高分六號衛(wèi)星的交叉輻射定標研究

紀 睿 謝 勇,2* 余 濤 陳雪薇 邵 雯

1(南京信息工程大學地理科學學院 江蘇 南京 210044) 2(遙感衛(wèi)星應用國家工程實驗室南京研究中心 江蘇 南京 210044) 3(中國科學院遙感與數(shù)字研究所 北京 100101) 4(南京信息工程大學電子與信息學院 江蘇 南京 210044)

0 引 言

高分六號(GF6)衛(wèi)星是我國發(fā)射的首顆精準農(nóng)業(yè)觀測衛(wèi)星[1]，具備高分辨率、寬覆蓋成像的特點，與2013年發(fā)射的高分一號(GF1)衛(wèi)星完成組網(wǎng)運行后，使高分遙感數(shù)據(jù)的時間分辨率從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，通過在軌輻射定標可以及時得到高分六號衛(wèi)星在軌傳感器的輻射性能，進而對已有的定標算法進行調(diào)整和改進，為提高遙感數(shù)據(jù)分析的準確性和穩(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主要是場地定標和交叉定標。場地定標是通過投入大量時間、金錢來獲取大量的同步數(shù)據(jù)測量，從而達到準確定標的效果，定標時容易受到定標場地和天氣變化的影響并且定標所消耗的人力、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地定標。較少的輻射定標頻次和定標過程中產(chǎn)生的誤差，導致高分系列衛(wèi)星輻射定標精度較低[2]。利用高輻射基準的衛(wèi)星傳感器對相對輻射性能差的衛(wèi)星傳感器進行交叉輻射定標校正是較好地提高輻射定標精度的方法。丁闖等[3]用MODIS數(shù)據(jù)對GF1/WFV進行交叉輻射定標研究，得到了4個波段的定標系數(shù)，與官方定標系數(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地和多場地交叉定標法對高分六號衛(wèi)星的寬覆蓋多光譜相機進行交叉定標的研究，全面地了解GF6/WFV傳感器在軌運行的輻射特性。

1 基于MDOIS和GF6的交叉輻射定標

1.1 定標原理

交叉定標方法的主要原理是利用相同光譜響應函數(shù)的高精度衛(wèi)星傳感器來標定待定標衛(wèi)星傳感器的一個過程(主要流程如圖1所示)[4]。交叉定標方法不需要場地定標那樣精確的數(shù)據(jù)測量，進行定標研究時頻率比較高、成本比較低，是當前常用的定標方法之一。而且，交叉輻射定標方法可以對歷史影像進行再定標，分析傳感器輻射性能的長期變化情況[5]。在進行交叉定標時，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，要對兩顆衛(wèi)星進行光譜匹配。光譜響應函數(shù)如圖2所示。

GF6衛(wèi)星WFV相機與Terra衛(wèi)星MODIS[7]相機光譜響應函數(shù)擬合較為接近，但不完全對應。因此需要校正光譜特性不一致產(chǎn)生的輻射定標誤差。利用衛(wèi)星傳感器的光譜特性，計算衛(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特性、地球表面曲率、地球自轉(zhuǎn)及其他隨機因素影響，導致圖像模糊失真，使得衛(wèi)星傳感器成像會產(chǎn)生幾何畸變。因此均需要通過空間幾何匹配來進行校正[9]。本文使用(Rational Polynomial Coefficient)有理函數(shù)模型結(jié)合2019年9月在敦煌實測的GCP(Ground Control Point)數(shù)據(jù)對GF6/WFV數(shù)據(jù)進行幾何校正，GF6/WFV數(shù)據(jù)從資源衛(wèi)星應用中心獲得，解壓前9.9 GB，解壓后約20 GB,空間分辨率為16 m。再加入實測GCP數(shù)據(jù)的幾何校正時間為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結(jié)果的精度，將待定標的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，但會丟失一些特征。用二維三次卷積法對圖像進行處理時，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)插卷積法進行重采樣。

1.5 特征點匹配

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

%參數(shù)設置

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;

