一种用于天绘一号卫星的多传感器协同辐射定标方法技术

本发明专利技术涉及一种用于天绘一号卫星的多传感器协同辐射定标方法，与现有技术相比解决了天绘一号卫星传感器定标频次无法满足应用需要的缺陷。本发明专利技术包括以下步骤：多光谱相机各通道与高分辨相机间辐亮度关系模型的建立；灰度值的协同提取；入瞳辐亮度的计算；多光谱相机各通道绝对辐射定标系数的计算。本发明专利技术能够利用非定制尺寸靶标进行天绘一号卫星的定标，提高了天绘一号卫星在轨辐射定标频次和效率。

【技术实现步骤摘要】
一种用于天绘一号卫星的多传感器协同辐射定标方法
本专利技术涉及遥感定标
，具体来说是一种用于天绘一号卫星的多传感器协同辐射定标方法。
技术介绍
天绘一号是我国第一代传输型立体测绘卫星，目前已成功发射了01、02和03星，并实现了多星组网运行。由于具有数据获取速度快、种类丰富可靠、无控定位精度高等特点，该卫星数据已被广泛应用于地图测绘、城市规划、国土资源调查、精准农业、环境与灾害监测等多个领域，在国民经济建设发展中发挥着越来越重要的作用。随着遥感在各领域应用的逐步深入，遥感数据定量化已经成为遥感技术进一步发展的必然趋势，而辐射定标将传感器响应的DN值转换为具有一定物理含义的表征量，使得同一卫星多时相数据及不同卫星之间的数据可综合比对，是遥感数据定量化应用的基础和前提。因此，天绘一号卫星一直都很重视星上传感器的辐射定标，不仅在发射前进行了准确全面的辐射定标，而且自2010年8月发射后，连续多年在新疆等地，利用定制多灰阶靶标开展了宽动态范围在轨绝对辐射定标。天绘一号卫星上搭载了三台5m分辨率全色测绘相机、一台10m分辨率多光谱相机和一台2m分辨率全色高分辨率相机。多光谱相机可获取蓝、绿、红和近红外4波段多光谱图像，对定量反演地物的物理属性，提高地图测制的完整性具有重要作用。然而，由于多光谱相机分辨率不高，对其进行在轨绝对辐射定标时，需要在地面布设为天绘一号卫星定制的靶标(100m×100m、4灰阶)，定制靶标面积较大、准备工作较为繁琐，人力物力成本高、效率低下，导致天绘一号卫星的定标周期限于一年只进行一次。从应用效果看，这样的定标频次，已难以满足及时更新定标系数、校正载荷衰变的要求。目前，各系列卫星使用的移动灰阶靶标、国家建设的具有自动化观测设备的固定靶标场，数量逐渐增多，但其主要用于高分辨传感器的在轨绝对辐射定标，若用这些非定制靶标采用传统定标方法对天绘一号多光谱相机进行定标，靶标面积较小，无法保证定标精度。因此，如何利用天绘一号卫星平台特点及现有靶标资源实现天绘一号卫星传感器，特别是多光谱相机的高频次、高精度、高效率在轨绝对辐射定标已经成为急需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中天绘一号卫星传感器定标频次无法满足应用需要的缺陷，提供一种用于天绘一号卫星的多传感器协同辐射定标方法来解决上述问题。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种用于天绘一号卫星的多传感器协同辐射定标方法，包括以下步骤：多光谱相机各通道与高分辨相机间辐亮度关系模型的建立，基于灰阶靶标的光谱平坦特性及同平台多传感器观测时相、几何、视场的一致性，建立多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型；灰度值的协同提取，从天绘一号卫星过境具有自动化观测设备的固定靶标场或其他卫星的移动靶标场图像中，协同提取高分辨相机和多光谱相机图像中灰阶靶标的灰度值；入瞳辐亮度的计算，根据多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型，从高分辨相机图像灰阶靶标的灰度值，协同计算出多光谱相机各通道灰阶靶标入瞳辐亮度；多光谱相机各通道绝对辐射定标系数的计算，基于多光谱相机的辐射响应模型，通过回归分析求解多光谱相机各通道绝对辐射定标系数。