摘要：該文概述了大氣校正的基本內(nèi)容和主要特點并剖析了其必要性，分別從背景技術(shù)、系統(tǒng)架構(gòu)、業(yè)務(wù)流程、關(guān)鍵技術(shù)及具體實現(xiàn)5個層面，對一種時空遙感云平臺（PIE-Engine）的衛(wèi)星遙感影像大氣校正系統(tǒng)進行了具體探討，以供參考。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星遙感影像；大氣校正；系統(tǒng)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.10.002

中圖分類號：TP 751 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）10-000-03

Research on a Satellite Remote Sensing Image Atmospheric Correction System Based on PIE Engine

Abstract： This article takes this as a starting point to outline the basic content and main characteristics of atmospheric correction， and analyzes its necessity. It discusses a satellite remote sensing image atmospheric correction system for a spatiotemporal remote sensing cloud platform （PIE Engine） from five aspects： background technology， system architecture， business process， key technology， and specific implementation， for reference.

Keywords： satellite remote sensing images; atmospheric correction; system

1 大氣校正概述

地表反射率是反映和衡量地物真實光譜特性的關(guān)鍵指標，在自然資源調(diào)查中，可為土壤含水量、植被覆蓋度等地表理化參數(shù)估算提供科學依據(jù)，大氣校正作為獲取它的一種方法，操作時工作人員一般通過消除衛(wèi)星遙感影像中的輻射誤差（由大氣效應(yīng)影響產(chǎn)生）實現(xiàn)。從校正流程看，為提高大氣散射和透過率，既要充分考慮觀測幾何、氣溶膠特性、大氣成分等因素，又要采用適配的大氣校正模型。從特點看，大氣校正的專業(yè)性要求較高，實施期間對技術(shù)的依賴程度較高，并且十分強調(diào)基于遙感云平臺的數(shù)據(jù)資源利用等[1]。

2 衛(wèi)星遙感影像大氣校正系統(tǒng)開發(fā)必要性

近幾年，基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的自然資源調(diào)查實踐中，應(yīng)用了多種數(shù)字化技術(shù)和5G技術(shù)，通過將其中的算力和人的想象力、創(chuàng)新力進行多元融合，不僅從理論上深化了人們對遙感過程機理的探究，還在技術(shù)層面促進了基于模型的大氣校正系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計及應(yīng)用等。尤其在知識產(chǎn)權(quán)和技術(shù)成果轉(zhuǎn)化方面，具有自主產(chǎn)權(quán)的時空遙感云服務(wù)平臺（PIE-Engine）可以提供豐富的數(shù)據(jù)資源，為基于遙感云平臺的大氣校正系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)提供了有力支持。在此前提下，有必要進一步推進衛(wèi)星遙感影像大氣校正系統(tǒng)研究及開發(fā)。另外，太陽輻射和大氣之間存在相互作用，在太陽直射、天空漫射、目標反射及程輻射過程中，大氣會同時進行吸收、散射、反射、折射。此時，衛(wèi)星傳感器會接收其中輻射并影響衛(wèi)星遙感影像質(zhì)量，設(shè)計具備指定輸入、靈活查詢、高速率大氣輻射傳輸模型等功能的大氣校正系統(tǒng)，有助于減少工作人員的工作量，優(yōu)化大氣校正流程，提高其業(yè)務(wù)處理成效等[2]。

3 一種衛(wèi)星遙感影像大氣校正系統(tǒng)的

設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 技術(shù)背景

首先，衛(wèi)星遙感影像大氣校正領(lǐng)域應(yīng)用的經(jīng)典模型主要有兩種，一種是波譜科學研究所開發(fā)的FLAASH（Fast Line-of-Sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes）模型，適用波長范圍可達到3 μm，在高光譜輻射能量影像反射率反演方面的應(yīng)用優(yōu)勢比較顯著。另一種是Eric Vemote改進5S模型形成的6S（Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar Spectrum）模型，光譜積分步長是5S模型的1/2（即2.5 nm），不僅增加了對一氧化碳和一氧化二氮兩種氣體的吸收計算，還可以借助SOS（Successive Order of Scattering）方法完成對散射作用的精準計算等。

其次，谷歌地球引擎（Google Earth Engine，GEE）和我國自主研發(fā)的PIE-Engin等遙感云平臺的出現(xiàn)，一方面能夠集成不同時期的海量多源遙感衛(wèi)星影像并對其進行分類存儲，另一方面借助云端算法可實現(xiàn)相關(guān)影像數(shù)據(jù)快速處理的可視化呈現(xiàn)。尤其基于遙感云平臺可搭建不同類型的大氣校正系統(tǒng)，實現(xiàn)對大氣散射和輻射傳輸過程的精準模擬與高效解析，并通過提升大氣校正精度真正促進生成信息在自然資源調(diào)查和相關(guān)地理參數(shù)估算中的應(yīng)用[3]。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

