CN102901516B - 一种基于绝对辐射定标的多光谱影像辐射校正方法 - Google Patents

Abstract

一种基于绝对辐射定标的多光谱遥感影像辐射校正方法，步骤为：(1)相对辐射校正；(2)实验室绝对辐射定标：构建积分球的实验室辐亮度-影像DN值查找表；(3)基于实验室绝对定标结果的绝对辐射校正：基于实验室辐亮度-影像DN值查找表，对相对辐射校正影像进行实验室绝对辐射校正；(4)地面检校场在轨绝对辐射定标：构建地面检校场靶标在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表；(5)基于在轨绝对定标结果的绝对辐射校正：基于在轨辐亮度-实验室辐亮度值查找表，对实验室绝对辐射校正影像进行在轨绝对辐射校正。本发明将多光谱影像由DN值精确地转化为地物实际辐亮度，使多光谱影像的色彩真实地反映地物实际光谱特性，为遥感定量化应用奠定基础。

Description

一种基于绝对辐射定标的多光谱影像辐射校正方法

技术领域

本发明涉及一种基于绝对辐射定标的多光谱遥感影像辐射校正方法，属于卫星图像处理技术领域，用于光学遥感卫星多光谱相机影像辐射校正处理。

背景技术

光学遥感影像辐射校正是光学遥感卫星相机影像处理的主要内容之一，其目的是减少或消除遥感影像的各类辐射误差，提升遥感影像辐射精度，增强遥感影像反映实际地物真实物理特性的能力，其内容主要包括两个方面：一是消除影像自身像元之间的辐射响应不一致性，称之为相对辐射校正；二是将遥感影像的量化维度由传感器器件的数字响应计数值即DN值转化为实际地物辐射能量值，称之为绝对辐射校正。以上目的与内容适用于采用CCD作为探测器件的可见光全色、近红外、多光谱等各类常用光学遥感影像的辐射校正处理。

对于多光谱遥感影像，其辐射校正处理除具备上述光学遥感影像辐射校正处理的一般特征以外，还应在提升单谱段(波段)遥感影像自身辐射精度的基础上，进一步考虑各谱段(波段)影像之间的辐射相对比例关系与绝对辐射量化程度，减少或消除由于传感器器件光谱响应不一致性、大气光谱透射能力不一致性等光谱响应误差，提升多光谱遥感影像随波长变化的光谱响应精度，一方面在影像的目视观测上提升不同谱段间色彩比例与真实光谱响应程度比例的一致性即相对光谱辐射精度，另一方面在遥感影像量化表达方式上将光谱响应量化程度由传感器器件不同谱段(波段)的数字响应计数值响应曲线转化为实际地物不同谱段(波段)的辐射能量值曲线，增强多光谱影像反映实际地物光谱反射变化真实特性的能力即绝对光谱辐射精度。

光学遥感影像绝对辐射校正的主要方法是：对遥感卫星相机进行绝对辐射定标，建立相机记录的数字信号计数值(DN值)与对应的辐射能量之间的数学关系。这种数学关系一般情况下采用线性方程表示，该方程包括增益与偏移量两个系数，即绝对定标系数。绝对辐射定标数学公式如下：

L_i＝a_i×DN_i+b_i(i＝1，2…n)

式中：L为辐亮度，DN为响应DN值，i表示多光谱谱段序号。

绝对辐射定标的输入条件是遥感卫星相机成像各谱段不同等级的光学辐射能量值序列及其所成影像上对应DN值序列，其中DN值可由直接获取积分球等标准辐射源或靶标在遥感影像对应的DN值得到，因此绝对辐射定标输入参数的重点在于光学辐射能量值的获取。光学辐射能量值可采用辐亮度、辐照度、反射率等参数，其中最常用的参数是辐亮度参数，其单位为W·cm^-2·sr^-1。光学辐射能量值的获取方法主要有三种：实验室定标方法、星上在轨定标方法和地面检校场在轨定标方法。实验室定标是指卫星发射前在实验室中应用光谱、辐射等定标系统形成标准辐射源(如积分球定标源、光谱扫描定标等)对遥感卫星相机进行定标；星上在轨定标主要是在卫星发射后在轨飞行期间利用星上定标灯或太阳、月球、恒星等外界辐射光源对遥感卫星相机进行定标；地面检校场在轨定标是通过量测地面铺设的标准反射率靶标的反射辐射特性对遥感卫星相机进行定标。

常用的绝对辐射校正方法，对于实验室定标数据与地面检校场在轨定标数据的使用是相互孤立的，一般在未开展地面检校场在轨定标之前采用实验室定标数据计算获得的定标系数进行校正，而在开展地面检校场在轨定标之后则直接采用地面检校场在轨定标数据计算获得的定标系数进行校正。

