中波红外面阵遥感相机相对辐射定标方法研究

赵艳华

(北京空间机电研究所,北京100076)

1 引言

中波红外面阵遥感相机指工作在中红外窗口、使用焦平面探测器作为光电转换元件的对地物成像的航天光学遥感相机。在3.0～5.0μ m的中红外波段地物反射的太阳辐射和地物的热辐射均不能忽略,二者在一个数量级上[1]。这个特点使它不同于可见光-近红外(0.4～1.1μ m)遥感相机和长波红外(8.0～14.0μ m)遥感相机。

在使用相同数量探测器凝视成像的情况下,焦平面探测器的观测范围更大,而且没有推扫、摆扫等成像方式中的活动部件,可以增加系统的稳定性和可靠性。

地表的温度一般为300K,地表辐射能量基本上处在3.0μ m以上的波段[1],结合焦平面探测器观测范围较大的特点,使得中波红外面阵遥感相机具有凝视观测、昼夜成像、结构简单、可靠性高等特点,因此在军事(导弹预警、红外侦察等)和民用(地表温度、海洋温度、森林火灾、火山、昼夜云、海岸线监测等)上都有广阔的应用前景。

遥感图像数据的定量应用以及考察发射前后遥感相机性能的变化,都需要对遥感相机进行辐射定标。辐射定标是将遥感相机记录的电压或数字值转换成绝对辐射亮度的过程[2],按照使用的不同要求,辐射定标分为绝对辐射定标和相对辐射定标。

绝对辐射定标是确定航天光学遥感相机输出量与其入瞳处辐亮度之间的关系[3],通过该关系可以进行从输出数据到输入信号的反演。相对辐射定标(即非均匀性校正)是指确定场景中各像元之间、各探测器之间、各谱段之间以及不同时间测得的辐亮度的相对值[3],本文中相对辐射定标是指对面阵探测器各像元响应的不一致性进行校正。将相对辐射定标数据(非均匀性系数)作用于原始图像,可消除由探测器各像元响应不一致带来的影响,从而获得较清晰的图像。

辐射定标是热红外通道遥感信息定量应用的基础性问题[4],当热红外通道遥感相机不具备在轨定标能力或在轨定标失败时,一般可以用辐射校正场定标和交叉定标等多种替代定标方式来弥补[5]。

利用辐射校正场定标是以对辐射校正场地表光学特性及大气光学特性的全面了解为基础,运用大气辐射传输方程推导航天光学遥感相机入瞳处的辐亮度,从而获得对地观测遥感相机的辐射校正系数,实现对遥感相机获取的数字图像的辐亮度反演,达到遥感信息定量化的目的[6]。场地光学特性主要包括:地表反射比、地表BRF特性、地表均匀性等。大气光学特性主要有:大气垂直光学厚度、气溶胶类型、气溶胶光学厚度等[7]。

利用校正场定标是开展得较成熟的一种利用地物进行定标的方法,但其受卫星轨道、相机幅宽、大气状况等因素约束较多,并需大量人力、物力的保障,这种方法定标次数较少,一年约1～2次,但这种方法获得的定标结果精度较高,主要用于遥感图像信息的反演。

对于中波红外面阵相机而言,根据应用需求,主要是完成对地图像的非均匀性校正和探测器性能的在轨监测,因此对其进行相对辐射定标技术研究。

本文根据两点定标原理,以中波红外面阵遥感相机图像数据为基础,参考利用辐射校正场进行在轨定标的方法,利用在轨其他卫星数据获得相机入瞳处辐亮度,从而进行在轨相对辐射定标,它为同类红外面阵遥感相机在轨相对辐射定标提供了一种新的思路和方法,同时也可作为星上黑体定标的一种校验手段。

2 相对辐射定标的算法

相对辐射定标主要采用相对辐射定标系数法,即利用卫星发射前在实验室测得的相对辐射定标系数和卫星发射后星上获得的相对辐射定标系数对图像进行校正。中波红外面阵遥感相机采用两点法来获得相对辐射定标系数,这是目前红外遥感相机星上定标广泛采用的一种方法。

以320×256中波红外面阵探测器(采用320×240制式,共76 800个像元)为例,非均匀性系数的计算方法如下:

1)求出高、低温各N幅图像对应像素电信号数字量之和EHX[i]、ELX[i],

2)求出高、低温各N幅图像对应像素电信号数字量和的平均值EH[i]、EL[i],

3)求所有像素高、低温差值的平均值E,

4)非均匀性系数G[i]的求取,

利用地物进行相对辐射定标的方法是:确定出符合要求的、具有均匀辐射特性的典型地物目标(相当于黑体)的地理位置信息,查询经过这些区域的成像数据,挑选出一定数量的图像,获得地物的温度、发射率等数据,通过大气辐射传输模式得到入瞳处等效黑体辐亮度,根据温差要求匹配数据,由不同温度图像的DN值计算出各像元的非均匀性系数,非均匀性系数乘以原始DN值得到校正后的DN值,即完成逐像元校正。

