基于遙感影像dn值多元參量定標模型的自適應成像方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于遙感影像DN值多元參量定標模型的自適應成像方法，其步驟包括：建立成像系統(tǒng)電子學參數(shù)與遙感圖像的定量數(shù)學關(guān)系；獲取遙感成像系統(tǒng)的位置和姿態(tài)參數(shù)，并計算成像區(qū)域；獲取成像區(qū)域地物覆蓋類型、地物反射光譜以及成像區(qū)域上空大氣和氣溶膠參數(shù)，根據(jù)輻射傳輸方程計算該成像區(qū)域?qū)娜胪椓炼龋粚γ恳痪斑b感影像的入瞳輻亮度進行排序得到最大的入瞳輻亮度值，并通過成像系統(tǒng)調(diào)節(jié)成像參數(shù)使其不超過成像系統(tǒng)最大輸出圖像DN值，然后驅(qū)動成像設備獲取遙感影像。本發(fā)明提出了影響系統(tǒng)成像的具體明確的電子學參數(shù)，使成像控制更加具有針對性；在實際中可動態(tài)調(diào)節(jié)各參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自適應控制。
【專利說明】基于遙感影像DN值多元參量定標模型的自適應成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于遙感影像成像【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于遙感影像DN值多元參量定標模型的自適應成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]可見光遙感成像載荷以太陽輻射為輻射源，太陽輻射經(jīng)大氣吸收和散射之后到達地表，地表的各種覆蓋類型對不同的太陽輻射波長存在著不同的吸收和反射率，地物的反射光再經(jīng)過大氣的吸收和散射作用最后到達成像系統(tǒng)的入瞳處，經(jīng)成像系統(tǒng)的光學系統(tǒng)和電子學系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一幅遙感影像。在這個過程中太陽高度角和方位角、大氣中各類吸收氣體含量(主要是水汽和臭氧含量)和狀態(tài)、大氣氣溶膠的類型和含量、地表覆蓋類型和二向反射特性、傳感器的高度角和方位角、傳感器的光學傳遞函數(shù)和噪聲等都是影響最終獲取的遙感影像的質(zhì)量的重要因素，而遙感影像的質(zhì)量直接決定了后端應用的精度和水平。
[0003]可見光遙感成像過程中不同的大氣和氣溶膠參數(shù)，不同的地物覆蓋類型對應的不同反射率，不同的太陽輻射強度都會影響成像系統(tǒng)入瞳的輻亮度；而成像系統(tǒng)最終輸出的DN值(Digital Number)受入瞳輻亮度、積分時間和電子學增益的影響。為了得到亮度分布一致的高質(zhì)量遙感影像，成像系統(tǒng)必須能夠根據(jù)入瞳輻亮度的變化適時地調(diào)整成像系統(tǒng)的積分時間和電子學增益，從而使成像系統(tǒng)輸出DN值保持在一定的范圍內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明根據(jù)可見光遙感成像過程中的太陽輻射能量的傳輸和轉(zhuǎn)化過程，建立成像系統(tǒng)電子學參數(shù)與遙感圖像的定量數(shù)學關(guān)系，為成像系統(tǒng)電子學參數(shù)的調(diào)節(jié)提供定量的依據(jù)，從而根據(jù)成像區(qū)域的不同、地物覆蓋類型的不同、觀測幾何的不同動態(tài)地調(diào)整成像系統(tǒng)成像參數(shù)。這種針對可見光遙感成像系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)過程是可見光遙感自適應成像的過程。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種基于遙感影像DN值多元參量定標模型的自適應成像方法(或者稱為自適應成像控制方法)，其步驟包括:
[0007]I)根據(jù)可見光遙感成像過程中的太陽輻射能量的傳輸和轉(zhuǎn)化過程，建立成像系統(tǒng)電子學參數(shù)與遙感圖像的定量數(shù)學關(guān)系；
[0008]2)獲取遙感成像系統(tǒng)相對于地球的位置和姿態(tài)參數(shù)，根據(jù)小孔成像模型計算得到每一景遙感影像對應的地表區(qū)域(即計算成像區(qū)域);
[0009]3)獲取成像區(qū)域地物覆蓋類型、地物反射光譜以及成像區(qū)域上空大氣和氣溶膠參數(shù)，進而根據(jù)輻射傳輸方程計算該成像區(qū)域?qū)娜胪椓炼龋?br> [0010]4)對每一景遙感影像的入瞳輻亮度進行排序得到最大的入瞳輻亮度值，并通過成像系統(tǒng)調(diào)節(jié)成像參數(shù)使其不超過成像系統(tǒng)最大輸出圖像DN值，然后驅(qū)動成像設備獲取遙感影像。[0011]進一步地，所述成像系統(tǒng)電子學參數(shù)與遙感圖像的定量數(shù)學關(guān)系，包括求出入瞳福亮度L與遙感圖像的DN (Digital Number)值之間的數(shù)學關(guān)系。實驗室內(nèi)的福射定標主要是使用標準的輻射源對成像系統(tǒng)的入瞳輻亮度與成像系統(tǒng)輸出DN值之間的關(guān)系進行標定。標準輻射源通常使用輸出亮度可變且已知的積分球，用積分球照射成像設備的孔徑，獲取成像系統(tǒng)的輸出DN值，然后使用線性回歸的方法求出入瞳輻亮度與DN值之間的線性回歸系數(shù):DN=kL+g，其中k、g為成像系統(tǒng)的固有參數(shù)。對于遙感自適應控制，由于系統(tǒng)的積分時間和電子學增益都是可變的，因此在室內(nèi)輻射定標過程中需要標定成像系統(tǒng)的輸出圖像DN值與系統(tǒng)的積分時間、電子學增益之間的定量關(guān)系。根據(jù)成像系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系可知，成像系統(tǒng)輸出的圖像DN值與積分時間和電子學增益也是線性關(guān)系。因此，在遙感自適應控制中的實驗室輻射定標過程中需要標定以下函數(shù)關(guān)系:
[0012]DN=aTGL+b,
[0013]其中T為成像系統(tǒng)的積分時間，G為成像系統(tǒng)電子學增益，L為入瞳輻亮度，a、b是成像系統(tǒng)的固有參數(shù)，不同的成像系統(tǒng)，該參數(shù)也不同，需通過實驗室標定求出。
[0014]進一步地，所述自適應成像方法，包括為了使得每一種地物覆蓋類型反射的太陽輻射能量都能夠被遙感成像系統(tǒng)正確轉(zhuǎn)化為遙感影像，同時不能使各地物覆蓋類型所對應的遙感影像不飽和，必須對每一景遙感影像的各地物覆蓋類型得到的入瞳輻亮度進行排序，找到最大的入瞳輻亮度值，并通過成像系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)使其不超過成像系統(tǒng)最大輸出圖像DN值。在一塊地表區(qū)域中可能存在多種地物覆蓋類型，而每一種地物覆蓋類型所對應的入瞳輻亮度均不相同，為了確定成像系統(tǒng)的成像參數(shù)，必須建立參數(shù)調(diào)節(jié)機制。地表覆蓋類型可以分為陸地、植被、沙漠、冰雪、水體和人工建筑六種類型，在可見光波段冰雪的反射率最高，沙漠次之，陸地、植被和人工建筑的反射率居中，而水體的反射率最低。
[0015]進一步地，建立所述成像系統(tǒng)電子學參數(shù)與遙感圖像的定量化數(shù)學關(guān)系時，考慮輻射傳輸模型計算入瞳輻亮度的誤差《，此時要求最大入瞳輻亮度Lmax所對應的圖像DN值為(1-w) DNmax，其中DNma`x表示圖像最大DN值。則上述函數(shù)關(guān)系表示為:
[0016]aTGLmax+b= (1-w) DNmax0
[0017]由于輻射傳輸模型計算入瞳輻亮度的誤差一般在5%左右，因此要求最大入瞳輻亮度所對應的圖像DN值為圖像最大DN值的95%，即:
[0018]aTGL^+b=。.^DNniax。
[0019]本發(fā)明針對不同成像對象和成像參數(shù)的遙感成像系統(tǒng)電子學參數(shù)的自適應調(diào)節(jié)，建立了成像系統(tǒng)電子學參數(shù)與遙感圖像的定量數(shù)學關(guān)系，為成像系統(tǒng)電子學參數(shù)的調(diào)節(jié)提供定量的依據(jù)。本發(fā)明提出了影響系統(tǒng)成像的具體明確的電子學參數(shù)，使成像控制更加具有針對性；在實際中可動態(tài)調(diào)節(jié)各參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自適應控制。本發(fā)明可指導傳感器的參數(shù)設計，為傳感器的參數(shù)退化提供參考價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的基于遙感影像DN值多元參量定標模型的自適應成像方法的流程圖。
[0021]圖2是本發(fā)明的數(shù)字遙感影像的產(chǎn)生流程圖?！揪唧w實施方式】
[0022]下面通過具體實施例和附圖，對本發(fā)明做進一步說明。
[0023]本發(fā)明的基于遙感影像DN值多元參量定標模型的自適應成像方法，其具體步驟如圖1所示，對各步驟具體說明如下:
[0024]1.輻射傳輸方程的計算。
[0025]建立從太陽輻射到數(shù)字遙感影像之間的變換模型，形成輻射傳輸方程。其數(shù)字遙感影像產(chǎn)生過程如圖2所示，包括物像變換、光電轉(zhuǎn)換、信號放大、采樣、量化、編碼、形成數(shù)字圖像等步驟。
[0026]其具體計算過程如下:
[0027]在太陽輻射能量的傳輸過程中太陽輻射、大氣和氣溶膠的吸收和散射、地表的反射特性、太陽的高度角和方位角、傳感器的高度角和方位角都是影響傳感器最終接收到的太陽輻射能量。由于很多相互作用過程，如氣溶膠對太陽輻射的吸收和散射，都不能通過經(jīng)典的物理過程和物理定律進行描述，因此在計算入瞳輻亮度時只能通過數(shù)值計算的方法進行近似描述和求解。在這個過程中可使用6S軟件計算輻射傳輸。
[0028]1986年法國大氣光學實驗室開發(fā)了太陽光譜波段衛(wèi)星信號模擬程序5S，用來模擬地氣系統(tǒng)中太陽輻射的傳輸過程并計算衛(wèi)星入瞳處輻亮度。1997年發(fā)展到了 6S，6S吸收了最新的散射計算方法，使太陽光譜波段的散射計算精度比5S有所提高。這種模式是在假定無云大氣的情況下，考慮了水汽、C02、03和O2的吸收、分子和氣溶膠的散射以及非均一地面和雙向反射率的問題。本發(fā)明主要針對可見光遙感成像，選擇6S進行輻射傳輸計算。
[0029]2.成像區(qū)域的計算。
[0030]首先需要根據(jù)遙感平臺的軌道設計和平臺的運行時間計算遙感平臺相對于地球的位置。同時，由于遙感成像系統(tǒng)在對地遙感成像時通常還有側(cè)擺，需要通過遙感平臺上的姿態(tài)控制系統(tǒng)精確獲取遙感成像系統(tǒng)的姿態(tài)。在獲取了以上兩個參數(shù)之后，再根據(jù)小孔成像模型進行計算，得到每一景遙感影像對應的地表區(qū)域。
[0031]3.成像區(qū)域地物光譜信息的獲取。
[0032]在通過上一步的計算得到每一景影像對應的成像區(qū)域之后，還需要根據(jù)先驗知識獲取該成像區(qū)域的地物覆蓋類型和地物反射光譜。地物的覆蓋類型和地物的反射光譜有多種數(shù)據(jù)來源，可以通過其它遙感平臺的動態(tài)觀測數(shù)據(jù)獲取，也可以根據(jù)自身遙感平臺獲取的遙感影像進行提取。由于地物覆蓋類型受季節(jié)更替和人類活動的影響會發(fā)生很大的變化，因此需要根據(jù)一定的更新機制對不同區(qū)域的地物覆蓋類型和地物反射光譜數(shù)據(jù)進行更新。
[0033]4.成像區(qū)域上空大氣和氣溶膠參數(shù)的獲取。
