基于圖像模擬的HJ星CCD相機交叉定標

鞏 慧

（北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044）

田國良 余 濤 顧行發

（中國科學院 遙感應用研究所，北京 100101）

衛星遙感技術的發展和資源、生態環境、自然災害監測及全球變化研究對遙感數據產品質量和定量化應用的要求日益提高，而傳感器的輻射定標是定量化遙感的核心和基礎，它可以發現傳感器的性能在發射后的變化和衰減，有利于提高衛星遙感定量數據的精度、可靠性和應用水平［1］.要實現多傳感器或多時相遙感數據的比較和融合，也必須進行傳感器的輻射定標［2］.美國亞利桑那大學光學科學中心提出的場地輻射定標方法［3］最直接有效.但這種方法工作量大，衛星和地面須同步獲取數據，難以滿足高頻次定標，也無法對歷史數據定標［4］，大氣和儀器條件也嚴重影響輻射定標的精度［5］.利用定標精度高的在軌傳感器為標準，對目標傳感器定標的交叉定標方法［6］不需要精確的大氣參數測量，彌補了場地定標的不足.然而目前進行的傳感器之間的交叉定標均要求傳感器之間光譜波段相似，且對同一均勻地面目標同時成像［7］.

我國環境與災害監測預報小衛星星座（HJ-1）的HJ-1A星和HJ-1B星上均搭載有兩臺寬覆蓋多光譜的可見光CCD相機，同一星上的兩臺CCD的對應波段光譜分布相似，具備交叉定標的光譜條件.但兩臺CCD同時成像時，成像區域不同.兩臺CCD在星下點跨軌方向大致有20km寬的重疊區，只約占整幅圖像面積的5.7%，很難實現對大面積、光譜和大氣特性已知的均勻地面同時成像.因此，無法采用常規的交叉定標方法在同一HJ星上兩臺CCD之間進行交叉定標.針對這個問題，本文提出一種基于圖像模擬的交叉定標方法，以平坦廣闊、光譜特性和大氣特性穩定的敦煌定標場為地面目標，在同一HJ星的兩臺CCD未能對敦煌場同時成像時，實現兩臺CCD之間的交叉定標.這種方法的關鍵一是待定標的CCD未對敦煌場成像時，確定敦煌場的圖像計數值（DC，Digital Counts），關鍵二是確定待定標的CCD針對敦煌場的觀測角度.

1 基于圖像模擬的交叉定標方法

1.1 待定標CCD相機敦煌場的DC值的確定

2008年10月20日和10月14日，HJ-1A星CCD1（簡稱 A1CCD）和 HJ-1B 星 CCD1（簡稱B1CCD）分別以天頂角11.8°和近垂直在敦煌過境，HJ-1A 星 CCD2（簡稱 A2CCD）和 HJ-1B星CCD2（簡稱B2CCD）均未對敦煌成像.這兩天地面均進行同步觀測，并利用場地輻射定標方法得到A1CCD和B1CCD的定標系數.

同一星上兩臺CCD同時成像時的相互位置關系如圖1a和圖1b所示.利用ENVI軟件，對兩幅圖像進行幾何配準，確定兩臺CCD圖像的重疊區即為圖中黑色矩形區，黑色方格為敦煌場區，A1CCD圖像和B1CCD圖像上敦煌場區中心像元距離重疊區的邊界線距離分別為約107.76km和5.6km.

以HJ-1A為例，為了確定2008年10月20日敦煌場區的對應A2CCD圖像的DC值，首先假設兩臺CCD相機的DC值是線性關系，即

圖1 同一星上兩臺CCD同時成像時的的位置關系

式 中，DA1CCD，i和DA2CCD，i分 別 為 A1CCD 和A2CCD的第i波段對應像元的DC值；ai為斜率；bi為截距.提取A1CCD和A2CCD圖像的重疊區的像元DC值，像元一一對應，并進行線性擬合，確定式（1）中的ai和bi，擬合結果如圖2所示.提取A1CCD圖像敦煌場區的平均DC值，代入式（1），就可以得到未成像的A2CCD圖像敦煌場區的平均DC值.采用同樣的方法得到的2008年10月14日的HJ-1B兩臺CCD圖像重疊區的DC值擬合結果如圖3所示，并據此得到B2CCD圖像敦煌場區應有的平均DC值.

