HJ－1A／B衛星數據幾何校正與輻射校正順序研究＊

張周威 余 濤 孟慶巖 胡新禮 韓 杰

（北京大學地球與空間科學學院1） 北京 100871） （中國科學院遙感與數字地球研究所2） 北京 100101）

在利用衛星傳感器獲取地表反射／輻射信息的過程中，由于受到太陽高度、地形起伏、大氣條件、地球曲率以及傳感器平臺的運行速度和高度等多方面因素的影響，衛星遙感數據中必然存在著一定的誤差，主要分為輻射誤差和幾何誤差［1］.針對遙感數據輻射／幾何校正方法，牟勝梅等［2］分析了遙感圖像預處理算法的可并行性，提出了適合大數據量遙感圖像實時預處理的分布處理系統的結構設計方案；祝善友等［3］對多源極軌氣象衛星紅外數據同化方法進行了研究，闡述了輻射、幾何校正方法；周小虎等［4］研究了航空高光譜遙感數據的輻射／幾何校正方法，對航空高光譜圖像中存在的較為嚴重的輻射畸變和幾何畸變有良好效果；熊劍等［5］以GIS技術為支撐，研究了如何對地形起伏地區遙感影像進行輻射／幾何校正處理.但是上述研究只是對輻射／幾何校正方法進行了探討，并未涉及相對輻射／幾何精校正先后順序的研究.

本文利用不同時相、不同下墊面類型的HJ－1A／B衛星CCD數據，從統計特征和紋理特征2個方面，對不同校正順序的結果進行定量化的分析.研究表明，輻射／幾何校正順序的不同對結果的影響會因重采樣方法和幾何校正模型的不同有所不同，該結論可為HJ－1A／B衛星數據產品業務化生產提供數據處理流程參考.

1 數據與方法

1.1 數據介紹

HJ－1B衛星圖像憑借其獲取方便、監測區域大、分辨率較高等特點，已在生態破壞、環境污染檢測和災后評估等諸多領域得到廣泛應用［6－7］.HJ－1A／B衛星平臺上裝載的CCD相機，其波段設置及空間分辨率等參數見表1［8］.本研究所使用 的 測 試 數 據 為 HJ1B－CCD1－6－72－20101117－L20000429022.由于在進行幾何校正時缺乏地面控制點，因此選取另一幅成像時間較為接近的HJ－1A／B衛星數據 HJ1B－CCD2－5－72－20101128－L20000435365作為參考圖像進行坐標糾正.上述2幅圖像無云層干擾，有利于實驗研究.

1.2 研究區概況

本文選取2幅圖像公共區域中的一部分具有代表性的下墊面作為研究區（4 018×4 034），見圖1、圖2.該研究區位于河南省焦作市的西北部，N34°08′～35°04′，E111°07′～113°44′之間，整個地區海拔在85～940m之間.屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，干旱多風，夏季炎熱多雨，水熱適中.該區域下墊面類型較為復雜，包括植被、土壤、城市用地、水體等，具有很好的代表性，能夠充分檢驗校正順序對結果的影響.

表1 HJ－1B衛星CCD相機主要參數

圖1 測試數據波段3，2，1真彩色合成圖像

圖2 參考數據波段3，2，1真彩色合成圖像

1.3 研究方法

1.3.1 輻射校正 首先對原始數據進行輻射定標，將DN值轉換為表觀輻亮度，然后將其轉換為表觀反射率產品［9］.

絕對定標系數增益和絕對定標系數偏移量，可從HJ－1A／B星CCD圖像附帶的XML文件中得到，轉換后輻亮度L.HJ－1A／B衛星圖像各波段對應的值見表2所列；θ是太陽天頂角，可由XML文件獲取.

表2 HJ－1A／B星CCD相機平均太陽輻照度W／m2

1.3.2 幾何校正 利用ENVI遙感圖像處理軟件中幾何校正模塊，在參考圖像與測試圖像上選取控制點，這些控制點均勻的分布在圖像上.不同校正次序所選的控制點（GCPs）需要完全一致.因為人工選點，每次選擇GCPs會有一定的隨機性，選的點不一樣，分布不一樣，對于幾何校正會有較大影響.然后選取一次和二次多項式校正模型，利用三種重采樣方法（最臨近法、雙線性法、三次卷積法）對測試圖像進行幾何校正，保證校正精度優于一個像素.

1.3.3 實驗流程 根據上述確定的輻射校正和幾何校正方法，本文設計了預處理實驗流程，見圖3.通過改變輻射校正和幾何校正的順序，對HJ－1A／B衛星數據進行處理.從統計特征和紋理特征2個方面，對不同預處理流程所得圖像進行綜合分析與比較.

圖3 預處理實驗流程圖

2 處理結果綜合分析

2.1 結果差異分析

在獲取不同校正順序的處理結果后，利用ENVI波段運算功能，計算得到兩者的差異圖，如圖4所示，黑色區域為結果相同區，灰色區域為差異區.