[0034]大氣和氣溶膠參數(shù)是影響遙感成像系統(tǒng)入瞳輻亮度的關(guān)鍵參數(shù)。由于地球上空不同區(qū)域的大氣成分(主要吸收氣體含量)會存在顯著差異，不同地表覆蓋類型產(chǎn)生的氣溶膠的類型和濃度也存在巨大差異，因此在確定成像區(qū)域之后，就需要根據(jù)其它傳感器的監(jiān)測結(jié)果獲取大氣和氣溶膠的參數(shù)。由于大氣時刻處于變化和運動當中，雖然理想情況下需要獲取成像時的大氣和氣溶膠參數(shù)，但是實際上很難實現(xiàn)。因此也需要通過其它遙感監(jiān)測的結(jié)果對成像區(qū)域的大氣和氣溶膠參數(shù)進行估計。
[0035]5.入瞳輻亮度的計算與成像參數(shù)的設定。[0036]入瞳福亮度L (Radiance)表示面積為A的福射源(在遙感成像過程中代表地表反射源)在高度角方向上立體角內(nèi)的輻射功率，其單位為W/(str.m2)。在定量遙感中通常使用入瞳輻亮度來表征遙感成像系統(tǒng)接收到的能量。
[0037]關(guān)于遙感圖像的DN值，可見光遙感成像系統(tǒng)工作在線性區(qū)段，它將輸入的能量經(jīng)過電子學系統(tǒng)線性地放大成為系統(tǒng)可檢測的電信號，為了得到數(shù)字化的遙感影像，電子學系統(tǒng)還需對線性放大的電信號進行量化和采樣，最終輸出的是每個像素對應的像素值(DN值)。遙感成像系統(tǒng)在量化采樣過程中，量化級別的多少由成像系統(tǒng)的電子學量化位數(shù)決定。該量化位數(shù)由成像系統(tǒng)采用的量化采樣芯片決定。一個具有η位量化位數(shù)的數(shù)字成像系統(tǒng)可以將輸入的能量量化為2"個級別。顯然，量化位數(shù)越多，能夠產(chǎn)生的量化級別越多，其能夠分辨的輸入能量的差異也越小，成像系統(tǒng)的輻射分辨率越高。
[0038]實驗室內(nèi)的輻射定標主要是使用標準的輻射源對成像系統(tǒng)的入瞳輻亮度與成像系統(tǒng)輸出DN值之間的關(guān)系進行標定。在上述成像幾何參數(shù)、地表覆蓋類型和反射率、大氣和氣溶膠參數(shù)獲取之后，就可以根據(jù)輻射傳輸方程計算該成像區(qū)域?qū)娜胪椓炼取５玫饺胪椓炼鹊闹抵缶涂梢愿鶕?jù)遙感成像系統(tǒng)室內(nèi)輻射定標得到的入瞳輻亮度與系統(tǒng)輸出DN值之間的定量關(guān)系設定成像系統(tǒng)的成像參數(shù)，然后驅(qū)動成像設備獲取該區(qū)域的遙感影像。
[0039]6.成像參數(shù)的調(diào)節(jié)。
[0040]在這一塊地表區(qū)域中可能存在多種地物覆蓋類型，而每一種地物覆蓋類型所對應的入瞳輻亮度均不相同，為了確定成像系統(tǒng)的成像參數(shù)，必須建立參數(shù)調(diào)節(jié)機制。根據(jù)前面的分析，地表覆蓋類型可以分為陸地、植被、沙漠、冰雪、水體和人工建筑六種類型，在可見光波段冰雪的反射率最高，沙漠次之，陸地、植被和人工建筑的反射率居中，而水體的反射率最低。為了使得每一種地物覆蓋類型反射的太陽輻射能量都能夠被遙感成像系統(tǒng)正確轉(zhuǎn)化為遙感影像，同時不能使各地物覆蓋類型所對應的遙感影像不飽和，必須對每一景遙感影像的各地物覆蓋類型得到的入瞳輻亮度進行排序，找到最大的入瞳輻亮度值，并通過成像系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)使其不超過成像系統(tǒng)最大輸出圖像DN值。由于輻射傳輸模型計算入瞳輻亮度的誤差在5%左右，因此要求最大入瞳輻亮度所對應的圖像DN值為圖像最大DN值的95%,即:
[0041]aTGLmax+b=0.95DNmax,
[0042]其中，Lmax表示最大入瞳輻亮度，DNmax表示最大DN值，a、b為函數(shù)的系數(shù)，由不同系統(tǒng)標定而得；，a、b是成像系統(tǒng)的固有參數(shù)，不同的成像系統(tǒng)，該參數(shù)也不同，需通過實驗室標定求出。
