一種實現航空高光譜遙感飛行地面同步定標及反射率轉換的方法

1、一種實現航空高光譜遙感飛行地面同步定標及反射率轉換的方 法，其特征在于包括下列步驟：
(1)確定飛行路線及主要控制點的經緯度坐標；
(2)根據飛行路線確定地面定標點的范圍及地面定標物類型；
(3)確定地面實驗的時間即飛機過地面定標點的時刻；
(4)進行地面同步定標實驗，獲取地面同步定標數據，該同步定標 數據包括地面波譜數據及地面定標輔助數據，其中地面定標輔助數據包 括每次波譜數據獲取的時間及每個定標物所在位置的經緯度；
(5)反射率轉換步驟：根據獲取的地面同步定標數據，以選取的太 陽高度角作基準對航空高光譜遙感數據進行反射率轉換，所述的反射率 轉換步驟包括下列步驟：
i.確定對航空高光譜遙感圖像進行反射率轉換時，選作基準的太 陽高度角；
ii.根據是將整幅圖像轉換為同一太陽高度角時的反射率，還是將 圖像像素值轉換為各自成像時刻的反射率，確定圖像各像素的 輻亮度值Lsλ；
iii.確定反射率的反演系數kλ和bλ；
iv.將反演系數kλ和bλ按照ρ＝k·L+b的形式應用于步驟ii所得的輻 亮度值Lsλ，即可得到反射率數據ρgλ。
2、根據權利要求1所述的實現航空高光譜遙感飛行地面同步定標及 反射率轉換的方法，其特征在于所述地面定標物包括人工和自然地面定 標物，其中人工地面定標物包括作為亮體的白棉布和作為黑體的黑棉布； 自然定標物包括作為亮體的水泥地、水體和作為黑體的煤堆，所述地面 定標物的面積均不小于10×10個像元面積，且位于機下點。
3、根據權利要求1所述的實現航空高光譜遙感飛行地面同步定標及 反射率轉換的方法，其特征在于所述反演系數kλ和bλ是根據地面實測同步 定標數據及其從圖像提取的相應區(qū)域的輻亮度值，利用最小二乘法計算 得到。
4、根據權利要求3所述的實現航空高光譜遙感飛行地面同步定標及 反射率轉換的方法，其特征在于所述航空高光譜遙感數據為包含地面定 標點的航線圖像，且以地面定標點成像時所對應太陽高度角為基準時， 所述反射率轉換步驟包括下列步驟：
(1)確定航線圖像各像素的太陽高度角，選擇地面定標點在圖像上 的相應像素區(qū)域即圖像感興趣區(qū)，確定并以所有圖像感興趣區(qū)所對應的 平均太陽高度角ht為基準；
(2)根據以下公式，確定整幅圖像計算整幅圖像在平均太陽高度角ht 成像條件下的輻亮度值Lsλt：
$L_{\mathrm{s\lambda t}}=\frac{L_{\mathrm{s\lambda i}}}{\sin h_i}·\sin h_t$
其中，hi為像素i所對應的太陽高度角；Lsλi是整幅圖像對應的原始輻亮度 值；
(3)利用地面同步定標數據和從圖像感興趣區(qū)提取的輻亮度計算反 演系數，包括下列步驟：
①提取每個圖像感興趣區(qū)太陽高度角為ht時每個通道所對應的輻亮 度值；
②根據成像光譜儀的通道參數對地面同步定標實驗獲取的各圖像感 興趣區(qū)相應的地面波譜數據重采樣，使地面波譜和圖像波譜具有相同的 波段數，獲得重采樣后的地面波譜；
③對每個圖像感興趣區(qū)所對應的圖像波譜和地面波譜進行配對，并 按以下等式建立方程組，并求得λ波段對應的反演系數kλ和bλ：
????????????????ρgλR＝kλ·LsλR+bλ
其中ρgλR為重采樣后的地面波譜；LsλR為圖像相應圖像感興趣區(qū)提取的太 陽高度角為ht的輻亮度值；
(4)把反演系數kλ和bλ按步驟(3)所示方程用于步驟(2)得到的 模擬輻亮度值Lsλt，即可得到整幅圖像在太陽高度角為ht的反射率ρgλt。
5、根據權利要求3所述的實現航空高光譜遙感飛行地面同步定標及 反射率轉換的方法，其特征在于所述航空高光譜遙感數據為包含地面定 標點的航線圖像像素，且以圖像各像素成像時刻對應太陽高度角為基準 時，所述反射率轉換步驟包括下列步驟：
(1)確定航線圖像各像素的太陽高度角，選擇地面定標點在圖像上 的相應像素區(qū)域即圖像感興趣區(qū)，從圖像中提取每個圖像感興趣區(qū)的輻 亮度值Lsλt，確定并以其成像的平均太陽高度角ht為基準；
(2)根據以下公式計算每個圖像感興趣區(qū)在像素i所對應太陽高度角 hi條件下的模擬輻亮度值Lsλ0i：
