星載多相機(jī)拼接成像傳感器在軌輻射定標(biāo)方法

韓 杰，謝 勇

1.許昌學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院，河南 許昌 461000；2.南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，江蘇 南京 210044

星載多相機(jī)拼接成像傳感器在軌輻射定標(biāo)方法

韓 杰1，謝 勇2

1.許昌學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與園林學(xué)院，河南 許昌 461000；2.南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，江蘇 南京 210044

星載傳感器在軌輻射定標(biāo)是定量遙感的核心和基礎(chǔ)，其定標(biāo)精度將直接決定定量遙感產(chǎn)品的質(zhì)量。但是對(duì)于多相機(jī)拼接成像傳感器而言，現(xiàn)有在軌輻射定標(biāo)方法無法實(shí)現(xiàn)各相機(jī)絕對(duì)輻射定標(biāo)與相機(jī)間相對(duì)輻射校正的一體化處理。因此，本文以高分一號(hào)(GF-1)衛(wèi)星寬視場(chǎng)(WFV)傳感器為例，提出了一種基于改進(jìn)型輻射區(qū)域網(wǎng)平差的在軌輻射定標(biāo)方法。該方法首先利用傳統(tǒng)的交叉定標(biāo)方法獲取WFV傳感器各相機(jī)的輻射控制點(diǎn)信息，然后在同軌相鄰相機(jī)影像重疊區(qū)域中提取輻射連接點(diǎn)信息，最后在考慮相機(jī)間相對(duì)輻射校正與絕對(duì)輻射定標(biāo)之間的耦合關(guān)系后，采用整體平差的方式同時(shí)獲取各相機(jī)在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)及輻射約束條件方程參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明采用該方法獲得的各波段在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)的相對(duì)誤差均優(yōu)于9.34%，同時(shí)利用該定標(biāo)系數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)同軌相鄰相機(jī)影像間相對(duì)輻射校正處理，其重疊區(qū)域各波段表觀輻亮度差異絕對(duì)值的平均值均小于1.63 W·m-2·sr-1·μm-1。

在軌輻射定標(biāo)；多相機(jī)拼接成像；輻射區(qū)域網(wǎng)平差；檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)

大視場(chǎng)、寬覆蓋、高分辨率是對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星光學(xué)傳感器發(fā)展的重要方向。然而受單臺(tái)高分辨率相機(jī)幅寬限制，衛(wèi)星無法同時(shí)獲取大范圍高分辨率衛(wèi)星影像。目前我國(guó)常采用多相機(jī)拼接成像技術(shù)，將多臺(tái)高分辨率相機(jī)沿垂軌方向安置，實(shí)現(xiàn)高分辨率與寬覆蓋的結(jié)合，例如ZY-1 02C衛(wèi)星、HJ衛(wèi)星、GF-1衛(wèi)星、GF-2衛(wèi)星等。在利用這些多相機(jī)拼接成像傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行大區(qū)域定量遙感研究時(shí)，往往需要對(duì)同軌相鄰相機(jī)影像進(jìn)行拼接處理，以獲取大面積高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，這也是研制該類型傳感器的一個(gè)重要目的[1]。

目前，常用的衛(wèi)星傳感器可見/近紅外波段的在軌輻射定標(biāo)方法主要包括場(chǎng)地定標(biāo)[2-3]、星上定標(biāo)[4-5]和交叉定標(biāo)[6-7]3種方法。在國(guó)內(nèi)，官方常采用場(chǎng)地定標(biāo)方法獲得傳感器在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)，然而利用其對(duì)該類型傳感器同軌各相機(jī)影像進(jìn)行絕對(duì)輻射校正后，發(fā)現(xiàn)相鄰相機(jī)影像重疊區(qū)域內(nèi)輻射信息存在較大差異，部分波段相對(duì)差異達(dá)到32.44 %[8]，該差異會(huì)對(duì)大氣狀況評(píng)估[9]、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[10]、礦物勘探[11]、影像判讀[12]等研究產(chǎn)生負(fù)面影響。

