用于大观测角传感器的交叉辐射定标方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种用于大观测角传感器的交叉辐射定标方法及系统，包括配准待定标影像和参考影像，对待定标影像和参考影像的每一组对应波段分别进行随机采样得到对应的定标点；针对每个波段，分别对每一对定标点进行交叉定标操作，建立BRDF调整系数为待定标影像的地表二向性反射分布函数与参考影像的地表二向性反射分布函数的比值，然后以迭代的方式进行处理；针对每个波段，将交叉定标结果中偏离平均值大于预设阈值的点删除，然后取平均值，获得最终的辐射定标系数。本发明专利技术无需通过复杂模型分别计算待定标影像和参考影像的BRDF值，计算简单稳定，可操作性强，而且可排除引入辅助数据计算BRDF产生的误差以及异常定标点对结果的影响。

【技术实现步骤摘要】
用于大观测角传感器的交叉辐射定标方法及系统
本专利技术涉及一种针对大观测角传感器的基于数据同化的交叉辐射定标方法及系统，属于遥感影像处理

技术介绍
随着遥感应用的深入，现在国内外主流的遥感技术已从定性分析发展到了定量研究，而辐射定标是定量遥感的基础和前提。辐射定标是将传感器记录的无量纲的数字量化值(DN值)转换成具有实际物理意义的大气顶层辐射亮度或反射率。它的主要作用体现在：(1)通过动态监测，校正传感器的性能衰变，修正大气、光照条件和环境变化等对测量结果的影响，保证测量结果真实反映目标和背景的特征；(2)建立不同平台、不同传感器的辐射量基准，使不同时间和空间尺度下获得的多源观测数据可以相互对比、转换和融合。卫星发射后，传感器性能随着太空环境的变化而变化，必须对其进行在轨辐射定标，在轨辐射定标分为星上定标和替代定标，星上定标主要依赖于星上定标设备，具有较高的定标精度，但随着时间推移，定标设备会发生衰减，而且部分传感器没有配备星上定标设备，因此必须探寻星上定标的有效补充，即进行替代定标。目前常用的替代定标方法有场地定标和交叉定标，如我国的环境系列、风云系列卫星等,使用的定标数据来自于在敦煌绝对福射校正场及青海湖校正场进行的场地定标实验。然而场地定标方法需要地面和卫星同步观测,容易受到大气状况、太阳角度等各种自然条件的限制，而且需要耗费大量的人力、财力、物力；更重要的是，它不能实现对历史数据的定标。因此，无需地面观测数据的交叉定标方法被提出并得到广泛研究和应用。交叉定标的基本过程是,通过参考传感器与待定标传感器同时观测同一目标,用参考传感器获取的信息对待定标传感器进行定标。与场地定标相比,交叉定标不需要投入大量的人力、仪器及资金等进行地面测量,对实验场的要求也低于场地定标，还可以对历史数据进行定标。交叉定标过程中必须消除参考传感器和待定标传感器之间差异，这些差异主要体现在光谱响应、大气辐射传输以及地表二向性反射分布三个方面，其中大气辐射传输和地表二向性反射分布都与卫星的观测角度显著相关。卫星的观测角就是成像时卫星与目标地物的角度关系，有卫星天顶角和卫星方位角，卫星天顶角是卫星和目标的连线与天顶方向的夹角，如果卫星垂直拍摄地面那么天顶角就是0°。卫星方位角是卫星和目标的连线在地面的投影与当地子午线的夹角。卫星观测角度的差异主要体现在卫星天顶角，普通卫星(大多是太阳同步轨道)一般近垂直拍摄，卫星天顶角一般接近0°，比如Landsat-8OLI的卫星天顶角范围为±7°。大观测角卫星，比如地球静止轨道卫星GF-4PMS的卫星天顶角的范围为-65°-70°，观测地点距离星下点越远，角度越大。普通太阳同步轨道卫星的卫星方位角浮动范围较小，大观测角卫星，如静止轨道卫星的卫星方位角浮动范围相对较大，例如在敦煌定标场，Landsat-8OLI的卫星方位角为98°，而GF-4PMS的卫星方位角为161°。可以作为参考的定标精度较高的传感器绝大多数观测角度都很小，那么待定标传感器的观测角度越大，他们之间的大气辐射传输和地表二向性反射分布差异就会越显著。因此，对于大观测角的卫星，由于不考虑大气辐射传输或者地表二向性反射分布差异性，传统交叉定标方法无法得到准确的辐射定标系数。目前本领域急需一种针对大观测角传感器的交叉定标方法，消除参考传感器与待定标传感器之间的大气辐射传输和地表二向性反射分布差异，从而得到准确的交叉定标结果。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种针对大观测角传感器的基于数据同化的交叉辐射定标技术方案，同时考虑两传感器之间光谱响应、大气辐射传输以及地表二向性反射分布函数(BRDF)的差异，将交叉定标看作是一个最佳逼近的问题，无需通过复杂模型计算BRDF，而是建立一个BRDF调整系数，与定标系数一起作为待同化参数，利用同化算法通过循环迭代的方式找到最优的辐射定标系数和BRDF调整系数。