CN104573251A - 一种星载光学遥感器全视场表观光谱辐亮度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种星载光学遥感器全视场表观光谱辐亮度确定方法，首先对光学遥感卫星观测模型及场景进行了仿真，含卫星遥感器模型、观测目标、卫星轨道和姿态参数设置等，并对场景进行约束；其次对光学遥感卫星全视场观测参数进行计算；最后对光学遥感卫星全视场表观光谱辐亮度进行确定。本发明遥感器接收的表观光谱辐亮度的确定基于辐射传输理论，根据卫星平台和遥感器的工作特性，对地球、地物目标及背景特性、大气条件及星载遥感器这整个辐射传输链路进行仿真。利用辐射传输模型软件，逐个像元确定遥感器焦面不同位置处像元对应视场处接收的表观光谱辐亮度。

Description

一种星载光学遥感器全视场表观光谱辐亮度确定方法

技术领域

本发明涉及一种星载光学遥感器全视场表观光谱辐亮度确定方法，特别是针对搭载有大视场宽幅遥感器的光学卫星或搭载有高分辨率遥感器的光学敏捷卫星。

背景技术

光学卫星遥感器接收到的遥感信息是太阳辐射经过大气后，经地球表面再次穿过大气传输到达遥感器的辐射。地球表面地物目标反射的太阳辐射信息经过大气的散射、吸收以及大气湍流、大气辐射、天空背景辐射、地表干扰背景辐射等影响因素作用后到达遥感器入瞳处，通过光学***，最后被遥感器探测***所获取。地面应用***利用获取的遥感信息，通过处理，反演出地物目标的几何信息、辐射信息与光谱信息等。

光谱辐亮度是指单位面积、单位立体角和单位波长上的能量，典型单位为瓦每平方米每球面度每微米(W·m^-2·sr^-1·μm^-1)，其中sr(球面度)是立体角的单位，μm(微米)是波长单位。表观光谱辐亮度(Apparent Spectral Radiance)是指大气层顶的光谱辐亮度，即卫星入瞳处的光谱辐亮度(At-Aperture SpectralRadiance)。光学卫星入轨后，表观光谱辐亮度值可以通过卫星遥感器获取的图像产品，利用辐射定标增益(Gain，单位W·m^-2·sr^-1·μm^-1·DN^-1)和偏置(Offset，单位W·m^-2·sr^-1·μm^-1)系数，通过等式L_λ＝Gain_λ·DN_λ+Offset_λ计算得到。可见，地物目标光谱和辐射信息定量反演的精度与遥感器表观光谱辐亮度计算值息息相关。因此，光学卫星遥感器表观光谱辐亮度指标的确定与分析是光学卫星进行设计时需要重点关注的指标之一。

地物目标表观光谱辐亮度与卫星平台的轨道、姿态，遥感器成像***特性，大气观测条件、地物及背景特性、地球自转、地球曲率、地形起伏等因素相关。基于辐射传输理论的遥感器表观光谱辐亮度计算方法是一种重要的计算方法。利用采用辐射传输理论准确计算遥感器的表观光谱辐亮度，需要根据卫星平台和遥感器的工作特性，对地球、地物目标及背景特性、大气条件及星载遥感器这整个辐射传输链路进行建模与仿真。利用蒙特卡罗光线追踪模型，将遥感器模型、地物目标模型、辐射传输路径模型和地球模型等通过观测几何关系联系在一起。因此，卫星遥感器观测几何参数是遥感器表观光谱辐亮度计算过程中需要重点考虑的因素。

卫星遥感器观测几何参数主要包括太阳天顶角、太阳方位角、卫星观测天顶角、卫星观测方位角。地球上某点P(Point，点)的地平面(切面)的法线与此点P和太阳/卫星观测方向连线的夹角称为此时此地的太阳/卫星观测天顶角。太阳/卫星观测方位角以地平面上过P点正北方向为起点，以P点和太阳/卫星观测方向连线在过P点的法平面上的投影线为终止方向，按顺时针方向所测量的角度。

一般地物目标光谱特性反射率通常采用双向反射分布函数(BRDF，Bidirectional Reflectance Distribution Function)来表达，反射率除与波长相关外，还与遥感器几何观测参数有关。不考虑地物自身反射率的方向特性，将地物目标看成各向辐射特性相同的朗伯体，同一地物目标在不同的观测几何参数下，由于大气作用路径和谱段特性不同，导致遥感器入瞳接收的辐亮度值也出现差异。

