多目標無人機微型凝視高光譜成像儀輻射校正

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(1. 河南理工大學，河南 焦作 454000； 2. 鄭州信息科技職業學院，河南 鄭州 450008)

近年來，無人機高光譜成像技術在一些研究和應用領域逐漸得到推廣，其在環境監測與保護、災害監測與評估、地質勘探、城市規劃等領域得到越來越廣泛的應用[1-6]。傳統情況下，高光譜成像儀常搭載在航空或衛星平臺上，由于衛星平臺的重復周期長和空間分辨率低，以及航空平臺圖像采集成本昂貴，阻礙了航空和衛星高光譜成像技術的應用[7]。隨著新型低空平臺如小型無人機和微型高光譜成像傳感器的出現，高光譜遙感數據采集方式正在迅速改變[8]。

目前，主要有線掃式和凝視型高光譜成像儀。線掃式高光譜成像儀采用一個二維檢測器陣列，僅獲得一個空間維度和一個光譜維度圖像，由于每次只獲取一行或一列圖像，圖像的幾何質量對載荷平臺的旋轉和震動極其敏感，不穩定的無人機平臺會導致獲得的高光譜圖像幾何變形較大[9-10]。凝視型高光譜成像儀在一次拍攝時可以同時獲得兩個空間維度和一個光譜維度圖像，以形成具有幾十到幾百個帶的兩個空間維度圖像，僅需記錄整個高光譜圖像的外方位元素而不用對每一幀記錄，從而避免了掃描操作時的幾何不穩定性。因此，小型凝視型高光譜成像儀可以有效解決小型線掃式高光譜成像儀在無人機上成像幾何變形大的問題，適合于姿態不穩定的負載平臺如小型無人機。

相對于線掃式高光譜成像儀，凝視型高光譜成像儀應用時間較短，國內外沒有較為成熟的數據獲取、處理和應用研究，這使得無人機凝視型高光譜成像儀系統的應用面臨一定的阻礙。

本文從無人機微型凝視高光譜圖像的輻射響應線性度和輻射響應變異性等方面對圖像質量進行評價，檢驗了凝視型高光譜成像儀波長定標偏差、輻射響應線性度及高光譜傳感器CCD的輻射響應變異性。重點研究消除無人機微型凝視高光譜圖像輻射響應變異性的方法，并定量評估該方法的有效性。提出基于多目標高光譜圖像輻射定標方法，并通過比較定標后的高光譜圖像光譜與地面光譜儀實際測量的地物光譜來驗證輻射定標的精度。

1 試驗設備與數據獲取

無人機載體平臺采用大疆筋斗云S1000+八旋翼無人機，搭載的成像儀為UHD 185微型凝視型高光譜成像儀。該成像儀包括138個光譜波段，采樣間隔為4 nm。選用HG-1汞氬光譜定標燈作為光源進行光譜定標。選擇FieldSpec Pro FR光譜儀測量地面定標物體和每個研究小區的光譜曲線。

野外無人機高光譜圖像數據獲取時，將5塊表面粗糙，大小為1.5 m×1.5 m接近朗伯體的灰布、綠布、紅布、藍布和黑布分別布設在無人機飛行路線內。在無人機飛行操作之前，利用ASD光譜儀測量這些粗糙布塊的反射率曲線。無人機的飛行高度為50 m，速度為5 m/s，圖像航向重疊度和旁向重疊度分別設置為70%和60%。

2 高光譜圖像光譜定標與輻射定標

2.1 高光譜圖像光譜定標

光譜定標是確定高光譜圖像中每個波段中心波長位置和光譜帶寬的過程。雖然光譜儀在出廠前已經定標過，但其波長會隨時間和使用環境而發生變化。另外，可以利用光譜定標的結果模擬每一個波段的半峰寬度值FWHM(full width at half maximum)，確定高光譜傳感器的光譜分辨率。

對UHD 185高光譜儀進行光譜定標時，首先，將光譜儀放置于HG-1汞氬光譜定標燈光源下并采集高光譜立方體的光譜曲線，以確定曲線所有峰值所在的波段序號。然后，找到曲線所有峰值對應的汞氬光譜定標燈的譜線，以確定每一個峰值的光譜波長值。最后，構建光源光譜曲線波長和高光譜立方體光譜曲線相應峰值所在波段序號之間的線性或多項式函數，利用該線性函數以波段序號為自變量計算每個波段的波長。線性函數為

λi=λ0+αi,i=1,2,3,…，n

(1)

式中，i為每個波段的序列號；λi為波段i的波長；λ0為第一個波段的波長；α為系數。實驗室測試的樣本數一般大于2，λi和α采用最小二乘法計算得到。

2.2 輻射響應線性度計算

輻射響應線性度是通過圖像的DN值與通過積分球測量的入射光譜輻射強度之間的線性關系進行計算，計算公式為[11]

(2)

(3)

利用式(2)將圖像每個梯度的DN值作為自變量，光學積分球測量的光譜輻射強度作為因變量，對試驗測量的18組圖像的DN值和輻射強度值通過最小二乘法線性模型進行擬合，得到每個波段的增益值和偏移值。式(3)表示利用式(2)擬合結果的決定系數R2，用來表征輻射響應線性度。

