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一種用于城市地區的顆粒物光學厚度遙感監測方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410158796.3

申請日:

2014.04.21

公開號:

CN103954974A

公開日:

2014.07.30

當前法律狀態:

駁回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的駁回IPC(主分類):G01S 17/95申請公布日:20140730|||實質審查的生效IPC(主分類):G01S 17/95申請日:20140421|||公開
IPC分類號: G01S17/95 主分類號: G01S17/95
申請人: 山東科技大學
發明人: 孫林
地址: 266590 山東省青島市經濟技術開發區前灣港路579號
優先權:
專利代理機構: 濟南舜源專利事務所有限公司 37205 代理人: 王連君
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410158796.3

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.05.31|||2014.08.27|||2014.07.30

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的駁回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種用于城市地區的顆粒物光學厚度遙感監測方法,其包括以下步驟:MODIS數據的預處理,包括幾何糾正,云識別,清晰圖像的大氣糾正;根據預處理后得到的清晰圖像和待反演圖像的幾何參數,耦合構建的城市地區BRDF模型,獲取待反演圖像的地表反射率;針對城市地區這一特殊的地表結構,提出改進的結構函數法,計算待反演圖像的地表反射率結構函數值和表觀反射率的結構函數值;最后根據待反演影像的幾何條件構建反演顆粒物光學厚度的查找表,通過該影像的地表反射率及表觀反射率的結構函數值查找其氣溶膠光學厚度。改進的結構函數計算方法能有效降低由于多幅圖像的匹配誤差對計算結果的影響,在城市地區具有更高的穩定性,提高了顆粒物光學厚度反演的準確性。

權利要求書

權利要求書
1.  一種用于城市地區的顆粒物光學厚度遙感監測方法,其包括以下步驟:
A、MODIS數據的預處理,包括幾何糾正,云識別,清晰圖像的大氣糾正;
B、根據待反演圖像與步驟A中獲得的清晰圖像的幾何參數,耦合構建的城市地區BRDF模型,獲取待反演圖像的地表反射率;
C、計算待反演圖像的地表反射率結構函數值和表觀反射率的結構函數值;
D、根據待反演影像的幾何條件構建反演顆粒物光學厚度的查找表,通過待反演影像的地表反射率及表觀反射率的結構函數值查找其顆粒物光學厚度。

2.  根據權利要求1所述的顆粒物光學厚度遙感監測方法,其特征在于,所述步驟A中還包括幾何糾正步驟:先利用MODIS數據中的經緯度數據作為控制點,同時,通過插值算法計算每個像元實際經緯度數據;然后針對每一個掃描帶的數據進行幾何糾正,最后將所有掃描帶的幾何糾正結果進行拼接完成幾何糾正。

3.  根據權利要求1所述的顆粒物光學厚度遙感監測方法,其特征在于,所述步驟A中還包括清晰圖像大氣糾正步驟:由衛星傳感器獲取的輻射值L(μv)可由下式表示:
L(μv)=L0(μv)+ρt1-ρtSFdT(μv)---(1)]]>
式(1)中L(μv)是傳感器接收到的輻射亮度,ρt是表觀反射率,L0(μv)是路徑輻射項,Fd=usF0T(us)是太陽下行總輻射,F0是大氣層頂的太陽輻照度;是傳感器和目標之間的透過率,是直射透過率,t′d(θv)是散射透過率;在已知的觀測條件下,設定一組ρt值以及相應的傳感器,通過MODTRAN4或6S輻射傳輸模型模擬得到一組輻射亮度L(μv),并得到清晰圖像大氣糾正的參數路徑輻射項、透過率、大氣半球反照率和太陽下行總輻射,將上述參數代入式(1)中進行清晰圖像大氣糾正。

4.  根據權利要求1所述的顆粒物光學厚度遙感監測方法,其特征在于,所述步驟A中還包括云識別步驟:一次讀入系列圖像的MODIS數據的波段信息,然后逐點檢測,最后生成云標識文件。

