劉梓欽，趙世湖，裴亮，劉書含，王霞

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心，北京 100048)

0 引言

高光譜遙感技術(shù)是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新型對地觀測技術(shù)，始于成像光譜儀技術(shù)的發(fā)展，與微波、激光和高空間分辨率遙感一樣，高光譜遙感是進入新世紀(jì)以來遙感領(lǐng)域中的熱門話題[1-2]。與傳統(tǒng)遙感相比，高光譜遙感是用很窄且連續(xù)的光譜通道對地面進行持續(xù)遙感成像的技術(shù)，其分辨率可達到納米數(shù)量級，光譜通道數(shù)多達數(shù)十到數(shù)百個不等，而且各光譜通道間往往是連續(xù)的[3]。

高光譜遙感與多光譜遙感相比，光譜分辨率更高，能輕易獲得更多的光譜信息，使地面目標(biāo)的幾何特征和紋理信息更加突出，為遙感技術(shù)從定性分析轉(zhuǎn)向定量分析提供了基礎(chǔ)。雖然獲取的遙感數(shù)據(jù)的光譜分辨率越來越高，但是在影像數(shù)據(jù)采集的過程中，不可避免地受到大氣、光照等因素的干擾，所以獲取的數(shù)據(jù)依然不能準(zhǔn)確地表達地物信息。因此，在高光譜遙感數(shù)據(jù)投入到應(yīng)用之前，必須先對影像進行校正處理，主要包括輻射定標(biāo)和大氣校正，目的是減少或剔除大氣、云霧等對影像的影響，降低誤差。遙感影像大氣校正的發(fā)展始于20世紀(jì)70年代，大氣校正方法大致可以分為基于輻射傳輸模型法、基于圖像特征的相對校正法和基于地面線性回歸模型法三類[4]。本文用到的大氣校正模型是基于輻射傳輸模型的大氣校正法。

遙感影像質(zhì)量評價是遙感影像數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵部分，是遙感影像數(shù)據(jù)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)[5]。由于國內(nèi)的高光譜專家學(xué)者還未對質(zhì)量評價指標(biāo)形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對于高光譜影像的質(zhì)量評價，本文借鑒和采用多光譜影像的評價方法和評價指標(biāo)。

本文選用高分五號(GF-5)衛(wèi)星的AHSI影像數(shù)據(jù)，選取的地區(qū)為肇東市、雙鴨山市和唐山遷西縣，地物選擇為土地覆蓋中具有代表性的植被、土壤和水。通過6S模型和FLAASH模塊對這三個地區(qū)的影像數(shù)據(jù)做大氣校正處理，并對校正后的影像提取三種地物的地表反射率，與實測地物反射率對比評價。本研究的目的在于討論6S模型和FLAASH模塊對GF-5衛(wèi)星AHSI影像數(shù)據(jù)的適配性，為后續(xù)GF-5衛(wèi)星高光譜影像融合、分類等應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 大氣校正模型與處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源與實驗區(qū)選取

GF-5衛(wèi)星是我國高分辨率對地觀測衛(wèi)星中唯一一顆陸地環(huán)境高光譜觀測衛(wèi)星。GF-5衛(wèi)星的平均軌道高度為705 km，太陽同步傾角為98.2°，發(fā)射質(zhì)量約為2 800 kg，整星功率為1 700 W，設(shè)計使用壽命為8年。GF-5衛(wèi)星搭配6臺先進載荷，觀測波段覆蓋紫外至長波紅外，分別是可見短波紅外高光譜相機、全譜段光譜成像儀、大氣主要溫室氣體監(jiān)測儀、大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀和大氣痕量氣體差分吸收光譜儀[6]。GF-5衛(wèi)星影像一共有330個波段，光譜范圍為400～2 500 nm，可見光紅外(VNIR)和短波紅外(SWIR)高光譜相機光譜分辨率分別5 nm和10 nm，空間分辨率為30 m，地面覆蓋寬度60 km。

