CN110487406A - 基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法及系统,涉及高光谱辐射定标技术领域,方法包括:搭建模拟数据采集平台,选取模拟数据采集平台测得的训练样本,通过多项式拟合的方式建立第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系,根据第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系得到体现下行辐射光谱数据与参考板反射光谱数据对应关系的系数矩阵A;在实际测量被测物的反射率时,通过光敏元件和高光谱仪测量得到的数据,结合系数矩阵A和被测物光谱反射率计算公式,即可计算得到被测物光谱反射率。实测被测物反射率过程中无需携带参考板并对参考板进行测量,既有利于简化近地或低空高光谱遥感测量流程,又有利于降低测量误差,提升测量精度。
Description
技术领域
本申请涉及高光谱辐射定标技术领域,具体地说,涉及一种基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法及系统。
背景技术
二十一世纪以来,地球自然灾害频发,例如全球变暖、地震、海啸等。空间遥感技术可以对地球环境、资源分布等进行精确的测量。遥感数据的精度直接决定了人们对地球环境的认知程度。精确的辐射定标可以保证遥感数据对地球环境预测的准确性。
高光谱遥感技术可应用于对光谱反射率的计算领域。高光谱遥感在计算光谱反射率的过程中需要对下行辐射强度进行测量,传统的技术实现方法之一是采用反射率已知的参考板,包括白板、灰板等,对参考板的反射光谱进行直接测量,结合参考板和待测物的测量数据,得到待测物的反射率。此类方法的缺点是当需要测量待测物的反射率时,需要一直携带参考板,测量参考板的反射光谱,增加操作复杂度,并且不能保证参考板与目标待测物接受的下行辐射一致,尤其是复杂天气条件下,下行辐射变化很快,容易导致反射率测量误差。
发明内容
有鉴于此,本申请提供一种基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法及系统,既有利于简化近地或低空高光谱遥感测量流程,又有利于降低测量误差,提升测量精度。
为了解决上述技术问题,本申请有如下技术方案:
第一方面,本申请提供一种基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法,包括:
搭建模拟数据采集平台,所述模拟数据采集平台包括至少3个不同波段的光敏元件、高光谱仪和参考板,所述参考板平行于地面放置,沿垂直于地面的方向,所述高光谱仪位于所述光敏元件和所述参考板之间,所述光敏元件位于所述高光谱仪远离地面的一侧;
将所述至少3个不同波段的光敏元件的探测方向调整为朝向天空的方向,并将高光谱仪的探测方向调整为朝向所述参考板;
在同一测量时间段,利用光敏元件对下行辐射的光谱数据进行测量,得到多个第一光谱数据;同时利用高光谱仪对参考板的反射光谱数据进行测量,得到多个第二光谱数据;
选取一定量的所述第一光谱数据和所述第二光谱数据作为训练样本,通过多项式拟合的方式建立第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系,根据第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系得到体现下行辐射光谱数据与参考板反射光谱数据对应关系的系数矩阵A;
当测量被测物光谱反射率数据时:
搭建实测数据采集平台,所述实测数据采集平台包括至少3个不同波段的光敏元件、高光谱仪和被测物,所述被测物平行于地面放置,沿垂直于地面的方向,所述高光谱仪位于所述光敏元件和所述被测物之间,所述光敏元件位于所述高光谱仪远离地面的一侧;
在同一测量时间段,利用所述至少3个不同波段的光敏元件对当前测量条件下的下行辐射对应的光谱数据进行测量,得到多个第三光谱数据;同时利用高光谱仪对当前测量条件下被测物的反射光谱数据进行测量,得到当前测量条件下被测物的反射光谱数据;
将测量得到的所述第三光谱数据代入所述系数矩阵中,计算得到当前测量条件下的参考板反射光谱数据;
对所述被测物的反射光谱数据与所述参考板反射光谱数据进行比值运算,计算得到被测物光谱反射率Ref1024,其中,为高光谱仪测得的被测物反射光谱DN值,为根据光敏元件测量的光谱数据模拟得出的参考板反射光谱的DN值,Ref0为获取训练样本时采用的参考板的反射率,Ref0为固定值。
可选地,其中:
所述模拟数据采集平台和所述实测数据采集平台分别包括4个不同波段的光敏元件,分别为红光波段光敏元件、绿光波段光敏元件、蓝光波段光敏元件和全波段光敏元件;所述高光谱仪所能探测的光谱范围为全波段;所述红光波段对应的中心波长为620nm,所述绿光波段对应的中心波长为530nm,所述蓝光波段对应的中心波长为460nm,所述全波段对应的敏感光谱范围为330nm-840nm。
