呂 原,叢明煜,唐 勇,牛凱慶,趙旖旎
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 空間光學(xué)工程研究中心,哈爾濱 150006;2.中國空間技術(shù)研究院 通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部,北京 100094)
高光譜定標(biāo)包括光譜定標(biāo)和輻射定標(biāo),文獻(xiàn)[1-5]研究了在軌輻射定標(biāo)的模型和方法。其中光譜定標(biāo)是確定輻射響應(yīng)對應(yīng)的波長位置,對于干涉型光譜儀而言在于確定一個(gè)像元對應(yīng)的干涉光程差。輻射定標(biāo)包括相對輻射定標(biāo)和絕對輻射定標(biāo),相對輻射定標(biāo)的目的在于消除探測元響應(yīng)的不一致性,絕對輻射定標(biāo)是為了建立探測器輸出值與該探測器對應(yīng)的實(shí)際地物輻射亮度之間的定量關(guān)系,是成像儀數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用的前提。為了保證后續(xù)反射率反演的精度以及高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用效果,必須對高光譜成像儀進(jìn)行高精度的絕對輻射定標(biāo)。但是由于干涉型成像體制的特點(diǎn),該成像體制下獲取的地物每個(gè)譜段的信息都需要從對應(yīng)列所有行CCD輸出信息中進(jìn)行復(fù)原得到,因此譜段的光譜響應(yīng)函數(shù)難以測量。而且星上沒有絕對輻射定標(biāo)裝置,必須通過場地法進(jìn)行絕對輻射定標(biāo),文獻(xiàn)[6-11]研究了利用衛(wèi)星開展各類在軌定標(biāo)試驗(yàn)。利用場地法進(jìn)行在軌絕對輻射定標(biāo),定標(biāo)場地的選擇和設(shè)計(jì)對定標(biāo)精度有較大影響。從誤差理論而言,場地的數(shù)量越多越好,場地的反射率最好涵蓋從0~1所有范圍,目前中國僅建設(shè)有用于校正可見短波紅外譜段的載荷在軌定標(biāo)場,場地反射率約為0.2~0.3,場地單一,對在軌定標(biāo)研究形成較大約束,文獻(xiàn)[12-13]對定標(biāo)場地的特性進(jìn)行了研究。本文針對高光譜成像儀儀器的特點(diǎn)和中國場地條件的限制問題,利用均勻場地實(shí)現(xiàn)在軌輻射定標(biāo),保證了反射率測量數(shù)據(jù)使用的準(zhǔn)確性,為光譜儀在軌可靠運(yùn)行提供技術(shù)支持。
場地定標(biāo),又叫替代定標(biāo)(vicarious calibration),是上世紀(jì)70年代開始發(fā)展起來的一種定標(biāo)方法,該方法是控制衛(wèi)星對定標(biāo)場地成像,同步在地面測量地表參數(shù)和大氣參數(shù),計(jì)算成像時(shí)刻場地目標(biāo)在大氣頂層的輻亮度,與圖像中場地的灰度值進(jìn)行擬合,以得到絕對輻射定標(biāo)參數(shù)。在進(jìn)行絕對輻射定標(biāo)前,還需要對高光譜產(chǎn)品進(jìn)行相對輻射修正,以提高圖像的相對輻射質(zhì)量。
相對輻射修正是為了校正傳感器中各個(gè)探測元響應(yīng)度差異,對衛(wèi)星傳感器的原始數(shù)字計(jì)數(shù)值(DN值)進(jìn)行再量化的一種處理過程,可消除探測元之間響應(yīng)不一致引起的條帶效應(yīng)。