$L_{\mathrm{s\lambda }0i}=\frac{L_{\mathrm{s\lambda i}}}{\sin h_i}·\sin h_i;$
(3)利用地面同步定標數據和從圖像感興趣區(qū)提取的輻亮度值計算 每一像素的反演系數，包括下列步驟：
①根據成像光譜儀的通道參數對地面同步定標實驗獲取的各圖像感 興趣區(qū)相應的地面波譜數據重采樣，使地面波譜和圖像波譜具有相同的 波段數，獲得重采樣后的地面波譜；
②對于像素i，對每個圖像感興趣區(qū)的模擬輻亮度值和地面重采樣地 面波譜進行配對，并按以下關系建立方程組，求得各像素對應反演系數：
?????????????????ρgλ0＝ki·Lsλ0i+bi
其中，ρgλ0為重采樣后的地面波譜；Lsλ0i從相應圖像感興趣區(qū)提取的模擬 輻亮度值；ki和bi即為所求的像素i所對應的反射率反演系數。
(4)把所求得反演系數ki和bi按以下公式應用于像素i的原始輻亮度 值，即得到像素i的反射率ρgλi：
???????????????????ρgλi＝ki·Lsλi+bi
其中Lsλi為像素i位置處遙感器接收到的輻亮度值。
6、根據權利要求3所述的實現航空高光譜遙感飛行地面同步定標及 反射率轉換的方法，其特征在于所述航空高光譜遙感數據為不含地面定 標點的航線圖像像素，且以圖像各像素成像時刻對應太陽高度角為基準 時，所述反射率轉換步驟包括以下步驟：
(1)確定航線圖像各像素的太陽高度角，從含地面定標點圖像讀取 的每個圖像感興趣區(qū)的輻亮度值Lsλt及相應的太陽高度角ht；
(2)對于像素i，設其太陽高度角為hi，按以下公式計算各圖像感興 趣區(qū)在該太陽高度角hi下相應的模擬輻射亮度Lsλ0i：
$L_{\mathrm{s\lambda }0i}=\frac{L_{\mathrm{s\lambda t}}}{\sin h_t}·\sin h_i;$
(3)利用地面同步定標數據和圖像感興趣區(qū)的輻亮度值計算反演系 數，包括下列步驟：
①根據成像光譜儀的通道參數對地面同步定標實驗獲取的各圖像感 興趣區(qū)相應的地面波譜數據重采樣，使地面波譜和圖像波譜具有相同的 波段數，獲得重采樣后的地面波譜；
②對于像素i，對每個圖像感興趣區(qū)的模擬輻亮度值和地面重采樣地 面波譜進行配對，并按以下關系建立方程組，求得各像素i對應反射率反 演系數ki和bi：
???????????????????ρgλ0＝ki·Lsλ0i+bi；
其中，ρgλ0為重采樣后的地面波譜；Lsλ0i為相應圖像感興趣區(qū)的模擬輻亮 度值；
(4)將得到的反演系數ki和bi按以下公式應用于像素i的原始輻亮度 值，即得到像素i的反射率ρgλi：
???????????????????ρgλi＝ki·Lsλi+bi
其中Lsλi為像素i位置處遙感器接收到的輻亮度值。
7、根據權利要求1所述的實現航空高光譜遙感飛行地面同步定標及 反射率轉換的方法，其特征在于所述航空高光譜遙感數據為不含地面定 標點的航線圖像，且以地面定標點成像時所對應太陽高度角為基準時， 所述反射率轉換步驟包括以下步驟：
(1)確定航線圖像各像素的太陽高度角，讀取已有反演系數kλ和bλ及 其所對應的成像太陽高度角ht；
(2)根據以下公式，將整幅圖像轉換為太陽高度角ht成像條件下的 模擬輻亮度值Lsλt：
$L_{\mathrm{s\lambda t}}=\frac{L_{\mathrm{s\lambda i}}}{\sin h_i}·\sin h_t$
其中hi為像素i的太陽高度角；Lsλi為整幅圖像原始輻亮度值；
(3)將反演系數kλ和bλ按照ρ＝k·L+b的形式應用于上述步驟(2) 所得的模擬輻亮度圖像，即可得到整幅圖像在太陽高度為ht的反射率。
8、根據權利要求1或2所述的實現航空高光譜遙感飛行地面同步定 標及反射率轉換的方法，其特征在于所述太陽高度角是根據遙感飛行輔 助數據，即各像素對應的成像時間及經緯度信息計算得到。

