專利名稱：太陽直射光遙感數(shù)字圖像的輻射變換虛擬仿真方法
太陽直射光遙感數(shù)字圖像的輻射變換虛擬仿真方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于遙感技術(shù)與測繪學(xué)領(lǐng)域，尤其是一種太陽直射光遙感數(shù)字圖像的輻射 變換虛擬仿真方法。
背景技術(shù)：
隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的高速發(fā)展，衛(wèi)星圖像在眾多領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。由于衛(wèi)星 圖像采集的周期性，影像采集的時間相對固定，很難根據(jù)實際需求限時采集圖像。采用遙感 數(shù)字圖像的地形變換方法，雖然可以消除地形起伏帶來的地表光輻射差異與山體陰影的影 響，但是仍然沒有從根本上解決衛(wèi)星無法從任意方向、任意時間探測地面的難題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種太陽直射光遙感數(shù)字圖像的輻 射變換虛擬仿真方法，本發(fā)明將太陽虛擬為天然的探照燈，模擬太陽從任意方向照射地面 生成的對應(yīng)遙感圖像，從而解決衛(wèi)星從任意方向、任意時間情況下探測地面的問題。
本發(fā)明解決現(xiàn)有的技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種太陽直射光遙感數(shù)字圖像的輻射變換虛擬仿真方法，包括以下步驟
(1)根據(jù)數(shù)字地形圖條件和衛(wèi)星遙感圖像條件，計算太陽直射光改正系數(shù)、天空散 射光改正系數(shù)、散射輻射比，并根據(jù)坡面像元太陽直射光、水平地面太陽直射光與對應(yīng)像元 遙感值之間的關(guān)系，獲得像元的遙感值和大氣程輻射遙感值；
(2)根據(jù)衛(wèi)星遙感圖像及太陽直射光改正系數(shù)、天空散射光改正系數(shù)、散射輻射比 生成水平地面太陽直射光遙感圖像和水平地面天空散射光遙感圖像；
(3)根據(jù)任意太陽位置和任意地形條件，逐點計算任意太陽位置和任意地形條件 下的遙感值，并生成任意太陽位置和任意地形條件下的虛擬遙感數(shù)字圖像，從而實現(xiàn)數(shù)字 地形圖上任意太陽方向的地形輻射變換功能。
而且，所述步驟(1)中的數(shù)字地形圖條件包括地形高度、地形坡度和地形坡向，所 述步驟(1)中的衛(wèi)星遙感圖像條件包括太陽高度角、太陽方位角和像元遙感值。
而且，所述步驟O)中的太陽位置包括太陽高度角和方位角所述步驟O)中的地 形條件包括地形高度、地形坡度和地形坡向。
而且，所述的步驟(3)中計算任意太陽位置和任意地形條件下的遙感值的方法包 括如下步驟
(1)計算虛擬坡面上像元的太陽直射光遙感值Dfsu
DN、SiJ = (DNirDAiJ) / (Fij^Lij X Gij)
(2)計算虛擬坡面上像元的太陽直射光改正系數(shù)
ij = 1-tg α Jj Xctg θ ~ X cos (AL~ ^.-Aij)
其中，α ,^Aij分別為該像元的地形坡度和地形坡向； [σοι ] Θ -^arij分別虛擬的太陽高度角和太陽入射的方位角；
(3)計算虛擬的太陽直射光遙感數(shù)字圖像值)(DNsiJ
XDNsij = DN、SiJ X F、= (DNirDAiJ) X F、υ/ (Fij^Lij X Gij)
(4)計算虛擬坡面上像元的天空散射光遙感值Df diJ
DN、diJ = (DNirDAiJ) Lij/ (Fij^Lij X Gij)
(5)計算虛擬坡面上像元的天空散射光改正系數(shù)G— ,j
G ij = Gij ；
(6)計算虛擬的天空散射光遙感數(shù)字圖像值HMdij
XDNdij = DN、diJ X G、= (DNirDAiJ) Lij X G、(Fij^Lij X Gij)