所述多光谱相机各通道与高分辨相机间辐亮度关系模型的建立包括以下步骤：获取天绘一号卫星过境灰阶靶标的星地同步实验数据，包括地面采集的灰阶靶标反射率和大气参数、卫星传感器观测图像，其中，所述灰阶靶标为天绘一号卫星定制靶标；利用地面采集的灰阶靶标光谱反射率、550nm气溶胶光学厚度、卫星传感器观测几何、太阳照明几何、传感器通道光谱响应函数，通过辐射传输计算，得到多灰阶靶标到达高分辨率相机和多光谱相机各通道的入瞳辐亮度；设太阳反射波段工作的卫星传感器对地观测时，大气垂直变化和平面平行大气的条件下，对于光学反射特性相对均匀的大面积目标，到达卫星传感器入瞳处光谱辐亮度Ls为：其中，Es为大气层外太阳光谱辐照度，μs为太阳天顶角余弦，Tg(μs，μv)为总的气体吸收透过率，ρa(λ)为大气内反射率，ρ(λ)为目标光谱反射率，s(λ)为大气球面反照率，T(θs)为太阳到目标的总透过率，T(θv)为目标到传感器的总透过率；卫星传感器通道接受到的入瞳等效辐亮度Le为：其中，λmin、λmax为通道光谱响应的起始波长、终止波长，S(λ)为通道的光谱响应函数；根据多灰阶靶标到达高分辨率相机和多光谱相机各通道的入瞳辐亮度，建立多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型，其设定如下：当两者的关系为线性时，求解下式的系数Ai、Bi建立两相机入瞳辐亮度的关系模型，表达式如下：Le，DGPi＝Ai×Le，GFB+Bi，其中，Le，DGPi、Le，GFB分别为灰阶靶标到达多光谱相机各通道、高分辨相机的入瞳等效辐亮度。所述灰度值的协同提取包括以下步骤：获取天绘一号卫星过境的固定或移动靶标场的图像数据，其包括高分辨和多光谱相机相对辐射校正后的和几何校正后的图像；从几何校正后多光谱图像中，定位每个灰阶靶标的中心像元，确定灰度值采样区域位置，其中靶标灰度值采样区域在灰阶靶标块内，且距离靶标边界大于或等于2个像元；根据高分辨相机和多光谱相机分辨率关系，从几何校正后高分辨图像中，确定匹配一致的灰度值采样区域位置；从相对辐射校正后的高分辨和多光谱图像中，按照确定的采样区域位置，提取灰阶靶标灰度值。所述入瞳辐亮度的计算包括以下步骤：对协同提取出的高分辨相机和多光谱相机图像中灰阶靶标的灰度值，利用高分辨率相机绝对辐射定标系数，计算灰阶靶标达到高分辨率相机的入瞳辐亮度；高分辨相机辐射相应模型为线性时，按照下表达式计算灰阶靶标到达高分辨相机的入瞳辐亮度：其中，Le，GFB和DNGFB为多个灰阶靶标到达高分辨相机的入瞳辐亮度及其响应灰度值，KGFB和BGFB为高分辨相机的绝对辐射定标系数；将灰阶靶标达到高分辨率相机的入瞳辐亮度输入多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型，计算出灰阶靶标到达多光谱相机各通道入瞳辐亮度。所述多光谱相机各通道绝对辐射定标系数的计算包括以下步骤：设定多光谱相机辐射响应模型为线性表达式其中，Le，DGPi和DNDGPi为多个灰阶靶标到达多光谱相机各通道的入瞳辐亮度及其响应灰度值，Ki和Bi为多光谱相机i通道的绝对辐射定标系数；通过线性回归分析，求解多光谱相机各通道绝对辐射定标系数。有益效果本专利技术的一种用于天绘一号卫星的多传感器协同辐射定标方法，能够利用非定制尺寸靶标进行天绘一号卫星的定标，提高了天绘一号卫星在轨辐射定标频次和效率。本专利技术基于灰阶靶标的光谱平坦特性及同平台多传感器观测时相、几何、视场的一致性，建立多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型，实现了高分辨相机对多光谱相机各通道的协同辐射定标。本专利技术能够获取基于定制灰阶靶标的在轨辐射定标方法同等的定标精度；利用了具有自动化观测设备的固定靶标场或共享了其他卫星的移动靶标场，为天绘一号卫星传感器高频次定标提供了一种低成本的定标方案；建立了多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型后，后续的多光谱相机辐射定标中，可不进行地面同步数据(反射率和大气参数)的采集和处理，定标效率得到较大程度的提高。