技術領域\n本發(fā)明涉及遙感信息處理領域，特別涉及一種實現航空高光譜遙感飛 行地面同步定標及反射率轉換的方法。\n背景技術\n高光譜遙感數據在光譜維上具有較高的分辨率，可提供地物目標較為 完整和詳細的波譜特性。由于受大氣的影響，遙感器接收到的光譜信號與 地物真實光譜特性可能有一定偏差；另外反射波譜特性是地物固有的物理 和化學特征指標，比輻射波譜更能反映地物的本質特性。因此，只有將高 光譜遙感數據轉換為反射率，才能更有效地進行后續(xù)的應用分析。對于高 光譜遙感應用而言，反射率轉換是一項非常重要的基礎工作。\n目前常用的反射率轉換方法包括利用輻射傳輸方程進行反射率轉換， 利用圖像本身進行反射率轉換如平面場模型、內在平均相對反射率模型、 對數殘差模型等，以及借助地面實測反射波譜數據進行反射率轉換的方 法。這三類方法各有特點：輻射傳輸理論較為成熟，但具體應用中需要知 道大氣參數及有關數據，航空遙感系統(tǒng)運行過程中姿態(tài)不穩(wěn)定，沒有實時 大氣參數記錄，難以使用。利用圖像本身進行反射率轉換的方法比較簡單， 但得到的是相對反射率。因此借助地面同步定標實測數據進行反射率轉換 是操作起來最容易、最為有效和實用的方法。分析現有借助地面同步定標 實驗進行反射率轉換的方法，在具體應用中一般亦存在以下問題：\n1)地面同步定標實驗布置失誤或不合理\n地面同步定標實驗是借助地面數據進行反射率轉換的重要內容，沒有 準確可靠的地面同步定標數據，就不可能獲得高精度的反射率。這是一項 非常繁雜的工作，包括人工和自然定標地物類型的確定、人工定標地物的 布置、自然定標地物的布點，以及地面同步定標數據的獲取等。但在現實 應用中存在諸如未經充分的波譜實驗和分析造成定標地物類型選擇不當， 定標地物尺寸設計不當使得在應用中無法有效消除混合像元的影響，以及 所獲取地面數據同步性過差等問題使得獲取的地面定標數據不夠準確可 靠。因此迫切需要一套完整、系統(tǒng)的根據航空飛行布置地面同步定標實驗 以進行地面同步定標，進而獲取精確可靠地面定標數據的方法。\n2)反射率轉換方法沒有考慮時間因素的影響\n現有利用地面同步資料進行反射率轉換的方法，一般是將整幅圖像作 為一個整體來處理，不考慮時間因素對地物目標輻射特性的影響，這種處 理方法對于空中遙感數據獲取時間跨度不大的小面積試驗區(qū)較為適用。航 空高光譜遙感數據空間分辨率一般較高，不可能對大面積區(qū)域瞬時成像， 通常一次航空飛行實驗會覆蓋多條航線；而由于實驗條件的限制，地面同 步定標只能集中于某條航線距離較近的幾個典型點。因此如果地面定標點 所在航線過長，或者利用地面定標數據對不含地面定標點航線圖像進行反 射率轉換時，再不考慮時間因素的影響就會造成較大的偏差。\n發(fā)明內容\n本發(fā)明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種實現航空高光 譜遙感飛行地面同步定標及反射率轉換的方法，以獲取精確可靠地面定標 數據，并在反射率轉換時將時間對地物目標輻亮度的影響考慮在內，提高 反射率轉換的精度。\n為實現上述目的，本發(fā)明提供一種實現航空高光譜遙感飛行地面同步 定標及反射率轉換的方法，其特點在于包括下列步驟：\n(1)確定飛行路線及主要控制點的經緯度坐標；\n(2)根據飛行路線確定地面定標點的范圍及地面定標物類型；\n(3)確定地面實驗的時間即飛機過地面定標點的時刻；\n(4)進行地面同步定標實驗，獲取地面同步定標數據，該同步定標數 據包括地面波譜數據及地面定標輔助數據，其中地面定標輔助數據包括每 次波譜數據獲取的時間及每個定標物所在位置的經緯度；\n(5)反射率轉換步驟：根據獲取的地面同步定標數據，以選取的太陽 高度角作基準對航空高光譜遙感數據進行反射率轉換。所述的反射率轉換 步驟包括下列步驟：\ni.確定對航空高光譜遙感圖像進行反射率轉換時，選作基準的太陽 高度角；\nii.根據是將整幅圖像轉換為同一太陽高度角時的反射率，還是將圖 像像素值轉換為各自成像時刻的反射率，確定圖像各像素的輻亮 度值Lsλ；\niii.確定反射率的反演系數kλ和bλ；\niv.將反演系數kλ和bλ按照ρ＝k·L+b的形式應用于步驟ii所得的輻 亮度值Lsλ，即可得到反射率數據ρgλ。\n所述地面定標物包括人工和自然地面定標物，其中人工地面定標物包 括作為亮體的白棉布和作為黑體的黑棉布；自然定標物包括作為亮體的水 泥地、水體和作為黑體的煤堆，所述地面定標物的面積均不小于10×10 個像元面積，且位于機下點。