嫦娥一号干涉成像光谱(IIM)数据再处理研究*

李忠兴 徐天弈 卢 瑜 吴昀昭

(1 中国科学院紫金山天文台南京210023)

(2 中国科学技术大学天文与空间科学学院合肥230026)

(3 澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室澳门999078)

1 引言

2007年10月24日, 我国自主研制的嫦娥一号卫星在西昌卫星发射中心成功发射, 开启了我国月球探测的新征程[1]. 嫦娥一号在轨运行495 d, 获得了海量的科学数据, 中国科学家利用嫦娥一号获得的数据开展了大量的研究工作, 取得了丰硕的成果[2]. 嫦娥一号卫星有4大科学目标, 分别是获取月球表面三维立体影像、分析月表元素含量和物质类型的分布、探测月壤特性、探测地月空间环境[3], 其中获取月表物质成分需要依靠搭载的干涉成像光谱仪(Interference Imaging Spectrometer,IIM)来实现.

嫦娥一号搭载的干涉成像光谱仪能够在二维空间获取月表连续光谱, 具有图谱合一的特点[4].IIM数据可以反演月表元素含量[5–8], 加深对于月球的认识. 然而CCD (Charge-Coupled Device)各探测单元的响应不一致, 导致光谱的灰度值不均匀性变化, 在图像上呈现出左右色调不均一的现象,称之为平场效应[4,9]. 图1展示了不同地区、不同类型和不同反射率的光谱图像, 都呈现出色调不均一的现象. 理想情况下, CCD传感器对不同强度的入射光呈现线性响应, 但由于光照不均匀、传感器成像器件非均匀导致对入射光的线性响应度不一致[10]. 平场效应会导致基于不同地物的光谱特征反演出现多解性, 因此有必要对其进行校正[11–12].对于地面遥感数据可以通过实验室定标获取不同探元的响应参数来实现平场校正, 但是该方法对于月球遥感数据无法适用. Wu等人通过选取月表成分均一、地形平坦、撞击坑较少地区光谱数据的平均值作为标准线[13], 通过标准线求得校正因子实现平场校正. 凌宗成等人认为图像色调的不一致是CCD响应不均一直接对辐亮度产生变化导致的[14], 通过选取月表不同轨道成分均一、光谱响应度较好数据的平均值得到多条标准线, 平滑标准线噪音并求得校正因子实现辐亮度校正. 然而由于IIM数据很多地方曝光过度, 加上月表撞击坑过多, 部分数据损坏, 很难找到成分均一的地区.

图1 IIM B31 (918 nm)、B24 (757 nm)、B15 (618 nm) RGB假彩色合成图像(轨道号分别为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础上, 通过人工选取数据, 避开了撞击坑和曝光过度的地区, 保证了数据的完好性. 同时选取太阳矢量与卫星轨道面夹角β对称的轨道数据, 消除了太阳光的影响. 通过选取大量包含丰富信息的光谱数据对IIM平场效应问题进行处理,以提高IIM数据的可用性,方便后续进一步的研究.

2 数据和方法

2.1 数据介绍

IIM采用基于面阵推扫式的Sagnac干涉型成像光谱仪方案, 与传统色散型成像光谱仪相比, 具有能量利用率高、采样超连续、数据量低、空间稳定性高以及光谱不受卫星姿态影响等优势[15]. IIM高光谱数据覆盖了月球南北纬70°之间大约84%的区域, 其单轨成像宽度为25.6 km, 成像高度为200 km, 空间分辨率为200 m, 在480–960 nm范围内有32个波段[16]. 在32个波段中, 有一些波段异常或者信噪比过低[17], 不利于后续研究, 通过筛选最终去除1–5和32波段, 保留信噪比较高的26个波段用于研究. 图2是IIM数据覆盖位置示意图.

图2 IIM全部706轨覆盖位置示意图(基底图是Lunar Reconnaissance Orbiter Camera (LROC) Wide Angle Camera (WAC)数据. N、S、E、W分别是北纬、南纬、东经、西经)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 数据选取

β角反映了干涉成像光谱仪成像时太阳光与仪器的相对位置关系[18]. 为了消除太阳光对本次结果的影响, 选取β角对称的轨道. 图3是IIM数据轨道β角的绝对值, 从其中选取若干轨道用于本次研究.相角是入射光线与反射光线的夹角, 为了确保图像的色调不均一是由传感器引起的, 在选取数据的时候也应该保证相角尽量一致, 表1是选取的部分轨道数据信息.

图3 IIM轨道β角的绝对值Fig.3 The absolute value of β angle of IIM orbits

表1 选取的部分轨道数据信息Table 1 Data information of selected orbits

为了使选取的数据为均一平坦的地区, 需要尽量避开曝光过度地区、溅射线和大型撞击坑的影响. 因此需要对选取的所有数据进行筛选, 去掉不符要求的数据, 提高数据的质量. 通过对选取数据的每一轨做平均行, 去掉平均行不是单调变化的数据, 结合地形保留合理的数据. 图4是选取的部分轨道数据平均行的反射率.

