一种用于天绘一号卫星的多传感器协同辐射定标方法与流程

本发明涉及遥感定标技术领域，具体来说是一种用于天绘一号卫星的多传感器协同辐射定标方法。

背景技术：

天绘一号是我国第一代传输型立体测绘卫星，目前已成功发射了01、02和03星，并实现了多星组网运行。由于具有数据获取速度快、种类丰富可靠、无控定位精度高等特点，该卫星数据已被广泛应用于地图测绘、城市规划、国土资源调查、精准农业、环境与灾害监测等多个领域，在国民经济建设发展中发挥着越来越重要的作用。

随着遥感在各领域应用的逐步深入，遥感数据定量化已经成为遥感技术进一步发展的必然趋势，而辐射定标将传感器响应的dn值转换为具有一定物理含义的表征量，使得同一卫星多时相数据及不同卫星之间的数据可综合比对，是遥感数据定量化应用的基础和前提。因此，天绘一号卫星一直都很重视星上传感器的辐射定标，不仅在发射前进行了准确全面的辐射定标，而且自2010年8月发射后，连续多年在新疆等地，利用定制多灰阶靶标开展了宽动态范围在轨绝对辐射定标。

天绘一号卫星上搭载了三台5m分辨率全色测绘相机、一台10m分辨率多光谱相机和一台2m分辨率全色高分辨率相机。多光谱相机可获取蓝、绿、红和近红外4波段多光谱图像，对定量反演地物的物理属性，提高地图测制的完整性具有重要作用。然而，由于多光谱相机分辨率不高，对其进行在轨绝对辐射定标时，需要在地面布设为天绘一号卫星定制的靶标(100m×100m、4灰阶)，定制靶标面积较大、准备工作较为繁琐，人力物力成本高、效率低下，导致天绘一号卫星的定标周期限于一年只进行一次。从应用效果看，这样的定标频次，已难以满足及时更新定标系数、校正载荷衰变的要求。

目前，各系列卫星使用的移动灰阶靶标、国家建设的具有自动化观测设备的固定靶标场，数量逐渐增多，但其主要用于高分辨传感器的在轨绝对辐射定标，若用这些非定制靶标采用传统定标方法对天绘一号多光谱相机进行定标，靶标面积较小，无法保证定标精度。因此，如何利用天绘一号卫星平台特点及现有靶标资源实现天绘一号卫星传感器，特别是多光谱相机的高频次、高精度、高效率在轨绝对辐射定标已经成为急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中天绘一号卫星传感器定标频次无法满足应用需要的缺陷，提供一种用于天绘一号卫星的多传感器协同辐射定标方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于天绘一号卫星的多传感器协同辐射定标方法，包括以下步骤：

多光谱相机各通道与高分辨相机间辐亮度关系模型的建立，基于灰阶靶标的光谱平坦特性及同平台多传感器观测时相、几何、视场的一致性，建立多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型；

灰度值的协同提取，从天绘一号卫星过境具有自动化观测设备的固定靶标场或其他卫星的移动靶标场图像中，协同提取高分辨相机和多光谱相机图像中灰阶靶标的灰度值；

入瞳辐亮度的计算，根据多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型，从高分辨相机图像灰阶靶标的灰度值，协同计算出多光谱相机各通道灰阶靶标入瞳辐亮度；

多光谱相机各通道绝对辐射定标系数的计算，基于多光谱相机的辐射响应模型，通过回归分析求解多光谱相机各通道绝对辐射定标系数。

所述多光谱相机各通道与高分辨相机间辐亮度关系模型的建立包括以下步骤：

获取天绘一号卫星过境灰阶靶标的星地同步实验数据，包括地面采集的灰阶靶标反射率和大气参数、卫星传感器观测图像，其中，所述灰阶靶标为天绘一号卫星定制靶标；

利用地面采集的灰阶靶标光谱反射率、550nm气溶胶光学厚度、卫星传感器观测几何、太阳照明几何、传感器通道光谱响应函数，通过辐射传输计算，得到多灰阶靶标到达高分辨率相机和多光谱相机各通道的入瞳辐亮度；