\n所述反演系數kλ和bλ是根據地面實測同步定標數據及其從圖像提取的 相應區(qū)域的輻亮度值，利用最小二乘法計算得到。\n所述航空高光譜遙感數據為包含地面定標點的航線圖像，且以地面定 標點成像時所對應太陽高度角為基準時，所述反射率轉換步驟包括下列步 驟：\n(1)確定航線圖像各像素的太陽高度角，選擇地面定標點在圖像上的 相應像素區(qū)域即圖像感興趣區(qū)，確定并以所有圖像感興趣區(qū)所對應的平均 太陽高度角ht為基準；\n(2)根據以下公式，確定整幅圖像計算整幅圖像在平均太陽高度角ht 成像條件下的輻亮度值Lsλt：\n$L_{\mathrm{s\lambda t}}=\frac{L_{\mathrm{s\lambda t}}}{\sin h_t}·\sin h_t$\n其中ht為像素i所對應的太陽高度角；Lsλt是整幅圖像對應的原始輻亮度值；\n(3)利用地面同步定標數據和從圖像感興趣區(qū)提取的輻亮度計算反演 系數，包括下列步驟：\n①提取每個圖像感興趣區(qū)太陽高度角為ht時每個通道所對應的輻亮度 值；\n②根據成像光譜儀的通道參數對地面同步定標實驗獲取的各圖像感 興趣區(qū)相應的地面波譜數據重采樣，使地面波譜和圖像波譜具有相同的波 段數，獲得重采樣后的地面波譜；\n③對每個圖像感興趣區(qū)所對應的圖像波譜和地面波譜進行配對，并按 以下等式建立方程組，并求得λ波段對應的反演系數kλ和bλ：\n???????????????ρgλR＝kλ·LsλR+bλ\n其中ρgλR為重采樣后的地面波譜；LsλR為圖像相應圖像感興趣區(qū)提取的太陽 高度角為ht的輻亮度值；\n(4)把反演系數kλ和bλ按步驟(3)所示方程用于步驟(2)得到的模 擬輻亮度值Lsλt，即可得到整幅圖像在太陽高度角為ht的反射率ρgλt。\n所述航空高光譜遙感數據為包含地面定標點的航線圖像像素，且以圖 像各像素成像時刻對應太陽高度角為基準時，所述反射率轉換步驟包括下 列步驟：\n(1)確定航線圖像各像素的太陽高度角，選擇地面定標點在圖像上的 相應像素區(qū)域即圖像感興趣區(qū)，從圖像中提取每個圖像感興趣區(qū)的輻亮度 值Lsλt，確定并以其成像的平均太陽高度角ht為基準；\n(2)根據以下公式計算每個圖像感興趣區(qū)在像素i所對應太陽高度角hi 條件下的模擬輻亮度值LsλOi：\n$L_{\mathrm{s\lambda Oi}}=\frac{L_{\mathrm{s\lambda t}}}{\sin h_t}·\sin h_i;$\n(3)利用地面同步定標數據和從圖像感興趣區(qū)提取的輻亮度值計算每 一像素的反演系數，包括下列步驟：\n①根據成像光譜儀的通道參數對地面同步定標實驗獲取的各圖像感興 趣區(qū)相應的地面波譜數據重采樣，使地面波譜和圖像波譜具有相同的波段 數，獲得重采樣后的地面波譜；\n②對于像素i，對每個圖像感興趣區(qū)的模擬輻亮度值和地面重采樣地面 波譜進行配對，并按以下關系建立方程組，求得各像素對應反演系數：\n???????????????ρgλO＝ki·LsλOi+bi\n其中，ρgλO為重采樣后的地面波譜；LsλOi從相應圖像感興趣區(qū)提取的模擬輻 亮度值；ki和bi即為所求的像素i所對應的反射率反演系數。\n(4)把所求得反演系數ki和bi按以下公式應用于像素i的原始輻亮度 值，即得到像素i的反射率ρgλi：\n???????????????ρgλi＝ki·Lsλi+bi\n其中Lsλi為像素i位置處遙感器接收到的輻亮度值。