CN102279393A - 一种基于多光谱传感器对高光谱传感器交叉辐射定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于多光谱传感器对高光谱传感器的交叉辐射定标方法，它要解决无匹配参考高光谱影像的高光谱传感器交叉辐射定标问题，其步骤是：选择无云的高光谱影像数据；根据高光谱数据选择多光谱参考影像；在影像上选择均匀地物作为感兴趣区；对两幅影像进行几何精校正；利用大气辐射传输模型计算两传感器各波段的入瞳辐亮度；根据一定的规则求出各对应波段光谱匹配因子；利用光谱匹配因子和多光谱数据求出高光谱传感器各波段入瞳辐亮度；将待定标的高光谱影像的感兴趣区内像元DN值和多光谱参考影像对应像素经光谱匹配因子校正后的辐亮度进行线性拟合，得到高光谱传感器各波段定标系数。该方法具有稳定性好、可靠性高、精确度高等优点。

Description

一种基于多光谱传感器对高光谱传感器交叉辐射定标方法

(一)技术领域

本发明涉及一种基于多光谱传感器对高光谱传感器交叉辐射定标方法，属于遥感数据处理方法与应用技术领域，适用于高光谱传感器辐射定标的理论方法和应用技术研究。

(二)背景技术

遥感器辐射定标是遥感数据定量化应用的前提，该类技术的发展能够大大推动遥感数据的应用深度和拓展遥感数据的应用广度。辐射定标作为一种卫星遥感数据预处理技术的一个重要环节，其目的在于建立传感器遥感器入瞳处辐亮度与其输出的数字计数值(DN值)之间的关系，以确定遥感器的输出信号对入瞳辐亮度的响应。在辐射定标中，设DN是遥感影像的数字计数值，L是待定标传感器的入瞳处辐亮度。则辐射定标即是通过如下关系，确定传感器探测单元的定标系数G和B：

L＝G*DN+B

其中，G和B分别是定标系数中的增益(Gain)和偏移(Bias)。

辐射定标方法包括卫星发射前实验室定标、在轨星上定标、场地定标及交叉定标等。不同的定标方法分别在卫星的不同阶段发挥着一定的作用，但每一种定标方法都有其特点与局限适用性。卫星发射前的实验室定标，关键是评估工程设计指标和建立满足不同应用要求的定标系统；在轨星上定标基于星载定标器的飞行中定标采用星上人工辐射源定标、天体或外太空，基于太阳和漫反射板定标，利用星上黑体和冷空间作为辐射参考辐射源定标等手段进行飞行中定标；对于没有星上定标系统的卫星，为了动态跟踪传感器辐射性能的变化，美国、法国在这一方面遥遥领先。在轨运行期间可以采用基于陆地(或海面)特性的“替代定标”，即场地定标。利用一个经过严格鉴定的地表面试验场辐射校正场的地面同步实验和大气辐射传输模式模型，可以实现确定传感器入瞳辐亮度的辐射定标。但由于场地定标需要耗费大量的人力、物力与财力，故通常定标间隔周期较长。因此需要一种更加经济与便捷的方法。利用高辐射精度的卫星传感器对精度相对较低的卫星传感器进行交叉辐射定标方法(简称“交叉定标”)应运而生。交叉辐射定标是新近发展起来的一种无场地定标技术，得到了国际遥感界的广泛重视，被国际地球观测系统委员会(CEOS)定标检验组(WGCV)所推荐。交叉定标是利用一台标定好的传感器与待标定传感器在同一时间和相似的几何条件进行观测，然后进行相对比较，实现定标。

交叉辐射定标方法无需建立地面校正场，该方法最大的优点是定标成本低，可以实现高频次、多传感器间的辐射定标，并且可以实现对历史数据的辐射定标。但是该方法对参考传感器和被定标传感器之间的通道设置、通道光谱响应函数、空间分辨率、过境时间、回访周期、几何配准精度等方面有严格要求，并且定标精度极大的依赖于参考传感器自身的绝对辐射定标精度。