[0043]以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其進行限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的保護范圍應以權(quán)利要求所述為準。
【權(quán)利要求】
1.一種基于遙感影像DN值多元參量定標模型的自適應成像方法，其步驟包括: 1)根據(jù)可見光遙感成像過程中的太陽輻射能量的傳輸和轉(zhuǎn)化過程，建立成像系統(tǒng)電子學參數(shù)與遙感圖像的定量數(shù)學關(guān)系； 2)獲取遙感成像系統(tǒng)相對于地球的位置和姿態(tài)參數(shù)，根據(jù)小孔成像模型計算得到每一景遙感影像對應的地表區(qū)域； 3)獲取所述地表區(qū)域的地物覆蓋類型、地物反射光譜以及成像區(qū)域上空大氣和氣溶膠參數(shù)，進而根據(jù)輻射傳輸方程計算成像區(qū)域?qū)娜胪椓炼龋? 4)對每一景遙感影像的入瞳輻亮度進行排序得到最大的入瞳輻亮度值，并通過成像系統(tǒng)調(diào)節(jié)成像參數(shù)使其不超過成像系統(tǒng)最大輸出圖像DN值，然后驅(qū)動成像設備獲取遙感影像。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟I)所述成像系統(tǒng)電子學參數(shù)與遙感圖像的定量數(shù)學關(guān)系包括入瞳輻亮度L與遙感圖像的DN值之間的數(shù)學關(guān)系。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:所述成像系統(tǒng)電子學參數(shù)與遙感圖像的定量數(shù)學關(guān)系還包括成像系統(tǒng)的積分時間和電子學增益與遙感圖像的DN值之間的數(shù)學關(guān)系O
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:所述成像系統(tǒng)電子學參數(shù)與遙感圖像的定量化數(shù)學關(guān)系是:
DN=aTGL+b,` 其中，DN為遙感影像的是每個像素對應的像素值，T為成像系統(tǒng)的積分時間，G為成像系統(tǒng)電子學增益，L為入瞳輻亮度，a、b是成像系統(tǒng)的固有參數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:建立所述成像系統(tǒng)電子學參數(shù)與遙感圖像的定量化數(shù)學關(guān)系時，考慮輻射傳輸模型計算入瞳輻亮度的誤差《，即:
aTGLmax+b= (l-w)DNmax, 其中，Lniax表示最大入瞳輻亮度，DNmax表示最大DN值。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于:所述誤差w為5%。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟2)根據(jù)遙感平臺的軌道設計和運行時間計算遙感平臺相對于地球的位置。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟3)所述地物覆蓋類型和地物反射光譜根據(jù)自身遙感平臺獲取的遙感影像進行提取，或者通過其它遙感平臺的動態(tài)觀測數(shù)據(jù)獲取。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3)所述地物覆蓋類型包括:陸地、植被、沙漠、冰雪、水體和人工建筑。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:采用6S模擬程序進行輻射傳輸計算。
【文檔編號】G01S17/89GK103777205SQ201410014739
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月13日
【發(fā)明者】晏磊, 王明志, 林沂, 戎志國, 譚翔, 胡秀清, 楊鵬, 李元, 劉颯 申請人:北京大學