直接采用实验室定标数据计算获得的定标系数进行校正的方法局限性在于：由于卫星发射后在轨运行阶段与卫星发射前研制阶段相机的辐射响应特性可能存在差异，导致实验室辐射定标结果往往与卫星在轨运行时的相机辐射响应状态不一致，同时实验室辐射定标结果没有考虑地物特性、大气条件、太阳光照条件等外界环境因素的影响，导致实验室辐射定标结果用于卫星在轨运行期间的绝对辐射校正精度难以保证。

直接采用地面检校场在轨定标数据计算获得的定标系数进行校正的方法局限性在于：由于相机器件特性的限制，影像DN值与辐亮度之间往往是非线性关系，为此需要足够数量的样本点(对应于一定环境条件下不同反射率靶标所对应的标准辐亮度)才能够精确地描述这种非线性关系；而由于在轨靶标布设可行性、实用性、经济性等限制，地面检校场所布设靶标的反射率等级(对应于标准辐亮度等级)是有限的，往往不能满足精确描述DN值-辐亮度非线性关系的要求，因此将影像DN值直接转化为在轨辐亮度的绝对辐射校正方法往往校正精度不够，制约了定量反演精度的提升。

地面检校场在轨定标因靶标反射率等级设置较少往往难以精确地反映相机辐射响应的非线性特性，而实验室定标方法可以较为精确地描述相机辐射响应的非线性特性。为此，应综合利用实验室定标数据与在轨场地定标数据，将实验室定标能够精确描述相机响应非线性特性的优势与在轨场地定标能够真实反应卫星实际成像目标地物物理信息的优势结合起来。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于绝对辐射定标的多光谱影像辐射校正方法，能够提高遥感卫星多光谱影像的定量反演精度，使多光谱影像的色彩比例真实地反映地物实际光谱特性，减少或消除谱段间的色彩比例偏差。

本发明的技术解决方案是：一种基于绝对辐射定标的多光谱影像辐射校正方法，实现步骤如下：

(1)相对辐射校正

基于遥感卫星多光谱相机实验室相对定标系数，采用线性变换方法对多光谱原始影像逐谱段逐像元进行相对辐射校正，消除各CCD探测器单元即探元间的辐射响应不一致性，输出相对辐射校正影像；

(2)实验室绝对辐射定标

获取实验室积分球辐射定标源在不同遥感卫星多光谱相机的工作参数下的多级辐亮度与对应DN值，构建并输出实验室辐亮度-影像DN值查找表；

(3)基于实验室绝对定标结果的绝对辐射校正

获取步骤(1)得到的相对辐射校正影像成像时刻的遥感卫星多光谱相机的工作参数，基于该工作参数得到对应的实验室辐亮度-影像DN值查找表，通过分段线性插值方法计算各区间对应的实验室绝对辐射定标系数，同时获取相对辐射校正影像中各谱段各像元所在的实验室辐亮度-影像DN值区间，采用所在区间的实验室绝对定标系数对相对辐射校正影像逐谱段逐像元进行实验室绝对辐射校正，输出实验室绝对辐射校正影像；

(4)地面检校场在轨绝对辐射定标

获取地面检校场不同反射率靶标的在轨辐射定标野外测量数据并以此计算在轨辐亮度，同时获取靶标所在的采用步骤(3)方法处理得到的实验室绝对辐射校正影像，测量不同反射率靶标在该影像上对应的实验室辐亮度，构建并输出不同反射率靶标的在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表；

(5)基于在轨绝对定标结果的绝对辐射校正

获取步骤(3)得到的实验室绝对辐射校正影像成像时刻的遥感卫星多光谱相机的工作参数，基于该工作参数得到对应的在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表，通过分段线性插值方法计算各区间对应的在轨绝对辐射定标系数，同时获取实验室绝对辐射校正影像中各谱段各像元所在的在轨辐亮度-实验室辐亮度区间，采用所在区间的在轨绝对定标系数对实验室绝对辐射校正影像逐谱段逐像元进行在轨绝对辐射校正，输出在轨绝对辐射校正影像。

所述步骤(3)中具体实现如下：

(3.1)获取步骤(1)得到的相对辐射校正影像成像时的遥感卫星多光谱相机工作参数，所述工作参数包含积分级数、增益、积分时间、数字增益和箝位，并根据所述工作参数获取对应的步骤(2)得到的实验室辐亮度-影像DN值查找表；

(3.2)基于步骤(3.1)得到的实验室辐亮度-影像DN值查找表，获取各实验室辐亮度-影像DN值区间的实验室辐亮度上限与下限和对应的影像DN值上限与下限；

(3.3)根据步骤(3.2)得到的各区间实验室辐亮度上限与下限及对应的DN值上限与下限，以线性方程为数学模型，解算各区间辐亮度-DN值线性方程的系数，所述系数包括增益系数与偏置量系数，所述系数作为各区间实验室绝对辐射定标系数；