对于缺乏星上定标系统的卫星传感器，只能借助场地定标或交叉定标方法。特别是对于技术水平相对落后的发展中国家的卫星遥感具有重要的作用。国内外关于星-星交叉定标的开展了较多的研究，并取得了较好的效果。但是现有的研究大都是基于多光谱传感器之间的辐射定标，而目前在轨的星载高光谱传感器极少，仅有美国的EO1/Hyperion、欧空局PROBA/CHRIS与中国的HJ/HIS等少数几个。受高光谱数据的可获得性、访问时间、空间覆盖范围、天气条件、空间分辨率的差异等诸多因素影响，通常很难找到匹配的两套高光谱影像。因此对于高光谱的在轨辐射定标需要寻找新的技术方法。本发明就是为解决高光谱在轨辐射定标的一种新型技术。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种基于多光谱传感器对高光谱传感器交叉辐射定标方法，它克服了传统高光谱数据由于不能找到适合的相匹配的参考高光谱影像数据而不能进行交叉定标的局限，有效地提高了高光谱遥感数据的可用性，是一种稳定性好、可靠性高、精确度高的高光谱传感器交叉辐射定标方法。

本发明的技术解决方案是：一种在不能获得辐射定标精度较高的高光谱卫星影像的情况下，利用辐射定标精度较高的多光谱影像实现对高光谱数据辐射定标的方法。该方法主要是基于对波段中心波长位置最接近的波段进行匹配的理论，利用6S大气辐射传输模型对两传感器进行模拟，并通过计算不同波段的光谱匹配因子，最后利用光谱匹配因子实现高光谱数据的交叉定标。光谱匹配因子可以利用6S大气辐射传输模型求得，它主要包括两个传感器对目标地物以及大气的响应差异，观测时间匹配，观测几何条件的匹配，还有因波段范围不同引起的辐亮度幅值差异的匹配。

本发明一种基于多光谱传感器对高光谱传感器交叉辐射定标方法，其步骤如下：

步骤一：选择无云的高光谱影像数据，影像中包含几种大块均匀地物，并对影像进行必要的预处理(如去除坏波段)后，作为待定标的影像；

步骤二：选择与高光谱传感器成像时间接近且覆盖同一区域的具有较高辐射定标精度的多光谱传感器影像作为参考影像；

步骤三：在待定标的高光谱影像和已定标的参考多光谱遥感影像上，尽量在星下点附近选择均匀地物作为感兴趣区(ROI)，ROI尽量覆盖遥感器的整个动态响应范围；对两辐影像的ROI区域进行几何精校正；

步骤四：根据两幅影像的成像条件，利用6S大气辐射传输模型计算两传感器各波段的入瞳辐亮度；

步骤五：根据一定规则求出各对应波段光谱匹配因子；

步骤六：将求得的光谱匹配因子和多光谱数据求得高光谱传感器各波段的入瞳处辐亮度；

步骤七：针对不同波段，将所有ROI在待定标的高光谱影像的DN值和作为参考的

多光谱影像的辐亮度进行线性拟合，可求得高光谱传感器各波段的定标系数(增益

和偏移量)，从而实现多光谱传感器对高光谱传感器的交叉辐射定标。

其中，步骤二中所述的“选择与高光谱传感器成像时间接近且覆盖同一区域的具有较高辐射定标精度的多光谱传感器影像作为参考影像”是指选择多光谱影像数据要求与高光谱影像数据成像时间接近、成像目标一致且具有较高定标精度。

其中，步骤三中所述的“对两辐影像的ROI区域进行几何精校正”，是指分别在参考影像和待校正的影像上选择几何特征明显的地物，作为控制点对。控制点的空间分布应该尽量均匀覆盖整幅影像，控制点的数据量通常应该大于二十个，几何校正的整体误差应该控制在半个像素以内。

其中，步骤四中所述的“根据两幅影像的成像条件，利用6S大气辐射传输模型计算两传感器各波段的入瞳辐亮度”，是指为了在光谱模拟的环节上尽量减小误差，并考虑到大部分高光谱遥感器不提供各波段的光谱响应函数，仅提供各波段的中心波长c和半高宽FWHM的现状，本发明采用高斯函数模拟高光谱传感器入瞳处辐亮度如下式：

