CN107063296B - 一种卫星遥感传感器在轨辐射定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星遥感传感器在轨辐射定标方法，具体为：1)辐射控制点信息获取；2)同轨相邻相机影像间几何错位消除；3)辐射连接点信息获取；4)星载多相机拼接成像传感器在轨辐射定标模型构建；5)相机各波段在轨绝对辐射定标系数求解。与传统在轨辐射定标方法相比，本方法可以实现星载多相机拼接成像传感器在轨绝对辐射定标与相机间相对辐射校正的一体化处理。
Description
技术领域
本发明涉及航天遥感卫星领域，尤指一种卫星遥感传感器在轨辐射定标方法。
背景技术
目前受单台高分辨率相机幅宽限制，卫星无法同时获取大范围高分辨率卫星影像，常采用多相机拼接成像技术，将多台高分辨率相机沿垂轨方向安置，实现高分辨率与宽覆盖的结合。例如，GF-1卫星宽幅盖WFV传感器采用4台相机拼接成像技术，如图1所示，其能够获取空间分辨率为16m，幅宽优于800km的卫星影像。
然而，由于传感器在卫星发射时及发射后受周围环境、运动状态等变化的影响，传感器性能会发生一定程度的衰变，导致发射前实验室定标结果与传感器在轨辐射性能有所差异。因此只有及时的、长期的开展在轨辐射定标工作才能监测传感器辐射性能变化，评估其辐射质量，确保地物时相变化信息不会因传感器辐射性能衰变而被淹没。
目前，已经有许多研究学者构建了相关在轨辐射定标模型。例如，Xiong等人采用星上定标***实现对MODIS传感器高频次、高精度的在轨辐射定标。韩启金等人采用反射率基法获取我国陆地资源卫星传感器在轨绝对辐射定标系数。Biggar等人采用辐亮度基法实现卫星传感器辐射定标。胡秀清等人采用辐照度基法实现了对FY-1C气象卫星可见/近红外通道的绝对辐射定标。徐伟伟等人通过布设多种反射率的人工靶标，利用辐照度基法实现了CBERS-02B卫星HR相机的在轨绝对辐射定标。彭光雄等人通过分析Landsat 5TM和CBERS-2CCD影像对的DN值相关性后，基于TM表观辐亮度信息，实现了对CCD传感器的交叉定标研究。徐文斌等人将敦煌辐射校正场作为辐射传递平台，以超光谱成像仪Hyperion为参考传感器，考虑视场、时相、几何和光谱等交叉匹配因素，实现了对MODIS传感器的交叉定标。Yang等人利用资源三号TLC传感器立体影像对，获取研究区DEM数据，在此基础上利用该区域多时相Landsat 8卫星OLI影像获取地表BRDF参数，进而完成与GF-1卫星WFV传感器的交叉定标。
虽然，利用现有辐射定标方法可以获取各相机在轨绝对辐射定标系数，但是利用其系数对同轨各相机影像进行绝对辐射校正后，发现相邻相机影像间辐射信息存在较大差异。该差异会导致多相机拼接成像传感器的设计优势无法充分发挥，进而影响该传感器影像整体定量化应用效果，降低卫星数据利用率和市场占有率。因此，本发明以GF-1卫星宽覆盖WFV传感器四相机拼接成像为例，将辐射区域网平差方法引入到星载多相机拼接成像传感器在轨辐射定标方法研究之中，构建新的在轨辐射定标模型，实现多相机拼接成像传感器在轨绝对辐射定标与相机间相对辐射校正的一体化处理，最终提高该类型传感器影像定量化应用水平。
发明内容
针对现有传感器在轨辐射定标算法无法实现多相机拼接成像传感器在轨绝对辐射定标与相机间相对辐射校正的一体化处理，本发明提出了一种基于辐射区域网平差理论的星载多相机拼接成像传感器在轨辐射定标方法，可以获取能够完成传感器相机间相对辐射校正的高精度在轨绝对辐射定标系数。
本发明提出了一种卫星遥感传感器在轨辐射定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