相对辐射定标方法的关键是确定符合要求的地物和获取入瞳处温度。利用地物进行中波红外面阵遥感相机相对辐射定标的工作流程图如图1所示。

图1 利用地物进行中波红外面阵遥感相机相对辐射定标的工作流程图

3 地物目标的确定

合适的地物目标的确定作为相对辐射定标方法的关键,要求整幅图像目视均匀、清晰,并且有多幅满足要求的图像,以便求取此区域图像的平均计数值,消除区域内地物特性不稳定带来的误差。因此,地物的选择应考虑较大范围内温度、发射率等指标较稳定的区域。

3.1 地物类型

一般来说,地表对于长波辐射的吸收率近似于常数,可认为地面为灰体,吸收率取常数A(A非常接近于1),吸收率是物体的发射辐射能与黑体发射辐射能的比值,故A也称为相对辐射率或比辐射率。各类地面的A值在0.85～0.99之间,其中纯水接近于1,可用作黑体源面[1]。大面积水体具有均匀、稳定的辐射特性,可用作红外遥感相机在轨辐射定标的地物目标。

中国遥感卫星辐射校正场就以青海湖水面作为遥感卫星红外探测通道外场辐射定标的场地[8],其水体与我国近海水体表观光学特性接近[9]。青海湖水体比较清洁,基本未受污染,是较为理想的辐射校正场,但受到轨道的限制,对于观测区域不能覆盖我国青海湖的遥感相机,很难仅选用青海湖作为定标时的地物。

通过上述分析,地物目标类型可确定为不同纬度的海洋、湖泊。

3.2 地物目标选择应考虑的因素

(1)温度稳定性要求

地物目标温度稳定性越好,所获取的相邻图像数据灰度值越接近,计算结果偏差越小。

在海岸附近水陆温度变化较大,所以选取的水域应尽量远离岸边。我国渤海中心区域、山东半岛东北海区、黄海海槽、东海大陆架、南海大部及日本琉球群岛以东、西太平洋区域、印度洋北部等都是海水温度较稳定的区域,应尽量选择上述区域进行地物目标的选取。

(2)温差要求

由于两点定标需2个不同温度的地物图像数据,因此,选择纬度靠近赤道的水域作为高温目标,纬度远离赤道的水域作为低温目标。全球海洋温度分布示意图如图2所示,这是2009年7月27日的数据(从互联网下载),可作为海洋温度分布的参考。

图2 全球海洋温度分布图

从图2中可以看出,高温地区主要分布在印度洋靠近赤道附近、西太平洋赤道附近和琉球群岛以东区域、中国南海、北美洲南部海湾等地;低温地区主要分布在高纬度海域。

按照探测器的使用要求,低温点取20℃,高温点取35℃,选取的地物温度应尽量靠近这2个温度值。由于所使用的中波红外面阵探测器在工作区间内是线性响应,如果温度点略有偏差,只会增大或缩小线性响应区域,对计算结果影响较小。

3.3 地物目标选择结果

根据上述温度稳定性要求、海温分布、温差要求等,初步确定符合要求的地物目标及其大致位置。不同季节海温分布有所差别,因此,需适时调整上述区域的具体范围。

高温目标选择中国南海(北纬 10°～ 18°,东经 111°～ 117°)、中国东海(北纬 25°～32°,东经 123°～128°)、西太平洋(北纬 7°～ 25°,东经 130°～ 140°)、东印度洋(南纬 2°～北纬 12°,东经 70°～ 94°)、西印度洋(北纬 12°～ 21°,东经 58°～ 72°)5 个区域,低温目标选择北太平洋东部(北纬 45°～ 53°,西经 135°～ 150°)、南太平洋(南纬35°～ 49°,西经 80°～ 100°)、澳大利亚海湾(南纬 40°～ 50°,西经 110°～ 140°)3个区域 。

3.4 地物具体信息的确定

明确地物大致地理范围后,通过用户或相关地面应用系统查询以往成像任务中有哪些经过这些区域,找出经过这些区域的成像任务数据。

对于不同的航天光学遥感相机而言,图像采样间隔、幅宽都有所不同,因此,需从上述找到的图像数据中进行筛选。选择方法如下:

1)根据3.3节确定的高、低温目标区域范围,从成像任务数据中挑选出经过这些区域的图像;

2)根据校正后图像,筛选出灰度均匀且清晰的图像,记录图像所在幅数,这样可确定高、低温定标数据所在的成像任务数据名称、成像时间及具体图像幅数;

