CN105676208B - 一种机载高光谱遥感数据光度校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机载高光谱数据的光度校正方法，针对地表二向性引起的多航带影像之间产生的波浪状辐亮度值异常进行校正，实现机载高光谱影像数据的无缝拼接，具体包括以下七个步骤：步骤一：原始数据读入；步骤二：影像角度参数计算；步骤三：辐亮度与传感器观测角拟合；步骤四：校正系数计算；步骤五：光度校正；步骤六：多航带数据无缝拼接。所述光度校正方法是基于航空高光谱数据辐亮度值与传感器天顶角间的函数关系，对原始数据进行逐行光度校正，具有运算量小，精度高等优点，可实现对于航空高光谱数据的无缝拼接。

Description

一种机载高光谱遥感数据光度校正方法
【技术领域】
本发明涉及一种批量化的机载高光谱遥感数据光度校正方法，属于高光谱遥感光度校正领域，它适用于对机载高光谱遥感数据进行光度校正，以消除由于地表二向性效应引起的辐亮度值异常，实现机载高光谱影像数据的无缝拼接。
【背景技术】
遥感技术发展经历了全色、彩色摄影、多光谱扫描阶段之后，高光谱遥感技术的出现成为20世纪80年代遥感技术的最大成就之一。目前，机载高光谱设备已在国内矿产资源勘查领域进行广泛的应用，并取得了丰硕的成果。然而由于地表目标的非朗伯体特性，反射光在空间中的分布往往是不均一的，即光谱特性随太阳与传感器高度角与方位角变化，使得沿垂直飞行方向上辐射亮度值往往差异较大，短时间内获取影像在航带内部，尤其航带间呈现出明显的波浪状异常，直接影响影像数据的拼接和表达，同时造成一些含量较小的矿物弱异常会淹没在地表二向性效应所致的条带噪声中。
目前，光度校正在行星探测中应用较多，在对地观测中也有类似的应用，但主要以卫星数据为主。然而，对于机载高光谱数据来说，相关研究和应用案例较少。为此，本发明开发了一种光度校正方法，对机载高光谱数据辐亮度值进行校正，实现影像的无缝拼接，降低矿物检出限。
【发明内容】
1.目的：本发明目的是提供一种机载高光谱数据的光度校正方法，针对地表二向性引起的多航带影像之间产生的波浪状辐亮度值异常进行校正，实现机载高光谱影像数据的无缝拼接。
2.技术方案：本发明一种机载高光谱遥感数据光度校正方法，包括以下七个步骤：
步骤一：原始数据读入
原始数据主要包括三种，第一种是影像数据，即原始获取的未经几何校正的辐亮度数据；第二种是信息类数据，包括飞行高度和传感器GPS航迹；第三种是影像坐标数据。以上三种数据均由传感器获取数据时一并获取，为已知数据，均用于后续计算。
步骤二：影像角度参数计算
某一单航带高光谱数据具有m行，n列，αi为SS方向上任意行数据的平均传感器观测角，i＝1……m。通过传感器航迹的GPS文件和影像坐标数据，根据三角函数定律计算出第i行数据上任意像元与传感器间的距离li，传感器的飞行高度h已知，可根据公式(1)计算出任意行的传感器观测角αi。
步骤三：辐亮度与传感器观测角拟合
设定△Fαi为单航带内平行SS方向上任意行数据的平均辐亮度值，则单航带内m行数据的平均辐亮度数据与对应传感器观测角之间存在以下关系：
△Fαi＝Aαi 2+Bαi+C (2)
方程中i＝1……m，△Fαi已知，可通过反演求出任意观测角度下的A,B,C方程系数。
步骤四：校正系数计算
设△Fi(α＝0)为星下点处任意行数据的拟合平均辐亮度值，即通过公式(2)计算出当传感器观测角为0时，对应任意行数据的平均辐亮度值，通过步骤三中求得的m行数据对应的方程系数A,B,C，可求出m行数据的△Fi(α＝0)值。
由于传感器在获取数据时是实时运动的过程，传感器观测角的不断变化造成获取数据辐亮度值的不同。在此，通过将获取数据的传感器观测统一校正到星下点处αi＝0，来实现航空高光谱数据的光度校正。
Ki＝△Fαi/△Fi(α＝0) (3)
K为校正系数，Ki则表示在任意给定的传感器观测角的行数据的光度校正系数。
步骤五：光度校正
第i行数据中，任意像元点处的辐亮度值为Fi(x,y)，该点的光度校正后的辐亮度值为Fci(x,y)，则满足关系式：
Fci(x,y)＝Fi(x,y)/Ki (4)
其中Fi(x,y)已知，带入步骤四中求出的Ki，可对单航带机载高光谱数据进行逐点光度校正。
步骤六：多航带数据无缝拼接
重复步骤二到步骤五，可求出各个航带光度校正后的辐亮度数据，进行几何校正、镶嵌拼接(无需做匀色处理)后，可获得多航带影像的无缝拼接数据。
本发明优点及功效：本发明一种机载高光谱遥感数据光度校正方法，基于航空高光谱数据辐亮度值与传感器天顶角间的函数关系，对原始数据进行逐行光度校正，具有运算量小，精度高等优点，可实现对于航空高光谱数据的无缝拼接。
【附图说明】
图1为本发明的流程图。
图2为单航带数据辐亮度值与观测角拟合曲线图。
图3为单航带数据光度校正前后效果对比图。
图4为多航带数据光度校正前拼接效果图。
图5为多航带数据光度校正后无缝拼接效果图。
【具体实施方式】
图1说明了本发明的基本方法流程，为了更好地说明该方法的实现，以新疆东天山地区HyMap机载高光谱数据为例，进行光度校正实验。
(1)试验所用的设备为图形工作站，规格型号为Dell Precision t7600，操作系统为Windows7(64位)，CPU为2.66GHz，内容为32GB，硬盘为1T。
(2)具体步骤如下：
步骤一：原始数据读入
实验数据采用中国国土资源航空物探遥感中心于2002年10月15日使用HyMap机载高光谱成像光谱获取的东天山地区高光谱数据，实验数据共包含四个航带。除搜集影像数据外，还准备了包括飞行高度、传感器GPS航迹影像坐标数据。
步骤二：影像角度参数计算
首先，通过传感器航迹的GPS文件和影像坐标信息，根据三角函数定律计算出第i行数据上任意像元与传感器间的距离li，传感器的飞行高度h已知，可根据公式(1)计算出任意行的传感器观测角αi。
步骤三：辐亮度与传感器观测角拟合
由于单航带内平行SS方向上任意行数据的平均辐亮度值△Fαi与αi满足如下关系式：
△Fαi＝Aαi 2+Bαi+C (2)
通过拟合求出任意观测角度αi下对应的A,B,C方程系数，附图2展示了实验数据中第一行带的△Fαi与αi函数拟合情况。
步骤四：校正系数计算
将αi＝0，带入步骤三中的公式(2)，可计算出当传感器观测角为0时，对应任意行数据的平均辐亮度值△Fi(α＝0)。
通过将获取数据的传感器观测统一校正到星下点处(αi＝0)，来实现航空高光谱数据的光度校正。
Ki＝△Fαi/△Fi(α＝0) (3)
将求得的△Fi(α＝0)带入公式(3)中，可求出任意给定的传感器观测角的行数据的光度校正系数Ki。
步骤五：光度校正
第i行数据中，任意像元点处的辐亮度值为Fi(x,y)，将步骤四种求得的Ki带入公式(4)中，求得任意像元点处光度校正后的辐亮度值为Fci(x,y)。
Fci(x,y)＝Fi(x,y)/Ki (4)
根据公式(4)对单航带内高光谱数据进行逐点计算，可求得单航带光度校正后的辐亮度数据。如附图3所示，经过光度校正的数据在垂直SS方向上的辐亮度值差异变小，在视觉上显示更平滑。
步骤六：多航带数据无缝拼接
重复步骤二到步骤五，分别求出四个航带光度校正后的辐亮度数据，利用步骤一中获取的glt文件，对各航带辐亮度数据进行几何校正，最后通过镶嵌拼接(无需做匀色处理)可获得多航带影像的无缝拼接数据通过镶嵌拼接形成最终的多航带无缝拼接数据。附图4展示了未经光度校正处理的多航带数据拼接后的效果，从中可明显的看出由于辐亮度值异常产生的条带间的波浪状条纹。附图5展示了经过光度校正处理后多航带数据无缝拼接的效果，与附图4对比，其拼接效果有了极大的改善。