$P=\exp \left[\frac{{-(x-c)}^2}{{(\mathrm{FWHM}/\sqrt{2*\ln 2})}^2}\right]$

式中：P为波长x处的光谱响应值，c为中心波长，FWHM为半高宽，x表示遥感器的某波长。

要模拟某波段的光谱响应函数，只需中心波长和半高宽，即可求得光谱响应函数的高斯模拟曲线，将该曲线以2.5nm为步长进行离散化，作为高斯模拟的光谱响应函数输入6S大气辐射传输模型，实现光谱响应函数的高斯模拟。

其中，步骤五中所述的“根据一定规则求出各对应波段光谱匹配因子”，是指采用了中心波长最接近原则，建立一对多的高光谱传感器与多光谱传感器波段映射关系，并按照下式求得不同带宽的通道之间的匹配因子：L_H＝K*L_M

上式中，K是光谱匹配因子，它主要包括两个传感器对目标地物以及大气的响应差异，观测时间匹配，观测几何条件的匹配，还有因波段范围不同引起的辐亮度幅值差异的匹配，L_H和L_M分别表示利用6S大气辐射传输模型模拟得到的高光谱和多光谱传感器的入瞳处辐亮度。

其中，步骤六中所述的“将求得的光谱匹配因子和多光谱数据求得高光谱传感器各波段的入瞳处辐亮度”，其含义说明如下：两传感器对应通道的表观辐亮度在6S大气辐射传输模型中存在着一定的差异和特定的关系，这些关系在其分别生成的遥感影像中应同样成立。故：L_h＝K*L_m

L_h和L_m分别表示影像DN值对应的高光谱和多光谱传感器入瞳辐亮度。

其中，步骤七中所述的“针对不同波段，将所有ROI在待定标的高光谱影像的DN值和作为参考的多光谱影像的辐亮度进行线性拟合，可求得高光谱传感器各波段的定标系数(增益和偏移量)，从而实现多光谱传感器对高光谱传感器的交叉辐射定标”，是指为了有效降低定标系数的不确定性，本发明采用基于区域平均值的定标系数生成法，考虑到获取的高光谱传感器原始波段增益往往是影像已去除暗电流后每个像元的增益平均值，本发明采取与原定标系数相同的处理流程获取定标系数如下：各波段分别计算感兴趣区内像素的平均灰度值

基于

和传感器入瞳处辐亮度L_h进行线性拟合，可得第i波段定标系数AX：

本发明与现有技术相比的优点在于：克服了传统高光谱数据由于不能找到适合的相匹配的参考高光谱影像数据而不能进行交叉定标的局限，本方法利用了高光谱传感器与多光谱传感器之间的匹配关系，实现了无匹配参考高光谱影像数据的高光谱传感器的交叉定标。它具有以下的优点：(1)采用了高斯函数模拟高光谱传感器的光谱响应函数，减小了光谱模拟环节上的误差；(2)通过多光谱影像对高光谱影像交叉定标，增强了高光谱影像的可用性；(3)采取与原定标系数相同的技术流程获取定标系数，有效降低了定标系数的不确定性。

(四)附图说明

图1为本发明技术流程框图。

图2为敦煌试验场两传感器匹配因子，其中：

图2(a)为本发明的2006年敦煌试验场两传感器匹配因子；

图2(b)为本发明的2003年与2006年敦煌试验场两传感器匹配因子对比图。

图3(a)为本发明的2006年敦煌地区Hyperion影像定标系数；

图3(b)为本发明的2010年敦煌地区Hyperion影像定标系数。

(五)具体实施方式

为了更好的说明本发明涉及的利用多光谱影像对高光谱数据进行交叉定标的方法，利用Hyperion高光谱数据和TM多光谱影像数据进行交叉定标。见图1，本发明一种基于多光谱传感器对高光谱传感器交叉辐射定标方法，具体实现步骤如下：

(1)高光谱数据的读入：读入敦煌地区Hyperion高光谱影像数据；

(2)选择与Hyperion影像数据成像时间接近，且目标一致的具有较高辐射定标精度的多光谱TM数据；

(3)选择均匀地物作为感兴趣区(ROI)，对两辐影像的ROI区域进行几何精校正；

(4)使用6S大气辐射传输模型根据两影像的成像条件计算两影像各波段的传感器入瞳辐亮度；为了在光谱模拟的环节上能尽量减小误差，并考虑到大部分高光谱遥感器不提供各波段的光谱响应函数，仅提供各波段的中心波长CWL和半高宽FWHM的现状，本发明采用高斯函数模拟高光谱传感器入瞳处辐亮度如下式：