设太阳反射波段工作的卫星传感器对地观测时，大气垂直变化和平面平行大气的条件下，对于光学反射特性相对均匀的大面积目标，到达卫星传感器入瞳处光谱辐亮度ls为：

其中，es为大气层外太阳光谱辐照度，μs为太阳天顶角余弦，tg(μs，μv)为总的气体吸收透过率，ρa(λ)为大气内反射率，ρ(λ)为目标光谱反射率，s(λ)为大气球面反照率，t(θs)为太阳到目标的总透过率，t(θv)为目标到传感器的总透过率；

卫星传感器通道接受到的入瞳等效辐亮度le为：

其中，λmin、λmax为通道光谱响应的起始波长、终止波长，s(λ)为通道的光谱响应函数；

根据多灰阶靶标到达高分辨率相机和多光谱相机各通道的入瞳辐亮度，建立多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型，其设定如下：

当两者的关系为线性时，求解下式的系数ai、bi建立两相机入瞳辐亮度的关系模型，表达式如下：

le，dgpi＝ai×le，gfb+bi，

其中，le，dgpi、le，gfb分别为灰阶靶标到达多光谱相机各通道、高分辨相机的入瞳等效辐亮度。

所述灰度值的协同提取包括以下步骤：

获取天绘一号卫星过境的固定或移动靶标场的图像数据，其包括高分辨和多光谱相机相对辐射校正后的和几何校正后的图像；

从几何校正后多光谱图像中，定位每个灰阶靶标的中心像元，确定灰度值采样区域位置，其中靶标灰度值采样区域在灰阶靶标块内，且距离靶标边界大于或等于2个像元；

根据高分辨相机和多光谱相机分辨率关系，从几何校正后高分辨图像中，确定匹配一致的灰度值采样区域位置；

从相对辐射校正后的高分辨和多光谱图像中，按照确定的采样区域位置，提取灰阶靶标灰度值。

所述入瞳辐亮度的计算包括以下步骤：

对协同提取出的高分辨相机和多光谱相机图像中灰阶靶标的灰度值，利用高分辨率相机绝对辐射定标系数，计算灰阶靶标达到高分辨率相机的入瞳辐亮度；

高分辨相机辐射相应模型为线性时，按照下表达式计算灰阶靶标到达高分辨相机的入瞳辐亮度：

其中，le，gfb和dngfb为多个灰阶靶标到达高分辨相机的入瞳辐亮度及其响应灰度值，kgfb和bgfb为高分辨相机的绝对辐射定标系数；

将灰阶靶标达到高分辨率相机的入瞳辐亮度输入多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型，计算出灰阶靶标到达多光谱相机各通道入瞳辐亮度。

所述多光谱相机各通道绝对辐射定标系数的计算包括以下步骤：

设定多光谱相机辐射响应模型为线性表达式

其中，le，dgpi和dndgpi为多个灰阶靶标到达多光谱相机各通道的入瞳辐亮度及其响应灰度值，ki和bi为多光谱相机i通道的绝对辐射定标系数；

通过线性回归分析，求解多光谱相机各通道绝对辐射定标系数。

有益效果

本发明的一种用于天绘一号卫星的多传感器协同辐射定标方法，能够利用非定制尺寸靶标进行天绘一号卫星的定标，提高了天绘一号卫星在轨辐射定标频次和效率。

本发明基于灰阶靶标的光谱平坦特性及同平台多传感器观测时相、几何、视场的一致性，建立多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型，实现了高分辨相机对多光谱相机各通道的协同辐射定标。

本发明能够获取基于定制灰阶靶标的在轨辐射定标方法同等的定标精度；利用了具有自动化观测设备的固定靶标场或共享了其他卫星的移动靶标场，为天绘一号卫星传感器高频次定标提供了一种低成本的定标方案；建立了多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型后，后续的多光谱相机辐射定标中，可不进行地面同步数据(反射率和大气参数)的采集和处理，定标效率得到较大程度的提高。