對(duì)于該問題，研究人員通常采用影像間勻色方法[12-13]或輻射歸一化處理方法(relative radiometric normalization，RRN)[14-15]，在影像空間域或頻率域中調(diào)整影像重疊區(qū)、接邊區(qū)或整幅影像的輻射信息后，實(shí)現(xiàn)影像間輻射信息平滑過渡，使拼接后影像具有統(tǒng)一的輻射標(biāo)準(zhǔn)。但是上述方法破壞了影像原始輻射信息，且該信息的損失對(duì)于不同時(shí)相、不同區(qū)域的影像是不相同的，進(jìn)而無法保障后續(xù)定量遙感專題產(chǎn)品精度的穩(wěn)定性。同時(shí)，用戶在利用多相機(jī)拼接成像傳感器影像進(jìn)行大區(qū)域遙感研究時(shí)，若每次都需要對(duì)其進(jìn)行輻射歸一化或勻色處理，則會(huì)降低數(shù)據(jù)處理效率，加之該過程并無統(tǒng)一的處理標(biāo)準(zhǔn)，不同用戶的處理結(jié)果可能存在較大差異。

GF-1衛(wèi)星搭載的WFV傳感器采用四相機(jī)拼接成像技術(shù)，能夠獲取幅寬優(yōu)于800 km、星下點(diǎn)分辨率優(yōu)于16 m的4波段(藍(lán)、綠、紅和近紅外)多光譜衛(wèi)星影像，其中相鄰相機(jī)重疊區(qū)域視場(chǎng)角約為0.44°，該數(shù)據(jù)已經(jīng)在我國(guó)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[1]。同樣，利用官方發(fā)布的定標(biāo)結(jié)果對(duì)同軌四相機(jī)影像進(jìn)行絕對(duì)輻射校正后，重疊區(qū)域輻射信息也存在較大差異[8]。因此，從星載多相機(jī)拼接成像傳感器在軌輻射定標(biāo)過程中遇到的實(shí)際問題出發(fā)，以GF-1衛(wèi)星WFV傳感器為例，本文提出一種基于改進(jìn)型輻射區(qū)域網(wǎng)平差的在軌輻射定標(biāo)方法，詳細(xì)闡述了該方法的技術(shù)流程，實(shí)現(xiàn)了該類型傳感器在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)和相機(jī)間相對(duì)輻射校正的一體化處理。在此基礎(chǔ)上，利用一組WFV影像進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

1 方法介紹

1.1 輻射區(qū)域網(wǎng)平差

輻射區(qū)域網(wǎng)平差(radiometric block adjustment,RBA)是將影像幾何區(qū)域網(wǎng)平差的思想應(yīng)用于影像的輻射處理之中。它是將影像中具有輻射測(cè)量數(shù)據(jù)的區(qū)域作為輻射控制點(diǎn)RCPs(radiometric control points)，將影像重疊區(qū)域光譜均勻地物作為輻射連接點(diǎn)RTPs(radiometric tie points)，構(gòu)建輻射區(qū)域網(wǎng)平差模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)影像輻射信息的處理[14]。目前，根據(jù)該模型中對(duì)RCPs和RTPs數(shù)據(jù)的使用情況，其應(yīng)用領(lǐng)域主要分為以下兩個(gè)方面：

(1) 僅利用RTPs信息實(shí)現(xiàn)影像輻射歸一化處理，該過程與攝影測(cè)量中立體影像對(duì)相對(duì)定向的基本思想相似。例如，文獻(xiàn)[14]采用該模型降低了航空雷達(dá)強(qiáng)度數(shù)據(jù)過校正的影響，解決了該數(shù)據(jù)的壞線問題，實(shí)現(xiàn)了單景影像內(nèi)部輻射歸一化處理。文獻(xiàn)[16]采用基于多項(xiàng)式的輻射區(qū)域網(wǎng)平差方法，改進(jìn)了SPOT5 HRS影像拼接過程中的輻射處理環(huán)節(jié)，分析了全局權(quán)重值對(duì)處理結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)了SPOT5 HRS多時(shí)相影像間的輻射歸一化處理。文獻(xiàn)[17]針對(duì)航空數(shù)字影像條帶間輻射不一致性問題，建立了RTPs提取模型，在考慮霧霾、時(shí)相、雙向反射分布函數(shù)(bidirectional reflectance distribution function，BRDF)影響后，采用輻射區(qū)域網(wǎng)平差方法，實(shí)現(xiàn)了影像間輻射差異最小化的目的。文獻(xiàn)[18]闡述了基于輻射區(qū)域網(wǎng)平差方法獲取相對(duì)輻射校正模型參數(shù)的過程，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)影像數(shù)據(jù)輻射歸一化處理，其處理結(jié)果可為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持。文獻(xiàn)[19]在對(duì)不同傳感器獲得的大區(qū)域航空影像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接時(shí)，結(jié)合重疊區(qū)域RTPs信息，采用輻射區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)實(shí)現(xiàn)影像間的相對(duì)輻射校正處理。