本专利技术的技术方案提供一种用于大观测角传感器的交叉辐射定标方法，包括以下步骤，步骤1，配准待定标影像和参考影像，对待定标影像和参考影像的每一组对应波段分别进行随机采样得到对应的定标点；步骤2，针对每个波段，分别对每一对定标点进行如下的交叉定标操作，步骤2.1，基于参考影像的定标点的DN值计算大气表观反射率，并通过大气校正得到地表反射率；步骤2.2，对参考影像的地表反射率进行匹配找到最接近的光谱曲线，计算参考影像与待定标影像之间的光谱调整系数SBAFi，下标i用于表示第i波段；步骤2.3，建立BRDF调整系数ci，所述BRDF调整系数ci为待定标影像第i波段的地表二向性反射分布函数与参考影像第i波段的地表二向性反射分布函数的比值；步骤2.4，初始化参数，包括设定待定标影像的辐射定标系数Gaini和Offseti的初始值、有效范围和变化步长，以及BRDF调整系数ci的初始值、有效范围和变化步长，作为同化算法的输入参数，其中Gaini为定标增益系数，Offseti为绝对定标偏移系数；然后以迭代的方式进行如下处理，步骤2.4.1，基于待定标影像的DN值计算大气表观反射率，并通过大气校正得到地表反射率ρ(Target,i)；步骤2.4.2，基于待定标影像的地表反射率ρ(Target,i)，利用步骤2.3所建立BRDF调整系数ci的当前值和步骤2.2所得光谱调整系数SBAFi通过下式模拟得到参考影像的地表反射率ρsimulated(Reference,i)；ρsimulated(Reference,i)＝ρ(Target,i)/ci/SBAFi步骤2.4.3，比较参考影像的模拟地表反射率ρsimulated(Reference,i)与真实反演的地表反射率ρ(Reference,i)之间的差异，若差异比小于预设阈值，便得到最佳的辐射定标系数，结束迭代；反之，利用同化算法优化更新辐射定标系数Gaini和Offseti以及BRDF调整系数ci，然后回到步骤2.4.1；步骤3，针对每个波段，将一个波段的交叉定标结果中偏离平均值大于预设阈值的点删除，然后取平均值作为最终的交叉定标结果，获得最终的辐射定标系数Gaini和Offseti。而且，所述计算大气表观反射率，采用以下公式，Li＝Gaini·DNi+Offseti其中，i为波段序号，Li为转换后辐亮度，DNi为该波段的数字量化值，Gaini为定标增益系数，Offseti为绝对定标偏移系数；ρTOA(i)＝π·Li·d2/(Ei·cosθ)其中，ρTOA(i)为i波段的大气表观反射率，θ为太阳高度角，d是天文单位的日地距离；Ei是大气层顶的平均太阳光谱辐照度。而且，计算参考影像与待定标影像之间的光谱调整系数SBAFi，采用以下公式，其中，SBAFi为某一地物第i波段的光谱匹配系数，λ表示波长，ρ(λ)为目标地物的连续光谱反射率，f(λ)为连续的大气层外太阳光谱辐照度，STarget,i(λ)和SReference,i(λ)分别为待定标传感器和参考传感器第i波段的波谱响应函数，aTarget,i，bTarget,i和aReference,i，bReference,i分别为待定标传感器和参考传感器第i波段的波长范围下限和上限。而且，参考影像的模拟地表反射率ρsimulated(Referen本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于大观测角传感器的交叉辐射定标方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1，配准待定标影像和参考影像，对待定标影像和参考影像的每一组对应波段分别进行随机采样得到对应的定标点；步骤2，针对每个波段，分别对每一对定标点进行如下的交叉定标操作，步骤2.1，基于参考影像的定标点的DN值计算大气表观反射率，并通过大气校正得到地表反射率；步骤2.2，对参考影像的地表反射率进行匹配找到最接近的光谱曲线，计算参考影像与待定标影像之间的光谱调整系数SBAFi，下标i用于表示第i波段；步骤2.3，建立BRDF调整系数ci，所述BRDF调整系数ci为待定标影像第i波段的地表二向性反射分布函数与参考影像第i波段的地表二向性反射分布函数的比值；步骤2.4，初始化参数，包括设定待定标影像的辐射定标系数Gaini和Offseti的初始值、有效范围和变化步长，以及BRDF调整系数ci的初始值、有效范围和变化步长，作为同化算法的输入参数，其中Gaini为定标增益系数，Offseti为绝对定标偏移系数；然后以迭代的方式进行如下处理，步骤2.4.1，基于待定标影像的DN值计算大气表观反射率，并通过大气校正得到地表反射率ρ(Target,i)；步骤2.4.2，基于待定标影像的地表反射率ρ(Target,i)，利用步骤2.3所建立BRDF调整系数ci的当前值和步骤2.2所得光谱调整系数SBAFi通过下式模拟得到参考影像的地表反射率ρsimulated(Reference,i)；ρsimulated(Reference,i)＝ρ(Target,i)/ci/SBAFi步骤2.4.3，比较参考影像的模拟地表反射率ρsimulated(Reference,i)与真实反演的地表反射率ρ(Reference,i)之间的差异，若差异比小于预设阈值，便得到最佳的辐射定标系数，结束迭代；反之，利用同化算法优化更新辐射定标系数Gaini和Offseti以及BRDF调整系数ci，然后回到步骤2.4.1；步骤3，针对每个波段，将一个波段的交叉定标结果中偏离平均值大于预设阈值的点删除，然后取平均值作为最终的交叉定标结果，获得最终的辐射定标系数Gaini和Offseti。...