随着用户对重访周期的要求越来越高，为了满足用户高时间分辨率需求，往往采用搭载有大视场中等分辨率的光学遥感器或利用卫星平台的敏捷特性结合高分辨遥感器，通过多星组网，对特定区域或目标进行重访。同一时刻，上述光学遥感器焦面上不同位置处像元对应不同视场处的地物卫星观测几何参数差异较大，为了准确获取遥感器全视场内表观光谱辐亮度，需要计算遥感器各个像元的观测几何参数。结合目标特性数据，通过大气辐射传输模型软件，逐个像元计算出到达相机入瞳处的光谱辐亮度。

对相关文献检索如下：杨本永等，《成像光谱反射率反演中观测角影响的分析》，量子电子学报，2005，22(4)：667～671；阿布都瓦斯提·吾拉木等，《基于6S模型的可见光、近红外遥感数据的大气校正》，北京大学学报(自然科学版)，2004，40(4)：611～618；杨贵军等，《中红外大气辐射传输解析模型及遥感成像模拟》，光谱学与光谱分析，2009，29(3)：629～634；林如强等，《一种基于遥感图像仿真的大气查找表优化方法》，兰州理工大学学报，2010，36(3)：102～105。在这些文章中均对基于大气辐射传输模型软件的光谱幅亮度的计算过程和常用方法进行了说明，部分文章对观测几何参数对遥感反演的影响进行了分析。但问题是这些计算分析中没有考虑卫星和遥感器的工作模式和特性参数，对遥感器成像过程中地物目标、大气条件、遥感器之间的严格成像约束条件进行了简化，采用假设或简化的参数进行光学卫星表观光谱辐亮度计算，其计算结果精度不高，对卫星后续应用如在轨成像参数的调整、卫星数据产品定量遥感应用等均会带来较大的误差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星载光学遥感器全视场表观光谱辐亮度确定方法，适用于具有不同类型光学***的光学卫星遥感器，特别是针对搭载有大视场宽幅遥感器的光学卫星或搭载有高分辨率遥感器的光学敏捷卫星，该方法给出了遥感器焦面不同位置处像元对应视场处接收的表观光谱辐亮度。

本发明的技术方案是：一种星载光学遥感器全视场表观光谱辐亮度确定方法，步骤如下：

1)利用STK软件进行光学遥感卫星观测模型场景仿真；

11)创建仿真场景；

12)创建卫星及遥感器模型；

13)设置目标观测对象；

14)设置卫星轨道和姿态；

15)根据实际遥感器类型和遥感卫星工作模式，对仿真场景进行约束；

2)计算获得光学遥感卫星全视场观测参数；

21)地物目标与参数获取；

21a)根据场景约束关系，获取不同时刻遥感器不同视场处的地物目标在WGS84坐标系下的位置数据，所述的位置数据包括经度、纬度和高程数据；

21b)根据步骤21a)获得的位置数据，得到该位置处地物目标的反射率特性数据；

22)卫星观测几何参数建模与获取；

22a)创建地物目标，所需的地物目标的经度、纬度和高程数据按步骤21a)获取的地物目标位置数据进行设置；

22b)创建参考坐标系，参考坐标系原点位于地物目标质心，+X轴指向正北，+Y轴指向正西，+Z轴与+X轴和+Y轴满足右手正交关系，指向天顶；

22c)创建地物目标指向卫星的参考矢量Vec_Fac2Sat，向量起点为地物目标本体质心，向量终点为卫星本体质心；

22d)创建地物目标指向太阳的参考矢量Vec_Fac2Sun，向量起点为地物目标本体质心，向量终点为太阳质心；

22e)创建地物目标指向卫星参考矢量在地物目标本体系XOY面上的投影向量Vec_Sat_Proj；

22f)创建地物目标指向太阳参考矢量在地物目标本体系XOY面上的投影向量Vec_Sun_Proj；

22g)创建地物目标天顶方向向量与地物目标指向卫星的向量Vec_Fac2Sat之间的夹角Angle_FacZ2Sat；所述地物目标天顶方向向量指向参考坐标系+Z轴方向；

22h)创建地物目标天顶方向向量与地物目标指向太阳的向量Vec_Fac2Sun之间的夹角Angle_FacZ2Sun；

22i)创建地物目标正北方向向量与地物目标指向太阳向量的投影向量Vec_Sun_Proj之间的夹角Angle_Azim_Sun；所述地物目标正北方向向量指向参考坐标系+X轴方向；