\n所述航空高光譜遙感數據為不含地面定標點的航線圖像像素，且以圖 像各像素成像時刻對應太陽高度角為基準時，所述反射率轉換步驟包括以 下步驟：\n(1)確定航線圖像各像素的太陽高度角，從含地面定標點圖像讀取的 每個圖像感興趣區(qū)的輻亮度值Lsλt及相應的太陽高度角ht；\n(2)對于像素i，設其太陽高度角為hi，按以下公式計算各圖像感興趣 區(qū)在該太陽高度角hi下相應的模擬輻射亮度LsλOi：\n$L_{\mathrm{s\lambda Oi}}=\frac{L_{\mathrm{s\lambda t}}}{\sin h_t}·\sin h_i;$\n(3)利用地面同步定標數據和圖像感興趣區(qū)的輻亮度值計算反演系 數，包括下列步驟：\n①根據成像光譜儀的通道參數對地面同步定標實驗獲取的各圖像感興 趣區(qū)相應的地面波譜數據重采樣，使地面波譜和圖像波譜具有相同的波段 數，獲得重采樣后的地面波譜；\n②對于像素i，對每個圖像感興趣區(qū)的模擬輻亮度值和地面重采樣地面 波譜進行配對，并按以下關系建立方程組，求得各像素i對應反射率反演系 數ki和bi：\n???????????????ρgλO＝ki·LsλOi+bi；\n其中，ρgλO為重采樣后的地面波譜；LsλOi為相應圖像感興趣區(qū)的模擬輻亮度 值；\n(4)將得到的反演系數ki和bi按以下公式應用于像素i的原始輻亮度 值，即得到像素i的反射率ρgλi：\n???????????????ρgλi＝ki·Lsλi+bi\n其中Lsλi為像素i位置處遙感器接收到的輻亮度值。\n所述航空高光譜遙感數據為不含地面定標點的航線圖像，且以地面定 標點成像時所對應太陽高度角為基準時，所述反射率轉換步驟包括以下步 驟：\n(1)確定航線圖像各像素的太陽高度角，讀取已有反演系數kλ和bλ及 其所對應的成像太陽高度角ht；\n(2)根據以下公式，將整幅圖像轉換為太陽高度角ht成像條件下的模 擬輻亮度值Lsλt：\n$L_{\mathrm{s\lambda t}}=\frac{L_{\mathrm{s\lambda i}}}{\sin h_i}·\sin h_t$\n其中hi為像素i的太陽高度角；Lsλi為整幅圖像原始輻亮度值；\n(3)將反演系數kλ和bλ按照ρ＝k·L+b的形式應用于上述步驟(2)所 得的模擬輻亮度圖像，即可得到整幅圖像在太陽高度為ht的反射率。\n所述太陽高度角是根據遙感飛行輔助數據，即各像素對應的成像時間 及經緯度信息計算得到。\n本發(fā)明在地面同步定標實驗前對地面同步定標實驗進行了科學合理的 總體布置，經波譜實驗和分析選擇適當的定標地物類型，適當設計定標地 物尺寸，有效消減混合像元的影響，保證獲取地面數據的同步性，從而保 證了地面同步定標實驗中獲取的地面同步定標數據的精確可靠；同時本發(fā) 明利用地面同步定標實現獲取的地面同步定標數據對航空高光譜遙感數據 進行反射率轉換，即以地面定標點成像時所對應太陽高度角為基準對航空 高光譜遙感數據進行反射率轉換，將時間對地物目標輻亮度的影響考慮在 內，克服了地面定標點所在航線過長或者對不含地面定標點航線圖像進行 反射率轉換時，不考慮時間因素將帶來較大偏差的問題，提高反射率轉換 的精度。\n以下結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步的說明。\n附圖說明\n圖1為本發(fā)明的工作流程圖。\n圖2為本發(fā)明的航空遙感飛行地面同步定標實驗總體布置的工作流程 圖。\n圖3為本發(fā)明的對航空高光譜遙感數據進行反射率轉換的實施例1的 流程圖。\n圖4為本發(fā)明的對航空高光譜遙感數據進行反射率轉換的實施例2的 流程圖。\n圖5為本發(fā)明的計算太陽高度角的方法流程圖。\n圖6為本發(fā)明的對航空高光譜遙感數據進行反射率轉換的實施例3的 流程圖。\n圖7為本發(fā)明的對航空高光譜遙感數據進行反射率轉換的實施例4的 流程圖。\n具體實施方式\n本發(fā)明一種實現航空高光譜遙感飛行地面同步定標及反射率轉換的方 法利用地面同步定標對航空高光譜遙感數據進行反射率轉換，如圖1所 示，該方法包括地面同步定標實驗總體布置、地面同步定標數據的獲取和 室內反射率轉換三個子過程。\n其中地面同步定標實驗總體布置過程如圖2所示，先根據應用需求確 定飛行路線，并給出主要控制點的經緯度坐標，特別是轉彎點或尤為感興 趣目標的經緯度坐標。\n其次確定地面定標點的范圍以及合適的地面定標物類型(簡稱地物類 型)，其中地面定標物包括人工和自然定標地物兩種。結合飛行航線，選取 合適的布點位置，如交通不太擁擠的碼頭、路的交叉口、公園等，以便既 有足夠的空間置放人工定標物，又包含滿足條件的自然定標地物?？勺鳛?