【技术特征摘要】
1.一种用于大观测角传感器的交叉辐射定标方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1，配准待定标影像和参考影像，对待定标影像和参考影像的每一组对应波段分别进行随机采样得到对应的定标点；步骤2，针对每个波段，分别对每一对定标点进行如下的交叉定标操作，步骤2.1，基于参考影像的定标点的DN值计算大气表观反射率，并通过大气校正得到地表反射率；步骤2.2，对参考影像的地表反射率进行匹配找到最接近的光谱曲线，计算参考影像与待定标影像之间的光谱调整系数SBAFi，下标i用于表示第i波段；步骤2.3，建立BRDF调整系数ci，所述BRDF调整系数ci为待定标影像第i波段的地表二向性反射分布函数与参考影像第i波段的地表二向性反射分布函数的比值；步骤2.4，初始化参数，包括设定待定标影像的辐射定标系数Gaini和Offseti的初始值、有效范围和变化步长，以及BRDF调整系数ci的初始值、有效范围和变化步长，作为同化算法的输入参数，其中Gaini为定标增益系数，Offseti为绝对定标偏移系数；然后以迭代的方式进行如下处理，步骤2.4.1，基于待定标影像的DN值计算大气表观反射率，并通过大气校正得到地表反射率ρ(Target,i)；步骤2.4.2，基于待定标影像的地表反射率ρ(Target,i)，利用步骤2.3所建立BRDF调整系数ci的当前值和步骤2.2所得光谱调整系数SBAFi通过下式模拟得到参考影像的地表反射率ρsimulated(Reference,i)；ρsimulated(Reference,i)＝ρ(Target,i)/ci/SBAFi步骤2.4.3，比较参考影像的模拟地表反射率ρsimulated(Reference,i)与真实反演的地表反射率ρ(Reference,i)之间的差异，若差异比小于预设阈值，便得到最佳的辐射定标系数，结束迭代；反之，利用同化算法优化更新辐射定标系数Gaini和Offseti以及BRDF调整系数ci，然后回到步骤2.4.1；步骤3，针对每个波段，将一个波段的交叉定标结果中偏离平均值大于预设阈值的点删除，然后取平均值作为最终的交叉定标结果，获得最终的辐射定标系数Gaini和Offseti。2.根据权利要求1所述用于大观测角传感器的交叉辐射定标方法，其特征在于：所述计算大气表观反射率，采用以下公式，Li＝Gaini·DNi+Offseti其中，i为波段序号，Li为转换后辐亮度，DNi为该波段的数字量化值，Gaini为定标增益系数，Offseti为绝对定标偏移系数；ρTOA(i)＝π·Li·d2/(Ei·cosθ)其中，ρTOA(i)为i波段的大气表观反射率，θ为太阳高度角，d是天文单位的日地距离；Ei是大气层顶的平均太阳光谱辐照度。3.根据权利要求1所述用于大观测角传感器的交叉辐射定标方法，其特征在于：计算参考影像与待定标影像之间的光谱调整系数SBAFi，采用以下公式，1其中，SBAFi为某一地物第i波段的光谱匹配系数，λ表示波长，ρ(λ)为目标地物的连续光谱反射率，f(λ)为连续的大气层外太阳光谱辐照度，STarget,i(λ)和SReference,i(λ)分别为待定标传感器和参考传感器第i波段的波谱响应函数，aTarget,i，bTarget,i和aReference,i，bReference,i分别为待定标传感器和参考传感器第i波段的波长范围下限和上限。4.根据权利要求1所述用于大观测角传感器的交叉辐射定标方法，其特征在于：参考影像的模拟地表反射率ρsimulated(Reference,i)与真实反演的地表反射率ρ(Reference,i)之间的差异比计算方式为，5.根据权利要求1或2或3或4所述用于大观测角传感器的交叉辐射定标方法，其特征在于：同化算法采用SCE-UA算法、遗传算法、模拟退火算法、变分算法、Kalman滤波或贝叶斯算法。...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙开敏，陈业培，白婷，眭海刚，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42