一种基于月球的卫星光学遥感器辐射定标方法

1.本发明涉及一种卫星光学遥感器的在轨辐射定标方法，属于遥感卫星定标技术领域。


背景技术：

2.光学遥感卫星在轨运行期间会受到各种辐射和电磁的干扰，卫星载荷器件会发生老化。定量遥感应用对遥感数据产品的高精度和稳定性提出了严格要求，需要通过在轨辐射定标的方式对卫星载荷的辐射响应进行高频次、高精度标定。目前常用的在轨绝对辐射定标主要有星上定标和场地定标两种，他们都存在一些弊端：1)星上定标有卫星内定标和卫星外定标；其中卫星内定标利用钨丝灯作为定标源，但是定标灯光谱与太阳光谱差别较大，导致光谱匹配不确定度很大；卫星外定标利用太阳为辐射源，但是漫反射板长期暴露在强辐射的外太空会发生老化，影响定标精度；2)场地定标是在卫星过境时同步测量地面定标场的反射率，该方法受大气影响，且对于长期高频次定标来说这种定标方式人力物力成本高。
3.月球作为卫星在轨定标的辐射源，与其他定标方式相比有诸多优势：
①
月球没有大气，为卫星提供了一个不受大气干扰的定标源；
②
月表具有长期稳定、光滑的反射率光谱；
③
月球的辐射能量处于大多数载荷的动态响应范围内；
④
月球周围为黑空背景，月球图像亮度边界清晰，对比度高，能很好反映辐射定标中暗电流、平场、读出噪声等定标参数，这些也往往是对地观测无法获得的；
⑤
月球定标成本低，每月都有相似的观测几何条件，适合高频次定期开展定标。
4.1996年美国地质调查局(usgs)启动了月球自动观测计划(rolo)，基于地基望远镜收集了6年(1997～2003)从近月食到满月的月球辐亮度图像，建立了月球辐射模型，可以提供350nm～2500nm共32个波段的月球光谱。2008年印度的月船一号搭载的月球矿物制图仪(m3)对月球进行了多周期观测，涵盖85个波段，不受大气的衰减影响，更能反应真实的整个月球光谱。这些长期、大量观测为月球定标提供了模型和数据支持。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术的不足，提供一种基于月球的卫星光学遥感器辐射定标方法，在不采用星上定标设备、不需要野外场地定标、无需考虑天气因素和大气影响的前提下，利用m3月球图像平均反射率光滑rolo模型值，为卫星提供高频次、高精度的绝对辐射定标。
6.为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
7.一种基于月球的卫星光学遥感器辐射定标方法，其特征在于，包含以下步骤：
8.步骤1，选择[-90
°
，90
°
]月相角范围的月球图像进行暗电流扣除、平场校正预处理，提取月球总灰度值t
dn
和总像素数t
pixel
；
[0009]
步骤2，根据对月观测几何条件，利用rolo月球辐射模型计算标准距离下的等效圆
盘反射率a
rolo
；
[0010]
步骤3，计算月球矿物质绘图仪m3的反射率图像月球正面区域均值，采取三次样条插值法平滑处理得到m3月球正面图像的平均反射率
[0011]
步骤4，对m3月球正面图像的平均反射率进行重采样处理，得到rolo月球辐射模型波长λk对应位置的m3月球正面图像的平均反射率进而利用与步骤2得到的等效圆盘反射率a
rolo
拟合得到的线性关系对等效圆盘反射率a
rolo
进行平滑，得到rolo月球辐射模型平滑值a
rolo,k
；
[0012]
步骤5，对rolo月球辐射模型平滑值a
rolo,k
进行插值和重采样处理，得到卫星光学遥感器波长λi对应位置的rolo月球辐射模型值ai，采用最小二乘拟合法建立月球图像和rolo月球辐射模型值ai之间的关系，得到绝对辐射定标系数增益gains和偏置bias。
[0013]
进一步地，步骤3包括以下步骤：
[0014]
s3.1，遍历m3反射率图像像素，若某像素的月面经度在[-90
°
，90
°
]区间外，则屏蔽该像素，得到带有屏蔽标记的月球正面反射率图像img1；
[0015]
s3.2，遍历月球正面反射率图像img1中未带有屏蔽标记的像素，若像素值为0，则屏蔽该像素，得到带有屏蔽标记的月球反射率图像img2；
[0016]
s3.3，遍历带有屏蔽标记的月球反射率图像img2中未带有屏蔽标记的像素，计算每个波段反射率图像未被标记像素的均值，利用三次样条插值法对其进行平滑，得到m3月球正面图像的平均反射率
[0017]
