趙艷華

(北京空間機電研究所,北京100076)

1 引言

中波紅外面陣遙感相機指工作在中紅外窗口、使用焦平面探測器作為光電轉換元件的對地物成像的航天光學遙感相機。在3.0～5.0μ m的中紅外波段地物反射的太陽輻射和地物的熱輻射均不能忽略,二者在一個數(shù)量級上[1]。這個特點使它不同于可見光-近紅外(0.4～1.1μ m)遙感相機和長波紅外(8.0～14.0μ m)遙感相機。

在使用相同數(shù)量探測器凝視成像的情況下,焦平面探測器的觀測范圍更大,而且沒有推掃、擺掃等成像方式中的活動部件,可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

地表的溫度一般為300K,地表輻射能量基本上處在3.0μ m以上的波段[1],結合焦平面探測器觀測范圍較大的特點,使得中波紅外面陣遙感相機具有凝視觀測、晝夜成像、結構簡單、可靠性高等特點,因此在軍事(導彈預警、紅外偵察等)和民用(地表溫度、海洋溫度、森林火災、火山、晝夜云、海岸線監(jiān)測等)上都有廣闊的應用前景。

遙感圖像數(shù)據(jù)的定量應用以及考察發(fā)射前后遙感相機性能的變化,都需要對遙感相機進行輻射定標。輻射定標是將遙感相機記錄的電壓或數(shù)字值轉換成絕對輻射亮度的過程[2],按照使用的不同要求,輻射定標分為絕對輻射定標和相對輻射定標。

絕對輻射定標是確定航天光學遙感相機輸出量與其入瞳處輻亮度之間的關系[3],通過該關系可以進行從輸出數(shù)據(jù)到輸入信號的反演。相對輻射定標(即非均勻性校正)是指確定場景中各像元之間、各探測器之間、各譜段之間以及不同時間測得的輻亮度的相對值[3],本文中相對輻射定標是指對面陣探測器各像元響應的不一致性進行校正。將相對輻射定標數(shù)據(jù)(非均勻性系數(shù))作用于原始圖像,可消除由探測器各像元響應不一致帶來的影響,從而獲得較清晰的圖像。

輻射定標是熱紅外通道遙感信息定量應用的基礎性問題[4],當熱紅外通道遙感相機不具備在軌定標能力或在軌定標失敗時,一般可以用輻射校正場定標和交叉定標等多種替代定標方式來彌補[5]。

利用輻射校正場定標是以對輻射校正場地表光學特性及大氣光學特性的全面了解為基礎,運用大氣輻射傳輸方程推導航天光學遙感相機入瞳處的輻亮度,從而獲得對地觀測遙感相機的輻射校正系數(shù),實現(xiàn)對遙感相機獲取的數(shù)字圖像的輻亮度反演,達到遙感信息定量化的目的[6]。場地光學特性主要包括:地表反射比、地表BRF特性、地表均勻性等。大氣光學特性主要有:大氣垂直光學厚度、氣溶膠類型、氣溶膠光學厚度等[7]。

利用校正場定標是開展得較成熟的一種利用地物進行定標的方法,但其受衛(wèi)星軌道、相機幅寬、大氣狀況等因素約束較多,并需大量人力、物力的保障,這種方法定標次數(shù)較少,一年約1～2次,但這種方法獲得的定標結果精度較高,主要用于遙感圖像信息的反演。

對于中波紅外面陣相機而言,根據(jù)應用需求,主要是完成對地圖像的非均勻性校正和探測器性能的在軌監(jiān)測,因此對其進行相對輻射定標技術研究。

本文根據(jù)兩點定標原理,以中波紅外面陣遙感相機圖像數(shù)據(jù)為基礎,參考利用輻射校正場進行在軌定標的方法,利用在軌其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲得相機入瞳處輻亮度,從而進行在軌相對輻射定標,它為同類紅外面陣遙感相機在軌相對輻射定標提供了一種新的思路和方法,同時也可作為星上黑體定標的一種校驗手段。

2 相對輻射定標的算法

相對輻射定標主要采用相對輻射定標系數(shù)法,即利用衛(wèi)星發(fā)射前在實驗室測得的相對輻射定標系數(shù)和衛(wèi)星發(fā)射后星上獲得的相對輻射定標系數(shù)對圖像進行校正。中波紅外面陣遙感相機采用兩點法來獲得相對輻射定標系數(shù),這是目前紅外遙感相機星上定標廣泛采用的一種方法。

