基于圖像模擬的HJ星CCD相機(jī)交叉定標(biāo)

鞏 慧

（北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

田國良 余 濤 顧行發(fā)

（中國科學(xué)院 遙感應(yīng)用研究所，北京 100101）

衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展和資源、生態(tài)環(huán)境、自然災(zāi)害監(jiān)測及全球變化研究對遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量和定量化應(yīng)用的要求日益提高，而傳感器的輻射定標(biāo)是定量化遙感的核心和基礎(chǔ)，它可以發(fā)現(xiàn)傳感器的性能在發(fā)射后的變化和衰減，有利于提高衛(wèi)星遙感定量數(shù)據(jù)的精度、可靠性和應(yīng)用水平［1］.要實(shí)現(xiàn)多傳感器或多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)的比較和融合，也必須進(jìn)行傳感器的輻射定標(biāo)［2］.美國亞利桑那大學(xué)光學(xué)科學(xué)中心提出的場地輻射定標(biāo)方法［3］最直接有效.但這種方法工作量大，衛(wèi)星和地面須同步獲取數(shù)據(jù)，難以滿足高頻次定標(biāo)，也無法對歷史數(shù)據(jù)定標(biāo)［4］，大氣和儀器條件也嚴(yán)重影響輻射定標(biāo)的精度［5］.利用定標(biāo)精度高的在軌傳感器為標(biāo)準(zhǔn)，對目標(biāo)傳感器定標(biāo)的交叉定標(biāo)方法［6］不需要精確的大氣參數(shù)測量，彌補(bǔ)了場地定標(biāo)的不足.然而目前進(jìn)行的傳感器之間的交叉定標(biāo)均要求傳感器之間光譜波段相似，且對同一均勻地面目標(biāo)同時(shí)成像［7］.

我國環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座（HJ-1）的HJ-1A星和HJ-1B星上均搭載有兩臺寬覆蓋多光譜的可見光CCD相機(jī)，同一星上的兩臺CCD的對應(yīng)波段光譜分布相似，具備交叉定標(biāo)的光譜條件.但兩臺CCD同時(shí)成像時(shí)，成像區(qū)域不同.兩臺CCD在星下點(diǎn)跨軌方向大致有20km寬的重疊區(qū)，只約占整幅圖像面積的5.7%，很難實(shí)現(xiàn)對大面積、光譜和大氣特性已知的均勻地面同時(shí)成像.因此，無法采用常規(guī)的交叉定標(biāo)方法在同一HJ星上兩臺CCD之間進(jìn)行交叉定標(biāo).針對這個(gè)問題，本文提出一種基于圖像模擬的交叉定標(biāo)方法，以平坦廣闊、光譜特性和大氣特性穩(wěn)定的敦煌定標(biāo)場為地面目標(biāo)，在同一HJ星的兩臺CCD未能對敦煌場同時(shí)成像時(shí)，實(shí)現(xiàn)兩臺CCD之間的交叉定標(biāo).這種方法的關(guān)鍵一是待定標(biāo)的CCD未對敦煌場成像時(shí)，確定敦煌場的圖像計(jì)數(shù)值（DC，Digital Counts），關(guān)鍵二是確定待定標(biāo)的CCD針對敦煌場的觀測角度.

1 基于圖像模擬的交叉定標(biāo)方法

1.1 待定標(biāo)CCD相機(jī)敦煌場的DC值的確定

2008年10月20日和10月14日，HJ-1A星CCD1（簡稱 A1CCD）和 HJ-1B 星 CCD1（簡稱B1CCD）分別以天頂角11.8°和近垂直在敦煌過境，HJ-1A 星 CCD2（簡稱 A2CCD）和 HJ-1B星CCD2（簡稱B2CCD）均未對敦煌成像.這兩天地面均進(jìn)行同步觀測，并利用場地輻射定標(biāo)方法得到A1CCD和B1CCD的定標(biāo)系數(shù).

同一星上兩臺CCD同時(shí)成像時(shí)的相互位置關(guān)系如圖1a和圖1b所示.利用ENVI軟件，對兩幅圖像進(jìn)行幾何配準(zhǔn)，確定兩臺CCD圖像的重疊區(qū)即為圖中黑色矩形區(qū)，黑色方格為敦煌場區(qū)，A1CCD圖像和B1CCD圖像上敦煌場區(qū)中心像元距離重疊區(qū)的邊界線距離分別為約107.76km和5.6km.