目前在軌相對輻射修正采用的方法主要有直方圖均衡法、直方圖匹配法、均勻地物法等,其中直方圖均衡法和直方圖匹配法均為統(tǒng)計(jì)法,受到很多外界條件限制,均勻地物的相對輻射修正方法可以標(biāo)定出各個(gè)探測元的真實(shí)差異,得到的相對輻射修正系數(shù)對同檔位的衛(wèi)星影像均適用。本文以均勻場相對輻射修正方法為主,均衡法相對輻射修正方法為輔完成高光譜衛(wèi)星影像的相對輻射修正。
本文選擇均勻性優(yōu)于2%的區(qū)域作為均勻場,選擇均勻性優(yōu)于2%的均勻地表作為在軌相對輻射定標(biāo)參照,保證了3%相對輻射定標(biāo)精度的實(shí)現(xiàn),然而卻又帶來了面積難以覆蓋全幅寬的問題。文獻(xiàn)[14]對在軌場地輻射定標(biāo)方法精度進(jìn)行評估。對此,本文采用了基于均勻場的分區(qū)綜合的相對輻射修正算法,很好地解決了這一問題。
基于均勻場地分區(qū)綜合的相對輻射修正中區(qū)域(片)內(nèi)定標(biāo)原理與均勻場地兩點(diǎn)定標(biāo)法的定標(biāo)原理相同,但分區(qū)綜合修正法的修正過程分為:
1)先將傳感器劃分為若干的區(qū)域(片),利用區(qū)域內(nèi)均勻一致的高輻亮度及低輻亮度地物景觀計(jì)算區(qū)域(片)內(nèi)探測元的相對修正系數(shù),并進(jìn)行相對修正;
2)根據(jù)修正后的圖像并利用區(qū)域(片)間的重合,計(jì)算相鄰區(qū)域(片)之間的區(qū)域(片)間相對修正系數(shù);
3)結(jié)合區(qū)域(片)內(nèi)部相對修正系數(shù)、區(qū)域(片)之間相對修正系數(shù)將相機(jī)的全體探測元相對修正到一致。如圖1所示,說明了該方法的實(shí)現(xiàn)過程。
圖1 基于均勻場地分區(qū)綜合的相對輻射修正過程
根據(jù)上述基于均勻場地分區(qū)綜合的相對輻射修正過程,該方法的實(shí)現(xiàn)流程中區(qū)域(片)內(nèi)相對修正系數(shù)計(jì)算,對于均勻場地完全覆蓋傳感器所有探測元的情況而言,可以一次直接完成傳感器的定標(biāo)任務(wù)。但在均勻場地未覆蓋傳感器所有探測元時(shí),要重復(fù)區(qū)域(片)內(nèi)相對修正系數(shù)計(jì)算,至于重復(fù)的次數(shù),需要視具體均勻場地的選擇情況而定。相鄰區(qū)域(片)之間的區(qū)域(片)間相對修正系數(shù)計(jì)算必須按照兩邊區(qū)域(片)逐步向中間區(qū)域(片)靠攏的順序,計(jì)算相鄰區(qū)域(片)之間的修正系數(shù)。全體探測元一致性校正也是按照區(qū)域(片)間計(jì)算的原則加以校正,即兩邊向中間校正。
選用高光譜成像儀拍攝典型的2處沙漠圖像(沙漠1和沙漠2),進(jìn)行在軌相對輻射修正系數(shù)計(jì)算,使用計(jì)算出的相對修正系數(shù),對其他圖像進(jìn)行相對輻射校正。從圖2、3可以看到,修正前圖像存在等間隔的細(xì)條紋和隨機(jī)的粗條紋,修正后圖像中條紋被去除。
圖2 可見近紅外波段相對輻射修正效果對比圖(沙漠1)
圖3 短波紅外波段相對輻射修正效果對比圖(沙漠2)
本文使用平均行標(biāo)準(zhǔn)差法計(jì)算在軌相對輻射定標(biāo)精度。具體計(jì)算公式為
(1)
影響相對輻射定標(biāo)精度的因素主要包括相對定標(biāo)方法的精度和相機(jī)性能的精度,基于均勻場地的分區(qū)綜合相對輻射定標(biāo)方法,其定標(biāo)精度主要取決于所選取地物的均勻性與多塊區(qū)域聯(lián)合的算法模型精度。故進(jìn)行相對輻射定標(biāo)精度計(jì)算前,首先選取均勻度滿足要求的均勻場地圖像,進(jìn)行相對輻射校正,對校正后圖像進(jìn)行精度評價(jià),得到相對定標(biāo)精度。選擇能覆蓋圖像全幅寬的均勻區(qū)域進(jìn)行相對輻射定標(biāo)精度計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明:可見近紅外(CCD)波段相對定標(biāo)精度均值為2.88%,短波紅外(IRS)波段相對定標(biāo)精度為2.26%。