(3.4)获取步骤(1)得到的相对辐射校正影像中各谱段各像元的DN值，判断其在实验室辐亮度-影像DN值查找表中对应的实验室辐亮度-影像DN值区间，并进而获取所在区间的实验室绝对辐射定标系数；

(3.5)根据步骤(3.4)得到的包括增益系数与偏置量系数在内的实验室绝对辐射定标系数，采用线性变换方法计算该像元DN值对应的实验室辐亮度。

所述步骤(4)中具体实现如下：

(4.1)获取地面检校场不同反射率靶标的各谱段在轨辐射定标野外测量数据；

(4.2)根据在轨辐射定标野外测量数据计算地面检校场在轨定标各谱段各级反射率靶标的在轨辐亮度；

(4.3)获取靶标所在的采用步骤(3)方法处理得到的各谱段实验室绝对辐射校正影像；

(4.4)在靶标所在的实验室绝对辐射校正影像上，测量不同反射率靶标对应的实验室辐亮度；

(4.5)根据不同反射率靶标的地面检校场在轨辐亮度与实验室辐亮度的映射关系，构建在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表。

所述步骤(5)中具体实现如下：

(5.1)获取步骤(3)得到的实验室绝对辐射校正影像成像时的遥感卫星多光谱相机工作参数，所述工作参数包括积分级数、增益、积分时间、数字增益和箝位，并根据所述工作参数获取对应的步骤(4)得到的在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表；

(5.2)基于步骤(5.1)在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表，获取各在轨辐亮度-实验室辐亮度区间的在轨辐亮度上限与下限和对应的实验室辐亮度上限与下限；

(5.3)根据步骤(5.2)得到的各区间在轨辐亮度上限与下限和对应的实验室辐亮度上限与下限，以线性方程为数学模型，解算各区间在轨辐亮度-实验室辐亮度线性方程的系数，所述系数包括增益系数与偏置量系数，所述系数作为各区间在轨绝对辐射定标系数；

(5.4)获取步骤(3)得到的实验室绝对辐射校正影像中各谱段各像元的实验室辐亮度，判断实验室辐亮度在在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表中对应的在轨辐亮度-实验室辐亮度区间，并进而获取所在区间的在轨绝对辐射定标系数，所述系数包括增益系数与偏置量系数；

(5.5)根据步骤(5.4)得到的包括增益系数与偏置量系数在内的在轨绝对辐射定标系数，采用线性变换方法计算该像元实验室辐亮度对应的在轨辐亮度。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明通过实验室绝对辐射校正-在轨绝对辐射校正的逐级辐射校正过程，能够提高遥感卫星多光谱影像上的定量反演精度。本发明所采用的先期进行实验室绝对辐射校正，再进行在轨绝对辐射校正的方法，在实验室绝对辐射校正阶段，由于可设置与量测实验室标准辐亮度等级数量较多、因此能够精确描述影像DN值-辐亮度非线性关系的优势，将影像DN值精确转化为实验室辐亮度，消除非线性特性；在在轨绝对辐射校正阶段，由于影像表达方式转化为实验室辐亮度后以消除了非线性响应特性，因此实验室辐亮度与在轨辐亮度之间呈良好的线性关系，克服了标准在轨辐亮度量测样本数量少的缺陷，能够精确地将实验室辐亮度转化为在轨辐亮度，实现精确定量反演。

(2)本发明能够实现遥感卫星多光谱相机谱段间的色彩均衡，通过将多光谱影像的各谱段(色彩)比例关系由DN值间的关系转化为地物实际辐亮度间的关系，从而使多光谱影像的色彩比例真实地反映地物实际光谱特性，减少或消除某一个或某几个谱段间的色彩比例偏差。

(3)本发明能够较好地消除遥感卫星多光谱相机的非线性响应特性，传统的绝对辐射定标方法是采用线性方程对所有辐亮度-DN值(或在轨辐亮度-实验室辐亮度)进行线性拟合，解决所有辐亮度-DN值(或在轨辐亮度-实验室辐亮度)统一的绝对定标系数；这种方法对于相机的非线性响应存在很大局限性，在非线性相应部分上述绝对定标系数不能正确反映辐亮度-DN值(或在轨辐亮度-实验室辐亮度)间的关系；通过采用本发明的分段线性插值方法，分段解算辐亮度-DN值(或在轨辐亮度-实验室辐亮度)绝对定标系数，能够使系数解算结果与相机非线性响应部分变化趋势相吻合，消除非线性响应特性。