實驗區(qū)選擇肇東市、雙鴨山市和唐山遷西縣。本文在同一地區(qū)選取兩景覆蓋同一地區(qū)的GF-5號衛(wèi)星影像為源數(shù)據(jù)，選取的數(shù)據(jù)要求時相接近，數(shù)據(jù)來源為高分遙感測繪業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。外業(yè)數(shù)據(jù)通過光譜儀實測肇東市的草地、雙鴨山市的黑土地和遷西縣潘家口的水體，得到地面實測光譜反射率數(shù)據(jù)。野外實測的方法為單點測量法。土地、草地和水體是定量遙感和地表覆蓋監(jiān)測中具代表性的地物，也是評價遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量和應(yīng)用能力的重要體現(xiàn)，這是本文選取黑土地、草地和水體作為測試對象的主要原因。

實測外業(yè)采集時間和影像拍攝時間均在2019年。肇東市外業(yè)光譜數(shù)據(jù)采集日期為9月12日，影像拍攝時間為10月7日，相差不足1個月；雙鴨山市外業(yè)光譜數(shù)據(jù)采集日期為4月20日，影像拍攝時間為4月20日與4月27日，時間基本一致；遷西縣外業(yè)光譜數(shù)據(jù)采集日期為9月24日，影像拍攝時間為9月24日和11月14日。由于肇東市既沒有符合時間接近又覆蓋同一實測區(qū)域的兩景影像數(shù)據(jù)，所以肇東地區(qū)僅選取一景影像。外業(yè)數(shù)據(jù)采集充分考慮了與遙感影像獲取的時間相同要求，盡量滿足準(zhǔn)同步的要求，最大限度降低野外地物的時相變化引起的光譜特性變化。通過對大氣校正后的影像做正射校正處理，影像中典型地物的選點與野外實測的點位在WGS_1984坐標(biāo)系上的位置是對應(yīng)的。本文對比了很多選取的地物像元點與實測地物的反射率曲線，經(jīng)分析與本文選取的像元反射率對比結(jié)果相似，為本文后續(xù)反射率對比評價和得出結(jié)論提供支撐。草地實測光譜曲線包含1 025個波段，黑土地實測光譜曲線有2 151個波段，水體實測光譜曲線有601個波段，而GF-5衛(wèi)星AHSI影像的反射率有效波段為301個，所以需要進行光譜重采樣。本文采用的光譜重采樣法為拉格朗日插值法。通過拉格朗日多項式，把野外實測光譜插值到反演的地表反射率中，使得地表反射率曲線和野外實測光譜曲線光譜尺度相匹配。其中，水體實測光譜曲線只有可見光部分(波長350～950 nm)，所以本文只比較水體的可見光范圍的反射率。圖1為唐山遷西縣高光譜影像圖譜立方體。

圖1 唐山遷西縣高光譜圖譜立方體

1.2 GF-5高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

影像在輻射定標(biāo)之前先進行波段篩選。根據(jù)GF-5衛(wèi)星的AHSI影像數(shù)據(jù)特點，在波長范圍1 004～1 030 nm中，可見光近紅外后6個波段(145～150)和短波紅外前4個波段(151～154)重合，本文選擇剔除了短波紅外中151～154波段。由于受水汽的影響，有些波段包含極少的地物反射信息，需要予以剔除，剔除的波段為193～200、246～262，共25個強水汽吸收波段。剔除后的波段數(shù)為301，可見光近紅外(VNIR)波段為1～150，短波紅外(SWIR)波段為151～301。圖2為GF-5衛(wèi)星AHSI數(shù)據(jù)大氣校正處理流程圖。

圖2 GF-5 AHSI數(shù)據(jù)大氣校正處理流程圖

1.3 輻射定標(biāo)