附图说明

图1为本发明的方法顺序图；

图2a为现有技术中黑龙江肇东的多灰阶靶标的布局图；

图2b为现有技术中云南丽江多灰阶靶标的布局图；

图3为本发明中多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型线性分析图；

图4为本发明中多光谱相机协同绝对辐射定标系数线性分析图；

图5为本发明中目标地物反演与实测反射率相关性分析图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

在基于灰阶靶标的在轨绝对辐射定标方法中，靶标的面积与卫星传感器空间分辨率相关，当靶标面积不能覆盖10×10个探元时，周围背景辐射影响和靶标dn值提取误差，会导致传感器辐射定标精度的降低。对天绘一号高分辨相机，当前已建成的固定定标场和在用的移动灰阶靶标均适用，可获得较高的绝对辐射定标精度。而对于天绘一号多光谱相机，10m的分辨率使得当前已建成的固定靶标场和在用的移动灰阶靶标面积显得稍小，影响绝对辐射定标频次和精度。因此，本发明将多光谱相机与高分辨相机相结合，通过多传感器协同实现高频次、高效率的在轨绝对辐射定标。

如图1所示，本发明所述的一种用于天绘一号卫星的多传感器协同辐射定标方法，包括以下步骤：

第一步，多光谱相机各通道与高分辨相机间辐亮度关系模型的建立。基于灰阶靶标的光谱平坦特性及同平台多传感器观测时相、几何、视场的一致性，建立多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型。

天绘一号卫星多光谱相机与高分辨相机位于同一平台上，观测时相、几何、视场是一致性，虽然光谱响应范围不同，但由于灰阶靶标在相机相应范围内光谱是平坦的，使得灰阶靶标到达高分辨相机和多光谱相机各通道的入瞳辐亮度的比例是固定的，故理论上是可以建立两者间的辐亮度关系模型的。这种关系模型的建立是本发明协同辐射定标的基础，基于该模型若已知某地物到达高分辨相机入瞳辐亮度就可以计算出多光谱相机各通道的入瞳辐亮度，这个量是在轨绝对辐射定标的重要参数。

其具体步骤如下：

(1)获取天绘一号卫星过境灰阶靶标的星地同步实验数据，其包括地面采集的灰阶靶标反射率和大气参数、卫星传感器观测图像，其中，所述灰阶靶标为天绘一号卫星定制靶标(100m×100m、4灰阶)，或面积、灰阶与定制靶标相当的其他卫星灰阶靶标。此处，选用定制靶标(标准靶标)或面积灰阶相当靶标，是为了保证建立的多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型的准确性和可靠性。

(2)利用地面采集的灰阶靶标光谱反射率、550nm气溶胶光学厚度、卫星传感器观测几何、太阳照明几何、传感器通道光谱响应函数，通过辐射传输计算，得到多灰阶靶标到达高分辨率相机和多光谱相机各通道的入瞳辐亮度。

设太阳反射波段工作的卫星传感器对地观测时，大气垂直变化和平面平行大气的条件下，对于光学反射特性相对均匀的大面积目标，到达卫星传感器入瞳处光谱辐亮度ls为：

其中，es为大气层外太阳光谱辐照度，μs为太阳天顶角余弦，tg(μs，μv)为总的气体吸收透过率，ρa(λ)为大气内反射率，ρ(λ)为目标光谱反射率，s(λ)为大气球面反照率，t(θs)为太阳到目标的总透过率，t(θv)为目标到传感器的总透过率；

卫星传感器通道接受到的入瞳等效辐亮度le为：

其中，λmin、λmax为通道光谱响应的起始波长、终止波长，s(λ)为通道的光谱响应函数。

(3)根据多灰阶靶标到达高分辨率相机和多光谱相机各通道的入瞳辐亮度，建立多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型，其设定如下：