筆者通過查閱背景技術(shù)相關(guān)文獻資料并與同行業(yè)人士開展技術(shù)交流，認為PIE-Engine具備豐富的數(shù)據(jù)資源和遙感算子，可以解決傳統(tǒng)模式下遙感衛(wèi)星影像大氣校正質(zhì)量不及預(yù)期、海量衛(wèi)星遙感影像-本地服務(wù)器端存儲不協(xié)調(diào)問題。同時，配套應(yīng)用一些先進的行星光譜生成器（Planetary Spectrum Generator，PSG），可以更好地提升大氣校正水平。在這種思路下，提出了一種基于PIE-Engine的大氣校正系統(tǒng)，主要由平臺層、數(shù)據(jù)層、技術(shù)支撐層、功能層、應(yīng)用層構(gòu)成。具體如圖1所示。

3.3 業(yè)務(wù)流程

該系統(tǒng)涉及用戶、管理員、服務(wù)器、Python解譯器等若干構(gòu)成要素，為保障整個系統(tǒng)的有序運行，工作人員設(shè)置了三大業(yè)務(wù)流程。具體而言，該系統(tǒng)業(yè)務(wù)包括圖形用戶界面部分、Web服務(wù)器部分及其他要素組成的部分。從圖2中的流程設(shè)置看，通過Html/Css、Leaflet/Cesuim等前端Web GIS技術(shù)構(gòu)成的圖形用戶界面可以與用戶、管理員、Web服務(wù)器完成信息交互。以用戶端為例，用戶選擇目標需求或提交資料數(shù)據(jù)到圖形用戶界面后，該界面可以瀏覽圖形化結(jié)果或下載反演數(shù)據(jù)。以管理員端為例，在通過圖形用戶界面監(jiān)控系統(tǒng)當前狀態(tài)信息期間，可以在其界面更新維護大氣參數(shù)查找表等服務(wù)器端資料。以Web服務(wù)器為例，主要收集來自FastAPI Web框架和互相連接的GIS服務(wù)器—數(shù)據(jù)服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，并將其顯示到圖形用戶界面之中，同時反饋界面中的數(shù)據(jù)等[4]。

進一步看，用戶經(jīng)瀏覽器把參數(shù)（如大氣模型、過境時間、數(shù)據(jù)獲取日期、目標海拔高度、傳感器類型等）提交后，此類信息會通過“本地服務(wù)器接收信息→服務(wù)器響應(yīng)用戶請求→通過PIE-Engine使用信息”等流程被處理和獲取。需要注意的是，在操作中使用“查找表”時，如果其中的參數(shù)（如地點、觀測時間、影像等字段）被查詢且查詢目標找到匹配參數(shù)，此時平臺會自動判定并確定在計算方面“是否運用查找表”。在這種情況下，需要區(qū)分兩種情況下的查找情況，第一種情況是判定結(jié)果為“否”，此時需要借助PSG模型完成對相關(guān)參數(shù)的獲取，即在模型中輸入相關(guān)參數(shù)后，通過模型解析得到所查參數(shù)；第二種情況是判定結(jié)果為“是”，此時直接使用大氣校正系統(tǒng)可以查詢其中的6個參數(shù)。在輻射分量獲取后，針對6個參數(shù)計算和查找表更新要求，可應(yīng)用其中的“四流近似模型”完成相關(guān)運算。從以往的實踐經(jīng)驗看，在“是”和“否”兩種判定結(jié)果下，處理的對象存在差異，前者是沿太陽光線方向針對透過率、反射率、反照率等進行計算；后者是針對各種輻射分量進行解耦計算。最后，存儲庫中儲存系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程處理獲取的衛(wèi)星遙感影像相關(guān)的6個參數(shù)，并對數(shù)據(jù)鏈接進行提交，完成評價后再把處理結(jié)果以報表形式顯示到客戶界面[5]。

3.4 關(guān)鍵技術(shù)

（1）以存儲與檢索技術(shù)為例，該技術(shù)應(yīng)用時以時空遙感云平臺為支撐，主要通過PIE-Engine中設(shè)置的Python模塊完成一系列操作，主要包括：影像檢索；數(shù)據(jù)在線或遠程訪問；原始遙感影像傳輸；云端內(nèi)置遙感影像存儲等。在應(yīng)用該技術(shù)時，工作人員可以充分利用其中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并逐漸增強對此類數(shù)據(jù)的“嵌入”和“輸入”及“存儲”等。

