嫦娥一號干涉成像光譜(IIM)數(shù)據(jù)再處理研究*

李忠興 徐天弈 盧 瑜 吳昀昭

(1 中國科學院紫金山天文臺南京210023)

(2 中國科學技術(shù)大學天文與空間科學學院合肥230026)

(3 澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室澳門999078)

1 引言

2007年10月24日, 我國自主研制的嫦娥一號衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射, 開啟了我國月球探測的新征程[1]. 嫦娥一號在軌運行495 d, 獲得了海量的科學數(shù)據(jù), 中國科學家利用嫦娥一號獲得的數(shù)據(jù)開展了大量的研究工作, 取得了豐碩的成果[2]. 嫦娥一號衛(wèi)星有4大科學目標, 分別是獲取月球表面三維立體影像、分析月表元素含量和物質(zhì)類型的分布、探測月壤特性、探測地月空間環(huán)境[3], 其中獲取月表物質(zhì)成分需要依靠搭載的干涉成像光譜儀(Interference Imaging Spectrometer,IIM)來實現(xiàn).

嫦娥一號搭載的干涉成像光譜儀能夠在二維空間獲取月表連續(xù)光譜, 具有圖譜合一的特點[4].IIM數(shù)據(jù)可以反演月表元素含量[5–8], 加深對于月球的認識. 然而CCD (Charge-Coupled Device)各探測單元的響應(yīng)不一致, 導(dǎo)致光譜的灰度值不均勻性變化, 在圖像上呈現(xiàn)出左右色調(diào)不均一的現(xiàn)象,稱之為平場效應(yīng)[4,9]. 圖1展示了不同地區(qū)、不同類型和不同反射率的光譜圖像, 都呈現(xiàn)出色調(diào)不均一的現(xiàn)象. 理想情況下, CCD傳感器對不同強度的入射光呈現(xiàn)線性響應(yīng), 但由于光照不均勻、傳感器成像器件非均勻?qū)е聦θ肷涔獾木€性響應(yīng)度不一致[10]. 平場效應(yīng)會導(dǎo)致基于不同地物的光譜特征反演出現(xiàn)多解性, 因此有必要對其進行校正[11–12].對于地面遙感數(shù)據(jù)可以通過實驗室定標獲取不同探元的響應(yīng)參數(shù)來實現(xiàn)平場校正, 但是該方法對于月球遙感數(shù)據(jù)無法適用. Wu等人通過選取月表成分均一、地形平坦、撞擊坑較少地區(qū)光譜數(shù)據(jù)的平均值作為標準線[13], 通過標準線求得校正因子實現(xiàn)平場校正. 凌宗成等人認為圖像色調(diào)的不一致是CCD響應(yīng)不均一直接對輻亮度產(chǎn)生變化導(dǎo)致的[14], 通過選取月表不同軌道成分均一、光譜響應(yīng)度較好數(shù)據(jù)的平均值得到多條標準線, 平滑標準線噪音并求得校正因子實現(xiàn)輻亮度校正. 然而由于IIM數(shù)據(jù)很多地方曝光過度, 加上月表撞擊坑過多, 部分數(shù)據(jù)損壞, 很難找到成分均一的地區(qū).

圖1 IIM B31 (918 nm)、B24 (757 nm)、B15 (618 nm) RGB假彩色合成圖像(軌道號分別為2248、2335、2666、2975)Fig.1 IIM B31 (918 nm), B24 (757 nm), B15 (618 nm) RGB false color image (The orbits are 2248, 2335, 2666, 2975)

本文在前人研究的基礎(chǔ)上, 通過人工選取數(shù)據(jù), 避開了撞擊坑和曝光過度的地區(qū), 保證了數(shù)據(jù)的完好性. 同時選取太陽矢量與衛(wèi)星軌道面夾角β對稱的軌道數(shù)據(jù), 消除了太陽光的影響. 通過選取大量包含豐富信息的光譜數(shù)據(jù)對IIM平場效應(yīng)問題進行處理,以提高IIM數(shù)據(jù)的可用性,方便后續(xù)進一步的研究.

