高分六號(hào)衛(wèi)星的交叉輻射定標(biāo)研究

紀(jì) 睿 謝 勇,2* 余 濤 陳雪薇 邵 雯

1(南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 江蘇 南京 210044) 2(遙感衛(wèi)星應(yīng)用國家工程實(shí)驗(yàn)室南京研究中心 江蘇 南京 210044) 3(中國科學(xué)院遙感與數(shù)字研究所 北京 100101) 4(南京信息工程大學(xué)電子與信息學(xué)院 江蘇 南京 210044)

0 引 言

高分六號(hào)(GF6)衛(wèi)星是我國發(fā)射的首顆精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)觀測(cè)衛(wèi)星[1]，具備高分辨率、寬覆蓋成像的特點(diǎn)，與2013年發(fā)射的高分一號(hào)(GF1)衛(wèi)星完成組網(wǎng)運(yùn)行后，使高分遙感數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率從4天縮短到2天。GF6衛(wèi)星發(fā)射至今已有一年半時(shí)間，作為一顆新衛(wèi)星，其輻射性能的變化值得我們注意，通過在軌輻射定標(biāo)可以及時(shí)得到高分六號(hào)衛(wèi)星在軌傳感器的輻射性能，進(jìn)而對(duì)已有的定標(biāo)算法進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，為提高遙感數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性提供支持。

目前，國內(nèi)外常用的衛(wèi)星傳感器的在軌輻射定標(biāo)主要是場(chǎng)地定標(biāo)和交叉定標(biāo)。場(chǎng)地定標(biāo)是通過投入大量時(shí)間、金錢來獲取大量的同步數(shù)據(jù)測(cè)量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定標(biāo)的效果，定標(biāo)時(shí)容易受到定標(biāo)場(chǎng)地和天氣變化的影響并且定標(biāo)所消耗的人力、物力也非常大，不能提供足夠數(shù)據(jù)，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)傳感器自身的衰減?，F(xiàn)階段，高分系列衛(wèi)星每年只展開一次場(chǎng)地定標(biāo)。較少的輻射定標(biāo)頻次和定標(biāo)過程中產(chǎn)生的誤差，導(dǎo)致高分系列衛(wèi)星輻射定標(biāo)精度較低[2]。利用高輻射基準(zhǔn)的衛(wèi)星傳感器對(duì)相對(duì)輻射性能差的衛(wèi)星傳感器進(jìn)行交叉輻射定標(biāo)校正是較好地提高輻射定標(biāo)精度的方法。丁闖等[3]用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)GF1/WFV進(jìn)行交叉輻射定標(biāo)研究，得到了4個(gè)波段的定標(biāo)系數(shù)，與官方定標(biāo)系數(shù)精度相近，可滿足定量化需求。本文根據(jù)GF6衛(wèi)星的特點(diǎn)選取高輻射性能的中分辨率成像光譜儀(MODIS)作為參考分別使用單場(chǎng)地和多場(chǎng)地交叉定標(biāo)法對(duì)高分六號(hào)衛(wèi)星的寬覆蓋多光譜相機(jī)進(jìn)行交叉定標(biāo)的研究，全面地了解GF6/WFV傳感器在軌運(yùn)行的輻射特性。

1 基于MDOIS和GF6的交叉輻射定標(biāo)

1.1 定標(biāo)原理

交叉定標(biāo)方法的主要原理是利用相同光譜響應(yīng)函數(shù)的高精度衛(wèi)星傳感器來標(biāo)定待定標(biāo)衛(wèi)星傳感器的一個(gè)過程(主要流程如圖1所示)[4]。交叉定標(biāo)方法不需要場(chǎng)地定標(biāo)那樣精確的數(shù)據(jù)測(cè)量，進(jìn)行定標(biāo)研究時(shí)頻率比較高、成本比較低，是當(dāng)前常用的定標(biāo)方法之一。而且，交叉輻射定標(biāo)方法可以對(duì)歷史影像進(jìn)行再定標(biāo)，分析傳感器輻射性能的長期變化情況[5]。在進(jìn)行交叉定標(biāo)時(shí)，MODIS和GF6/WFV的表觀輻射亮度如下：

(1)

(2)

1.2 光譜匹配

在開展MODIS[6]和GF6交叉輻射定標(biāo)前，由于兩顆衛(wèi)星在不同條件下成像，為了能夠縮小因成像條件不同而產(chǎn)生的誤差，要對(duì)兩顆衛(wèi)星進(jìn)行光譜匹配。光譜響應(yīng)函數(shù)如圖2所示。

