專利名稱：一種基于多光譜傳感器對(duì)高光譜傳感器交叉輻射定標(biāo)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于多光譜傳感器對(duì)高光譜傳感器交叉輻射定標(biāo)方法，屬于遙感數(shù)據(jù)處理方法與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，適用于高光譜傳感器輻射定標(biāo)的理論方法和應(yīng)用技術(shù)研
背景技術(shù)：
遙感器輻射定標(biāo)是遙感數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用的前提，該類技術(shù)的發(fā)展能夠大大推動(dòng)遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用深度和拓展遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用廣度。輻射定標(biāo)作為一種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其目的在于建立傳感器遙感器入瞳處輻亮度與其輸出的數(shù)字計(jì)數(shù)值 (DN值)之間的關(guān)系，以確定遙感器的輸出信號(hào)對(duì)入瞳輻亮度的響應(yīng)。在輻射定標(biāo)中，設(shè)DN 是遙感影像的數(shù)字計(jì)數(shù)值，L是待定標(biāo)傳感器的入瞳處輻亮度。則輻射定標(biāo)即是通過如下關(guān)系，確定傳感器探測(cè)單元的定標(biāo)系數(shù)G和B :L = G*DN+B其中，G和B分別是定標(biāo)系數(shù)中的增益(Gain)和偏移(Bias)。輻射定標(biāo)方法包括衛(wèi)星發(fā)射前實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)、在軌星上定標(biāo)、場(chǎng)地定標(biāo)及交叉定標(biāo)等。不同的定標(biāo)方法分別在衛(wèi)星的不同階段發(fā)揮著一定的作用，但每一種定標(biāo)方法都有其特點(diǎn)與局限適用性。衛(wèi)星發(fā)射前的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)，關(guān)鍵是評(píng)估工程設(shè)計(jì)指標(biāo)和建立滿足不同應(yīng)用要求的定標(biāo)系統(tǒng)；在軌星上定標(biāo)基于星載定標(biāo)器的飛行中定標(biāo)采用星上人工輻射源定標(biāo)、天體或外太空，基于太陽和漫反射板定標(biāo)，利用星上黑體和冷空間作為輻射參考輻射源定標(biāo)等手段進(jìn)行飛行中定標(biāo)；對(duì)于沒有星上定標(biāo)系統(tǒng)的衛(wèi)星，為了動(dòng)態(tài)跟蹤傳感器輻射性能的變化，美國、法國在這一方面遙遙領(lǐng)先。在軌運(yùn)行期間可以采用基于陸地(或海面)特性的“替代定標(biāo)”，即場(chǎng)地定標(biāo)。利用一個(gè)經(jīng)過嚴(yán)格鑒定的地表面試驗(yàn)場(chǎng)輻射校正場(chǎng)的地面同步實(shí)驗(yàn)和大氣輻射傳輸模式模型，可以實(shí)現(xiàn)確定傳感器入瞳輻亮度的輻射定標(biāo)。但由于場(chǎng)地定標(biāo)需要耗費(fèi)大量的人力、物力與財(cái)力，故通常定標(biāo)間隔周期較長。因此需要一種更加經(jīng)濟(jì)與便捷的方法。利用高輻射精度的衛(wèi)星傳感器對(duì)精度相對(duì)較低的衛(wèi)星傳感器進(jìn)行交叉輻射定標(biāo)方法(簡稱“交叉定標(biāo)”)應(yīng)運(yùn)而生。交叉輻射定標(biāo)是新近發(fā)展起來的一種無場(chǎng)地定標(biāo)技術(shù)，得到了國際遙感界的廣泛重視，被國際地球觀測(cè)系統(tǒng)委員會(huì)(CE0Q定標(biāo)檢驗(yàn)組 (WGCV)所推薦。交叉定標(biāo)是利用一臺(tái)標(biāo)定好的傳感器與待標(biāo)定傳感器在同一時(shí)間和相似的幾何條件進(jìn)行觀測(cè)，然后進(jìn)行相對(duì)比較，實(shí)現(xiàn)定標(biāo)。