CN102346070A - Hj-1a卫星超光谱成像仪在轨辐射定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了HJ-1A卫星超光谱成像仪在轨辐射定标方法，具体为：1)根据大气参数，将场地平均反射率重新采样成2.5nm间隔，并计算出2.5nm间隔的表观反射率曲线；2)利用超光谱成像仪各通道中心波长对表观反射率曲线进行插值，得到超光谱成像仪各通道等效表观反射率；3)计算超光谱成像仪各通道对应的表观辐亮度；4)提取出超光谱成像仪图像各通道平均DN值；5)计算得到各通道的表观辐亮度定标系数。本发明的超光谱成像仪在轨辐射定标方法，利用大气参数，然后利用相关公式实现表观辐亮度的计算，有效避免了根据6S模型计算结果计算量大的问题。另外，在定标过程中采用线性插值方法对表观反射率曲线进行插值，提高了处理速度，简化了定标过程。

Description

HJ-1A卫星超光谱成像仪在轨辐射定标方法

技术领域

本发明涉及航空遥感成像领域，尤指一种超光谱成像仪在轨辐射定标方法。

背景技术

同多光谱传感器相比，超光谱成像仪具有波段数目多，光谱分辨率高等特点。在对多光谱进行在轨辐射定标时，通常将地表、大气、观测几何及传感器各通道光谱响应函数输入辐射传输模型，依次得到各通道的定标系数。而超光谱成像仪的波段数目高达115个，如果分波段进行辐射定标计算，不仅工作量大，计算过程复杂，而且由于超光谱成像仪未能提供各通道光谱响应函数，传统的多光谱定标方法无法直接应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种新的辐射定标方法，实现了超光谱成像仪各通道的快速定标。

为实现上述目的，本发明的HJ-1A卫星超光谱成像仪在轨辐射定标方法，具体为：1)根据大气参数，将场地平均反射率重新采样成2.5nm间隔，并计算出2.5nm间隔的表观反射率曲线；2)利用超光谱成像仪各通道中心波长对表观反射率曲线进行插值，得到超光谱成像仪各通道等效表观反射率；3)根据各通道的相对光谱响应函数，计算超光谱成像仪各通道对应的表观辐亮度；4)根据场地位置，提取出超光谱成像仪图像各通道平均DN值；5)根据各通道平均DN值和各通道的表观辐亮度，计算得到各通道的表观辐亮度定标系数。

进一步，所述大气参数包括大气层半球反射率、大气吸收透过率、太阳入射方向大气散射透过率、卫星观测方向大气散射透过率和大气层自身反射率。

进一步，所述大气参数通过以下方法获得：将大气气溶胶、大气类型、观测天顶角、观测方位角、太阳天顶角、太阳方位角、大气类型和气溶胶模式参数输入6S模型，计算出大气参数。

进一步，所述表观反射率曲线为400-1000nm的表观反射率曲线。

进一步，步骤1)中对表观反射率曲线进行插值为线性插值方法，其根据超光谱成像仪可反演连续光谱曲线的特点，将400-1000nm的表观反射率曲线转化成超光谱成像仪所有通道中心波长对应的表观反射率曲线。

进一步，所述各通道的相对光谱响应函数均为矩形函数

其中λ₁为起始波长，λ₂为终止波长。

进一步，步骤3)计算各通道的表观辐亮度具体为：将矩形函数

代入公式

得到各通道大气层外太阳等效辐照度E_s，利用公式

计算出超光谱成像仪各通道表观辐亮度

其中E₀(λ)表示波长为λ时大气层顶的太阳辐照度，θs为太阳天顶角，d_s为日地距离修正因子，为超光谱成像仪各通道等效表观反射率。

本发明的超光谱成像仪在轨辐射定标方法，利用大气层半球反射率，大气吸收透过率，太阳入射方向大气散射透过率，卫星观测方向大气散射透过率，大气层自身反射率等中间参数，然后利用相关公式实现表观辐亮度的计算，有效避免了根据6S模型计算结果计算量大的问题。另外，在定标过程中采用线性插值方法对表观反射率曲线进行插值，提高了处理速度，简化了定标过程。