5.  根據權利要求1所述的顆粒物光學厚度遙感監測方法,其特征在于,所述步驟C中還包括針對城市地區這一復雜地表提出的結構函數計算方法:
M2(d)=1(dmax-dmin)2(n-dmin)(m-dmin)Σi=1n-dΣj=1m-dΣdj=dmindj=dmaxΣdi=dmindi=dmax[(ρi,j-ρi+di,j+dj)2]---(2)]]>
其中m*n即為計算窗口的大小,dmax、dmin是指參與計算的像元間距的最大、最小像元距 離,ρ為反射率。

說明書

說明書一種用于城市地區的顆粒物光學厚度遙感監測方法
技術領域
本發明涉及一種用于城市地區的顆粒物光學厚度遙感監測方法。 
背景技術
城市是人的聚集區,城市地區的顆粒物對人們生活具有重要的影響。當前,使用遙感手段監測顆粒物最多的是監測顆粒物的光學厚度。對于陸地上的顆粒物光學厚度反演,濃密植被算法已經比較成熟,但只能適用于紅藍波段地表反射率較低的濃密植被地區。城市地區,大部分地表在可見光波段的反射率都比較高,對于空間分辨率較低的圖像,很難在城市中找到濃密植被像元,限制了濃密植被法在城市地區的應用。對于地表反射率較高地區的顆粒物光學厚度的反演,Tanré等提出了基于圖像模糊效應的結構函數法(或稱對比算法)。暗目標法是基于路徑輻射項來獲取顆粒物信息的,而結構函數法則是基于大氣透過率來獲取顆粒物的信息。 
結構函數方法反演顆粒物光學厚度主要是基于大氣透過率的方法,獲取的顆粒物光學厚度是以多幅圖像的透過率的比率為基礎的。透過率的變化是有距離一個特定距離內的像素來決定的。由于不同區域都有其特定的空間分布結構故結構函數采用地表反射率的變化來衡量反射率在空間上的變化率。應用結構函數方法反演顆粒物光學厚度時,需以參考圖像的地表反射率的變化率作為對照,,故需要對參考圖像計算經大氣校正后的真實的地表反射率變化率的結構函數值Mp(d,t1),并計算待反演圖像的表觀反射率的變化率的結構函數值而: 
Mp*(d,t2)=Mp(d,t2)T(τa,μs)Fd(τa,μs)1-AS(τa)---(1)]]>
式中,Mρ·(d,t2)為待反演圖像的地表真實反射率的;T為整層大氣透過率;τa為大氣的光學厚度,包括氣體分子光學厚度和顆粒物粒子光學厚度;με為太陽天頂角的余弦值;Fd為下行總輻射;A為目標物的平均反照率;S為大氣半球反射率。 
結構函數法已經被運用于TM、AVHRR等數據顆粒物光學厚度的反演,理論上講,通過計算圖像上一像元和它臨近某像元的地表反射率差值△ρi,j和輻亮度差值(或表觀反射率差值)的關系便可獲取該地區的顆粒物光學厚度,但實際應用中,由于不同圖像之間的匹 配精度的影響,△ρi,j和(或)的空間位置并不完全一致,這給反演結果帶來很大的誤差。為降低由于圖像匹配精度帶來的空間位置差異對反演精度的影響,針對不同的衛星數據類型以及反演地區的區域特征,研究人員提出了不同的計算方法,定義結構函數為: 
M2(d)=1n(m-d)Σi=1nΣj=1m-d(ρi,j-ρi,j+d)2---(2)]]>
