基于精确光谱响应匹配的星载成像光谱仪交叉辐射定标

２数据处理
成像光谱仪的交叉辐射定标包括以下主要数据处理过 程：定标靶区选择、遥感图像预处理、大气层顶表ｊＩ！Ｉｌ辐亮度 模拟、光谱响应匹配与定标系数逐波段计算等。 ２．１定标靶区选择 定标区域的选择直接关系到定标结果的精度与有效性。 由于Ｈｙｐｅｒｉｏｎ遥感器与ＨＳＩ遥感器的空间分辨率差异较大 （表１），因此，在定标靶区选择时必须考虑大面积均一的地 物，以便尽可能减小两遥感器影像数据的空间匹配误差。另 一方面，由于两卫星过境对同一目标区域进行观测的时间可 能存在差异，因此也必须考虑探测目标反射特性的稳定性与 大气的稳定性。综合以上两个方面，本研究选择敦煌辐射定 标试验场作为定标靶区，既可以保证地面均一与朗伯性，又 可以保证在一定时间段内地表反射特性与大气的稳定。此 外。戈壁沙漠具有较高的反射率，町以在某种程度．ｊ：减小大 气对遥感器入瞳辐亮度的相对贡献。 经过筛选分别选取了２０１０年８月２０日与２１口敦煌遥 感辐射定标场的两景影像进行交叉定标研究。两遥感器对目 标区域的过境时间前后相差一天，成像时间差在３０分钟内 （表１）。结合当时的气象数据町知。前后两天天气状况荩本 一致。因此选择合适的匹配数据源可以最大有效地排除大气 条件差异所带来的误差。 （２）儿何校正 以几何校正后的Ｈｙｐｅｒｉｏｎ图像为参考基准，选取参考 图像和待定标图像中的同名地物点，对ＨＳＩ图像进行几何精 校正，几何精校正误差控制在０．５个像素内。几何校正后将 Ｈｙｐｅｒｉｏｎ图像空间分辨率重采样为１００ （３）扩大因子去除 Ｈｙｐｅｒｉｏｎ数据生成产品时对可见光近红外（ＶＮＩＲ）波段 和短波近红外（ＳＷＩＲ）波段ＤＮ值迸行了放大，因此交叉定 标时需要去除扩大因子（ＶＮＩＲ为４０，ＳＷｌＲ为８０）。ＨＳＩ数 据生成Ｊ怔品时所有波段扩大因子均为１００。 ２．３表观辐亮度模拟与匹配因子计算 由Ｈｙｐｅｒｉｏｎ和Байду номын сангаасＳＩ遥感数据产品头文件中获取成像时 的观测儿何，由表２可知，两遥感器都接近垂直观测，大气 路径的差异较小，因此在交叉辐射定标中可以忽略地物的
对两成像光谱仪光谱通道之间进行精确光谱响应匹配，消除波段设置的差异性，显著降低了ＨＳＩ定标系数
的不确定度。基于本定标方法得到的ＨＳＩ １１５个波段的绝对定标系数中，Ｂａｎｄ １至Ｂａｎｄ ６０之间的定标系数 的不确定度稳定在５％～８％，除７６０ ｎｌＴｌ附近的氧气吸收波段与９４０ ｎｎｌ附近的水汽吸收波段外，其余波段 的定标系数的不确定度为７％～１８％，随着波长的增加，不确定度增大。与传统波段匹配方法相比，提高了
（９）
、ＥＤｌ／Ｈｙｐｅｒｉｏｎ和ＨＪ／ＨｓＩ的辐射定标模型中入瞳辐亮
（４）
其中Ｌｏ（Ａ）为Ｌｏ经过三次样条插值后得到的光谱间隔为’１ ｎｎ２的辐亮度，这里将光谱间隔为１ ｎｉｎ的辐亮度看作是连续 光谱的辐亮度。 第ｋ次光谱响应插值结果为
（５）
其中增益ｇ即为成像光谱仪的定标系数。 入瞳辐亮度和大气层顶表观反射率之间的关系为
（１）
考图像的表观辐亮度进行光谱匹配修正尽可能减小光谱匹配
误差。
对于成像光谱仪而言，对应通道设置（中心波长与带宽） 存在很大的差异，直接使用匹配因子进行光谱通道匹配误差
较大，从而给交叉定标造成较大的不确定性。通过反卷积去
除光谱响应函数的方法计算遥感器入瞳辐亮度，结合大气辐
