CN109253976B - 基于光感模块的高光谱实时辐射定标方法 - Google Patents

基于光感模块的高光谱实时辐射定标方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于光感模块的高光谱实时辐射定标方法，方法包括：标准数据采集：得到第一白板DN值和第一光感值；实际作业数据采集：得到地物DN值和第二光感值；地物反射率的计算：利用所述第一白板DN值与所述第一光感值，建立第一光感值与第一白板DN值两者之间的关系模型，通过所述关系模型，计算出实际作业中所述第二光感值对应的第二白板DN值，通过所述第二白板DN值与所述地物DN值，计算出每个采样点所对应的地物反射率。本发明可以通过实现光感值实时计算得到采样点对应的白板值，并且可以大大提高野外实际光谱采样作业的效率，提高采样点反射率的计算精度，对野外实际作业具有重要的意义。

Description

基于光感模块的高光谱实时辐射定标方法
技术领域
本发明属于高光谱辐射定标领域，涉及一种基于光感模块的高光谱实时辐射定标方法。
背景技术
地物反射率的计算过程中需要用到白板反射的DN值，地物反射率的采集过程中，需要在每次更换地物目标前重新采集白板DN值，且在环境条件(例如云层覆盖、湿度变化、太阳高度角变化等)发生较大变化时重新进行白板DN 值的采集。该方法已经非常普及，但是在野外实际光谱采集的过程中存在诸多不便之处，例如地面不平坦导致白板无法水平放置、地面采样点多造成光谱采集效率低下、环境因素变化太大导致白板DN值采集次数过多等。
目前野外低空辐射定标存在着以下方面的不足：
(1)基于地面实测数据的辐射定标，需要携带专业仪器过多，例如标准白板、地物光谱仪等，而且需要同步测量数据。
(2)在环境发生较大变化时需加大白板DN值的采集频率，实际光谱采集过程中采样点较多的情况下还会造成采样效率低下等影响，在很多时候不能满足实际需要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于光感模块的高光谱实时辐射定标方法，其特征在于，包括步骤：
标准数据采集，包括步骤：
在多种环境状况下，利用第一高光谱仪和标准白板连续采集至少一组高光谱数据，得到第一白板DN值，同时，同步采集第一光感模块记录的第一光感值，其中高光谱数据的组数要大于实际作业收集的组数；
实际作业数据采集，包括步骤：
利用第二高光谱仪采集实地地物的高光谱数据，得到地物DN值；
在采集实地地物的高光谱数据同时，利用第二光感模块同步采集天空光的第二光感值；
地物反射率的计算，包括步骤：
利用所述第一白板DN值与所述第一光感值，建立第一光感值与第一白板DN值两者之间的关系模型；
通过所述关系模型，计算出实际作业中所述第二光感值对应的第二白板DN值；
通过所述第二白板DN值与所述地物DN值，计算出每个采样点所对应的地物反射率。
优选地，所述第一高光谱仪和第二高光谱仪，其波段范围为337.563nm-822.397nm，波宽0.4nm，包含1024个波段。
优选地，所述第一光感模块和第二光感模块，包含四个波段，分别为蓝光波段、绿光波段、红光波段、全色波段。
优选地，所述利用所述第一白板DN值与所述第一光感值，建立第一光感值与第一白板DN值两者之间的关系模型，进一步为，关系模型公式为：
X＝(A′A+λI)-1(A′L+λX′)
其中，X为第一白板DN值，A为1024个波段对应的4个光感值的系数矩阵，A′为A的逆矩阵，L为第一光感值，λ为超参数，设置为10，I 为单位矩阵，X′为从已有数据中找出与待计算光感模块值时刻最近的白板 DN值。
优选地，所述通过所述第二白板DN值与所述地物DN值，计算出每个采样点所对应的地物反射率，进一步为，地物反射率计算公式为：
Figure GDA0002750424080000021
优选地，所述标准白板的平均反射率为73％。
优选地，所述利用第一高光谱仪和标准白板连续采集至少一组高光谱数据，得到第一白板DN值，同时，同步采集第一光感模块记录的第一光感值，进一步为，将所述第一光感模块向上对准太阳，第一高光谱仪向下垂直对准标准白板，进行光感值与高光谱数据同步采集。