太陽光從太陽到地面再到高光譜衛(wèi)星傳感器的傳輸過程中，會受到傳感器的探測性能差異、大氣對輻射散射和吸收、太陽高度及地形起伏引起的輻射強度變化等因素的影響[7]，所以傳感器接收的信號不能準(zhǔn)確反映地物的反射或輻射特性，即傳感器采集的高光譜影像的測量值與真實的地物能量值存在誤差，因此，對高光譜影像進行定量解譯之前，必須先消除影像所記錄的輻射亮度的失真。通過式(1)和式(2)把影像的原始像元值(DN值)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)像元的表觀輻亮度或表觀反射率。

L=gain×DN+offset

(1)

式中：L為表觀輻射亮度值；gain為增益數(shù)值；offset為偏移數(shù)值。

(2)

式中：ρ為表觀反射率；L為表觀輻亮度值；d為太陽與地面的距離；ESUN為太陽平均輻射強度；θ為太陽天頂角。

1.4 大氣校正

大氣校正的目的是為了消除大氣分子反射、散射和吸收等的影響[8]，將輻射定標(biāo)后的表觀輻亮度或表觀反射率反演為地物接近的真實反射率。大氣校正的方法有很多，根據(jù)校正后的結(jié)果可分為絕對大氣校正方法和相對大氣校正方法?；诖髿廨椛鋫鬏斈Ｐ褪墙^對大氣校正方法眾多模型中精度最高的一種校正方法，其中FLAASH模塊、6S模型和MODTRAN模型等應(yīng)用廣泛[9]。

1)FLAASH模塊。FLAASH模塊的核心算法是來自MODTRAN4+輻射傳輸模型。FLAASH適用于多光譜影像和高光譜影像，能夠精確補償大氣影響，其適用的波長范圍包括可見光至近紅外及短波紅外，最大波長為3 μm。在MODTRAN4模型中，大氣校正參數(shù)包括衛(wèi)星過境時間、氣溶膠類型和大氣模型等。FLAASH模型提供了三種波段區(qū)間進行水汽反演，分別為1 050～1 210 nm(1 135 nm)、870～1 020 nm(940 nm)和770～870 nm(820 nm)，本文選擇通過波段比值法進行水汽反演，用1 135 nm處的水汽吸收波段與非水汽吸收波段的比值獲取大氣水汽柱含量，氣溶膠光學(xué)厚度則采用暗目標(biāo)法反演得到，利用660 nm和2 100 nm的反射率估算氣溶膠量[10-11]。通過式(3)可逐個計算像元的地表反射率。

(3)

式中：L為像元的輻射率；ρ和ρe分別代表像元的反射率和像元附近位置的反射率平均值；La為大氣散射后的反射率；S為大氣球面反射率。根據(jù)太陽高度角、大氣模型、平均高程值和影像采集時間等參數(shù)，可由MODTRAN4模型計算出La、S、A和B等參數(shù)。

2)6S模型。6S模型前身為法國里爾科技大學(xué)大氣光學(xué)實驗室開發(fā)的5S(simulation of the satellite signal in the solar spectrum)大氣輻射傳輸模型，是用來模擬太陽光在太陽—地面目標(biāo)—傳感器的傳輸過程中所受到的大氣的影響。通過模擬可以得出大氣對太陽輻射的影響程度，從而進行大氣校正。6S模型可處理的波長范圍為0.25～4 μm。在 6S模型中，大氣層視為僅在垂直方向上變化，水平方向為均勻一致的平行平面大氣。6S模型將地表分為三種類型：均一地表朗伯體模型、非均一地表朗伯體模型和雙向反射率分布函數(shù)模型，每種地表模型都有特殊的反射率計算模型[12]。本文采用的6S模型為v2.1版本。通過輸入大氣層頂表觀反射率和不同大氣校正參數(shù)，如太陽高度角、氣溶膠類型和影像幾何參數(shù)等，可得到像元校正后的地表反射率。