附图说明图1为本专利技术的方法顺序图；图2a为现有技术中黑龙江肇东的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于天绘一号卫星的多传感器协同辐射定标方法，其特征在于，包括以下步骤：11)多光谱相机各通道与高分辨相机间辐亮度关系模型的建立，基于灰阶靶标的光谱平坦特性及同平台多传感器观测时相、几何、视场的一致性，建立多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型；12)灰度值的协同提取，从天绘一号卫星过境具有自动化观测设备的固定靶标场或其他卫星的移动靶标场图像中，协同提取高分辨相机和多光谱相机图像中灰阶靶标的灰度值；13)入瞳辐亮度的计算，根据多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型，从高分辨相机图像灰阶靶标的灰度值，协同计算出多光谱相机各通道灰阶靶标入瞳辐亮度；14)多光谱相机各通道绝对辐射定标系数的计算，基于多光谱相机的辐射响应模型，通过回归分析求解多光谱相机各通道绝对辐射定标系数。

【技术特征摘要】
1.一种用于天绘一号卫星的多传感器协同辐射定标方法，其特征在于，包括以下步骤：11)多光谱相机各通道与高分辨相机间辐亮度关系模型的建立，基于灰阶靶标的光谱平坦特性及同平台多传感器观测时相、几何、视场的一致性，建立多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型；12)灰度值的协同提取，从天绘一号卫星过境具有自动化观测设备的固定靶标场或其他卫星的移动靶标场图像中，协同提取高分辨相机和多光谱相机图像中灰阶靶标的灰度值；13)入瞳辐亮度的计算，根据多光谱相机各通道与高分辨相机间的辐亮度关系模型，从高分辨相机图像灰阶靶标的灰度值，协同计算出多光谱相机各通道灰阶靶标入瞳辐亮度；14)多光谱相机各通道绝对辐射定标系数的计算，基于多光谱相机的辐射响应模型，通过回归分析求解多光谱相机各通道绝对辐射定标系数。2.根据权利要求1所述的一种用于天绘一号卫星的多传感器协同辐射定标方法，其特征在于，所述多光谱相机各通道与高分辨相机间辐亮度关系模型的建立包括以下步骤：21)获取天绘一号卫星过境灰阶靶标的星地同步实验数据，包括地面采集的灰阶靶标反射率和大气参数、卫星传感器观测图像，其中，所述灰阶靶标为天绘一号卫星定制靶标；22)利用地面采集的灰阶靶标光谱反射率、550nm气溶胶光学厚度、卫星传感器观测几何、太阳照明几何、传感器通道光谱响应函数，通过辐射传输计算，得到多灰阶靶标到达高分辨率相机和多光谱相机各通道的入瞳辐亮度；设太阳反射波段工作的卫星传感器对地观测时，大气垂直变化和平面平行大气的条件下，对于光学反射特性相对均匀的大面积目标，到达卫星传感器入瞳处光谱辐亮度Ls为：其中，Es为大气层外太阳光谱辐照度，μs为太阳天顶角余弦，Tg(μs，μv)为总的气体吸收透过率，ρa(λ)为大气内反射率，ρ(λ)为目标光谱反射率，s(λ)为大气球面反照率，T(θs)为太阳到目标的总透过率，T(θv)为目标到传感器的总透过率；卫星传感器通道接受到的入瞳等效辐亮度Le为：其中，λmin、λmax为通道光谱响应的起始波长、终止波长，S(λ)为通道的光谱响应函数；23)根据多灰阶靶标到达高分辨率相机和多光谱相机各通道的入瞳辐亮度，建立多光谱相机各通...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜丽丽，易维宁，王昱，张冬英，方薇，崔文煜，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，西安测绘研究所，
类型：发明
国别省市：安徽,34