当两者的关系为线性时，求解下式的系数ai、bi建立两相机入瞳辐亮度的关系模型，表达式如下：

其中，le，dgpi、le，gfb分别为灰阶靶标到达多光谱相机各通道、高分辨相机的入瞳等效辐亮度。

第二步，灰度值的协同提取。从天绘一号卫星过境具有自动化观测设备的固定靶标场或其他卫星的移动靶标场图像中，协同提取高分辨相机和多光谱相机图像中灰阶靶标的灰度值。

高分辨相机和多光谱相机图像中灰阶靶标灰度值的协同提取，利用了天绘一号卫星目标定位精度高的优点，从几何校正后图像中定位并确定高分辨相机和多光谱相机图像灰阶靶标的匹配一致的采样区域，保证后续靶标到达多光谱相机各通道入瞳辐亮度与其灰度值的准确对应。

其具体步骤如下：

(1)获取天绘一号卫星过境的固定或移动靶标场的图像数据，其包括高分辨和多光谱相机相对辐射校正后的和几何校正后的图像。此处的天绘一号卫星过境的固定或移动靶标场指具有自动化观测设备的固定靶标场或其他卫星定标用的移动靶标场，面积均比天绘一号靶标小。

(2)从几何校正后多光谱图像中，定位每个灰阶靶标的中心像元，确定灰度值采样区域位置，其中靶标灰度值采样区域在灰阶靶标块内，且最好距离靶标边界至少2个像元。

(3)根据高分辨相机和多光谱相机分辨率关系，从几何校正后高分辨图像中，确定匹配一致的灰度值采样区域位置。

(4)从相对辐射校正后的高分辨和多光谱图像中，按照确定的采样区域位置，提取灰阶靶标灰度值。相对辐射校正是对图像进行响应不一致校正，是进行绝对辐射定标的基础。

第三步，入瞳辐亮度的计算。根据多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型，从高分辨相机图像灰阶靶标的灰度值，协同计算出多光谱相机各通道灰阶靶标入瞳辐亮度。

辐射定标将传感器响应的灰度值转换为具有一定物理含义的表征量，对太阳反射波段工作的卫星传感器，这个物理量即为入瞳辐亮度，因此，准确地计算地物目标到达传感器的入瞳辐亮度十分重要。

其具体步骤如下：

(1)对协同提取出的高分辨相机和多光谱相机图像中灰阶靶标的灰度值，利用高分辨率相机绝对辐射定标系数，计算灰阶靶标达到高分辨率相机的入瞳辐亮度。

高分辨相机辐射相应模型为线性时，按照下表达式计算灰阶靶标到达高分辨相机的入瞳辐亮度：

其中，le，gfb和dngfb为多个灰阶靶标到达高分辨相机的入瞳辐亮度及其响应灰度值，kgfb和bgfb为高分辨相机的绝对辐射定标系数。

(2)将灰阶靶标达到高分辨率相机的入瞳辐亮度，输入多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型，计算出灰阶靶标到达多光谱相机各通道入瞳辐亮度。

天绘一号卫星搭载的高分辨相机，分辨率较高，基于多种面积较小的非定制灰阶靶标可实现高精度、宽动态范围的在轨绝对辐射定标。本发明根据这个特点，并充分利用了天绘一号卫星数据目标定位精度高的优点，通过多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型的建立，高分辨率与多光谱图像中灰阶靶标的协同提取，协同实现了多光谱相机各通道靶标入瞳辐亮度的精确计算和灰度值的准确匹配，达到提高多光谱相机定标频次和定标效率的目的。

第四步，多光谱相机各通道绝对辐射定标系数的计算，基于多光谱相机的辐射响应模型，通过回归分析求解多光谱相机各通道绝对辐射定标系数。其具体步骤如下：

(1)设定多光谱相机辐射响应模型为线性表达式

其中，le，dgpi和dndgpi为多个灰阶靶标到达多光谱相机各通道的入瞳辐亮度及其响应灰度值，ki和bi为多光谱相机i通道的绝对辐射定标系数；

(2)通过传统的线性回归分析，求解出多光谱相机各通道绝对辐射定标系数。

如图2a和图2b所示，在此引用天绘一号卫星过境黑龙江肇东和云南丽江移动靶标场星地同步数据，实现高分辨相机对多光谱相机的协同辐射定标。图2为所述两场地靶标布局图，两场地靶标面积均大于50m*50m，灰阶4个(5％、20％、40％、60％)。

