遙感影像不同校正模型對(duì)反射率的影響分析

閆長(zhǎng)位，賈智樂(lè)，許 強(qiáng)

（1.河南省沙潁河流域管理局，河南 漯河 462000；2.河南省水利勘測(cè)有限公司，河南 鄭州 450003）

近些年來(lái)，多光譜、高光譜的輕小型傳感器的研發(fā)，使得無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獲取的局限性獲得突破。本文利用飛馬D200四旋翼無(wú)人機(jī)攜帶有兩軸增穩(wěn)云臺(tái)的D-MSPC100五波段（藍(lán)、綠、紅、紅邊、近紅外）多光譜相機(jī)，根據(jù)在鄭州郊區(qū)開(kāi)展的無(wú)人機(jī)遙感綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用嚴(yán)格成像模型和多項(xiàng)式模型對(duì)影像進(jìn)行了幾何校正，經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)、大氣校正反演得到地表反射率，利用地面實(shí)測(cè)控制點(diǎn)檢核了各模型幾何校正的精度，用地面實(shí)測(cè)的反射率對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)比了2種模型反射率結(jié)果之間的差異。驗(yàn)證結(jié)果為基于無(wú)人機(jī)開(kāi)展地表參量的定量反演研究提供 借鑒[1-3]。

1 幾何與輻射校正模型

為了盡可能有效準(zhǔn)確地提取圖像信息，需要對(duì)遙感圖像的幾何變形進(jìn)行校正。幾何校正中的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是地理參考的過(guò)程，即將圖像與地圖坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。因此要有效地使用遙感影像，首先要建立有效的成像模型，以正確的描述物方空間坐標(biāo)與圖像平面像點(diǎn)坐標(biāo)之間的幾何關(guān)系。Okamoto和Vincent等將遙感影像的傳感器模型分為兩大類，物理模型和通用模型[5-6]。本文的研究中主要探討了嚴(yán)格成像模型和多項(xiàng)式校正模型對(duì)反射率反演的影響。

開(kāi)展定量遙感研究的首要前提是輻射定標(biāo)和大氣校正，輻射定標(biāo)主要是指將傳感器觀測(cè)到的數(shù)值轉(zhuǎn)化成物理量的過(guò)程[7]。從遙感圖像獲得地表反射率的過(guò)程通常叫做光學(xué)遙感的大氣糾正，其目的是去除大氣效應(yīng)的影響，準(zhǔn)確提取地表信息[8]。為了準(zhǔn)確快速的進(jìn)行大氣糾正，目前的大部分方法是根據(jù)輻射傳輸模型，計(jì)算得到TOA值，建立查找表。6S輻射傳輸模型對(duì)不同傳感器和不同地面狀況下，太陽(yáng)光在地面目標(biāo)傳感器整個(gè)傳輸路徑中所受的大氣影響進(jìn)行了描述，通過(guò)輸入相應(yīng)的參數(shù)，即可求得地面反射率。本文研究中采用6S輻射傳輸模型進(jìn)行大氣校正，對(duì)于無(wú)人機(jī)遙感的大氣校正，由于飛行高度通常在1km以下，可根據(jù)氣溶膠的消光系數(shù)廓線確定飛行高度層以下氣溶膠的光學(xué)厚度。

2 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于鄭州市郊區(qū)，場(chǎng)地地勢(shì)開(kāi)闊平坦，無(wú)遮擋，傾斜度小于5度。場(chǎng)地地表覆蓋類型多樣，包括植被、水體、道路和建筑等地類。使用的無(wú)人機(jī)是飛馬D200四旋翼無(wú)人機(jī)，它具有操作簡(jiǎn)單，飛行速度穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎半徑小，飛行高度穩(wěn)定，飛機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。此次飛行搭載帶有兩軸增穩(wěn)云臺(tái)的D-MSPC100五波段（藍(lán)、綠、紅、紅邊、近紅外）多光譜相機(jī)（如圖1所示）此次實(shí)驗(yàn)為綜合性無(wú)人機(jī)遙感實(shí)驗(yàn)，同步開(kāi)展了地面控制點(diǎn)測(cè)量、地表反射率測(cè)量、地基CE318測(cè)量等。其地面同步地物光譜測(cè)量采用美國(guó) ASD 公司的Field Spec FR 便攜式野外地物光譜儀和標(biāo)準(zhǔn)漫反射參考板。為保證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能夠反映測(cè)區(qū)地物的反射特性，在整個(gè)測(cè)區(qū)針對(duì)各典型地物，采用多點(diǎn)測(cè)量統(tǒng)計(jì)平均的方法獲取反射率值。根據(jù)需要，選取植被、水體、裸土3種典型下墊面類型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如圖2所示。

圖1 D-MSPC100相機(jī)

圖2 實(shí)測(cè)反射率

3 結(jié)果與分析

選取第六航帶上5個(gè)波段中的藍(lán)、綠、紅、近紅外4個(gè)波段圖像為例，采用基于POS提供的外方位元素構(gòu)建共線方程式模型和采用地面控制點(diǎn)構(gòu)建三次多項(xiàng)式模型進(jìn)行圖像的幾何糾正，采用最近鄰插值、雙線性插值和三次卷積進(jìn)行了重采樣，對(duì)比了3種采樣方式對(duì)結(jié)果的影響。選取以雙線性插值為采樣方式的兩個(gè)模型校正結(jié)果，以地面實(shí)測(cè)控制點(diǎn)為檢查點(diǎn)，驗(yàn)證幾何糾正的精度。然后對(duì)幾何糾正結(jié)果進(jìn)行輻射校正，反演地表反射率，利用實(shí)測(cè)地表反射率進(jìn)行驗(yàn)證，得到其相對(duì)差異，如圖3～5所示。