可选地,其中:
所述高光谱仪包括1024个光谱通道,所述高光谱仪测量的参考板的反射光谱数据对应1024个波段,当采用二次多项式进行拟合时,根据光敏元件测量的光谱数据模拟得出的参考板反射光谱的DN值的计算方法为:
其中,m为光敏元件测得的DN值数据的组数,A1024×15为所述体现下行辐射光谱数据与参考板反射光谱数据对应关系的系数矩阵,S15×m为光敏元件数据矩阵,S15×m是根据光敏元件测得的m组DN值数据计算得到的。
可选地,其中:
所述通过多项式拟合的方式建立第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系进一步为:
当采用二次多项式进行拟合时,1024个波段中任意波段i的光谱DN值可表示为:
DNi=ai,1+ai,2R+ai,3G+ai,4B+ai,5C+ai,6RG+ai,7RB+ai,8RC+ai,9GB+ai,10GC+ai,11BC+ai,12R2+ai,13G2+ai,14B2+ai,15C2
其中,ai,1…ai,15为多项式系数,R,G,B,C分别代表红光波段光敏元件、绿光波段光敏元件、蓝光波段光敏元件、全波段光敏元件四个光敏元件测量的DN值;综合考虑1024个波段,得出高光谱仪测得的光谱DN值与光敏元件的DN值之间的关系为:
其中A代表系数矩阵,S代表列向量。
可选地,其中:
根据第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系得到体现下行辐射光谱数据与参考板反射光谱数据对应关系的系数矩阵A,具体为:
在进行二次多项式拟合的过程中,假设有n组高光谱仪测得的光谱DN值DN1024×n和n组光敏元件对应的光谱数据;
对光敏元件对应的光谱数据进行计算,每一组光敏元件计算出一个列向量S,形成光敏元件数据S15×n;
根据DN=AS,可得到系数矩阵A的计算结果为:A1024×15=DN1024×n/S15×n。
第二方面,本申请还提供一种基于多项式拟合的高光谱辐射定标系统,包括数据采集平台,所述数据采集平台包括至少3个不同波段的光敏元件、高光谱仪、参考板、被测物和处理器,所述光敏元件和所述高光谱仪分别与所述处理器电连接;所述参考板或所述被测物平行于地面放置,沿垂直于地面的方向,所述高光谱仪位于所述光敏元件和所述参考板之间,所述光敏元件位于所述高光谱仪远离地面的一侧;
所述至少3个不同波段的光敏元件的探测方向为朝向天空的方向,所述高光谱仪的探测方向为朝向所述参考板的方向;
当测量体现下行辐射光谱数据与参考板反射光谱数据对应关系的系数矩阵A时,在同一测量时间段,所述光敏元件用于对下行辐射的光谱数据进行测量,得到多个第一光谱数据,并将所述第一光谱数据发送至所述处理器;同时,所述高光谱仪用于对参考板的反射光谱数据进行测量,得到多个第二光谱数据,并将所述第二光谱数据发送至所述处理器;所述处理器用于选取一定量的所述第一光谱数据和所述第二光谱数据作为训练样本,通过多项式拟合的方式建立第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系,根据第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系得到体现下行辐射光谱数据与参考板反射光谱数据对应关系的系数矩阵A;
当测量被测物光谱反射率数据时,在同一测量时间段,所述至少3个不同波段的光敏元件用于对当前测量条件下的下行辐射对应的光谱数据进行测量,得到第三光谱数据;同时利用高光谱仪对当前测量条件下被测物的反射光谱数据进行测量,得到当前测量条件下被测物的反射光谱数据;所述处理器用于将测量得到的所述第三光谱数据代入所述系数矩阵中,计算得到当前测量条件下的参考板反射光谱数据,并用于对所述被测物的反射光谱数据与所述参考板反射光谱数据进行比值运算,计算得到被测物光谱反射率Ref1024,其中,为高光谱仪测得的被测物反射光谱DN值,为根据光敏元件测量的光谱数据模拟得出的参考板反射光谱的DN值,Ref0为获取训练样本时采用的参考板的反射率,Ref0为固定值。
可选地,其中:
所述数据采集平台包括4个不同波段的光敏元件,分别为红光波段光敏元件、绿光波段光敏元件、蓝光波段光敏元件和全波段光敏元件;所述高光谱仪所能探测的光谱范围为全波段;所述红光波段对应的中心波长为620nm,所述绿光波段对应的中心波长为530nm,所述蓝光波段对应的中心波长为460nm,所述全波段对应的敏感光谱范围为330nm-840nm。
与现有技术相比,本申请所述的基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法及系统,达到了如下效果:
本申请所提供的基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法及系统中,在测量被测物光谱反射率数据之前,先通过至少3个不同波段的光敏元件对下行辐射进行测量,并通过高光谱仪对参考板的光谱数据进行测量,建立光敏元件的测量数据与高光谱仪的测量数据之间的关系,得到体现下行辐射光谱数据与参考板反射光谱数据对应关系的系数矩阵A,以此作为后续进行反射率测量的基础。在实际测量被测物光谱反射率数据时,无需再携带参考板,而是直接测量下行辐射对应的光谱数据和被测物的反射光谱数据再结合系数矩阵即可得到被测物的反射光谱数据,省去了实际测量反射率过程中测量参考板光谱的步骤,从而有利于简化反射率测量过程中的操作复杂度,提升测量操作效率。而且,利用至少3个不同波段的光敏元件对下行辐射对应的光谱数据进行测量,使拟合出的参考板的反射光谱与待测物的反射光谱一一对应,可解决高光谱遥感过程中因光照条件变化而引起的反射率测量误差,因而有利于提升反射率的测量精度。
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所示为本申请实施例所提供的基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法的一种流程示意图;
图2所示为模拟数据采集平台的一种结构示意图;
图3所示为实测数据采集平台的一种结构示意图;
图4是本申请实施例中计算被测物反射率数据的一种计算流程图;
图5所示为光敏元件的波段选择示意图;
图6所示为本申请实施例所提供的基于多项式拟合的高光谱辐射定标系统的一种结构示意图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解,硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式,而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语,故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内,本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题,基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式,然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的,并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
高光谱遥感在计算光谱反射率的过程中需要对下行辐射强度进行测量,传统的技术实现方法之一是采用反射率已知的参考板,包括白板、灰板等,对参考板的反射光谱进行直接测量,结合参考板和待测物的测量数据,得到待测物的反射率。此类方法的缺点是当需要测量待测物的反射率时,需要一直携带参考板,测量参考板的反射光谱,增加操作复杂度,并且不能保证参考板与目标待测物接受的下行辐射一致,尤其是复杂天气条件下,下行辐射变化很快,容易导致反射率测量误差。
有鉴于此,本申请提供一种基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法及系统,既有利于简化近地或低空高光谱遥感测量流程,又有利于降低测量误差,提升测量精度。
以下将结合附图和具体实施例进行详细说明。
图1所示为本申请实施例所提供的基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法的一种流程示意图,请参见图1,本申请提供一种基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法,包括:
步骤101、搭建模拟数据采集平台201,如图2所示,图2所示为模拟数据采集平台201的一种结构示意图,该模拟数据采集平台201包括至少3个不同波段的光敏元件10、高光谱仪20和参考板30,参考板30平行于地面放置,沿垂直于地面的方向,高光谱仪20位于光敏元件10和参考板30之间,光敏元件10位于高光谱仪20远离地面的一侧;需要说明的是,至少3个不同波段的光敏元件10的敏感波段的选择应结合高光谱仪20的波段进行选择,光敏元件10的敏感波段优选均匀分布于高光谱仪20的全波段范围内,从而使得后续光谱数据的拟合过程更为精确;
步骤102、将至少3个不同波段的光敏元件10的探测方向调整为朝向天空的方向,并将高光谱仪20的探测方向调整为朝向参考板30;需要说明的是,光敏元件10和参考板30均能够接受太阳直射,不受遮挡,二者能够接受到相同的光照条件;