1.2 待定標CCD的觀測角度和定標系數

交叉定標與場地定標一樣，都是為了建立圖像DC值與傳感器的表觀輻亮度之間的數學關系.對未在敦煌場成像的CCD2來說，要得到CCD2過敦煌場的表觀輻亮度，關鍵在于確定CCD2過敦煌場的觀測天頂角和觀測方位角.假設CCD2的CCD陣列向外擴展，分析兩臺CCD相機重疊區對應像元的位置關系可知，兩臺CCD圖像的行相互平行，CCD1圖像上敦煌場中心像元與重疊區東側對應行的像元的列數之差可以認為是CCD2圖像敦煌場中心像元與CCD2圖像東側對應行的像元列數之差.同一行的相鄰像元的觀測天頂角差值基本相同，則得到的列數差與相鄰像元的觀測天頂角差值的乘積即為CCD2圖像敦煌場中心像元與重疊區東側對應行的像元之間的觀測天頂角差.

觀測天頂角差和重疊區東側對應行的觀測天頂角之和即為CCD2圖像敦煌場的觀測天頂角.同樣的方法計算可以得到CCD2圖像敦煌場的觀測方位角.觀測天頂角和觀測方位角的計算誤差引起的表觀輻亮度變化極小，因此計算誤差可以忽略不計.

圖2 A1CCD和A2CCD的圖像線性擬合結果

利用2008年10月敦煌地面同步觀測光譜數據和BRF歷史數據，得到CCD2觀測天頂角方向的平均方向反射率，與大氣參數、觀測幾何參數代入6S輻射傳輸模型，計算得到CCD2圖像敦煌場的表觀輻亮度.結合CCD2圖像敦煌場的DC值，得到CCD2圖像的絕對輻射定標系數.也可以視已定標的CCD1為標準，將上述地面光譜數據和CCD1，CCD2的觀測幾何參數分別代入6S輻射傳輸模型，得到CCD1，CCD2的表觀輻亮度，表觀輻亮度比值是兩臺CCD之間的光譜匹配因子.結合已定標的CCD1的定標系數、兩臺CCD的DC值和光譜匹配因子，利用式（2）進行交叉定標，得到CCD2的絕對輻射定標系數.式（2）的偏移量仍采用發射前的偏移量.得到的A2CCD和B2CCD的定標系數如表1所示.

圖3 B1CCD和B2CCD的圖像線性擬合結果

式中，A為光譜匹配因子；D1和D2分別為CCD1和CCD2圖像敦煌場的DC值；a1和a2分別為CCD1和CCD2的定標系數；L01和L02分別為CCD1和CCD2的偏移量.

表1 交叉定標得到的A2CCD和B2CCD的定標系數

2 真實性檢驗

傳感器的輻射定標作為遙感數據定量化應用的關鍵和基本前提，其得到的定標系數精度直接影響后續一系列遙感產品的精度和可用性，需要通過真實性檢驗，對定標得到的表觀輻亮度進行比較、分析，評價定標系數的精度和準確度.定標系數的真實性檢驗采用兩種方法進行.一種是利用衛星過實驗場時的地面同步觀測數據和輻射傳輸計算，得到實測的表觀輻亮度，將其視為標準值，用定標系數模擬的表觀輻亮度值和標準值進行比較，實現定標系數的真實性檢驗.另一種方法是以定標精度高、光譜分布與待檢驗傳感器相近并同時成像的參考傳感器的表觀輻亮度為標準值，用待檢驗傳感器的定標系數得到的表觀輻亮度，通過光譜匹配，得到參考傳感器的表觀輻亮度模擬值，與標準值進行比較，實現定標系數的真實性檢驗.

A2CCD的定標系數的真實性檢驗采用第一種方法進行.2008年10月1日A2CCD在內蒙貢格爾實驗場上空以觀測天頂角19.04°過境.在均一平坦的貢格爾實驗場選擇500m×500m的均勻區，于9月28日、9月29日、10月1日和10月3日進行了地面光譜測量，得到各天的平均地表反射比結果.各天的平均地表反射比在400～2 500nm范圍內（除去水汽吸收帶）相對差異均小于4.8%，平均相對差異為1.3%，說明地表穩定性很好，且地表光譜測量精度高.利用9月30日的地表方向特性觀測，得到場地的BRF數據.結合A2CCD過境時的觀測幾何、10月1日的平均地表反射比和BRF數據得到A2CCD觀測幾何下場地的BRDF.利用CE318太陽光度計對大氣光學特性測量，并根據Langley法，計算得到衛星過境時刻550nm氣溶膠光學厚度.水汽含量則利用衛星過境時進行的氣象探空觀測來獲取.將這些實測數據輸入6S輻射傳輸模型得到的表觀輻亮度作為標準值.