进一步地，步骤4包括以下步骤：
[0018]
s4.1，通过重采样方法将m3月球平面平均反射率采样到rolo模型的波长位置λk，得到rolo月球辐射模型波长λk对应位置的m3月球正面图像的平均反射率具体由公式：
[0019][0020]
给出，其中，r
k,s
(λ)为rolo月球辐射模型的光谱响应函数，k表示rolo月球辐射模型的谱段，s表示rolo月球辐射模型的光谱响应函数中的波长，λ1为rolo模型光谱响应函数波长对应的下限，λ2为rolo模型光谱响应函数波长对应的上限；
[0021]
s4.2，对rolo月球辐射模型等效圆盘反射率a
rolo
和rolo月球辐射模型波长λk对应位置的m3月球正面图像的平均反射率进行线性拟合，应用最小二乘法求得rolo月球辐射模型平滑值a
rolo,k
，拟合公式如下：
[0022][0023]
其中，a和b为线性拟合得到的系数。
[0024]
进一步地，步骤5包括以下步骤：
[0025]
s5.1，利用三次样条插值法对rolo模型平滑值a
rolo,k
进行插值处理，得到待绝对辐射定标的卫星遥感器的光谱响应函数对应波长的rolo模型值a
rolo,j
，利用重采样公式对其进行重采样，进而得到卫星光学遥感器中心波长λi对应位置的rolo月球辐射模型值ai，重采
样公式如下：
[0026][0027]
其中，r
i,j
(λ)为卫星遥感器的光谱响应函数，i表示卫星遥感器的谱段，j表示卫星遥感器光谱响应函数中的波长，λm为卫星遥感器光谱响应函数波长对应的下限，λn为卫星遥感器光谱响应函数波长对应的上限；
[0028]
s5.2，采用重采样公式对太阳辐照度进行重采样计算得到卫星光学遥感器中心波长λi对应位置的太阳辐照度ei，计算公式为；
[0029][0030]
其中，e(λ)为太阳辐照度；
[0031]
s5.3，计算标准距离下的月球等效圆盘辐照度模型值ii，计算公式为：
[0032]
其中ωm为月球立体角，ωm＝6.4177
×
105sr；
[0033]
s5.4，计算实测距离下的月球等效圆盘辐照度模型值i'i，计算公式为：
[0034][0035]
其中，d
s-m
为太阳与月球间的距离，d
v-m
为卫星光学传感器与月球间的距离，me为月球与地球的平均距离，au为天文单位，me＝3.844
×
108m,1au＝1.49598
×
10
11
m；
[0036]
s5.5，应用最小二乘拟合法构建不同月相角的每个波段实测月球图像和rolo月球辐射模型值ai之间的线性关系，得到绝对辐射定标系数增益gains和偏置bias；对于卫星光学遥感器的对月观测图像，实测距离下的月球等效圆盘辐照度i'
i,view
的计算公式为：
[0037][0038]
其中，l为辐亮度，dn为灰度值，其中ω
p
是卫星光学图像单个像素的立体角；
[0039]
理论上实测距离下的月球等效圆盘辐照度模型值i'i与卫星实测的月球等效圆盘辐照度i'
i,view
相等，故拟合公式为：
[0040][0041]
本发明还保护一种基于月球的卫星光学遥感器辐射定标系统，包括：
[0042]
提取模块，用于[-90
°
，90
°
]月相角范围的月球图像进行暗电流扣除、平场校正预处理，提取月球总灰度值t
dn
和总像素数t
pixel
；
[0043]
等效圆盘反射率a
rolo
获取模块：用于根据对月观测几何条件，利用rolo月球辐射模型计算标准距离下的等效圆盘反射率a
rolo
；
[0044]
处理模块，用于计算m3的反射率图像月球正面区域均值，并采取三次样条插值法平滑处理得到m3月球正面图像的平均反射率用于对m3月球正面图像的平均反射率
进行重采样处理，得到rolo月球辐射模型波长λk对应位置的m3月球正面图像的平均反射率进而利用和等效圆盘反射率a
rolo
的线性拟合关系对等效圆盘反射率a
rolo
进行平滑，得到rolo月球辐射模型平滑值a
rolo,k
；用于对rolo月球辐射模型平滑值a
rolo,k
进行插值和重采样处理，得到卫星遥感器中心波长λi对应位置的rolo月球辐射模型值ai；
[0045]
辐射定标模块，用于采用最小二乘拟合法建立月球图像和rolo月球辐射模型值ai之间的关系，得到绝对辐射定标系数增益gains和偏置bias。
[0046]