22j)创建地物目标正西方向向量与地物目标指向太阳向量的投影向量Vec_Sun_Proj之间的夹角Angle_Posi_Y_Sun_Proj；所述地物目标正西方向向量指向参考坐标系+Y轴方向；

22k)创建地物目标正北方向向量与地物目标指向卫星向量的投影向量Vec_Sat_Proj之间的夹角Angle_Azim_Sat；

22l)创建地物目标正西方向向量与地物目标指向卫星向量的投影向量Vec_Sat_Proj之间的夹角Angle_Posi_Y_Sat_Proj；

22m)获取遥感器成像时刻卫星轨道高度H，并根据步骤22a)-步骤22l)，得到地物目标摄影点以下六个角度观测参数，即卫星观测天顶角Angle_FacZ2Sat、卫星观测方位角Angle_Azim_Sat_O、太阳天顶角Angle_FacZ2Sun、太阳方位角Angle_Azim_Sun_O、太阳方位参考角Angle_Posi_Y_Sun_Proj、卫星观测方位参考角Angle_Posi_Y_Sat_Proj；

23)计算获得遥感器不同视场观测参数；

23a)计算太阳天顶角和太阳方位角；

对步骤22m)中太阳天顶角Angle_FacZ2Sun进行判断，若Angle_FacZ2Sun大于90°，表明获取的六个角度数据均为异常值，则直接读取下一时刻数据，直至太阳天顶角Angle_FacZ2Sun小于等于90°后，对步骤22m)中获取的太阳方位参考角Angle_Posi_Y_Sun_Proj进行判断，若获取的太阳方位参考角Angle_Posi_Y_Sun_Proj小于90°，则修正后的太阳方位角Angle_Azim_Sun＝360-Angle_Azim_Sun_O；若获取的太阳方位参考角Angle_Posi_Y_Sun_Proj大于等于90°，则太阳方位角Angle_Azim_Sun＝Angle_Azim_Sun_O；

23b)计算卫星观测天顶角和卫星观测方位角；

对步骤22m)中卫星观测天顶角Angle_FacZ2Sat进行判断，若卫星观测天顶角Angle_FacZ2Sat大于90°，则表明获取的六个角度数据均为异常值，则直接读取下一时刻数据，直至卫星观测天顶角Angle_FacZ2Sat小于等于90°后，对步骤22m)中获取的卫星方位参考角Angle_Posi_Y_Sat_Proj进行判断，若获取的卫星方位参考角Angle_Posi_Y_Sat_Proj小于90°，则卫星观测方位角Angle_Azim_Sat＝360-Angle_Azim_Sat_O；若获取的卫星方位参考角Angle_Posi_Y_Sat_Proj大于等于90°，卫星观测方位角Angle_Azim_Sat＝Angle_Azim_Sat_O；

3)光学遥感卫星单个像元对应视场输入参数设置；

31)从STK仿真场景中获取成像时刻和成像时刻对应的轨道高度；

32)设置遥感器谱段参数；

33)根据观测区域大气和气溶胶实测数据情况，设置大气和气溶胶参数；

4)根据步骤2)获得的光学遥感卫星全视场观测参数，利用6S大气辐射传输模型，计算得到遥感器单个像元对应视场处的表观光谱辐亮度值，重复步骤2)-步骤3)，通过单个像元对应的输入参数，逐个像元确定遥感器接收的表观光谱辐亮度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明从光学遥感卫星实际工作模式出发，通过高精度场景模型，对辐射传输链路进行仿真，实时动态计算卫星几何观测参数，消除了常规地球纬度模型、几何观测参数简化或近似计算、成像时刻不同步等方面不足，计算精度更高，实时性更好。

(2)本发明确定与仿真计算方法更严密。对卫星轨道姿态和和遥感器进行高精度建模，基于天文学天球理论，对观测几何参数进行严格计算，基于辐射传输计算软件，计算得到成像时刻遥感器全视场接收的表观光谱辐亮度。

(3)本发明实时性更好，计算精度更高。本方法以地物目标、大气及辐射传输路径、星载遥感器这整个辐射传输链路为主线，仿真计算得到同一成像时刻遥感器不同视场处表观光谱辐亮度，计算结果更加真实、可靠。