GF6衛(wèi)星WFV相機(jī)與Terra衛(wèi)星MODIS[7]相機(jī)光譜響應(yīng)函數(shù)擬合較為接近，但不完全對(duì)應(yīng)。因此需要校正光譜特性不一致產(chǎn)生的輻射定標(biāo)誤差。利用衛(wèi)星傳感器的光譜特性，計(jì)算衛(wèi)星傳感器在第i波段處的入瞳處等效表觀輻亮度[8]。

(3)

式中：λi是衛(wèi)星傳感器第i波段的有效波長；Re(λi)為衛(wèi)星傳感器第i波段的等效輻亮度；fi(λ)是衛(wèi)星傳感器第i波段的光譜響應(yīng)函數(shù)；Ri(λ)是衛(wèi)星傳感器第i波段的表觀輻亮度。

1.3 幾何校正

光譜匹配后由于傳感器響應(yīng)特性、地球表面曲率、地球自轉(zhuǎn)及其他隨機(jī)因素影響，導(dǎo)致圖像模糊失真，使得衛(wèi)星傳感器成像會(huì)產(chǎn)生幾何畸變。因此均需要通過空間幾何匹配來進(jìn)行校正[9]。本文使用(Rational Polynomial Coefficient)有理函數(shù)模型結(jié)合2019年9月在敦煌實(shí)測(cè)的GCP(Ground Control Point)數(shù)據(jù)對(duì)GF6/WFV數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，GF6/WFV數(shù)據(jù)從資源衛(wèi)星應(yīng)用中心獲得，解壓前9.9 GB，解壓后約20 GB,空間分辨率為16 m。再加入實(shí)測(cè)GCP數(shù)據(jù)的幾何校正時(shí)間為36 min，校正后的圖像如圖3所示。

1.4 尺度轉(zhuǎn)換

幾何校正后為了提高交叉定標(biāo)結(jié)果的精度，將待定標(biāo)的GF6/WFV傳感器的空間分辨率轉(zhuǎn)換成MODIS傳感器的空間分辨率。比較最近鄰法、雙線性插值法、二維三次內(nèi)插卷積法后[10]。發(fā)現(xiàn)使用最近鄰法處理的速度快，但處理后的影像不夠平滑。雙線性插值法相較于最近鄰法更加光滑，但會(huì)丟失一些特征。用二維三次卷積法對(duì)圖像進(jìn)行處理時(shí)，處理結(jié)果較光滑，效果也較好[11]。因此本文選取二維三次內(nèi)插卷積法進(jìn)行重采樣。

1.5 特征點(diǎn)匹配

尺度轉(zhuǎn)換后為了能夠減少因特征點(diǎn)匹配造成的定標(biāo)誤差，本文選用Sift算法[12]提取GF6/WFV和MODIS的圖像特征點(diǎn)，結(jié)合MATLAB算法處理軟件，進(jìn)行兩顆衛(wèi)星影像配準(zhǔn)。此外，由于高分衛(wèi)星影像幅寬較大，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)量較大，若全景進(jìn)行特征點(diǎn)匹配耗時(shí)較長，本文僅需對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行配準(zhǔn)即可。圖4是敦煌地區(qū)衛(wèi)星影像特征點(diǎn)初步提取的圖。圖5是誤差剔除后的衛(wèi)星影像配準(zhǔn)圖。部分代碼如下。

%參數(shù)設(shè)置

intervals=3;

%每階層數(shù)

scl=1.5;

dist_ratio=0.8;

octaves1=floor(log(min(size(im1)))/log(2)-2);

%階數(shù)

octaves2=floor(log(min(size(im2)))/log(2)-2);

object_mask1=ones(size(im1));

%掩模

object_mask2=ones(size(im2));

contrast_threshold=0.02;

%去除低對(duì)比度特征點(diǎn)閾值大小

curvature_threshold=10;

%去除邊緣特征點(diǎn)閾值大小

interactive=2;

%迭代次數(shù)

2 定標(biāo)研究的實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 參考傳感器的介紹

中分辨率成像光譜儀MODIS憑借自帶星上定標(biāo)系統(tǒng)，精度高達(dá)2%且光譜輻射范圍較廣，因此被眾多中高分辨率衛(wèi)星傳感器作為參考傳感器輻射定標(biāo)研究。本文選取的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品為MOD22HKM，數(shù)據(jù)從NASA官網(wǎng)進(jìn)行下載，大小為143 MB,空間分辨率1-2波段為250 m,3-4波段為500 m,具體參數(shù)如表1所示。

