本发明涉及月球水冰遥感探测技术，尤其是涉及一种基于光谱信息校正的月球永久阴影区水冰红外遥感探测方法。
背景技术：
1、月球水冰具有重要的工程价值和科学意义，不仅有望为未来月球基地建设提供水资源供给，而且能够为人类深入认识太阳系起源和演化过程提供重要信息。目前，已有众多国家宣布将在近期开展针对月球水冰的探测计划。由于月球的自转轴倾角相对于轨道面的倾斜角度相对较小，月球极区存在无阳光直射的区域，形成永久阴影区。永久阴影区内部温度极低，可能会积累大量水冰和其他挥发性物。月球极区永久阴影区的水资源潜力使其成为水冰探测的重点区域。
2、长期以来，遥感一直是探测月球水冰的主要手段，包括中子、雷达和红外等数据类型。通过热中子计数可较为准确地探测月球南极的氢含量及其分布，但探测分辨率一般较低。雷达回波极化信号中包含水冰信息，但却会受到月表粗糙度的显著影响，探测结果仍存在较大争议。水冰对红外光谱在多个频段内都具有明确的吸收作用，并形成特有的光谱曲线，这使得红外遥感数据在水冰探测方面具有其独特优势，成为月球水冰遥感探测的重要手段。然而，永久阴影区内部无阳光直射，传感器接收到的红外光谱信息来自于周边地物反射，难以直接用于水冰探测分析。以往研究提出通过除以月球极区有阳光直射区域反射率均值的方法对永久阴影区的光谱信息进行校正。这种全局平均校正方法虽然简单易行，但未考虑局部地形、光照和月壤物理性质对于散射光的影响。此外，永久阴影区光谱数据的信噪比较低，噪声影响导致光谱数据在光谱域上剧烈波动。这些波动会掩盖实际光谱特征，不同区域和时间获取的光谱数据的波动程度也存在差异，增加了水冰信息提取的不确定性。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了提供一种基于光谱信息校正的月球永久阴影区水冰红外遥感探测方法，抑制周边散射源信息和光谱随机波动对于光谱数据的干扰，在还原永久阴影区光谱形态的基础上，实现对于水冰信号的有效探测。
2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、一种基于光谱信息校正的月球永久阴影区水冰红外遥感探测方法，包括以下步骤：
4、步骤1)联合视域分析和光照范围确定永久阴影区像元周边散射源位置；
5、步骤2)求解散射进入永久阴影区像元所在位置的辐照度；
6、步骤3)将卫星传感器观测值与所求解的散射辐照度逐波段进行比值运算，获得校正后的红外光谱反射率；
7、步骤4)对校正后的光谱反射率进行归一化处理和自适应拟合，得到光谱曲线；
8、步骤5)构建水冰存在性的综合判定准则，基于光谱曲线确定水冰所在位置。
9、所述步骤1)包括以下步骤：
10、步骤1-1)对于永久阴影区内部任一像元，基于月表地形利用视域分析获得周边可视区域；
11、步骤1-2)提取永久阴影区像元所在位置红外光谱数据的拍摄时间，并基于星历信息和月表地形获取该时刻太阳直射区域范围；
12、步骤1-3)将永久阴影区像元周边可视区域与太阳直射区域取交集，得到周边散射源像元的分布区域和数量。
13、所述步骤2)包括以下步骤：
14、步骤2-1)对于永久阴影区像元周边所寻找到的任一散射源像元，记永久阴影区像元为p像元，散射源像元为s像元，利用hapke模型计算s像元至p像元的光谱反射率：
15、
16、其中，r(λ,i,e,g)是λ波段的光谱反射率，i为s像元处太阳入射角，e为出射角，g为相角；μ0为入射角i的余弦值，μ为出射角e的余弦值；b(g)和p(g)分别为后向散射函数和相位函数，h(μ0,ω)和h(μ,ω)为描述多重散射过程的函数；ω(λ)为λ波段在s像元处的单次散射反照率；
17、步骤2-2)利用求解的光谱反射率，计算s像元散射进入p像元的辐照度：
18、iscatter(λ)＝τ×isun(λ)×r(λ,i,e,g)
19、其中，iscatter(λ)是λ波段对应的散射辐照度，isun(λ)是λ波段太阳直射的光谱辐照度，τ为s像元处太阳圆盘可见率。
20、所述步骤3)包括以下步骤：
21、步骤3-1)求解周边每个散射源像元s1,s2,…,sn散射进入永久阴影区p像元的辐照度其中，n为散射源像元数量；
22、步骤3-2)求解永久阴影区像元接收到的散射辐照度总量：
23、
24、其中，是λ波段对应的接收到的散射辐照度总量，是λ波段对应的周边第k个散射源像元散射进入永久阴影区p像元的辐照度，ik为散射光线在p像元处的入射角，ωk为投影立体角；
25、步骤3-3)通过辐照度之间的比值运算，获取校正后的光谱反射率：
26、
27、其中，r(λ)是λ波段校正后的光谱反射率，i(λ)是λ波段对应的红外光谱数据记录的光谱辐照度。
28、所述步骤4)包括以下步骤：
29、步骤4-1)对永久阴影区像元校正后的光谱反射率进行归一化处理：
30、