$P=\exp \left[\frac{{-(x-c)}^2}{{(\mathrm{FWHM}/\sqrt{2*\ln 2})}^2}\right]$

式中：P为波长x处的光谱响应值，c为中心波长，FWHM为半高宽，x表示遥感器的某波长。

要模拟某波段的光谱响应函数，只需中心波长和半高宽，即可求得光谱响应函数的高斯模拟曲线，将该曲线以2.5nm为步长进行离散化，作为高斯模拟的光谱响应函数输入6S大气辐射传输模型，实现光谱响应函数的高斯模拟。

(5)由步骤(4)根据如下操作求出各对应波段光谱匹配因子：以中心波长最接近为原则，建立一对多的高光谱传感器与多光谱传感器波段映射关系，并按照下式求得不同带宽的通道之间的匹配因子：L_H＝K*L_M

上式中，K是光谱匹配因子，它主要包括两个传感器对目标地物以及大气的响应差异，观测时间匹配，观测几何条件的匹配，还有因波段范围不同引起的辐亮度幅值差异的匹配，L_H和L_M分别表示利用6S大气辐射传输模型模拟得到的高光谱和多光谱传感器的入瞳处辐亮度。

(6)将步骤(5)求得的匹配因子和多光谱数据求得高光谱传感器各波段的入瞳处辐亮度；其含义说明如下：两传感器对应通道的表观辐亮度在6S大气辐射传输模型中存在着一定的差异和一定的关系，这些关系在其分别生成的遥感影像中应同样成立。故：

L_h＝K*L_m

L_h和L_m分别表示影像DN值对应的高光谱和多光谱传感器入瞳辐亮度。

(7)由步骤(6)和高光谱影像可得高光谱传感器各波段的定标系数，从而实现多光谱数据对高光谱传感器的交叉辐射定标。为了有效降低定标系数的不确定性，本发明采用基于区域平均值的定标系数生成法，考虑到获取的高光谱传感器原始波段增益往往就是影像已去除暗电流后每个像元的增益平均值，本发明采取与原定标系数相同的数据生成结构获取定标系数如下：根据计算选定的影像区域的各波段平均DN值

利用

和传感器入瞳处辐亮度L_h，可得第i波段定标系数A_i：

通过本发明一种基于多光谱传感器对高光谱传感器的交叉辐射定标方法，利用Hyperion高光谱影像和TM多光谱影像进行交叉辐射定标，图2(a)给出了2006年敦煌试验场两传感器匹配因子。图2(b)给出了2003年与2006年敦煌试验场两传感器匹配因子的对比，两组趋势相同的数据印证了方法的可行性。图3(a)给出了2006年敦煌地区Hyperion影像基于区域的定标系数生成。图3(b)给出了2010年敦煌地区Hyperion影像基于区域的定标系数，实现了无匹配参考高光谱影像数据的高光谱传感器的交叉定标。从图3(a)与图3(b)可以看出本发明涉及方法的计算结果非常稳定，定标精度高。

Claims (7)

1.一种基于多光谱传感器对高光谱传感器交叉辐射定标方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：选择无云的高光谱影像数据，影像中包含大块均匀地物，并对影像进行必要的预处理后，作为待定标的影像；

步骤二：选择与高光谱传感器成像时间接近且覆盖同一区域的具有较高辐射定标精度的多光谱传感器影像作为参考影像；

步骤三：在待定标的高光谱影像和已定标的参考多光谱遥感影像上，尽量在星下点附近选择均匀地物作为感兴趣区即ROI，ROI尽量覆盖遥感器的整个动态响应范围并对两辐影像的ROI区域进行几何精校正；

步骤四：根据两幅影像的成像条件，利用6S大气辐射传输模型计算两传感器各波段的入瞳辐亮度；

步骤五：根据一定规则求出各对应波段光谱匹配因子；

步骤六：将求得的光谱匹配因子和多光谱数据求得高光谱传感器各波段的入瞳处辐亮度；

步骤七：针对不同波段，将所有ROI在待定标的高光谱影像的DN值和作为参考的多光谱影像的辐亮度进行线性拟合，求得高光谱传感器各波段的定标系数即增益和偏移量，从而实现多光谱传感器对高光谱传感器的交叉辐射定标。