射传输模型模拟的两遥感器入瞳辐亮度对两种遥感器进行精 确光谱匹配，并由待定标遥感器光谱响应函数滤波获取待定 标遥感器的等效入瞳辐亮度。 反卷积过程是通过测量输出等效人瞳辐亮度和已知输入 光谱响应函数重构未知输入入瞳辐亮度。在反卷积的计算过
收稿日期：２０１２－０５－１５。修订日期：２０１２－０８－０８ 基金项目：国家自然科学基金项目（４０９０１１６８）资助
叉定标［３］。为了确保交叉定标的品质，交叉定标的目标必须
合理确定，需要慎重选择参与交叉定标的卫星遥感数据，然 而对于星载成像光谱仪，目前在轨的仅有美国ＥＯ－１／Ｈｙｐｅｒｉ— ｏｎ、欧空局Ｐ王ｔＯＢ／ＣＨＲＩｓ和中国Ｉ＿Ｕ／ＨｓＩ等少数几个，因 此受参考源限制，不同遥感器的通道设置差异性大，传统的 交叉定标方法通常难以直接应用于成像光谱仪。为了消除交 叉辐射定标的高光谱遥感器之间通道设置不同与光谱响应差 异，本研究利用ＥＯ－１／Ｈｙｐｅｒｉｏｎ作为参考遥感器对｝Ｕ／ＨｓＩ 进行交叉辐射定标，通过反卷积方法去除光谱响应函数影响
ｐ（Ａ）一瓦７ｔ忑Ｘ ｄ而ｚ
Ｘ丽ＬｆＯ．）
其中∥为太阳辐照度的日地距离修正系数；ｎｎ）为第ｉ通道 的大气层顶表观反射率；Ｌ；Ｕ）为第ｉ通道入瞳辐亮度； Ｅｓ。，ｔ（Ａ）为第ｉ通道日地平均距离处太阳辐照度；晓为太阳天 顶角。对式（３）离散化后得到
霹：—ｆｆ’、＿＿ｉｊ ∑Ｓ．ｏ（Ａ）
Ｌｒｋ（２—）Ｓ—ｉ，ｏ（２）
ｃｎ
万方数据
第１２期
光谱学与光谱分析
３４１７
设置相差较大的问题，精确实现成像光谱仪的交叉辐射定标。
气响应差异以及两卫星平台上遥感器的观测几何等方面的差 异。 综合式（４）、式（５）和式（７）即可以求出遥感器的定标系 数。 １．２光谱响应匹配 影响交叉定标精度的因素包括：参考遥感器的辐射定标 精度、两个遥感器的波段设置与光谱响应函数的差异、大气 辐射传输模拟误差、过境时间差、观测几何、地物目标的稳 定性与ＢＲＤＦ特性、大气的稳定性与遥感器的偏振不确定 性“］等。对于地面的不均匀性、大气的不稳定性和成像几何 导致的误差，可以通过严格选择交叉定标条件（选择朗伯性 好的地表、过境时间间隔尽可能短、同为垂直观测等）的图 像来降低；对于图像匹配误差可以选择大片均匀地物图像并 通过图像几何校正来降低或消除［５３；因此交叉定标的精度主 要源于参考遥感器的辐射定标精度和两个遥感器的光谱响应 差异。对于特定的参考遥感器，必须根据光谱响应函数对参
其中Ｌ（又）为对应像元空间位置的遥感器入瞳处连续光谱辐亮
度（以下简称入瞳辐亮度）；２为波长，Ｓ（Ａ）为光谱响应函数； Ｋｆ为增益系数；Ｂｆ为暗电流引起的偏置系数；ｉ为波段号。 在定标过程中，常用等效值Ｌ表示第ｉ波段的等效入瞳 辐亮度，可以表示为
ＤＮｉ＝Ｌｉ ＫｆＳｉ（｜＝【）ｍ＋Ｂｉ （２）
程中采用三次样条插值并累次迭代逐步逼近的方法，其基本
１定标方法
交叉辐射定标的本质是遥感器辐射标准的传递，它是利 用绝对辐射定标精度相对较高的遥感器通道来标定精度相对 较低的遥感器通道的过程，其前提是假设相同观测几何条件 下，同时过境的两个卫星遥感器对同一地物目标观测所接收 到的入瞳辐亮度相等，因此若两遥感器光谱通道设置和成像 条件之间的差异不能精确修正，将会对遥感器定标精度产生 显著影响。此外，由于成像光谱仪光谱分辨率高，不同成像 光谱仪之间的通道设置差异较大，光谱响应的差异性修正尤 为重要。本文基于精确光谱响应匹配对一般交叉定标辐亮度 法进行改进，实现ＨＳＩ的交叉辐射定标。 １．１交叉辐射定标原理 假设被标定遥感器过境时地表参数、大气状况与参考遥 感器过境时相同，则由参考遥感器得到的入瞳辐亮度，推算 得到被定标的遥感器的入瞳辐亮度，将其与被定标遥感器观 测得到的ＤＮ值进行比较，便可得到定标系数，从而实现对 被标遥感器的在轨辐射定标。 成像光谱仪探测单元获取的ＤＮ值可以表示为 ＤＮｉ—ｌＬｎ）ＫＳｆ（．：Ｉ）出＋Ｂｉ
