基于輻射不變點(diǎn)的高光譜遙感傳感器交叉定標(biāo)方法

李映潭 楊遼 王杰

(1 西華師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,四川南充 637002)(2 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊 830011)

對于遙感成像測控系統(tǒng),數(shù)據(jù)處理不僅要關(guān)注地物的紋理和顏色等幾何特征,還需要考慮物體的反射和輻射特性[1]。輻射定標(biāo)是進(jìn)行大氣校正的關(guān)鍵一環(huán),因此獲取逐波段的輻射標(biāo)定系數(shù)(增益與偏置)是光學(xué)影像預(yù)處理的必要工作。光學(xué)遙感影像輻射定標(biāo)是將原始的像元亮度(DN)值轉(zhuǎn)化為輻射值的過程[2]。衛(wèi)星發(fā)射前會(huì)進(jìn)行大量定標(biāo)實(shí)驗(yàn)和飛行實(shí)驗(yàn),并在升空后進(jìn)行在軌校準(zhǔn)。這些步驟有助于建立影像DN曲線與地表輻射值曲線之間的線性關(guān)系,最終將原始的DN值精確轉(zhuǎn)換為輻射值。受圖像傳感器的非線性響應(yīng)、太陽輻照度的不穩(wěn)定以及傳感器屬性影響[3],導(dǎo)致遙感傳感器的測量值難以準(zhǔn)確描述真實(shí)地物的輻射特性。因此,為了正確描述地表輻射特征,獲得準(zhǔn)確的輻射值,需要對標(biāo)定系數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算。高光譜遙感影像波段眾多,出現(xiàn)了圖譜合一的特性[4-7],因此,對其輻射標(biāo)定的精度要求較高。有研究指出資源一號(hào)02D衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)傳感器中的120個(gè)大氣窗口波段在輻射定標(biāo)方面平均存在6.18%的誤差,其中有12個(gè)波段的誤差超過了7%,誤差滿足遙感衛(wèi)星應(yīng)用的精度標(biāo)準(zhǔn)[8],但資源一號(hào)02D號(hào)衛(wèi)星提供的標(biāo)定系數(shù)僅包括增益系數(shù),缺乏偏置系數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中,使用默認(rèn)定標(biāo)參數(shù)完成影像輻射定標(biāo)后,經(jīng)大氣校正的影像反射光譜曲線可能出現(xiàn)一些偏差。

遙感傳感器交叉定標(biāo)的基本原理是在待定標(biāo)衛(wèi)星和已定標(biāo)衛(wèi)星在軌道運(yùn)行過程中,對同一區(qū)域進(jìn)行遙感成像。通過比較兩者的成像結(jié)果并建立關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對待定標(biāo)衛(wèi)星傳感器的輻射定標(biāo)[9-12]。對于交叉定標(biāo)的研究,文獻(xiàn)[13]最早基于水衛(wèi)星(Aqua)與美國國家海洋和大氣管理局16號(hào)衛(wèi)星(NOAA-16)數(shù)據(jù)提出了基于同步天底過境(SNO)的交叉標(biāo)定方法,該方法嚴(yán)格限制了觀測時(shí)間與成像角度,且SNO的點(diǎn)多為極地區(qū)域,實(shí)用性與代表性不足;故文獻(xiàn)[14]后續(xù)提出來拓展的SNO方法,將適用范圍擴(kuò)展到了中低緯度地區(qū);文獻(xiàn)[15]結(jié)合雙向反射分布函數(shù)(BRDF)模型與6S輻射傳輸模型實(shí)現(xiàn)了較大時(shí)間差異與觀測天頂角差異的衛(wèi)星數(shù)據(jù)交叉標(biāo)定;文獻(xiàn)[16]通過輻亮度調(diào)整因子和反射率調(diào)整因子補(bǔ)償高分一號(hào)(GF-1)衛(wèi)星與參考衛(wèi)星之間的時(shí)間差異、天頂角的差異以及光譜響應(yīng)差異,從而提高了交叉標(biāo)定精度;文獻(xiàn)[17]以準(zhǔn)不變定標(biāo)場(PICS)交叉點(diǎn),降低了標(biāo)定不確定性。

