高空间分辨率全色通道绝对定标系数模拟及交叉定标方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星影像处理技术领域，更具体地，涉及一种高空间分辨率全色通道 绝对定标系数模拟及交叉定标方法。 技术背景
[0002] 光学遥感影像的辐射定标是定量遥感的基本预处理环节。对于可见光、近红外、多 光谱或高光谱等各类常见的光学遥感成像仪的原始影像数据，通过辐射定标可以由影像的 DN值得到其对应通道的辐射亮度值，从而客观反映地表覆被大气表观上特定通道内的物理 特性，是大气校正、地物波谱应用、遥感产品反演的前提，具有重要意义。而辐射定标环节最 重要的物理参数即绝对定标系数，是综合考虑大气中诸多因素对辐射传输影响的结果。
[0003] 对于绝对定标系数，目前常用的、精度较高的获取方法是进行在轨卫星的场地定 标。然而，场地定标的方法对定标场地的要求较高，需要场地具有开阔平坦、地表均一、方 向特性好，并且要求场地上方具有大气活动稳定、水汽含量少等特点，目前我国国家遥感辐 射校正场只有敦煌陆面试验场和青海湖水面试验场。此外，由于星载传感器在轨极端环境 的影响，其光敏元件灵敏程度会随时间不断衰退，相应生产的影像的绝对定标系数也会随 时间改变，我国资源卫星应用中心对国产高空间分辨率卫星影像的绝对定标系数每年更新 一次，有效期限约为一年，相关资料详见链接http://www. cresda. com/nl6/nlll5/nl522/ n2103/index. html〇
[0004] 由于绝对定标系数测定环境对时间、空间苛刻的要求，一旦特定期间内的绝对定 标系数缺失，其时空的不可重复性会导致其对应时间段内大量数据的无法定标，进而无法 进行相关的定量遥感研究和生产。如我国2012年1月升空的国产资源三号卫星，其全色通 道绝对定标系数2012年、2013年数据缺失，直至2014年才有相关数据公布，这导致大量资 源三号全色影像无法定标，限制了其在定量遥感研究和生产中的应用。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述问题，弥补因数据缺失带来的资源三号全色通道无法定标的不足， 本发明提出一种高空间分辨率全色通道绝对定标系数模拟方法，该方法是基于全色通道与 对应多光谱通道的关系，基于统计学原理利用多光谱通道的绝对定标系数得到模拟结果。
[0006] 本发明的又一目的是提出一种交叉定标方法，该方法是基于上述模拟结果，结合 能量因子进行资源三号全色数据的定标和矫正。
[0007] 为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
[0008] -种高空间分辨率全色通道绝对定标系数模拟方法，包括如下步骤：
[0009] SlL基于全色通道及多光谱通道DN值影像随机提取大量样本；
[0010] S12.基于样本求关系因子和质量因子；
[0011] S13.求关系因子和质量因子二者的积，并进行归一化处理得到拟合权重；
[0012] S14..采用上述拟合的权重对多光谱通道绝对定标系数加权求和即得到全色通道 绝对定标系数模拟结果，其计算公式如下：
[0014] 式中，Gain为全色通道绝对定标系数模拟结果，^为多光谱样本第i通道的权重， Gain1S多光谱样本第i通道绝对定标系数，N为相关通道总数，其中相关通道是指与全色 通道在光谱覆盖范围上存在交叉或相邻多光谱通道。
[0015] 优选地，所述的基于样本求关系因子的过程为：
[0016] 基于样本统计全色通道与相关多光谱通道之间的数据关系，用相关系数P i表示 关系因子，其计算公式如下：
[0018] 式中，P 全色样本与第i通道多光谱样本的相关系数，Pan (j)为全色通道第j 个样本，Mul1U)为多光谱第i通道第j个样本，M为样本总数，μ p为全色样本的均值、μ i 为第i通道多光谱样本的均值。
[0019] 优选地，所述的基于样本求质量因子的过程为：
[0020] 基于样本统计全色通道与相关多光谱通道之间的数据质量比值，用DN值比的均 值_表示质量因子，其计算公式如下：
[0021]
[0022] 式中，钤为全色样本与第i通道多光谱样本的DN值比的均值。
[0023] 优选地，所述的拟合权重的过程为：
[0024] 求关系因子与质量因子的积，即全色样本与第i通道多光谱样本相关系数和DN值 比均值的积，并进行归一化处理，得到模拟所需的权重，其计算公式如下：
[0025]
[0026] 式中，^为多光谱样本第i通道的权重，P 全色样本与第i通道多光谱样本的 相关系数，％为全色样本与第i通道多光谱样本的DN值比的均值。
[0027] -种基于所述定标系数模拟方法的交叉定标方法，是对国产资源三号全色通道的 交叉定标方法，包括如下步骤：
[0028] S21.采用全色通道绝对定标系数模拟结果对资源三号数据进行数据定标；
[0029] S22.选取传感器计算用于矫正的能量因子；
[0030] S23.依据能量因子对步骤S21中的定标结果进行矫正。