(7)計算任意太陽位置和任意地形條件下的虛擬遙感數(shù)字圖像值^(DNij
XDNij = XDNSiJ+XDNdiJ
= (DNirDAiJ) (F、^.+Lij X G、J / (Fij^Lij X Gij)
上述公式中
i = 1，2，……，m ;j = 1，2，……，η ;m，η是該遙感數(shù)字圖像最大縱向元數(shù)和最大橫向元數(shù)；
Fij為太陽直射光改正系數(shù)，Gij為天空散射光改正系數(shù)，Lij為散射輻射比；為虛擬的太陽直射光水平變換系數(shù)，為虛擬的天空散射光水平變換系 數(shù)；
DNij為像元的遙感值，DNAiJ為大氣程輻射遙感值。
本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是
本發(fā)明將太陽虛擬為天然的探照燈，通過模擬仿真方法實現(xiàn)了遙感數(shù)字圖像的任 意地形和任意太陽位置之間的相互轉(zhuǎn)換，解決了衛(wèi)星無法從任意方向、任意時間探測地面 的難題，避免了衛(wèi)星遙感圖像上出現(xiàn)低亮度和永久陰影的現(xiàn)象，完成具有嚴格解析意義上 的遙感數(shù)字圖像地形和輻射的虛擬與仿真功能。


圖1是本發(fā)明處理流程圖2是某地區(qū)數(shù)字高程模型示意圖3是某地區(qū)太陽光從東南方向照射的遙感圖像；
圖4是圖3利用圖2進行虛擬該地區(qū)太陽從西北方向照射的遙感圖像。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進一步詳述。
一種太陽直射光遙感數(shù)字圖像的輻射變換虛擬仿真方法，如圖1所示，包括如下 步驟
1、根據(jù)數(shù)字地形圖條件(包括地形高度、地形坡度和地形坡向)和衛(wèi)星遙感圖像 條件(包括太陽高度角、太陽方位角和像元遙感值)，計算太陽直射光改正系數(shù)Fij、天空散 射光改正系數(shù)Gu、散射輻射比Lu，并根據(jù)坡面像元太陽直射光、水平地面太陽直射光與對 應(yīng)像元遙感值之間的關(guān)系，獲得像元的遙感值DNij和大氣程輻射遙感值DNau
2、根據(jù)衛(wèi)星遙感圖像及太陽直射光改正系數(shù)Fij、天空散射光改正系數(shù)Gij、散射輻射比Lij生成水平地面太陽直射光遙感圖像和水平地面天空散射光遙感圖像；
3、根據(jù)任意太陽位置(包括太陽高度角和方位角)和任意地形條件(包括地形高 度、地形坡度和地形坡向)，逐點計算任意太陽位置和任意地形條件下的遙感值，并生成任 意太陽位置和任意地形條件下的虛擬遙感數(shù)字圖像，從而實現(xiàn)數(shù)字地形圖上任意太陽方向 的地形輻射變換功能。其具體實現(xiàn)方法包括如下步驟
(1)計算虛擬坡面上像元的太陽直射光遙感值DNsij
DN、SiJ = (DNirDAiJ) / (Fij^Lij X Gij)
其中山隊」、DNAiJ分別為像元的遙感值和大氣程輻射遙感值；
(2)計算虛擬坡面上像元的太陽直射光改正系數(shù)Γ ,j
= 1-tga ^ij Xctg θ ^ij X cos ω
由于 ω = AL^?！?Α~ ,
因此F~ ij = 1-tg a \jX ctg θ \j X cos ω ~
= 1-tg a \ j X ctg θ \j X cos (AL~ ΓΑ~
在本次發(fā)明方法中前后虛擬的地形模型不變，α = α⑴A^ij = Aij
所以F~ij = 1-tg a Xctg θ ~ X cos (AL~ ^.-Aij)
其中，a ^aij分別為該像元的地形坡度和地形坡向；
θ AIZij分別虛擬的太陽高度角和太陽入射的方位角；
α\_、θ ^ij分別為該像元虛擬的地形坡度和太陽高度角，Α\、ΑΙΛ」、ω ^ij分別為 該像元虛擬的地形坡向、太陽入射的方位角以及它們之間的夾角；
(3)計算虛擬的太陽直射光遙感數(shù)字圖像值)(DNsiJ