受圖像傳感器的非線性響應(yīng)、太陽輻照度不穩(wěn)定等因素影響,遙感傳感器測量值難以準(zhǔn)確描述地物真實(shí)的輻射特性。因此,精確獲取標(biāo)定系數(shù)成為獲取地表輻射特征的關(guān)鍵。交叉定標(biāo)的實(shí)施成本低、頻次高,已成為驗(yàn)證光學(xué)遙感載荷輻射定標(biāo)系數(shù)的常規(guī)方法,但多被用于多光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)。為解決高光譜衛(wèi)星傳感器定標(biāo)參數(shù)的精確計(jì)算,文章通過交叉定標(biāo)思路提出了一套完備的定標(biāo)系數(shù)獲取方法。

1 方法原理

對于常規(guī)空間遙感衛(wèi)星輻射定標(biāo)系數(shù)的獲取與校正,需要配合地面光譜儀多點(diǎn)實(shí)地測量或?qū)Ｓ枚?biāo)場地,但空間衛(wèi)星成像時(shí)間短,難以實(shí)現(xiàn)儀器點(diǎn)測量與遙感面測量的同步。其次,受限于衛(wèi)星傳感器的空間分辨率,點(diǎn)測量的光譜儀由于混合像元效應(yīng),與其對應(yīng)的像元光譜存在偏差。因此,為實(shí)現(xiàn)快速標(biāo)定系數(shù)的獲取與校正,本文基于實(shí)施成本低且頻次高的交叉定標(biāo)思路,引入NASA的地表礦物粉塵源調(diào)查(EMIT)高光譜數(shù)據(jù),通過在與資源一號(hào)02D衛(wèi)星經(jīng)過同一區(qū)域的軌道交叉點(diǎn)采集數(shù)據(jù)時(shí),利用空間、光譜與時(shí)間分辨率都較高的哨兵二號(hào)(Sentinel-2)數(shù)據(jù)尋找輻射不變點(diǎn),逐波段建立關(guān)系,并得到一套新的定標(biāo)系數(shù)。

選取輻射不變點(diǎn)是兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉定標(biāo)的首要工作,通過目視解譯選取輻射不變點(diǎn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且目視解譯還存在主觀性的偏差,同時(shí)兩種數(shù)據(jù)分別為DN值與輻射值,無法從光譜維度獲取信息,存在信息上的缺失。基于以上因素,本文使用Sentinel-2衛(wèi)星的二等A級(jí)數(shù)據(jù)(L2A)數(shù)據(jù)來選取輻射不變點(diǎn)。

在遙感應(yīng)用中,光譜角(Spectral angle)是一種比較兩個(gè)光譜相似度的指標(biāo),通常用于遙感圖像處理和分類[18-20]。給定兩個(gè)光譜向量A和B,可以表示為包含多個(gè)波段反射率值的向量。光譜角(θ)可以通過以下公式計(jì)算

(1)

在本文中,光譜向量A與B分別代表兩種影像同一坐標(biāo)位置對應(yīng)的光譜向量,A·B表示向量A和向量B的點(diǎn)積(內(nèi)積),‖A‖和‖B‖則分別表示向量A和向量B的范數(shù)(或長度)。運(yùn)算結(jié)果在0～1,數(shù)值越大,表明兩個(gè)向量越相似。光譜角的引入使得Sentinel-2影像的輻射不變點(diǎn)選取更具有科學(xué)性,且光譜角從角度度量,不受成像時(shí)間和太陽輻照度不同引起的亮度和對比度變化的影響。通過編寫交互式數(shù)據(jù)語言(IDL)代碼對兩景影像逐點(diǎn)求取光譜角,得到一個(gè)角度結(jié)果矩陣,取矩陣中前100個(gè)最大值的坐標(biāo)作為輻射不變點(diǎn)。相關(guān)代碼如圖1所示。

圖1 光譜角匹配的處理代碼

將100個(gè)輻射不變點(diǎn)放入EMIT與資源一號(hào)02D衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行位置檢查,共刪除了18個(gè)在云區(qū)的點(diǎn),保留82個(gè)點(diǎn)用于計(jì)算逐波段輻射標(biāo)定系數(shù)。編寫IDL代碼,基于輻射不變點(diǎn)坐標(biāo),以資源一號(hào)02D衛(wèi)星數(shù)據(jù)的DN值為自變量,EMIT數(shù)據(jù)的輻射值為因變量,逐波段進(jìn)行線性回歸。標(biāo)定結(jié)果為一個(gè)逗號(hào)分隔值(CSV)表格,該表格包含了165個(gè)波段所對應(yīng)的偏置、增益相關(guān)系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)誤差。