图4 选取的部分轨道数据平均行的反射率Fig.4 Reflectance of the average lines of selected orbits

2.3 平场校正

图5是将2248轨光谱数据在每个波段的反射率归一化得到的图像, 可见每个波段受平场效应的影响不同, 其中918 nm波段受平场效应影响最大, 这是因为传感器对长波段的量子吸收效率低. 校正平场效应最重要的就是要将探测器的线性响应调整到相同, 从而保证每个像素的光谱响应一致, 本文提出了基于光谱特征的反射率归一化方法对IIM数据进行平场校正, 具体方法如下:

图5 IIM归一化反射率曲线图Fig.5 The normalized reflectance curve of IIM

(1)根据反射率将月表分为亮暗程度不一的3类, 反射率分别为0.01–0.02、0.03–0.04、0.05–0.06;

(2)对每一类选取两万行以上的数据, 选取的时候避开撞击坑和曝光过度的地区, 保证选取数据的完好性;

(3)对每一类选取的数据求取平均行, 要有相角对称的轨道参与求取, 从而消除太阳光的影响,得到一行128列×26波段的数据;

(4)对每一类128列×26波段的数据从左到右进行归一化处理, 得到相对反射率数据, 取相对反射率的倒数即为校正因子, 将3类数据的校正因子进行平均得到平均校正因子;

(5)将IIM数据乘以平均校正因子即可实现平场校正.

该方法的好处在于选取的数据范围广, 包含反射率从高到低的数据, 从而可以满足不同像素的需求. 手工选取避开了撞击坑和曝光过度的影响, 大量数据平均后消除了部分误差, 相角对称则消除了太阳光因素的干扰, 这些因素都很好地提高了平场校正的精度.

3 结果与分析

利用上述方法求得了3类校正因子, 分别作不同反射率和波段的校正因子曲线如图6所示.图6左图是757 nm波段3类校正因子的曲线图, 可以看到随着反射率的增大, 每一列校正因子的数值更加接近1, 说明图像受到平场效应的影响在减小. 图6右图是3类校正因子的平均值在618 nm、757 nm、918 nm波段数值的曲线图. 在行向上, 左右两端的校正因子较大, 中间校正因子较低, 说明图像不均一性在左右两端最为明显. 同时随着波长增大, 校正因子也变大, 说明长波段受平场效应的影响较大, 918 nm波段受影响最大.

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

利用本文产生的校正因子对全部的IIM数据进行了校正, 图7是IIM光谱数据平场校正后的假彩色合成图像. 相较于图1, 校正后的光谱图像较好地去除了色调不均一的问题, 同时图像条纹明显减少,图像更加平滑, 更趋近于真实的月表, 有利于对月表的物质成分进行反演.

图7 平场校正后B31 (918 nm)、B24 (757 nm)、B15 (618 nm) RGB假彩色合成图像(轨道号分别为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)

为了验证平场校正后的效果, 我们画出了0230、2248、2867、4437轨在618 nm、757 nm和918 nm 3个波段平场校正前后的反射率曲线图(图8).这些不同轨道、不同反射率和不同地形的数据在平场校正后, 光谱反射率曲线横向响应变得更均一, 表明此次平场校正的效果较好, 能够适用于月表所有地区. 对于受平场效应影响最大的918 nm波段, 分别计算了0230、2248、2867、4437轨的信噪比, 结果如表2所示, 相比于校正前, 校正后光谱的信噪比分别提升134.8%、411.4%、622.9%、306.9%, 数据质量明显提高.

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

图8 续Fig.8 Continued

图8 部分轨道618 nm、757 nm、918 nm波段平场校正前后反射率曲线对比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

定义条纹系数[19]Streakingi=.它通过评估平场校正后图像的相邻列均值关系来评价平场校正的精度, 其中Streakingi为平场校正后第i个探元的条纹系数,Ri为平场校正后第i个探元的反射率均值. 选取2248轨和2867轨的数据, 对本次研究结果和Wu等人2010年的结果[13]进行对比, 结果如图9所示. 本次校正后图像的条纹系数整体有明显的减小, 说明本次校正效果更加优化.

图9 条纹系数对比图Fig.9 Streak coefficient comparison

4 结论

嫦娥一号干涉成像光谱仪存在平场效应, 导致光谱多解性, 不利于获取月表物质成分. 本文提出了基于光谱特征的反射率归一化方法对IIM数据进行平场校正, 提高了数据可用性. 我们根据反射率大小将月表分为了3类, 对每一类反射率选取大量的光谱数据求取平均行, 对平均行进行归一化求取校正因子. 结果表明平场校正后的光谱数据很好地消除了色调的差异及光谱图像上的暗条纹, 且能够满足不同地区的需求, 具有较好的适用性. 相较于校正前的数据, 光谱反射率曲线也更加平滑, 波动变小. 成像光谱载荷是深空探测的重要载荷, 未来将有更多的成像光谱数据需要处理. 我们提出的平场校正方法给成像光谱数据的预处理提供了借鉴.