1).以敦煌辐射校正场为辐射传递平台，获取用于基于单一均匀区域、不同时相的时间序列多点法交叉定标的数据，将其作为辐射控制点信息；
2).采用基于DEM辅助的RFM区域网平差方法，消除同轨相邻相机影像间几何错位；
3).设置一定大小的移动分析窗口，在同轨影像重叠区域搜索光谱均匀地物位置，进而获取其在相邻两景影像中的DN值信息，将其作为辐射连接点数据；
4).根据辐射区域网平差理论，建立附有限制条件的间接平差误差方程，构建基于辐射区域网平差的星载多相机拼接成像传感器在轨辐射定标模型。
进一步，该方法还包括步骤5)利用构建的定标模型，采用最小二乘方法获取各相机在轨绝对辐射定标系数。
进一步，其特征在于，步骤1)具体为：采用基于单一均匀区域、不同时相的时间序列多点法交叉定标方法，以辐射性能较高的MODIS影像为参考基准，将敦煌辐射校正场作为传递平台，获取各相机长时间序列的有效影像对数据。
进一步，其特征在于，步骤2)具体为：将SRTM 90m DEM作为高程约束条件，采用基于DEM辅助的RFM区域网平差方法，消除同轨影像间几何错位问题。
进一步，其特征在于，步骤3)具体为：在同轨影像重叠区域设置一定大小的移动分析窗口，搜索重叠区域内光谱均匀区域，选取差异系数CV(coefficient of variation)即该区域DN值标准差与均值的比值小于预先设定阈值的区域，将其DN值均值作为辐射连接点信息。
进一步，其特征在于，步骤4)具体为：根据各波段辐射控制/连接点信息，基于辐射区域网平差理论，由辐射控制点信息列立误差方程，由辐射连接点信息列立限制条件方程，构建基于辐射区域网平差理论的在轨绝对辐射定标模型。
进一步，其特征在于，步骤5)具体为：基于上述定标模型，利用最小二乘方法获取各相机不同波段的在轨绝对辐射定标系数。
本发明的基于辐射区域网平差理论的在轨辐射定标方法可以实现星载多相机拼接传感器各相机在轨绝对辐射定标与相机间相对辐射校正的一体化处理，除了可以得到高精度在轨辐射定标系数外，还有许多优势，如方法简单、处理速度快、结果更新方便、等等。
附图说明
图1为WFV传感器成像示意图；
图2为在轨辐射定标流程图；
图3为辐射控制点(三角形)与辐射连接点(十字形)分布示意图；
图4a为WFV1与WFV2相机影像重叠区域第一波段表观辐亮度差异的绝对值；
图4b为WFV1与WFV2相机影像重叠区域第二波段表观辐亮度差异的绝对值；
图4c为WFV1与WFV2相机影像重叠区域第三波段表观辐亮度差异的绝对值；
图4d为WFV1与WFV2相机影像重叠区域第四波段表观辐亮度差异的绝对值；
图5a为WFV2与WFV3相机影像重叠区域第一波段表观辐亮度差异的绝对值；
图5b为WFV2与WFV3相机影像重叠区域第二波段表观辐亮度差异的绝对值；
图5c为WFV2与WFV3相机影像重叠区域第三波段表观辐亮度差异的绝对值；
图5d为WFV2与WFV3相机影像重叠区域第四波段表观辐亮度差异的绝对值；
图6a为WFV3与WFV4相机影像重叠区域第一波段表观辐亮度差异的绝对值；
图6b为WFV3与WFV4相机影像重叠区域第二波段表观辐亮度差异的绝对值；
图6c为WFV3与WFV4相机影像重叠区域第三波段表观辐亮度差异的绝对值；
图6d为WFV3与WFV4相机影像重叠区域第四波段表观辐亮度差异的绝对值；
图7a为WFV1与WFV2相机原始影像；
图7b为2013年官方定标系数辐射校正结果；
图7c为2014年官方定标系数辐射校正结果；
图7d为本发明定标系数辐射校正结果；
图8a为WFV2与WFV3相机原始影像；
图8b为2013年官方定标系数辐射校正结果；
图8c为2014年官方定标系数辐射校正结果；