(4)本发明的建模和仿真方法适用范围更加宽广，指导性更强。适用于不同轨道和姿态的卫星，以及具有不同类型光学***的光学卫星遥感器，指导不同研制阶段飞行器的相关设计和验证工作。本方法适用于任意姿态三轴稳定对地观测光学遥感卫星折射式、折反射式、反射式等不同类型光学***遥感器的建模仿真以及全视场表观光谱辐亮度指标的确定与仿真分析，适用于卫星设计阶段遥感器动态范围指标的确定和信噪比指标的预估、研制过程中遥感器辐射定标、卫星在轨成像参数实时调整以及地面处理***光学遥感卫星在轨辐射检校、辐射成像质量验证等。

附图说明

图1为光学遥感器全视场表观光谱辐亮度指标确定流程图；

图2为光学遥感器视场内观测点P卫星观测几何参数建模示意图；

图3为遥感器全视场均分焦面不同位置探元对应观测视场示意图；

图4为卫星侧摆10°遥感器不同视场处对应地物目标所处经度分布图；

图5为卫星侧摆10°遥感器不同视场处对应地物目标所处纬度分布图；

图6为卫星侧摆10°遥感器不同视场处地物对应太阳方位参考角分布图；

图7为侧摆10°遥感器不同视场处地物对应卫星观测方位参考角分布图；

图8为卫星侧摆10°遥感器不同视场处地物对应太阳天顶角分布图；

图9为卫星侧摆10°遥感器不同视场处地物对应太阳方位角分布图；

图10为侧摆10°遥感器不同视场处地物对应卫星观测天顶角分布图；

图11为侧摆10°遥感器不同视场处地物对应卫星观测方位角分布图；

图12为卫星侧摆10°遥感器不同视场处表观光谱辐亮度分布图。

具体实施方式

本发明给出了一种星载光学遥感器全视场表观光谱辐亮度确定方法，特别是针对搭载有大视场宽幅遥感器的光学卫星或搭载有高分辨率遥感器的光学敏捷卫星，该方法给出了遥感器焦面不同位置处像元对应视场处接收的表观光谱辐亮度。本方法适用于具有不同类型光学***的光学卫星遥感器，指导不同研制阶段飞行器的相关设计和验证工作。

本发明方法利用MATLAB软件控制卫星工具包STK(Satellite Tool Kit)软件，获取光学卫星遥感器不同视场的观测几何参数、卫星轨道参数、地物目标位置等数据，利用6S(Second Simulation of a Satellite Signal in the SolarSpectrum)大气辐射传输模型，计算得到遥感器不同视场处的表观光谱辐亮度值。本发明方法中遥感器全视场入瞳辐亮度值确定流程图如图1所示，具体确定过程如下。

1)利用STK软件进行光学遥感卫星观测模型场景仿真

利用MATLAB软件控制STK，在STK中依次创建如下对象，生成场景。

11)创建仿真场景。

利用STK Scenario工具，根据实际仿真分析需要，自定义设置仿真场景开始时间、结束时间、时间间隔等，创建仿真场景。

12)创建卫星及遥感器模型。

利用STK Satellite和Sensor对象工具，创建遥感卫星和遥感器。根据卫星遥感器或遥感器的实际光学***形式、遥感器光学***参数、遥感器焦面探测元的视向或遥感器在遥感卫星上的安装关系，建立卫星遥感器模型。

13)设置目标观测对象。

利用STK Target对象工具，根据观测区域需求和实际任务规划和仿真、计算、分析需要，自定义设置观测地物目标的纬度、经度和高程数据。

14)设置卫星轨道和姿态。

根据卫星实际运行轨道，设置卫星轨道参数。可以采用双行轨道根数(Two-Line Element，TLE)或某一历元时刻的轨道瞬根或平根参数作为输入，根据需要和输入采用不同的轨道外推模型或算法，如合并简化通用摄动预报算法(Merged Simplified General Perturbations,MSGP4)或高精度轨道外推算法(High-Precision Orbit Propagator,HPOP)。

根据观测区域需求和观测任务规划，设置卫星姿态参数。根据卫星姿态机动情况，设置卫星参考坐标系以及姿态数据。STK中姿态的表示方法可以采用欧拉角、YPR角(Yaw-Pitch-Roll,偏航角-俯仰角-滚动角)、姿态四元数等，结合实际情况，可以按时间分段设置卫星的姿态。

15)根据实际遥感器类型和遥感卫星工作模式，对仿真场景进行约束。

根据实际遥感器类型和遥感卫星工作模式，对整个仿真场景进行约束。对典型的被动式成像的光学遥感器，全色谱段的遥感器通常在阳照区工作，紫外和红外谱段的遥感器则可全天候工作；对太阳同步轨道的卫星，常在降轨段成像；受遥感卫星能源、遥感器视场角、可测控弧段时间、地面接收***资源等因素影响，遥感器每轨的工作时间和工作模式进一步受到限制。以上这些因素均需要考虑遥感器的类型和遥感卫星实际的工作模式，进而对整个仿真场景中创建的不同对象的属性进行约束。

