基于PIE的遥感影像交叉辐射定标处理


来源: 航天宏图    时间:2016/12/28

1 引言

    辐射定标是遥感卫星影像定量化的必要步骤,是提高遥感卫星影像质量,优化影像精度的重要手段。辐射定标方法分为绝对定标和交叉定标。绝对定标又分为发射前定标和发射后定标。一般而言,发射前定标由于是在实验室环境中进行,精度较高,但由于传感器发射后的工作环境与实验室环境相差较大,且传感器性能随运行时间逐渐衰减,因此发射后定标同样必不可少。发射后定标多依赖于场地定标法,使用地面典型目标对传感器参数进行定标。如我国的环境卫星、风云系列卫星,使用的定标方法即是场地定标法,其定标数据来源于敦煌绝对辐射校正场和青海湖校正场。但是,场地定标法的精度容易受到大气状况、太阳-观测几何的影响,并且由于定标时需要在地面同步观测数据,需要消耗较多的人力物力。

    交叉辐射定标则是采用世界公认的定标精准的传感器信息标定待定标传感器参数。其基本过程是通过参考传感器与待定标传感器观测相同目标,假定待定标传感器与参考传感器获取的信息具有一致性,从而解算待定标传感器的标定系数。相对于绝对辐射定标,交叉辐射定标具有定标简单、成本低廉、可对历史数据进行定标等优点。

    现有的辐射定标方法一般假设两个传感器成像期间的地步和大气状况近似,以参考传感器获取的辐亮度或反射率作为依据,求解待定标传感器的定标表系数。由于两个传感器的光谱响应往往存在差异,因此引入光谱匹配因子加以修正。同时,对应地表反射方向性明显的区域,还应引入BRDF(二向反射分布函数)对方向性反射造成的差异进行校正。

    目前,北京航天宏图股份信息技术股份有限自主研发的PIE遥感影像处理软件已集成了交叉辐射定标功能,并以Landsat系列为参考传感器,利用HJ-1A和TM卫星影像对该功能进行了验证。


2 算法原理

    本算法对于交叉定标数据存在以下假设:(1)地理范围一致;(2)时相接近,相差不要超过0.5小时;(3)地物接近朗伯体。

    由于假设地表接近朗伯体,且BRDF校正过程对地表数据要求严格,因此本算法中不考虑BRDF校正问题。

    本算法中涉及以下物理量的计算:

    1)参考传感器表观辐亮度:

    参考传感器为Landsat系列,其辐亮度计算需根据元数据文件中的定标系数进行计算。

    2)参考传感器表观反射率:


          其中,ρ为表观反射率,L为表观辐亮度,d为日地距离,为大气层顶接收到的太阳辐射能量,θ为太阳天顶角。

    3)待定标传感器表观反射率:



    其中,α为光谱校正因子,根据不同传感器之间的光谱响应函数计算获得。

    4)待定标传感器表观辐亮度:

    根据表观辐亮度和表观反射率间的关系计算可得。

    5)待定标传感器定标系数:

    根据最小二乘法公式,可以对一组L和DN间的关系求解,获得待定标卫星的增益和偏移。


3 技术路线与流程

图 1 交叉辐射定标流程示意图


    本算法的技术流程如下:

    (1)计算待定标影像定标系数,具体如下:

    i.计算参考影像的辐亮度L

    根据Landsat的定标公式以及定标参数进行计算。 

    ii.计算待定标影像的辐亮度L

    根据两影像的光谱校正因子(由波段响应系数决定)以及大气层顶太阳辐射入射强度、太阳入射角度,对参考影像辐亮度进行校正(假设两传感器获取的表观反射率相同),获取待定标影像的辐亮度L。

    iii.考虑到几何校正精度问题,对两影像降分辨率至500m,采集样点,获取对应地理位置的DN和L,并根据最小二乘法对定标参数gain和offset求解。

    (2)计算待定标影像的辐亮度L或反射率R。

    此过程与绝对辐射定标类似。根据公式对待定标影像进行处理,针对高分辨率影像的图像大小较大的情况,在处理时可以考虑对其进行分块操作。


4 算法验证

    经过HJ-1A和TM卫星影像的测试检验,交叉辐射定标得到的定标系数与卫星提供的绝对定标系数相似。下图为银川附近2011年7月19日HJ星和TM数据第一波段交叉定标和绝对定标效果比较,由图可知,两者定标效果基本一致,在DN值较大时,稍有误差。但是由于一般影像中并不包含有DN值极高的数据,所以造成在解算定标系数时无法准确的估算增益和偏移,致使影像中不存在DN值部分的校正可能失真。然而,由于本功能的目的在于对目标影像进行定标,因此超出目标影像DN值范围部分校正的不准确可以忽略。

 
图 2 交叉定标与绝对定标效果比较

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