图8d为本发明定标系数辐射校正结果；
图9a为WFV3与WFV4相机原始影像；
图9b为2013年官方定标系数辐射校正结果；
图9c为2014年官方定标系数辐射校正结果；
图9d为本发明定标系数辐射校正结果；
具体实施方式
如图2所示本发明的一种卫星遥感传感器在轨辐射定标方法包括辐射控制点信息获取、影像间几何错位消除、辐射连接点信息获取、辐射区域网平差定标模型构建、最小二乘解算定标系数。本发明以GF-1卫星WFV传感器为例，阐述基于辐射区域网平差的在轨辐射定标方法过程。
1)辐射控制点信息获取。以敦煌辐射校正场为研究区，收集该地区MODIS和WFV各相机长时间序列有效影像对数据。其中，有效影像对筛选限制条件包括：a)相机在敦煌辐射校正场上空过境时，成像时间差不能超过1h；b)敦煌辐射校正场上空无云层覆盖；c)WFV影像应该覆盖敦煌辐射校正场中心区域；d)敦煌辐射校正场不应该位于MODIS影像左右边缘处。
依据上述筛选条件，本发明首先进行数据检索，得到了自卫星发射后一年左右时间内敦煌辐射校正场地区的有效影像对数据；其次获取每对有效影像对中WFV影像敦煌辐射校正场中心区域的DN值均值；然后利用单一均匀区域、不同时相的时间序列多点法交叉定标方法获取由MODIS计算得到的对应区域WFV影像表观辐亮度信息；最后将DN值均值和表观辐亮度信息作为辐射控制点数据。
2)同轨相邻相机影像间几何错位消除。获取与辐射控制点时相相近的其他区域WFV同轨四相机影像，针对WFV传感器相邻相机间弱交会成像情况，本发明采用基于DEM辅助的RFM区域网平差方法，消除同轨相邻相机影像间几何错位，提高辐射连接点提取精度。
式中，Vs和V1分别表示影像列和行方向的误差，e0、e1、e2和f0、f1、f2为RFM像面仿射变换参数，和分别表示纬度和经度的一阶偏导数，(S，L)为经过***误差补偿后的像点坐标，为利用RFM投影后的初始像面坐标。
3)辐射连接点信息自动提取。在消除几何错位问题后的同轨四相机影像重叠区域内，设定156×156像素的移动分析窗口，自动搜索该重叠区域内差异系数小于3％的光谱均匀区域，获取该区域DN值均值，将其作为辐射连接点信息，如图3所示。
4)基于辐射区域网平差的定标模型构建。利用辐射控制点和辐射连接点信息，构建基于辐射区域网平差的星载多相机拼接成像传感器在轨辐射定标模型。
例如，若WFV1、WFV2、WFV3和WFV4影像中分别含有m、n、p和q个辐射控制点，WFV1和WFV2、WFV2和WFV3、WFV3和WFV4影像重叠区域分别含有d、e和f个辐射连接点，则根据辐射区域网平差理论，可构建第i波段的在轨辐射定标模型，如公式(2)。其中系数矩阵A为(m+n+p+q+d+e+f)×8的矩阵，常数项L为(m+n+p+q+d+e+f)×1的列向量，未知数X为8×1的列向量，残差值V为(m+n+p+q+d+e+f)×1的列向量。
V＝AX-L (2)
式中，和分别代表WFV1影像第i波段的第m个辐射控制点的DN值和表观辐亮度，代表在WFV1和WFV2影像重叠区域内，WFV1影像第i波段的第d个辐射连接点的DN值，和分别代表WFV1影像第i波段绝对定标系数的增益和偏移量，其他符号具相似的含义。
5)求解在轨辐射定标系数。根据上述构建的辐射定标模型，采用最小二乘原理求解X，如公式(3)，其定标结果如表1所示。
X＝(ATA)-1ATL (3)
表1基于辐射区域网平差的GF-1卫星在轨绝对辐射定标系数
为了验证该系数的绝对定标精度，本发明选取其他区域、不同时相的MODIS和WFV影像有效影像对数据，在每对影像中选取多种地物类型的光谱均匀区域作为检查点，利用官方定标系数和本发明获得的定标结果计算WFV影像表观辐亮度信息，然后与相应区域的MODIS影像表观辐亮度信息进行比对，利用公式(4)获取相对误差，如表2所示。