交叉輻射定標(biāo)方法無需建立地面校正場(chǎng)，該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是定標(biāo)成本低，可以實(shí)現(xiàn)高頻次、多傳感器間的輻射定標(biāo)，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)。但是該方法對(duì)參考傳感器和被定標(biāo)傳感器之間的通道設(shè)置、通道光譜響應(yīng)函數(shù)、空間分辨率、過境時(shí)間、 回訪周期、幾何配準(zhǔn)精度等方面有嚴(yán)格要求，并且定標(biāo)精度極大的依賴于參考傳感器自身的絕對(duì)輻射定標(biāo)精度。對(duì)于缺乏星上定標(biāo)系統(tǒng)的衛(wèi)星傳感器，只能借助場(chǎng)地定標(biāo)或交叉定標(biāo)方法。特別是對(duì)于技術(shù)水平相對(duì)落后的發(fā)展中國家的衛(wèi)星遙感具有重要的作用。國內(nèi)外關(guān)于星-星交叉定標(biāo)的開展了較多的研究，并取得了較好的效果。但是現(xiàn)有的研究大都是基于多光譜傳感器之間的輻射定標(biāo)，而目前在軌的星載高光譜傳感器極少，僅有美國的EOl/Hyperion、歐空局PR0BA/CHRIS與中國的HJ/HIS等少數(shù)幾個(gè)。受高光譜數(shù)據(jù)的可獲得性、訪問時(shí)間、空間覆蓋范圍、天氣條件、空間分辨率的差異等諸多因素影響，通常很難找到匹配的兩套高光譜影像。因此對(duì)于高光譜的在軌輻射定標(biāo)需要尋找新的技術(shù)方法。本發(fā)明就是為解決高光譜在軌輻射定標(biāo)的一種新型技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于多光譜傳感器對(duì)高光譜傳感器交叉輻射定標(biāo)方法， 它克服了傳統(tǒng)高光譜數(shù)據(jù)由于不能找到適合的相匹配的參考高光譜影像數(shù)據(jù)而不能進(jìn)行交叉定標(biāo)的局限，有效地提高了高光譜遙感數(shù)據(jù)的可用性，是一種穩(wěn)定性好、可靠性高、精確度高的高光譜傳感器交叉輻射定標(biāo)方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種在不能獲得輻射定標(biāo)精度較高的高光譜衛(wèi)星影像的情況下，利用輻射定標(biāo)精度較高的多光譜影像實(shí)現(xiàn)對(duì)高光譜數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)的方法。該方法主要是基于對(duì)波段中心波長位置最接近的波段進(jìn)行匹配的理論，利用6S大氣輻射傳輸模型對(duì)兩傳感器進(jìn)行模擬，并通過計(jì)算不同波段的光譜匹配因子，最后利用光譜匹配因子實(shí)現(xiàn)高光譜數(shù)據(jù)的交叉定標(biāo)。光譜匹配因子可以利用6S大氣輻射傳輸模型求得，它主要包括兩個(gè)傳感器對(duì)目標(biāo)地物以及大氣的響應(yīng)差異，觀測(cè)時(shí)間匹配，觀測(cè)幾何條件的匹配，還有因波段范圍不同引起的輻亮度幅值差異的匹配。本發(fā)明一種基于多光譜傳感器對(duì)高光譜傳感器交叉輻射定標(biāo)方法，其步驟如下步驟一選擇無云的高光譜影像數(shù)據(jù)，影像中包含幾種大塊均勻地物，并對(duì)影像進(jìn)行必要的預(yù)處理(如去除壞波段)后，作為待定標(biāo)的影像；步驟二 選擇與高光譜傳感器成像時(shí)間接近且覆蓋同一區(qū)域的具有較高輻射定標(biāo)精度的多光譜傳感器影像作為參考影像；步驟三在待定標(biāo)的高光譜影像和已定標(biāo)的參考多光譜遙感影像上，盡量在星下點(diǎn)附近選擇均勻地物作為感興趣區(qū)(ROI)，ROI盡量覆蓋遙感器的整個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍；對(duì)兩輻影像的ROI區(qū)域進(jìn)行幾何精校正；步驟四根據(jù)兩幅影像的成像條件，利用6S大氣輻射傳輸模型計(jì)算兩傳感器各波段的入瞳輻亮度；步驟五根據(jù)一定規(guī)則求出各對(duì)應(yīng)波段光譜匹配因子；步驟六將求得的光譜匹配因子和多光譜數(shù)據(jù)求得高光譜傳感器各波段的入瞳處
輻亮度；步驟七針對(duì)不同波段，將所有ROI在待定標(biāo)的高光譜影像的DN值和作為參考的多光譜影像的輻亮度進(jìn)行線性擬合，可求得高光譜傳感器各波段的定標(biāo)系數(shù)(增 益。和偏移量)，從而實(shí)現(xiàn)多光譜傳感器對(duì)高光譜傳感器的交叉輻射定標(biāo)。其中，步驟二中所述的“選擇與高光譜傳感器成像時(shí)間接近且覆蓋同一區(qū)域的具有較高輻射定標(biāo)精度的多光譜傳感器影像作為參考影像”是指選擇多光譜影像數(shù)據(jù)要求與高光譜影像數(shù)據(jù)成像時(shí)間接近、成像目標(biāo)一致且具有較高定標(biāo)精度。