步骤103、在同一测量时间段,利用光敏元件10对下行辐射的光谱数据进行测量,得到多个第一光谱数据;同时利用高光谱仪20对参考板30的反射光谱数据进行测量,得到多个第二光谱数据;需要说明的是,在保证探测条件的情况下,第一光谱数据和第二光谱数据的数据量应尽量充分,涵盖不同太阳高度角和不同天气状况下的测量数据,从而使得后续得到的训练样本更为精确,得到的系数矩阵能够涵盖不同太阳角度不同天气状况的情形;
步骤104、选取一定量的第一光谱数据和第二光谱数据作为训练样本,通过多项式拟合的方式建立第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系,根据第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系得到体现下行辐射光谱数据与参考板30反射光谱数据对应关系的系数矩阵A;
当测量被测物光谱反射率数据时:
步骤201、搭建实测数据采集平台202,如图3所示,图3所示为实测数据采集平台202的一种结构示意图,实测数据采集平台202包括至少3个不同波段的光敏元件10、高光谱仪20和被测物40,被测物40平行于地面放置,沿垂直于地面的方向,高光谱仪20位于光敏元件10和被测物40之间,光敏元件10位于高光谱仪20远离地面的一侧;也就是说,实测数据采集平台202不再包含参考板30,在实际测量被测物40的反射率时,无需再携带反射板并反复测量反射板的光谱数据,从而有利于简化测量过程;需要说明的是,实测数据采集平台202与模拟数据采集平台201相比,相当于将模拟数据采集平台201中的参考板30替换为被测物40,其他相对位置关系均保持不变,两种数据采集平台中所采用的高光谱仪20和光敏元件10均相同。
步骤202、在同一测量时间段,利用至少3个不同波段的光敏元件10对当前测量条件下的下行辐射对应的光谱数据进行测量,得到多个第三光谱数据;同时利用高光谱仪20对当前测量条件下被测物40的反射光谱数据进行测量,得到当前测量条件下被测物40的反射光谱数据;
步骤203、将测量得到的第三光谱数据代入系数矩阵中,计算得到当前测量条件下的参考板30反射光谱数据。
步骤204、对被测物40的反射光谱数据与参考板30反射光谱数据进行比值运算,计算得到被测物40光谱反射率Ref1024,其中,为高光谱仪20测得的被测物40反射光谱DN值,为根据光敏元件10测量的光谱数据模拟得出的参考板30反射光谱的DN值,Ref0为获取训练样本时采用的参考板30的反射率,Ref0为固定值。
具体地,请结合图1至图4,通过上述步骤101~步骤104,搭建模拟数据采集平台201,计算体现下行辐射光谱数据与参考板30反射光谱数据对应关系的系数矩阵A,这个过程能够为后续反射率的计算提供依据,这个过程是在实际测量被测物40光谱反射率数据之前进行的。在实际测量被测物40反射率数据时,通过步骤201直接搭建实测数据采集平台202即可,无需再携带参考板30,也无需对参考板30的光谱数据进行测量,而是直接利用光敏元件10对当前测量条件下的下行辐射对应的光谱数据进行测量得到第三光谱数据,同时利用高光谱仪20对当前测量条件下的被测物40的反射光谱数据进行测量,得到被测物40的反射光谱数据;最后结合系数矩阵、第三光谱数据和被测物40的反射光谱数据以及公式即可得到被测物40反射率。
进一步地,请结合图2至图4,其中,图4是本申请实施例中计算被测物40反射率数据的一种计算流程图,模拟数据采集平台201中,光敏元件10对下行辐射的DN值采集过程和高光谱仪20对参考板30的反射光谱的采集过程是同时进行的,拟合出的系数矩阵作为后续被测物40反射率数据计算的基础。采用实测数据采集平台202计算被测物40反射率数据时,光敏元件10对下行辐射的DN值采集过程和高光谱仪20对被测物40的反射光谱的采集过程是同时进行的,通过光敏元件10测量得到的下行辐射的DN值与系数矩阵,可拟合出参考板30反射光谱数据,进而计算得到被测物40反射率数据。
上述方法中,在测量被测物40光谱反射率数据之前,先通过至少3个不同波段的光敏元件10对下行辐射进行测量,并通过高光谱仪20对参考板30的光谱数据进行测量,建立光敏元件10的测量数据与高光谱仪20的测量数据之间的关系,得到体现下行辐射光谱数据与参考板30反射光谱数据对应关系的系数矩阵A,以此作为后续进行反射率测量的基础。在实际测量被测物40光谱反射率数据时,无需再携带参考板30,而是直接测量下行辐射对应的光谱数据和被测物40的反射光谱数据再结合系数矩阵即可得到被测物40的反射光谱数据,省去了实际测量反射率过程中测量参考板光谱的步骤,从而有利于简化反射率测量过程中的操作复杂度,提升测量操作效率。而且,利用至少3个不同波段的光敏元件10对下行辐射对应的光谱数据进行测量,使拟合出的参考板30的反射光谱与待测物的反射光谱一一对应,可解决高光谱遥感过程中因光照条件变化而引起的反射率测量误差,因而有利于提升反射率的测量精度。