2.根据权利要求1所述的一种基于多光谱传感器对高光谱传感器交叉辐射定标方法，其特征在于：步骤二中所述的“选择与高光谱传感器成像时间接近且覆盖同一区域的具有较高辐射定标精度的多光谱传感器影像作为参考影像”是指选择多光谱影像数据要求与高光谱影像数据成像时间接近、成像目标一致且具有较高定标精度。

3.根据权利要求1所述的一种基于多光谱传感器对高光谱传感器交叉辐射定标方法，其特征在于：步骤三中所述的“对两辐影像的ROI区域进行几何精校正”，是指分别在参考影像和待校正的影像上选择几何特征明显的地物，作为控制点对；控制点的空间分布尽量均匀覆盖整幅影像，控制点的数据量通常大于二十个，几何校正的整体误差控制在半个像素以内。

4.根据权利要求1所述的一种基于多光谱传感器对高光谱传感器交叉辐射定标方法，其特征在于：步骤四中所述的“根据两幅影像的成像条件，利用6S大气辐射传输模型计算两传感器各波段的入瞳辐亮度”，是指为了在光谱模拟的环节上尽量减小误差，并考虑到大部分高光谱遥感器不提供各波段的光谱响应函数，仅提供各波段的中心波长c和半高宽FWHM的现状，采用高斯函数模拟高光谱传感器入瞳处辐亮度如下式：

式中：P为波长x处的光谱响应值，c为中心波长，FWHM为半高宽，x表示遥感器的某波长；

要模拟某波段的光谱响应函数，只需中心波长和半高宽，即求得光谱响应函数的高斯模拟曲线，将该曲线以2.5nm为步长进行离散化，作为高斯模拟的光谱响应函数输入6S大气辐射传输模型，实现光谱响应函数的高斯模拟。

5.根据权利要求1所述的一种基于多光谱传感器对高光谱传感器交叉辐射定标方法，其特征在于：步骤五中所述的“根据一定规则求出各对应波段光谱匹配因子”，是指采用了中心波长最接近原则，建立一对多的高光谱传感器与多光谱传感器波段映射关系，并按照下式求得不同带宽的通道之间的匹配因子：L_H＝K*L_M

上式中，K是光谱匹配因子，它包括两个传感器对目标地物以及大气的响应差异，观测时间匹配，观测几何条件的匹配，还有因波段范围不同引起的辐亮度幅值差异的匹配，L_H和L_M分别表示利用6S大气辐射传输模型模拟得到的高光谱和多光谱传感器的入瞳处辐亮度。

6.根据权利要求1所述的一种基于多光谱传感器对高光谱传感器交叉辐射定标方法，其特征在于：步骤六中所述的“将求得的光谱匹配因子和多光谱数据求得高光谱传感器各波段的入瞳处辐亮度”，其含义说明如下：两传感器对应通道的表观辐亮度在6S大气辐射传输模型中存在着一定的差异和特定的关系，这些关系在其分别生成的遥感影像中应同样成立，故：L_h＝K*L_m L_h和L_m分别表示影像DN值对应的高光谱和多光谱传感器入瞳辐亮度。

7.根据权利要求1所述的一种基于多光谱传感器对高光谱传感器交叉辐射定标方法，其特征在于：步骤七中所述的“针对不同波段，将所有ROI在待定标的高光谱影像的DN值和作为参考的多光谱影像的辐亮度进行线性拟合，可求得高光谱传感器各波段的定标系数即增益和偏移量，从而实现多光谱传感器对高光谱传感器的交叉辐射定标”，是指为了有效降低定标系数的不确定性，采用基于区域平均值的定标系数生成法，考虑到获取的高光谱传感器原始波段增益往往是影像已去除暗电流后每个像元的增益平均值，采取与原定标系数相同的处理流程获取定标系数如下：各波段分别计算感兴趣区内像素的平均灰度值

基于和传感器入瞳处辐亮度L_h进行线性拟合，得第i波段定标系数A_i：

Images