在軌場地絕對輻射定標(biāo)方法主要有反射率基法、輻亮度基法和輻照度基法,文獻(xiàn)[15]研究了采用反射率基法輻射定標(biāo)的原理和流程。輻亮度基法利用經(jīng)過高精度定標(biāo)的光譜輻射計(jì)在地面直接測量定標(biāo)場表面出射輻射的光譜輻亮度,同時(shí)進(jìn)行氣象探空測量獲取大氣溫濕壓廓線,并將相關(guān)的大氣參數(shù)和氣象參數(shù)輸入到大氣輻射傳輸模型,計(jì)算出大氣透過率和上行大氣路徑的程輻射,然后結(jié)合地面測量的定標(biāo)場表面輻亮度,由理論公式推算出傳感器入瞳處對應(yīng)通道的表觀輻亮度。用這個(gè)表觀輻亮度值與其對應(yīng)測區(qū)圖像像元數(shù)字值的平均值相比就得到該譜段的定標(biāo)系數(shù)。由于這種方法所需的參量(如地面光譜輻亮度、能見度和溫濕壓廓線等)都是衛(wèi)星過頂?shù)耐瑫r(shí)獲取的,只要能保證這些參量的測量精度,該方法得到的定標(biāo)結(jié)果具有較高的可靠性。
反射率基法是把測得的地表反射率和氣溶膠光學(xué)厚度輸入輻射傳輸計(jì)算程序,然后計(jì)算出大氣層頂?shù)谋碛^輻亮度或表觀反射率,將表觀輻亮度或表觀反射率與衛(wèi)星計(jì)數(shù)值相比較得到定標(biāo)系數(shù)。該程序所需的其他輸入數(shù)據(jù)有:氣溶膠的光學(xué)厚度和分子散射、氣溶膠散射。其散射解還要加入氣體吸收訂正,包括在要標(biāo)定的光譜通道上臭氧、水汽、二氧化碳和氧的吸收訂正。這種方法的一個(gè)重要誤差來源是對氣溶膠散射的一些近似,如對氣溶膠模型的假設(shè),不同的氣溶膠模型會對表觀反射率的計(jì)算造成較大影響。
輻照度基法是反射率基法的改進(jìn),其與反射率基法相比,輻射傳輸計(jì)算程序所用的輸入量除反射率法和氣溶膠光學(xué)厚度外,增加了向下到達(dá)地面的漫射輻射與總輻射之比(可以由輻照度計(jì)同步測量得到)。這一比值包含了氣溶膠的散射特征,以實(shí)測的輻照度漫總比代替反射率基法中計(jì)算氣溶膠散射的假定,可以減少因氣溶膠模型近似而產(chǎn)生的誤差。
由于輻照度基法使用過程中所需同步測量數(shù)據(jù)較多,本文在進(jìn)行絕對輻射定標(biāo)時(shí),主要使用反射率基法,當(dāng)測量數(shù)據(jù)滿足應(yīng)用要求時(shí)可使用輻照度基法。下面對反射率基法的算法和流程進(jìn)行介紹。
對于反射率為ρ的均勻朗伯地面,傳感器入瞳處的表觀反射率為
(2)
式中:θv、φv分別為觀測天頂角、方位角,θs、φs分別為太陽天頂角、方位角,T為總的大氣散射通過率,Tg為氣體吸收通過率,ρA為大氣內(nèi)反射率,S為大氣球面反照率。
傳感器入瞳處的反射率與表觀輻亮度的關(guān)系為
(3)
Le與遙感器對應(yīng)輸出信號的數(shù)字量化值DN之間的定量關(guān)系呈線性關(guān)系:
Le=A×DN+B
(4)
式中A、B即為要獲得的絕對輻射定標(biāo)系數(shù)。
在軌絕對輻射定標(biāo)方法流程如圖4所示。高光譜成像儀解干涉后的產(chǎn)品可能存在縱向條紋,在提取圖像DN值之前,需要對其進(jìn)行相對輻射修正,消除條紋使每個(gè)通道所有探測元響應(yīng)一致。
輻照度基法在軌絕對輻射定標(biāo)流程比反射率基法在軌絕對輻射定標(biāo)流程復(fù)雜,在反射率基法流程的基礎(chǔ)上,將實(shí)測漫總比帶入計(jì)算入瞳輻亮度,校正輻射傳輸模型中對氣溶膠模式假設(shè)所帶來的誤差,輻射定標(biāo)流程如圖5所示。