(4)本发明能够扩展遥感卫星多光谱相机的成像动态范围，相机辐亮度-DN值响应的非线性特性主要体现在高辐亮度(高DN值)部分，一般表现为辐亮度增大而DN值随之增大的速率显著降低，从而限制了相机的成像动态范围。通过绝对辐射校正，精确地消除相机响应的非线性特性，能够影像在DN值表达方式下原有的非线性部分转化为线性部分，从而扩展了相机的成像动态范围。

附图说明

图1为本发明的整体流程图；

图2为本发明的详细流程图；

图3为本发明的相对辐射校正流程图，对应于步骤(1)；

图4为本发明的实验室绝对辐射定标流程图，对应于步骤(2)；

图5为本发明的基于实验室绝对定标结果的绝对辐射校正流程图，对应于步骤(3)；

图6为本发明的地面检校场在轨绝对辐射定标流程图，对应于步骤(4)；

图7为本发明的基于在轨绝对定标结果的绝对辐射校正流程图，对应于步骤(5)；

图8为基于本发明步骤(2)所述的实验室绝对辐射定标方法构建的遥感卫星相机不同积分级数、同一积分时间工作参数条件下的实验室辐亮度-影像DN值查找表关系示意图，其中横轴表示影像DN值，纵轴表示实验室辐亮度，不同曲线分别对应不同的相机积分级数，图8表明本发明采用的实验室绝对辐射定标方法可以精确地反映相机辐射响应的非线性特性；

图9为基于本发明步骤(4)所述的在轨绝对辐射定标方法构建的遥感卫星相机在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表关系示意图，其中横轴表示在轨辐亮度，纵轴表示实验室辐亮度，各个子图分别对应相机的不同工作谱段，图9表明基于本发明所述方法计算得到的实验室辐亮度与在轨辐亮度之间呈良好的线性关系，本发明采用的在轨绝对辐射定标方法可以有效地消除相机辐射响应非线性特性，提高绝对辐射校正精度。

具体实施方式

下面结合图1-图9对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述，其中图1为本发明的整体流程图，图2为包含每一阶段详细实施步骤的详细流程图，图3-图7分别为各个阶段详细实施步骤的流程图，图8为基于本发明步骤(2)所述的实验室绝对辐射定标方法构建的遥感卫星相机实验室辐亮度-影像DN值查找表关系示意图，图9为基于本发明步骤(4)所述的在轨绝对辐射定标方法构建的遥感卫星相机在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表关系示意图：

(1)相对辐射校正如图3所示：基于遥感卫星多光谱相机实验室相对定标系数，采用线性变换方法对多光谱原始影像逐谱段逐像元进行相对辐射校正，消除各CCD探测器单元即探元间的辐射响应不一致性，输出相对辐射校正影像；

(1.1)获取相对定标系数：获取多光谱相机各谱段各探元的相对定标系数gain_{relative(k，i)}与offset_{relative(k，i)}，其中k表示相机谱段序号，i表示相机每一谱段CCD各探元序号；

(1.2)相对辐射校正：按照公式

DN_{relative(k，i)}＝gain_{relative(k，i)}·DN_orin(k，i)+offset_{relative(k，i)}对多光谱相机各谱段各像元的DN值进行校正，其中DN_orin(k，i)表示第k谱段的第i探元的原始DN值，DN_{relative(k，i)}表示第k谱段的第i探元的相对辐射校正后DN值。

(2)实验室绝对辐射定标如图4所示：获取实验室积分球辐射定标源在不同遥感卫星多光谱相机的工作参数下的多级辐亮度与对应DN值，构建并输出实验室辐亮度-影像DN值查找表(不同积分级数的相机实验室辐亮度-影像DN值查找表示意图如图8所示)；

(2.1)获取多光谱相机各谱段实验室绝对辐射定标数据，主要包括：

L_l(λ)——一定标准辐亮度等级随波长变化的实验室积分球在相机入瞳处的标准辐亮度(单位：W·m^-2·Sr^-1·μm^-1)，l为积分球标准辐亮度等级序号；

S_k(λ)一一随波长变化的各谱段相机光谱响应系数(多光谱相机所有谱段统一进行归一化处理)，k为谱段序号；

λ₁、λ₂——相机光谱响应范围的起、止波长(单位：μm)；

(2.2)根据定标数据计算实验室积分球各级辐亮度，具体公式如下：

$L_{(k,l)}={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{L}_l\left(\mathrm{\λ}\right)s_k\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

其中L_(k，1)为第k谱段第l辐亮度等级的相机实验室辐射定标标准辐亮度；

(2.3)根据定标数据计算实验室积分球第k谱段第l辐亮度等级的相机响应DN值，通常采用计算积分球某一辐亮度等级对应影像所有有效探元的平均DN值表示，记为DN_mean(k，l)，具体计算公式如下：

${\mathrm{DN}}_{\mathrm{mean}(k,l)}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{DN}}_{i(k,l)}}{n}$