Claims (1)

1.一种机载高光谱遥感数据光度校正方法，包括以下七个步骤：
步骤一：原始数据读入
原始数据包括三种，第一种是影像数据，即原始获取的未经几何校正的辐亮度数据；第二种是信息类数据，包括飞行高度和传感器GPS航迹；第三种是影像坐标数据；以上三种数据均由传感器获取数据时一并获取，为已知数据，均用于后续计算；
步骤二：影像角度参数计算
某一单航带高光谱数据具有m行，n列，αi为SS方向上任意行数据的平均传感器观测角，i＝1……m；通过传感器航迹的GPS文件和影像坐标数据，根据三角函数定律计算出第i行数据上任意像元与传感器间的距离li，传感器的飞行高度h已知，根据公式(1)计算出任意行的传感器观测角αi；
<mrow> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>arctan</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>l</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>/</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mi>n</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
步骤三：辐亮度与传感器观测角拟合
设定△Fαi为单航带内平行SS方向上任意行数据的平均辐亮度值，则单航带内m行数据的平均辐亮度数据与对应传感器观测角之间存在以下关系：
△Fαi＝Aαi 2+Bαi+C (2)
公式(2)中i＝1……m，△Fαi已知，通过反演求出任意观测角度下的A,B,C方程系数；
步骤四：校正系数计算
设△Fi(α＝0)为星下点处任意行数据的拟合平均辐亮度值，通过公式(2)计算出当传感器观测角为0时，对应任意行数据的平均辐亮度值，通过步骤三中求得的m行数据对应的方程系数A,B,C，求出m行数据的△Fi(α＝0)值；
由于传感器在获取数据时是实时运动的过程，传感器观测角的不断变化造成获取数据辐亮度值的不同；通过将获取数据的传感器观测统一校正到星下点处αi＝0，来实现航空高光谱数据的光度校正；
Ki＝△Fαi/△Fi(α＝0) (3)
K为校正系数，Ki则表示在任意给定的传感器观测角的行数据的光度校正系数；
步骤五：光度校正
第i行数据中，任意像元点处的辐亮度值为Fi(x,y)，该点的光度校正后的辐亮度值为Fci(x,y)，则满足关系式：
Fci(x,y)＝Fi(x,y)/Ki (4)
其中Fi(x,y)已知，带入步骤四中求出的Ki，对单航带机载高光谱数据进行逐点光度校正；
步骤六：多航带数据无缝拼接
重复步骤二到步骤五，求出各个航带光度校正后的辐亮度数据，进行几何校正、镶嵌拼接后，获得多航带影像的无缝拼接数据。
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