%去除低對比度特征點閾值大小

curvature_threshold=10;

%去除邊緣特征點閾值大小

interactive=2;

%迭代次數(shù)

2 定標研究的實驗與結(jié)果分析

2.1 參考傳感器的介紹

中分辨率成像光譜儀MODIS憑借自帶星上定標系統(tǒng)，精度高達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)

開展交叉定標的基礎和前提是選取合理的研究區(qū)，在以往的交叉定標方法中，大多數(shù)選擇單一的定標場作為定標區(qū)域，其反射率比較單一，對定標精度有一定的影響。因此本文對研究區(qū)域選擇遵循以下規(guī)則：(1) 定標區(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間穩(wěn)定性；(3) 定標區(qū)域的天氣晴朗無云，且全年降雨量低。

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

敦煌輻射校正場位于甘肅省敦煌市，校正場表面地勢均勻，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]，是世界第二大流動沙漠，它的反射率較高，場地均勻單一，適合中高頻次交叉輻射定標的研究。

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區(qū)域。

通常做傳感器交叉輻射定標時，對定標場地的選擇需要一個評價標準，即非空間均勻性低于5%。本文利用GF6衛(wèi)星WFV相機的影像數(shù)據(jù)計算研究區(qū)域的非空間均勻性。計算公式如下：

(4)

式中：UN為空間非均勻性；stedv為評價區(qū)域的標準偏差值；Mean為定標區(qū)域灰度值的平均值[7]。

表2 國內(nèi)定標場地及其非均勻值

2.3 數(shù)據(jù)選取

在開展交叉輻射定標之前，首先要選取MODIS相機與GF-6/WFV相機的有效影像對，篩選條件包括：(1) 衛(wèi)星過境時，要求時間間隔小于1 h且輻射校正場上方無云；(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、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)星成像時間是2019年07月14日05:10:00，Terra/MODIS采用的是協(xié)調(diào)世界時(Universal Time Coordinated)，GF6衛(wèi)星則采用北京時間，所以兩幅影像的相差時間為17 min。衛(wèi)星影像時間如表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)進行單場地和多場地交叉定標的擬合結(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作為單場地定標場地，一共選擇39個點，其中：R為決定系數(shù)，其越高擬合效果越好；N為擬合點數(shù)。依據(jù)式(1)、式(2)和式(4)計算出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、塔克拉瑪干沙漠、青海湖的多場地交叉定標結(jié)果，一共在三塊定標區(qū)域選取了109個點，其定標系數(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敦煌輻射校正場進行單場地交叉定標的時候，波段的定標系數(shù)分別是0.075 0、0.055 3、0.050 1、0.031 4，將得到的定標系數(shù)和中國資源衛(wèi)星公布的2019年GF6/WFV官方定標系數(shù)相比較，從表4可以得到4個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測GCP點對幾何校正的交叉定標方法進行GF6/WFV定標的可靠性和準確性。根據(jù)GF6/WFV的成像特點，在相同時間的基礎上，選取了敦煌輻射校正場、青海湖、塔克拉瑪干沙漠等多塊定標場地進行多場地交叉定標的研究。

多場地交叉定標的結(jié)果如圖8所示，4個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的單場地交叉定標法的擬合效果要更好。將圖8擬合得到的定標系數(shù)與官方定標系數(shù)相比較，從表4可以得到多場地定標的4個波段的不確定度為1.94%、1.91%、1.92%和2.77%，都在3%以內(nèi)，并且每個波段的定標結(jié)果都比單場地定標的結(jié)果更好，體現(xiàn)出多場地定標法在進行交叉定標時精度更高，擬合效果更好。

3 結(jié) 語

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

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

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

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

(4) 丁闖等曾用此算法對高分1號、高分4號衛(wèi)星進行交叉定標研究，得到了很好的效果，本文在原算法前提下增加了實測數(shù)據(jù)RPC校正，也非常適用于高分六號衛(wèi)星進行交叉定標的研究。未來將繼續(xù)研究爭取滿足所有高分辨率衛(wèi)星交叉定標。