該方法用于AVHRR反演干旱半干旱地區的顆粒物光學厚度,取得了較好的反演效果。Gin-Rong Liu等(2002)將結構函數定義改進為: 
M2(d)13(n-d)(m-d)Σi=1n-dΣj=1m-d[(ρi,j-ρi,j+d)2+(ρi,j-ρi+d,j)2+(ρi,j-ρi+d,j+d)2]---(3)]]>
對于這兩種方法,第一種方法是某像元和同一行固定距離的臨近像元對比,第二種方法是某像元和它同一行、同一列以及45度方向固定間距的臨近像元對比,相對于第一種方法而言,第二種方法具有更高的穩定性,在較強的地表變化條件下能夠保持相對穩定。但這兩種方法d在各個方向上取值是固定的,對于城市這類特殊的地區,地表的差異性非常明顯,不同d值的設定對結構函數的計算結果有較大的差異,誤差率較高。 
因此,現有技術有待于更進一步的改進和發展。 
發明內容
鑒于上述現有技術的不足,本發明提出一種用于城市地區的顆粒物光學厚度遙感監測方法,提高顆粒物光學厚度反演的準確性。 
為解決上述技術問題,本發明方案包括: 
一種用于城市地區的顆粒物光學厚度遙感監測方法,其包括以下步驟: 
A、MODIS數據的預處理,包括幾何糾正,云識別,清晰圖像的大氣糾正; 
B、根據待反演圖像與步驟A中獲得的清晰圖像的幾何參數,耦合構建的城市地區BRDF模型,獲取待反演圖像的地表反射率; 
C、針對城市地區這一特殊的地表結構,提出改進的結構函數法,計算待反演圖像的地表反射率結構函數值和表觀反射率的結構函數值; 
D、根據待反演影像的幾何條件構建反演顆粒物光學厚度的查找表,通過待反演影像的地表反射率及表觀反射率的結構函數值查找其顆粒物光學厚度。 
所述的顆粒物光學厚度遙感監測方法,其中,所述步驟A中還包括幾何糾正步驟:先利用MODIS數據中的經緯度數據作為控制點,同時,通過插值算法計算每個像元實際經緯度數據;然后針對每一個掃描帶的數據進行幾何糾正,最后將所有掃描帶的幾何糾正結果進行拼接完成幾何糾正。 
所述的顆粒物光學厚度遙感監測方法,其中,所述步驟A中還包括清晰圖像大氣糾正步驟:由衛星傳感器獲取的輻射值L(μv)可由下式表示: 
ρt=L(μv)-L0(μv)FdT(μv)+S(L(μv)-L0(μv))---(4)]]>
式(4)中L(μv)是傳感器接收到的輻射亮度,ρt是表觀反射率,L0(μv)是路徑輻射項,Fd=usF0T(us)是太陽下行總輻射,F0是大氣層頂的太陽輻照度);是傳感器和目標之間的透過率,是直射透過率,t′d(θv)是散射透過率;在已知的觀測條件下,設定一組ρt值以及相應的傳感器,通過MODTRAN4或6S輻射傳輸模型模擬得到一組輻射亮度L(μv),并得到清晰圖像大氣糾正的參數路徑輻射項、透過率、大氣半球反照率和太陽下行總輻射,將上述參數代入式(4)中進行清晰圖像大氣糾正。 
所述的顆粒物光學厚度遙感監測方法,其中,所述步驟A中還包括云識別步驟:一次讀入系列圖像的MODIS數據的波段信息,然后逐點檢測,最后生成云標識文件。 
所述的顆粒物光學厚度遙感監測方法,其中,所述步驟C中還包括針對城市地區這一復雜地表提出的結構函數計算方法: 