2)计算获得光学遥感卫星全视场观测参数

利用MATLAB软件控制STK，在STK中动态创建如下对象，并从STK中获取中间计算数据。

21)地物目标与参数获取

21a)根据场景约束关系，获取不同时刻遥感器不同视场处的地物目标在WGS84坐标系下的位置数据，所述的位置数据包括经度、纬度和高程数据。

根据场景中遥感器模型以及光学遥感卫星、太阳等不同对象之间的约束关系，获取不同时刻遥感器不同视场处可访问的地物目标数据。即利用STK中建立的遥感器模型，在WGS84坐标系下，利用Sensor的包络与地球相交曲线(pattern intersection)工具，求解不同时刻遥感器焦平面不同位置处的探测元经过光学***后对应的视向与地球的交汇点经纬度数据。

21b)根据步骤21a)获得的位置数据，得到该位置处地物目标的反射率特性数据。

获取地物目标在WGS84坐标系下的位置和地物目标的反射率特性数据。遥感器探测元对应的不同视场处视向与地球的交汇点经纬度数据即为地物目标的位置，利用地物目标的经纬度数据，从对应区域的数字高程模型数据中获取高程数据，从该区域的地物目标特性数据库中查找该地物目标对应的反射率特性数据。

22)卫星观测几何参数建模与获取

遥感器不同视场摄影点的观测参数依次按如下步骤进行建模和获取。

如图2所示，对每一个地物目标，利用STK Facility对象工具，动态创建卫星观测参数模型，即太阳天顶角/方位角和卫星观测天顶角/方位角，并输出卫星观测参数。详细步骤如下：

22a)创建地物目标，所需的地物目标的经度、纬度和高程数据按步骤21a)获取的地物目标位置数据进行设置。

22b)创建参考坐标系，参考坐标系原点位于地物目标质心，+X轴指向正北，+Y轴指向正西，+Z轴与+X轴和+Y轴满足右手正交关系，指向天顶。

22c)创建地物目标指向卫星的参考矢量Vec_Fac2Sat，向量起点为地物目标本体质心，向量终点为卫星本体质心。

22d)创建地物目标指向太阳的参考矢量Vec_Fac2Sun，向量起点为地物目标本体质心，向量终点为太阳质心。

22e)创建地物目标指向卫星参考矢量在地物目标本体系XOY面上的投影向量Vec_Sat_Proj。

22f)创建地物目标指向太阳参考矢量在地物目标本体系XOY面上的投影向量Vec_Sun_Proj。

22g)创建地物目标天顶方向向量与地物目标指向卫星的向量Vec_Fac2Sat之间的夹角Angle_FacZ2Sat；所述地物目标天顶方向向量指向参考坐标系+Z轴方向。

22h)创建地物目标天顶方向向量与地物目标指向太阳的向量Vec_Fac2Sun之间的夹角Angle_FacZ2Sun。

22i)创建地物目标正北方向向量与地物目标指向太阳向量的投影向量Vec_Sun_Proj之间的夹角Angle_Azim_Sun；所述地物目标正北方向向量指向参考坐标系+X轴方向。

22j)创建地物目标正西方向向量与地物目标指向太阳向量的投影向量Vec_Sun_Proj之间的夹角Angle_Posi_Y_Sun_Proj；所述地物目标正西方向向量指向参考坐标系+Y轴方向。

22k)创建地物目标正北方向向量与地物目标指向卫星向量的投影向量Vec_Sat_Proj之间的夹角Angle_Azim_Sat。

22l)创建地物目标正西方向向量与地物目标指向卫星向量的投影向量Vec_Sat_Proj之间的夹角Angle_Posi_Y_Sat_Proj。

22m)获取遥感器成像时刻卫星轨道高度H，并根据步骤22a)-步骤22l)，得到地物目标摄影点以下六个角度观测参数，即卫星观测天顶角Angle_FacZ2Sat、卫星观测方位角Angle_Azim_Sat_O、太阳天顶角Angle_FacZ2Sun、太阳方位角Angle_Azim_Sun_O、太阳方位参考角Angle_Posi_Y_Sun_Proj、卫星观测方位参考角Angle_Posi_Y_Sat_Proj。

