HyMAP-C航空高光譜儀室內(nèi)定標(biāo)方法

陳潔，楊達(dá)昌，韓亞超，高子弘

(1.中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京　100083；2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京　100101)

HyMAP-C航空高光譜儀室內(nèi)定標(biāo)方法

陳潔1，2，楊達(dá)昌1，韓亞超1，高子弘1

(1.中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京100083；2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京100101)

摘要：高光譜設(shè)備能獲取光譜范圍內(nèi)的連續(xù)波譜響應(yīng)信息，光譜分辨率越高，越能區(qū)分不同物質(zhì)的光譜特征。為了確保采集的光譜曲線的真實(shí)性，高光譜設(shè)備的定標(biāo)精度顯得尤為重要。本文以機(jī)載高光譜HyMAP-C為例，闡述其室內(nèi)光譜和輻射定標(biāo)方法與流程，使用定標(biāo)后的設(shè)備對(duì)已知礦物進(jìn)行波譜采集，能精準(zhǔn)地反映其吸收特征，與標(biāo)準(zhǔn)波譜曲線一致性較高，為其他高光譜系統(tǒng)的室內(nèi)定標(biāo)提供了思路和借鑒依據(jù)。

關(guān)鍵詞:航空；光譜儀；定標(biāo)；輻射；高斯擬合

1前言

HyMAP-C航空光譜儀是由澳大利亞HyVista公司研發(fā)的實(shí)用型航空成像高光譜系統(tǒng)。它的4個(gè)探測(cè)器涵蓋了0.45～2.48μm的可見(jiàn)光、近紅外和短波紅外波段，具有13～17nm的光譜分辨率，可對(duì)探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行144個(gè)波段的連續(xù)光譜數(shù)據(jù)采集。集成德國(guó)iMAR公司的iIMU-FSAS型慣性測(cè)量單元和加拿大NovAtel公司的全球定位系統(tǒng)，以100Hz的頻率進(jìn)行姿態(tài)記錄；配備的PAV80電子穩(wěn)定平臺(tái)，具有俯仰、側(cè)滾±7°，旋偏±30°的動(dòng)態(tài)調(diào)整角度，能最大限度地保證數(shù)據(jù)采集時(shí)設(shè)備狀態(tài)平穩(wěn)。采集數(shù)據(jù)信噪比優(yōu)于500∶1，系統(tǒng)匹配的幾何精度優(yōu)于2個(gè)像元。

該設(shè)備廣泛應(yīng)用于地質(zhì)礦產(chǎn)、國(guó)土規(guī)劃等應(yīng)用科研領(lǐng)域，以及星載高光譜實(shí)用性驗(yàn)證等方面。郭洪周等利用該設(shè)備開(kāi)展了國(guó)內(nèi)首次礦物識(shí)別應(yīng)用；趙杏杏等利用64個(gè)航帶的HyMAP 數(shù)據(jù)，進(jìn)行了有效的水生物提取；周萍等系統(tǒng)而全面地分析了模擬星載Hymap高光譜數(shù)據(jù)針對(duì)不同指標(biāo)與尺度的影像質(zhì)量效果，為星載高光譜載荷的指標(biāo)制訂提供了依據(jù)。

在上述研究中，高光譜設(shè)備輸出的數(shù)字量化值(DN)如何轉(zhuǎn)化為能反映地物實(shí)際物理特性的電磁波能量值，是高光譜遙感精度是否可靠的關(guān)鍵步驟，決定了其應(yīng)用的深度和廣度，這一步驟我們稱(chēng)之為定標(biāo)。航空高光譜設(shè)備定標(biāo)有三個(gè)階段：實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)、機(jī)上定標(biāo)和場(chǎng)地定標(biāo)。由于機(jī)上定標(biāo)的設(shè)備在儀器出廠時(shí)已集成在系統(tǒng)中，而場(chǎng)地定標(biāo)則需要進(jìn)行地面檢校場(chǎng)的布設(shè)，故本文研究的重點(diǎn)是航空高光譜HyMAP-C設(shè)備的室內(nèi)光譜和輻射定標(biāo)方法。