定標點的地物要求滿足以下條件：沒有明顯的吸收或反射，具有良好的朗 伯體特性；波譜特性隨時間變化穩(wěn)定；尺寸大小合適，有不小于10×10 個像元的面積，以減小混合像元的面積；定標點個數為5～7個，其反射率 覆蓋高、中、低反射率范圍；定標點位于機下點，以避免幾何和輻射畸變； 定標點距離的遠近要在同步實驗可接受的范圍內，最大限度保證同步性。 經室內波譜對比分析和人工地物的準備選取人工定標地物；經野外踏勘和 地物波譜對比分析，選取自然定標地物，確定其具體的位置，并將該位置 的經緯度及時反饋給航空飛行組織單位以確保航線覆蓋該區(qū)域。\n最后確定地面實驗的時間：飛行當日準確獲取飛機起飛的具體時間， 以確定飛機過地面定標點的時刻。\n而后進行地面同步定標實驗，進入地面同步定標數據的獲取過程，這 是對航空高光譜遙感數據進行反射率轉換的前提。該同步定標數據包括地 面波譜數據及地面定標輔助數據，其中地面定標輔助數據包括每次波譜數 據獲取的時間及每個定標物所在位置的經緯度等。\n以上地面同步定標實驗總體布置及地面同步定標數據的獲取可通過 以下實施例詳細說明。\n在上海地區(qū)進行OMIS(實用型模塊化成像光譜儀)與PHI(推帚式 面陣CCD超光譜成像儀)的高光譜遙感飛行實驗，飛行前，確定以下幾項 內容：\n1)根據應用需求確定飛行路線，淀山湖→徐浦大橋→南浦大橋→楊浦 大橋(沿浦東)→江灣機場(面積)→楊浦大橋→南浦大橋(沿浦西)，并 給出主要控制點的經緯度坐標。\n2)確定定標點的大致范圍和合適的地物類型\n為了選擇地面同步定標實驗用人工地物，對滌棉、棉紗卡、尼絲紡、 平絨、純棉、萊卡、絲、綢等不同質地的白、黑布進行室內光譜對比分析 實驗，最后選擇加工12×12m2的黑棉布和白棉布分別作為定標用黑體和亮 體。\n經野外踏勘和地物波譜對比分析，選擇水泥地、植被、地磚、大理石、 煤堆、土壤、水體作為自然定標地物，確定其具體的位置，并將位置的經 緯度及時反饋給航空飛行組織單位。\n3)一步確定地面實驗的時間\n飛行當日準確獲取飛機起飛的具體時間，以確定飛機過地面定標點的 時刻。\n4)進行地面同步定標實驗，獲取地面同步定標數據\n航空飛行當日，利用黑、亮體和各種自然地物，在東西外灘、徐浦大 橋以南段、江灣機場和南浦廣場公園等地進行了地面同步定標實驗，獲取 水泥地、植被、地磚、大理石、煤堆、土壤、水體等各種自然地物目標的 波譜及相關輔助數據，為航空高光譜遙感數據的處理提供了數據源。\n獲取地面同步定標數據后，根據該地面同步定標數據，以選取的太陽 高度角作基準對航空高光譜遙感數據進行反射率轉換。一次航空高光譜遙 感飛行一般會覆蓋幾條航線，而由于實驗條件的限制，地面同步定標往往 只能集中于某條航線距離較近的幾個典型點。因此下面利用本發(fā)明所提出 反射率轉換方法分別就所校正航線圖像含或不含地面定標點給出具體的實 例。\n1、含地面定標點的航線圖像\n對于含地面定標點航線圖像的反射率轉換，可以地面定標點成像時所 對應太陽高度角為基準對整幅圖像進行反射率轉換，具體實現步驟見圖3； 亦可以將圖像像素轉換為各自成像條件下的反射率，具體實現步驟見圖4。\n其詳述如下：\n1)地面定標點成像時所對應太陽高度角為基準(實施例1)\n首先計算圖像各像素太陽高度角；接下來選擇地面定標點，計算地面 定標點的平均太陽高度角，作為整幅圖像反射轉換的基準；計算整幅圖像 在該基準太陽高度角條件下的輻亮度值；利用地面同步定標數據和從圖像 感興趣區(qū)(Region?of?Interest，簡稱ROI)提取的輻亮度值由最小二乘法計 算反演系數；最后將反演系數應用于整幅圖像獲得反射率。如圖3所示， 其具體包括以下步驟：\n步驟1：讀取要進行反射率轉換的含地面定標點的航線圖像，要求是 輻亮度值。\n步驟2：根據讀取圖像相應的遙感飛行輔助數據，獲取各像素對應的 成像時間及經緯度信息，并計算每像素所對應的太陽高度角，其計算步驟 如圖5所示：\n步驟21：根據成像的年、月、日計算日角J；\n步驟22：由日角J計算太陽赤緯角δ；\n步驟23：計算太陽時角τ，實現步驟為：\n步驟231：根據經度信息，將成像的北京時S換成地方時Sd，\n步驟232：由日角J計算時差，并將地方時進行時差訂正，得真 太陽時，\n步驟233：計算太陽時角τ；\n步驟24：根據緯度信息以及所得太陽赤緯角δ、太陽時角τ計算太 陽高度角h。