其中DN_i(k，l)为第k谱段第l辐亮度等级第i探元的相机实验室定标成像响应DN值，n为某一谱段CCD探元总数；

(2.4)根据实验室积分球各级辐亮度与响应DN值的关系，构建实验室辐亮度-DN值查找表L_lab(k，l)-DN_mean(k，l)，即形成实验室积分球标准辐亮度向量L_lab(k，l)＝[L_(k，1)，L_(k，2)…L_(k，m)]与DN值向量DN_mean(k，l)＝[DN_meann(k，l)，DN_mean(k，2)…DN_mean(k，m)]之间的一一映射关系，其中m为积分球标准辐亮度等级个数。

(3)基于实验室绝对定标结果的绝对辐射校正如图5所示：获取步骤(1)得到的相对辐射校正影像成像时刻的遥感卫星多光谱相机的工作参数，基于该工作参数得到对应的实验室辐亮度-影像DN值查找表，通过分段线性插值方法计算各区间对应的实验室绝对辐射定标系数，同时获取相对辐射校正影像中各谱段各像元所在的实验室辐亮度-影像DN值区间，采用所在区间的实验室绝对定标系数对相对辐射校正影像逐谱段逐像元进行实验室绝对辐射校正，输出实验室绝对辐射校正影像；

(3.1)获取步骤(1)得到的相对辐射校正影像成像时的遥感卫星多光谱相机工作参数，所述工作参数包含积分级数、增益、积分时间、数字增益和箝位，并根据所述工作参数获取对应的步骤(2)得到的实验室辐亮度-影像DN值查找表L_lab(k，l)-DN_mean(k，l)，其中k为谱段序号，l为积分球标准辐亮度等级序号；

(3.2)基于步骤(3.1)得到的实验室辐亮度-影像DN值查找表L_lab(k，l)-DN_mean(k，l)，获取各实验室辐亮度-影像DN值区间的实验室辐亮度上限L_lab(k，t+1)与下限L_lab(k，t)和对应的影像DN值上限DN_{mean(k，t+1)}与下限DN_mean(k，t)，其中L_lab(k，l)＝[L_lab(k，1)，L_lab(k，2)…L_lab(k，m)]，DN_mean(k，l)＝[DN_mean(k，1)，DN_mean(k，2)…DN_mean(k，m)]，t为某一辐亮度-DN值区间下限所对应的辐亮度或DN值等级，m为积分球标准辐亮度等级个数；

(3.3)根据步骤(3.2)得到的各区间实验室辐亮度上限L_lab(k，t+1)与下限L_lab(k，t)及对应的DN值上限DN_{mean(k，t+1)}与下限DN_mean(k，t)，以线性方程为数学模型，解算各区间辐亮度-DN值线性方程的系数，所述系数包括增益系数gain_lab(k，t)与偏置量系数offset_lab(k，t)，所述系数作为各区间实验室绝对辐射定标系数，具体公式如下：

${\mathrm{gain}}_{\mathrm{lab}(k,t)}=\frac{L_{\mathrm{lab}(k,t+1)}-L_{\mathrm{lab}(k,t)}}{{\mathrm{DN}}_{\mathrm{mean}(k,t+1)}-{\mathrm{DN}}_{\mathrm{mean}(k,t)}}$

offse_tlab(k，t)＝L_lab(k，t)-gain_lab·DN_mean(k，t)

(3.4)获取步骤(1)得到的相对辐射校正影像中第k谱段第i像元的DN值DN_{relative(k，i)}，判断其在实验室辐亮度-影像DN值查找表中对应的实验室辐亮度-影像DN值区间[L_lab(k，t+1)，L_lab(k，t)]-[DN_mean(k，t)，DN_{mean(k，t+1)}]，并进而获取所在区间的实验室绝对辐射定标系数，所述系数包括增益系数gain_lab(k，t)与偏置量系数offset_lab(k，t)；

(3.5)根据步骤(3.4)得到的包括增益系数gain_lab(k，t)与偏置量系数offset_lab(k，t)在内的实验室绝对辐射定标系数，采用线性变换方法计算该像元DN值DN_{relative(k，i)}对应的实验室辐亮度L_{lab_abs_cali(k，i)}，具体公式如下：

L_{lab_abs_cali(k，i)}＝gain_lab(k，t)·DN_{relative(k，i)}+offset_lab(k，t)

(4)地面检校场在轨绝对辐射定标如图6所示：获取地面检校场不同反射率靶标的在轨辐射定标野外测量数据并以此计算在轨辐亮度，同时获取靶标所在的采用步骤(3)方法处理得到的实验室绝对辐射校正影像，测量不同反射率靶标在该影像上对应的实验室辐亮度，构建并输出不同反射率靶标的在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表(不同谱段的相机在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表示意图如图9所示)；