可选地,模拟数据采集平台201和实测数据采集平台202分别包括4个不同波段的光敏元件10,分别为红光波段光敏元件、绿光波段光敏元件、蓝光波段光敏元件和全波段光敏元件;高光谱仪20所能探测的光谱范围为全波段;红光波段对应的中心波长为620nm,绿光波段对应的中心波长为530nm,蓝光波段对应的中心波长为460nm,全波段对应的敏感光谱范围为330nm-840nm。
具体地,请参见图5,图5所示为光敏元件10的波段选择示意图,本申请引入的4个不同波段的光敏元件10的光谱涵盖了R波段、G波段、B波段和Clear波段(即全波段),使得不同光敏元件10的敏感光谱范围涵盖了对应高光谱仪20探测的全波段光谱,从而使得利用光敏元件10测量得到的数据波段范围与高光谱仪20的波段范围保持一致,利用光敏元件10测得的数据拟合高光谱仪20中由不同波段构成的光谱数据时,拟合过程更为精确。
需要说明的是,本实施例仅以4个不同波段的光敏元件为例进行说明,在本申请的一些其他实施例中,模拟数据采集平台201和实测数据采集平台202还可包括更多个不同波段的光敏元件,只要不同光敏元件的敏感光谱范围能够涵盖高光谱仪探测的全波段光谱即可,本申请对光敏元件的具体数量不做限定。
可选地,高光谱仪20包括1024个光谱通道,高光谱仪20测量的参考板30的反射光谱数据对应1024个波段,当采用二次多项式进行拟合时,根据光敏元件10测量的光谱数据模拟得出的参考板30反射光谱的DN值的计算方法为:
其中,m为光敏元件10测得的DN值数据的组数,A1024×15为体现下行辐射光谱数据与参考板30反射光谱数据对应关系的系数矩阵,S15×m为光敏元件10数据矩阵,S15×m是根据光敏元件10测得的m组DN值数据计算得到的。
需要说明的是,上述方法仅给出了采用二次多项式进行拟合时的计算方法,除采用二次多项式进行拟合外,还可采用三次多项式或更多次的多项式进行拟合,三次多项式拟合与二次多项式拟合相比,将系数矩阵由二次多项式的A1024×15变为三次多项式A1024×31的即可,在此不再进行具体说明。在进行二次多项式拟合的过程中,假设有m组训练样本,即高光谱仪20测量出m组光谱数据,光敏元件10对应测量出m组光敏元件10数据,先对光敏元件10数据进行初步计算,每一组光敏元件10可计算出一个列向量S,如此即可形成光敏元件10数据矩阵S15×m。
接下来将说明如何获得体现下行辐射光谱数据与参考板30反射光谱数据对应关系的系数矩阵A1024×15。
可选地,上述步骤104中,通过多项式拟合的方式建立第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系进一步为:
当采用二次多项式进行拟合时,1024个波段中任意波段i的光谱DN值可表示为:
DNi=ai,1+ai,2R+ai,3G+ai,4B+ai,5C+ai,6RG+ai,7RB+ai,8RC+ai,9GB+ai,10GC+ai,11BC+ai,12R2+ai,13G2+ai,14B2+ai,15C2
其中,ai,1…ai,15为多项式系数,R,G,B,C分别代表红光波段光敏元件10、绿光波段光敏元件10、蓝光波段光敏元件10、全波段光敏元件10四个光敏元件10测量的DN值;综合考虑1024个波段,得出高光谱仪20测得的光谱DN值与光敏元件10的DN值之间的关系为:
其中A代表系数矩阵,S代表列向量。
在通过上述方法得到高光谱仪20测得的光谱DN值与光敏元件10的DN值之间的关系的基础上,可选地,上述步骤104中,根据第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系得到体现下行辐射光谱数据与参考板30反射光谱数据对应关系的系数矩阵A,具体为:
在进行二次多项式拟合的过程中,假设有n组高光谱仪20测得的光谱DN值DN1024×n和n组光敏元件10对应的光谱数据;
对光敏元件10对应的光谱数据进行计算,每一组光敏元件10计算出一个列向量S,形成光敏元件10数据S15×n;
根据DN=AS,可得到系数矩阵A的计算结果为:A1024×15=DN1024×n/S15×n。
以上即完成了系数矩阵的计算,在实际测量被测物40反射率数据的过程中,可通过光敏元件10测量的DN值对高光谱仪20DN值进行拟合计算,从而取代了参考板30的作用,在实际测量过程中无需再携带参考板30并对参考板30的反射光谱进行测量。
在得到系数矩阵A后,将系数矩阵A的值代入公式中,即可得到参考板30反射光谱的DN值,即
在得到参考板30反射光谱对应的后,将其代入公式由于公式中的为高光谱仪20测得的被测物40反射光谱DN值,可以直接通过高光谱仪20直接测量得到,Ref0为获取训练样本时采用的参考板30的反射率,为固定值,因此,即将这些参数代入上述公式后即可最终得到被测物40光谱反射率Ref1024。
