引言
地形效应是影响山区遥感反演精度的重要因素。消除或减弱地形效应，恢复山地地表信息的真实特征，是山地遥感反演的一个重要步骤。为此，自20世纪80年代以来，国内外学者建立了多种地形校正模型。正确的评价各地形校正模型的校正效果及适用性，对模型的应用及改良具有良好的促进作用。
本研究基于三维辐射传输模型LESS，通过相关系数法和极坐标图法，对六种常用的地形校正模型进行评价。研究的结果表明地形校正模型的性能随波长位置的变化而变化，总体而言，C校正模型的性能最好，其次是SCS+C模型。
该项研究成果以" Evaluation of Topographic Correction Models Based on 3D Radiative Transfer Simulation"为题发表于IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters 杂志。
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背景介绍
山地是世界陆地的重要组成之一。及时准确的获取山地生物量及植被参数变化，对保护山地环境具有十分重要的意义。近年来，随着遥感技术的飞速发展，其以观测范围大、获取信息及时等优点，为山区环境变化的监测提供了便利。在山区遥感影像中，受地形效应的影响，相同的地物表现出的反射率可能存在明显的差异，而不同的地物却可能表现出相似的反射率，这种现象严重影响了遥感反演和估算的精度，阻碍了山区遥感的发展和应用。因此，国内外学者建立了多种地形校正模型，将崎岖地形下的反射率转换到水平面上的反射率，从而消除地形效应的影响。正确的评价各地形校正模型的校正效果及适用性，对模型的应用及改良具有良好的促进作用。
目前，对地形的研究多基于真实的遥感影像数据，然而真实的遥感影像数据存在尺度效应和尺度转换等问题，并且很难控制单一影响因素。基于上述背景，我们通过三维辐射传输模型LESS，对六种常用的地形校正模型进行评价。
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方法介绍
（1）获取土壤和植被组分光谱曲线，设计实验场景和实验输入参数。
（2）通过6种地形校正模型对模拟数据进行地形校正
表1 六种地形校正模型
注：i为像素表面的法线与太阳天顶方向之间的夹角；θ为太阳天顶角；Ln为归一化反射率；L为未经校正的反射率；C为半经验参数；a是地形坡度。
（3）通过反射率与太阳入射角余弦值（cosi）的相关系数和极坐标图两种方法分析各种地形校正模型的优劣。
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结果分析
图1 太阳天顶角为30° (a，b)和 60° (c，d)下，反射率与cosi的相关系数随波段的变化。
一般来说，相关系数越接近于零，说明地形校正效果越好，相关系数小于零，说明出现过度校正的现象。我们发现C校正模型相关系数的绝对值最小，且受波段的影响较小，校正效果最好，其次为SCS+C校正、PBM校正和Minnaert校正模型。余弦校正模型和SCS校正模型结果受波段的影响最大，且两种校正模型随波段的变化趋势相似。
图2 太阳天顶角为30° (a)和 60° (b)下，反射率与cosi的关系。深紫色点表示落影区像元值，浅紫色点表示本影区像元值。
结果表明余弦校正、SCS校正、Minnaert校正和PBM校正模型在太阳天顶角为60°时均出现了严重的过度校正现象，特别是在cosi接近于0时。相对而言，C校正和SCS+C校正模型的校正效果较好，但在本影区也出现了过校正现象。
图3 当太阳天顶角为30° (a) 和 60° (b)下，反射率随坡度坡向的变化
一般来说，校正后的反射率大小不随坡度坡向而改变，则表示校正效果较好。我们发现C校正和SCS+C校正后反射率受地形的影响较小，其中，SCS+C校正后反射率小于水平地表下的反射率，C校正后结果相比于水平地表反射率较大；余弦校正和SCS校正模型结果受地形影响较大，过度提高了原始图像反射率较小的地区的值；Minnaert校正和PBM校正在全阳坡场景的校正效果较好，但在有阴影的场景校正效果差。
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总结
本研究基于三维辐射传输模型，通过两种方法对地形校正模型进行评价。结果表明，C校正和SCS+C校正模型的校正效果较好，Minnaert校正和PBM校正更适用于对阳坡进行校正，余弦校正和SCS校正易出现过校正现象。本研究可为地形校正的应用提供科学依据。
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论文信息
引用信息：
H. Chi et al., "Evaluation of Topographic Correction Models Based on 3-D Radiative Transfer Simulation," in IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, doi: 10.1109/LGRS.2021.3110907.
论文链接:
https://doi.org/10.1109/LGRS.2021.3110907
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