附图说明

图1为线性插值法示意图；

图2a为2009年8月26日敦煌场地大气参数曲线图；

图2b为2009年8月26日敦煌场地大气参数曲线图；

图3为敦煌场地地表及表观反射率曲线图；

图4为敦煌场地表观辐亮度光谱曲线图；

图5为2009年8月26日超光谱成像仪图像DN值；

图6为2009年8月26日超光谱成像仪辐射定标系数。

具体实施方式

本发明的HJ-1A卫星超光谱成像仪在轨辐射定标方法，分为以下步骤：

(1)计算出光谱间隔为2.5nm的大气吸收透过率、太阳入射方向散射透过率、卫星观测方向散射透过率、大气程辐射等大气参数，然后将场地平均反射率重新采样成2.5nm间隔，根据公式1计算出2.5nm间隔的表观反射率曲线。计算2.5nm间隔的表观反射率曲线是为计算表观辐亮度曲线提供基础，将地表反射率采样成2.5nm的间隔是由于6S模型输出的所有大气参数模型都为2.5nm，只有两者的光谱分辨率一致，才能进行表观反射率的计算。

ρ^*(λ)＝ρ₀(λ)+ρ(λ)·τ_g(λ)·τ_↑(λ)·τ_↓(λ)/(1-ρ(λ)s(λ))    (1)

式中，ρ₀为大气自身反射率，ρ为地表反射率，τ_g为大气吸收透过率，τ_↑为入射光经地表反射后到达卫星入瞳处的散射透过率，τ_↓为太阳从大气层顶到达地表时的大气散射透过率，s为大气半球反射率，ρ为卫星入瞳处表观反射率。

(2)利用超光谱成像仪各通道中心波长对表观反射率曲线ρ(λ)进行线性插值，计算出超光谱成像仪各通道等效表观反射率，线性插值为常用的插值方法，假设我们已知坐标(x₀，y₀)与(x₁，y₁)，要得到[x₀，x₁]区间内某一位置x在直线上的值。根据图1中所示，我们得到

假设方程两边的值为α，那么这个值就是插值系数一从x0到×的距离与从xO到×1距离的比值。由于×值已知，所以可以从公式得到α的值图中横坐标表示波长，纵坐标表示表观反射率。X为超光谱成像仪各通道对应的中心波长。

(3)利用公式2和3计算出超光谱成像仪各通道对应的太阳等效辐亮度E_s(单位：Wm^-2μm^-1)；

因为超光谱成像仪的光谱分辨率非常高，在计算太阳等效辐照度时，采用矩形函数可以既考虑了大气层外太阳辐照度曲线的精确变化，又可以简化计算过程，得到比较理想的表观等效辐照度。假设每个通道的相对光谱响应RSR为矩形函数，即

$\mathrm{RSR}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\&lambda;}}_1<\mathrm{\&lambda;}<{\mathrm{\&lambda;}}_2\\ 0& \mathrm{\&lambda;}<{\mathrm{\&lambda;}}_1\mathrm{or\&lambda;}>{\mathrm{\&lambda;}}_2\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中λ1为起始波长，λ2为终止波长。代入公式3，即可得到各通道大气层外太阳等效辐照度E_s。

$E_s=\frac{{\&Integral;}_0^{\&infin;}\mathrm{RSR}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)E_0\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{d\&lambda;}}{{\&Integral;}_0^{\&infin;}\mathrm{RSR}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{d\&lambda;}}=\frac{{\&Integral;}_{{\mathrm{\&lambda;}}_1}^{{\mathrm{\&lambda;}}_2}{E}_0\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{d\&lambda;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1}---\left(3\right)$

其中，E₀(λ)表示波长为λ时大气层顶的太阳辐照度(单位Wm^-2μm^-1)，可从MONTRAN 4.0模型中自带的数据文件中得到。

(4)利用公式4计算出超光谱成像仪各通道表观辐亮度

$L_i^{*}=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_i^{*}\cos \left(\mathrm{\&theta;s}\right)E_s}{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;d_s}---\left(4\right)$

其中，θs为太阳天顶角，E_s为超光谱成像仪各通道对应的太阳等效辐亮度(单位：Wm^-2μm^-1)；d_s为日地距离修正因子；

为超光谱成像仪各通道等效表观反射率。

(5)根据场地位置，提取出超光谱成像仪图像各通道平均DN值。

(6)假设成像仪各通道成线性响应，且截距为0，将图像平均DN值和各通道的表观辐亮度代入公式5，可得到各通道的表观辐亮度定标系数A_i。

$A_i=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{DN}}_i}}{L_i^{*}}---\left(5\right)$