對處理完后的影像,以IDL代碼為基礎(chǔ),結(jié)合重新標(biāo)定的系數(shù),對資源一號(hào)02D數(shù)據(jù)進(jìn)行逐波段的輻射定標(biāo);將得到的輻射值影像導(dǎo)入基于可視化圖像環(huán)境(ENVI)軟件的快速視線大氣分析光譜超立方體算法(FLAASH)模塊編寫的批處理程序進(jìn)行大氣校正處理(相關(guān)參數(shù)設(shè)置見ENVI幫助文檔),得到反射率影像;最后在刪除誤差較大的18個(gè)壞波段后,對結(jié)果進(jìn)行3×3模板的光譜平滑。整體的過程框架如圖2所示。

圖2 交叉輻射標(biāo)定與大氣校正過程框架

2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)預(yù)處理

資源一號(hào)02D衛(wèi)星于2019年9月12日成功發(fā)射,搭載的兩個(gè)傳感器分別提供9波段多光譜數(shù)據(jù)和166波段高光譜數(shù)據(jù)[21]。多光譜數(shù)據(jù)的光譜覆蓋范圍為0.452～1.047μm,全色波段的空間分辨率為2.5m,其他8個(gè)波段的空間分辨率為10m,成像寬幅為115km。高光譜傳感器的光譜覆蓋范圍為0.40～2.50μm,空間分辨率為30m。在可見光-近紅外波段,光譜分辨率為10nm,短波紅外波段為20nm,成像寬幅為60km。衛(wèi)星的重訪周期為3天,全球覆蓋周期為55天。本文使用的是L1級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)級(jí)別為未地形校正的DN值影像,其中影像主文件為地理標(biāo)記圖像文件格式(GeoTiff)數(shù)據(jù)文件,同時(shí)附帶可拓展標(biāo)記語言(xml)元數(shù)據(jù)說明文件、有理多項(xiàng)式系數(shù)模型(RPC)校正參數(shù)文件、預(yù)覽圖文件、覆蓋區(qū)域矢量文件、觀測幾何角度文件以及定標(biāo)系數(shù)文件。其中,影像數(shù)據(jù)文件按波段分別存為可見近紅外譜段(VN)與短波紅外譜段(SW)兩個(gè)GeoTiff文件。

EMIT是部署在“國際空間站”上的傳感器,于2022年8月開始測量,其主要任務(wù)是監(jiān)測地表礦物,特別是地球干旱塵埃源覆蓋區(qū)域,在北緯52°和南緯52°之間的陽光照射區(qū)進(jìn)行礦物測量[22]。EMIT Level 2A數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)通用(NC)數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ),包括3個(gè)60m空間分辨率的產(chǎn)品:反射率影像(EMIT_L2A_RFL)、反射率不確定性影像(EMIT_L2A_RFLUNCERT)和反射掩膜影像(EMIT_L2A_MASK)。反射率產(chǎn)品包括285個(gè)波段,光譜覆蓋范圍為0.381～2.493μm,光譜分辨率約為7.5nm;反射率不確定性包含了逐像元、逐波段的反射率不確定估計(jì)值(見圖3)。

圖3 資源一號(hào)02D影像DN值與EMIT影像輻射值

本文使用的是一景2023年5月29日的EMIT數(shù)據(jù)與一景2021年6月6日的資源一號(hào)02D衛(wèi)星影像。資源一號(hào)02D衛(wèi)星影像的標(biāo)準(zhǔn)處理流程包括數(shù)據(jù)打開、輻射定標(biāo)、大氣校正以及正射校正。本文使用該數(shù)據(jù)的DN值,因此無需進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正:①數(shù)據(jù)打開,由于ENVI不支持直接讀取該衛(wèi)星數(shù)據(jù),需要安裝國產(chǎn)衛(wèi)星支持工具插件,并選擇.xml文件打開數(shù)據(jù),該軟件會(huì)自動(dòng)打開可見光-近紅外和短波紅外兩個(gè)圖像文件,并自動(dòng)合并為166個(gè)波段的圖像文件,同時(shí)打開RPC和其他元數(shù)據(jù)文件,賦予影像基礎(chǔ)的位置信息;②正射校正,本文使用ENVI的RPC Orthorectification Using Reference Image工具,以同一覆蓋區(qū)域的Sentinel-2數(shù)據(jù)作為參考影像,30m的高級(jí)空間熱發(fā)射與反射輻射計(jì)(ASTER)數(shù)據(jù)作為參考數(shù)字高程模型(DEM)。處理后,得到坐標(biāo)系為通用橫軸墨卡托投影(UTM)43N、空間分辨率30m的影像。最后為了統(tǒng)一空間分辨率,將影像重采樣到60m。

