多目标无人机微型凝视高光谱成像仪辐射校正

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(1. 河南理工大学，河南 焦作 454000； 2. 郑州信息科技职业学院，河南 郑州 450008)

近年来，无人机高光谱成像技术在一些研究和应用领域逐渐得到推广，其在环境监测与保护、灾害监测与评估、地质勘探、城市规划等领域得到越来越广泛的应用[1-6]。传统情况下，高光谱成像仪常搭载在航空或卫星平台上，由于卫星平台的重复周期长和空间分辨率低，以及航空平台图像采集成本昂贵，阻碍了航空和卫星高光谱成像技术的应用[7]。随着新型低空平台如小型无人机和微型高光谱成像传感器的出现，高光谱遥感数据采集方式正在迅速改变[8]。

目前，主要有线扫式和凝视型高光谱成像仪。线扫式高光谱成像仪采用一个二维检测器阵列，仅获得一个空间维度和一个光谱维度图像，由于每次只获取一行或一列图像，图像的几何质量对载荷平台的旋转和震动极其敏感，不稳定的无人机平台会导致获得的高光谱图像几何变形较大[9-10]。凝视型高光谱成像仪在一次拍摄时可以同时获得两个空间维度和一个光谱维度图像，以形成具有几十到几百个带的两个空间维度图像，仅需记录整个高光谱图像的外方位元素而不用对每一帧记录，从而避免了扫描操作时的几何不稳定性。因此，小型凝视型高光谱成像仪可以有效解决小型线扫式高光谱成像仪在无人机上成像几何变形大的问题，适合于姿态不稳定的负载平台如小型无人机。

相对于线扫式高光谱成像仪，凝视型高光谱成像仪应用时间较短，国内外没有较为成熟的数据获取、处理和应用研究，这使得无人机凝视型高光谱成像仪系统的应用面临一定的阻碍。

本文从无人机微型凝视高光谱图像的辐射响应线性度和辐射响应变异性等方面对图像质量进行评价，检验了凝视型高光谱成像仪波长定标偏差、辐射响应线性度及高光谱传感器CCD的辐射响应变异性。重点研究消除无人机微型凝视高光谱图像辐射响应变异性的方法，并定量评估该方法的有效性。提出基于多目标高光谱图像辐射定标方法，并通过比较定标后的高光谱图像光谱与地面光谱仪实际测量的地物光谱来验证辐射定标的精度。

1 试验设备与数据获取

无人机载体平台采用大疆筋斗云S1000+八旋翼无人机，搭载的成像仪为UHD 185微型凝视型高光谱成像仪。该成像仪包括138个光谱波段，采样间隔为4 nm。选用HG-1汞氩光谱定标灯作为光源进行光谱定标。选择FieldSpec Pro FR光谱仪测量地面定标物体和每个研究小区的光谱曲线。

野外无人机高光谱图像数据获取时，将5块表面粗糙，大小为1.5 m×1.5 m接近朗伯体的灰布、绿布、红布、蓝布和黑布分别布设在无人机飞行路线内。在无人机飞行操作之前，利用ASD光谱仪测量这些粗糙布块的反射率曲线。无人机的飞行高度为50 m，速度为5 m/s，图像航向重叠度和旁向重叠度分别设置为70%和60%。

2 高光谱图像光谱定标与辐射定标

2.1 高光谱图像光谱定标

光谱定标是确定高光谱图像中每个波段中心波长位置和光谱带宽的过程。虽然光谱仪在出厂前已经定标过，但其波长会随时间和使用环境而发生变化。另外，可以利用光谱定标的结果模拟每一个波段的半峰宽度值FWHM(full width at half maximum)，确定高光谱传感器的光谱分辨率。

对UHD 185高光谱仪进行光谱定标时，首先，将光谱仪放置于HG-1汞氩光谱定标灯光源下并采集高光谱立方体的光谱曲线，以确定曲线所有峰值所在的波段序号。然后，找到曲线所有峰值对应的汞氩光谱定标灯的谱线，以确定每一个峰值的光谱波长值。最后，构建光源光谱曲线波长和高光谱立方体光谱曲线相应峰值所在波段序号之间的线性或多项式函数，利用该线性函数以波段序号为自变量计算每个波段的波长。线性函数为

λi=λ0+αi,i=1,2,3,…，n

(1)

式中，i为每个波段的序列号；λi为波段i的波长；λ0为第一个波段的波长；α为系数。实验室测试的样本数一般大于2，λi和α采用最小二乘法计算得到。

2.2 辐射响应线性度计算

辐射响应线性度是通过图像的DN值与通过积分球测量的入射光谱辐射强度之间的线性关系进行计算，计算公式为[11]

(2)

(3)

利用式(2)将图像每个梯度的DN值作为自变量，光学积分球测量的光谱辐射强度作为因变量，对试验测量的18组图像的DN值和辐射强度值通过最小二乘法线性模型进行拟合，得到每个波段的增益值和偏移值。式(3)表示利用式(2)拟合结果的决定系数R2，用来表征辐射响应线性度。

