本發(fā)明涉及基于大氣地形耦合模型的地表反射率不確定度分析方法，可用于星載或機載高光譜遙感數(shù)據(jù)的大氣-地形聯(lián)合校正流程中，從而服務(wù)于遙感器獲得反射率數(shù)據(jù)的質(zhì)量評定，是對地觀測領(lǐng)域的一項支撐技術(shù)。

背景技術(shù)：

1、在高光譜遙感中，地表反射率是后續(xù)應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)維數(shù)高、信號能量弱、信息鏈長，地表反射率的精度已成為影響定量應(yīng)用的關(guān)鍵因素。隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，遙感領(lǐng)域越來越重視計量研究。2010年，對地觀測衛(wèi)星委員會建立了《對地觀測質(zhì)量保證框架》，將《測量不確定度表達指南》(guide?to?the?expression?of?uncertainty?inmeasurement，gum)的主要方法引入對地觀測領(lǐng)域，首次將gum應(yīng)用于對地觀測的不確定度分析。高光譜遙感反射率產(chǎn)品的不確定度評估已引起國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。

2、定量遙感領(lǐng)域現(xiàn)有的精度評價方式一般是將平坦、均一地面實測反射率作為參考值，通過計算多個驗證點的平均誤差或者均方根誤差，以此評定遙感反演反射率數(shù)據(jù)的精度水平。然而，在非均一、起伏地表情況下，缺乏對大氣-地形耦合影響下的地表反射率精度的量化，導(dǎo)致難以進行數(shù)據(jù)誤差溯源與質(zhì)量提升。目前僅有北京航空航天大學的馬肇寧發(fā)表論文《uncertainty?analysis?for?topographic?correction?of?hyperspectralremote?sensing?images》，該文獻公開了一種地形校正的不確定度分析方法，但分析處理的數(shù)據(jù)停留在輻亮度數(shù)據(jù)，有待進一步分析和討論反射率產(chǎn)品的不確定度。中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院申請了專利《實現(xiàn)陸表遙感地表反射率產(chǎn)品質(zhì)量可追溯的方法及裝置》（cn?115824971?a），該申請定量衡量了高光譜遙感反射率產(chǎn)品的不確定度，但未考慮地形起伏因素和地物非均一因素，因此該申請的不確定度衡量是不準確的，沒有依據(jù)實際地物情況、實際地形條件而自適應(yīng)調(diào)整。因此，為評定非均一、地形起伏狀況下高光譜遙感反射率產(chǎn)品的質(zhì)量及穩(wěn)定性，并溯源主要不確定度來源，支撐算法改進及數(shù)據(jù)精度提升，亟需發(fā)展非均一、起伏地表條件下的地表反射率不確定度量化與分析方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決非均一、起伏地表情況下高光譜地表反射率產(chǎn)品質(zhì)量評定問題，提出了基于大氣地形耦合模型的地表反射率不確定度分析方法，基于大氣地形耦合的輻射傳輸模型，將公式傳遞法與蒙特卡羅方法兩種不確定度量化方法相結(jié)合，評估了輻亮度產(chǎn)品精度、成像幾何參數(shù)精度、地形參數(shù)精度以及大氣參數(shù)精度對地表反射率的影響；將上述參數(shù)的不確定性及其相關(guān)的概率分布作為不確定性分析的輸入，在地表反射率反演的處理鏈上，對于具有解析公式傳遞的過程，通過公式傳遞法傳遞不確定度；在沒有可用的解析公式的情況下，應(yīng)用蒙特卡羅方法模擬不確定度傳播，得到非均一、起伏地表情況下高光譜地表反射率的不確定度，并進行不確定度貢獻量化分析排序與主要不確定度溯源。

2、基于大氣地形耦合模型的地表反射率不確定度分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

3、步驟1、建立大氣地形聯(lián)合校正模型，完成高光譜遙感輻亮度數(shù)據(jù)到地表反射率數(shù)據(jù)量值傳遞；

4、步驟2、基于量值傳遞過程進行不確定度溯源，追溯至輻亮度產(chǎn)品精度、成像幾何參數(shù)精度、地形參數(shù)精度以及大氣參數(shù)精度為模型的不確定度輸入；

5、步驟3、對于步驟2追溯得到的每一個輸入變量，通過采用a類或b類評定方法估計不確定度，并確定這些不確定輸入的概率分布；

6、步驟4、利用步驟3得到的輸入變量不確定度評定結(jié)果進行不確定度的傳遞與合成，通過對有解析公式的環(huán)節(jié)實現(xiàn)公式傳遞法不確定度傳遞、對無解析公式的環(huán)節(jié)實現(xiàn)蒙特卡洛法不確定度傳遞，計算得到地表反射率合成標準不確定度評定結(jié)果；

7、步驟5、分析合成地表反射率中的不確定度分量，并對各環(huán)節(jié)的不確定度貢獻進行逐波段的排序?qū)Ρ龋⑦M一步進行主要不確定度溯源，確定影響地表反射率不確定度的主要來源因素，指導(dǎo)參數(shù)優(yōu)化與算法改進，實現(xiàn)數(shù)據(jù)精度提升。