2準(zhǔn)備工作

2.1探測(cè)器冷卻

組成HyMAP-C的每個(gè)探測(cè)器都具有36個(gè)光譜通道，除了可見(jiàn)光波段探測(cè)器是由硅化物組成，可在室溫下運(yùn)行外，另外三個(gè)波段的探測(cè)器屬于碲鎘汞晶體，需要用液氮冷卻至-196℃才能正常工作。因此，在設(shè)備通電工作前需先進(jìn)行探測(cè)器的冷卻步驟，為了保證工作期間焦平面探測(cè)器和電子元件的持續(xù)冷卻，預(yù)防空氣中的水分對(duì)零件造成損害，所有部件都被密封在一個(gè)真空管中(如圖1所示)。但由于密封空隙和真空管表面的泄漏，建議每3個(gè)月對(duì)該真空管進(jìn)行一次抽真空，整個(gè)過(guò)程需要持續(xù)8～10h。正常情況下，加注了液氮冷卻的真空管可以保持冷卻5h以上，而在實(shí)際航空遙感飛行中，需要每3h補(bǔ)充一次。

2.2單色儀校準(zhǔn)

單色儀是以一定的步長(zhǎng)掃描輸出特定波長(zhǎng)單色光的設(shè)備，通過(guò)比較分析單色儀的輸出信號(hào)與高光譜設(shè)備記錄信號(hào)的波長(zhǎng)位置、曲線形狀，可以確定探測(cè)器每個(gè)通道的光譜響應(yīng)函數(shù)。因此，在光譜定標(biāo)前，需首先對(duì)單色儀進(jìn)行校準(zhǔn)。本次使用的是美國(guó)ORIEL設(shè)備公司的MS257型單色光譜儀，它采用旋轉(zhuǎn)鏡形式，可將170～24000nm范圍內(nèi)的波長(zhǎng)以最小0.1nm的分辨率進(jìn)行輸出。單色儀的檢校過(guò)程為：首先啟動(dòng)電腦連接單色儀，預(yù)熱15min待其工作穩(wěn)定后，打開(kāi)光譜燈，先設(shè)置燈泡的供電為AC并將電流調(diào)整至10A左右，當(dāng)燈泡點(diǎn)亮后轉(zhuǎn)換至DC；然后將光譜燈照射進(jìn)單色儀進(jìn)行信號(hào)采集，運(yùn)行檢校程序，設(shè)置開(kāi)始波長(zhǎng)位置、結(jié)束波長(zhǎng)位置、采樣步長(zhǎng)和分割帶寬等信息，依次對(duì)設(shè)備中的光柵進(jìn)行校準(zhǔn)掃描；正常情況下，輸入的波長(zhǎng)應(yīng)與輸出波長(zhǎng)一致，但由于振動(dòng)、系統(tǒng)誤差等原因，使得這兩個(gè)值存在差異，因此需要將輸出波長(zhǎng)值調(diào)整至輸入波長(zhǎng)值，調(diào)整后再次運(yùn)行掃描，讀出兩者的波長(zhǎng)值，直至兩者相差小于0.1nm時(shí)完成校準(zhǔn)工作。需要注意的是，如果單色儀在自檢校后受到外力敲擊或碰撞，其內(nèi)部的光柵可能改變，需重新檢校方能使用，因此在該設(shè)備檢校后需小心移動(dòng)，避免碰撞。

3光譜定標(biāo)

光譜定標(biāo)的目的在于確定系統(tǒng)各個(gè)波段的光譜響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)而確定各波段的光譜響應(yīng)范圍、中心波長(zhǎng)和光譜分辨率等。光譜響應(yīng)是波長(zhǎng)的函數(shù)，遙感器接收和探測(cè)到的輻射亮度與入射到遙感器的入曈輻亮度的關(guān)系為：

(1)

其中，L是遙感器接收和探測(cè)到的輻亮度，A和B是遙感器光譜響應(yīng)范圍；g(λ)是遙感器的入曈輻亮度，s(λ)是遙感器光譜響應(yīng)函數(shù)。理想狀況下，當(dāng)A和B無(wú)限接近，光譜響應(yīng)函數(shù)s(λ)的歸一化結(jié)果可表示為矩形函數(shù)，即在{A，B}范圍外其值為0，在{A，B}范圍內(nèi)其值為一固定數(shù)。實(shí)際上，傳感器接收到的波段輻射都是具有一定寬度的，其光譜響應(yīng)函數(shù)可用高斯函數(shù)進(jìn)行擬合。