本发明还保护一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时，实现上述的基于月球的卫星辐射定标方法。
[0047]
本发明还保护一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序使计算机执行如权利要求上述的基于月球的卫星光学遥感器辐射定标方法。
[0048]
本发明所提供的一种基于月球的卫星光学遥感器辐射定标方法，通过m3图像的平均反射率光滑rolo模型，采用最小二乘拟合法建立卫星光学遥感器的对月观测图像和rolo模型值之间的关系，定标得到卫星光学遥感器每个波段的绝对辐射定标系数。
[0049]
本发明解决了技术背景中传统定标方式的成本高、操作复杂、卫星器件容易衰变的不足，具体而言相比于现有方法，本发明具有如下有益效果：
[0050]
(1)无需星上定标装备，无需野外场地定标，可以长期对地球轨道卫星光学遥感器进行高频次、高精度的在轨绝对辐射定标；
[0051]
(2)考虑到rolo模型值不能完全得到月球光滑的光谱形状，采用m3图像的月球正面区域平均反射率光滑rolo模型值，能得到更科学、光滑的月球光谱，提升对月定标结果的可靠性。
[0052]
因此，本发明充分利用了月球作为辐射定标源没有大气干扰且稳定的良好特性，极大程度上节省了卫星光学遥感器在轨辐射定标的人力物力。
附图说明
[0053]
图1是本发明实施例的流程图。
[0054]
图2是平滑后的m3月球正面图像平均反射率。
[0055]
图3是本发明实施例平滑后的rolo模型值。
具体实施方式
[0056]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0057]
本发明提供了一种基于月球的卫星光学遥感器辐射定标方法，如图1所示，主要包括以下步骤：
[0058]
步骤1，选择[-90
°
，90
°
]月相角的月球图像进行暗电流扣除、平场校正等预处理，提取月球的总灰度值t
dn
和总像素数t
pixel
；
[0059]
步骤2，根据对月观测几何条件，计算rolo月球辐射模型值，得到标准距离下的等效圆盘反射率a
rolo
；
[0060]
步骤3，计算m3的反射率图像月球正面区域均值，m3为月球矿物质绘图仪，并进一步
通过三次样条插值法平滑处理得到m3月球正面图像的平均反射率具体包括：
[0061]
步骤3.1，遍历m3反射率图像像素，屏蔽月面经度在[-90
°
，90
°
]区间外的像素，由于月球轨道飞船载荷能拍摄月球正面和反面区域，而卫星只能观测到月球正面，得到带有屏蔽标记的月球正面反射率图像img1；
[0062]
步骤3.2，遍历月球正面反射率图像img1中未带有屏蔽标记的像素，若像素值为0，则屏蔽该像素，由于月球轨道飞船载荷获取的月球图像会存在无法全覆盖的情况，得到带有屏蔽标记的月球反射率图像img2；
[0063]
步骤3.3，遍历带有屏蔽标记的月球反射率图像img2中未带有屏蔽标记的像素，计算每个波段反射率图像未带有屏蔽标记的像素的均值，利用三次样条插值法对其进行平滑，得到m3月球正面图像的平均反射率
[0064]
通过以上处理，得到如图2所示的m3月球正面图像平均反射率a
m3
。
[0065]
步骤4，对m3月球正面图像平均反射率进行重采样，并以此平滑步骤2得到的rolo月球辐射模型等效圆盘反射率a
rolo
，得到rolo月球辐射模型平滑值a
rolo,k
。具体包括：
[0066]
步骤4.1，通过重采样方法将m3月球正面图像的平均反射率采样到rolo月球辐射模型的波长位置λk，得到rolo月球辐射模型波长λk对应位置的m3月球正面图像的平均反射率重采样计算公式如下：
[0067][0068]
其中，r
k,s
(λ)为rolo月球辐射模型的光谱响应函数，k表示rolo月球辐射模型的谱段，s表示rolo月球辐射模型的光谱响应函数中的波长，λ1为rolo模型光谱响应函数波长对应的下限，λ2为rolo模型光谱响应函数波长对应的上限。
[0069]
步骤4.2，对rolo月球辐射模型等效圆盘反射率a
rolo
和rolo月球辐射模型波长λk对应位置的m3月球正面图像的平均反射率进行线性拟合，应用最小二乘拟合法求得rolo月球辐射模型平滑值a
rolo,k
，拟合公式如下：
[0070][0071]
其中，a、b均为线性拟合得到的系数。