其中，步驟三中所述的“對(duì)兩輻影像的ROI區(qū)域進(jìn)行幾何精校正”，是指分別在參考影像和待校正的影像上選擇幾何特征明顯的地物，作為控制點(diǎn)對(duì)?？刂泣c(diǎn)的空間分布應(yīng)該盡量均勻覆蓋整幅影像，控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)量通常應(yīng)該大于二十個(gè)，幾何校正的整體誤差應(yīng)該控制在半個(gè)像素以內(nèi)。其中，步驟四中所述的“根據(jù)兩幅影像的成像條件，利用6S大氣輻射傳輸模型計(jì)算兩傳感器各波段的入瞳輻亮度”，是指為了在光譜模擬的環(huán)節(jié)上盡量減小誤差，并考慮到大部分高光譜遙感器不提供各波段的光譜響應(yīng)函數(shù)，僅提供各波段的中心波長c和半高寬 FffHM的現(xiàn)狀，本發(fā)明采用高斯函數(shù)模擬高光譜傳感器入瞳處輻亮度如下式
權(quán)利要求
1.一種基于多光譜傳感器對(duì)高光譜傳感器交叉輻射定標(biāo)方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一選擇無云的高光譜影像數(shù)據(jù)，影像中包含大塊均勻地物，并對(duì)影像進(jìn)行必要的預(yù)處理后，作為待定標(biāo)的影像；步驟二 選擇與高光譜傳感器成像時(shí)間接近且覆蓋同一區(qū)域的具有較高輻射定標(biāo)精度的多光譜傳感器影像作為參考影像；步驟三在待定標(biāo)的高光譜影像和已定標(biāo)的參考多光譜遙感影像上，盡量在星下點(diǎn)附近選擇均勻地物作為感興趣區(qū)即ROI，ROI盡量覆蓋遙感器的整個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍并對(duì)兩輻影像的ROI區(qū)域進(jìn)行幾何精校正；步驟四根據(jù)兩幅影像的成像條件，利用6S大氣輻射傳輸模型計(jì)算兩傳感器各波段的入瞳輻亮度；步驟五根據(jù)一定規(guī)則求出各對(duì)應(yīng)波段光譜匹配因子；步驟六將求得的光譜匹配因子和多光譜數(shù)據(jù)求得高光譜傳感器各波段的入瞳處輻亮度；步驟七針對(duì)不同波段，將所有ROI在待定標(biāo)的高光譜影像的DN值和作為參考的多光譜影像的輻亮度進(jìn)行線性擬合，求得高光譜傳感器各波段的定標(biāo)系數(shù)即增益和偏移量，從而實(shí)現(xiàn)多光譜傳感器對(duì)高光譜傳感器的交叉輻射定標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多光譜傳感器對(duì)高光譜傳感器交叉輻射定標(biāo)方法， 其特征在于步驟二中所述的“選擇與高光譜傳感器成像時(shí)間接近且覆蓋同一區(qū)域的具有較高輻射定標(biāo)精度的多光譜傳感器影像作為參考影像”是指選擇多光譜影像數(shù)據(jù)要求與高光譜影像數(shù)據(jù)成像時(shí)間接近、成像目標(biāo)一致且具有較高定標(biāo)精度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多光譜傳感器對(duì)高光譜傳感器交叉輻射定標(biāo)方法， 其特征在于步驟三中所述的“對(duì)兩輻影像的ROI區(qū)域進(jìn)行幾何精校正”，是指分別在參考影像和待校正的影像上選擇幾何特征明顯的地物，作為控制點(diǎn)對(duì)；控制點(diǎn)的空間分布盡量均勻覆蓋整幅影像，控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)量通常大于二十個(gè)，幾何校正的整體誤差控制在半個(gè)像素以內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多光譜傳感器對(duì)高光譜傳感器交叉輻射定標(biāo)方法，其特征在于步驟四中所述的“根據(jù)兩幅影像的成像條件，利用6S大氣輻射傳輸模型計(jì)算兩傳感器各波段的入瞳輻亮度”，是指為了在光譜模擬的環(huán)節(jié)上盡量減小誤差，并考慮到大部分高光譜遙感器不提供各波段的光譜響應(yīng)函數(shù)，僅提供各波段的中心波長c和半高寬FWHM的現(xiàn)狀，采用高斯函數(shù)模擬高光譜傳感器入瞳處輻亮度如下式P = exp[(厚試中:Ρ為波長X處的光譜響應(yīng)值，C為中心波長，F(xiàn)ffHM為半高寬，χ表示遙感器的某波長；要模擬某波段的光譜響應(yīng)函數(shù)，只需中心波長和半高寬，即求得光譜響應(yīng)函數(shù)的高斯模擬曲線，將該曲線以2. 