因此，HyMAP-C室內(nèi)光譜定標(biāo)的基本思路為：以低壓光譜燈的發(fā)射譜線為標(biāo)準(zhǔn)，首先對(duì)單色儀進(jìn)行全范圍定標(biāo)，然后使單色儀以一定的步長(zhǎng)掃描輸出單色光，由遙感器同時(shí)檢測(cè)記錄各光譜通道的信號(hào)響應(yīng)值，將對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)和響應(yīng)值通過(guò)高斯擬合建立通道內(nèi)像元的光譜響應(yīng)函數(shù)，該高斯曲線的峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)即為相應(yīng)像元的中心波長(zhǎng)，半高寬即為光譜帶寬，相鄰中心波長(zhǎng)寬度即為光譜分辨率，最大與最小中心波長(zhǎng)即為系統(tǒng)工作譜段。進(jìn)而得到可描述系統(tǒng)光譜性能的參數(shù)。其工作流程如圖2所示。

圖2　HyMAP-C室內(nèi)光譜定標(biāo)流程

按照上述思路，首先連接MS257單色儀和準(zhǔn)直器的光纖線，光纖線的一端為圓形光通入口，另一端為狹縫光出口，狹縫光出口必須和MS257的狹縫對(duì)準(zhǔn)，以獲得最大的光通量。在單色儀的輸入狹縫處，連接用于光譜定標(biāo)的燈泡，確保燈絲處于垂直狀態(tài)，以便形成平行的光線輸入MS257狹縫。開(kāi)啟燈泡，穩(wěn)定電壓至14V直流電。此時(shí)，單色儀的出射光經(jīng)準(zhǔn)直器內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)后形成單色平行光進(jìn)入HyMAP-C。由于準(zhǔn)直器出射光與HyMAP-C的光通道存在一定的角度，需要調(diào)整準(zhǔn)直器的底座位置和反射鏡的角度，以保證觀測(cè)到的光通量最大化和減小信噪比。完成后，運(yùn)行控制程序，使單色儀按2nm步長(zhǎng)，在設(shè)定波段范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)的單色光發(fā)射，記錄波長(zhǎng)信息和響應(yīng)值，采用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)組進(jìn)行高斯擬合，逐像元完成定標(biāo)過(guò)程。

實(shí)際操作中，受實(shí)驗(yàn)室條件所限，可見(jiàn)光的前7個(gè)波段噪聲較大，與其他波段的計(jì)算結(jié)果存在差異，波段分布不均勻，因此采用提高采樣間隔的方式對(duì)它們重新掃描定標(biāo)，輸出可信的定標(biāo)結(jié)果。定標(biāo)后，可見(jiàn)光波段平均光譜分辨率優(yōu)于13.2nm，近紅外波段平均光譜分辨率優(yōu)于14.1nm，短波紅外波段平均光譜分辨率優(yōu)于16.8nm和14.0nm。

4輻射定標(biāo)

假設(shè)傳感器入口處觀測(cè)到的輻亮度和輸出亮度值之間存在線性關(guān)系，即:

Li=aiDNi+bi

(2)

式中，Li為第i波段的入曈處輻射能量；DNi為第i波段傳感器輸出亮度值；ai為第i波段增益系數(shù)；bi為第i波段偏移量。輻射定標(biāo)的目的就是求解上式中的增益量和偏移量，然后用求得的系數(shù)去標(biāo)定獲取的遙感影像數(shù)據(jù)。

HyMAP-C屬于色散型成像光譜儀，它利用光柵對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的光譜進(jìn)行分光，采用線陣列探測(cè)器采集數(shù)據(jù)。在進(jìn)行室內(nèi)輻射定標(biāo)時(shí)，入射光源的面積必須大于設(shè)備入曈面積，發(fā)散角大于設(shè)備總視場(chǎng)角，這樣能使所有的光學(xué)元件均被照射，光源的均勻性和輻射亮度角度分布理想，實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)和全孔徑的照明。該定標(biāo)過(guò)程簡(jiǎn)單易行，沒(méi)有引入其他光路系統(tǒng)，避免了不確定誤差的引入，可對(duì)所有成像像元同時(shí)完成相對(duì)和絕對(duì)定標(biāo)。

基本操作流程為：首先將HyMap-C鏡頭四周用內(nèi)壁為黑色的木板遮擋，僅留出標(biāo)準(zhǔn)燈的光線入口，實(shí)際測(cè)量時(shí)還需關(guān)閉室內(nèi)燈光，盡可能地減少除了標(biāo)準(zhǔn)光源外的其他雜光和反射光進(jìn)入傳感器；然后在HyMap-C鏡頭下方以45°角傾斜放置參考板，使標(biāo)準(zhǔn)燈經(jīng)參考板反射進(jìn)入HyMap-C鏡頭(如圖3所示)，參考板放置的高度位于其成像焦平面；接著使用輻射定標(biāo)軟件進(jìn)行定標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)量，需要采集和輸入的數(shù)據(jù)包括標(biāo)準(zhǔn)光源燈的輻射值、參考板的反射率值、設(shè)備測(cè)量記錄的輻亮度值、經(jīng)光譜定標(biāo)后的中心波長(zhǎng)值、標(biāo)準(zhǔn)光源距離參考板的距離；最后，將測(cè)量的相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入輻射定標(biāo)系數(shù)計(jì)算軟件，輸出輻射定標(biāo)系數(shù)。