以320×256中波紅外面陣探測器(采用320×240制式,共76 800個像元)為例,非均勻性系數(shù)的計算方法如下:

1)求出高、低溫各N幅圖像對應像素電信號數(shù)字量之和EHX[i]、ELX[i],

2)求出高、低溫各N幅圖像對應像素電信號數(shù)字量和的平均值EH[i]、EL[i],

3)求所有像素高、低溫差值的平均值E,

4)非均勻性系數(shù)G[i]的求取,

利用地物進行相對輻射定標的方法是:確定出符合要求的、具有均勻輻射特性的典型地物目標(相當于黑體)的地理位置信息,查詢經(jīng)過這些區(qū)域的成像數(shù)據(jù),挑選出一定數(shù)量的圖像,獲得地物的溫度、發(fā)射率等數(shù)據(jù),通過大氣輻射傳輸模式得到入瞳處等效黑體輻亮度,根據(jù)溫差要求匹配數(shù)據(jù),由不同溫度圖像的DN值計算出各像元的非均勻性系數(shù),非均勻性系數(shù)乘以原始DN值得到校正后的DN值,即完成逐像元校正。

相對輻射定標方法的關鍵是確定符合要求的地物和獲取入瞳處溫度。利用地物進行中波紅外面陣遙感相機相對輻射定標的工作流程圖如圖1所示。

圖1 利用地物進行中波紅外面陣遙感相機相對輻射定標的工作流程圖

3 地物目標的確定

合適的地物目標的確定作為相對輻射定標方法的關鍵,要求整幅圖像目視均勻、清晰,并且有多幅滿足要求的圖像,以便求取此區(qū)域圖像的平均計數(shù)值,消除區(qū)域內(nèi)地物特性不穩(wěn)定帶來的誤差。因此,地物的選擇應考慮較大范圍內(nèi)溫度、發(fā)射率等指標較穩(wěn)定的區(qū)域。

3.1 地物類型

一般來說,地表對于長波輻射的吸收率近似于常數(shù),可認為地面為灰體,吸收率取常數(shù)A(A非常接近于1),吸收率是物體的發(fā)射輻射能與黑體發(fā)射輻射能的比值,故A也稱為相對輻射率或比輻射率。各類地面的A值在0.85～0.99之間,其中純水接近于1,可用作黑體源面[1]。大面積水體具有均勻、穩(wěn)定的輻射特性,可用作紅外遙感相機在軌輻射定標的地物目標。

中國遙感衛(wèi)星輻射校正場就以青海湖水面作為遙感衛(wèi)星紅外探測通道外場輻射定標的場地[8],其水體與我國近海水體表觀光學特性接近[9]。青海湖水體比較清潔,基本未受污染,是較為理想的輻射校正場,但受到軌道的限制,對于觀測區(qū)域不能覆蓋我國青海湖的遙感相機,很難僅選用青海湖作為定標時的地物。

通過上述分析,地物目標類型可確定為不同緯度的海洋、湖泊。

3.2 地物目標選擇應考慮的因素

(1)溫度穩(wěn)定性要求

地物目標溫度穩(wěn)定性越好,所獲取的相鄰圖像數(shù)據(jù)灰度值越接近,計算結果偏差越小。

在海岸附近水陸溫度變化較大,所以選取的水域應盡量遠離岸邊。我國渤海中心區(qū)域、山東半島東北海區(qū)、黃海海槽、東海大陸架、南海大部及日本琉球群島以東、西太平洋區(qū)域、印度洋北部等都是海水溫度較穩(wěn)定的區(qū)域,應盡量選擇上述區(qū)域進行地物目標的選取。

(2)溫差要求

由于兩點定標需2個不同溫度的地物圖像數(shù)據(jù),因此,選擇緯度靠近赤道的水域作為高溫目標,緯度遠離赤道的水域作為低溫目標。全球海洋溫度分布示意圖如圖2所示,這是2009年7月27日的數(shù)據(jù)(從互聯(lián)網(wǎng)下載),可作為海洋溫度分布的參考。