23)计算获得遥感器不同视场观测参数

23a)计算太阳天顶角和太阳方位角。

对步骤22m)中太阳天顶角Angle_FacZ2Sun进行判断，若Angle_FacZ2Sun大于90°，表明获取的六个角度数据均为异常值，则直接读取下一时刻数据，直至太阳天顶角Angle_FacZ2Sun小于等于90°后，对步骤22m)中获取的太阳方位参考角Angle_Posi_Y_Sun_Proj进行判断，若获取的太阳方位参考角Angle_Posi_Y_Sun_Proj小于90°，则修正后的太阳方位角Angle_Azim_Sun＝360-Angle_Azim_Sun_O；若获取的太阳方位参考角Angle_Posi_Y_Sun_Proj大于等于90°，则太阳方位角Angle_Azim_Sun＝Angle_Azim_Sun_O。

23b)计算卫星观测天顶角和卫星观测方位角。

对步骤22m)中卫星观测天顶角Angle_FacZ2Sat进行判断，若卫星观测天顶角Angle_FacZ2Sat大于90°，则表明获取的六个角度数据均为异常值，则直接读取下一时刻数据，直至卫星观测天顶角Angle_FacZ2Sat小于等于90°后，对步骤22m)中获取的卫星方位参考角Angle_Posi_Y_Sat_Proj进行判断，若获取的卫星方位参考角Angle_Posi_Y_Sat_Proj小于90°，则卫星观测方位角Angle_Azim_Sat＝360-Angle_Azim_Sat_O；若获取的卫星方位参考角Angle_Posi_Y_Sat_Proj大于等于90°，卫星观测方位角Angle_Azim_Sat＝Angle_Azim_Sat_O。

3)光学遥感卫星单个像元对应视场输入参数设置

31)从STK仿真场景中获取成像时刻和成像时刻对应的轨道高度。保存成像时刻中月和日参数以及对应的轨道高度。

32)设置遥感器谱段参数。

33)根据观测区域大气和气溶胶实测数据情况，设置大气和气溶胶参数。

4)根据步骤2)获得的光学遥感卫星全视场观测参数，利用6S大气辐射传输模型，计算得到遥感器单个像元对应视场处的表观光谱辐亮度值，重复步骤2)-步骤3)，通过单个像元对应的输入参数，逐个像元确定遥感器接收的表观光谱辐亮度。

