一種光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)基于多線性地物的在軌輻射定標(biāo)方法與流程

本發(fā)明涉及光學(xué)遙感，主要涉及一種光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)基于多線性地物的在軌輻射定標(biāo)方法。

背景技術(shù)：

1、光學(xué)衛(wèi)星遙感所獲取的遙感影像可以清楚地表達(dá)地物地物的空間結(jié)構(gòu)與表層紋理特征，為有效解譯分析提供條件和基礎(chǔ)，在自然資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、城市規(guī)劃建設(shè)等國民經(jīng)濟(jì)多領(lǐng)域中有著非常廣闊的應(yīng)用前景。然而衛(wèi)星遙感所觀測地物地物的生物物理參數(shù)和環(huán)境系統(tǒng)演變等與遙感器輻射響應(yīng)有著直接關(guān)系，因此光學(xué)衛(wèi)星傳感器在軌運(yùn)行期間的輻射定標(biāo)精度直接影響其衛(wèi)星遙感信息的定量化應(yīng)用。

2、在軌輻射定標(biāo)的反射率基法及輻照度基法都是一種單點(diǎn)(輻亮度)定標(biāo)方法，都需要大面積輻射校正場和傳感器暗電流測量(或冷空測量)相配合，唯一不同的是輻照度基法增加了漫射輻射與總輻射比的測量，從而減小了反射率基法中對氣溶膠散射特性的假設(shè)所帶來的不確定度。基于大面積均勻場的替代定標(biāo)法對場地反射率要求較高，當(dāng)反射率較低時，需通過外推來得到高于均勻場反射率的輻亮度，當(dāng)反射率較高時，則需通過內(nèi)插來得到未知輻射量，因此基于大面積均勻場的輻射定標(biāo)對其精度的影響很大，目前在軌定標(biāo)精度約為5-8％，且難以實(shí)現(xiàn)光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)全動態(tài)范圍內(nèi)的高精度定標(biāo)。

3、隨著光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)空間分辨率的日益提高，大面積輻射校正場的空間均勻性與朗伯性不能滿足高精度定標(biāo)的應(yīng)用需求，且光學(xué)遙感衛(wèi)星星座的增加提高了時間分辨率，而輻射校正場地少且單一，定標(biāo)周期長且易受天氣狀況影響，使得基于大面積輻射校正場的定標(biāo)效率低，要求作為光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)輻射定標(biāo)的檢測參照地物具有更高的光學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)動性和時空適應(yīng)性，現(xiàn)有在軌輻射定標(biāo)技術(shù)難以滿足我國光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)全動態(tài)范圍內(nèi)的高精度業(yè)務(wù)化定標(biāo)需求。

4、光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)空間分辨率的提高，使得具有良好的光譜平坦性與空間均勻性及近似朗伯性的線性地物可以作為檢測參照，進(jìn)行光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)全動態(tài)范圍的在軌輻射定標(biāo)。美國航空航天局(nasa)利用光學(xué)特性優(yōu)異的人工靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)了星載光學(xué)相機(jī)全動態(tài)范圍的輻射定標(biāo)，然而傳統(tǒng)的以輻射傳輸計(jì)算為核心的定標(biāo)方法需要假設(shè)場區(qū)氣溶膠散射特性及周邊背景環(huán)境反射率等，特別是在復(fù)雜背景環(huán)境條件下，難以與實(shí)際情況相符。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、(一)發(fā)明目的

2、本發(fā)明目的就是為了彌補(bǔ)已有技術(shù)的缺陷，提供一種光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)基于多線性地物的在軌輻射定標(biāo)方法。本發(fā)明的在軌輻射定標(biāo)方法是以地面實(shí)測數(shù)據(jù)為主，代替輻射傳輸計(jì)算中氣溶膠散射假設(shè)，降低氣溶膠模型與大氣模式等因素對在軌定標(biāo)的影響，簡化定標(biāo)流程的同時提高在軌輻射定標(biāo)精度，該定標(biāo)方法不僅可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)響應(yīng)線性與動態(tài)范圍檢測，還可以實(shí)現(xiàn)其高精度、高頻次的全動態(tài)業(yè)務(wù)化移動定標(biāo)。

3、(二)技術(shù)方案

4、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)基于多線性地物的在軌輻射定標(biāo)方法，包括如下步驟：