本文基于IDL程序編寫了EMIT數(shù)據(jù)預(yù)處理的批處理程序,包括以下步驟:①NC格式數(shù)據(jù)讀取,通過NC文件ID以及目標(biāo)參數(shù)的ID讀取影像的相關(guān)參數(shù)并存儲(chǔ)為變量;②地理查找表(GLT)地理編碼,在第一步中讀取的數(shù)據(jù)包括兩個(gè)波段變量,分別逐像元記錄了經(jīng)度和緯度,通過地理編碼將影像投影為經(jīng)緯度;③增加元數(shù)據(jù),最后影像的輸出格式為ENVI標(biāo)準(zhǔn)格式,通過添加頭文件信息的方式添加影像的中心波長、全波半波寬以及地圖信息;④刪除壞波段,通過對照光譜曲線,刪除誤差的波段;⑤影像重投影,將EMIT的經(jīng)緯度投影轉(zhuǎn)換為Sentinel-2同一投影帶的UTM投影,確保二者地理位置完全對應(yīng),將兩種數(shù)據(jù)地理位置鏈接后,通過影像對照發(fā)現(xiàn)無需進(jìn)行額外的影像配準(zhǔn)。

經(jīng)裁剪后,EMIT共285波段,資源一號(hào)02D衛(wèi)星共166波段,為了使兩種數(shù)據(jù)的波段相對應(yīng),以資源一號(hào)02D衛(wèi)星數(shù)據(jù)的光譜為參考,將EMIT數(shù)據(jù)的光譜重采樣至166波段。但兩種數(shù)據(jù)波段覆蓋范圍存在差異,光譜重采樣后的EMIT數(shù)據(jù)最后一個(gè)波段為無值,故完全對應(yīng)的波段數(shù)為165。

于ESA的哥白尼數(shù)據(jù)中心下載了兩景與兩種數(shù)據(jù)時(shí)間各自相近的Sentinel-2數(shù)據(jù)[23],由于L2A數(shù)據(jù)為反射率產(chǎn)品,采用超級(jí)分辨率將所有波段空間分辨率增強(qiáng)至10m,然后將所有像元除以10000.0轉(zhuǎn)換為反射率,再重采樣至待定標(biāo)數(shù)據(jù)分辨率后裁剪到研究區(qū)域,經(jīng)對照二者無需再進(jìn)行地理配準(zhǔn),可直接作為光譜角計(jì)算輸入(見圖4)。

圖4 兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的Sentinel-2影像

3 結(jié)果與精度評價(jià)

本文使用標(biāo)準(zhǔn)誤差(Se)和相關(guān)系數(shù)(R)來評價(jià)標(biāo)定結(jié)果,標(biāo)準(zhǔn)誤差是用于衡量測量值與真實(shí)值之間的偏差程度的指標(biāo),數(shù)值越小表示標(biāo)定結(jié)果的精度越高;相關(guān)系數(shù)則用于衡量兩個(gè)變量之間的線性關(guān)系,數(shù)值范圍在-1～+1,越接近1表示標(biāo)定結(jié)果與真實(shí)值之間的關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)。165個(gè)波段評估結(jié)果及選取的輻射不變點(diǎn)如圖5所示。

圖5 自動(dòng)選擇的樣本點(diǎn)以及各波段的標(biāo)準(zhǔn)誤差與相關(guān)系數(shù)

為了展示逐波段輻射標(biāo)定的精度,繪制了9個(gè)常用波段的回歸結(jié)果,如圖6所示,標(biāo)注了對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)誤差與中心波長。

注:圖中R為相關(guān)系數(shù);Se為標(biāo)準(zhǔn)誤差;λ為中心波長。

最終的成果影像與樣例光譜如圖7所示。在影像上均勻選取了10個(gè)點(diǎn)作為示例點(diǎn),并展示了它們對應(yīng)的輻射值曲線與反射率曲線。通過分析光譜曲線可以得知經(jīng)過該方法定標(biāo)的影像能夠獲取高質(zhì)量的反射率光譜曲線。在影像上均勻的選擇示例點(diǎn)既能確保它均勻的分布在整個(gè)影像區(qū)域,又能充分代表不同地物類型和場景,這樣的選擇有助于驗(yàn)證交叉定標(biāo)的普適性和可靠性。光譜曲線的分析揭示了影像的輻射值與反射率之間的關(guān)系,對于提高影像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度具有重要意義,尤其是在定量遙感研究方面。