31、其中，rnorm(λ)为λ波段对应的归一化后的光谱反射率，r(λ)为λ波段对应的校正后的光谱反射率，rmin和rmax分别为研究波段范围内最小和最大的光谱反射率；
32、步骤4-2)利用csaps方法对归一化后的光谱反射率进行自适应的平滑拟合处理，得到拟合后的光谱曲线。
33、所述研究波段范围为1.0-2.5μm。
34、所述步骤5)包括以下步骤：
35、步骤5-1)对于永久阴影区像元，利用光谱连续统分析在拟合后的光谱曲线上寻找吸收谱段的中心位置；
36、步骤5-2)吸收特征判断：将寻找到的吸收谱段中心位置与已知的水冰吸收谱段进行对比，若在已知的水冰吸收谱段范围内均发现了光谱吸收中心，且吸收特征明显，即吸收强度大于预设阈值，则认为该永久阴影区像元为潜在的水冰像元；
37、步骤5-3)光谱相似度分析：对于所探测的潜在水冰像元，评价其与实验室纯水冰光谱之间的相似程度；
38、步骤5-4)提取与实验室纯水冰光谱相似程度满足预设条件的潜在水冰像元，将其标记为最终所探测到的水冰像元。
39、所述步骤5-3)中，评价其与实验室纯水冰光谱之间的相似程度的评价指标包括光谱角和光谱信息散度。
40、所述光谱角和光谱信息散度的计算方法为：
41、
42、其中，指代永久阴影区潜在水冰像元的光谱反射率向量；指代实验室纯水冰的光谱反射率向量；mi为第i个永久阴影区潜在水冰像元的光谱反射率，wi为第i个实验室纯水冰的光谱反射率，n为光谱反射率数量。
43、所述步骤5-4)中，当潜在水冰像元对应的光谱角<30°且光谱信息散度<8时，将其标记为最终所探测到的水冰像元。
44、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
45、(1)永久阴影区光谱数据会受到周边散射源信号的影响。现有技术方法通过除以月球极区有阳光直射区域反射率均值的方法对永久阴影区的光谱信息进行校正。这种全局平均校正方法虽然简单易行，但却忽略了永久阴影区像元光谱成像条件得差异。本发明为每一个永久阴影区像元单独构建模型进行校正，考虑了光谱波段、地形、几何形态和物理性质等因素，有助于提升水冰探测结果的可靠性。
46、(2)永久阴影区光谱数据波动会掩盖实际的水冰光谱吸收特征，造成水冰信息提取困难。现有技术方法多是采用基于光谱曲线拟合的方式提取水冰信息，但在方法与模型构建上未能综合考虑光谱曲线的整体分布形态和局部变化特征，容易造成对于水冰吸收信号的遗漏或高估。本发明有针对性地对光谱数据进行归一化处理和自适应拟合，抑制噪声作用下的光谱数据波动对于水冰信息的掩盖作用。在此基础上，构建了融合光谱吸收特征和光谱相似度的水冰存在性综合判定准则，有助于从受干扰的光谱信号中提取有效的水冰信号。
1.一种基于光谱信息校正的月球永久阴影区水冰红外遥感探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于光谱信息校正的月球永久阴影区水冰红外遥感探测方法，其特征在于，所述步骤1)包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种基于光谱信息校正的月球永久阴影区水冰红外遥感探测方法，其特征在于，所述步骤2)包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种基于光谱信息校正的月球永久阴影区水冰红外遥感探测方法，其特征在于，所述步骤3)包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的一种基于光谱信息校正的月球永久阴影区水冰红外遥感探测方法，其特征在于，所述步骤4)包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种基于光谱信息校正的月球永久阴影区水冰红外遥感探测方法，其特征在于，所述研究波段范围为1.0-2.5μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于光谱信息校正的月球永久阴影区水冰红外遥感探测方法，其特征在于，所述步骤5)包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种基于光谱信息校正的月球永久阴影区水冰红外遥感探测方法，其特征在于，所述步骤5-3)中，评价其与实验室纯水冰光谱之间的相似程度的评价指标包括光谱角和光谱信息散度。
9.根据权利要求8所述的一种基于光谱信息校正的月球永久阴影区水冰红外遥感探测方法，其特征在于，所述光谱角和光谱信息散度的计算方法为：
10.根据权利要求8所述的一种基于光谱信息校正的月球永久阴影区水冰红外遥感探测方法，其特征在于，所述步骤5-4)中，当潜在水冰像元对应的光谱角<30°且光谱信息散度<8时，将其标记为最终所探测到的水冰像元。