5、步驟1：根據(jù)輻射定標(biāo)場區(qū)海拔高度、溫濕壓風(fēng)氣象參數(shù)及背景環(huán)境參數(shù)信息，通過輻射傳輸碼modtran或6s計(jì)算得到的大氣透過率，逐次逼近以太陽光度計(jì)測量的太陽-多線性地物路徑的通道大氣透過率，進(jìn)而求得太陽照射路徑的高光譜大氣透過率，據(jù)此利用太陽照射與衛(wèi)星觀測幾何關(guān)系來改變輻射傳輸碼中的幾何因子，計(jì)算得到衛(wèi)星相機(jī)觀測路徑的高光譜大氣透過率；

6、步驟2：將大氣外太陽常數(shù)與計(jì)算的太陽路徑大氣透過率、漫射/總輻射比相乘求取太陽照射地面的總輻射照度，進(jìn)而結(jié)合衛(wèi)星相機(jī)的光譜響應(yīng)函數(shù)、多線性地物反射率、計(jì)算的衛(wèi)星相機(jī)觀測路徑大氣透過率與地面總輻射照度相乘，求取多線性地物反射至光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)的入瞳輻亮度；

7、步驟3：通過不同反射率的多線性地物設(shè)置與多線性地物遙感影像計(jì)數(shù)值，經(jīng)線性回歸計(jì)算扣除大氣程輻射與地氣耦合輻射影響，求得多線性地物的輻射響應(yīng)值，進(jìn)而將多線性地物反射至光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)的入瞳輻亮度與多線性地物輻射響應(yīng)值根據(jù)光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)定標(biāo)方程，得到光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)基于多線性地物的在軌絕對輻射定標(biāo)系數(shù)，至此實(shí)現(xiàn)光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)工作狀態(tài)下的全動態(tài)范圍輻射定標(biāo)。

8、進(jìn)一步的，根據(jù)輻射傳輸理論，平面平行大氣條件下，對于多線性地物的地面參照，光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)的入瞳輻亮度表示為：

9、

10、其中，l是衛(wèi)星相機(jī)的入瞳輻亮度，la是大氣程輻射，es是太陽常數(shù)，μs是太陽天頂角θs的余弦因子，tgas是大氣吸收透過率，τ是大氣光學(xué)厚度，td(θs)是向下的大氣散射透過率，s是大氣球面反照率，ρe是背景反射率，ρt是多線性地物的反射率，μv是衛(wèi)星觀測天頂角的余弦因子，θv是衛(wèi)星觀測天頂角，t'd(θv)是向上的大氣散射透過率,α(θs)是太陽入射方向的天空漫射輻射/總輻射比；

11、多線性地物布設(shè)區(qū)域范圍內(nèi)的背景反射率為常數(shù)，則定標(biāo)場區(qū)的地面總照度保持不變，多線性地物上空的大氣程輻射與地-氣耦合輻射是相同的，光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)的入瞳輻亮度改寫為：

12、l＝aρt+b＝lt+b?(2)

13、其中，a是理想的線性地物反射至光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)的入瞳輻亮度，即：

14、

15、b是大氣程輻射與地-氣耦合輻射之和，即：

16、

17、光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)在一定區(qū)域范圍內(nèi)對地面的多線性地物觀測成像，此時大氣程輻射、光學(xué)厚度、透過率與球面反照率、漫射/總輻射比、太陽常數(shù)參數(shù)均為確定值，據(jù)此公式(3)與公式(4)所表述的a與b亦為確定值，則根據(jù)公式(2)得光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)入瞳輻亮度l與多線性地物的反射率ρt呈一元線性關(guān)系，因此通過在遙感器的動態(tài)范圍內(nèi)設(shè)置不同反射率或不同能級的多線性地物，以便在光學(xué)衛(wèi)星影像獲取不同的多線性地物響應(yīng)值，對不同反射率的多線性地物與其遙感影像響應(yīng)值進(jìn)行線性回歸，求取光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)基于多線性地物的在軌絕對輻射定標(biāo)系數(shù)，具體根據(jù)光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)定標(biāo)方程(5)，結(jié)合多線性地物的遙感圖像計(jì)數(shù)值與不同反射率，將不同反射率的多線性地物與不同反射率多線性地物遙感影像的計(jì)數(shù)值進(jìn)行線性回歸計(jì)算得光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)基于多線性地物的在軌絕對輻射定標(biāo)系數(shù)：

18、

19、其中，lepu,i是衛(wèi)星遙感器第i通道的入瞳等效輻亮度，ri(λ)是衛(wèi)星遙感器第i通道的光譜響應(yīng)函數(shù)，again,i是衛(wèi)星遙感器第i通道的響應(yīng)度定標(biāo)系數(shù)，dni是遙感器第i通道對多線性地物的響應(yīng)值，dn0,i是衛(wèi)星遙感器第i通道暗電流響應(yīng)值。