(2) 先利用RTPs實(shí)現(xiàn)影像的輻射歸一化，然后利用RCPs完成絕對(duì)輻射定標(biāo)，該處理過程與攝影測(cè)量中立體影像對(duì)分步定向的基本思想相近似，即先相對(duì)定向后絕對(duì)定向。例如，文獻(xiàn)[20]基于輻射區(qū)域網(wǎng)平差方法，利用RTPs對(duì)AgCam(agricultural cameras)相機(jī)的漸暈效應(yīng)、CCD的不一致響應(yīng)和暗電流進(jìn)行校正，降低了該相機(jī)正射拼接影像的輻射不一致性，進(jìn)而利用RCPs實(shí)現(xiàn)影像的絕對(duì)輻射定標(biāo)。文獻(xiàn)[21]采用攝影測(cè)量模型對(duì)數(shù)字測(cè)圖相機(jī)影像(digital mapping camera，DMC)進(jìn)行幾何處理后，利用輻射區(qū)域網(wǎng)平差模型，先將RTPs數(shù)據(jù)用于影像間BRDF校正模型參數(shù)求解，然后將RCPs數(shù)據(jù)用于大氣校正處理，最終提高了航空影像間相對(duì)輻射一致性和影像的絕對(duì)輻射定標(biāo)精度。文獻(xiàn)[22]采用輻射區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)，在利用RTPs消除無人機(jī)影像間因光照和傳感器性能變化導(dǎo)致的輻射差異后，利用RCPs實(shí)現(xiàn)影像的絕對(duì)輻射定標(biāo)。文獻(xiàn)[23]綜合考慮了地表BRDF特性和大氣輻射特性等多種因素的影響后，采用輻射區(qū)域網(wǎng)平差方法，實(shí)現(xiàn)了航空正射校正影像條帶間的無色差拼接，同時(shí)利用四角點(diǎn)RCPs進(jìn)行絕對(duì)輻射定標(biāo)，并利用影像中心RCPs檢驗(yàn)絕對(duì)校正精度。文獻(xiàn)[24]在對(duì)多條機(jī)載波形雷達(dá)航帶數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射處理時(shí)，詳細(xì)闡述了重疊區(qū)域RTPs信息自動(dòng)提取方法，以及利用RCPs獲取絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)的具體過程。文獻(xiàn)[8]針對(duì)GF-1衛(wèi)星WFV多相機(jī)拼接成像特征，以MODIS為輻射參考基準(zhǔn)，采用基于時(shí)間序列多點(diǎn)法交叉定標(biāo)方法獲取敦煌輻射校正場(chǎng)處RCPs數(shù)據(jù)，通過目視解譯方式提取光譜均勻地物作為RTPs，采用該技術(shù)依次完成相機(jī)間相對(duì)輻射校正和在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)，并與官方結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證了方法的可靠性和可行性。

然而，在對(duì)輻射區(qū)域網(wǎng)平差研究現(xiàn)狀分析后可以發(fā)現(xiàn)，大多是國(guó)外研究人員針對(duì)航空遙感影像輻射處理開展的，或只進(jìn)行相對(duì)輻射校正，或采用分步處理方式即先完成相對(duì)輻射校正，后實(shí)現(xiàn)絕對(duì)輻射定標(biāo)，然而此過程并未充分考慮相對(duì)輻射校正與絕對(duì)輻射定標(biāo)之間的耦合關(guān)系，即二者的處理過程及處理順序均會(huì)對(duì)彼此產(chǎn)生影響。例如：①若先對(duì)各相機(jī)進(jìn)行在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)，然后利用其進(jìn)行絕對(duì)輻射校正，則會(huì)發(fā)現(xiàn)重疊區(qū)域輻射差異較大，各相機(jī)影像輻射信息不一致，從而無法對(duì)各相機(jī)影像進(jìn)行整體定量化研究，因此需要進(jìn)行相對(duì)輻射校正處理，而后者的處理方式并無統(tǒng)一規(guī)范，且處理后均會(huì)改變?cè)械慕^對(duì)輻射校正精度。②若先進(jìn)行相對(duì)輻射校正處理，使得原始圖像DN值信息具有統(tǒng)一輻射標(biāo)準(zhǔn)，但該過程會(huì)導(dǎo)致原始信息發(fā)生改變，后續(xù)基于此信息獲得的絕對(duì)輻射定標(biāo)精度也會(huì)受到影響。因此，若直接采用現(xiàn)有的輻射區(qū)域網(wǎng)平差方法，實(shí)現(xiàn)星載多相機(jī)拼接成像傳感器在軌輻射定標(biāo)，則前期的相對(duì)輻射校正會(huì)破壞各影像原始輻射信息，進(jìn)而影響絕對(duì)輻射定標(biāo)精度。所以，本文將對(duì)現(xiàn)有的輻射區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，在獲取該類型傳感器在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)的過程中，同時(shí)考慮相機(jī)間相對(duì)輻射校正問題，實(shí)現(xiàn)二者的一體化處理。