M2(d)=1(dmax-dmin)2(n-dmin)(m-dmin)Σi=1n-dΣj=1m-dΣdj=dmindj=dmaxΣdi=dmindi=dmax[(ρi,j-ρi+di,j+dj)2]---(5)]]>
其中m*n即為計算窗口的大小,dmax、dmin是指參與計算的像元間距的最大、最小像元距離,ρ為反射率。 
本發明提供的一種用于城市地區的顆粒物光學厚度遙感監測方法,對系列圖像的MODIS數據進行預處理;然后再計算結構函數值;根據結構函數值構建反演顆粒物光學厚度的查找表,根據系列圖像中不同圖像的幾何參數構建顆粒物光學厚度的查找表,能有效降低由于多幅圖像的匹配誤差對計算結果的影響,在城市地區具有更高的穩定性,根據清潔圖像的結構函數值,耦合構建的地表二向反射率模型,計算出待反演圖像的地表反射率的結構函數值和表觀反射率的結構函數值(或輻射值的結構函數值),根據二者的方程關系可以獲取待反演圖像的顆粒物光學厚度,經驗證,反演結果與環境監測站的環境污染監測結果以及該地區AERONET測站的測量結果具有很好的一致性。 
附圖說明
圖1是本發明中顆粒物光學厚度遙感監測方法的流程示意圖; 
圖2是本發明中一個實施例的流程示意圖; 
圖3是傳統檢測方法與本發明檢測方法的對比圖; 
圖4是不同方法計算的地表反射率結構函數值的最大誤差圖; 
圖5是不同方法計算的地表反射率結構函數值的均方根誤差圖。 
具體實施方式
本發明提供了一種用于城市地區的顆粒物光學厚度遙感監測方法,為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確,以下對本發明進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明,并不用于限定本發明。 
本發明提供了一種用于城市地區的顆粒物光學厚度遙感監測方法,如圖1所示的,其包括以下步驟: 
步驟101:MODIS數據的預處理,包括幾何糾正,云識別,清晰圖像的大氣糾正; 
步驟102:根據待反演圖像與步驟101中獲得的清晰圖像的幾何參數,耦合構建的城市地區BRDF模型,獲取待反演圖像的地表反射率; 
步驟103:針對城市地區這一特殊的地表結構,提出改進的結構函數法,計算待反演圖像的地表反射率結構函數值和表觀反射率的結構函數值; 
步驟104:根據待反演影像的幾何條件構建反演顆粒物光學厚度的查找表,通過待反演影像的地表反射率及表觀反射率的結構函數值查找其顆粒物光學厚度。 
更進一步的,所述步驟101中還包括幾何糾正步驟:先利用MODIS數據中的經緯度數據作為控制點,同時,通過插值算法計算每個像元實際經緯度數據;然后針對每一個掃描帶的數據進行幾何糾正,最后將所有掃描帶的幾何糾正結果進行拼接完成幾何糾正。 
所述的顆粒物光學厚度遙感監測方法,其中,所述步驟A中還包括清晰圖像大氣糾正步驟:由衛星傳感器獲取的輻射值L(μv)可由下式表示: 
ρt=L(μv)-L0(μv)FdT(μv)+S(L(μv)-L0(μv))---(4)]]>