8、其中，步驟1中起伏、非均一地表下反射率反演的核心公式為：

9、

10、該式子中，為太陽直射分量，為大氣散射輻射，為地氣耦合輻射，為周圍地物反射輻射，為大氣鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的輻亮度，為大氣程輻射，為輻亮度數(shù)據(jù)，為大氣上行透過率,?為目標地物的反射率，分別代表行數(shù)、列數(shù)及高程，為波長，輻射傳輸模型誤差和地表朗伯假設(shè)引入的不確定度用“+0”?表示。

11、其中，步驟2中溯源得到的不確定度來源具體包括：輻亮度數(shù)據(jù)產(chǎn)品的輻射定標、光譜定標精度；成像幾何參數(shù)精度，包括中心經(jīng)緯度、傳感器高度、觀測天頂角、方位角、成像時間、影像空間分辨率；大氣參數(shù)精度，包括水汽含量和氣溶膠光學厚度；地形參數(shù)精度，包括坡度、坡向、太陽入射角余弦、天空可視因子和陰影遮蔽因子。

12、其中，步驟3中輻亮度數(shù)據(jù)產(chǎn)品以及成像幾何參數(shù)的不確定度根據(jù)高光譜載荷相關(guān)文獻通過b類評定方法確定，大氣參數(shù)的不確定度包括氣溶膠光學厚度和水汽含量的不確定度通過蒙特卡洛法模擬得到，地形參數(shù)包括坡度、坡向、太陽入射角余弦、天空可視因子通過公式傳遞法計算，陰影遮蔽因子通過蒙特卡洛法模擬傳播，地形參數(shù)基于輸入數(shù)字表面模型計算，令、為地形曲面在東西和南北方向上的高程變化率，（）為目標像元周圍的格網(wǎng)，為格網(wǎng)像元分辨率，太陽天頂角、方位角為、?，為半球空間方向，為像元所在位置在方向上的最大天空張角，?的值在?0?到之間，具體計算及不確定度傳遞公式如下：

13、

14、

15、

16、

17、

18、

19、

20、

21、

22、

23、陰影遮蔽因子的計算采用深度緩沖算法求解，通過輸入太陽照明角度和數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)進行計算，無解析公式因此通過蒙特卡洛方法模擬不確定度傳播，至此得到了全部地形參數(shù)的不確定度。

24、其中，步驟4在步驟3的不確定度來源下,通過蒙特卡洛法傳播得到不確定度通過蒙特卡洛計算得到了各個輻射分量的不確定度、、、、、、以及不確定度相關(guān)項，再利用公式傳遞法計算反射率合成標準不確定度的公式如下：

25、

26、式中為第個分量和第個分量之間的相關(guān)系數(shù)。

27、其中，步驟5中，將以上合成反射率的8個不確定度分量分別除以總的反射率的不確定度，并進行逐波段的比較，可實現(xiàn)不確定度貢獻量化排序與主要不確定度溯源，具體計算如下：

28、；

29、；

30、；

31、；

32、；

33、；

34、；

35、；

36、是第個不確定度分量的貢獻占比，在得到主要不確定度貢獻分量后，可進一步溯源到輸入不確定度參數(shù)，進而可指導(dǎo)參數(shù)優(yōu)化和改進算法，最終提升地表反射率數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度。

37、本發(fā)明實現(xiàn)的有益效果：

38、（1）建立高光譜遙感大氣地形聯(lián)合校正不確定度傳遞模型，提出了非均一、起伏地表下地表反射率的不確定度傳遞分析方法，實現(xiàn)了非均一、起伏地表下地表反射率的質(zhì)量評定；

39、（2）獲得地表反射率逐像元逐波段的定量化不確定度評定結(jié)果，進行主要不確定度溯源分析，實現(xiàn)不確定度貢獻量化排序，定位主要不確定度來源，指導(dǎo)算法改進及數(shù)據(jù)精度提升；

40、（3）本技術(shù)針對起伏的且非均一的地表，設(shè)計了地形參數(shù)因素以反映起伏地表的特性，包括坡度、坡向，再將其引入不確定度的定量分析，實現(xiàn)了對非平坦地面的反射率不確定度分析；同時引入周圍地物反射輻射用于反映非均一地表特性，然后同時考慮地形參數(shù)、非均一地物參數(shù)，兩者相耦合，共同作用于地表反射率的不確定度定量評估計算，避免了現(xiàn)有技術(shù)中對地表的理想化、簡單化計算，大大提升了真實地表環(huán)境的反射率不確定度計算精度，為后續(xù)地表反射率的計算改進提供可靠堅實的理論依據(jù)；

41、（4）本技術(shù)考慮了影響地表反射率的多種因素，且以上因素并非是孤立的、互不影響的，本技術(shù)為了更真實更全面更高精度的計算地表反射率的不確定度，深度挖掘了各因素間的相互作用關(guān)系，如地形因素會影響天空可視因子，同時也會影響陰影遮蔽因子。