RE＝ABS(Lwfv4-LMODIS)/LMODIS×100％ (4)
式中，RE代表相对误差，Lwfv4代表利用官方定标系数和本发明获得的定标结果计算得到的WFV影像表观辐亮度，LMODIS为MODIS表观辐亮度，ABS()为绝对值函数。
表2在轨绝对辐射定标系数精度检验结果
从表2中可以看出，采用基于辐射区域网平差的在轨辐射定标方法可以获取精度可靠的绝对定标系数。
为了验证该系数的相机间相对辐射校正精度，本发明选取多组其他区域、不同时相的同轨WFV四相机影像，从同轨影像重叠区域提取光谱均匀区域，分别利用官方定标系数和本发明结果计算其表观辐亮度信息，统计其表观辐亮度差异的绝对值，如表3和图4a、4b、4c、4d、5a、5b、5c、5d、6a、6b、6c、6d所示。
表3相机间相对辐射校正结果统计
从表3中可以看出，与官方定标结果相比，本发明所得定标系数可以更好的实现相机间相对辐射校正。对于四个波段而言，与2013年官方定标系数相比，重叠区域辐射不一致性最高分别降低了83.92％、87.75％、93.3％和94.17％。与2014年官方定标系数相比，其辐射不一致性最高分别降低了94.04％、94.21％、93.26％和90.54％。
另外，为了进一步展示本发明所得定标结果对相机间辐射不一致性的消除效果，随机选取一组同轨WFV相机影像，其成像日期为2014年11月18日，在采用基于DEM辅助的RFM区域网平差方法消除影像间几何错位后，利用官方定标系数和本发明定标结果进行辐射校正，获取影像表观辐亮度，选取局部区域进行展示如图7a、7b、7c、7d、8a、8b、8c、8d、9a、9b、9c、9d所示。
从结果中可以看出，与官方2013/2014年公布的定标系数相比，利用本发明得到的定标系数可以很好的消除影像间辐射不一致性问题。综上所述，与传统在轨辐射定标方法相比，本发明的构建的定标模型可以实现星载多相机拼接传感器各相机在轨绝对辐射定标与相机间相对辐射校正的一体化处理。
Claims (2)
1.一种卫星遥感传感器在轨辐射定标方法，其特征在于，包括以下步骤：1)以敦煌辐射校正场为辐射传递平台，获取敦煌辐射校正场地区的GF-1卫星WFV和MODIS有效影像对；获取每对有效影像对中WFV影像敦煌辐射校正场中心区域的DN值均值；利用单一均匀区域、不同时相的时间序列多点法交叉定标方法，获取由MODIS计算得到的对应区域WFV影像表观辐亮度信息；将DN值均值和表观辐亮度信息作为辐射控制点信息；2)获取与辐射控制点时相接近的其他区域WFV同轨四相机影像，采用基于DEM辅助的RFM(Rational Function Model)区域网平差方法，消除同轨相邻相机影像间几何错位；3)在消除几何错位后的同轨相邻相机影像重叠区域内，设定移动分析窗口，选取光谱均匀区域影像DN值均值作为辐射连接点信息；4)基于辐射区域网平差理论，利用辐射控制点信息和辐射连接点信息，构建星载多相机拼接成像传感器在轨辐射定标模型；5)利用最小二乘方法求解相机各波段在轨绝对辐射定标系数，实现星载多相机拼接成像传感器在轨绝对辐射定标与相机间相对辐射校正的一体化处理。
2.如权利要求1所述的卫星遥感传感器在轨辐射定标方法，其特征在于：所述步骤3)具体为：在消除几何错位后的同轨相邻相机影像重叠区域内，设定移动分析窗口，设定差异系数限值，搜索差异系数小于该限值的光谱均匀区域，将光谱均匀区域影像DN值均值作为辐射连接点信息。
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