需要说明的是,在实际测量被测物40光谱反射率数据时,在搭建完实测数据采集平台202后,在相同的测量条件下,利用光敏元件10对当前测量条件下的下行辐射对应的光谱数据进行测量,同时利用高光谱仪20对当前测量条件下被测物40的反射光谱数据进行测量后,后续对数据的处理过程无需人为干涉,操作人员也无需携带参考板30,无需反复更换参考板30和被测物40,因而有利于简化测量操作步骤,提升反射率的测量效率。
基于同一发明构思,本申请还提供一种基于多项式拟合的高光谱辐射定标系统200,请参见图2、图3和图6,其中图6所示为本申请实施例所提供的基于多项式拟合的高光谱辐射定标系统的一种结构示意图,该高光谱辐射定标系统200包括数据采集平台,数据采集平台包括至少3个不同波段的光敏元件10、高光谱仪20、参考板30、被测物40和处理器50,光敏元件10和高光谱仪20分别与处理器50电连接;参考板30或被测物40平行于地面放置,沿垂直于地面的方向,高光谱仪20位于光敏元件10和参考板30之间,光敏元件10位于高光谱仪20远离地面的一侧;
至少3个不同波段的光敏元件10的探测方向为朝向天空的方向,高光谱仪20的探测方向为朝向参考板30的方向;
当测量体现下行辐射光谱数据与参考板30反射光谱数据对应关系的系数矩阵A时,请结合图2,在同一测量时间段,光敏元件10用于对下行辐射的光谱数据进行测量,得到多个第一光谱数据,并将第一光谱数据发送至处理器50;同时,高光谱仪20用于对参考板30的反射光谱数据进行测量,得到多个第二光谱数据,并将第二光谱数据发送至处理器50;处理器50用于选取一定量的第一光谱数据和第二光谱数据作为训练样本,通过多项式拟合的方式建立第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系,根据第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系得到体现下行辐射光谱数据与参考板30反射光谱数据对应关系的系数矩阵A;
当测量被测物40光谱反射率数据时,请结合图3,在同一测量时间段,至少3个不同波段的光敏元件10用于对当前测量条件下的下行辐射对应的光谱数据进行测量,得到第三光谱数据;同时利用高光谱仪20对当前测量条件下被测物40的反射光谱数据进行测量,得到当前测量条件下被测物40的反射光谱数据;处理器50用于将测量得到的第三光谱数据代入系数矩阵中,计算得到当前测量条件下的参考板30反射光谱数据,并用于对被测物40的反射光谱数据与参考板30反射光谱数据进行比值运算,计算得到被测物40光谱反射率Ref1024,其中,为高光谱仪20测得的被测物40反射光谱DN值,为根据光敏元件10测量的光谱数据模拟得出的参考板30反射光谱的DN值,Ref0为获取训练样本时采用的参考板30的反射率,Ref0为固定值。
需要说明的是,当测量体现下行辐射光谱数据与参考板30反射光谱数据对应关系的系数矩阵A时,数据采集平台体现为如图2所示的模拟数据采集平台201,当测量被测物40光谱反射率数据时,数据采集平台体现为如图3所示的实测数据采集平台202。模拟数据采集平台201是在实际测量被测物40反射率之前的任何时间搭建并进行数据测量的,目的是根据测量数据得到体现下行辐射与参考板30反射光谱数据对应关系的系数矩阵A。这样,在后续实际测量被测物40光谱反射率数据时,搭建实测数据采集平台202时无需再携带反射板,也就无需反复测量反射板的光谱数据,通过实测过程中光敏元件10和高光谱仪20的测量数据,结合系数矩阵A和公式即可计算得到被测物40的光谱反射率。
采用上述系统,在测量被测物40光谱反射率数据之前,先通过至少3个不同波段的光敏元件10对下行辐射进行测量,并通过高光谱仪20对参考板30的光谱数据进行测量,建立光敏元件10的测量数据与高光谱仪20的测量数据之间的关系,得到体现下行辐射光谱数据与参考板30反射光谱数据对应关系的系数矩阵A,以此作为后续进行反射率测量的基础。在实际测量被测物40光谱反射率数据时,无需再携带参考板30,而是直接测量下行辐射对应的光谱数据和被测物40的反射光谱数据再结合系数矩阵即可得到被测物40的反射光谱数据,省去了实际测量反射率过程中测量参考板光谱的步骤,从而有利于简化反射率测量过程中的操作复杂度,提升测量操作效率。而且,利用至少3个不同波段的光敏元件10对下行辐射对应的光谱数据进行测量,使拟合出的参考板30的反射光谱与待测物的反射光谱一一对应,可解决高光谱遥感过程中因光照条件变化而引起的反射率测量误差,因而有利于提升反射率的测量精度。
可选地,本申请实施例所提供的基于多项式拟合的高光谱辐射定标系统中,数据采集平台包括4个不同波段的光敏元件,分别为红光波段光敏元件、绿光波段光敏元件、蓝光波段光敏元件和全波段光敏元件;高光谱仪20所能探测的光谱范围为全波段;红光波段对应的中心波长为620nm,绿光波段对应的中心波长为530nm,蓝光波段对应的中心波长为460nm,全波段对应的敏感光谱范围为330nm-840nm。