XDNsij = DN、SiJ X F、= (DNirDAiJ) X F、υ/ (Fij^Lij X Gij)
(4)計算虛擬坡面上像元的天空散射光遙感值Df diJ
DN、diJ = (DNij-DAij) Lij/ (Fij^Lij X Gij)
(5)計算虛擬坡面上像元的天空散射光改正系數(shù)G— ,j
虛擬數(shù)字地面模型上像元點的天空散射光改正系數(shù)，在本次發(fā)明方法中前后 虛擬的地形模型不變，因此G— ,j = Gij ；
(6)計算虛擬的天空散射光遙感數(shù)字圖像值)(DNdiJ
XDNdij = DN、diJ X G、= (DNirDAiJ) Lij X G、(Fij^Lij X Gij)
(7)計算任意太陽位置和任意地形條件下的虛擬遙感數(shù)字圖像值^(DNij
XDNij = XDNSiJ+XDNdiJ = DN~ SiJ X F\j+DN~ diJ X G^ij = ( Ν Γ Α^.) XF^ij/ (FyLij X Gu)+ (DNu-Dau) Lij X G^y(FyLuXGu) = (DNu-Dau) (F^j+L.J X G^ij) / (WGij)
其中i = l，2，……，m;j = l，2，……，η ;m，η是該遙感數(shù)字圖像最大縱向元數(shù)和最大橫向元數(shù)。
在計算虛擬陰影像元的遙感值時，由于，XDNsij = 0，因此，將上述虛擬遙感數(shù)字圖 像值計算公式進行推導(dǎo)得到
XDNij = XDNsiJ+XDNdiJ = XDNdij
= DN' diJXG\j
= DNdij X G、^./Gij = (DNirDAiJ) Lij X G、(Fij^LijGij)
本發(fā)明的工作原理數(shù)字地形圖上的衛(wèi)星太陽直射光遙感數(shù)字圖像輻射變換虛擬 與仿真本質(zhì)上是在嚴格遵守衛(wèi)星成像規(guī)律的原則下，實現(xiàn)遙感數(shù)字圖像水平地形變換的逆 過程-將水平地面的遙感數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為任何地形(非水平)上的遙感數(shù)字圖像，相當(dāng)于 在一個虛擬的數(shù)字地形圖上疊加一幅經(jīng)過水平地形變換的衛(wèi)星遙感數(shù)字圖像后，再利用這 個虛擬數(shù)字地面模型和太陽位置參數(shù)對水平地面上的太陽直射光遙感圖像各點遙感值進 行逐點輻射變換的過程，最終生成任意太陽位置和任意地形條件下的虛擬遙感數(shù)字圖像。 如圖2至圖4所示，圖2為某地區(qū)數(shù)字高程模型示意圖，圖3是某地區(qū)太陽光從東南方向照 射的遙感圖像，經(jīng)模擬仿真后生成了太陽從西北方向照射的虛擬遙感數(shù)字圖像。
本發(fā)明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此發(fā)明并不限于具體實施 方式中所述的實施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實施方 式，同樣屬于本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1.一種太陽直射光遙感數(shù)字圖像的輻射變換虛擬仿真方法，其特征在于包括以下步驟(1)根據(jù)數(shù)字地形圖條件和衛(wèi)星遙感圖像條件，計算太陽直射光改正系數(shù)、天空散射光 改正系數(shù)、散射輻射比，并根據(jù)坡面像元太陽直射光、水平地面太陽直射光與對應(yīng)像元遙感 值之間的關(guān)系，獲得像元的遙感值和大氣程輻射遙感值；(2)根據(jù)衛(wèi)星遙感圖像及太陽直射光改正系數(shù)、天空散射光改正系數(shù)、散射輻射比生成 水平地面太陽直射光遙感圖像和水平地面天空散射光遙感圖像；(3)根據(jù)任意太陽位置和任意地形條件，逐點計算任意太陽位置和任意地形條件下的 遙感值，并生成任意太陽位置和任意地形條件下的虛擬遙感數(shù)字圖像，從而實現(xiàn)數(shù)字地形 