1.2 改進(jìn)型輻射區(qū)域網(wǎng)平差

本文所構(gòu)建的改進(jìn)型輻射區(qū)域網(wǎng)平差模型是在文獻(xiàn)[8]的數(shù)據(jù)處理流程基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)的。采用與文獻(xiàn)[8]相同的方式獲取RCPs和RTPs，改進(jìn)后的定標(biāo)模型不同之處在于其數(shù)據(jù)處理方式。文獻(xiàn)[8]采用分步式處理方法依次完成相對(duì)輻射校正和絕對(duì)輻射定標(biāo)，而改進(jìn)后的定標(biāo)模型則在求解絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)的過程中，同時(shí)顧及相機(jī)間輻射約束條件，采用整體平差處理的方式，實(shí)現(xiàn)二者的一體化處理。

該定標(biāo)模型構(gòu)建的具體過程如下：

(1) 利用場(chǎng)地/交叉定標(biāo)法在WFV1、WFV2、WFV3和WFV4影像中分別獲取m、n、p和q個(gè)輻射控制點(diǎn)，對(duì)于任意一個(gè)輻射控制點(diǎn)，均可列立一個(gè)方程如式(1)所示

(1)

(2) 在WFV1和WFV2、WFV2和WFV3、WFV3和WFV4影像重疊區(qū)域內(nèi)，分別獲取f、g和h對(duì)輻射連接點(diǎn)。為方便表述，以下以重疊區(qū)域表觀輻亮度相關(guān)函數(shù)FL()為線性函數(shù)為例，對(duì)于任意一對(duì)輻射連接點(diǎn)，均可列立一個(gè)輻射約束條件方程如式(2)所示

(2)

若FL()為非線性函數(shù)時(shí)，也可以利用該流程進(jìn)行處理。

(3) 采用整體平差處理，構(gòu)建第i波段的在軌輻射定標(biāo)模型。令

(3)

(4)

最終，本文構(gòu)建的基于改進(jìn)型輻射區(qū)域網(wǎng)平差的輻射定標(biāo)模型可以表示為

V=A·dX-B

(5)

式中，系數(shù)矩陣A為(m+n+p+q+f+g+h)×14的矩陣

(4) 以殘差值V的平方和最小為準(zhǔn)則，即采用最小二乘方法求解改變量dX，如式(6)所示

dX=(ATA)-1ATB

(6)

(5) 最后利用式(7)將改變量dX與相應(yīng)的初始值X(0)進(jìn)行疊加，得到各相機(jī)在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)及輻射約束條件方程參數(shù)

X=X(0)+dX

(7)

此過程為迭代計(jì)算，當(dāng)改變量dX小于限差時(shí)計(jì)算終止，否則利用新的近似值重復(fù)第(3)至第(5)步，直到滿足要求為止。

2 輻射信息提取

2.1 輻射控制點(diǎn)提取

以輻射性能較高的MODIS影像為參考，將敦煌輻射校正場(chǎng)作為傳遞平臺(tái)，收集同一天內(nèi)在敦煌輻射校正場(chǎng)上空過境的MODIS和WFV有效影像對(duì)。通過數(shù)據(jù)檢索獲取自GF-1衛(wèi)星發(fā)射后400天內(nèi)的有效影像對(duì)(WFV1相機(jī)4對(duì)、WFV2相機(jī)3對(duì)、WFV3相機(jī)0對(duì)，WFV4相機(jī)7對(duì))，如表1所示。