表1 GF-6、MODIS衛(wèi)星波段和性能介紹

2.2 研究區(qū)

開展交叉定標(biāo)的基礎(chǔ)和前提是選取合理的研究區(qū)，在以往的交叉定標(biāo)方法中，大多數(shù)選擇單一的定標(biāo)場(chǎng)作為定標(biāo)區(qū)域，其反射率比較單一，對(duì)定標(biāo)精度有一定的影響。因此本文對(duì)研究區(qū)域選擇遵循以下規(guī)則：(1) 定標(biāo)區(qū)域的地表特性具有穩(wěn)定性；(2) 表觀輻亮度全年的變化不大具有時(shí)間穩(wěn)定性；(3) 定標(biāo)區(qū)域的天氣晴朗無云，且全年降雨量低。

本文對(duì)高分六號(hào)進(jìn)行多場(chǎng)地交叉定標(biāo)，選擇了敦煌輻射校正場(chǎng)、青海湖、塔克拉瑪干沙漠作為研究區(qū)域。國內(nèi)多場(chǎng)地反射率如圖6所示。

敦煌輻射校正場(chǎng)位于甘肅省敦煌市，校正場(chǎng)表面地勢(shì)均勻，由多種碎石、沙礫及少量黏土組成[13]。它的地表反射率屬于中高頻，滿足定標(biāo)要求。

塔克拉瑪干沙漠位于塔里木盆地[14]，是世界第二大流動(dòng)沙漠，它的反射率較高，場(chǎng)地均勻單一，適合中高頻次交叉輻射定標(biāo)的研究。

青海湖作為中國最大的內(nèi)陸湖[15]，湖面面積大，水面光譜特性穩(wěn)定，反射率較低，因此選擇青海湖作為低頻定標(biāo)區(qū)域。

通常做傳感器交叉輻射定標(biāo)時(shí)，對(duì)定標(biāo)場(chǎng)地的選擇需要一個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即非空間均勻性低于5%。本文利用GF6衛(wèi)星WFV相機(jī)的影像數(shù)據(jù)計(jì)算研究區(qū)域的非空間均勻性。計(jì)算公式如下：

(4)

式中：UN為空間非均勻性；stedv為評(píng)價(jià)區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)偏差值；Mean為定標(biāo)區(qū)域灰度值的平均值[7]。

表2 國內(nèi)定標(biāo)場(chǎng)地及其非均勻值

2.3 數(shù)據(jù)選取

在開展交叉輻射定標(biāo)之前，首先要選取MODIS相機(jī)與GF-6/WFV相機(jī)的有效影像對(duì)，篩選條件包括：(1) 衛(wèi)星過境時(shí)，要求時(shí)間間隔小于1 h且輻射校正場(chǎng)上方無云；(2) 所選區(qū)域在影像的中心區(qū)域[11]。本文選取敦煌輻射校正場(chǎng)、青海湖、塔克拉瑪干沙漠2019年07月14日12:53:00影像，Terra/MODIS衛(wèi)星成像時(shí)間是2019年07月14日05:10:00，Terra/MODIS采用的是協(xié)調(diào)世界時(shí)(Universal Time Coordinated)，GF6衛(wèi)星則采用北京時(shí)間，所以兩幅影像的相差時(shí)間為17 min。衛(wèi)星影像時(shí)間如表3所示。

2.4 結(jié)果與分析

圖7、圖8是GF6/WFV數(shù)據(jù)分別基于MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行單場(chǎng)地和多場(chǎng)地交叉定標(biāo)的擬合結(jié)果，其中：x軸表示GF6的DN值；y軸表示MODIS和GF6的等效表觀輻射亮度值。圖7選擇了敦煌輻射校正場(chǎng)作為單場(chǎng)地定標(biāo)場(chǎng)地，一共選擇39個(gè)點(diǎn)，其中：R為決定系數(shù)，其越高擬合效果越好；N為擬合點(diǎn)數(shù)。依據(jù)式(1)、式(2)和式(4)計(jì)算出MODIS和GF6/WFV傳感器的等效表觀輻亮度、增益和偏移。圖8是GF6/WFV數(shù)據(jù)和MODIS數(shù)據(jù)基于敦煌輻射校正場(chǎng)、塔克拉瑪干沙漠、青海湖的多場(chǎng)地交叉定標(biāo)結(jié)果，一共在三塊定標(biāo)區(qū)域選取了109個(gè)點(diǎn)，其定標(biāo)系數(shù)及獲得的不確定度如表4所示。