3)根据每幅图像对应的经纬度,找到此区域的经纬度范围和对应的成像时间。

上述方法是基于在以往成像数据中查找符合要求的地物具体信息,此外,也可根据选定区域有针对性的进行成像,从每次成像数据中挑选出符合要求的数据作为定标图像数据。

4 其他在轨卫星及其数据的选取

根据选定的成像区域对应的经纬度和成像时间,选择在同一时刻能观测到同一区域的其他在轨卫星作为参考卫星。

如果在相近轨道、相近时刻、相近谱段找不到适合的卫星作为参考卫星,可选择静止轨道卫星作为参考卫星,如美国的GOES、日本的MTSAT以及我国的FY-2C、FY-2D等。因选择的是面积较大、区域温度较稳定的海洋作为成像目标,且静止轨道卫星观测范围较大,所以能找到对应成像时刻、同一区域的图像。

根据选定图像的成像时刻及经纬度信息,在“中国遥感卫星数据服务网”上查询相关卫星的指标和数据。在有多颗卫星数据符合要求的情况下,应尽量选择在星下点附近能看到该区域图像且是准确标定过的卫星作为参考卫星,并向相关部门定制参考卫星的相应图像、大气数据和温度数据。

5 选定海域温度值的获取

海洋温度(指海水表层温度)的获取有4种方式:1)根据参考卫星反演的温度产品数据查询选定海域的温度;2)通过中国Argo浮标观测网的数据查询选定海域的温度;3)参考Google earth地图中选定海域的温度;4)天气预报的数据。这几种方式可互为补充、互相校正。

由于是同一时刻观测到的同一地物,大气状况可认为是相同的。利用参考卫星的相关产品数据,将大气参数、地表参数和遥感相机的工作谱段、光谱响应函数、观测的天顶角和方位角等参数输入到热红外辐射大气传输计算软件,就可计算出遥感相机入瞳处的辐亮度Le,如中巴地球资源卫星热红外通道的交叉辐射定标就利用了MODIS数据推算出IRMSS的入瞳辐亮度[10]。根据实验室辐射定标结果,按照式(7)可将辐亮度Le转换为温度 T。

通过上述方法,可以获得对应不同辐亮度的不同温度值。

6 非均匀性系数的计算

从选择出的成像任务数据中,分别提取一定数量符合要求的均匀地物图像数据作为高温或低温定标数据,然后选取温差满足要求、成像区域和时间较接近的数据进行非均匀性系数的计算。

定标数据获取方式为:分别选取指定成像任务数据中一定范围的对地图像数据作为高、低温定标数据。软件应按图3所示流程图要求,实现定标数据的获取。

图3 定标数据获取流程图

将获得的2个海域的温度值、发射率、所选图像的数量等参数,按公式(1)～(6),即可计算出每个像元的非均匀性校正系数G′[i],将相近日期用定标黑体图像计算出的非均匀性系数G[i]与G′[i]取比值,得到相对偏差g,g即为修正因子,是一个综合偏差系数,其计算公式如下:

将此修正因子乘以后续用这种方法计算出的非均匀性系数,即得到地物图像的相对辐射校正系数。

用这种方法对地物图像进行非均匀性校正效果良好,校正前后对比结果如图4所示。

图4 校正前、后的对比图片

校正后的中红外遥感图像可反映山川、水域、沙漠等边界的变化情况,可显示高温目标所在区域,也可提供大型建筑的外形轮廓,在军事、民用等多个领域都有较广泛的应用价值。

7 相对定标精度分析

在轨利用地物进行相对辐射定标方法定标的精度分析结果见表1。

表1 在轨利用地物进行相对辐射定标的精度统计

与星上黑体相比,地物的发射率、均匀性等参数差异较大,表1中数据是对2次成像数据校正后部分图像数据的分析结果,2次图像校正系数相同,从数据中可以看出图像自身品质对相对辐射定标精度影响较大,如果地物图像非常均匀,定标精度就相对较高;反之,定标精度就较低。灰度非常均匀的图像数量有限,因此,参与计算的图像数据灰度的均匀性会存在一定差异。

表1选取了比较典型的2种图像数据情况,取平均行标准差法计算结果的均值来表征利用地物相对辐射定标方法的相对定标精度,结果为0.922%。

8 结束语

综上所述,在轨利用地物图像数据进行相对辐射定标的方法是可行的。使用此方法获得的相对辐射定标数据进行对地图像非均匀性校正,图像品质得到明显改善。

此种相对辐射定标方法选用面积广阔、温度稳定、具有均匀辐射特性的海洋作为地物目标,因此,用于做定标数据的地物图像较多,可以获取较多的相对辐射定标数据,以达到对遥感图像长期、动态校正的目的。

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