表1 WFV和MODIS有效影像對(duì)信息Tab.1 Information of valid WFV and MODIS imageries

利用交叉輻射定標(biāo)方法提取WFV傳感器各相機(jī)影像輻射控制點(diǎn)信息，即敦煌輻射校正場(chǎng)中心區(qū)域MODIS影像上WFV相機(jī)等效表觀輻亮度均值(5×5像素窗口)和相應(yīng)區(qū)域WFV影像DN值均值(156×156像素窗口)，如表2所示。

表2 輻射控制點(diǎn)信息Tab.2 Information of RCPs

2.2 輻射連接點(diǎn)提取

受相機(jī)安裝誤差以及衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，同軌相鄰WFV相機(jī)影像重疊區(qū)域存在明顯的幾何錯(cuò)位現(xiàn)象，這在一定程度上影響了輻射連接點(diǎn)信息提取精度及效率。另外，因?yàn)閃FV傳感器相鄰相機(jī)間屬于弱交會(huì)成像情況，即影像交會(huì)角小于10°，所以本文采用基于DEM輔助的有理函數(shù)模型(rational function model，RFM)區(qū)域網(wǎng)平差方法，消除同軌相鄰相機(jī)影像間幾何錯(cuò)位問題[25]。

然后，選取多組與輻射控制點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)相接近的、具有豐富地表覆蓋類型的同軌四相機(jī)影像，經(jīng)幾何錯(cuò)位消除后，設(shè)置一定大小的移動(dòng)分析窗口，在重疊區(qū)域搜索光譜均勻地物位置，進(jìn)而獲取其在相鄰兩個(gè)影像中的DN值信息，將其作為輻射連接點(diǎn)數(shù)據(jù)。其中，光譜均勻區(qū)域應(yīng)滿足差異系數(shù)CV(coefficient of variation)即DN值標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值應(yīng)小于預(yù)先設(shè)定的閾值。該過程既能夠降低傳感器輻射性能變化對(duì)定標(biāo)精度的影響，同時(shí)能夠充分考慮不同響應(yīng)區(qū)間內(nèi)相機(jī)間輻射相關(guān)性。利用該方法分別在WFV1和WFV2、WFV2和WFV3、WFV3和WFV4影像重疊區(qū)域中獲取輻射連接點(diǎn)數(shù)據(jù)99對(duì)、228對(duì)和237對(duì)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 絕對(duì)定標(biāo)精度檢驗(yàn)

表3本文輻射定標(biāo)結(jié)果及相對(duì)誤差
Tab.3Calibrationcoefficientsbasedontheproposedmethodandrelativeerrors

傳感器波段本文定標(biāo)結(jié)果/(W·m-2·sr-1·μm-1)增益偏移量文獻(xiàn)[8]的RE/(%)本文的RE/(%)WFV110．157210．73247．423．3720．12769．22119．655．3630．11186．46677．033．2240．113110．117715．618．37WFV210．155912．71737．688．8220．12739．64887．449．3430．11236．20666．467．5340．11289．946213．498．71WFV310．158712．34494．034．2920．142910．29145．926．0530．12496．76282．473．1940．116310．22748．197．55WFV410．1602 9．7916 5．754．6820．14467．73983．794．4630．12567．47824．197．2440．113610．11604．217．91

同樣采用文獻(xiàn)[8]中獲取的絕對(duì)定標(biāo)精度檢查點(diǎn)，通過利用官方定標(biāo)系數(shù)和本文獲得的定標(biāo)結(jié)果計(jì)算WFV影像表觀輻亮度信息，然后與相應(yīng)區(qū)域的MODIS影像表觀輻亮度信息進(jìn)行比對(duì)，利用式(8)獲取相對(duì)誤差

(8)

從表3中可以看出，采用本文所構(gòu)建的定標(biāo)模型獲取的定標(biāo)結(jié)果具有較高的定標(biāo)精度，各波段相對(duì)誤差均優(yōu)于9.34%，且與文獻(xiàn)[8]采用分步式處理方式所得定標(biāo)結(jié)果相比，本文定標(biāo)結(jié)果并未出現(xiàn)相對(duì)誤差明顯較大的波段，這是因?yàn)楸疚牟捎谜w平差處理的方式，在一定程度上降低了輻射傳遞過程中的誤差累積。另外，從表3中也可以看出，雖然WFV3相機(jī)缺少輻射控制信息，但是其定標(biāo)精度并不低，因此今后將進(jìn)一步分析多種因素(輻射控制點(diǎn)/連接點(diǎn)的選擇及分布)對(duì)定標(biāo)結(jié)果的影響，優(yōu)化定標(biāo)控制方案，進(jìn)而提高傳感器整體定標(biāo)精度。