下面以某光学遥感卫星为例，给出具体算例如下：

1)利用STK软件进行光学遥感卫星观测模型场景仿真

11)利用MATLAB调用STK，在STK中创建仿真场景。

12)创建卫星及遥感器模型

遥感器全视场均分焦面不同位置探元对应观测视场示意图如图3所示。

遥感器参数如下：

光学遥感器类型：线阵CCD推扫型；

光学遥感器视场角：75°；

遥感器光学***：全反射式，离轴四反；

遥感器离轴角：全视场离轴角14°。

13)设置目标观测对象

仿真观测区域设置：北大西洋海域。

14)设置卫星轨道和姿态

场景仿真轨道历元时刻(UTC)：2014-6-2100:00:00

轨道类型：太阳同步轨道；

轨道半长轴：7078.14km；

轨道偏心率：3.74714e-016；

轨道倾角：98.19deg；

轨道升交点赤经：246.43deg；

轨道近地点幅角：0deg；

轨道真近地点角：0deg；

卫星姿态：三轴稳定对地指向；

卫星姿态转序：3-1-2转序；

卫星侧摆能力：支持大角度连续侧摆；

仿真卫星侧摆角：+10°。

15)根据实际遥感器类型和遥感卫星工作模式，对仿真场景进行约束

设置遥感器成像特性：降轨段阳照区成像。

2)计算获得光学遥感卫星全视场观测参数

21)地物目标与参数获取

21a)根据场景约束关系，获取不同时刻遥感器不同视场处的地物目标在WGS84坐标系下的位置数据。

仿真成像时刻(UTC)：2014-6-2113:46:05；

特定成像时刻遥感器视场对应地物目标位置范围：

纬度：北纬43.2208°到45.8166°；

经度：东经-46.6886°到-32.2579°；

设置高程数据为0。

卫星侧摆角为10°时，遥感器不同视场处对应地物目标所处经度和纬度分布分别如图4、图5所示。

21b)根据步骤21a)获得的位置数据，得到该位置处地物目标的反射率特性数据。为方便计算，将地物目标看成朗伯体，不考虑海洋耀斑。地物目标反射率设置为0.03。

22)卫星观测几何参数建模与获取

按步骤22a)至22m)，利用MATLAB控制STK，在STK中进行遥感器几何参数建模，获得遥感器成像时刻卫星轨道高度和地物目标摄影点六个角度观测参数。

卫星侧摆角为10°时，遥感器不同视场处地物对应太阳方位参考角和卫星观测方位参考角分布图分别如图6、图7所示。

23)计算获得遥感器不同视场观测参数

23a)计算太阳天顶角和太阳方位角

对步骤22m)中太阳天顶角Angle_FacZ2Sun进行判断，若Angle_FacZ2Sun大于90°，表明获取的六个角度数据均为异常值，则直接读取下一时刻数据，直至太阳天顶角Angle_FacZ2Sun小于等于90°后，对步骤22m)中获取的太阳方位参考角Angle_Posi_Y_Sun_Proj进行判断，若获取的太阳方位参考角Angle_Posi_Y_Sun_Proj小于90°，则修正后的太阳方位角Angle_Azim_Sun＝360-Angle_Azim_Sun_O；若获取的太阳方位参考角Angle_Posi_Y_Sun_Proj大于等于90°，则太阳方位角Angle_Azim_Sun＝Angle_Azim_Sun_O。

卫星侧摆角为10°时，遥感器不同视场处地物对应太阳天顶角和太阳方位角分布图分别如图8、图9所示。

23b)计算卫星观测天顶角和卫星观测方位角

对步骤22m)中卫星观测天顶角Angle_FacZ2Sat进行判断，若卫星观测天顶角Angle_FacZ2Sat大于90°，则表明获取的六个角度数据均为异常值，则直接读取下一时刻数据，直至卫星观测天顶角Angle_FacZ2Sat小于等于90°后，对步骤22m)中获取的卫星方位参考角Angle_Posi_Y_Sat_Proj进行判断，若获取的卫星方位参考角Angle_Posi_Y_Sat_Proj小于90°，则卫星观测方位角Angle_Azim_Sat＝360-Angle_Azim_Sat_O；若获取的卫星方位参考角Angle_Posi_Y_Sat_Proj大于等于90°，卫星观测方位角Angle_Azim_Sat＝Angle_Azim_Sat_O。

卫星侧摆角为10°时，遥感器不同视场处地物对应太阳天顶角和太阳方位角分布图分别如图10、图11所示。

3)光学遥感卫星单个像元对应视场输入参数设置

31)从STK仿真场景中获取成像时刻和成像时刻对应的轨道高度

成像时刻中月和日写参数：6月21日；

卫星轨道高度：703.9891km。

32)设置遥感器谱段参数

遥感器谱段范围：0.45～0.52um。

33)根据观测区域大气和气溶胶实测数据情况，设置大气和气溶胶参数；

大气模式：中纬度夏季模型，能见度：10km，气溶胶模式：海洋型。

4)根据步骤2)获得的光学遥感卫星全视场观测参数，利用6S大气辐射传输模型，计算得到遥感器单个像元对应视场处的表观光谱辐亮度值，重复步骤2)-步骤3)，通过单个像元对应的输入参数，逐个像元确定遥感器接收的表观光谱辐亮度。

卫星侧摆角为10°时，逐个像元确定遥感器在上述成像时不同视场处的表观光谱辐亮度值，如图12所示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种星载光学遥感器全视场表观光谱辐亮度确定方法，其特征在于步骤如下：