2.3 辐射响应变异性及校正

受仪器噪声、渐晕效应等传感器相关因素的影响，高光谱立方体图像会存在一定的辐射响应变异性[12-13]。在高光谱图像处理与应用前，需要事先校正高光谱立方体的辐射响应变异性。为了校正辐射响应变异性，本文采用相同波段在不同照射强度下获取的两个图像的比值，在计算比值前先减去暗电流的影响。该方法假设每个像素的辐射响应都是线性的，该过程可以由式(4)表示，两个图像中，其中一个作为参考图像，作为式(4)的分母。

(4)

辐射响应变异程度用下式定量计算

Iλ=vλ/mλ

(5)

式中，Iλ为辐射响应变异系数；vλ和mλ分别为波长λ处的波段DN的方差和平均值。

2.4 高光谱图像辐射定标

图像辐射定标的目的是将UHD 185高光谱成像仪获取的立方体图像的DN值转换为辐射亮度或反射率，同时消除或减弱由传感器本身和大气因素引起的辐射偏差[14-15]。本文研究了两种辐射定标方法，第一种为单目标辐射定标法(见式(6))，其利用高光谱图像相对于地面拍摄的白色定标板的相对反射率乘以白色定标板的绝对反射率，求得每个波段的绝对反射率。由于白色参考板的高光谱立方体图像在地表面获取，而高光谱图像在无人机上获取，单目标辐射定标法进行辐射定标时传感器和大气的影响不能很好地被消除。本文研究了另一种多目标辐射定标方法(见式(7))，该方法结合图像辐射变异性校正算法，对因传感器和大气因素引起的辐射畸变有一定的抑制作用。

Refi,j,λ=MRi,j,λ×Refw

(6)

(7)

3 结果与分析

3.1 辐射响应线性度计算结果及特征

利用式(2)和式(3)计算UHD 185高光谱成像仪所有波段的辐射响应线性度，结果如图1所示。

由图1可知，在所有波段中，UHD 185高光谱成像仪的辐射响应线性度值均超过0.998，这是UHD 185高光谱成像仪取得良好辐射定标结果的前提。但是，不同波段的辐射响应线性度不稳定，存在较大波动，在470～610 nm，以及694和895 nm处，光谱辐射响应线性度明显高于其他波段区域。而在454、638和882 nm附近存在明显的低谷。

3.2 辐射响应变异性校正

图2和图3分别表示550 nm波段辐射响应变异性校正前后图像像素值变异情况及校正前后频数分布直方图。图4表示所有波段辐射响应变异系数校正前后情况，图4中I1和I2表示在积分球出口，不同辐射亮度条件下拍摄的原始图像每个波段的辐射响应变异系数，(l1-DC)/(l2-DC)表示校正后图像的辐射响应变异系数。

从图2—图4可以看到，辐射响应变异性校正前，图像的辐射响应变异系数较大，且存在明显的渐晕效应和条带现象，辐射响应变异性校正后，不同波段中像元的辐射响应变异系数显著下降，所有波段的辐射变异系数均小于0.01，且渐晕效应和图像条带明显减少，表明本文提出的方法可以有效校正图像的辐射响应变异性。

3.3 辐射定标及精度分析

分别利用式(6)表示的单目标辐射定标方法和式(7)表示的多目标辐射定标方法进行辐射定标，并选择绿布和芹菜的反射率进行定标效果评价，结果如图5(a)和图5(b)所示。图5中C1为单目标辐射定标方法定标结果，C2为多目标辐射定标方法定标结果，ASD为光谱仪实测结果。

从上述定标结果可以看出：

(1) 利用式(7)表示的多目标辐射定标方法进行定标，表现出更好的定标效果，特别对于近红外波段，与ASD光谱仪实测的地物反射率差异较小。利用式(6)表示的单目标辐射定标方法进行定标，显示地物反射率在722～950 nm光谱区间的近红外区域内明显低于由ASD光谱仪测量的地物反射率，并且在882 nm之后反射率快速下降，不符合地物实际反射率变化趋势。

(2) 将多目标辐射定标方法的定标结果和ASD光谱仪实测的光谱曲线进行比较。结果显示，对于绿布，ASD光谱仪实测的光谱曲线在760 nm附近可以看出细小的氧气吸收特征，辐射定标之后图像的氧气吸收特征不再明显，在910～950 nm光谱区间，辐射定标结果与ASD光谱仪实测结果差异小于5%，在500～950 nm光谱区间，两者差异小于4%；对于芹菜，在458～910 nm光谱区间，两者差异小于3%，在910～950 nm光谱区间，两者差异小于4%。

4 结 语

无人机微型凝视高光谱遥感系统目前是一种较为新型的低空遥感平台，能够灵活、快速和可靠地获取高光谱遥感数据。试验结果表明，UHD 185凝视型高光谱成像仪的CCD具有一定的光谱定标偏差，同时具有明显的渐晕效应和条纹现象，这严重影响了图像的质量，不适合直接定量分析与应用。本文首先对原始高光谱图像进行辐射响应变异性校正，校正后影像质量得到明显改善和提高，辐射响应变异性得到明显消除，不存在明显的渐晕效应和条纹现象。同时，本文研究了单目标和多目标辐射定标方法，结果表明，与单目标辐射定标方法相比，多目标辐射定标方法取得了更好的定标效果，特别是能够显著改善近红外光谱区域反射率下降问题。