3.2 相機(jī)間相對(duì)輻射校正精度檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)本文定標(biāo)系數(shù)對(duì)相機(jī)間相對(duì)輻射校正處理的效果，分別從WFV1和WFV2、WFV2和WFV3、WFV3和WFV4同軌影像重疊區(qū)域內(nèi)選取了134對(duì)、148對(duì)和237對(duì)光譜均勻地物作為檢查點(diǎn)，分別利用2013、2014年官方定標(biāo)系數(shù)、文獻(xiàn)[8]及本文定標(biāo)系數(shù)計(jì)算每對(duì)檢查點(diǎn)表觀輻亮度，然后統(tǒng)計(jì)其差異的絕對(duì)值，如圖1—圖3所示，其差異絕對(duì)值的平均值列于表4之中。

圖1 WFV1和WFV2影像檢查點(diǎn)處表觀輻亮度差異Fig.1 TOA radiance differences of check points in WFV1 and WFV2

從圖1—圖3和表4中可以看出，利用本文定標(biāo)結(jié)果可以大大降低相機(jī)間輻射不一致性。對(duì)于4個(gè)波段而言，與2013年官方定標(biāo)系數(shù)相比，其輻射不一致性最高分別降低了87.93%、87.75%、93.3%和94.17%；與2014年官方定標(biāo)系數(shù)相比，其輻射不一致性最高分別降低了94.04%、94.21%、94.44%和90.54%；與文獻(xiàn)[8]的定標(biāo)系數(shù)相比，其輻射不一致性處理效果大致相同。

3.3 實(shí)例驗(yàn)證

選取2014年11月18日的一組WFV影像進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，分別從影像重疊區(qū)域中挑選出某一局部區(qū)域進(jìn)行展示。從圖4—圖6和表5中可以看出，原始圖像和利用2013、2014年官方定標(biāo)系數(shù)的處理結(jié)果均存在明顯輻射差異，其中2013年官方結(jié)果各波段輻射平均差異分別約2.57、5.14、7.90和7.33 W·m-2·sr-1·μm-1，2014年官方結(jié)果各波段輻射平均差異分別約8.43、6.92、4.19和5.80 W·m-2·sr-1·μm-1，而本文處理結(jié)果與文獻(xiàn)[8]處理后的目視解譯效果近乎相同，均無明顯輻射差異，各波段輻射平均差異均優(yōu)于1 W·m-2·sr-1·μm-1，但本文處理的整體校正精度要比文獻(xiàn)[8]略高，相對(duì)精度平均提高約10.19%。這也證明了本文定標(biāo)結(jié)果可以有效地實(shí)現(xiàn)星載多相機(jī)拼接成像傳感器相機(jī)間相對(duì)輻射校正。同時(shí)，利用本文方法可以規(guī)范不同用戶進(jìn)行相對(duì)輻射校正處理的流程，提高其定量產(chǎn)品綜合對(duì)比的可信度。

圖2 WFV2和WFV3影像檢查點(diǎn)處表觀輻亮度差異Fig.2 TOA radiance differences of check points in WFV2 and WFV3

圖3 WFV3和WFV4影像檢查點(diǎn)處表觀輻亮度差異Fig.3 TOA radiance differences of check points in WFV3 and WFV4

圖4 WFV1和WFV2影像拼接后局部放大圖Fig.4 Partial enlarged images of WFV1 and WFV2 stitching results

圖5 WFV2和WFV3影像拼接后局部放大圖Fig.5 Partial enlarged images of WFV2 and WFV3 stitching results

圖6 WFV3和WFV4影像拼接后局部放大圖Fig.6 Partial enlarged images of WFV3 and WFV4 stitching results

表4 檢查點(diǎn)處表觀輻亮度差異絕對(duì)值的平均值Tab.4 Average absolute value of TOA radiance differences of check points W·m-2·sr-1·μm-1

表5 相鄰相機(jī)影像重疊區(qū)域表觀輻亮度差異絕對(duì)值的平均值Tab.5 Average absolute value of TOA radiance differences in overlapping regions of adjacent cameras W·m-2·sr-1·μm-1

4 總 結(jié)