以HJ-1A為例，為了確定2008年10月20日敦煌場區(qū)的對應(yīng)A2CCD圖像的DC值，首先假設(shè)兩臺CCD相機(jī)的DC值是線性關(guān)系，即

圖1 同一星上兩臺CCD同時(shí)成像時(shí)的的位置關(guān)系

式 中，DA1CCD，i和DA2CCD，i分 別 為 A1CCD 和A2CCD的第i波段對應(yīng)像元的DC值；ai為斜率；bi為截距.提取A1CCD和A2CCD圖像的重疊區(qū)的像元DC值，像元一一對應(yīng)，并進(jìn)行線性擬合，確定式（1）中的ai和bi，擬合結(jié)果如圖2所示.提取A1CCD圖像敦煌場區(qū)的平均DC值，代入式（1），就可以得到未成像的A2CCD圖像敦煌場區(qū)的平均DC值.采用同樣的方法得到的2008年10月14日的HJ-1B兩臺CCD圖像重疊區(qū)的DC值擬合結(jié)果如圖3所示，并據(jù)此得到B2CCD圖像敦煌場區(qū)應(yīng)有的平均DC值.

1.2 待定標(biāo)CCD的觀測角度和定標(biāo)系數(shù)

交叉定標(biāo)與場地定標(biāo)一樣，都是為了建立圖像DC值與傳感器的表觀輻亮度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系.對未在敦煌場成像的CCD2來說，要得到CCD2過敦煌場的表觀輻亮度，關(guān)鍵在于確定CCD2過敦煌場的觀測天頂角和觀測方位角.假設(shè)CCD2的CCD陣列向外擴(kuò)展，分析兩臺CCD相機(jī)重疊區(qū)對應(yīng)像元的位置關(guān)系可知，兩臺CCD圖像的行相互平行，CCD1圖像上敦煌場中心像元與重疊區(qū)東側(cè)對應(yīng)行的像元的列數(shù)之差可以認(rèn)為是CCD2圖像敦煌場中心像元與CCD2圖像東側(cè)對應(yīng)行的像元列數(shù)之差.同一行的相鄰像元的觀測天頂角差值基本相同，則得到的列數(shù)差與相鄰像元的觀測天頂角差值的乘積即為CCD2圖像敦煌場中心像元與重疊區(qū)東側(cè)對應(yīng)行的像元之間的觀測天頂角差.

觀測天頂角差和重疊區(qū)東側(cè)對應(yīng)行的觀測天頂角之和即為CCD2圖像敦煌場的觀測天頂角.同樣的方法計(jì)算可以得到CCD2圖像敦煌場的觀測方位角.觀測天頂角和觀測方位角的計(jì)算誤差引起的表觀輻亮度變化極小，因此計(jì)算誤差可以忽略不計(jì).

圖2 A1CCD和A2CCD的圖像線性擬合結(jié)果

利用2008年10月敦煌地面同步觀測光譜數(shù)據(jù)和BRF歷史數(shù)據(jù)，得到CCD2觀測天頂角方向的平均方向反射率，與大氣參數(shù)、觀測幾何參數(shù)代入6S輻射傳輸模型，計(jì)算得到CCD2圖像敦煌場的表觀輻亮度.結(jié)合CCD2圖像敦煌場的DC值，得到CCD2圖像的絕對輻射定標(biāo)系數(shù).也可以視已定標(biāo)的CCD1為標(biāo)準(zhǔn)，將上述地面光譜數(shù)據(jù)和CCD1，CCD2的觀測幾何參數(shù)分別代入6S輻射傳輸模型，得到CCD1，CCD2的表觀輻亮度，表觀輻亮度比值是兩臺CCD之間的光譜匹配因子.結(jié)合已定標(biāo)的CCD1的定標(biāo)系數(shù)、兩臺CCD的DC值和光譜匹配因子，利用式（2）進(jìn)行交叉定標(biāo)，得到CCD2的絕對輻射定標(biāo)系數(shù).式（2）的偏移量仍采用發(fā)射前的偏移量.得到的A2CCD和B2CCD的定標(biāo)系數(shù)如表1所示.

圖3 B1CCD和B2CCD的圖像線性擬合結(jié)果

式中，A為光譜匹配因子；D1和D2分別為CCD1和CCD2圖像敦煌場的DC值；a1和a2分別為CCD1和CCD2的定標(biāo)系數(shù)；L01和L02分別為CCD1和CCD2的偏移量.