圖3　HyMAP-C室內(nèi)輻射定標(biāo)原理示意圖

5定標(biāo)效果評(píng)價(jià)

室內(nèi)定標(biāo)的檢驗(yàn)采用汞燈作為標(biāo)準(zhǔn)光源，照射放置在HyMAP-C視場(chǎng)角下方的成45°角的白板，記錄各個(gè)波段的輻亮度響應(yīng)值，記為DN白板；然后將蒙脫石礦物標(biāo)本替代白板，以同樣的角度放置在設(shè)備下方，記錄此時(shí)的各波段輻亮度響應(yīng)值，記為DN蒙脫石；最后，關(guān)閉設(shè)備快門(mén)，在密閉狀況下記錄各波段的光譜響應(yīng)值，此時(shí)的光譜響應(yīng)大多由暗電流引起，記為DN暗電流。使用ENVI軟件對(duì)這三幅圖像進(jìn)行波段比值運(yùn)算，其公式為：

(3)

得到相對(duì)反射率曲線，再將標(biāo)準(zhǔn)波譜庫(kù)的蒙脫石礦物波譜曲線按照HyMAP-C的工作譜段和光譜分辨率進(jìn)行重采樣，兩者的對(duì)比如圖4所示(上方為測(cè)量波譜曲線，下方為標(biāo)準(zhǔn)波譜曲線，坐標(biāo)軸已作偏移)。

可見(jiàn)，經(jīng)光譜和輻射定標(biāo)后的HyMAP-C航空高光譜儀性能指標(biāo)穩(wěn)定，能真實(shí)、準(zhǔn)確地反應(yīng)礦物的波譜特征，可作為一種可靠的遙感地質(zhì)調(diào)查裝備投入科研和生產(chǎn)應(yīng)用中。

圖4　HyMAP-C觀測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)波譜曲線對(duì)比圖

6結(jié)束語(yǔ)

HyMAP-C航空高光譜儀的室內(nèi)定標(biāo)，使用單色儀-準(zhǔn)直器光譜定標(biāo)法和全孔徑全視場(chǎng)輻射定標(biāo)法進(jìn)行。該套流程操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)，經(jīng)標(biāo)定后的設(shè)備達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)精度，為其他類(lèi)似的高光譜成像儀室內(nèi)定標(biāo)提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Fietcher P A. Image acquisition planning for the CHRIS sensor onboard PROBA[J]. SPIE,2004,5546:141-150.

[2]崔燕.光譜成像儀定標(biāo)技術(shù)研究[D].中國(guó)科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所),2009.

[3]郭洪周,房曉鐘,張宗貴,等. 澳大利亞機(jī)載成像光譜儀及其應(yīng)用[J]. 地質(zhì)裝備,2005(2):31-33.

[4]計(jì)忠瑛,相里斌,崔燕,等. 超光譜成像儀的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)[J]. 航天器工程,2010(1):67-71.

[5]周萍,李娜,霍紅元. 基于Hymap模擬的星載高光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 地球科學(xué)(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào))，2015(8):1310-1318.

[6]趙杏杏,叢小飛,孫騰科. 高光譜遙感數(shù)據(jù)藻類(lèi)信息提取方法研究[J]. 測(cè)繪與空間地理信息,2014(7):26-31.

[7]張艷琪. 超光譜成像儀的實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)[D].中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所),2010.

收稿日期：2016-03-16

基金項(xiàng)目：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“高光譜地質(zhì)調(diào)查方法技術(shù)研究”項(xiàng)目(編號(hào)：1212031513012)，“天山-北山重要成礦區(qū)帶遙感調(diào)查”項(xiàng)目(編號(hào)：121201003000150008)共同資助。

作者簡(jiǎn)介：陳潔(1980-)，男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要從事航空遙感新技術(shù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理和地質(zhì)應(yīng)用等方向的研究工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路31號(hào)航遙中心遙感部，Tel：13520909353 E-mail：6592296@qq.com。

中圖分類(lèi)號(hào):P627

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-282X(2016)03-0021-03