本文針對(duì)星載多相機(jī)拼接成像傳感器特點(diǎn)，提出了一種基于改進(jìn)型輻射區(qū)域網(wǎng)平差的在軌輻射定標(biāo)方法。該方法可以實(shí)現(xiàn)相機(jī)間相對(duì)輻射校正和在軌輻射定標(biāo)的一體化處理。文中指出了現(xiàn)有在軌輻射定標(biāo)方法存在的不足，介紹了輻射區(qū)域網(wǎng)平差基本思想，詳細(xì)推導(dǎo)了基于改進(jìn)型輻射區(qū)域網(wǎng)平差的在軌輻射定標(biāo)方法和流程，對(duì)比分析了采用本文結(jié)果與官方系數(shù)進(jìn)行相機(jī)間相對(duì)輻射校正的效果，并利用一組WFV影像驗(yàn)證了本文采用的定標(biāo)方法的有效性。在下一步的研究中將重點(diǎn)分析多種因素(輻射控制點(diǎn)/連接點(diǎn)的選擇及分布)對(duì)定標(biāo)結(jié)果的影響，優(yōu)化定標(biāo)控制方案，進(jìn)而提高傳感器整體定標(biāo)精度。

致謝：特別感謝中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心為本文研究提供GF-1影像數(shù)據(jù)，感謝中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所顧行發(fā)研究員、余濤研究員的指導(dǎo)。

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On-orbit Radiometric Calibration Method of Spaceborne Multi-camera Mosaic Imaging Sensor

HAN Jie1，XIE Yong2

1.School of Urban-rural Planning and Architecture，Xuchang University，Xuchang 461000，China；2.School of Geography and Remote Sensing，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044， China

As the core and foundation of quantitative remote sensing, the precision of on-orbit radiometric calibration of spaceborne sensor directly determines the quality of quantitative remote sensing production.However, the available radiometric calibration methods have been unable to achieve the absolute radiometric calibration of each camera and the relative radiometric correction among cameras simultaneously for multi-camera mosaic imaging sensor.Therefore，taking wide field of view(WFV)multispectral sensor equipped with GF-1 satellite as example，this research proposes an innovative on-orbit radiometric calibration method based on the modified radiometric block adjustment.First，the radiometric control points of each WFV camera are extracted using the traditional cross calibration method.Then the radiometric tie points of adjacent WFV cameras in the overlapping regions are obtained.At last，the integrate adjustment method is used to calculate the calibration coefficients of each WFV camera and the parameters of radiometric constraint equation considering the coupling relationship between the relative radiometric correction and the absolute radiometric calibration.The experimental results show the relative errors of the absolute radiometric calibration coefficients in each band are all less 9.34%.Meanwhile，the absolute radiometric calibration coefficients can realize relative radiometric correction among WFV cameras.The average absolute values of top of atmosphere (TOA) radiance differences in the overlapping region of adjacent cameras in each band are all less 1.63 W·m-2·sr-1·μm-1.

on-orbit radiometric calibration; multi-camera mosaic imaging; radiometric block adjustment; validation and evaluation

The Science and Technology of Henan province (No.172102210463)；The National Natural Science Foundation of China (No.41671345)；General Manual for High Resolution Earth Observation System(No.50-Y20A07-0508-15/16)；National Key Research Program of China (No.2016YFB0502500)；Scientific Research Foundation for the Talent，Nanjing University of Information Science & Technology

HAN Jie(1987—)，male，PhD，lecturer，majors in calibration and verification of high-resolution satellite sensors.

XIE Yong

韓杰，謝勇.星載多相機(jī)拼接成像傳感器在軌輻射定標(biāo)方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(11)：1830-1840.

10.11947/j.AGCS.2017.20170071.

HAN Jie，XIE Yong.On-orbit Radiometric Calibration Method of Spaceborne Multi-camera Mosaic Imaging Sensor[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(11):1830-1840.DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170071.

P237

A

1001-1595(2017)11-1830-11

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(172102210463);國(guó)家自然科學(xué)基金(41671345);高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)共性指南(50-Y20A07-0508-15/16);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0502500)；南京信息工程大學(xué)人才啟動(dòng)基金

(責(zé)任編輯：張艷玲)

2017-02-15

修回日期：2017-08-27

韓杰(1987—)，男，博士，講師，研究方向?yàn)楦叻直媛市l(wèi)星傳感器定標(biāo)和真實(shí)性檢驗(yàn)。

E-mail：hanjie@radi.ac.cn

謝勇

E-mail：xieyong@nuist.edu.cn