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一种光学卫星相机基于多线性地物的在轨辐射定标方法与流程

  • 国知局
  • 2025-01-10 13:36:53

本发明涉及光学遥感,主要涉及一种光学卫星相机基于多线性地物的在轨辐射定标方法。

背景技术:

1、光学卫星遥感所获取的遥感影像可以清楚地表达地物地物的空间结构与表层纹理特征,为有效解译分析提供条件和基础,在自然资源调查、生态环境监测、城市规划建设等国民经济多领域中有着非常广阔的应用前景。然而卫星遥感所观测地物地物的生物物理参数和环境系统演变等与遥感器辐射响应有着直接关系,因此光学卫星传感器在轨运行期间的辐射定标精度直接影响其卫星遥感信息的定量化应用。

2、在轨辐射定标的反射率基法及辐照度基法都是一种单点(辐亮度)定标方法,都需要大面积辐射校正场和传感器暗电流测量(或冷空测量)相配合,唯一不同的是辐照度基法增加了漫射辐射与总辐射比的测量,从而减小了反射率基法中对气溶胶散射特性的假设所带来的不确定度。基于大面积均匀场的替代定标法对场地反射率要求较高,当反射率较低时,需通过外推来得到高于均匀场反射率的辐亮度,当反射率较高时,则需通过内插来得到未知辐射量,因此基于大面积均匀场的辐射定标对其精度的影响很大,目前在轨定标精度约为5-8%,且难以实现光学卫星相机全动态范围内的高精度定标。

3、随着光学卫星相机空间分辨率的日益提高,大面积辐射校正场的空间均匀性与朗伯性不能满足高精度定标的应用需求,且光学遥感卫星星座的增加提高了时间分辨率,而辐射校正场地少且单一,定标周期长且易受天气状况影响,使得基于大面积辐射校正场的定标效率低,要求作为光学卫星相机辐射定标的检测参照地物具有更高的光学稳定性、机动性和时空适应性,现有在轨辐射定标技术难以满足我国光学卫星相机全动态范围内的高精度业务化定标需求。

4、光学卫星相机空间分辨率的提高,使得具有良好的光谱平坦性与空间均匀性及近似朗伯性的线性地物可以作为检测参照,进行光学卫星相机全动态范围的在轨辐射定标。美国航空航天局(nasa)利用光学特性优异的人工靶标实现了星载光学相机全动态范围的辐射定标,然而传统的以辐射传输计算为核心的定标方法需要假设场区气溶胶散射特性及周边背景环境反射率等,特别是在复杂背景环境条件下,难以与实际情况相符。

技术实现思路

1、(一)发明目的

2、本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷,提供一种光学卫星相机基于多线性地物的在轨辐射定标方法。本发明的在轨辐射定标方法是以地面实测数据为主,代替辐射传输计算中气溶胶散射假设,降低气溶胶模型与大气模式等因素对在轨定标的影响,简化定标流程的同时提高在轨辐射定标精度,该定标方法不仅可以实现光学卫星相机响应线性与动态范围检测,还可以实现其高精度、高频次的全动态业务化移动定标。

3、(二)技术方案

4、本发明是通过以下技术方案实现的:一种光学卫星相机基于多线性地物的在轨辐射定标方法,包括如下步骤:

5、步骤1:根据辐射定标场区海拔高度、温湿压风气象参数及背景环境参数信息,通过辐射传输码modtran或6s计算得到的大气透过率,逐次逼近以太阳光度计测量的太阳-多线性地物路径的通道大气透过率,进而求得太阳照射路径的高光谱大气透过率,据此利用太阳照射与卫星观测几何关系来改变辐射传输码中的几何因子,计算得到卫星相机观测路径的高光谱大气透过率;

6、步骤2:将大气外太阳常数与计算的太阳路径大气透过率、漫射/总辐射比相乘求取太阳照射地面的总辐射照度,进而结合卫星相机的光谱响应函数、多线性地物反射率、计算的卫星相机观测路径大气透过率与地面总辐射照度相乘,求取多线性地物反射至光学卫星相机的入瞳辐亮度;

7、步骤3:通过不同反射率的多线性地物设置与多线性地物遥感影像计数值,经线性回归计算扣除大气程辐射与地气耦合辐射影响,求得多线性地物的辐射响应值,进而将多线性地物反射至光学卫星相机的入瞳辐亮度与多线性地物辐射响应值根据光学卫星相机定标方程,得到光学卫星相机基于多线性地物的在轨绝对辐射定标系数,至此实现光学卫星相机工作状态下的全动态范围辐射定标。

8、进一步的,根据辐射传输理论,平面平行大气条件下,对于多线性地物的地面参照,光学卫星相机的入瞳辐亮度表示为:

9、

10、其中,l是卫星相机的入瞳辐亮度,la是大气程辐射,es是太阳常数,μs是太阳天顶角θs的余弦因子,tgas是大气吸收透过率,τ是大气光学厚度,td(θs)是向下的大气散射透过率,s是大气球面反照率,ρe是背景反射率,ρt是多线性地物的反射率,μv是卫星观测天顶角的余弦因子,θv是卫星观测天顶角,t'd(θv)是向上的大气散射透过率,α(θs)是太阳入射方向的天空漫射辐射/总辐射比;