\n一般情況下，航空遙感飛行的輔助數據精度有限，必要的時候可內插 獲取每行或每像素的輔助信息。\n步驟3：顯示圖像，選擇地面定標點在圖像上的相應像素區(qū)域，即圖 像感興趣區(qū)(ROI區(qū))。\n步驟4：統(tǒng)計計算所有ROI區(qū)所對應的平均太陽高度角ht。\n步驟5：根據以下公式，將整幅圖像轉換為平均太陽高度角ht成像條件 下的輻亮度值Lsλt：\n$L_{\mathrm{s\lambda t}}=\frac{L_{\mathrm{s\lambda i}}}{\sin h_i}·\sin h_t$\n其中，hi為像素i所對應的太陽高度角；Lsλi是整幅圖像對應的原始輻 亮度值；Lsλt為整幅圖像在太陽高度角為ht時所對應的輻亮度值。\n步驟6：提取每個ROI區(qū)太陽高度角為ht時每個通道對應的輻亮度值。\n步驟7：讀取地面同步定標實驗所獲取的各ROI區(qū)相應的地面反射波 譜數據。\n步驟8：根據成像光譜儀的通道參數對其所獲的地面反射波譜數據進 行重采樣，使地面波譜和圖像波譜具有相同的波段數。\n步驟9：獲得重采樣后的地面反射波譜。\n步驟10：對每個ROI區(qū)所對應的圖像波譜和地面波譜進行配對。\n步驟11：根據步驟10，按以下等式建立方程組，并求得反演系數kλ和 bλ：\n???????????????ρgλR＝kλ·LsλR+bλ\n其中，ρgλR為重采樣后的地面實測反射波譜；LsλR為圖像相應ROI區(qū)提 取的太陽高度角為ht的輻亮度值；kλ和bλ為要求的λ波段對應的反演系數。\n步驟12：最后再把kλ和bλ按步驟11所示方程用于步驟5的得到的輻 亮度值，即可得到整幅圖像在太陽高度角為ht的反射率。\n2)將圖像像素轉換為各像素成像條件下的反射率(實施例2)\n首先計算各像素太陽高度角；選擇地面定標點，計算各ROI區(qū)的輻亮 度值和平均太陽高度角；對于每像素，計算各ROI區(qū)在該太陽高度角下的 模擬輻亮度值；利用地面定標數據和模擬輻亮度值計算每一像素的反演系 數；最后將反演系數用于每一像素即得反射率。如圖4所示，其具體包括 以下步驟：\n步驟1：讀取要進行反射率轉換的含地面定標點的航線圖像，要求是 輻亮度值。\n步驟2：按圖5所示步驟計算圖像每像素的太陽高度角。\n步驟3：顯示圖像，選擇地面定標點在圖像上的相應像素區(qū)域，即圖 像感興趣區(qū)(ROI區(qū))。\n步驟4：對于每個ROI區(qū)，從圖像提取其輻亮度值Lsλt，并統(tǒng)計計算其 成像的平均太陽高度角ht，\n步驟5：按以下公式計算其在像素i所對應太陽高度角hi條件下的模擬 輻亮度值LsλOi：\n$L_{\mathrm{s\lambda Oi}}=\frac{L_{\mathrm{s\lambda t}}}{\sin h_t}·\sin h_i$\n步驟6：讀取地面同步定標實驗所獲取的各ROI區(qū)相應的地面反射波 譜數據。\n步驟7：根據成像光譜儀的通道參數對其所獲的地面反射波譜數據進 行重采樣，使地面波譜和圖像波譜具有相同的波段數。\n步驟8：獲得重采樣后的地面反射波譜。\n步驟9：對于像素i，對每個ROI區(qū)的步驟5得到的模擬輻亮度值和步 驟8得到的地面重采樣地面波譜進行配對。\n步驟10：根據步驟9，按以下關系建立方程組，求得各像素對應反演 系數：\n???????????????ρgλO＝ki·LsλOi+bi\n其中，ρgλO為重采樣后的地面定標點實測反射波譜；LsλOi從相應ROI 區(qū)提取的模擬輻亮度值；ki和bi即為所求的像素i所對應的反射率反演系數。\n步驟11：最后所求得ki和bi按以下公式應用于像素i的原始輻亮度值， 即得到其反射率：\n???????????????ρgλi＝ki·Lsλi+bi\n其中，ρgλi為像素i所對應的反射率；Lsλi為像素i位置處遙感器接收到 的輻亮度值。\n2、不包含地面定標點的航線圖像\n對于飛行實驗當天獲取的不含地面定標點航線圖像的反射率轉換，可 以根據用戶輸入，將整幅圖像轉換為某太陽高度角成像條件下的反射率， 其具體實現步驟見圖6；亦可以將圖像像素轉換為各自成像條件下的反射 率，其具體實現步驟見圖7。