CN104914424A - 同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法。该方法包括：通过大气辐射传输模型模拟大气层顶部1纳米分辨率的辐射亮度；以发射前光谱定标参数为初值,通过优化算法不断调整光谱定标参数,并计算对应的传感器入瞳辐射亮度L1；获取待反演定标参数的高光谱DN值图像；根据发射前辐射定标参数和高光谱DN值图像计算对应的辐射亮度L2；对L1和L2分别进行导数计算，并对两个求导结果分别进行归一化处理、包络线去除处理和计算光谱角处理，以处理结果为基础，采用优化算法迭代对比L1和L2的差别，直到优化满足预设条件，此时的待反演参数即为反演结果。通过本发明，能够实现在轨高光谱传感器辐射定标参数和光谱定标参数的同步反演。

Description

同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法

技术领域

本发明涉及遥感传感器技术领域，具体而言，特别涉及同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法。

背景技术

在轨传感器的性能指标评价，主要用于对在轨运行的高光谱传感器的性能指标进行监测，包括辐射定标参数(增益和偏移)和光谱定标参数(中心波长和波段宽度)，数据生产商或用户根据定标的结果进行遥感数据生产和处理，保证遥感数据本身的准确性和可靠性。

传感器平台(星载或空载)的抖动、仪器老化及周围环境的变化使得在轨传感器辐射及光谱定标参数较发射前的实验室测量的初始值会发生变化，如不及时纠正，则会影响所接收的遥感图像的质量和准确性，只有准确定标后的数据才能被正确使用，用户才能从图像上获得可靠的信息。

对传感器定标而言，辐射定标和光谱定标二者理论上应该同步进行，因为辐射地表的参数在光谱定标的时候需要，而光谱定标的参数值辐射定标的时候也需要，二者相互影响,需要同步反演。

目前，已有的技术辐射定标相对比较成熟，通常利用地面靶标进行在轨传感器增益和偏移参数的反演，基于此可以将遥感图像的数字值(DN，DigitalNumber)转换成具有物理意义的辐射亮度；而光谱定标则更多的研究只反演中心波长的偏移，不考虑波段宽度。此外，在进行辐射定标和光谱定标时，二者定标过程是相互独立的，独立定标将导致所得的辐射定标参数和光谱定标参数都不准确，影响数据质量。

针对现有技术中定标方法得到的辐射定标参数和光谱定标参数准确性较低的问题，目前尚未提出有效的解决方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法，以解决现有技术中定标方法得到的辐射定标参数和光谱定标参数准确性较低的问题。

依据本发明的一个方面，提供了一种同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法。该方法包括：通过大气辐射传输模型模拟大气层顶部1纳米分辨率的辐射亮度；根据发射前实验室测量的传感器的光谱定标参数计算传感器的入瞳辐射亮度L1；获取待反演定标参数的高光谱DN值图像；根据发射前实验室测量的传感器的辐射定标参数和高光谱DN值图像计算高光谱DN值图像的辐射亮度L2；对L1和L2分别进行导数计算，依次得到第一求导结果和第二求导结果；对第一求导结果分别进行归一化处理、包络线去除处理和计算光谱角处理，依次得到第一归一化结果a1、第一包络线去除结果b1和第一计算光谱角结果c1；对第二求导结果分别进行归一化处理、包络线去除处理和计算光谱角处理，依次得到第二归一化结果a2、第二包络线去除结果b2和第二计算光谱角结果c2；以a1、b1、c1、a2、b2、c2为基础，采用优化算法迭代对比L1和L2的差别，迭代过程中优化算法自动调整待反演参数，直到L1和L2的差别满足预设条件，此时的待反演参数即为反演结果，其中，待反演参数包括增益、偏移、中心波长和波段宽度。

进一步地，通过大气辐射传输模型模拟大气层顶部1纳米分辨率的辐射亮度具体为：以预设的大气温度、湿度、气溶胶能见度以及在轨传感器的角度和太阳的角度为驱动数据，驱动大气辐射传输模型模拟大气层顶部1纳米分辨率的辐射亮度。

进一步地，在驱动大气辐射传输模型模拟大气层顶部1纳米分辨率的辐射亮度时，地表的反射率设置为0.1-0.3之间的常数。

进一步地，大气辐射传输模型为MODTRAN5大气辐射传输模型。

进一步地，根据发射前实验室测量的传感器的光谱定标参数计算传感器的入瞳辐射亮度L1具体为：以发射前实验室测量的传感器的光谱定标参数为初值，对模拟得到的1纳米分辨率的辐射亮度采用高斯函数进行卷积计算，得到传感器的入瞳辐射亮度L1。