圖3 原始影像

3.1 幾何校正結(jié)果

采用反解法微分糾正對(duì)圖像進(jìn)行校正，分別采用了最近鄰法、雙線性法、三次卷積法進(jìn)行重采樣，對(duì)各方法的插值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。張周威[9]等對(duì)最近鄰插值、雙線性插值和三次卷積等3種重采樣方法對(duì)重采樣后的遙感影像質(zhì)量進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，最近鄰與雙線性之間的相對(duì)差異為2% ，雙線性與三次卷積的相對(duì)差異為0.2%，最近鄰與三次卷積的相對(duì)差異為2.3%。雖然不同的影像、不同的地形會(huì)對(duì)重采樣的結(jié)果產(chǎn)生不同的影響，但考慮到雙線性差值的相對(duì)精度較高，因此，下文的糾正精度與反演結(jié)果對(duì)比分析以雙線性插值結(jié)果為例。

從表1可以看出，三次多項(xiàng)式糾正模型精度高于共線方程，三次多項(xiàng)式的糾正精度均方根誤差滿足 3個(gè)像元，而共線方程式的誤差近10個(gè)像元。產(chǎn)生該問(wèn)題的原因主要是由于無(wú)人機(jī)機(jī)載POS數(shù)據(jù)的精度不高，由外方位元素引入的誤差較大，而且測(cè)區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，適用于多項(xiàng)式模型，采用3次多項(xiàng)式使得殘差最小，因此可以產(chǎn)生較好的校正效果。但要注意的是，多項(xiàng)式校正時(shí)，需要選取大量的控制點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理時(shí)間上高于共線方程式。且當(dāng)?shù)匦纹鸱兓^大時(shí)，多項(xiàng)式模型校正對(duì)局部地形處理效果不佳。

表1 幾何校正精度

圖4 共線方程式校正結(jié)果

圖5 三次多項(xiàng)式校正結(jié)果

3.2 反射率結(jié)果

分別在2種幾何校正的結(jié)果上進(jìn)行輻射校正，得到地表反射率圖像。在反射率圖像內(nèi)選取多處典型地物（水體、植被、裸土）作為樣本數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)其反射率平均值。圖6為實(shí)測(cè)和基于2種幾何校正模型得到的地表反射率，橫坐標(biāo)軸的1、2、3、4分別代表藍(lán)波段、綠波段、紅波段和近紅外波段。從結(jié)果來(lái)看，經(jīng)大氣校正后得到的地表反射率與實(shí)測(cè)反射率結(jié)果一致。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，水體的多項(xiàng)式模型反演結(jié)果與實(shí)測(cè)反射率平均差異為3.3%，共線方程模型反演結(jié)果與實(shí)測(cè)反射率平均差異為3.3%，兩模型之間差異為0；植被的多項(xiàng)式模型反演結(jié)果與實(shí)測(cè)反射率平均差異為1.9%，共線方程模型反演結(jié)果與實(shí)測(cè)反射率平均差異為2.2%，兩模型之間差異為0.2%；裸土的多項(xiàng)式模型反演結(jié)果與實(shí)測(cè)反射率平均差異為3.8%，共線方程模型反演結(jié)果與實(shí)測(cè)反射率平均差異為3.9%，兩模型之間差異為0.1%。

圖6 地表反射率

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)人機(jī)的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了幾何與輻射校正處理，分析對(duì)比了2種幾何校正模型及其對(duì)地表反射率的影響。

1）無(wú)人機(jī)的影像處理可以采用不同的幾何校正模型進(jìn)行校正，嚴(yán)格成像模型受機(jī)載POS提供的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)影響，每幅影像有對(duì)應(yīng)的POS數(shù)據(jù)，校正速度快，能以POS數(shù)據(jù)為初值，通過(guò)多次迭代的方式提高校正的精度。多項(xiàng)式受地形以及控制點(diǎn)數(shù)量及分布的影響，每幅影像需要通過(guò)配準(zhǔn)提取控制點(diǎn)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，且控制點(diǎn)數(shù)量較少或分布不均時(shí)對(duì)校正結(jié)果影響很大。因此，在應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際條件選擇數(shù)據(jù)幾何處理的方法。

2）經(jīng)過(guò)大氣校正后得到的地表反射率，用實(shí)測(cè)反射率進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了用無(wú)人機(jī)開(kāi)展定量遙感研究的可行性，同時(shí)從反演結(jié)果可以看出，低空無(wú)人機(jī)遙感受大氣影響較小，得到的反射率結(jié)果與地面實(shí)測(cè)結(jié)果一致性更好，充分體現(xiàn)了無(wú)人機(jī)可云下作業(yè)、高分辨率的特點(diǎn)。

3）通過(guò)對(duì)比分析無(wú)人機(jī)高分辨率影像2種校正模型的反射率反演結(jié)果，驗(yàn)證了不同幾何校正模型的選取對(duì)天底觀測(cè)下反射率的反演結(jié)果的影響，整體來(lái)看，主要與其定位精度有關(guān)，對(duì)反射率的影響較小，可以忽略。