正前进一步比较改进模型与统计方法做进一步分析较表首先对地形校正前后模型简化模型校正后的均研究区影像辐亮度值的均值和方差进行统计比结果发现采用值与方差两值均有不同程度的减小说明改进模型的校正效果要好于简化模型和模型和简化模模型型校正后各波段影像均值相比校正前均有不同模型校正后的均值与方差相比校正前也幅度的提高与此同时其方差也相应有所增加说明地形校正效果不甚理想仍有待提高表都得到了不同程度的减少与改进模型表现出相近的变化趋势而采地形校正前后讨拉影像各波段辐亮度值的均值与方差吐犷日皿《玩加州如初比让校正方法校正前统计量为沮泊简化模型朋峨为改进模型扭泊印砚鸿砚众《拓创印© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

第期”〕’高永年等遥感影像地形校正物理模型的简化与改进等的研究表明复杂地线明显处于倾斜状态而校正后则明显减弱说明不同模型校正均减小了影像的地形效应但形区地形变量与影像波谱响应之间具有高度相关性而地形校正后其相关性将得到有效减少或消除模型和简化模型校正后其散点分布及拟合线与校正前表现出相反的倾斜方向这主要是因为当较小时存在明显过度校正的缘故一般来说地形校正前后线性回归拟合方程斜率越大地形效应越明显相关系数而越大地形效应越明显现以第波段为例统影像辐亮模型模型和改进模型校正后的计分析得实验区地形校正前后度值与地形变量散点分布及拟合线则明显趋向水平校正效果较好而改进模型校正后的拟合线则几乎为水平说明优于模型和之间的回归关系图图从图可以看出地形校正前散点分布及回归拟合模型图影像波段校正前后影像辐亮度与地形变量之间的关系拟合通过进一步对各波段的统计表形校正前发现地最大的案该方案便于实现简化了计算过程从而提影像各波段辐亮度与地形变量高了计算速度从该简化模型的校正效果来看之间具有高度相关性其相关系数为虽然有效消除了地形阴影的影响但仍导致了过最小的也达经过不同模型地度校正现象的发生这是基于朗伯体假设地形校正模型的一个弊端形校正后相关系数总体上均有所减小说明不为提高校正效果减少过度同地形校正模型均在一定程度上消减了地形效应这与回归关系图图校正本文对简化模型进行了改进引人了非朗的结果是一致的从伯体参数即参数无通过校正实验发表还可以发现改进模型校正后除个别波段现该改进模型有效减少了过度校正提高了校正效果外其他各波段的拟合斜率和相关系数均小于简化模型通过与和模型和的校正结果的校正效果比较实验发现简化模型表现出与说明改进模型的校正效果优于这几种模型模型相近的校正效果但优于改进模型与的校正效果但优于模型而结论与讨论作者针对提出的地形校正物理模型公式复杂计算繁琐不易实施的特点提出一套简化方和模型则表现出相近和模型即改进模型表现出最优的校正效果为进一步验证模型的有效性不同研究区的实验及不同分辨率© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

测绘学报第卷遥感影像如等的实验是进一步研地形校正前后究的内容表姗州山与影像各波段辐亮度值的回归关系参数一姗‘校正方法校正前统计量斜率斜率斜率斜率一一一一一一一一一一一一一一一一一一阅幻《只以一一简化模型肠一一一一以创一一一改进模型斜率斜率《拓的印一以拓一一本研究涉及的基于地表朗伯体的物理模型及简化模型是在复杂地形目标地表接受到的辐脚罗七〕〔〕射组分的理论基础上推导的具有严格的理论基础一它从物理机制的角度计算了太阳直接辐射〕比。天空散射辐射和临近地表反射辐射三个组分较〔」传统的不考虑天空散射辐射临近地表反射辐射或以经验参数代替的地形校正模型具有一定的先进性但在简化模型基础上发展的改进模型对于地表非朗伯体特性的修正仍采用的是经验参」脚一哪〕记数计算复杂不利于地形校正模型的实用化因此把基于地表朗伯体假设的考虑地表太阳辐射三组分的地形校正物理模型与物理机制的〕脚侧拓黄微张良培李平湘一种顾及空间相关性遥感影像辐射度的地形校正算法「测绘学报以一。。模型进行融合是地形校正模型进一步改进与发展的方向即脚罗肠介二一一参考文献〕〕『田即目旧即飞】月脚肠洲〕一〕朋二此翻粗〕〕脚目巧朋一下以坦二】」以以凡记〕伪〕林娜吧』司改以月山扭’伴山宜『助阴洲卿拟杯【〕阮卯一〕即脚恤仁」二刀一肠」晚阶下转第页© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

测」队,绘学报〕院第以抖卷科司王【基于电子海图的航线设计研究【〕大连海军大连舰艇学抖以拓一,枯即〕即。。〕脚海姗叶清郁振伟改中国航一一吴凤平朱报春船舶最小河海大学学报进最短路径算法在最佳航线选择中的应用【事故航线选择方法研究【而腼〕【〕吃即,【巧呷,张法荣障碍物群中近似最短路径王德春陈利敏张孝芳基于算法的舰的搜索算法【计算机工程巧船最佳航线选择【青岛大学学报自然科学版月即哪。卿一陈传了波唐浩矢量图中绕过障碍物的最短路径算法研究咖,妞而疏勿仁自动化技术与应用一一川,曰一卜〔〕几肠《洲四阮周培德计算几何。〔北京清华大学出版社〕〕—算法分析与设计一冯宇军事航线的优选与自动生成〔〕海军大责任编辑雷秀丽连舰艇学院学报以抖,上接第页月拢川目万呵一石」罗即衅加州阮、〔〕吻飞〕飞’一记一卿恤』〔】枷郑伟叮训〔心曾志远遥感图像大气校正的黑暗像元法【遥感国土资源叱加一朋朋〕记,址习刘小平邓四脉州〕飞孺孺彭晓鹃基于理科学影象的快速大气校正方法〔〕地一【」石司】卜卯脚、红能二阳即一衅阔乎刊即,加卯苗记脚目旧曲。〔〕〕责任编辉丛树平哪洲即脚© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net