圖上任意太陽方向的地形輻射變換功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽直射光遙感數(shù)字圖像的輻射變換虛擬仿真方法，其特 征在于所述步驟(1)中的數(shù)字地形圖條件包括地形高度、地形坡度和地形坡向，所述步驟 (1)中的衛(wèi)星遙感圖像條件包括太陽高度角、太陽方位角和像元遙感值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽直射光遙感數(shù)字圖像的輻射變換虛擬仿真方法，其特征 在于所述步驟O)中的太陽位置包括太陽高度角和方位角所述步驟O)中的地形條件包 括地形高度、地形坡度和地形坡向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽直射光遙感數(shù)字圖像的輻射變換虛擬仿真方法，其特征 在于所述的步驟(3)中計算任意太陽位置和任意地形條件下的遙感值的方法包括如下步 驟(1)計算虛擬坡面上像元的太陽直射光遙感值Dfsu DN~SiJ = (DNirD奶)/( +、X Gij)(2)計算虛擬坡面上像元的太陽直射光改正系數(shù) ij = 1-tg α Jj Xctg θ ~ Jj X cos (AL~ ΓΑ~其中，α ^Aij分別為該像元的地形坡度和地形坡向； θ \、AL\.分別虛擬的太陽高度角和太陽入射的方位角；(3)計算虛擬的太陽直射光遙感數(shù)字圖像值)(DNsU: XDNsij = DN^sijXF^ij = (DNirDAiJ) XF^ij/(Fij^LijXGij)(4)計算虛擬坡面上像元的天空散射光遙感值 DN^dij = (DNirDAij)IV(FiZLijXGij)(5)計算虛擬坡面上像元的天空散射光改正系數(shù) G ij = Gij ；(6)計算虛擬的天空散射光遙感數(shù)字圖像值)(DNdu: XDNdij = DN、diJXG\. = (DNirDAiJ) LijXG^ij/(Fij^LijXGij)(7)計算任意太陽位置和任意地形條件下的虛擬遙感數(shù)字圖像值 XDNij = XDNSiJ+XDNdiJ=(DNirDAiJ) (F-^LijXG^j)/(Fi^LijXGij) 上述公式中i = 1,2,……，m;j = l，2，……，η ;m，η是該遙感數(shù)字圖像最大縱向元數(shù)和最大橫 向元數(shù)；Fij為太陽直射光改正系數(shù)，Gij為天空散射光改正系數(shù)，Lij為散射輻射比；Fij 為虛擬的太陽直射光水平變換系數(shù)，G^ij 為虛擬的天空散射光水平變換系數(shù)；DNij為像元的遙感值，DNAiJ為大氣程輻射遙感值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太陽直射光遙感數(shù)字圖像的輻射變換虛擬仿真方法，包括以下步驟(1)計算太陽直射光改正系數(shù)、天空散射光改正系數(shù)、散射輻射比，獲得像元的遙感值和大氣程輻射遙感值；(2)生成水平地面太陽直射光遙感圖像和水平地面天空散射光遙感圖像；(3)逐點計算任意太陽位置和任意地形條件下的遙感值，并生成任意太陽位置和任意地形條件下的虛擬遙感數(shù)字圖像，從而實現(xiàn)數(shù)字地形圖上任意太陽方向的地形輻射變換功能。本發(fā)明將太陽虛擬為天然的探照燈，通過模擬仿真方法實現(xiàn)了遙感數(shù)字圖像的任意地形和任意太陽位置之間的相互轉(zhuǎn)換，解決了衛(wèi)星無法從任意方向、任意時間探測地面的難題，完成具有嚴格解析意義上的遙感數(shù)字圖像地形和輻射的虛擬與仿真。
文檔編號G06T17/05GK102034269SQ20101058293
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者彭玲, 李先華, 池天河 申請人:天津中科遙感信息技術(shù)有限公司