具体地,请参见图5,本申请引入的4个不同波段的光敏元件10的光谱涵盖了R波段、G波段、B波段和Clear波段(即全波段),使得不同光敏元件10的敏感光谱范围涵盖了对应高光谱仪20探测的全波段光谱,从而使得利用光敏元件10测量得到的数据波段范围与高光谱仪20的波段范围保持一致,利用光敏元件10测得的数据拟合高光谱仪20中由不同波段构成的光谱数据时,拟合过程更为精确。
通过以上各实施例可知,本申请存在的有益效果是:
本申请所提供的基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法及系统中,在测量被测物光谱反射率数据之前,先通过至少3个不同波段的光敏元件对下行辐射进行测量,并通过高光谱仪对参考板的光谱数据进行测量,建立光敏元件的测量数据与高光谱仪的测量数据之间的关系,得到体现下行辐射光谱数据与参考板反射光谱数据对应关系的系数矩阵A,以此作为后续进行反射率测量的基础。在实际测量被测物光谱反射率数据时,无需再携带参考板,而是直接测量下行辐射对应的光谱数据和被测物的反射光谱数据再结合系数矩阵即可得到被测物的反射光谱数据,省去了实际测量反射率过程中测量参考板光谱的步骤,从而有利于简化反射率测量过程中的操作复杂度,提升测量操作效率。而且,利用至少3个不同波段的光敏元件对下行辐射对应的光谱数据进行测量,使拟合出的参考板的反射光谱与待测物的反射光谱一一对应,可解决高光谱遥感过程中因光照条件变化而引起的反射率测量误差,因而有利于提升反射率的测量精度。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例,但如前所述,应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述发明构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围,则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法,其特征在于,包括:
搭建模拟数据采集平台,所述模拟数据采集平台包括至少3个不同波段的光敏元件、高光谱仪和参考板,所述参考板平行于地面放置,沿垂直于地面的方向,所述高光谱仪位于所述光敏元件和所述参考板之间,所述光敏元件位于所述高光谱仪远离地面的一侧;
将所述至少3个不同波段的光敏元件的探测方向调整为朝向天空的方向,并将高光谱仪的探测方向调整为朝向所述参考板;
在同一测量时间段,利用光敏元件对下行辐射的光谱数据进行测量,得到多个第一光谱数据;同时利用高光谱仪对参考板的反射光谱数据进行测量,得到多个第二光谱数据;
选取一定量的所述第一光谱数据和所述第二光谱数据作为训练样本,通过多项式拟合的方式建立第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系,根据第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系得到体现下行辐射光谱数据与参考板反射光谱数据对应关系的系数矩阵A;
当测量被测物光谱反射率数据时:
搭建实测数据采集平台,所述实测数据采集平台包括至少3个不同波段的光敏元件、高光谱仪和被测物,所述被测物平行于地面放置,沿垂直于地面的方向,所述高光谱仪位于所述光敏元件和所述被测物之间,所述光敏元件位于所述高光谱仪远离地面的一侧;
在同一测量时间段,利用所述至少3个不同波段的光敏元件对当前测量条件下的下行辐射对应的光谱数据进行测量,得到多个第三光谱数据;同时利用高光谱仪对当前测量条件下被测物的反射光谱数据进行测量,得到当前测量条件下被测物的反射光谱数据;
将测量得到的所述第三光谱数据代入所述系数矩阵中,计算得到当前测量条件下的参考板反射光谱数据;
对所述被测物的反射光谱数据与所述参考板反射光谱数据进行比值运算,计算得到被测物光谱反射率Ref1024,其中,为高光谱仪测得的被测物反射光谱DN值,为根据光敏元件测量的光谱数据模拟得出的参考板反射光谱的DN值,Ref0为获取训练样本时采用的参考板的反射率,Ref0为固定值。
2.根据权利要求1所述的一种基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法,其特征在于,所述模拟数据采集平台和所述实测数据采集平台分别包括4个不同波段的光敏元件,分别为红光波段光敏元件、绿光波段光敏元件、蓝光波段光敏元件和全波段光敏元件;所述高光谱仪所能探测的光谱范围为全波段;所述红光波段对应的中心波长为620nm,所述绿光波段对应的中心波长为530nm,所述蓝光波段对应的中心波长为460nm,所述全波段对应的敏感光谱范围为330nm-840nm。