表4 GF6與MODIS交叉定標(biāo)結(jié)果與不確定度

根據(jù)圖7的擬合曲線可以看出只針對(duì)敦煌輻射校正場(chǎng)進(jìn)行單場(chǎng)地交叉定標(biāo)的時(shí)候，波段的定標(biāo)系數(shù)分別是0.075 0、0.055 3、0.050 1、0.031 4，將得到的定標(biāo)系數(shù)和中國資源衛(wèi)星公布的2019年GF6/WFV官方定標(biāo)系數(shù)相比較，從表4可以得到4個(gè)波段的不確定度分別為3.88%、4.00%、3.84%和3.59%，都不超過4.00%，證明了用等效表觀輻亮度代替表觀輻亮度和加入實(shí)測(cè)GCP點(diǎn)對(duì)幾何校正的交叉定標(biāo)方法進(jìn)行GF6/WFV定標(biāo)的可靠性和準(zhǔn)確性。根據(jù)GF6/WFV的成像特點(diǎn)，在相同時(shí)間的基礎(chǔ)上，選取了敦煌輻射校正場(chǎng)、青海湖、塔克拉瑪干沙漠等多塊定標(biāo)場(chǎng)地進(jìn)行多場(chǎng)地交叉定標(biāo)的研究。

多場(chǎng)地交叉定標(biāo)的結(jié)果如圖8所示，4個(gè)波段的擬合程度分別為：0.998、0.993、0.997和0.998，擬合程度十分接近1，相較于7的單場(chǎng)地交叉定標(biāo)法的擬合效果要更好。將圖8擬合得到的定標(biāo)系數(shù)與官方定標(biāo)系數(shù)相比較，從表4可以得到多場(chǎng)地定標(biāo)的4個(gè)波段的不確定度為1.94%、1.91%、1.92%和2.77%，都在3%以內(nèi)，并且每個(gè)波段的定標(biāo)結(jié)果都比單場(chǎng)地定標(biāo)的結(jié)果更好，體現(xiàn)出多場(chǎng)地定標(biāo)法在進(jìn)行交叉定標(biāo)時(shí)精度更高，擬合效果更好。

3 結(jié) 語

GF6衛(wèi)星發(fā)射于2018年，是高分專項(xiàng)工程的一顆重要衛(wèi)星，本文分析GF6/WFV傳感器后對(duì)其進(jìn)行交叉定標(biāo)的研究，采用國際上具有高輻射基準(zhǔn)的MODIS數(shù)據(jù)對(duì)GF6/WFV數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉定標(biāo)研究，分別采用單場(chǎng)地和多場(chǎng)地交叉定標(biāo)對(duì)其進(jìn)行交叉定標(biāo)研究，獲得GF6/WFV四個(gè)波段的定標(biāo)系數(shù)。結(jié)果表明：

(1) GF6/WFV基于MODIS的交叉定標(biāo)的單場(chǎng)地交叉定標(biāo)和多場(chǎng)地交叉定標(biāo)的誤差都在4%以內(nèi)，說明了用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)GF6衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)的準(zhǔn)確性較高。

(2) 多場(chǎng)地交叉定標(biāo)的擬合程度更好，不確定度更低說明多場(chǎng)地交叉定標(biāo)比單場(chǎng)地交叉定標(biāo)更好，更值得我們研究和探討。

(3) MODIS數(shù)據(jù)的幅寬達(dá)到2 330 km，GF6/WFV數(shù)據(jù)幅寬超過800 km，兩個(gè)傳感器的幅寬都比較大，時(shí)間分辨率MODIS為1天，GF6/WFV為4天，兩個(gè)傳感器符合定標(biāo)條件的數(shù)據(jù)多，可以做GF6/WFV基于MODIS的時(shí)間序列定標(biāo)來及時(shí)反映GF6輻射性能的變化。

(4) 丁闖等曾用此算法對(duì)高分1號(hào)、高分4號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行交叉定標(biāo)研究，得到了很好的效果，本文在原算法前提下增加了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)RPC校正，也非常適用于高分六號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行交叉定標(biāo)的研究。未來將繼續(xù)研究爭(zhēng)取滿足所有高分辨率衛(wèi)星交叉定標(biāo)。