11、多线性地物布设区域范围内的背景反射率为常数,则定标场区的地面总照度保持不变,多线性地物上空的大气程辐射与地-气耦合辐射是相同的,光学卫星相机的入瞳辐亮度改写为:

12、l=aρt+b=lt+b (2)

13、其中,a是理想的线性地物反射至光学卫星相机的入瞳辐亮度,即:

14、

15、b是大气程辐射与地-气耦合辐射之和,即:

16、

17、光学卫星相机在一定区域范围内对地面的多线性地物观测成像,此时大气程辐射、光学厚度、透过率与球面反照率、漫射/总辐射比、太阳常数参数均为确定值,据此公式(3)与公式(4)所表述的a与b亦为确定值,则根据公式(2)得光学卫星相机入瞳辐亮度l与多线性地物的反射率ρt呈一元线性关系,因此通过在遥感器的动态范围内设置不同反射率或不同能级的多线性地物,以便在光学卫星影像获取不同的多线性地物响应值,对不同反射率的多线性地物与其遥感影像响应值进行线性回归,求取光学卫星相机基于多线性地物的在轨绝对辐射定标系数,具体根据光学卫星相机定标方程(5),结合多线性地物的遥感图像计数值与不同反射率,将不同反射率的多线性地物与不同反射率多线性地物遥感影像的计数值进行线性回归计算得光学卫星相机基于多线性地物的在轨绝对辐射定标系数:

18、

19、其中,lepu,i是卫星遥感器第i通道的入瞳等效辐亮度,ri(λ)是卫星遥感器第i通道的光谱响应函数,again,i是卫星遥感器第i通道的响应度定标系数,dni是遥感器第i通道对多线性地物的响应值,dn0,i是卫星遥感器第i通道暗电流响应值。

20、进一步的,包括如下步骤:

21、(ⅰ)当光学卫星相机第i通道内多线性地物反射率ρt=0时,相当于光学卫星相机对地观测场区内没有设置多线性地物,也就是光学卫星相机对场区背景观测成像,由公式(2)得卫星遥感器的入瞳辐亮度l=b,此时图像计数值即为定标方程线性回归的截距

22、

23、(ⅱ)当光学卫星相机第i通道内多线性地物反射率ρt≠0时,相当于光学卫星相机对地观测场区内设置不同反射率或不同能级的多线性地物,也就是光学卫星相机对场区内的多线性地物观测成像,由公式(2)得卫星遥感器的入瞳辐亮度l=lt+b,此时根据公式(5)得:

24、

25、根据公式(6)与(7),将不同反射率或不同能级的多线性地物与不同反射率多线性地物遥感影像的响应值进行线性回归计算,求得光学卫星相机基于多线性地物的在轨绝对辐射定标系数:

26、

27、进一步的,所述的多线性地物反射率ρt通过地物光谱仪测量得到、大气光学厚度τ通过太阳光度计测量得到、太阳入射方向的天空漫射辐射/总辐射比α(θs)通过光谱辐射计测量得到。

28、进一步的,所述的通过不同反射率的多线性地物设置与不同反射率多线性地物遥感影像响应值进行线性回归计算得到,或通过多次遥感成像计数值获得。

29、进一步的,所述的多线性地物是空间尺度不小于10倍的卫星相机地面像元分辨率的大面积漫射源,或是空间尺度不大于10%的卫星相机地面像元分辨率的小尺寸反射源;

30、所述的多线性地物为漫射源时,尺寸应大于10×10倍光学卫星相机的地面采样间隔;

31、所述的多线性地物为漫射源时,具有优于2%的的均匀一致性,反射率在光学卫星相机通道内具有良好的光谱平坦与朗伯性且差异小于1%。

32、进一步的,所述的多线性地物为漫射源时,地物反射率位于光学卫星相机的动态范围内,且不少于4种反射率。

33、进一步的,所述的多线性地物为反射源时,应具有优于2%的均匀一致性,反射率在光学卫星相机通道内具有良好的光谱平坦且差异小于2%。

34、进一步的,所述的多线性地物为反射源时,地物能级应位于光学卫星相机80%以上的动态范围内,且不少于4种能级,每种能级之间的距离不小于10个像素。

35、进一步的,所述的多线性地物为反射源时,需要布设至少4×4以上的阵列,地物间距为大于5.25像素,检测相机成像系统的调制传递函数,修正遥感器对多线性地物反射源的辐射响应影响。

36、(三)有效收益

37、(1)本发明的光学卫星相机在轨辐射定标方法以地面实测数据为主,代替辐射传输计算中气溶胶散射假设,并通过多种反射率线性地物与遥感器响应值的线性回归扣除程辐射及地气耦合辐射影响,降低气溶胶与大气模式等因素对在轨定标的影响,进而提高辐射定标精度;

38、(2)本发明的光学卫星相机在轨辐射定标方法可以在同一大气环境条件下实现光学卫星相机响应线性与动态范围检测及全动态范围的高精度业务化辐射定标;

39、(3)本发明的光学卫星相机在轨辐射定标方法不仅能够突破时空及天气等条件对大面积辐射校正场的限制,降低定标场区背景环境的要求,还能够在复杂环境条件下实现光学卫星相机高频次的移动定标。

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