(4.1)获取地面检校场不同反射率靶标的各谱段在轨辐射定标野外测量数据，按照量测及在轨辐亮度计算方法不同，主要可分为反射率法、辐亮度法、辐照度法等，在实际应用中根据在轨定标所选择方法获取相应数据。

反射率方法要求在遥感卫星相机过顶时同步测量地面目标反射率因子和大气光学参量(如大气光学厚度、大气垂直柱水汽含量等)，然后利用辐射传输模型(考虑多次散射)计算出相机入瞳辐射度，主要定标数据包括：

L_s(λ)——波长λ处的相机入瞳辐射亮度，单位为W·m^-2·sr^-1·μm^-1；

d²——日地距离修正因子；

T_g(λ)——波长λ处向上和向下两方向的大气总吸收透过率；

ρ(λ)——波长λ处的地面双向反射率因子；

E_s(λ)——波长λ处的大气外太阳光谱辐照度，单位为W·m^-2·μm^-1；

μ_s——太阳天顶角θ_s的余弦(cosθ_s)；

μ_v——观测天底角θ_v的余弦(cosθ_v)；

E_d(λ)——波长λ处入射到地表的大气漫射辐照度，单位为W·m^-2·μm^-1；

τ′——太阳到地面方向的垂直大气散射光学厚度；

e-τ′/μ_s——太阳到地面方向的大气散射透过率；

τ″——地面到遥感卫星相机方向的垂直大气散射光学厚度；

e-τ′/μ_v——地面到遥感卫星相机方向的大气散射透过率；

L_p(λ)——波长λ处的大气路径散射辐射度，单位为W·m^-2·μm^-1；

辐亮度方法主要是采用经过严格光谱与辐射度定标的辐射计，通过航空平台实现与遥感卫星相机观测几何相似的同步测量，把机载辐射计测量的辐射度作为已知量去定标飞行中遥感卫星相机的测量辐射度，从而实现对遥感卫星相机的定标，主要定标数据包括：

L_airplane(λ)——波长λ处机载辐射计测量的相机入瞳辐亮度，单位为W·m^-2·sr^-1·μm^-1·

T_AP(λ)——波长λ处机载辐射计到遥感卫星相机间的大气总吸收透过率；

L_AP(λ)——波长λ处机载辐射计到遥感卫星相机间的大气路径散射辐射度，单位为W·m^-2·sr^-1·μm^-1；

其余所需定标数据与辐照度方法采用的数据一致；

辐照度方法(改进的反射率方法)利用地面测量的向下漫射与总辐照度值消除辐射传输模型中气溶胶模式假设的误差，计算出遥感卫星相机高度的表观反射率，进而确定出遥感卫星相机入瞳辐亮度，主要定标数据包括：

ρ_a(λ)——波长λ处的大气固有反射率；

α_s——太阳入射方向漫射辐射与总辐射照度之比；

α_v——卫星观测方向漫射辐射与总辐射照度之比；

其余所需定标数据与辐照度方法采用的数据一致；

(4.2)根据在轨辐射定标野外测量数据计算地面检校场在轨定标各谱段各级反射率靶标的在轨辐亮度L_orbit(k，r)，其中k为谱段序号，r为不同反射率等级靶标的等级序号，具体公式如下：

反射率法： $L_{\mathrm{orbit}(k,r)}=\frac{1}{\mathrm{\π}{d}^2}\left\{T_g\left(k\right)\mathrm{\ρ}\left(k\right)\right[{\mathrm{\μ}}_s{E}_s\left(k\right)e^{-{\mathrm{\τ}}^{\′}/{\mathrm{\μ}}_s}+E_d\left(k\right)e^{-{\mathrm{\τ}}^{\′\′}/{\mathrm{\μ}}_s}]+L_p\left(k\right)\},$

辐亮度法：L_orbit(k，r)＝L_airplane(k)T_AP(k)+L_AP(k)，

辐照度法： $L_{\mathrm{orbit}(k,r)}=\frac{1}{{\mathrm{\πd}}^2}{E}_s\left(k\right){\mathrm{\μ}}_s{T}_s\{{\mathrm{\ρ}}_a\left(k\right)+\frac{e^{-{\mathrm{\τ}}^{\′}/{\mathrm{\μ}}_s}}{1-{\mathrm{\α}}_s}\mathrm{\ρ}\left(k\right)[1-\mathrm{\ρ}\left(k\right)S\left(k\right)\left]\frac{e^{-{\mathrm{\τ}}^{\′\′}/{\mathrm{\μ}}_v}}{1-{\mathrm{\α}}_v}\right\};$