式(4)中L(μv)是傳感器接收到的輻射亮度,ρt是表觀反射率,L0(μv)是路徑輻射項,Fd=usF0T(us)是太陽下行總輻射,F0是大氣層頂的太陽輻照度);是傳感器和目標之間的透過率,是直射透過率,t′d(θv)是散射透過率;在已知的觀測條件下,設定一組ρt值以及相應的傳感器,通過MODTRAN4或6S輻射傳輸模型模擬得到一組輻射亮度L(μv),并得到清晰圖像大氣糾正的參數路徑輻射項、透過率、大氣半球反照率和太陽下行總 輻射,將上述參數代入式(4)中進行清晰圖像大氣糾正。 
更為具體的是,所述步驟104中還包括云識別步驟:一次讀入系列圖像的MODIS數據的波段信息,然后逐點檢測,最后生成云標識文件。 
尤其是,所述步驟103中還包括: 
M2(d)=1(dmax-dmin)2(n-dmin)(m-dmin)Σi=1n-dΣj=1m-dΣdj=dmindj=dmaxΣdi=dmindi=dmax[(ρi,j-ρi+di,j+dj)2]---(5)]]>
其中m*n即為計算窗口的大小,dmax、dmin是指參與計算的像元間距的最大、最小像元距 
離,ρ為反射率,對窗口內每個像元與和它距離在dmin-dmax之間的像元計算差異值平方和的均值,對于城市這類特殊的地區,地表的差異性非常明顯,改進的結構函數計算方法在城市地區具有更好的穩定性。如圖3所示的,傳統檢測方法與本發明檢測方法的對比圖,自左向右排序,第三幅圖為采用本發明顆粒物光學厚度遙感監測方法處理得到圖像,其效果明顯優于傳統檢測方法。 
為了更進一步描述本發明,以下列舉更為詳盡的實施例進行說明,如圖2所示的。 
1、MODIS數據的預處理 
在顆粒物反演研究中,首先要對MODIS數據進行預處理,該步驟十分必要。經過幾何糾正、清晰圖像的大氣糾正和云標識,得到可靠的MODIS數據。 
(1-1)MODIS數據的幾何糾正有以下步驟:首先利用MODIS1B數據中的經緯度數據作為控制點,同時,通過插值算法計算每個像元實際經緯度數據。其次,針對每一個掃描帶的數據進行幾何糾正。最后,將所有掃描帶的幾何糾正結果進行拼接就可以完成幾何糾正全部過程。 
(1-2)清晰圖像的大氣糾正。由衛星傳感器獲取的輻射值L(μv)可由式(4)變形得到表示: 
L(μv)=L0(μv)+ρt1-ρtSFdT(μv)---(6)]]>
式(4-1)中:L(μv)是傳感器接收到的輻射亮度,L0(μv)是路徑輻射項,Fd=usF0T(us)是太陽下行總輻射(F0是大氣層頂的太陽輻照度),是傳感器和目標之間的透過率(是直射透過率,t′d(θv)是散射透過率)。在已知的觀測條件(太陽和傳感器的幾何參數,大氣廓線,地表反射率等)下,設定一組ρt值以及相應的傳感器高度,通過 MODTRAN4、6S等輻射傳輸模型模擬得到一組輻射亮度L(μv),代入式(4),再經過簡單的代數運算就可以求出大氣校正所需的參數(路徑輻射項、透過率、大氣半球反照率和太陽下行總輻射)。由式(4-1),可以解出ρt: 
ρt=L(μv)-L0(μv)FdT(μv)+S(L(μv)-L0(μv))---(4)]]>
地表反射率和相應傳感器高度設置見下表1所示。 
表1 

