一種星載多光譜相機的大氣校正處理方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種星載相機多光譜大氣校正方法，可以實現星載相機的地表反射率 生產，適用于在星載相機的實時大氣校正處理。
【背景技術】
[0002] 資源三號衛星（以下簡稱ZY-3衛星）是我國第一顆高分辨測繪衛星，能獲取多光 譜數據（MUX，5. 8米），載荷具體參數如表1所示。ZY-3衛星的高分辨多光譜數據在資源調 查和監測等領域廣泛應用，為防災減災、農林水利、環境保護、城市規劃與建設、交通、國家 重大工程等領域提供動態信息服務。開展ZY-3衛星數據大氣校正工作并評價其反演地表 參數的能力，為ZY-3衛星的業務應用提供高精度的大氣校正產品，能夠進一步提高ZY-3衛 星的應用水平。
[0003] 表1 ZY-3多光譜相機技術參數
[0005] 大氣校正的方法主要有基于影像本身的暗目標法、基于地面的線性經驗模型法和 輻射傳輸模型法等3種方法。ZY-3衛星數據業務化應用要求從衛星數據本身來反演氣溶膠 光學厚度，進而完成大氣校正處理，這就需要針對大氣輻射特性設置用于反演大氣參數的 波段，而ZY-3衛星缺乏用于反演大氣參數的波段，給ZY-3衛星數據的大氣校正帶來困難。
【發明內容】
[0006] 本發明的技術解決問題是：針對現有技術的不足，提供了一種星載相機多光譜大 氣校正方法，本發明克服ZY-3衛星多光譜數據由于缺少短波紅外數據而不能采用暗目標 法計算氣溶膠光學厚度的缺陷，通過建立衛星多光譜數據大氣校正計算模型以及利用氣溶 膠光學厚度等參數計算地表反射率，實現在軌衛星數據高精度大氣校正處理，提高了計算 效率。
[0007] 本發明的技術解決方案是：
[0008] -種星載多光譜相機的大氣校正處理方法包括步驟如下：
[0009] (1)計算表觀輻亮度：
[0010] L = GainXDN+Bias (1)
[0011] 其中，L為表觀輻亮度；Gain和Bias為星載相機增益和偏差值；DN為圖像灰度值；
[0012] (2)建立大氣校正計算模型：
[0014] 其中，L為表觀輻亮度；L。為地表反射等于0時大氣引起的程輻射；T為地表到傳 感器的大氣透過率；F d為到達地表的下行輻射通量密度；s為大氣底層球面反照率；P為地 表反射率；
[0015] ⑶計算氣溶膠光學厚度τ aeraDl ( λ ):
[0017] 其中，τ。2( λ )為臭氧的光學厚度；τ J λ )為大氣分子瑞利散射光學厚度，
4為觀測點的海拔，λ為波 長；P為觀測點在觀測期間的大氣氣壓；
Ε0( λ)為日地平均距離處 地球大氣上界的太陽單色直射輻照度，4為日地距離修正因子，E ( λ )為通過地球到達地面 的太陽單色直射輻照度；(4)大氣校正計算
[0019] (4a)根據真實地表反射率的值域范圍，設定3個地表反射率特征值，分別是P a， P b，P。，將太陽-相機幾何角度和步驟（3)得到的氣溶膠光學厚度以及設定的地表反射率 特征值代入M0DTRAN輻射傳輸模型，計算得到表觀輻亮度L a，Lb，L。；
[0020] (4b)將步驟（4a)設定的地表反射率特征值P a，P b，P。以及計算得到的表觀輻 亮度La，Lb，L。帶入式（2)，求出大氣系數s、L。、T的值；
[0021] (4c)將步驟（1)中計算得到的實際觀測點的表觀輻亮度L和步驟（4b)求得大氣 系數s、L。、T的代入（Ib)中求得真實的地表反射率，完成對圖像的逐像元進行大氣校正計 算。
[0022] 步驟（3)中計算氣溶膠光學厚度τ aCTacil ( λ )的具體方式如下：
[0023] (3a)計算日地距離修正因子ds:
[0025] 其中，r。為日地平均距離；r為觀測日期日地距離；η為正整數；a JPb "為日地距 離修正因子；
[0026] (3b)計算太陽赤煒δ :
[0028] 其中，(^和(1"為太陽赤煒計算系數，η為正整數；
[0029] (3c)計算觀測時刻太陽時角ω :