(4.3)获取靶标所在的采用步骤(3)方法处理得到的各谱段实验室绝对辐射校正影像；

(4.4)在靶标所在的实验室绝对辐射校正影像上，找到靶标所在位置，获取第k谱段第r级反射率靶标对应的实验室辐亮度L_lab(k，r)；

(4.5)根据不同反射率靶标的地面检校场在轨辐亮度L_orbit(k，r)与实验室辐亮度L_lab(k，r)的关系，构建在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表L_orbit(k，r)-L_lab(k，r)，即形成靶标在轨辐亮度向量L_orbit(k，r)＝[L_orbit(k，1)，L_orbit(k，2)…L_orbit(k，p)]与靶标实验室辐亮度向量L_lab(k，r)＝[L_lab(k，1)，L_lab(k，2)…L_lab(k，p)]之间的一一映射关系，其中p为靶标的标准反射率(每一反射率分别对应一实验室辐亮度和在轨辐亮度)等级个数。

(5)基于在轨绝对定标结果的绝对辐射校正如图7所示：获取步骤(3)得到的实验室绝对辐射校正影像成像时刻的遥感卫星多光谱相机的工作参数，基于该工作参数得到对应的在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表，通过分段线性插值方法计算各区间对应的在轨绝对辐射定标系数，同时获取实验室绝对辐射校正影像中各谱段各像元所在的在轨辐亮度-实验室辐亮度区间，采用所在区间的在轨绝对定标系数对实验室绝对辐射校正影像逐谱段逐像元进行在轨绝对辐射校正，输出在轨绝对辐射校正影像；

(5.1)获取步骤(3)得到的实验室绝对辐射校正影像成像时的遥感卫星多光谱相机工作参数，所述工作参数包括积分级数、增益、积分时间、数字增益和箝位，并根据所述工作参数获取对应的步骤(4)得到的在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表L_orbit(k，r)-L_lab(k，r)，其中k为谱段序号，r为靶标反射率等级序号；

(5.2)基于步骤(5.1)在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表L_orbit(k，r)-L_lab(k，r)，获取各在轨辐亮度-实验室辐亮度区间的在轨辐亮度上限L_{orbit(k，t+1)}与在轨辐亮度下限L_orbit(k，t)和对应的实验室辐亮度上限L_lab(k，t+1)与实验室辐亮度下限L_lab(k，t)，其中L_orbit(k，l)＝[L_orbit(k，1)，L_orbit(k，2)…L_orbit(k，p)]，L_lab(k，l)＝[L_lab(k，1)，L_lab(k，2)…L_lab(k，p)]，t为某一在轨辐亮度-实验室辐亮度区间下限所对应的在轨辐亮度或实验室辐亮度等级，p为靶标的标准反射率(每一反射率分别对应一实验室辐亮度和在轨辐亮度)等级个数；

(5.3)根据步骤(5.2)得到的各区间在轨辐亮度上限L_{orbit(k，t+1)}与下限L_orbit(k，t)和对应的实验室辐亮度上限L_lab(k，t+1)与下限L_lab(k，t)，以线性方程为数学模型，解算各区间在轨辐亮度-实验室辐亮度线性方程的系数，所述系数包括增益系数gain_orbit(k，t)与偏置量系数offset_orbit(k，t)，所述系数作为各区间在轨绝对辐射定标系数，具体公式如下：

${\mathrm{gain}}_{\mathrm{orbit}(k,t)}=\frac{L_{\mathrm{orbit}(k,t+1)}-L_{\mathrm{orbit}(k,t)}}{L_{\mathrm{lab}(k,t+1)}-L_{\mathrm{lab}(k,t)}}$

offset_orbit(k，t)＝L_orbit(k，t)-gain_orbit·L_lab(k，t)

(5.4)获取步骤(3)得到的实验室绝对辐射校正影像中第k谱段第i像元的实验室辐亮度L_{lab_abs_cali(k，i)}，判断实验室辐亮度L_{lab_abs_cali(k，i)}在在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表中对应的在轨辐亮度-实验室辐亮度区间[L_{orbit(k，t+1)}，L_orbit(k，t)]-[L_lab(k，t+1)，L_lab(k，t)]，并进而获取所在区间的在轨绝对辐射定标系数，所述系数包括增益系数gain_orbit(k，t)与偏置量系数offset_orbit(k，t)；

(5.5)根据步骤(5.4)得到的包括增益系数gain_orbit(k，t)与偏置量系数offset_orbit(k，t)在内的在轨绝对辐射定标系数，采用线性变换方法计算该像元实验室辐亮度对应的在轨辐亮度L_{orbit_abs_cali(k，i)}，具体公式如下：

L_{orbit_abs_cali(k，i)}＝gain_orbit(k，t)·L_{lab_abs_cali(k，i)}+offset_orbit(k，t)。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (2)

1.一种基于绝对辐射定标的多光谱影像辐射校正方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)相对辐射校正