3.根据权利要求2所述的一种基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法,其特征在于,所述高光谱仪包括1024个光谱通道,所述高光谱仪测量的参考板的反射光谱数据对应1024个波段,当采用二次多项式进行拟合时,根据光敏元件测量的光谱数据模拟得出的参考板反射光谱的DN值的计算方法为:
其中,m为光敏元件测得的DN值数据的组数,A1024×15为所述体现下行辐射光谱数据与参考板反射光谱数据对应关系的系数矩阵,S15×m为光敏元件数据矩阵,S15×m是根据光敏元件测得的m组DN值数据计算得到的。
4.根据权利要求3所述的一种基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法,其特征在于,所述通过多项式拟合的方式建立第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系进一步为:
当采用二次多项式进行拟合时,1024个波段中任意波段i的光谱DN值可表示为:
DNi=ai,1+ai,2R+ai,3G+ai,4B+ai,5C+ai,6RG+ai,7RB+ai,8RC+ai,9GB+ai,10GC+ai,11BC+ai,12R2+ai,13G2+ai,14B2+ai,15C2
其中,ai,1…ai,15为多项式系数,R,G,B,C分别代表红光波段光敏元件、绿光波段光敏元件、蓝光波段光敏元件、全波段光敏元件四个光敏元件测量的DN值;综合考虑1024个波段,得出高光谱仪测得的光谱DN值与光敏元件的DN值之间的关系为:
其中A代表系数矩阵,S代表列向量。
5.根据权利要求4所述的一种基于多项式拟合的高光谱辐射定标方法,其特征在于,根据第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系得到体现下行辐射光谱数据与参考板反射光谱数据对应关系的系数矩阵A,具体为:
在进行二次多项式拟合的过程中,假设有n组高光谱仪测得的光谱DN值DN1024×n和n组光敏元件对应的光谱数据;
对光敏元件对应的光谱数据进行计算,每一组光敏元件计算出一个列向量S,形成光敏元件数据S15×n;
根据DN=AS,可得到系数矩阵A的计算结果为:A1024×15=DN1024×n/S15×n。
6.一种基于多项式拟合的高光谱辐射定标系统,其特征在于,包括数据采集平台,所述数据采集平台包括至少3个不同波段的光敏元件、高光谱仪、参考板、被测物和处理器,所述光敏元件和所述高光谱仪分别与所述处理器电连接;所述参考板或所述被测物平行于地面放置,沿垂直于地面的方向,所述高光谱仪位于所述光敏元件和所述参考板之间,所述光敏元件位于所述高光谱仪远离地面的一侧;
所述至少3个不同波段的光敏元件的探测方向为朝向天空的方向,所述高光谱仪的探测方向为朝向所述参考板的方向;
当测量体现下行辐射光谱数据与参考板反射光谱数据对应关系的系数矩阵A时,在同一测量时间段,所述光敏元件用于对下行辐射的光谱数据进行测量,得到多个第一光谱数据,并将所述第一光谱数据发送至所述处理器;同时,所述高光谱仪用于对参考板的反射光谱数据进行测量,得到多个第二光谱数据,并将所述第二光谱数据发送至所述处理器;所述处理器用于选取一定量的所述第一光谱数据和所述第二光谱数据作为训练样本,通过多项式拟合的方式建立第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系,根据第一光谱数据与第二光谱数据之间的关系得到体现下行辐射光谱数据与参考板反射光谱数据对应关系的系数矩阵A;
当测量被测物光谱反射率数据时,在同一测量时间段,所述至少3个不同波段的光敏元件用于对当前测量条件下的下行辐射对应的光谱数据进行测量,得到第三光谱数据;同时利用高光谱仪对当前测量条件下被测物的反射光谱数据进行测量,得到当前测量条件下被测物的反射光谱数据;所述处理器用于将测量得到的所述第三光谱数据代入所述系数矩阵中,计算得到当前测量条件下的参考板反射光谱数据,并用于对所述被测物的反射光谱数据与所述参考板反射光谱数据进行比值运算,计算得到被测物光谱反射率Ref1024,其中,为高光谱仪测得的被测物反射光谱DN值,为根据光敏元件测量的光谱数据模拟得出的参考板反射光谱的DN值,Ref0为获取训练样本时采用的参考板的反射率,Ref0为固定值。
7.根据权利要求6所述的一种基于多项式拟合的高光谱辐射定标系统,其特征在于,所述数据采集平台包括4个不同波段的光敏元件,分别为红光波段光敏元件、绿光波段光敏元件、蓝光波段光敏元件和全波段光敏元件;所述高光谱仪所能探测的光谱范围为全波段;所述红光波段对应的中心波长为620nm,所述绿光波段对应的中心波长为530nm,所述蓝光波段对应的中心波长为460nm,所述全波段对应的敏感光谱范围为330nm-840nm。
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