其中，图2a的黑龙江肇东靶标场星地同步数据用于多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型的建立。将地面同步测量的靶标反射率、太阳光度计测量值反演出的550nm气溶胶光学厚度、相机观测几何、太阳照明几何、相机通道光谱响应函数，带入辐射传输模型，计算得到多灰阶靶标到达高分辨率相机和多光谱相机各通道的入瞳辐亮度，建立两相机间辐射响应关系模型如图3所示。在图3中，横轴和纵轴分别是定制多灰阶靶标到达高分辨和多光谱相机各通道的入瞳辐亮度，通过线性回归分析，两者的pearson相关系数接近1，高分辨与多光谱相机各通道间入瞳辐亮度线性度较好。

图2b的云南丽江靶标场用于多光谱相机协同辐射定标系数的计算，通过靶标灰度值的协同提取、靶标入瞳辐亮度计算和定标系数的回归计算，得到多光谱相机协同辐射定标系数如图4所示。在图4中，横轴和纵轴分别是非定制多灰阶靶标到多光谱相机各通道的入瞳辐亮度及其相应值，多光谱相机各通道辐射响应关系接近线性，其中蓝通道略差于红、绿、近红外通道。

将多光谱相机协同辐射定标系数与场地辐射定标系数比较结果如表1所示，其中场地辐射定标系数为基于定制灰阶靶标的定标结果，协同和场地辐射定标系数的数值比较接近，将两定标系数和中等辐亮度(90w/m²/sr/um)带入多光谱相机辐射响应关系模型中，得到的两个响应值，评价协同和场地辐射定标系数的相对差异最大不超过5.3％。

表1多光谱相机协同和场地辐射定标系数比较表

将多光谱相机协同辐射定标系数用于云南丽江图像，目标地物(彩色靶标、草地)反演和实测反射率相关性如图5和表2所示。其中，图5表明了多光谱相机各通道7种目标地物反演和实测反射率值的相关性，可以看到反演和实测反射率两者比较接近，相关系数优于0.98。表2计算出了多光谱相机各通道7种目标地物反演和实测反射率的绝对和相对偏差表，可以看到多光谱相机四个通道的平均绝对偏差差别不大，值在0.01～0.02之间，而平均相对偏差差别较大，蓝通道为8.1％，其他三个通道则优于4.8％。经分析导致蓝通道平均相对偏差较大的原因有两个，一个是该通道灰度值与辐亮度间线性度略差，一个是目标地物在蓝通道反射率相对较低。线性度较高的红、绿、近红外通道相对精度优于5％，达到与场地辐射定标同等精度。

表2目标地物反演与实测反向率偏差表

本发明通过有效利用具有自动化观测设备的固定定标场、合理共享其他卫星的移动靶标场(非定制靶标场)来提高定标频次，通过多传感器(多光谱相机和高分辨相机)协同定标解决非定制灰阶靶标面积略小情况下定标精度的不稳定问题，并提高定标效率。为探讨基于灰阶靶标的多传感器协同辐射定标方法的适用性，使用2014～2015年天绘一号卫星过境黑龙江肇东、云南丽江移动靶标场的3次星地同步数据分别进行关系模型构建、协同辐射定标及结果验证分析。结果表明：建立的多光谱相机与高分辨相机间的关系模型具有通用性，多光谱相机协同与场地辐射定标结果一致，协同辐射定标系数精度可靠，能够有效校准在轨测量数据，满足地图测制等应用需要。本发明提出的基于灰阶靶标的多传感器协同辐射定标方法，能够实现天绘一号卫星传感器宽动态范围、高精度、高频次、高效率的在轨绝对辐射定标。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。