圖4 反射率基法在軌絕對輻射定標(biāo)流程
圖5 輻照度基法在軌絕對輻射定標(biāo)流程
試驗(yàn)歷時(shí)2個(gè)多月,共選擇3個(gè)試驗(yàn)場,其中兩個(gè)子場地為戈壁場和高反場。戈壁場布設(shè)有160 m×160 m的黑網(wǎng),一方面用來做低反射率測試點(diǎn),另外一方面用來指示戈壁灘的測試區(qū)域。高反場反射率較高,測試區(qū)域位于一凹地附近,場地均勻。第3個(gè)試驗(yàn)場選擇沙漠試驗(yàn)場,面積約20 km×20 km。試驗(yàn)測試區(qū)位于該沙漠的北側(cè)、面積約10 km×1 km的區(qū)域,在測試點(diǎn)布設(shè)少量黑網(wǎng)。試驗(yàn)場地及測試區(qū)域地貌如圖6所示。
圖6 試驗(yàn)場地及測試區(qū)域
開展同步試驗(yàn)21次,成功或部分成功8次,儀器比對試驗(yàn)6次。成功或部分成功試驗(yàn)情況見表1。
表1 試驗(yàn)獲取情況
3.2.1 可見近紅外波段絕對定標(biāo)參數(shù)計(jì)算
進(jìn)行可見光波段絕對定標(biāo)系數(shù)的計(jì)算,選取6月27日沙漠場、7月6日高反場和8月20日戈壁場,采用這幾個(gè)場地的原因是:1)反射率均為過頂當(dāng)天測量數(shù)據(jù);2)場地大氣特性參數(shù)均使用CE318或CE317測量,反演數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠;3)6月27日和8月20日有可以使用的漫總比數(shù)據(jù);4)3維數(shù)據(jù)可構(gòu)成高低不同的4個(gè)反射率點(diǎn)。
采用反射率基法計(jì)算定標(biāo)系數(shù)見表2。
采用反射率基法計(jì)算可見光波段定標(biāo)系數(shù)過程中,對其各通道DN值與輻亮度L間的線性關(guān)系進(jìn)行了評價(jià),各通道線性相關(guān)系數(shù)見表3。其中,第3、10、23、40、60通道為與MODIS進(jìn)行交叉驗(yàn)證的通道。
從表3可以看到,可見光波段前8個(gè)以及第63個(gè)通道,由于信噪比低,響應(yīng)線性較差,線性相關(guān)系數(shù)小于0.99,其他通道響應(yīng)線性較好,線性相關(guān)系數(shù)大于0.99,說明這些通道不同日期測量的數(shù)據(jù)結(jié)果相關(guān)性高,可以生成定標(biāo)參數(shù)。
表2 可見光波段定標(biāo)系數(shù)(反射率基法)
表3 可見光波段各通道響應(yīng)線性情況(反射率基法)
采用輻照度基法,利用6月27日沙漠場和8月20日戈壁場也可以生成絕對定標(biāo)參數(shù)。
圖7為使用輻照度法和反射率法計(jì)算得到的6月27日沙漠入瞳輻亮度曲線。從圖7中可以看出,輻照度法和反射率法計(jì)算出的入瞳輻亮度,在500 nm之前差別較大,最大相對誤差為5.27%;500 nm之后兩者的相對誤差小于2.00%。這是因?yàn)椴ㄩL越短,氣溶膠模型假設(shè)對輻射亮度計(jì)算的精度影響越大。
3.2.2 短波紅外波段絕對定標(biāo)參數(shù)計(jì)算
進(jìn)行短波紅外波段絕對定標(biāo)參數(shù)計(jì)算選取6月27日和8月4日沙漠場和8月20日戈壁場,原因是:1)場地在短波紅外波段光譜平坦;2)反射率均為過頂當(dāng)天測量,準(zhǔn)確度高;3)場地大氣特性參數(shù)均使用CE318測量,反演數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。