定标精度决定了遥感数据与产品的品质。随着遥感卫星定量 化技术和遥感数据定量化应用技术的迅速发展，对提高卫星 遥感仪器辐射定标精度的要求日益迫切。ＨＪ一１Ａ／ＨＳＩ是我
国第一台星载空间干涉型成像光谱仪。由于该遥感器不具备
在轨定标能力，发射前的实验室定标难以解决遥感器在轨性 能的稳定性问题，只能借助场地定标或交叉定标等替代定标 方法提供绝对辐射定标系数。 场地定标法是一种国际上公认且成熟的方法，但由于其 对场地条件要求较高，投入大，定标系数更新频率低，且无 法对历史数据进行定标，难以满足长时间序列分析的需求。 交叉定标是解决该问题的有效方法之一，通过交叉定标可以 确保不同遥感卫星观测结果的一致性，从而使得综合应用长 时间尺度的多颗卫星遥感数据成为可能，因而被国际地球观 测系统委员会（ＣＥＯＳ）定标检验组（ＷＧＣＶ）所推崇［１｜。
瞳辐亮度，ｋ为光谱匹配因子，包含了两遥感器对地物及大
万方数据
３４１８
光谱学与光谱分析
第３２卷
瞳辐亮度。在待定标遥感器的数据产品中获取其ＤＮ值，通 过式（４）即可求…待定标遥感器的定标系数。
波段对ＨＳＩ遥感器的全部１１５个波段进行定标。ＨＳＩ的数据 产品为Ｌ２级产品，由连续成像的两景图像拼接得到，如图１ （ｂ）所示。
的方式计算连续辐射光谱，根据所得的两遥感器连续辐射光
谱进行精确光谱响应匹配，可以有效解决两遥感器光谱通道
作者简介：周冠华，１９７６年生，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院讲师 ＊通讯联系人
ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｇｕａｎｈｕａ（西ｂｕａｍ ｅｄｕ．ａｎ
ｅ－ｍａｉｌ：ｈｊｚｈａｏ＠．ｂｕａｍ ｅｄｔＬ
思想是用某个简单函数在满足一定条件下，在某个范围内近 似替代另一个较为复杂或解析式难以给出的函数，以便简化
（３）
由式（１）和式（２）可得
Ｌ—ｌＬ（２）Ｓｉ（２）ｄＭｌ Ｓｉ（Ａ）出
度与ＤＮ值之间的关系为
Ｌｉ—ＤＮ・ｇ
后者的某些性质。具体计算过程如下，设
Ｌｏ—Ｌ一｛Ｌｆ＇０ Ｉ（ｉ一１，２，…，咒）） Ｌｏ（Ａ）一ｓｐｌｉｎｅ＿ｉｎｔｅｒｐ（Ｌｏ） （８）
约５０％的精度，该定标精度基本可以满足遥感数据定量化应用的需求。该方法解决了在轨星载成像光谱仪 光谱通道设置差异大、交叉定标精度低，难以实用的问题，为星载成像光谱仪高频率更新辐射定标数据提供
了一种有效方法。 关键词高光谱遥感；光谱匹配；交叉定标；成像光谱仪 中图分类号：ＴＰ７０２ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｒＬ １０００—０５９３（２０１２｝１２—３４１６—０６ 交叉辐射定标是利用定标精度较高的遥感器为标准来标
第３２卷：第１２甥
２ ０ １
２年１ ２月