為了精確對比6S模型和FLAASH模塊的大氣校正效果，將氣溶膠類型和大氣模型等參數(shù)輸入一致，避免因輸入?yún)?shù)的不同而影響大氣校正的效果。圖3為6S模型三種地物任選同一像素的大氣校正前后反射率圖。

圖3 三種地物大氣校正前后反射率對比

2 反射率精度評價

影像質(zhì)量評價方法通常分為主觀評價法和客觀評價法。主觀評價法是由判讀人員直接對圖像的質(zhì)量進行評價，評價過程中很多主觀因素會影響評價結(jié)果，導(dǎo)致其評價結(jié)果具有主觀性和不全面性[13]?？陀^評價，又稱“定量評價”，是利用遙感影像的各類指標(biāo)參數(shù)對影像進行評定，通過對各類不同指標(biāo)的統(tǒng)計與分析，比較出影像的優(yōu)缺點[14]。通常評價單幅影像的指標(biāo)包括均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、平均梯度、信息熵等[15]。本文選取的反射率評價指標(biāo)為光譜角、均方根誤差和相關(guān)系數(shù)。

2.1 精度評價指標(biāo)

1)光譜角制圖(spectral angle mapper，SAM)是一種用來衡量光譜之間相似程度的分類方法[16]，用外業(yè)實測地物光譜與影像中獲取的地表反射率對比，求出的光譜角越小，兩景影像越相似。

2)均方根誤差(root mean squared errorr，RMSE)表示觀測值與真值的離散程度，值越小，證明觀測值精度越高，表示兩條光譜曲線相差越小，表明與實測光譜越接近。

3)相關(guān)系數(shù)(correlation coefficient，CC)主要用于評價影像與影像之間相似程度。其結(jié)果范圍為0至1，當(dāng)數(shù)值越接近0時，代表光譜曲線和實測光譜曲線信息保持度差；當(dāng)越接近1時，代表與實測光譜信息保持一致性較好。

2.2 反射率精度評價

為了評價FLAASH模塊和6S模型對GF-5 AHSI影像數(shù)據(jù)大氣校正后的效果，對FLAASH模塊和6S模型大氣校正后的影像提取地表反射率與實測地面反射率進行對比。反射率的評價指標(biāo)為光譜角、均方根誤差和相關(guān)系數(shù)。地物選取為肇東市的草地、雙鴨山市的黑土地和唐山遷西縣的水體。圖4為三種地物經(jīng)過三種大氣校正模型處理后的地表反射率曲線對比圖。

圖4 三種地物實測光譜與6S模型/FLAASH模塊反射率對比曲線

根據(jù)光譜曲線分析可知，三種地物的地表反射率曲線和實測光譜曲線存在高相關(guān)性。其中，草地的三條反射率曲線整體趨勢大致相同，在可見光-近紅外波段，波長范圍為390～700 nm的大氣校正曲線和實測光譜近乎重疊。黑土地的五條曲線整體趨勢大體接近，在波長2 000 nm附近，大氣校正后的四條曲線波谷稍稍向右偏移。4月27日曲線的反射率值整體比20日高，4月20日的光譜曲線更接近實測地面反射率。黑土地的實測光譜采集工作在4月20日當(dāng)天完成，而土地的反射率在同一季節(jié)不易變化，由此可分析出，時相越接近，地表反射率反演得越精確。水體的11月14日的FLAASH模塊反射率曲線與另四條光譜曲線相差較大，兩個日期的FLAASH模塊曲線有相似的波谷。9月24日的曲線與實測光譜曲線更加相似。通過三種地物曲線可以看出，6S模型和FLAASH模塊的光譜曲線互有偏差，但FLAASH模塊曲線起伏更多，說明在波段細(xì)節(jié)部分，F(xiàn)LAASH模塊的大氣校正效果與6S模型相比有一定差距。