表1 交叉定標(biāo)得到的A2CCD和B2CCD的定標(biāo)系數(shù)

2 真實(shí)性檢驗(yàn)

傳感器的輻射定標(biāo)作為遙感數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用的關(guān)鍵和基本前提，其得到的定標(biāo)系數(shù)精度直接影響后續(xù)一系列遙感產(chǎn)品的精度和可用性，需要通過真實(shí)性檢驗(yàn)，對定標(biāo)得到的表觀輻亮度進(jìn)行比較、分析，評價(jià)定標(biāo)系數(shù)的精度和準(zhǔn)確度.定標(biāo)系數(shù)的真實(shí)性檢驗(yàn)采用兩種方法進(jìn)行.一種是利用衛(wèi)星過實(shí)驗(yàn)場時(shí)的地面同步觀測數(shù)據(jù)和輻射傳輸計(jì)算，得到實(shí)測的表觀輻亮度，將其視為標(biāo)準(zhǔn)值，用定標(biāo)系數(shù)模擬的表觀輻亮度值和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)定標(biāo)系數(shù)的真實(shí)性檢驗(yàn).另一種方法是以定標(biāo)精度高、光譜分布與待檢驗(yàn)傳感器相近并同時(shí)成像的參考傳感器的表觀輻亮度為標(biāo)準(zhǔn)值，用待檢驗(yàn)傳感器的定標(biāo)系數(shù)得到的表觀輻亮度，通過光譜匹配，得到參考傳感器的表觀輻亮度模擬值，與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)定標(biāo)系數(shù)的真實(shí)性檢驗(yàn).

A2CCD的定標(biāo)系數(shù)的真實(shí)性檢驗(yàn)采用第一種方法進(jìn)行.2008年10月1日A2CCD在內(nèi)蒙貢格爾實(shí)驗(yàn)場上空以觀測天頂角19.04°過境.在均一平坦的貢格爾實(shí)驗(yàn)場選擇500m×500m的均勻區(qū)，于9月28日、9月29日、10月1日和10月3日進(jìn)行了地面光譜測量，得到各天的平均地表反射比結(jié)果.各天的平均地表反射比在400～2 500nm范圍內(nèi)（除去水汽吸收帶）相對差異均小于4.8%，平均相對差異為1.3%，說明地表穩(wěn)定性很好，且地表光譜測量精度高.利用9月30日的地表方向特性觀測，得到場地的BRF數(shù)據(jù).結(jié)合A2CCD過境時(shí)的觀測幾何、10月1日的平均地表反射比和BRF數(shù)據(jù)得到A2CCD觀測幾何下場地的BRDF.利用CE318太陽光度計(jì)對大氣光學(xué)特性測量，并根據(jù)Langley法，計(jì)算得到衛(wèi)星過境時(shí)刻550nm氣溶膠光學(xué)厚度.水汽含量則利用衛(wèi)星過境時(shí)進(jìn)行的氣象探空觀測來獲取.將這些實(shí)測數(shù)據(jù)輸入6S輻射傳輸模型得到的表觀輻亮度作為標(biāo)準(zhǔn)值.

利用表1的A2CCD定標(biāo)系數(shù)和10月1日A2CCD圖像貢格爾實(shí)驗(yàn)場的平均DC值，得到貢格爾實(shí)驗(yàn)場的表觀輻亮度模擬值，模擬值與標(biāo)準(zhǔn)值比較結(jié)果如圖4所示.可以看出，表觀輻亮度模擬值與標(biāo)準(zhǔn)值很接近，具有很好的一致性，相對差異分別為0.83%，－4.25%，－1.91%和0.90%.檢驗(yàn)結(jié)果表明：基于圖像模擬的交叉定標(biāo)方法得到的A2CCD的定標(biāo)系數(shù)具有較高的精度和可靠性.

圖4 表觀輻亮度模擬值與標(biāo)準(zhǔn)值

B2CCD的定標(biāo)系數(shù)的真實(shí)性檢驗(yàn)采用第2種方法進(jìn)行.由于MODIS重復(fù)周期很短，數(shù)據(jù)免費(fèi)共享，星上定標(biāo)系統(tǒng)很完善，輻亮度定標(biāo)精度高達(dá)5%［8］，且MODIS與CCD相機(jī)相應(yīng)波段的光譜分布范圍相差不太大（表2），光譜分布帶來的微小差異可以通過光譜匹配來消除.因此，選擇MODIS作為參考傳感器.