下面以敦煌地区为例详述超光谱成像定标过程：

将卫星过境时刻的观测几何、大气光学厚度、气溶胶类型等输入辐射传输模型，计算得到卫星过境当天敦煌场地大气吸收透过率、太阳方向散射透过率、卫星方向散射透过率、大气自身反射率，大气半球反射率等大气参数，如图2a和2b所示。同时，将地面测量敦煌场地地表反射率曲线重采样成2.5nm间隔，利用公式1，可计算出400-1000nm区间的表观反射率曲线，如图3所示。

将表观反射率曲线转换到超光谱成像仪各通道对应的表观等效反射率，由于超光谱成像仪未提供各通道光谱响应函数，利用各通道中心波长，通过线性插值的方法，得到各通道表观等效反射率

最后，根据公式4，可得到超光谱成像仪各通道的表观辐亮度

敦煌场地的表观辐亮度见图4，单位为Wm^-2μm^-1

根据敦煌场地位置，计算出场地区域各通道平均DN值，见图5。

将场地DN值同辐射传输计算得到的115个通道的表观辐亮度进行相除，即可得到超光谱成像仪2009年所有通道的辐射定标系数，见图6。

本实施例中只列举了在敦煌地区得到的超光谱成像仪的各通道辐射定标系数，在其它地区对超光谱成像仪的各通道辐射定标可以采用同样的方法。

需要指出的是根据本发明的具体实施方式所做出的任何变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求记载的范围。

Claims (7)

1.HJ-1A卫星超光谱成像仪在轨辐射定标方法，具体为：1)根据大气参数，将场地平均反射率重新采样成2.5nm间隔，并计算出2.5nm间隔的表观反射率曲线；2)利用超光谱成像仪各通道中心波长对表观反射率曲线进行插值，得到超光谱成像仪各通道等效表观反射率；3)根据各通道的相对光谱响应函数，计算超光谱成像仪各通道对应的表观辐亮度；4)根据场地位置，提取出超光谱成像仪图像各通道平均DN值；5)根据各通道平均DN值和各通道的表观辐亮度，计算得到各通道的表观辐亮度定标系数。

2.如权利要求1所述的HJ-1A卫星超光谱成像仪在轨辐射定标方法，其特征在于，所述大气参数包括大气层半球反射率、大气吸收透过率、太阳入射方向大气散射透过率、卫星观测方向大气散射透过率和大气层自身反射率。

3.如权利要求2所述的HJ-1A卫星超光谱成像仪在轨辐射定标方法，其特征在于，所述大气参数通过以下方法获得：将大气气溶胶、大气类型、观测天顶角、观测方位角、太阳天顶角、太阳方位角、大气类型和气溶胶模式参数输入6S模型，计算出大气参数。

4.如权利要求1所述的HJ-1A卫星超光谱成像仪在轨辐射定标方法，其特征在于，所述表观反射率曲线为400-1000nm的表观反射率曲线。

5.如权利要求4所述的HJ-1A卫星超光谱成像仪在轨辐射定标方法，其特征在于，步骤1)中对表观反射率曲线进行插值为线性插值方法，其根据超光谱成像仪可反演连续光谱曲线的特点，将400-1000nm的表观反射率曲线转化成超光谱成像仪所有通道中心波长对应的表观反射率曲线。

6.如权利要求1所述的HJ-1A卫星超光谱成像仪在轨辐射定标方法，其特征在于，所述各通道的相对光谱响应函数均为矩形函数

其中λ1为起始波长，λ2为终止波长。

7.如权利要求6所述的HJ-1A卫星超光谱成像仪在轨辐射定标方法，其特征在于，步骤3)计算各通道的表观辐亮度具体为：将矩形函数

代入公式

得到各通道大气层外太阳等效辐照度E_s，利用公式

计算出超光谱成像仪各通道表观辐亮度

其中E₀(λ)表示波长为λ时大气层顶的太阳辐照度，θs为太阳天顶角，d_s为日地距离修正因子，ρ_i为超光谱成像仪各通道等效表观反射率。

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