從指標(biāo)上看，草地和黑土地的光譜角余弦值都在0.97以上，水體的光譜角余弦值略低，三種地物的相關(guān)系數(shù)都保持在較高的水平。其中，一方面肇東地區(qū)影像的拍攝時間和實測時間相隔3周左右；另一方面黑龍江省在9—11月，由于氣溫變低草地本身的長勢變的緩慢，光譜數(shù)值也會因其變化，因此對地表反射率的反演有一定的影響，這也是草地的均方根誤差相比另外兩種地物較高的原因。把波段分成可見光波段和短波近紅外波段來看，草地和黑土地的可見光近紅外波段指標(biāo)整體表現(xiàn)比短波紅外波段要好，相關(guān)系數(shù)比短波紅外波段高0.2～0.4，均方根誤差也小0.1～0.3左右。這說明在可見光近紅外波段，大氣校正效果顯著，有效消除了大氣和氣溶膠的反射和散射影響。通過反演雙鴨山市4月20日和4月27日黑土地的氣溶膠光學(xué)厚度，發(fā)現(xiàn)4月27日的光學(xué)氣溶膠厚度相比4月20日低了0.2，說明4月27日影像的大氣條件較好，地表反射率受大氣分子影響較小，因此相關(guān)系數(shù)比4月20日略高。而水體可見光波段11月14日的光譜角余弦和相關(guān)系數(shù)與9月24日相比相差較多，說明地表反射率反演結(jié)果與時相有關(guān)，影像拍攝時間越接近實測時間，大氣校正結(jié)果越接近地面實測反射率。表1～表3為三種地物的三種評價指標(biāo)數(shù)值。

表1 草地實測曲線與6S模型/FLAASH模塊評價曲線評價指標(biāo)

表2 黑土地實測光譜曲線與6S模型/FLAASH模塊曲線評價指標(biāo)

表3 水體實測光譜(可見光)曲線與6S模型/FLAASH模塊曲線評價指標(biāo)

3 結(jié)束語

GF-5衛(wèi)星是全球空間分辨率最高的高光譜遙感衛(wèi)星，代表我國乃至世界高光譜遙感數(shù)據(jù)獲取能力的最高水平。反射率是高光譜遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。GF-5衛(wèi)星高光譜反射率精度直接關(guān)系到高光譜應(yīng)用的效能和質(zhì)量。本文選取三個地區(qū)的GF-5衛(wèi)星的AHSI影像，首先，通過波段預(yù)處理；然后，輻射定標(biāo)；接著，用FLAASH模塊和6S模型大氣校正；最后，進行正射校正，提取出三個地區(qū)的典型地物的地表反射率。通過與地面實測地物反射率做對比實驗，得出以下結(jié)論。

FLAAS模塊和6S模型反演的地表反射率曲線大體接近，但也有不同。通過曲線和三種指標(biāo)定量分析可得出，在一定程度上，大氣校正成功減少了大氣的影響，還原了真實的反射率，提高了影像的整體質(zhì)量。其中，黑土地的地表反射率與地面實測反射率最為接近，而水體則相差較大，光譜角余弦和相關(guān)系數(shù)均不如黑土地和草地；短波紅外波段與可見光近紅外波段相比，光譜角余弦和相關(guān)系數(shù)均低于可見光近紅外波段，均方根誤差值更大，說明在可見光近紅外波段大氣校正效果更好；6S模型可見光波段的三種指標(biāo)值的綜合表現(xiàn)與FLAASH模塊相差不大，但在短波波段比FLAASH模塊更接近地面實測光譜曲線。綜上所述，6S模型比FLAASH模塊大氣校正效果更顯著，6S模型大氣校正法比FLAASH模塊更加適合GF-5衛(wèi)星高光譜影像。

上述結(jié)論為國產(chǎn)高光譜衛(wèi)星基礎(chǔ)共性處理與定量遙感應(yīng)用提供了重要依據(jù)與參考價值。但6S模型和FLAASH模塊都需要對短波紅外波段做進一步改進，以提高大氣校正的精度。