优选地，所述利用第二高光谱仪采集实地地物的高光谱数据，得到地物DN值；在采集实地地物的高光谱数据同时，利用第二光感模块同步采集天空光的第二光感值，进一步为，将第二光感模块安装在无人机上方，收集第二光感值，将第二高光谱仪安装在无人机垂直下方，采集实地地物高光谱数据，两者同时进行。
与现有技术相比，本发明提供的基于光感模块的高光谱实时辐射定标方法，达到如下有益效果：
第一，发明通过已知标准数据，得出光感模块与白板DN值之间的关系系数，可以实现光感值实时计算得到采样点对应的白板值。
第二，本发明可以大大提高野外实际光谱采样作业的效率，提高采样点反射率的计算精度，对野外实际作业具有重要的意义。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1中基于光感模块的高光谱仪实时辐射定标方法的流程图；
图2为本发明实施例2中基于光感模块的高光谱仪实时辐射定标方法的蓝光波段敏感度系数图；
图3为本发明实施例2中基于光感模块的高光谱仪实时辐射定标方法的绿光波段敏感度系数图；
图4为本发明实施例2中基于光感模块的高光谱仪实时辐射定标方法的红光波段敏感度系数图；
图5为本发明实施例2中基于光感模块的高光谱仪实时辐射定标方法的全色波段敏感度系数图；
图6为本发明实施例3中基于光感模块的高光谱仪实时辐射定标方法的实施例的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应注意到，所描述的实施例实际上仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，且实际上仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
实施例1：
参见图1所示为本申请所述基于光感模块的高光谱仪实时辐射定标方法的具体实施例，该方法包括：
步骤101、标准数据采集，包括步骤：
在晴天、阴天、多云等不同的天气情况以及一天中不同太阳高度角的情况下，利用第一高光谱仪和标准白板连续采集至少一组高光谱数据，得到第一白板DN值，同时，同步采集第一光感模块记录的第一光感值，其中高光谱数据的组数要大于实际作业收集的组数；
步骤102、实际作业数据采集，包括步骤：
利用第二高光谱仪采集实地地物的高光谱数据，得到地物DN值；
在采集实地地物的高光谱数据同时，利用第二光感模块同步采集天空光的第二光感值；
步骤103、地物反射率的计算，包括步骤：
利用所述第一白板DN值与所述第一光感值，建立第一光感值与第一白板DN值两者之间的关系模型；
通过所述关系模型，计算出实际作业中所述第二光感值对应的第二白板DN值；
通过所述第二白板DN值与所述地物DN值，计算出每个采样点所对应的地物反射率。
实施例2：
本实施例提供了基于光感模块的高光谱仪实时辐射定标方法，该方法包括：
步骤201、标准数据采集，包括步骤：
在晴天、阴天、多云等不同的天气情况以及一天中不同太阳高度角的情况下，利用第一高光谱仪和标准白板连续采集至少一组高光谱数据，得到第一白板DN值，同时，同步采集第一光感模块记录的第一光感值，其中高光谱数据的组数要大于实际作业收集的组数；
该步骤201中，利用第一高光谱仪和标准白板连续采集至少一组高光谱数据，得到第一白板DN值，同时，同步采集第一光感模块记录的第一光感值，具体为，将所述第一光感模块向上对准太阳，第一高光谱仪向下垂直对准标准白板，进行光感值与高光谱数据同步采集。
步骤202、实际作业数据采集，包括步骤：
利用第二高光谱仪采集实地地物的高光谱数据，得到地物DN值；
在采集实地地物的高光谱数据同时，利用第二光感模块同步采集天空光的第二光感值；
该步骤202中，利用第二高光谱仪采集实地地物的高光谱数据，得到地物DN值；在采集实地地物的高光谱数据同时，利用第二光感模块同步采集天空光的第二光感值，具体为，将第二光感模块安装在无人机上方，收集第二光感值，将第二高光谱仪安装在无人机垂直下方，采集实地地物高光谱数据，两者同时进行。