基于遥感卫星多光谱相机实验室相对定标系数，采用线性变换方法对多光谱原始影像逐谱段逐像元进行相对辐射校正，消除各CCD探测器单元即探元间的辐射响应不一致性，输出相对辐射校正影像；

(2)实验室绝对辐射定标

获取实验室积分球辐射定标源在不同遥感卫星多光谱相机的工作参数下的多级辐亮度与对应DN值，构建并输出实验室辐亮度-影像DN值查找表；

(3)基于实验室绝对定标结果的绝对辐射校正

获取步骤(1)得到的相对辐射校正影像成像时刻的遥感卫星多光谱相机的工作参数，基于该工作参数得到对应的实验室辐亮度-影像DN值查找表，通过分段线性插值方法计算各区间对应的实验室绝对辐射定标系数，同时获取相对辐射校正影像中各谱段各像元所在的实验室辐亮度-影像DN值区间，采用所在区间的实验室绝对定标系数对相对辐射校正影像逐谱段逐像元进行实验室绝对辐射校正，输出实验室绝对辐射校正影像；

(4)地面检校场在轨绝对辐射定标

获取地面检校场不同反射率靶标的在轨辐射定标野外测量数据并以此计算在轨辐亮度，同时获取靶标所在的采用步骤(3)方法处理得到的实验室绝对辐射校正影像，测量不同反射率靶标在该影像上对应的实验室辐亮度，构建并输出不同反射率靶标的在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表；

(5)基于在轨绝对定标结果的绝对辐射校正

获取步骤(3)得到的实验室绝对辐射校正影像成像时刻的遥感卫星多光谱相机的工作参数，基于该工作参数得到对应的在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表，通过分段线性插值方法计算各区间对应的在轨绝对辐射定标系数，同时获取实验室绝对辐射校正影像中各谱段各像元所在的在轨辐亮度-实验室辐亮度区间，采用所在区间的在轨绝对定标系数对实验室绝对辐射校正影像逐谱段逐像元进行在轨绝对辐射校正，输出在轨绝对辐射校正影像；

所述步骤(3)中具体实现如下：

(3.1)获取步骤(1)得到的相对辐射校正影像成像时的遥感卫星多光谱相机工作参数，所述工作参数包含积分级数、增益、积分时间、数字增益和箝位，并根据所述工作参数获取对应的步骤(2)得到的实验室辐亮度-影像DN值查找表；

(3.2)基于步骤(3.1)得到的实验室辐亮度-影像DN值查找表，获取各实验室辐亮度-影像DN值区间的实验室辐亮度上限与下限和对应的影像DN值上限与下限；

(3.3)根据步骤(3.2)得到的各区间实验室辐亮度上限与下限及对应的DN值上限与下限，以线性方程为数学模型，解算各区间辐亮度-DN值线性方程的系数，所述系数包括增益系数与偏置量系数，所述系数作为各区间实验室绝对辐射定标系数；

(3.4)获取步骤(1)得到的相对辐射校正影像中各谱段各像元的DN值，判断其在实验室辐亮度-影像DN值查找表中对应的实验室辐亮度-影像DN值区间，并进而获取所在区间的实验室绝对辐射定标系数；

(3.5)根据步骤(3.4)得到的包括增益系数与偏置量系数在内的实验室绝对辐射定标系数，采用线性变换方法计算该像元DN值对应的实验室辐亮度。

2.根据权利要求1所述的基于绝对辐射定标的多光谱影像辐射校正方法，其特征在于：所述步骤(5)中具体实现如下：

(5.1)获取步骤(3)得到的实验室绝对辐射校正影像成像时的遥感卫星多光谱相机工作参数，所述工作参数包括积分级数、增益、积分时间、数字增益和箝位，并根据所述工作参数获取对应的步骤(4)得到的在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表；

(5.2)基于步骤(5.1)在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表，获取各在轨辐亮度-实验室辐亮度区间的在轨辐亮度上限与下限和对应的实验室辐亮度上限与下限；

(5.3)根据步骤(5.2)得到的各区间在轨辐亮度上限与下限和对应的实验室辐亮度上限与下限，以线性方程为数学模型，解算各区间在轨辐亮度-实验室辐亮度线性方程的系数，所述系数包括增益系数与偏置量系数，所述系数作为各区间在轨绝对辐射定标系数；

(5.4)获取步骤(3)得到的实验室绝对辐射校正影像中各谱段各像元的实验室辐亮度，判断实验室辐亮度在在轨辐亮度-实验室辐亮度查找表中对应的在轨辐亮度-实验室辐亮度区间，并进而获取所在区间的在轨绝对辐射定标系数，所述系数包括增益系数与偏置量系数；

(5.5)根据步骤(5.4)得到的包括增益系数与偏置量系数在内的在轨绝对辐射定标系数，采用线性变换方法计算该像元实验室辐亮度对应的在轨辐亮度。