圖7 經(jīng)校正后的反射率影像以及各樣點(diǎn)輻射值曲線與反射率曲線

通過圖6分析可知,有小部分波段存在較大誤差且相關(guān)性較低,研究表明:前幾個(gè)波段的誤差主要受到大氣的紫外吸收效應(yīng)影響,而在1374nm附近與1845nm附近的波段主要受到水汽吸收的影響。[8]

700～1000nm的近紅外區(qū)域雖然相關(guān)性較高,但標(biāo)準(zhǔn)誤差較大,原因在于近紅外波段對大氣參數(shù)具有敏感性,這是大氣中的水汽和其他氣體對這個(gè)波段的輻射吸收特性。這部分?jǐn)?shù)據(jù)涉及到資源一號(hào)02D衛(wèi)星數(shù)據(jù)的VN與SW數(shù)據(jù)重疊部分,由圖8分析可知:以VN與SW兩種成像儀于1040nm的散點(diǎn)為例,其分布均滿足線性規(guī)律,但二者DN值大小存在數(shù)量級(jí)上的差別,故考慮為兩種傳感器的設(shè)計(jì)方案不同導(dǎo)致的該誤差,且該范圍SW成像儀的回歸結(jié)果均優(yōu)于VN成像儀,故在后續(xù)處理流程中刪除了重疊部分的VN波段(即圖5中標(biāo)準(zhǔn)誤差曲線峰值部分)。

注:圖中R為相關(guān)系數(shù);Se為標(biāo)準(zhǔn)誤差;λ為中心波長。

4 結(jié)束語

由于大氣狀況的變化以及遙感傳感器自身損耗等因素,傳感器的標(biāo)定系數(shù)存在不可避免的波動(dòng),這種波動(dòng)直接影響輻射定標(biāo)的準(zhǔn)確性,從而對大氣校正產(chǎn)生不良影響,導(dǎo)致反射率出現(xiàn)偏差,最終影響后續(xù)數(shù)據(jù)的處理與分析。因此,定標(biāo)系數(shù)需要及時(shí)更新。傳統(tǒng)的輻射傳輸模型獲取標(biāo)定系數(shù)需要選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ?并且需要結(jié)合大量地表觀測數(shù)據(jù)與大氣參數(shù)。另外,通過光譜儀實(shí)測光譜來進(jìn)行回歸分析獲取定標(biāo)系數(shù)也需要大量實(shí)測數(shù)據(jù)[24],并涉及到多個(gè)地點(diǎn)和時(shí)間點(diǎn)的全面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集,因此需要大量的人力和時(shí)間成本。本文提出的交叉輻射標(biāo)定方法在執(zhí)行上簡單快捷,該方法引入了NASA高精度標(biāo)定的EMIT數(shù)據(jù)作為參考,并通過IDL代碼實(shí)現(xiàn)了大部分流程的自動(dòng)化,相較于傳統(tǒng)方法,這一套流程框架能夠在短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理,快速生成高質(zhì)量的高光譜反射率產(chǎn)品。迄今為止,EMIT已經(jīng)成功運(yùn)行了一年多,并積累了大量的數(shù)據(jù)資源,豐富的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備為交叉輻射標(biāo)定和后續(xù)的科學(xué)研究提供了數(shù)據(jù)支撐。在今后進(jìn)一步的研究中,將會(huì)考慮對不同月份的輻射標(biāo)定進(jìn)行詳細(xì)探討,時(shí)間維度的分析能夠更好地了解太陽輻射在不同季節(jié)和時(shí)間節(jié)點(diǎn)上對影像輻射標(biāo)定系數(shù)的影響。通過深入研究這些時(shí)空變化,能夠更準(zhǔn)確地把握輻射標(biāo)定的動(dòng)態(tài)特性,為數(shù)據(jù)的高質(zhì)量應(yīng)用提供更為科學(xué)的依據(jù)。這一流程框架不僅為當(dāng)前的科研數(shù)據(jù)處理工作提供了新思路,也為未來EMIT數(shù)據(jù)的更全面利用和優(yōu)化運(yùn)營提供了有益的方法參考。在高光譜交叉輻射標(biāo)定方面的深入研究進(jìn)一步提升了資源一號(hào)02D衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量,使其在遙感領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用。