從圖4～圖9中可以看出不同重采樣方式、不同幾何校正模型對不同校正順序所得結果的影響較大，具體表現為：最臨近方法所得結果的差異像素分別具有一定的規律性且差異像素比例較小，其中一次多項式校正模型所得差異像素按照線性分布的，而二次多項式校正模型的差異像素按照弧狀分布；雙線性卷積法和三次卷積法所得結果的差異像素分布無規律且比例較大.出現上述的差異是否會對處理結果的進一步使用造成影響，本文從圖像的統計特征和紋理特征進行了詳細分析.

圖4 一次多項式最臨近重采樣的預處理結果差異圖

圖5 二次多項式最臨近重采樣的預處理結果差異圖

圖6 一次多項式雙線性重采樣預處理結果差異圖

圖7 二次多項式雙線性重采樣預處理結果差異圖

圖8 一次多項式三次卷積重采樣預處理結果差異圖

圖9 一次多項式三次卷積重采樣預處理結果差異圖

2.2 灰度差異統計特征分析

為了更好的定量分析結果差異的大小，本文利用ENVI對各差異圖像進行統計分析.從以下幾項具有代表性的統計特征指標進行分析：最大值、最小值、均值、標準差.其中均值是指差異圖像像素值的平均值，在處理結果中均值代表的含義是表觀反射率差異的平均值；標準差用來表示圖像像素值的分布狀況，標準差越大，表示差異像素值的分布越分散.

從結果中可以看出：（1）各種方法所得差異像素百分比都是隨著波長的增加而有所增加，最臨近重采樣方法差異百分比最小，雙線性法和三次卷積法差異比例較大且近似；（2）在相同重采樣方法中，一次多項式校正模型比二次多項式校正模型所得差異百分比高，尤其是對于最臨近重采樣方法而言；（3）從差異像素值的統計數據可以看出，對于雙線性法和三次卷積法而言，不論校正模型為一次或二次多項式，輻射／幾何校正順序的不同對藍波段和紅波段的影響大致相同，而對近紅外波段的影響較大.（4）雖然雙線性法和三次卷積法所引起的差異像素較多，但是其差異值較小，這說明從統計特征角度來看，因預處理過程中輻射校正和幾何校正的順序變化而引起的結果差異較小，可以忽略.

2.3 紋理特征分析

常用的紋理特征指標有：信息熵、角二階矩、對比度、協同性［10－11］.其中，信息熵是恒量信息豐富程度的一個重要指標，信息熵越大，表明圖像具有的信息量越大；角二階矩是反映圖像灰度分布的均勻程度和紋理的粗細度，角二階矩越大，表示圖像紋理越粗糙；對比度又稱主對角線慣性矩，它描述了圖像的清晰度和紋理溝紋深淺的程度，對比度越大，視覺效果越清晰；協同性又稱均勻性，它很大程度上關聯到圖像中的局部信息，反映了區域的一致性.利用ENVI計算預處理結果的各種紋理特征指標，見圖10.

圖10 預處理結果紋理指標差異圖

從圖10中可以看出，雖然參數有一定的差異，但是不同處理順序所得結果的紋理特征指標差異很小，因此，這些差異對后續遙感產品的生產并不會構成較大影響.

實驗表明：（1）對于不同時相、不同下墊面類型的 HJ－1A／B衛星CCD數據，輻射／幾何校正順序的不同產生的差異像素比例隨波長的增加有所增加；（2）與一次多項式校正模型相比，二次多項式校正模型引起的差異像素百分比要小；（3）最臨近重采樣方法引起的差異像素百分比最小，且分布具有一定的規律，雙線性法和三次卷積法差異像素百分比較大，且分布無規律；（4）雙線性法和三次卷積法對藍波段和紅波段數據影響大致相同，對近紅外波段的影響較大；（5）處理結果的統計指標和紋理指標雖有所差別，但差別微小.

為驗證所得結論的正確性，本文又選擇了多幅不同地區、不同時相的HJ－1A／B衛星數據進行實驗，得出了類似的結論，即遙感數據預處理中因輻射校正和幾何校正順序不同導致的結果差異很小，不影響后續產品的使用，該結論可以作為HJ－1A／B衛星數據預處理流程的參考依據.

3 結 論

1）本文選用 HJ－1A／B衛星遙感CCD數據作為實驗數據，全面討論了在遙感數據預處理過程中，因輻射校正與幾何校正順序的不同而導致的結果差異.從統計特征和紋理特征兩個方面對結果進行了分析，發現校正順序對結果的影響很小，因此，在以后數據預處理時，可根據實際情況安排預處理流程.

2）在進行實驗過程中發現，對于最臨近重采樣方法所得異常像素值分布較有規律，在今后的研究中，可以針對該方面的問題進行進一步的探討，從理論上解釋該現象存在的原因，進而為預處理流程提供理論支持，降低因校正順序引起的微小差異.

3）由于缺乏實測的地面控制點，本文只能選擇利用其它圖像作為參考進行幾何校正，但該過程是否會影響實驗結果，在下一步的研究中考慮借助地面實測點進行數據預處理流程研究，并做進一步分析.

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