圖2 全球海洋溫度分布圖

從圖2中可以看出,高溫地區(qū)主要分布在印度洋靠近赤道附近、西太平洋赤道附近和琉球群島以東區(qū)域、中國南海、北美洲南部海灣等地;低溫地區(qū)主要分布在高緯度海域。

按照探測器的使用要求,低溫點取20℃,高溫點取35℃,選取的地物溫度應盡量靠近這2個溫度值。由于所使用的中波紅外面陣探測器在工作區(qū)間內(nèi)是線性響應,如果溫度點略有偏差,只會增大或縮小線性響應區(qū)域,對計算結果影響較小。

3.3 地物目標選擇結果

根據(jù)上述溫度穩(wěn)定性要求、海溫分布、溫差要求等,初步確定符合要求的地物目標及其大致位置。不同季節(jié)海溫分布有所差別,因此,需適時調(diào)整上述區(qū)域的具體范圍。

高溫目標選擇中國南海(北緯 10°～ 18°,東經(jīng) 111°～ 117°)、中國東海(北緯 25°～32°,東經(jīng) 123°～128°)、西太平洋(北緯 7°～ 25°,東經(jīng) 130°～ 140°)、東印度洋(南緯 2°～北緯 12°,東經(jīng) 70°～ 94°)、西印度洋(北緯 12°～ 21°,東經(jīng) 58°～ 72°)5 個區(qū)域,低溫目標選擇北太平洋東部(北緯 45°～ 53°,西經(jīng) 135°～ 150°)、南太平洋(南緯35°～ 49°,西經(jīng) 80°～ 100°)、澳大利亞海灣(南緯 40°～ 50°,西經(jīng) 110°～ 140°)3個區(qū)域 。

3.4 地物具體信息的確定

明確地物大致地理范圍后,通過用戶或相關地面應用系統(tǒng)查詢以往成像任務中有哪些經(jīng)過這些區(qū)域,找出經(jīng)過這些區(qū)域的成像任務數(shù)據(jù)。

對于不同的航天光學遙感相機而言,圖像采樣間隔、幅寬都有所不同,因此,需從上述找到的圖像數(shù)據(jù)中進行篩選。選擇方法如下:

1)根據(jù)3.3節(jié)確定的高、低溫目標區(qū)域范圍,從成像任務數(shù)據(jù)中挑選出經(jīng)過這些區(qū)域的圖像;

2)根據(jù)校正后圖像,篩選出灰度均勻且清晰的圖像,記錄圖像所在幅數(shù),這樣可確定高、低溫定標數(shù)據(jù)所在的成像任務數(shù)據(jù)名稱、成像時間及具體圖像幅數(shù);

3)根據(jù)每幅圖像對應的經(jīng)緯度,找到此區(qū)域的經(jīng)緯度范圍和對應的成像時間。

上述方法是基于在以往成像數(shù)據(jù)中查找符合要求的地物具體信息,此外,也可根據(jù)選定區(qū)域有針對性的進行成像,從每次成像數(shù)據(jù)中挑選出符合要求的數(shù)據(jù)作為定標圖像數(shù)據(jù)。

4 其他在軌衛(wèi)星及其數(shù)據(jù)的選取

根據(jù)選定的成像區(qū)域?qū)慕?jīng)緯度和成像時間,選擇在同一時刻能觀測到同一區(qū)域的其他在軌衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星。

如果在相近軌道、相近時刻、相近譜段找不到適合的衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星,可選擇靜止軌道衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星,如美國的GOES、日本的MTSAT以及我國的FY-2C、FY-2D等。因選擇的是面積較大、區(qū)域溫度較穩(wěn)定的海洋作為成像目標,且靜止軌道衛(wèi)星觀測范圍較大,所以能找到對應成像時刻、同一區(qū)域的圖像。

根據(jù)選定圖像的成像時刻及經(jīng)緯度信息,在“中國遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務網(wǎng)”上查詢相關衛(wèi)星的指標和數(shù)據(jù)。在有多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)符合要求的情況下,應盡量選擇在星下點附近能看到該區(qū)域圖像且是準確標定過的衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星,并向相關部門定制參考衛(wèi)星的相應圖像、大氣數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)。

5 選定海域溫度值的獲取

海洋溫度(指海水表層溫度)的獲取有4種方式:1)根據(jù)參考衛(wèi)星反演的溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù)查詢選定海域的溫度;2)通過中國Argo浮標觀測網(wǎng)的數(shù)據(jù)查詢選定海域的溫度;3)參考Google earth地圖中選定海域的溫度;4)天氣預報的數(shù)據(jù)。這幾種方式可互為補充、互相校正。