采用反射率基法計(jì)算定標(biāo)系數(shù)見表4。
圖7 6月27日沙漠入瞳輻亮度曲線比較(反射率基法Ref和輻照度基法IRR)
表4 近紅外波段定標(biāo)系數(shù)
采用反射率率基法計(jì)算短波紅外波段定標(biāo)系數(shù)過程中,對其各通道DN值與輻亮度L間的線性關(guān)系進(jìn)行了評價(jià),見表5??梢钥闯?,與可見近紅外光譜儀不同,短波紅外光譜儀只有少數(shù)幾個(gè)通道(通道1~2、8、23~25、37、41~43、51、57~58,共13個(gè))的響應(yīng)線性度大于0.99,其他都小于0.99。
表5 近紅外波段各通道響應(yīng)線性情況
3.2.3 兩次定標(biāo)結(jié)果比較
比較2次在軌定標(biāo)結(jié)果,將2次定標(biāo)結(jié)果分別用于生產(chǎn)同一天的產(chǎn)品,選擇2013年8月4日沙漠、8月6日戈壁灘),從產(chǎn)品中提取利用2次定標(biāo)參數(shù)分別處理得到的測試區(qū)域入瞳處輻亮度值,如圖8~10所示。
圖8 不同時(shí)期定標(biāo)參數(shù)的光譜輻亮度比較(8月4日沙漠可見近紅外波段)
圖9 不同時(shí)期定標(biāo)參數(shù)的光譜輻亮度比較(8月6日戈壁可見近紅外波段)
圖10 不同時(shí)期定標(biāo)參數(shù)的光譜輻亮度比較(8月6日戈壁近波紅外波段)
可以看出,利用2012年定標(biāo)參數(shù)生成的輻亮度值與本次定標(biāo)結(jié)果生成的輻亮度值曲線形狀一致,但數(shù)據(jù)上要低于本次定標(biāo)參數(shù)生成的結(jié)果以及地面實(shí)測的結(jié)果,說明高光譜成像儀的輻射響應(yīng)已發(fā)生變化,而且是響應(yīng)能力變?nèi)?。也說明了需要開展本次定標(biāo)工作,以更新在軌絕對輻射定標(biāo)參數(shù)。
利用外場同步測量數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)精度的驗(yàn)證分析,按照以下步驟進(jìn)行:
1)用計(jì)算出的定標(biāo)系數(shù)作用于定標(biāo)計(jì)算中沒有使用的高光譜圖像產(chǎn)品,生產(chǎn)出輻亮度圖像產(chǎn)品,從中提取待場點(diǎn)的光譜輻亮度;
2)待驗(yàn)證場點(diǎn)的光譜反射率匹配到高光譜成像儀對應(yīng)通道,將匹配后的光譜反射率數(shù)據(jù)和大氣參數(shù)帶入6S輻射傳輸模型中,計(jì)算得到場點(diǎn)同步測量的光譜輻亮度;
3)比對待驗(yàn)證場點(diǎn)輻亮度圖像產(chǎn)品和同步測量的光譜輻亮度,統(tǒng)計(jì)所有通道兩者間相對誤差。
扣除相應(yīng)響應(yīng)線性差、光譜測量時(shí)信號差的通道(吸收通道),計(jì)算剩余通道相對誤差的平均值。統(tǒng)計(jì)多次的相對誤差,評定定標(biāo)精度。
將反射率基法計(jì)算出的可見光波段定標(biāo)系數(shù)作用于8月2日高反場地、8月4日沙漠場、8月6日戈壁場產(chǎn)品,進(jìn)行絕對輻射校正得到輻亮度圖像,從中提取高反場、沙漠、戈壁和黑網(wǎng)的光譜輻亮度曲線與地面同步測量的光譜輻亮度對比情況及相對誤差曲線如圖11~14所示。地面同步測量光譜輻亮度為藍(lán)色菱形標(biāo)識曲線,輻亮度圖像中提取光譜輻亮度為綠色矩形標(biāo)識曲線,各通道的相對誤差曲線為紅色圓形標(biāo)識曲線。