將傳感器接收的輻射亮度和MODTRAN4或6S等模擬的大氣校正參數代入方程(4)就可以進行大氣校正。 
把表1中對應輻射亮度值和設置的地表反射率、傳感器高度對應起來,代入方程(4)聯立得到由五個方程組成的方程組: 
L1=L0L2=L0+0.11-0.1SFdT(μv)L3=L0+0.21-0.2SFdT(μv)L4=0.11-0.1SFdL5=0.21-0.2SFd---(7)]]>
將模擬的五次輻射亮度值L1-L5代入上面的方程組,解出大氣校正參數。 
L0=L1T(μv)=L3-L2L5-L4S=1-2a0.2-0.2aFd=(L3-L1)(1-0.2S)0.2T(μv)---(8)]]>
將大氣校正系數與圖像中的每個像元通過式(4)計算即可計獲得像元的地表反射率。 
(1-3)MODIS數據的云標識。云的影響大大降低了大氣顆粒物反演的精度。在大氣顆粒物反演研究中,準確地判斷遙感影像中有云像元非常重要。MODIS有多個波段可以用來檢測云,主要是利用云在可見光和紅外波段與植被、土壤、雪和水域等下墊面在反射率和輻射亮溫值的差異進行檢測,云具有較高的反射率并具有低的亮溫值。首先要求一次讀入所需的波段信息,然后逐點檢測,最后生成云標識文件。 
2、待反演圖像的地表反射率的估計 
根據清晰圖像和待反演圖像的幾何參數,耦合構建的城市地區BRDF模型,獲取待反演圖像的地表反射率。 
3、計算結構函數 
首先,使用經過大氣糾正以后的MODIS第一通道數據,模擬比較了式(5)中提出的改進以后的結構函數值計算方法,與式(3)中結構函數值計算方法的穩定性。模擬方法的設計是:從250米分辨率的北京市城市地區MODIS通道一的圖像中,剪切出160×160個像元的兩幅圖像,兩幅圖像之間相差一個像元,即假定配準出現一個像元的誤差,兩種結構函數法的d值設定,分別為,式(3)d的設定為5、6、7、8、9,式(5)中(dmin,dmax)的設定為(3,6)、(3,8)、(4,8)、(4,9)、(5,8),式(3)和(5)中的m×n均設為20×20,且以20×20像元劃分為8×8組塊進行比較,則不同的參數設定條件下由這兩幅圖像計算的結構函數值的最大誤差和均方根誤差,處理的結果如圖4、圖5所示的,改進的方法最大誤差和均方根誤差都比傳統的方法低,可以看出改進的結構函數計算方法在城市地區具有更好的穩定性。 
然后,計算結構函數值。假定在選定的系列圖像中,清潔圖像和其它待反演圖像的地表特征保持不變,即沒有雨、雪等影響地表反射率的天氣特征,沒有新的建筑物出現或原有建筑物的破壞等地表類型的改變。則可以根據清潔圖像的結構函數值,耦合構建的地表二向反射率模型: 
M2(d)=1(dmax-dmin)2(n-dmin)(m-dmin)Σi=1n-dΣj=1m-dΣdj=dmindj=dmaxΣdi=dmindi=dmax[(ρi,j-ρi+di,j+dj)2]---(5)]]>
其中m*n即為計算窗口的大小,dmax、dmin是指參與計算的像元間距的最大、最小像元距離,ρ為反射率,對窗口內每個像元與和它距離在dmin-dmax之間的像元計算差異值平方和的均值,由式(1)可以獲取待反演圖像的顆粒物光學厚度。 
4、構建顆粒物光學厚度反演的查找表 
結構函數法實質是利用待反演圖像和參考圖像結構函數的比值對大氣透過率插值得到顆粒物光學厚度,因此,實驗利用6S模型生成含有太陽天頂角、觀測天頂角、大氣透過率和顆粒物光學厚度的查找表,建立查找表時的參數設置如下:幾何參數與地表反射率數據一致;顆粒物模式為大陸性顆粒物;大氣模式為中緯度夏季;波段設置為MODIS第一波段;采用構建的城市地區BRDF模型實現地表反射特性設定;顆粒物光學厚度設置如下:0.00001、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5。 
5、精度驗證 
為了解反演的顆粒物光學厚度的精度,本發明將北京地區的反演結果與AERONET北京觀測站點的觀測數據進行對比。對比時,選擇反演圖像中以AERONET站點位置為中心的10×10個像元區域的光學厚度平均值與AERONET測量值進行對比,其中AERONET光學厚度值,選取的是以衛星過境時刻為中心的一小時內的測量值的平均值。經驗證可知顆粒物光學厚度反演結果與AERONET測量結果具有很好的一致性,可見改進的結構函數法適用于城市地區顆粒物光學厚度反演,提高了檢測顆粒物光學厚度的準確性。 
當然,以上說明僅僅為本發明的較佳實施例,本發明并不限于列舉上述實施例,應當說明的是,任何熟悉本領域的技術人員在本說明書的教導下,所做出的所有等同替代、明顯變形形式,均落在本說明書的實質范圍之內,理應受到本發明的保護。 

關 鍵 詞:
一種 用于 城市 地區 顆粒 光學 厚度 遙感 監測 方法
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