\n1)根據用戶輸入，將整幅圖像轉換為某太陽高度角成像條件下的反射 率(實施例3)\n首先讀取已有反射率反演系數及該反演系數所對應的太陽高度角；計 算圖像在該太陽高度角成像條件下的輻射亮度值；利用線性模型，得到整 幅不含地面定標點的新航線圖像在該太陽高度角條件下的反射率。如圖6 所示，其具體包括以下步驟：\n步驟1：讀取要進行反射率轉換的含地面定標點的航線圖像，要求是 輻亮度值。\n步驟2：按圖5所示步驟計算圖像每像素的太陽高度角。\n步驟3：讀取已有反射率轉換系數kλ和bλ，及其所對應的成像太陽高 度角ht。\n步驟4：根據以下公式，將整幅圖像轉換為太陽高度角ht成像條件下的 模擬輻亮度值：\n$L_{\mathrm{s\lambda t}}=\frac{L_{\mathrm{s\lambda i}}}{\sin h_i}·\sin h_t$\n其中，hi為像素i的太陽高度角；Lsλi為其圖像原始輻亮度值；Lsλt為其 在太陽高度角為ht時所對應的輻亮度值。\n步驟5：將轉換系數kλ和bλ，按照ρ＝k·L+b的形式應用于步驟4得到 的模擬輻亮度值，即可得到整幅圖像在太陽高度角為ht的反射率。\n2)將圖像像素轉換為各像素成像條件下的反射率(實施例4)\n首先計算各像素太陽高度角；然后讀取由含地面定標點航線圖像提取 的各ROI區(qū)輻亮度值和太陽高度角；對于每一像素，計算各ROI區(qū)在該太 陽高度角下的模擬輻亮度值；利用地面定標數據和模擬輻亮度值計算每一 像素的反演系數；最后將反演系數用于每一像素即得反射率。如圖7所示， 其具體包括以下步驟：\n步驟1：讀取要進行反射率轉換的含地面定標點的航線圖像，要求是 輻亮度值。\n步驟2：按圖5所示步驟計算圖像每像素的太陽高度角。\n步驟3：讀取從含地面定標點圖像得到的每個ROI區(qū)的輻射波譜及相 應的太陽高度角。\n步驟4：對于像素i，設其太陽高度角為hi，按以下公式計算各ROI區(qū) 在該太陽高度角hi下相應的模擬輻亮度值：\n$L_{\mathrm{s\lambda Oi}}=\frac{L_{\mathrm{s\lambda t}}}{\sin h_t}·{\sinh }_i$\n其中，Lsλt為從含地面定標點圖像提取的ROI區(qū)在太陽高度角為ht時的 輻亮度值，LsλOi為該ROI區(qū)在太陽高度角為hi時的輻亮度值。\n步驟5：讀取地面同步定標實驗所獲取的各ROI區(qū)相應的地面波譜數 據。\n步驟6：根據成像光譜儀的通道參數對其進行重采樣，使地面波譜和 圖像波譜具有相同的波段數。\n步驟7：獲得重采樣后的地面反射波譜。\n步驟8：對于像素i，對每個ROI區(qū)的步驟4得到的模擬輻亮度值和步 驟7得到的地面重采樣地面波譜進行配對。\n步驟9：根據步驟8，按以下關系建立方程組，求得各像素對應反演系 數：\n???????????????ρgλO＝ki·LsλOi+bi\n其中，ρgλO為重采樣后的地面實測反射波譜；LsλOi為相應ROI區(qū)的模擬 輻亮度值；ki和bi即為像素i所對應的反射率反演系數。\n步驟10：最后ki和bi按以下公式應用于像素i的原始輻亮度值，即得到 其反射率：\n???????????????ρgλi＝ki·Lsλi+bi\n其中，ρgλi為像素i所對應的反射率；Lsλi為像素i位置處遙感器接收到 的輻亮度值。\n本發(fā)明在地面同步定標實驗前對地面同步定標實驗進行了科學合理的 總體布置，保證了地面同步定標實驗中獲取的地面同步定標數據的精確可 靠；同時本發(fā)明利用地面同步定標實驗獲取的地面同步定標數據對航空高 光譜遙感數據進行反射率轉換，將時間對地物目標輻亮度的影響考慮在 內，克服了地面定標點所在航線過長或者對不含地面定標點航線圖像進行 反射率轉換時，不考慮時間因素將帶來較大偏差的問題，提高反射率轉換 的精度。此外本發(fā)明在反射率轉換時提出了以地面定標點成像時所對應太 陽高度角為基準對整幅圖像進行反射率轉換和將圖像像素轉換為各自成像 條件下反射率的方法，并根據欲轉換航線圖像含不含地面定標點分別處理。