1)利用STK软件进行光学遥感卫星观测模型场景仿真；

11)创建仿真场景；

12)创建卫星及遥感器模型；

13)设置目标观测对象；

14)设置卫星轨道和姿态；

15)根据实际遥感器类型和遥感卫星工作模式，对仿真场景进行约束；

2)计算获得光学遥感卫星全视场观测参数；

21)地物目标与参数获取；

21a)根据场景约束关系，获取不同时刻遥感器不同视场处的地物目标在WGS84坐标系下的位置数据，所述的位置数据包括经度、纬度和高程数据；

21b)根据步骤21a)获得的位置数据，得到该位置处地物目标的反射率特性数据；

22)卫星观测几何参数建模与获取；

22a)创建地物目标，所需的地物目标的经度、纬度和高程数据按步骤21a)获取的地物目标位置数据进行设置；

22b)创建参考坐标系，参考坐标系原点位于地物目标质心，+X轴指向正北，+Y轴指向正西，+Z轴与+X轴和+Y轴满足右手正交关系，指向天顶；

22c)创建地物目标指向卫星的参考矢量Vec_Fac2Sat，向量起点为地物目标本体质心，向量终点为卫星本体质心；

22d)创建地物目标指向太阳的参考矢量Vec_Fac2Sun，向量起点为地物目标本体质心，向量终点为太阳质心；

22e)创建地物目标指向卫星参考矢量在地物目标本体系XOY面上的投影向量Vec_Sat_Proj；

22f)创建地物目标指向太阳参考矢量在地物目标本体系XOY面上的投影向量Vec_Sun_Proj；

22g)创建地物目标天顶方向向量与地物目标指向卫星的向量Vec_Fac2Sat之间的夹角Angle_FacZ2Sat；所述地物目标天顶方向向量指向参考坐标系+Z轴方向；

22h)创建地物目标天顶方向向量与地物目标指向太阳的向量Vec_Fac2Sun之间的夹角Angle_FacZ2Sun；

22i)创建地物目标正北方向向量与地物目标指向太阳向量的投影向量Vec_Sun_Proj之间的夹角Angle_Azim_Sun；所述地物目标正北方向向量指向参考坐标系+X轴方向；

22j)创建地物目标正西方向向量与地物目标指向太阳向量的投影向量Vec_Sun_Proj之间的夹角Angle_Posi_Y_Sun_Proj；所述地物目标正西方向向量指向参考坐标系+Y轴方向；

22k)创建地物目标正北方向向量与地物目标指向卫星向量的投影向量Vec_Sat_Proj之间的夹角Angle_Azim_Sat；

22l)创建地物目标正西方向向量与地物目标指向卫星向量的投影向量Vec_Sat_Proj之间的夹角Angle_Posi_Y_Sat_Proj；

22m)获取遥感器成像时刻卫星轨道高度H，并根据步骤22a)-步骤22l)，得到地物目标摄影点以下六个角度观测参数，即卫星观测天顶角Angle_FacZ2Sat、卫星观测方位角Angle_Azim_Sat_O、太阳天顶角Angle_FacZ2Sun、太阳方位角Angle_Azim_Sun_O、太阳方位参考角Angle_Posi_Y_Sun_Proj、卫星观测方位参考角Angle_Posi_Y_Sat_Proj；

23)计算获得遥感器不同视场观测参数；

23a)计算太阳天顶角和太阳方位角；

对步骤22m)中太阳天顶角Angle_FacZ2Sun进行判断，若Angle_FacZ2Sun大于90°，表明获取的六个角度数据均为异常值，则直接读取下一时刻数据，直至太阳天顶角Angle_FacZ2Sun小于等于90°后，对步骤22m)中获取的太阳方位参考角Angle_Posi_Y_Sun_Proj进行判断，若获取的太阳方位参考角Angle_Posi_Y_Sun_Proj小于90°，则修正后的太阳方位角Angle_Azim_Sun＝360-Angle_Azim_Sun_O；若获取的太阳方位参考角Angle_Posi_Y_Sun_Proj大于等于90°，则太阳方位角Angle_Azim_Sun＝Angle_Azim_Sun_O；

23b)计算卫星观测天顶角和卫星观测方位角；

对步骤22m)中卫星观测天顶角Angle_FacZ2Sat进行判断，若卫星观测天顶角Angle_FacZ2Sat大于90°，则表明获取的六个角度数据均为异常值，则直接读取下一时刻数据，直至卫星观测天顶角Angle_FacZ2Sat小于等于90°后，对步骤22m)中获取的卫星方位参考角Angle_Posi_Y_Sat_Proj进行判断，若获取的卫星方位参考角Angle_Posi_Y_Sat_Proj小于90°，则卫星观测方位角Angle_Azim_Sat＝360-Angle_Azim_Sat_O；若获取的卫星方位参考角Angle_Posi_Y_Sat_Proj大于等于90°，卫星观测方位角Angle_Azim_Sat＝Angle_Azim_Sat_O；

3)光学遥感卫星单个像元对应视场输入参数设置；

31)从STK仿真场景中获取成像时刻和成像时刻对应的轨道高度；

32)设置遥感器谱段参数；

33)根据观测区域大气和气溶胶实测数据情况，设置大气和气溶胶参数；

4)根据步骤2)获得的光学遥感卫星全视场观测参数，利用6S大气辐射传输模型，计算得到遥感器单个像元对应视场处的表观光谱辐亮度值，重复步骤2)-步骤3)，通过单个像元对应的输入参数，逐个像元确定遥感器接收的表观光谱辐亮度。