进一步地，根据发射前辐射定标参数和高光谱DN值图像计算对应的辐射亮度L2具体为：利用发射前实验室测量的传感器的辐射定标参数对高光谱DN值图像进行辐射定标，得到高光谱DN值图像的辐射亮度L2。

进一步地，预设条件为由a1与a2的均方根误差、b1与b2的均方根误差、c1与c2的均方根误差构成的三个均方根误差之和最小。

通过本发明，提供了一种同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法，在该方法中，通过大气辐射传输模型模拟大气层顶部1纳米分辨率的辐射亮度，然后根据发射前实验室测量的传感器的光谱定标参数、辐射定标参数分别计算传感器的入瞳辐射亮度L1和待反演定标参数的高光谱图像的辐射亮度L2，再对L1和L2分别进行导数计算后归一化处理、包络线去除处理和计算光谱角处理，最后对处理结果利用优化算法迭代计算，当L1和L2的差别达到最小时即为反演结果，也即增益、偏移、中心波长和波段宽度，从而实现在轨传感器辐射定标参数(增益和偏移)和光谱定标参数(中心波长和波段宽度)的同步反演，弥补已有技术只能确定部分参数的缺陷，为生产高质量遥感数据提供了技术保障。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明第一实施例的同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法的流程图；

图2是根据本发明第二实施例的同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。需要指出的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

首先，本发明实施例一提供了一种同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法，参见图1，该方法可以包括以下步骤：

步骤S102：通过大气辐射传输模型模拟大气层顶部1纳米分辨率的辐射亮度。

其中，可以预设的大气温度、湿度、气溶胶能见度以及在轨传感器的角度和太阳的角度为驱动数据，驱动MODTRAN5大气辐射传输模型模拟大气层顶部1纳米分辨率的辐射亮度，模拟过程中，地表的反射率设置为0.1-0.3之间的常数。

步骤S104：根据发射前实验室测量的传感器的光谱定标参数计算传感器的入瞳辐射亮度L1。

具体地，以发射前实验室测量的传感器的光谱定标参数为初值，对模拟得到的辐射亮度采用高斯函数进行卷积计算，得到传感器的入瞳辐射亮度L1。

步骤S106：获取待反演定标参数的高光谱DN值图像。

步骤S108：根据发射前实验室测量的传感器的辐射定标参数和高光谱DN值图像计算高光谱DN值图像的辐射亮度L2。

具体地，利用发射前实验室测量的传感器的辐射定标参数对高光谱DN值图像进行辐射定标，得到高光谱DN值图像的辐射亮度L2。

步骤S110：对L1和L2分别进行导数计算，依次得到第一求导结果和第二求导结果。

步骤S112：对第一求导结果分别进行归一化处理、包络线去除处理和计算光谱角处理，依次得到第一归一化结果a1、第一包络线去除结果b1和第一计算光谱角结果c1。

步骤S114：对第二求导结果分别进行归一化处理、包络线去除处理和计算光谱角处理，依次得到第二归一化结果a2、第二包络线去除结果b2和第二计算光谱角结果c2。

步骤S116：以a1、b1、c1、a2、b2、c2为基础，采用优化算法迭代对比L1和L2的差别，迭代过程中优化算法自动调整待反演参数，直到L1和L2的差别满足预设条件，此时的待反演参数即为反演结果。

其中，待反演参数包括增益、偏移、中心波长和波段宽度，预设条件为由a1与a2的均方根误差、b1与b2的均方根误差、c1与c2的均方根误差构成的三个均方根误差之和最小。

采用该实施例，能够实现在轨高光谱传感器辐射定标参数(增益和偏移)和光谱定标参数(中心波长和波段宽度)的同步反演，弥补已有技术只能确定部分参数的缺陷，为生产高质量遥感数据提供了技术保障。

实施例二

该实施例为在实施例一的基础上进一步优选的同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法，参见图2，该方法可以包括以下步骤：

高光谱传感器由于波段宽度较窄对中心波长与波段宽度的变化比较敏感，尤其在大气吸收波段周围光谱定标参数的变化会在光谱辐射亮度中明显体现出来，这为利用吸收波段反演高光谱辐射和光谱定标参数提供了可能。本技术要同时反演的参数共4个，即，辐射定标参数：增益和偏移，光谱定标参数：中心波长和波段宽度。

(1)设定典型大气温度、湿度、气溶胶能见度以及传感器和太阳的角度驱动MODTRAN5大气辐射传输模型模拟大气层顶部高分辨(1纳米)辐射亮度。具体模拟过程中地表的反射率设置为0.1-0.3之间的常数；