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)介紹

IIM采用基于面陣推掃式的Sagnac干涉型成像光譜儀方案, 與傳統(tǒng)色散型成像光譜儀相比, 具有能量利用率高、采樣超連續(xù)、數(shù)據(jù)量低、空間穩(wěn)定性高以及光譜不受衛(wèi)星姿態(tài)影響等優(yōu)勢[15]. IIM高光譜數(shù)據(jù)覆蓋了月球南北緯70°之間大約84%的區(qū)域, 其單軌成像寬度為25.6 km, 成像高度為200 km, 空間分辨率為200 m, 在480–960 nm范圍內(nèi)有32個波段[16]. 在32個波段中, 有一些波段異?；蛘咝旁氡冗^低[17], 不利于后續(xù)研究, 通過篩選最終去除1–5和32波段, 保留信噪比較高的26個波段用于研究. 圖2是IIM數(shù)據(jù)覆蓋位置示意圖.

圖2 IIM全部706軌覆蓋位置示意圖(基底圖是Lunar Reconnaissance Orbiter Camera (LROC) Wide Angle Camera (WAC)數(shù)據(jù). N、S、E、W分別是北緯、南緯、東經(jīng)、西經(jīng))Fig.2 Schematic diagram of the locations of all 706 orbits of IIM (the base map is the data of LROC WAC. N, S, E and W are north latitude, south latitude, east longitude and west longitude respectively

2.2 數(shù)據(jù)選取

β角反映了干涉成像光譜儀成像時太陽光與儀器的相對位置關(guān)系[18]. 為了消除太陽光對本次結(jié)果的影響, 選取β角對稱的軌道. 圖3是IIM數(shù)據(jù)軌道β角的絕對值, 從其中選取若干軌道用于本次研究.相角是入射光線與反射光線的夾角, 為了確保圖像的色調(diào)不均一是由傳感器引起的, 在選取數(shù)據(jù)的時候也應(yīng)該保證相角盡量一致, 表1是選取的部分軌道數(shù)據(jù)信息.

圖3 IIM軌道β角的絕對值Fig.3 The absolute value of β angle of IIM orbits

表1 選取的部分軌道數(shù)據(jù)信息Table 1 Data information of selected orbits

為了使選取的數(shù)據(jù)為均一平坦的地區(qū), 需要盡量避開曝光過度地區(qū)、濺射線和大型撞擊坑的影響. 因此需要對選取的所有數(shù)據(jù)進行篩選, 去掉不符要求的數(shù)據(jù), 提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量. 通過對選取數(shù)據(jù)的每一軌做平均行, 去掉平均行不是單調(diào)變化的數(shù)據(jù), 結(jié)合地形保留合理的數(shù)據(jù). 圖4是選取的部分軌道數(shù)據(jù)平均行的反射率.

圖4 選取的部分軌道數(shù)據(jù)平均行的反射率Fig.4 Reflectance of the average lines of selected orbits

2.3 平場校正

圖5是將2248軌光譜數(shù)據(jù)在每個波段的反射率歸一化得到的圖像, 可見每個波段受平場效應(yīng)的影響不同, 其中918 nm波段受平場效應(yīng)影響最大, 這是因為傳感器對長波段的量子吸收效率低. 校正平場效應(yīng)最重要的就是要將探測器的線性響應(yīng)調(diào)整到相同, 從而保證每個像素的光譜響應(yīng)一致, 本文提出了基于光譜特征的反射率歸一化方法對IIM數(shù)據(jù)進行平場校正, 具體方法如下:

圖5 IIM歸一化反射率曲線圖Fig.5 The normalized reflectance curve of IIM

(1)根據(jù)反射率將月表分為亮暗程度不一的3類, 反射率分別為0.01–0.02、0.03–0.04、0.05–0.06;

(2)對每一類選取兩萬行以上的數(shù)據(jù), 選取的時候避開撞擊坑和曝光過度的地區(qū), 保證選取數(shù)據(jù)的完好性;

(3)對每一類選取的數(shù)據(jù)求取平均行, 要有相角對稱的軌道參與求取, 從而消除太陽光的影響,得到一行128列×26波段的數(shù)據(jù);

(4)對每一類128列×26波段的數(shù)據(jù)從左到右進行歸一化處理, 得到相對反射率數(shù)據(jù), 取相對反射率的倒數(shù)即為校正因子, 將3類數(shù)據(jù)的校正因子進行平均得到平均校正因子;

(5)將IIM數(shù)據(jù)乘以平均校正因子即可實現(xiàn)平場校正.

該方法的好處在于選取的數(shù)據(jù)范圍廣, 包含反射率從高到低的數(shù)據(jù), 從而可以滿足不同像素的需求. 手工選取避開了撞擊坑和曝光過度的影響, 大量數(shù)據(jù)平均后消除了部分誤差, 相角對稱則消除了太陽光因素的干擾, 這些因素都很好地提高了平場校正的精度.