利用表1的A2CCD定標系數和10月1日A2CCD圖像貢格爾實驗場的平均DC值，得到貢格爾實驗場的表觀輻亮度模擬值，模擬值與標準值比較結果如圖4所示.可以看出，表觀輻亮度模擬值與標準值很接近，具有很好的一致性，相對差異分別為0.83%，－4.25%，－1.91%和0.90%.檢驗結果表明：基于圖像模擬的交叉定標方法得到的A2CCD的定標系數具有較高的精度和可靠性.

圖4 表觀輻亮度模擬值與標準值

B2CCD的定標系數的真實性檢驗采用第2種方法進行.由于MODIS重復周期很短，數據免費共享，星上定標系統很完善，輻亮度定標精度高達5%［8］，且MODIS與CCD相機相應波段的光譜分布范圍相差不太大（表2），光譜分布帶來的微小差異可以通過光譜匹配來消除.因此，選擇MODIS作為參考傳感器.

表2 B2CCD和MODIS對應波段的光譜分布

2008年10月10日和10月29日，B2CCD和MODIS均在敦煌場上空過境，觀測幾何如表3所示.

表3 B2CCD和MODIS的觀測幾何

利用MODIS圖像提供的敦煌場的平均表觀輻亮度作為當天的標準值.在同一天的B2CCD圖像上提取敦煌場的平均DC值，結合表1的定標系數得到B2CCD圖像敦煌場的表觀輻亮度，以敦煌場野外實驗數據經過輻射傳輸計算得到的B2CCD和MODIS觀測角度下的表觀輻亮度比值作為光譜匹配因子進行光譜匹配，模擬得到MODIS圖像的表觀輻亮度.MODIS圖像的表觀輻亮度模擬值與標準值比較結果如圖5所示.可以看出，得到的MODIS圖像的表觀輻亮度模擬與標準值很接近，相對差異在±5%以內.如果地表的BRDF數據的精度提高，光譜匹配的誤差就會更小一些，表觀輻亮度的相對差異會更小些.

圖5 MODIS表觀輻亮度模擬值與標準值

3 影響因素分析

基于圖像模擬的交叉定標方法中，同一HJ-1星上的兩臺CCD同時成像，大氣和地表特性都未改變，因此不存在大氣和地表特性差異的影響，影響精度的因素主要是觀測幾何和地表反射率、已定標的CCD的定標精度、待定標的CCD圖像實驗場的DC值.觀測幾何引起的4個波段的表觀輻亮度的誤差均不超過0.5%，可以忽略.地表反射率的影響包括地表反射率的變化和方向特性兩個方面.兩臺CCD對同一個地面的觀測幾何比較接近，且對應波段光譜響應非常接近，地表反射率和BRDF因子不會相差很多，對交叉定標的影響也很小.已定標的CCD的定標精度是待定標的CCD的起始定標精度.待定標的CCD圖像實驗場的DC值主要取決于兩臺CCD圖像的重疊區DC值的線性擬合關系，重疊區內選取的范圍越大，擬合的線性關系越好，得到的結果更理想.因此，DC值的擬合關系和已定標的CCD的定標精度是這種方法的主要誤差，其中已定標的CCD的定標精度是提高這種方法的精度的關鍵.

4 結 論

本文以HJ-1星CCD相機為例，提出了基于圖像模擬的交叉定標方法，根據本文研究成果，得到以下結論.

1）在同一衛星上已定標的CCD獲取敦煌場圖像、而未定標的CCD未獲取敦煌場圖像時，以已定標的CCD為參考，通過兩臺CCD圖像重疊區DC值的擬合，并以敦煌場為地面目標，實現兩個傳感器之間的交叉定標，得到2008年10月A2CCD和B2CCD的定標系數.

2）以貢格爾實驗場實測數據和敦煌場的MODIS數據為標準，對交叉定標系數進行真實性檢驗，檢驗結果表明：表觀輻亮度的相對誤差均在±5%以內，證明這種方法得到的的定標系數具有較高的精度和可信度.這種方法在保證定標精度的同時，利于增加定標的頻次，對于提高HJ-1星CCD相機的定量應用有一定的實用意義.

3）分析了基于圖像模擬的交叉定標方法的影響因素，DC值的擬合關系、已定標的CCD的定標精度是主要誤差源，而地表方向特性對這種定標方法的影響很小.

（References）

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