由于是同一時刻觀測到的同一地物,大氣狀況可認為是相同的。利用參考衛(wèi)星的相關產(chǎn)品數(shù)據(jù),將大氣參數(shù)、地表參數(shù)和遙感相機的工作譜段、光譜響應函數(shù)、觀測的天頂角和方位角等參數(shù)輸入到熱紅外輻射大氣傳輸計算軟件,就可計算出遙感相機入瞳處的輻亮度Le,如中巴地球資源衛(wèi)星熱紅外通道的交叉輻射定標就利用了MODIS數(shù)據(jù)推算出IRMSS的入瞳輻亮度[10]。根據(jù)實驗室輻射定標結果,按照式(7)可將輻亮度Le轉換為溫度 T。

通過上述方法,可以獲得對應不同輻亮度的不同溫度值。

6 非均勻性系數(shù)的計算

從選擇出的成像任務數(shù)據(jù)中,分別提取一定數(shù)量符合要求的均勻地物圖像數(shù)據(jù)作為高溫或低溫定標數(shù)據(jù),然后選取溫差滿足要求、成像區(qū)域和時間較接近的數(shù)據(jù)進行非均勻性系數(shù)的計算。

定標數(shù)據(jù)獲取方式為:分別選取指定成像任務數(shù)據(jù)中一定范圍的對地圖像數(shù)據(jù)作為高、低溫定標數(shù)據(jù)。軟件應按圖3所示流程圖要求,實現(xiàn)定標數(shù)據(jù)的獲取。

圖3 定標數(shù)據(jù)獲取流程圖

將獲得的2個海域的溫度值、發(fā)射率、所選圖像的數(shù)量等參數(shù),按公式(1)～(6),即可計算出每個像元的非均勻性校正系數(shù)G′[i],將相近日期用定標黑體圖像計算出的非均勻性系數(shù)G[i]與G′[i]取比值,得到相對偏差g,g即為修正因子,是一個綜合偏差系數(shù),其計算公式如下:

將此修正因子乘以后續(xù)用這種方法計算出的非均勻性系數(shù),即得到地物圖像的相對輻射校正系數(shù)。

用這種方法對地物圖像進行非均勻性校正效果良好,校正前后對比結果如圖4所示。

圖4 校正前、后的對比圖片

校正后的中紅外遙感圖像可反映山川、水域、沙漠等邊界的變化情況,可顯示高溫目標所在區(qū)域,也可提供大型建筑的外形輪廓,在軍事、民用等多個領域都有較廣泛的應用價值。

7 相對定標精度分析

在軌利用地物進行相對輻射定標方法定標的精度分析結果見表1。

表1 在軌利用地物進行相對輻射定標的精度統(tǒng)計

與星上黑體相比,地物的發(fā)射率、均勻性等參數(shù)差異較大,表1中數(shù)據(jù)是對2次成像數(shù)據(jù)校正后部分圖像數(shù)據(jù)的分析結果,2次圖像校正系數(shù)相同,從數(shù)據(jù)中可以看出圖像自身品質(zhì)對相對輻射定標精度影響較大,如果地物圖像非常均勻,定標精度就相對較高;反之,定標精度就較低?；叶确浅＞鶆虻膱D像數(shù)量有限,因此,參與計算的圖像數(shù)據(jù)灰度的均勻性會存在一定差異。

表1選取了比較典型的2種圖像數(shù)據(jù)情況,取平均行標準差法計算結果的均值來表征利用地物相對輻射定標方法的相對定標精度,結果為0.922%。

8 結束語

綜上所述,在軌利用地物圖像數(shù)據(jù)進行相對輻射定標的方法是可行的。使用此方法獲得的相對輻射定標數(shù)據(jù)進行對地圖像非均勻性校正,圖像品質(zhì)得到明顯改善。

此種相對輻射定標方法選用面積廣闊、溫度穩(wěn)定、具有均勻輻射特性的海洋作為地物目標,因此,用于做定標數(shù)據(jù)的地物圖像較多,可以獲取較多的相對輻射定標數(shù)據(jù),以達到對遙感圖像長期、動態(tài)校正的目的。

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