[0031] 优选地，所述步骤S22选取传感器计算用于矫正的能量因子中计算能量因子的过 程为：
[0032] 求资源三号与传感器全色通道空间分辨率的反比的平方，其公式如下：
[0034] 式中，K为能量因子，GSIz为资源三号全色通道空间分辨率，GSI 5为所选传感器的 空间分辨率。
[0035] 优选地，所述步骤S23依据能量因子对步骤S21中的定标结果进行矫正中矫正方 法为：
[0036] 将定标结果乘以能量因子得到矫正后定标数据，其计算公式为：
[0037] Panadj = Pan k · K
[0038] 式中，Panadi为矫正后结果，Pan k为矫正前定标结果，K为能量因子。
[0039] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明采用统计学原理，基于全色通道和 多光谱通道的DN值样本，用多光谱通道的绝对定标系数模拟得到了全色通道的绝对定标 系数，在初步定标的基础上，采用能量因子进行校正，简单、快速、有效地得到资源三号较为 准确的定标结果，弥补了 2012年~2013年全色定标系数缺失导致的无法定标的不足，具有 很强的实际意义。
【附图说明】
[0040] 图1为一个实施例中本发明的流程图。
[0041] 图2为一个实施例中采用能量因子矫正前资源三号与SPOT 6全色通道定标结果 的交叉对比图，及其线性拟合关系，其R2为〇. 8582。
[0042] 图3为一个实施例中采用能量因子矫正后资源三号与SPOT 6全色通道定标结果 的交叉对比图，及其线性拟合关系，其R2为〇. 8582。
【具体实施方式】
[0043] 一种高空间分辨率全色通道绝对定标系数模拟方法，是针对高空间分辨率全色遥 感影像，尤其是国产资源三号全色通道绝对定标系数的模拟方法，包括以下步骤：
[0044] 步骤一、基于全色通道及多光谱通道DN值影像随机抽取大量样本，并假设全色通 道样本与多光谱样本之间存在强相关关系，如式（1)所示：
[0046] 可以得到表示拟合关系的假设一，如式（2)所示：
[0048] 式中，Pan为全色样本，Mul1为第i通道的多光谱样本，N为相关通道总数，其中相 关通道是指与全色通道在光谱覆盖范围上存在交叉或相邻的多光谱通道，Ic1为关系因子。
[0049] 步骤二、基于样本求关系因子，即{kN};本发明采用相关系数{ P N}表示该关系因 子，其计算公式（3)如下：
[0051] 式中，P $全色样本与第i通道多光谱样本的相关系数，M为样本总数，μ p、P1分别为全色样本和第i通道多光谱样本的均值。
[0052] 步骤三、根据全色数据和多光谱数据的定标公式（4)、（5)，
[0058] 式中，PankS全色样本定标结果，Mul丨为第i通道的多光谱样本定标结果，Gain为 全色通道绝对定标系数模拟结果，Gain1S多光谱样本第i通道绝对定标系数。
[0059] 带入全色数据与多光谱数据的拟合关系，得到公式（8):
[0065] 其中，{ΦΝ}为待求的质量因子；
[0066] 本发明采用DN值比的均值表示该待求的质量因子，其计算公式如（12):
[0067]
[0068] 式中，釣为全色样本与第i通道多光谱样本的DN值比的均值。
[0069] 步骤四、由公式（11)可知：
[0072] 为满足该性质，对关系因子替代项{PN}和质量因子替代项的乘积进行归一 化处理，其公式如下：
[0073]
[0074] 式中，&为权重，P为全色样本与第i通道多光谱样本的相关系数，供为全色样 本与第i通道多光谱样本的DN值比的均值。
[0075] 步骤五、假设存在假设二，其表达如式（15)所示：
[0077] 则由步骤三、四可知，可通过加权求和模拟全色通道定标系数，其计算公式如 (16)：
[0079] -种采用上述定标结果的交叉定标方法，具体是采用上述的全色通道定标系数模 拟结果对资源三号数据进行数据定标，其步骤详见公式（4)。
[0080] 考虑到由于资源三号传感器灵敏度可能不满足假设二，其绝对定标结果存在偏高 的情况，故在本发明中采用与资源三号类似的SPOT 6的相关参数计算能量因子对定标结 果进行矫正；即假设其传感器灵敏程度类似，并且辐照度在视场范围内恒定（即纯净像元 特征），如式（17)所示：
「00821 则存在一个表示二者收集能量差异的闵子，其计筧公式如（18)所示：
[0084] 式中，K为能量因子，f(x，y)为辐照度分布函数，S为常数，表示辐照度在视场范围 内恒定；Ω为视场范围，GSI为地面投影采样间隔，亦可以表示为影像数据的空间分辨率； GSIz为资源三号全色通道空间分辨率，GSI s为所选传感器（即SPOT 6)的空间分辨率。
[0085] 采用该能量因子对资源三号全色通道定标结果进行校正，即可得到较为准确的定 标结果。
[0086] 实施例1
[0087]图1给出的一个实施例是本发明所述的全色通道绝对定标系数模拟方法，以及以 全色通道绝对定标系数模拟结果为基础针对资源三号全色通道交叉定标的流程图，包括以 下步骤：
[0088] 在步骤"随机抽样"中，对配准