3 結(jié)果與分析

利用上述方法求得了3類校正因子, 分別作不同反射率和波段的校正因子曲線如圖6所示.圖6左圖是757 nm波段3類校正因子的曲線圖, 可以看到隨著反射率的增大, 每一列校正因子的數(shù)值更加接近1, 說明圖像受到平場效應(yīng)的影響在減小. 圖6右圖是3類校正因子的平均值在618 nm、757 nm、918 nm波段數(shù)值的曲線圖. 在行向上, 左右兩端的校正因子較大, 中間校正因子較低, 說明圖像不均一性在左右兩端最為明顯. 同時隨著波長增大, 校正因子也變大, 說明長波段受平場效應(yīng)的影響較大, 918 nm波段受影響最大.

圖6 不同波段和反射率的校正因子曲線圖Fig.6 Correction factor curve for different bands and reflectance

利用本文產(chǎn)生的校正因子對全部的IIM數(shù)據(jù)進行了校正, 圖7是IIM光譜數(shù)據(jù)平場校正后的假彩色合成圖像. 相較于圖1, 校正后的光譜圖像較好地去除了色調(diào)不均一的問題, 同時圖像條紋明顯減少,圖像更加平滑, 更趨近于真實的月表, 有利于對月表的物質(zhì)成分進行反演.

圖7 平場校正后B31 (918 nm)、B24 (757 nm)、B15 (618 nm) RGB假彩色合成圖像(軌道號分別為2248、2335、2666、2975)Fig.7 B31 (918 nm), B24 (757 nm), B15 (618 nm) RGB false color image after flat field correction (The orbits are 2248, 2335,2666, 2975)

為了驗證平場校正后的效果, 我們畫出了0230、2248、2867、4437軌在618 nm、757 nm和918 nm 3個波段平場校正前后的反射率曲線圖(圖8).這些不同軌道、不同反射率和不同地形的數(shù)據(jù)在平場校正后, 光譜反射率曲線橫向響應(yīng)變得更均一, 表明此次平場校正的效果較好, 能夠適用于月表所有地區(qū). 對于受平場效應(yīng)影響最大的918 nm波段, 分別計算了0230、2248、2867、4437軌的信噪比, 結(jié)果如表2所示, 相比于校正前, 校正后光譜的信噪比分別提升134.8%、411.4%、622.9%、306.9%, 數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯提高.

表2 校正前后918 nm波段的信噪比(SNR)Table 2 The SNR of the 918 nm band before and after correction

圖8 續(xù)Fig.8 Continued

圖8 部分軌道618 nm、757 nm、918 nm波段平場校正前后反射率曲線對比Fig.8 Comparison of reflectance curves before and after flat-field correction at the 618 nm, 757 nm, and 918 nm bands of partial orbits

定義條紋系數(shù)[19]Streakingi=.它通過評估平場校正后圖像的相鄰列均值關(guān)系來評價平場校正的精度, 其中Streakingi為平場校正后第i個探元的條紋系數(shù),Ri為平場校正后第i個探元的反射率均值. 選取2248軌和2867軌的數(shù)據(jù), 對本次研究結(jié)果和Wu等人2010年的結(jié)果[13]進行對比, 結(jié)果如圖9所示. 本次校正后圖像的條紋系數(shù)整體有明顯的減小, 說明本次校正效果更加優(yōu)化.

圖9 條紋系數(shù)對比圖Fig.9 Streak coefficient comparison

4 結(jié)論

嫦娥一號干涉成像光譜儀存在平場效應(yīng), 導(dǎo)致光譜多解性, 不利于獲取月表物質(zhì)成分. 本文提出了基于光譜特征的反射率歸一化方法對IIM數(shù)據(jù)進行平場校正, 提高了數(shù)據(jù)可用性. 我們根據(jù)反射率大小將月表分為了3類, 對每一類反射率選取大量的光譜數(shù)據(jù)求取平均行, 對平均行進行歸一化求取校正因子. 結(jié)果表明平場校正后的光譜數(shù)據(jù)很好地消除了色調(diào)的差異及光譜圖像上的暗條紋, 且能夠滿足不同地區(qū)的需求, 具有較好的適用性. 相較于校正前的數(shù)據(jù), 光譜反射率曲線也更加平滑, 波動變小. 成像光譜載荷是深空探測的重要載荷, 未來將有更多的成像光譜數(shù)據(jù)需要處理. 我們提出的平場校正方法給成像光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理提供了借鑒.