2.3 輻射響應變異性及校正

受儀器噪聲、漸暈效應等傳感器相關因素的影響，高光譜立方體圖像會存在一定的輻射響應變異性[12-13]。在高光譜圖像處理與應用前，需要事先校正高光譜立方體的輻射響應變異性。為了校正輻射響應變異性，本文采用相同波段在不同照射強度下獲取的兩個圖像的比值，在計算比值前先減去暗電流的影響。該方法假設每個像素的輻射響應都是線性的，該過程可以由式(4)表示，兩個圖像中，其中一個作為參考圖像，作為式(4)的分母。

(4)

輻射響應變異程度用下式定量計算

Iλ=vλ/mλ

(5)

式中，Iλ為輻射響應變異系數；vλ和mλ分別為波長λ處的波段DN的方差和平均值。

2.4 高光譜圖像輻射定標

圖像輻射定標的目的是將UHD 185高光譜成像儀獲取的立方體圖像的DN值轉換為輻射亮度或反射率，同時消除或減弱由傳感器本身和大氣因素引起的輻射偏差[14-15]。本文研究了兩種輻射定標方法，第一種為單目標輻射定標法(見式(6))，其利用高光譜圖像相對于地面拍攝的白色定標板的相對反射率乘以白色定標板的絕對反射率，求得每個波段的絕對反射率。由于白色參考板的高光譜立方體圖像在地表面獲取，而高光譜圖像在無人機上獲取，單目標輻射定標法進行輻射定標時傳感器和大氣的影響不能很好地被消除。本文研究了另一種多目標輻射定標方法(見式(7))，該方法結合圖像輻射變異性校正算法，對因傳感器和大氣因素引起的輻射畸變有一定的抑制作用。

Refi,j,λ=MRi,j,λ×Refw

(6)

(7)

3 結果與分析

3.1 輻射響應線性度計算結果及特征

利用式(2)和式(3)計算UHD 185高光譜成像儀所有波段的輻射響應線性度，結果如圖1所示。

由圖1可知，在所有波段中，UHD 185高光譜成像儀的輻射響應線性度值均超過0.998，這是UHD 185高光譜成像儀取得良好輻射定標結果的前提。但是，不同波段的輻射響應線性度不穩定，存在較大波動，在470～610 nm，以及694和895 nm處，光譜輻射響應線性度明顯高于其他波段區域。而在454、638和882 nm附近存在明顯的低谷。

3.2 輻射響應變異性校正

圖2和圖3分別表示550 nm波段輻射響應變異性校正前后圖像像素值變異情況及校正前后頻數分布直方圖。圖4表示所有波段輻射響應變異系數校正前后情況，圖4中I1和I2表示在積分球出口，不同輻射亮度條件下拍攝的原始圖像每個波段的輻射響應變異系數，(l1-DC)/(l2-DC)表示校正后圖像的輻射響應變異系數。

從圖2—圖4可以看到，輻射響應變異性校正前，圖像的輻射響應變異系數較大，且存在明顯的漸暈效應和條帶現象，輻射響應變異性校正后，不同波段中像元的輻射響應變異系數顯著下降，所有波段的輻射變異系數均小于0.01，且漸暈效應和圖像條帶明顯減少，表明本文提出的方法可以有效校正圖像的輻射響應變異性。

3.3 輻射定標及精度分析

分別利用式(6)表示的單目標輻射定標方法和式(7)表示的多目標輻射定標方法進行輻射定標，并選擇綠布和芹菜的反射率進行定標效果評價，結果如圖5(a)和圖5(b)所示。圖5中C1為單目標輻射定標方法定標結果，C2為多目標輻射定標方法定標結果，ASD為光譜儀實測結果。

從上述定標結果可以看出：

(1) 利用式(7)表示的多目標輻射定標方法進行定標，表現出更好的定標效果，特別對于近紅外波段，與ASD光譜儀實測的地物反射率差異較小。利用式(6)表示的單目標輻射定標方法進行定標，顯示地物反射率在722～950 nm光譜區間的近紅外區域內明顯低于由ASD光譜儀測量的地物反射率，并且在882 nm之后反射率快速下降，不符合地物實際反射率變化趨勢。

(2) 將多目標輻射定標方法的定標結果和ASD光譜儀實測的光譜曲線進行比較。結果顯示，對于綠布，ASD光譜儀實測的光譜曲線在760 nm附近可以看出細小的氧氣吸收特征，輻射定標之后圖像的氧氣吸收特征不再明顯，在910～950 nm光譜區間，輻射定標結果與ASD光譜儀實測結果差異小于5%，在500～950 nm光譜區間，兩者差異小于4%；對于芹菜，在458～910 nm光譜區間，兩者差異小于3%，在910～950 nm光譜區間，兩者差異小于4%。

4 結 語

無人機微型凝視高光譜遙感系統目前是一種較為新型的低空遙感平臺，能夠靈活、快速和可靠地獲取高光譜遙感數據。試驗結果表明，UHD 185凝視型高光譜成像儀的CCD具有一定的光譜定標偏差，同時具有明顯的漸暈效應和條紋現象，這嚴重影響了圖像的質量，不適合直接定量分析與應用。本文首先對原始高光譜圖像進行輻射響應變異性校正，校正后影像質量得到明顯改善和提高，輻射響應變異性得到明顯消除，不存在明顯的漸暈效應和條紋現象。同時，本文研究了單目標和多目標輻射定標方法，結果表明，與單目標輻射定標方法相比，多目標輻射定標方法取得了更好的定標效果，特別是能夠顯著改善近紅外光譜區域反射率下降問題。