本实施例中用到的仪器有第一高光谱仪和第二高光谱仪，其波段范围为337.563nm-822.397nm，波宽0.4nm，包含1024个波段；第一光感模块和第二光感模块，包含四个波段，分别为蓝光波段、绿光波段、红光波段、全色波段；本实验中所采用的标准白板的平均反射率为73％。
步骤203、地物反射率的计算，包括步骤：
利用所述第一白板DN值与所述第一光感值，建立第一光感值与第一白板DN值两者之间的关系模型；
通过所述关系模型，计算出实际作业中所述第二光感值对应的第二白板DN值；
通过所述第二白板DN值与所述地物DN值，计算出每个采样点所对应的地物反射率。
上述步骤203中，利用所述第一白板DN值与所述第一光感值，建立第一光感值与第一白板DN值两者之间的关系模型，进一步为，关系模型公式为：
X＝(A′A+λI)-1(A′L+λX′)
其中，X为第一白板DN值，A为1024个波段对应的4个光感值的系数矩阵，A′为A的逆矩阵，L为第一光感值，λ为超参数，设置为10，I 为单位矩阵，X′为从已有数据中找出与待计算光感模块值时刻最近的白板 DN值。
其中具体推算方法如下：
蓝光波段的光感值对应是波长337.563nm-559.937nm波段的反射率在敏感度上的积分值：
Figure GDA0002750424080000061
ɑ482＝0，ɑ483＝0，…，ɑ1024＝0；
满足ɑ1≥0，ɑ2≥0，…，ɑ481≥0，舍弃约数；
一条光感值可以列1个方程，超过481数据可以求得蓝光波段敏感度系数ɑi。
同理绿光波段的光感值对应是波长401.308nm-619.945nm波段的反射率在敏感度上的积分值:
Figure GDA0002750424080000062
求得绿光波段敏感度系数bi，见图4。
红光波段的光感值对应是波长549.996nm-749.933nm波段的反射率在敏感度上的积分值：
Figure GDA0002750424080000063
求得红光波段敏感度系数ci。
全色clear波段的光感值对应是波长337.563nm-822.397nm波段的反射率在敏感度上的积分值：
Figure GDA0002750424080000064
求得全色波段敏感度系数di。
利用前期采集到的标准白板值进行计算，拟合出蓝光(blue)波段敏感度系数见图2，拟合出绿光(green)波段敏感度系数见图3，拟合出红光 (red)波段敏感度系数见图4，拟合出全色(clear)波段敏感度系数见图5。其中图2-图5中横坐标是波长(Wavelengths)，纵坐标是波段敏感度系数(Sensitivity Ratio)。
通过方程：AX＝L，
其中
Figure GDA0002750424080000071
可知从4个方程解1024个未知数X，由于未知数X前后时刻非常相关，可以从已有数据中找出与要求时刻最近的1024个波段值X′(如果没有，则为上次求得X)。其中本次实验采用的查找方法为马氏距离法。
则得出第一白板DN值与第一光感值关系模型公式为：
X＝(A′A+λI)-1(A′L+λX′)
其中，X为第一白板DN值，A为1024个波段对应的4个光感值的系数矩阵，A′为A的逆矩阵，L为第一光感值，I为单位矩阵，λ为超参数，设置为10，X′为从已有数据中找出与待计算光感模块值时刻最近的白板 DN值。
上述步骤203中，通过所述第二白板DN值与所述地物DN值，计算出每个采样点所对应的地物反射率，进一步为，地物反射率计算公式为：
Figure GDA0002750424080000072
实施例3
参见图6 所示为本申请所述基于光感模块的高光谱仪实时辐射定标方法的具体实施例，该方法包括：
步骤301、将光感模块向上对准太阳、高光谱仪向下垂直对准白板，放在没有任何遮挡的地方进行数据采集。数据采集频率为1条/min，采集时间大约为每天上午9点至下午五点(该时间尽量大于随后的实际作业时间范围)。
步骤302、安装同样的光感模块在无人机上。无人机飞行过程中向上通过光感模块采集光感值，无人机上搭载的高光谱仪垂直向下采集地物反射值，两者同时进行。
