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遙感數據的輻射校正

在此前的【微課堂】第一講中,主要介紹了遙感數據處理中物理量的計算(查看可點擊此處鏈接),也為此次內容做個鋪墊。本期,重點介紹遙感數據的輻射校正。

談起輻射校正,大家最容易想到的是圖像增強,如果更加形象地講,輻射校正就像美圖秀秀一樣,把圖像處理得更好看。

然而,遙感數據的輻射校正遠不止這麼簡單。

如何獲得遙感數據?

大家知道,遙感數據是以數字形式記錄下來的地物電磁波信息。感測器在獲取地物電磁波信息時,將其進行放大、轉化為數字信號被記錄下來,即遙感數據,如下圖所示。

另一方面,感測器是由許多探測器組成的,每一個探測器在某一瞬間對地面的某一特定區域進行觀測,獲取到地面該區域的信息,記錄成一個像元的數據。以CCD感測器為例,數百或上千的CCD探測器為一組,稱為探測器陣列(CCD Array),而一個數據行則由若干組探測器陣列組成,形成由數千個探測器組成的數據行。

不同的探測器和CCD陣列對電磁波的響應能力也略有不同,導致獲取並記錄的遙感數據存在著差異,最典型的現象是相同強度的電磁波信息被感測器獲取並記錄下來後,其數據值並不相同。

此外,感測器在獲取地物電磁波信息時,還受到太陽位置和角度條件、大氣條件、地形起伏等因素的影響。衛星在太空運行期間,由於儀器本身的老化及外界因素的影響,也會導致儀器輻射特性的變化,感測器記錄的遙感數據與地物的實際電磁波信息有一定差異。

輻射校正的基本內容

為了正確評價地物的電磁波特性,必須消除由以上因素所帶來的遙感數據中的輻射畸變,使遙感數據能夠真實反映地物電磁波的強度和分布。

上圖顯示了遙感數據輻射校正的全過程。其中,從原始數據到大氣頂部輻射值和反射率的處理過程,是根據衛星感測器定標參數在地面系統中進行的,這一過程稱為感測器的輻射校正(Radiometric Correction);其他部分,則通過地面的測量、反演等過程來實現。

衛星感測器的輻射校正,一般可分為相對輻射校正和絕對輻射校正,其中:

相對輻射校正:解決遙感數據各像元之間、各波段之間的相對關係,使遙感數據能夠真實反映地物電磁波信號的空間分布。

絕對輻射校正:解決各波段遙感數據與地物在大氣頂部輻射亮度或反射率之間的定量關係,使遙感數據能真實反映地物電磁波信號的強度。

以CCD感測器為例,從原理上講,感測器的輻射校正可以用下面的公式來表達:

其中:

x:探測器的輸出值,即圖像原始數據的DN值;

L:探測器的輸入值,即大氣頂部的地物輻射亮度;

G:探測器陣列的絕對增益;

g:探測器的相對增益;

B:探測器偏置;

b:波段號;

s:探測器陣列編號;

d:探測器編號。

通常,參數G、b和B在衛星發射前就已經測定,並記錄在衛星地面系統中。但由於衛星在飛行過程中各種因素的影響,感測器參數也會發生改變,因此,輻射校正的首要任務是對感測器參數進行校準,這一過程被稱為定標處理(Calibration)。

星上定標

在衛星運行過程中進行的定標稱為星上定標。

探測器偏置的確定

上圖給出了最簡單的採集並確定探測器偏置數據的過程,即在感測器快門關閉階段,對每個成像探測器採集的快門數據(多行)求均值Q(b,s,d),記為偏置B1;而在一次對地成像的前後,分別進行上述操作,得到B1和B2,並對2次計算的結果求平均,記為偏置B3。

此外,探測器偏置數據的採集和計算還有其他很複雜的過程,限於篇幅不做展開介紹,有興趣的可參閱專門的書籍。

探測器增益

衛星感測器定期採集太陽漫反射器反射的太陽光信號,得到若干行數據,用於增益定標計算,其中:

計算每個探測器的響應均值Q(b,s,d);

計算每個探測器的增益:

其中,L為預先標定過的、各探測器對太陽漫反射板的響應轉換為輻射亮度值,des是感測器採集太陽漫反射板時的日地距離,以天文單位表示;

計算所有探測器增益的均值,以其作為當前探測器陣列的絕對增益:

其中,N是探測器陣列中探測器的數量。

計算探測器的相對增益:

前置處理

前置處理是地面系統對遙感數據進行輻射校正處理的第一步,旨在消除各種數據異常,為後續的輻射校正處理做好準備。在實際的數據獲取過程中,由於受到各種因素的影響,得到的遙感數據常常會出現各種的異常,例如:

探測器失效:由於元器件故障導致探測器在運行過程中不能正常獲取數據,使得獲取的數據不再隨輸入的輻射亮度而變化;

各種雜訊:由各種環境因素造成獲取的遙感數據偏離正常值得情況;

過飽和:當探測器接收到的輸入信號過強、或輸出信號受到感測器過度放大導致輸出信號過強時,得到的數據值嚴重偏離正常的現象,稱為過飽和;

條紋:由於各探測器響應的不一致,使圖像出現橫向、或縱向明暗相間的現象;非線性響應:探測器輸出的是經過量化的DN值,其大小與探測器接收到的輻射能量有關,但二者之間不一定呈嚴格的線性關係,每個探測器的非線性響應關係也各不相同。

探測器失效的處理

對失效探測器的處理,通常做法是用臨近的有效探測器數據來替代失效探測器的數據,例如,用兩側有效探測器的數據進行插值,得到當前失效探測器的輸出值。

過飽和的處理

在地面系統輻射校正階段,當認定某個探測器的輸出是過飽和時,則利用預先設定的值代替該探測器的輸出。

非線性相應的處理

地面系統中常利用響應線性化查找表來逐一進行校正,以便真實反應每個探測器的入瞳輻射亮度。響應線性化查找表文件記錄了每個探測器的非線性校正係數,此文件最初由發射之前的實驗室輻射定標數據生成,衛星在軌運行後將會根據探測器定標數據定期進行更新。

條紋和雜訊的處理

對圖像的雜訊和條紋的處理,已經有很多成熟的演算法,本節就不再敘述。

至此,本期微課堂對遙感數據的輻射校正做了最初步的介紹。總結起來可以歸結為以下幾點:

還原地物輻射信息的一致性,簡單講,地物是一樣亮時,遙感圖像也應該是一樣的亮;反過來,地物亮度不一樣時,遙感圖像也要反映出它們的差異;

反映地物輻射信息的真實性,即遙感圖像的值和地物輻射物理量是有一一對應關係的。

以上內容由中國遙感衛星地面站馮鍾葵提供,更多詳細內容可參看《遙感數據接收與處理技術》相關章節。


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