[0031 ] 其中，μ t為觀測時刻的格林威治時間；Φ為觀測點經度，其每度對應的 時間為4分鐘，東經為正，西經為負；e為真太陽時與地方平均太陽時的修正系數，
d為積日，d = O為1月1日，d = 364代表12月31日；
[0032] (3d)計算太陽天頂角Θ s:
[0034] 其中，筍為觀測地點的地理煒度；
[0035] (3e)計算觀測點大氣質量m :
[0037] (3f)計算吸收氣體的透過率tg( λ ):
[0039] 其中，tM( λ)為臭氧的透過率，τΜ( λ)為臭氧的光學厚度，
，α Μ ( λ )為臭氧吸收系數，U為臭氧含量（DU);
[0040] (3g)計算通過地球到達地面的太陽單色直射輻照度E ( λ ):
[0041 ] E ( λ ) = E0 ( λ ) dsexp (-m τ atm ( λ )) tg ( λ )
[0042] 其中，Ε0(λ)為日地平均距離處地球大氣上界的太陽單色直射輻照度；d s為日地 距離修正因子;m為大氣質量；τ atni( λ )為大氣光學厚度，主要是大氣分子瑞利散射光學厚 度和氣溶膠光學厚度；
[0043] (3h)根據步驟（2g)和（2f)的公式可以得到下式：
[0044] E ( λ ) = E0 ( λ ) dsexp (~m* ( τ atm ( λ ) + τ oz ( λ )))
[0045] 對上式兩邊取自然對數可得：
[0048] 由上面兩式得：
[0050] 太陽分光光度計輸出的電壓值（DN)與太陽輻照度之間是線性的：
[0053] 氣溶膠的光學厚度：
[0054] Taeraol(A) = τ?ο?3?(λ)-τΓ(λ)-τοζ(λ)0
[0055] 本發明與現有技術相比的有益效果是：
[0056] (1)本發明能夠大規模業務化生產遙感衛星數據的地表反射率產品，確定了采用 太陽分光度計測量氣溶膠光學厚度值和精確的大氣計算模型，為精確計算地表反射率產品 提供了條件，提高了計算效率，增強了工程適用性，通用性大大增強，在國內外屬于首例。
[0057] (2)本發明中的氣溶膠光學厚度采用先進的地基測量和計算，避免采用誤差較大 的氣溶膠光學厚度值影響大氣校正的精度，為最后的地表反射率的校正提供了準確的支 持。
【附圖說明】
[0058] 圖1為本發明流程圖。
【具體實施方式】
[0059] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行進一步的詳細描述。
[0060] 如圖1所述，本發明一種星載多光譜相機的大氣校正處理方法包括步驟如下：
[0061] (1)計算表觀輻亮度：
[0062] L = GainXDN+Bias (1)
[0063] 其中，L為表觀輻亮度；Gain和Bias為星載相機增益和偏差值；DN為圖像灰度值；
[0064] (2)建立大氣校正計算模型：
[0066] 其中，L為表觀輻亮度；L。為地表反射等于0時大氣引起的程輻射；T為地表到傳 感器的大氣透過率；Fd為到達地表的下行輻射通量密度；s為大氣底層球面反照率；P為地 表反射率；
[0067] (3)計算氣溶膠光學厚度τ aCTacil ( λ ):
[0069] 其中，τ。2( λ )為臭氧的光學厚度；τ J λ )為大氣分子瑞利散射光學厚度，
h為觀測點的海拔（km)，λ 為波長（μm) ;Ρ為觀測點在觀測期間的大氣氣壓（Hpa);
Ε0( λ)為日地平均距離處 地球大氣上界的太陽單色直射輻照度，4為日地距離修正因子，E ( λ )為通過地球到達地面 的太陽單色直射輻照度；計算氣溶膠光學厚度τ_Μ?( λ)的具體方式如下：
[0071] (3a)計算日地距離修正因子ds:
[0073] 其中，r。為日地平均距離；r為觀測日期日地距離；η為正整數；a "和b "為日地距 離修正因子，具體取值如表1所示：
[0074] 表1日地距離修正因子取值表
[0075]
[0076] (3b)計算太陽赤煒δ :
[0078] 其中，cdP (1"為太陽赤煒計算系數，η為正整數；
[0079] 表2計算太陽赤煒的系數
[0081] (3c)計算觀測時刻太陽時角ω :<