（2）以前后端分離技術(shù)為例，它是在FastAPI技術(shù)支持下采用的一種大氣校正關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用時，工作人員通常會選擇OpenAPI標準，并在該標準下基于Web框架完成相關(guān)的Python開發(fā)等。需要注意的是，在該標準下進行操作時，需要充分利用配套的兼容模塊和數(shù)據(jù)庫或計算庫，以保障整個開發(fā)的高效性。尤其在構(gòu)建API過程中，涉及對大氣校正系統(tǒng)的分離開發(fā)問題，工作人員應(yīng)根據(jù)實際情況區(qū)分“前端開發(fā)”和“后端開發(fā)”并在同步開發(fā)過程中充分發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢。

（3）以大氣校正參數(shù)求解模型為例，工作人員可以把“總輻射貢獻”表示為“表觀反射率”，然后基于“四流近似”理論應(yīng)用該模型。操作時，假設(shè)地表反射率，將其用公式表示為

式中，、、、、、、分別代表表觀反射率、大氣的雙向反射率（大氣頂層）、大氣的球面反照率（大氣底層）、整層透過率（沿太陽走向方向傳輸?shù)降乇頃r的大氣）、漫射透過率（半球到傳感器觀測方向）、漫透射率（太陽光線方向到半球）、直射透過率（地表到傳感器觀測方向）。在、、的條件下，借助PSG模型完成三組重復(fù)模擬，并求解6參數(shù)（、、、、、）。

（4）以GPS模型為例，主要通過“采集信息輻射→傳輸模擬輻射信息→GPS模型解耦信息→輸出輻射值”等完成對傳感器端輻射結(jié)果的模擬。需要注意的是，該模型在輸出表觀輻射亮度結(jié)果方面，不是對輻射分量的直接解析，而是在“1次原始模型（總輻射貢獻）”和“4次模擬（輻射分量）”條件下完成分量解耦。為了保障模型應(yīng)用成效，工作人員在應(yīng)用中會根據(jù)實際情況配套應(yīng)用商用模型MODTRAN4模型，并通過對比其解耦結(jié)果為輸出結(jié)果的精準性提供保障。

（5）以自適應(yīng)查找表技術(shù)為例，在衛(wèi)星傳感器、大氣校正6參數(shù)等記錄方面，應(yīng)用基于查找表計算判定規(guī)則的大氣校正查找表，可以根據(jù)設(shè)定的“閾值”分析“計算值”，并借助插值運算等實現(xiàn)對計算值的獲取、校正、輸出等。通常而言，當兩種值出現(xiàn)差異較大的情況時，工作人員需要通過手動方式，調(diào)用大氣校正參數(shù)求解模型完成計算等。

3.5 系統(tǒng)實現(xiàn)

該系統(tǒng)是一種基于PIE-Engine的大氣校正系統(tǒng)，工作人員主要結(jié)合上述技術(shù)流程體系從硬件和軟件方面實現(xiàn)對系統(tǒng)的搭建。首先，根據(jù)系統(tǒng)框架和業(yè)務(wù)流程中需要配置的硬件設(shè)備要求，進行市場調(diào)研和設(shè)備選型。其次，工作人員根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程要求使用Python語言完成三大業(yè)務(wù)流程中各子系統(tǒng)的編程工作。例如，在系統(tǒng)操作界面程序設(shè)置完畢后，其中的“查詢數(shù)據(jù)欄”主要包括“選擇日期范圍→確定緯度、經(jīng)度→選擇衛(wèi)星影像、傳感器→大氣模式/氣溶膠模式→豐度貢獻→名稱”和“地址注釋→查詢數(shù)據(jù)→開始/執(zhí)行/中斷操作”等，以及界面的“點位信息”、“可下載報表”等。

4 結(jié)束語

綜上所述，大氣校正構(gòu)成內(nèi)容豐富，校正流程復(fù)雜，在新時期自然資源調(diào)查實踐中有必要依托技術(shù)賦能路徑，開發(fā)一些適配性較高的衛(wèi)星遙感影像大氣校正系統(tǒng)。建議工作人員在當前階段盡可能在經(jīng)典大氣校正模型基礎(chǔ)上，按照“大平臺+小系統(tǒng)”的基本框架，設(shè)計基于“遙感云計算平臺”的實用系統(tǒng)，進而通過提高大氣校正效果為自然資源調(diào)查工作賦能。■

參考文獻

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