從圖11~ 14可以看到,輻亮度圖像中提取的與地面同步測量的光譜輻亮度曲線形狀一致,數(shù)值差別較小。扣除響應(yīng)線性差的1~7通道及63通道,這幾個(gè)場地剩余通道的平均相對誤差分別為5.160%、3.601%、4.508%、6.107%,平均4.800%。剩余通道相對誤差分布情況見表6。
從表6中可以看到,可見光波段高反場輻亮度圖像和地面同步測量的光譜輻亮度間的相對誤差,55個(gè)有效通道中,有42個(gè)通道相對誤差<7%,13個(gè) 通道相對誤差在7%~10%之間,沒有相對誤差的通道>10%;可見光波段沙漠場輻亮度圖像和地面同步測量的光譜輻亮度間的相對誤差,55個(gè)有效通道中,有50個(gè)通道相對誤差<7%,5個(gè)通道相對誤差在7%~10%之間,沒有相對誤差的通道>10%;可見光波段戈壁場輻亮度圖像和地面同步測量的光譜輻亮度間的相對誤差,55個(gè)有效通道中,有54個(gè)通道相對誤差<7%,1個(gè)通道相對誤差在10%~20%之間;可見光波段黑網(wǎng)輻亮度圖像和地面同步測量的光譜輻亮度間的相對誤差,55個(gè)有效通道中,有35個(gè)通道相對誤差<7%,5個(gè)通道相對誤差在7%~10%之間,10個(gè)通道相對誤差在10%~20%之間,沒有相對誤差的通道>20%,黑網(wǎng)通道誤差大的原因是該地物反射率只有5%左右,信號強(qiáng)度較低。
圖11 8月2日高反場輻亮度圖像與地面同步測量光譜輻亮度比較(可見)
圖12 8月4日沙漠場輻亮度圖像與地面同步測量光譜輻亮度比較(可見)
圖13 8月6日戈壁場輻亮度圖像與地面同步測量光譜輻亮度比較(可見)
圖14 8月6日黑網(wǎng)輻亮度圖像與地面同步測量光譜輻亮度比較(可見)
表6 可見光近紅外譜段相對誤差分布
通過比對分析定標(biāo)場點(diǎn)輻亮度圖像和地面同步測量的光譜輻亮度間的相對誤差,認(rèn)為輻亮度圖像和地面同步測量的光譜輻亮度曲線形狀一致,數(shù)值接近,誤差<7%的通道數(shù)約占有效通道數(shù)的50%以上,本次試驗(yàn)獲取定標(biāo)系數(shù)有效。
1)本文針對測量場地受限問題,結(jié)合空間分辨率特點(diǎn),設(shè)計(jì)了涵蓋從高到低不同反射率的定標(biāo)場地。設(shè)計(jì)開發(fā)了輻射校正場北側(cè)40 km處的結(jié)晶鹽以及沙漠作為輻射定標(biāo)場地,兩塊場地反射率分別為0.4~0.5和0.3左右,同時(shí)在戈壁輻射校正場布設(shè)人工的黑色靶標(biāo)作為另一塊定標(biāo)場地,反射率約0.1。
2)通過對干涉成像儀探測元相對輻射校正后,在軌進(jìn)行成像儀的絕對輻射定標(biāo),大幅度提高了設(shè)備探測精度。
3)定標(biāo)場地環(huán)境不同,采用的定標(biāo)方法不同。場地條件的不同給入瞳處輻亮度計(jì)算帶來了困難。為保證每個(gè)場地的入瞳處輻亮度計(jì)算精度,算法設(shè)計(jì)中考慮了引入周邊環(huán)境影響,對于大面積均勻場地,采用傳統(tǒng)的反射率基法或輻照度進(jìn)行計(jì)算,對于小面積均勻場地,則引入鄰近像元效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算,保證不同場地條件下的入瞳處輻亮度計(jì)算精度。
4)通過在結(jié)晶鹽場地尋找或布設(shè)人工指示目標(biāo)、在戈壁場地通過人工靶標(biāo)指示等方法,準(zhǔn)確確定反射率的測試區(qū)域,保證了反射率測量數(shù)據(jù)使用的準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)了高精度絕對輻射定標(biāo),為成像儀數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用提供了可靠保證。