步骤303、通过步骤301中采集的数据建立光感模块与白板DN值之间的关系系数，建立模型。
步骤304、通过步骤303中建立的模型实时计算无人机飞行过程中采集得到的光感值，得出与其对应的白板值。
步骤305、计算反射率时，每一个采样点均对应一个白板值，用该白板值参与地物反射率的计算。
通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是：
第一，发明通过已知标准数据，得出光感模块与白板DN值之间的关系系数，可以实现光感值实时计算得到采样点对应的白板值。
第二，本发明可以大大提高野外实际光谱采样作业的效率，提高采样点反射率的计算精度，对野外实际作业具有重要的意义。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种基于光感模块的高光谱实时辐射定标方法，其特征在于，包括步骤：
标准数据采集，包括步骤：
在多种环境状况下，利用第一高光谱仪和标准白板连续采集至少一组高光谱数据，得到第一白板DN值，同时，同步采集第一光感模块记录的第一光感值，其中高光谱数据的组数要大于实际作业收集的组数；
实际作业数据采集，包括步骤：
利用第二高光谱仪采集实地地物的高光谱数据，得到地物DN值；
在采集实地地物的高光谱数据同时，利用第二光感模块同步采集天空光的第二光感值；
地物反射率的计算，包括步骤：
利用所述第一白板DN值与所述第一光感值，建立第一光感值与第一白板DN值两者之间的关系模型；
通过所述关系模型，计算出实际作业中所述第二光感值对应的第二白板DN值；
通过所述第二白板DN值与所述地物DN值，计算出每个采样点所对应的地物反射率；
其中，所述第一光感值和所述第二光感值对应的是波长波段的反射率在敏感度上的积分值。
2.根据权利要求1所述的基于光感模块的高光谱实时辐射定标方法，其特征在于，所述第一高光谱仪和第二高光谱仪，其波段范围为337.563nm-822.397nm，波宽0.4nm，包含1024个波段。
3.根据权利要求1所述的基于光感模块的高光谱实时辐射定标方法，其特征在于，所述第一光感模块和第二光感模块，包含四个波段，分别为蓝光波段、绿光波段、红光波段、全色波段。
4.根据权利要求1所述的基于光感模块的高光谱实时辐射定标方法，其特征在于，所述利用所述第一白板DN值与所述第一光感值，建立第一光感值与第一白板DN值两者之间的关系模型，进一步为，关系模型公式为：
X＝(A′A+λI)-1(A′L+λX′)
其中，X为第一白板DN值，A为1024个波段对应的4个光感值的系数矩阵，A′为A的逆矩阵，L为第一光感值，λ为超参数，设置为10，I为单位矩阵，X′为从已有数据中找出与待计算光感模块值时刻最近的白板DN值。
5.根据权利要求1所述的基于光感模块的高光谱实时辐射定标方法，其特征在于，所述通过所述第二白板DN值与所述地物DN值，计算出每个采样点所对应的地物反射率，进一步为，地物反射率计算公式为：
Figure FDA0002750424070000021
6.根据权利要求1所述的基于光感模块的高光谱实时辐射定标方法，其特征在于，所述标准白板的平均反射率为73％。
7.根据权利要求1所述的基于光感模块的高光谱实时辐射定标方法，其特征在于，所述利用第一高光谱仪和标准白板连续采集至少一组高光谱数据，得到第一白板DN值，同时，同步采集第一光感模块记录的第一光感值，进一步为，将所述第一光感模块向上对准太阳，第一高光谱仪向下垂直对准标准白板，进行光感值与高光谱数据同步采集。
8.根据权利要求1所述的基于光感模块的高光谱实时辐射定标方法，其特征在于，所述利用第二高光谱仪采集实地地物的高光谱数据，得到地物DN值；在采集实地地物的高光谱数据同时，利用第二光感模块同步采集天空光的第二光感值，进一步为，将第二光感模块安装在无人机上方，收集第二光感值，将第二高光谱仪安装在无人机垂直下方，采集实地地物高光谱数据，两者同时进行。
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