5nm為步長進(jìn)行離散化，作為高斯模擬的光譜響應(yīng)函數(shù)輸入6S大氣輻射傳輸模型，實(shí)現(xiàn)光譜響應(yīng)函數(shù)的高斯模擬。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多光譜傳感器對(duì)高光譜傳感器交叉輻射定標(biāo)方法， 其特征在于步驟五中所述的“根據(jù)一定規(guī)則求出各對(duì)應(yīng)波段光譜匹配因子”，是指采用了中心波長最接近原則，建立一對(duì)多的高光譜傳感器與多光譜傳感器波段映射關(guān)系，并按照下式求得不同帶寬的通道之間的匹配因子=Lh = K*LM上式中，K是光譜匹配因子，它包括兩個(gè)傳感器對(duì)目標(biāo)地物以及大氣的響應(yīng)差異，觀測(cè)時(shí)間匹配，觀測(cè)幾何條件的匹配，還有因波段范圍不同引起的輻亮度幅值差異的匹配，Lh和 Lm分別表示利用6S大氣輻射傳輸模型模擬得到的高光譜和多光譜傳感器的入瞳處輻亮度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多光譜傳感器對(duì)高光譜傳感器交叉輻射定標(biāo)方法， 其特征在于步驟六中所述的“將求得的光譜匹配因子和多光譜數(shù)據(jù)求得高光譜傳感器各波段的入瞳處輻亮度”，其含義說明如下兩傳感器對(duì)應(yīng)通道的表觀輻亮度在6S大氣輻射傳輸模型中存在著一定的差異和特定的關(guān)系，這些關(guān)系在其分別生成的遙感影像中應(yīng)同樣成立，故Lh = K*Lm Lh和Lm分別表示影像DN值對(duì)應(yīng)的高光譜和多光譜傳感器入瞳輻亮度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多光譜傳感器對(duì)高光譜傳感器交叉輻射定標(biāo)方法， 其特征在于步驟七中所述的“針對(duì)不同波段，將所有ROI在待定標(biāo)的高光譜影像的DN值和作為參考的多光譜影像的輻亮度進(jìn)行線性擬合，可求得高光譜傳感器各波段的定標(biāo)系數(shù)即增益和偏移量，從而實(shí)現(xiàn)多光譜傳感器對(duì)高光譜傳感器的交叉輻射定標(biāo)”，是指為了有效降低定標(biāo)系數(shù)的不確定性，采用基于區(qū)域平均值的定標(biāo)系數(shù)生成法，考慮到獲取的高光譜傳感器原始波段增益往往是影像已去除暗電流后每個(gè)像元的增益平均值，采取與原定標(biāo)系數(shù)相同的處理流程獲取定標(biāo)系數(shù)如下各波段分別計(jì)算感興趣區(qū)內(nèi)像素的平均灰度值■, 基于■和傳感器入瞳處輻亮度Lh進(jìn)行線性擬合，得第i波段定標(biāo)系數(shù)Ai -.Ai=DNILh。
全文摘要
本發(fā)明一種基于多光譜傳感器對(duì)高光譜傳感器的交叉輻射定標(biāo)方法，它要解決無匹配參考高光譜影像的高光譜傳感器交叉輻射定標(biāo)問題，其步驟是選擇無云的高光譜影像數(shù)據(jù)；根據(jù)高光譜數(shù)據(jù)選擇多光譜參考影像；在影像上選擇均勻地物作為感興趣區(qū)；對(duì)兩幅影像進(jìn)行幾何精校正；利用大氣輻射傳輸模型計(jì)算兩傳感器各波段的入瞳輻亮度；根據(jù)一定的規(guī)則求出各對(duì)應(yīng)波段光譜匹配因子；利用光譜匹配因子和多光譜數(shù)據(jù)求出高光譜傳感器各波段入瞳輻亮度；將待定標(biāo)的高光譜影像的感興趣區(qū)內(nèi)像元DN值和多光譜參考影像對(duì)應(yīng)像素經(jīng)光譜匹配因子校正后的輻亮度進(jìn)行線性擬合，得到高光譜傳感器各波段定標(biāo)系數(shù)。該方法具有穩(wěn)定性好、可靠性高、精確度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S7/497GK102279393SQ20111019870
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月15日
發(fā)明者周冠華, 姜禾, 徐武健, 賈斐, 趙慧潔 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)