(2)以先前实验室测量的传感器光谱定标参数为初值，采用高斯函数模拟得到传感器入瞳辐射亮度L1；

(3)利用先前实验室的辐射定标参数对待反演定标参数的高光谱DN值图像进行定标，得到辐射亮度L2；

(4)将L1和L2分别进行导数计算并归一化、包络线去除以及计算光谱角三种处理，以处理后的数据为基础，采用优化算法迭代对比L1和L2的差别，迭代过程中优化算法自动调整待反演参数(增益、偏移、中心波长和波段宽度)，直到L1和L2之间的均方根误差最小(上述三种处理方式的均方根误差之和最小)，此时所得到增益、偏移、中心波长和波段宽度4个参数即为反演结果。

采用该实施例，首次实现在轨高光谱传感器增益、偏移、中心波长以及波段宽度共4个性能参数的同步反演技术；同时，该技术操作简单，不受地表类型限制，反演过程也无需实时的地面靶标测量数据，仅依靠遥感图像即可实现在轨传感器定标参数监测。

从以上各实施例的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：同时实现在轨高光谱传感器辐射定标参数(增益和偏移)和光谱定标参数(中心波长和波段宽度)的反演，监测传感器的性能变化，以便根据性能参数的变化调整遥感数据处理方法，为生产质量可靠的遥感数据提供技术保障。

需要说明的是，上述装置或系统实施例属于优选实施例，所涉及的单元和模块并不一定是本申请所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于本申请的装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法，其特征在于，包括：

通过大气辐射传输模型模拟大气层顶部1纳米分辨率的辐射亮度；

根据发射前实验室测量的所述传感器的光谱定标参数计算所述传感器的入瞳辐射亮度L1；

获取待反演定标参数的高光谱DN值图像；

根据发射前实验室测量的所述传感器的辐射定标参数和所述高光谱DN值图像计算所述高光谱DN值图像的辐射亮度L2；

对L1和L2分别进行导数计算，依次得到第一求导结果和第二求导结果；

对所述第一求导结果分别进行归一化处理、包络线去除处理和计算光谱角处理，依次得到第一归一化结果a1、第一包络线去除结果b1和第一计算光谱角结果c1；

对所述第二求导结果分别进行归一化处理、包络线去除处理和计算光谱角处理，依次得到第二归一化结果a2、第二包络线去除结果b2和第二计算光谱角结果c2；

以a1、b1、c1、a2、b2、c2为基础，采用优化算法迭代对比L1和L2的差别，迭代过程中优化算法自动调整待反演参数，直到L1和L2的差别满足预设条件，此时的待反演参数即为反演结果，其中，所述待反演参数包括增益、偏移、中心波长和波段宽度。

2.根据权利要求1所述的同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法，其特征在于，通过大气辐射传输模型模拟大气层顶部1纳米分辨率的辐射亮度具体为：

以预设的大气温度、湿度、气溶胶能见度以及在轨传感器的角度和太阳的角度为驱动数据，驱动大气辐射传输模型模拟大气层顶部1纳米分辨率的辐射亮度。

3.根据权利要求2所述的同时反演在高光谱轨传感器辐射及光谱定标参数的方法，其特征在于，在驱动大气辐射传输模型模拟大气层顶部1纳米分辨率的辐射亮度时，地表的反射率设置为0.1-0.3之间的常数。

4.根据权利要求3所述的同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法，其特征在于，所述大气辐射传输模型为MODTRAN5大气辐射传输模型。

5.根据权利要求1所述的同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法，其特征在于，根据发射前实验室测量的所述传感器的光谱定标参数计算所述传感器的入瞳辐射亮度L1具体为：

以发射前实验室测量的所述传感器的光谱定标参数为初值，对模拟得到的1纳米分辨率的辐射亮度采用高斯函数进行卷积计算，得到所述传感器的入瞳辐射亮度L1。

6.根据权利要求1所述的同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法，其特征在于，根据发射前实验室测量的所述传感器的辐射定标参数和所述高光谱DN值图像计算所述高光谱DN值图像的辐射亮度L2具体为：

利用发射前实验室测量的所述传感器的辐射定标参数对所述高光谱DN值图像进行辐射定标，得到所述高光谱DN值图像的辐射亮度L2。

7.根据权利要求1所述的同时反演在轨高光谱传感器辐射及光谱定标参数的方法，其特征在于，所述预设条件为由a1与a2的均方根误差、b1与b2的均方根误差、c1与c2的均方根误差构成的三个均方根误差之和最小。