表2 B2CCD和MODIS對應(yīng)波段的光譜分布

2008年10月10日和10月29日，B2CCD和MODIS均在敦煌場上空過境，觀測幾何如表3所示.

表3 B2CCD和MODIS的觀測幾何

利用MODIS圖像提供的敦煌場的平均表觀輻亮度作為當(dāng)天的標(biāo)準(zhǔn)值.在同一天的B2CCD圖像上提取敦煌場的平均DC值，結(jié)合表1的定標(biāo)系數(shù)得到B2CCD圖像敦煌場的表觀輻亮度，以敦煌場野外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過輻射傳輸計(jì)算得到的B2CCD和MODIS觀測角度下的表觀輻亮度比值作為光譜匹配因子進(jìn)行光譜匹配，模擬得到MODIS圖像的表觀輻亮度.MODIS圖像的表觀輻亮度模擬值與標(biāo)準(zhǔn)值比較結(jié)果如圖5所示.可以看出，得到的MODIS圖像的表觀輻亮度模擬與標(biāo)準(zhǔn)值很接近，相對差異在±5%以內(nèi).如果地表的BRDF數(shù)據(jù)的精度提高，光譜匹配的誤差就會更小一些，表觀輻亮度的相對差異會更小些.

圖5 MODIS表觀輻亮度模擬值與標(biāo)準(zhǔn)值

3 影響因素分析

基于圖像模擬的交叉定標(biāo)方法中，同一HJ-1星上的兩臺CCD同時(shí)成像，大氣和地表特性都未改變，因此不存在大氣和地表特性差異的影響，影響精度的因素主要是觀測幾何和地表反射率、已定標(biāo)的CCD的定標(biāo)精度、待定標(biāo)的CCD圖像實(shí)驗(yàn)場的DC值.觀測幾何引起的4個(gè)波段的表觀輻亮度的誤差均不超過0.5%，可以忽略.地表反射率的影響包括地表反射率的變化和方向特性兩個(gè)方面.兩臺CCD對同一個(gè)地面的觀測幾何比較接近，且對應(yīng)波段光譜響應(yīng)非常接近，地表反射率和BRDF因子不會相差很多，對交叉定標(biāo)的影響也很小.已定標(biāo)的CCD的定標(biāo)精度是待定標(biāo)的CCD的起始定標(biāo)精度.待定標(biāo)的CCD圖像實(shí)驗(yàn)場的DC值主要取決于兩臺CCD圖像的重疊區(qū)DC值的線性擬合關(guān)系，重疊區(qū)內(nèi)選取的范圍越大，擬合的線性關(guān)系越好，得到的結(jié)果更理想.因此，DC值的擬合關(guān)系和已定標(biāo)的CCD的定標(biāo)精度是這種方法的主要誤差，其中已定標(biāo)的CCD的定標(biāo)精度是提高這種方法的精度的關(guān)鍵.

4 結(jié) 論

本文以HJ-1星CCD相機(jī)為例，提出了基于圖像模擬的交叉定標(biāo)方法，根據(jù)本文研究成果，得到以下結(jié)論.

1）在同一衛(wèi)星上已定標(biāo)的CCD獲取敦煌場圖像、而未定標(biāo)的CCD未獲取敦煌場圖像時(shí)，以已定標(biāo)的CCD為參考，通過兩臺CCD圖像重疊區(qū)DC值的擬合，并以敦煌場為地面目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)傳感器之間的交叉定標(biāo)，得到2008年10月A2CCD和B2CCD的定標(biāo)系數(shù).

2）以貢格爾實(shí)驗(yàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和敦煌場的MODIS數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，對交叉定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明：表觀輻亮度的相對誤差均在±5%以內(nèi)，證明這種方法得到的的定標(biāo)系數(shù)具有較高的精度和可信度.這種方法在保證定標(biāo)精度的同時(shí)，利于增加定標(biāo)的頻次，對于提高HJ-1星CCD相機(jī)的定量應(yīng)用有一定的實(shí)用意義.

3）分析了基于圖像模擬的交叉定標(biāo)方法的影響因素，DC值的擬合關(guān)系、已定標(biāo)的CCD的定標(biāo)精度是主要誤差源，而地表方向特性對這種定標(biāo)方法的影響很小.

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