20、進(jìn)一步的，包括如下步驟：

21、(ⅰ)當(dāng)光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)第i通道內(nèi)多線性地物反射率ρt＝0時，相當(dāng)于光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)對地觀測場區(qū)內(nèi)沒有設(shè)置多線性地物，也就是光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)對場區(qū)背景觀測成像，由公式(2)得衛(wèi)星遙感器的入瞳輻亮度l＝b，此時圖像計(jì)數(shù)值即為定標(biāo)方程線性回歸的截距

22、

23、(ⅱ)當(dāng)光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)第i通道內(nèi)多線性地物反射率ρt≠0時，相當(dāng)于光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)對地觀測場區(qū)內(nèi)設(shè)置不同反射率或不同能級的多線性地物，也就是光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)對場區(qū)內(nèi)的多線性地物觀測成像，由公式(2)得衛(wèi)星遙感器的入瞳輻亮度l＝lt+b，此時根據(jù)公式(5)得：

24、

25、根據(jù)公式(6)與(7)，將不同反射率或不同能級的多線性地物與不同反射率多線性地物遙感影像的響應(yīng)值進(jìn)行線性回歸計(jì)算，求得光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)基于多線性地物的在軌絕對輻射定標(biāo)系數(shù)：

26、

27、進(jìn)一步的，所述的多線性地物反射率ρt通過地物光譜儀測量得到、大氣光學(xué)厚度τ通過太陽光度計(jì)測量得到、太陽入射方向的天空漫射輻射/總輻射比α(θs)通過光譜輻射計(jì)測量得到。

28、進(jìn)一步的，所述的通過不同反射率的多線性地物設(shè)置與不同反射率多線性地物遙感影像響應(yīng)值進(jìn)行線性回歸計(jì)算得到，或通過多次遙感成像計(jì)數(shù)值獲得。

29、進(jìn)一步的，所述的多線性地物是空間尺度不小于10倍的衛(wèi)星相機(jī)地面像元分辨率的大面積漫射源，或是空間尺度不大于10％的衛(wèi)星相機(jī)地面像元分辨率的小尺寸反射源；

30、所述的多線性地物為漫射源時，尺寸應(yīng)大于10×10倍光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)的地面采樣間隔；

31、所述的多線性地物為漫射源時，具有優(yōu)于2％的的均勻一致性，反射率在光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)通道內(nèi)具有良好的光譜平坦與朗伯性且差異小于1％。

32、進(jìn)一步的，所述的多線性地物為漫射源時，地物反射率位于光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)的動態(tài)范圍內(nèi)，且不少于4種反射率。

33、進(jìn)一步的，所述的多線性地物為反射源時，應(yīng)具有優(yōu)于2％的均勻一致性，反射率在光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)通道內(nèi)具有良好的光譜平坦且差異小于2％。

34、進(jìn)一步的，所述的多線性地物為反射源時，地物能級應(yīng)位于光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)80％以上的動態(tài)范圍內(nèi)，且不少于4種能級，每種能級之間的距離不小于10個像素。

35、進(jìn)一步的，所述的多線性地物為反射源時，需要布設(shè)至少4×4以上的陣列，地物間距為大于5.25像素，檢測相機(jī)成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，修正遙感器對多線性地物反射源的輻射響應(yīng)影響。

36、(三)有效收益

37、(1)本發(fā)明的光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)在軌輻射定標(biāo)方法以地面實(shí)測數(shù)據(jù)為主，代替輻射傳輸計(jì)算中氣溶膠散射假設(shè)，并通過多種反射率線性地物與遙感器響應(yīng)值的線性回歸扣除程輻射及地氣耦合輻射影響，降低氣溶膠與大氣模式等因素對在軌定標(biāo)的影響，進(jìn)而提高輻射定標(biāo)精度；

38、(2)本發(fā)明的光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)在軌輻射定標(biāo)方法可以在同一大氣環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)響應(yīng)線性與動態(tài)范圍檢測及全動態(tài)范圍的高精度業(yè)務(wù)化輻射定標(biāo)；

39、(3)本發(fā)明的光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)在軌輻射定標(biāo)方法不僅能夠突破時空及天氣等條件對大面積輻射校正場的限制，降低定標(biāo)場區(qū)背景環(huán)境的要求，還能夠在復(fù)雜環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)光學(xué)衛(wèi)星相機(jī)高頻次的移動定標(biāo)。