[0072]
通过以上处理，得到如图3所示的rolo月球辐射模型平滑值a
rolo,k
。
[0073]
步骤5，对rolo月球辐射模型平滑值a
rolo,k
进行插值和重采样处理，得到卫星光学遥感器中心波长λi对应位置的rolo月球辐射模型值ai，采用最小二乘拟合法建立月球图像和rolo月球辐射模型值ai之间的关系，得到绝对辐射定标系数增益gains和偏置bias。具体包括：
[0074]
步骤5.1，利用三次样条插值法对rolo月球辐射模型平滑值a
rolo,k
进行插值处理，得到待绝对辐射定标的卫星光学遥感器的光谱响应函数对应波长的rolo模型值，采用重采样公式对其进行重采样，进而得到卫星光学遥感器中心波长λi对应位置的rolo月球辐射模型值ai，重采样公式由
[0075][0076]
给出，r
i,j
(λ)为卫星遥感器的光谱响应函数，i表示卫星遥感器的谱段，j表示卫星遥感器光谱响应函数中的波长，λm为卫星遥感器光谱响应函数波长对应的下限，λn为卫星遥感器光谱响应函数波长对应的上限；
[0077]
步骤5.2，采用重采样公式对太阳辐照度进行重采样计算得到卫星遥感器中心波长λi对应位置的太阳辐照度ei，计算公式为；
[0078][0079]
其中，e(λ)为太阳辐照度；
[0080]
步骤5.3，计算标准距离下的月球等效圆盘辐照度模型值ii，计算公式为：
[0081]
其中ωm为月球立体角，ωm＝6.4177
×
105sr；
[0082]
步骤5.4，计算实测距离下的月球等效圆盘辐照度模型值i'i，计算公式为：
[0083][0084]
其中，d
s-m
为太阳与月球间的距离，d
v-m
为卫星光学传感器与月球间的距离，me为月球与地球的平均距离，au为天文单位，me＝3.844
×
108m,1au＝1.49598
×
10
11
m；
[0085]
步骤5.5，应用最小二乘拟合法构建不同月相角的卫星光学遥感器每个波段实测月球图像和rolo月球辐射模型值ai之间的线性关系，得到绝对辐射定标系数增益gains和偏置bias。对于卫星光学遥感器的对月观测图像，实测距离下的月球等效圆盘辐照度i'
i,view
的计算公式为：
[0086][0087]
其中，l为辐亮度，dn为灰度值，其中ω
p
是卫星图像单个像素的立体角。理论上实测距离下的月球等效圆盘辐照度模型值i'i与卫星实测的月球等效圆盘辐照度i'
i,view
相等，故拟合公式为：
[0088][0089]
在另一实施例中，本发明提出了一种基于月球的卫星光学遥感器辐射定标系统，包括：
[0090]
提取模块，用于[-90
°
，90
°
]月相角范围的月球图像进行暗电流扣除、平场校正预处理，提取月球总灰度值t
dn
和总像素数t
pixel
；
[0091]
等效圆盘反射率a
rolo
获取模块：用于根据对月观测几何条件，利用rolo月球辐射模型计算标准距离下的等效圆盘反射率a
rolo
；
[0092]
处理模块，用于计算m3的反射率图像月球正面区域均值，并采取三次样条插值法
平滑处理得到m3月球正面图像的平均反射率用于对m3月球正面图像的平均反射率进行重采样处理，得到rolo月球辐射模型波长λk对应位置的m3月球正面图像的平均反射率进而利用和等效圆盘反射率a
rolo
的线性拟合关系对等效圆盘反射率a
rolo
进行平滑，得到rolo月球辐射模型平滑值a
rolo,k
；用于对rolo月球辐射模型平滑值a
rolo
,k进行插值和重采样处理，得到卫星光学遥感器波长λi对应位置的rolo月球辐射模型值ai；
[0093]
辐射定标模块，用于采用最小二乘拟合法建立月球图像和rolo月球辐射模型值ai之间的关系，得到绝对辐射定标系数增益gains和偏置bias。
[0094]
在另一实施例中，本发明提出了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时，实现上述的基于月球的卫星辐射定标方法。
[0095]
在另一实施例中，本发明提出了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序使计算机执行上述的基于月球的卫星辐射定标方法。
[0096]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。