本發(fā)明是一種對(duì)在軌運(yùn)行的寬波段衛(wèi)星遙感器的光譜響應(yīng)獲取方法，屬于″攝影測量與遙感″學(xué)科中″定量遙感″技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著遙感及其相關(guān)技術(shù)發(fā)展日趨成熟，遙感應(yīng)用也從定性走向定量，定量遙感是遙感發(fā)展的需求和必然結(jié)果。定量遙感的前提和基礎(chǔ)是遙感數(shù)據(jù)的定量化，即建立遙感器輸出的遙感信號(hào)和地表物質(zhì)反射、發(fā)射的輻射量之間的定量關(guān)系，在這個(gè)過程中，只有通過遙感器光譜響應(yīng)作用后的能量才最終被量化成遙感信號(hào)。因此，遙感器光譜響應(yīng)是遙感器把接收到的地物輻射量轉(zhuǎn)換到遙感信號(hào)的關(guān)鍵參數(shù)，是定量遙感的″定量″的前提和基礎(chǔ)。另外，由于光譜響應(yīng)是遙感器對(duì)入射能量進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換的一個(gè)轉(zhuǎn)換關(guān)系參數(shù)，光譜響應(yīng)在遙感數(shù)據(jù)后續(xù)的定量反演和對(duì)反演結(jié)果的定量化分析中也是不可或缺的必要參數(shù)。

遙感器光譜響應(yīng)一般只能在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行精確測量，在衛(wèi)星上天后不能直接進(jìn)行精確測量，目前主要通過星上定標(biāo)法和光譜吸收帶定標(biāo)法這兩種方法對(duì)光譜響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測和修正。星上定標(biāo)法是在衛(wèi)星上安置穩(wěn)定的、對(duì)光譜吸收或反射敏感的特殊材料和設(shè)備，對(duì)遙感器進(jìn)行定期監(jiān)測和修正。這種方法對(duì)星上定標(biāo)設(shè)備的性能要求很高，在實(shí)際應(yīng)用中很難保證精度，且星上定標(biāo)設(shè)備昂貴，因而沒有得到廣泛應(yīng)用。光譜吸收特征定標(biāo)法的前提是遙感器光譜分辨率足夠高，小于某些特殊物質(zhì)在特定的波長位置上的光譜吸收特征，如氧氣在760nm的吸收特征，通過比較圖像光譜特征和固有光譜特征來評(píng)價(jià)和修正遙感器光譜響應(yīng)。

對(duì)于波段響應(yīng)范圍在50nm-100nm左右的寬波段衛(wèi)星遙感器來說，比如landsat的tm、spot衛(wèi)星的hrv等，由于光譜響應(yīng)范圍大于一般物質(zhì)的光譜吸收特征，不能用光譜吸收定標(biāo)法對(duì)光譜響應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定，現(xiàn)在通用的做法是在衛(wèi)星發(fā)射前在實(shí)驗(yàn)室對(duì)遙感器進(jìn)行光譜定標(biāo)，精確測量每一個(gè)波段的光譜響應(yīng)，假設(shè)衛(wèi)星在發(fā)射前后遙感器光譜響應(yīng)不變化或者其變化可以忽略，直接使用實(shí)驗(yàn)室測定的光譜響應(yīng)。

對(duì)于寬波段衛(wèi)星遙感器而言，假設(shè)其光譜響應(yīng)在其整個(gè)生命周期不變化的做法在實(shí)際應(yīng)用中存在一些不足和問題：首先，在嚴(yán)格意義上這種假設(shè)不成立。事實(shí)上，衛(wèi)星發(fā)射后由于儀器元件的老化和外界因素的干擾，遙感器的性能和靈敏度不斷衰減和下降。其次，在特殊情況下，一些遙感器沒有在衛(wèi)星發(fā)射前全面測定其光譜響應(yīng)，極大限制了遙感數(shù)據(jù)定量化處理和應(yīng)用。因此，無論是對(duì)寬波段衛(wèi)星遙感器光譜性能的在軌監(jiān)測和修正，還是為了沒有光譜響應(yīng)的在軌衛(wèi)星提供光譜響應(yīng)，都有必要尋求一種新的、不依賴于實(shí)驗(yàn)室測試的光譜響應(yīng)獲取方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提出了一種不依賴實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)和星上光譜定標(biāo)數(shù)據(jù)的寬波段衛(wèi)星遙感器光譜響應(yīng)獲取方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)在軌運(yùn)行寬波段遙感器光譜響應(yīng)的實(shí)際測量和更新，解決目前僅依靠衛(wèi)星發(fā)射前在實(shí)驗(yàn)室測量的光譜響應(yīng)作為衛(wèi)星遙感器整個(gè)生命周期內(nèi)唯一可用值的缺陷和不足。本發(fā)明具體步驟包括：

a.根據(jù)遙感器成像原理，確定光譜響應(yīng)在遙感器入瞳輻亮度和遙感圖像dn值之間轉(zhuǎn)換過程中的能量傳遞關(guān)系；

b.依據(jù)光譜響應(yīng)在遙感信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中的作用和光譜響應(yīng)具有的曲線特性，將其分解為高斯函數(shù)形式的快變函數(shù)和待求的慢變函數(shù)，建立光譜響應(yīng)的物理模型和解算方程；

c.在philips光滑約束條件和在上述步驟b中光譜響應(yīng)解算方程解的2階導(dǎo)數(shù)平方和最小的條件下，綜合得到光譜響應(yīng)解的表達(dá)式；根據(jù)終得到光譜響應(yīng)解的表達(dá)式，采用迭代方法計(jì)算其最優(yōu)解，該最優(yōu)解即為遙感器的光譜響應(yīng)解算值；

d.依據(jù)上述步驟a-c的原理和方法，用已知光譜響應(yīng)遙感器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，從光譜庫中選取在待解算遙感器波段范圍內(nèi)差異較大的不同地物光譜；依據(jù)輻射傳輸方程，模擬得到上述c中光譜響應(yīng)解算方程的觀測樣本；通過改變方程觀測樣本條件，分析建立觀測樣本個(gè)數(shù)、觀測樣本之間的相關(guān)性、以及待求解光譜響應(yīng)被離散的個(gè)數(shù)與最終解算獲取的光譜響應(yīng)函數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，并形成利用同步衛(wèi)星影像進(jìn)行光譜響應(yīng)解算的先驗(yàn)知識(shí)；

e.獲取待解算寬波段衛(wèi)星遙感器衛(wèi)星影像、同步高光譜遙感影像、同步測量大氣參數(shù)、待解算衛(wèi)星和參考高光譜衛(wèi)星的觀測條件參數(shù)，依據(jù)上述步驟d中獲取的先驗(yàn)知識(shí)，采用交叉輻射定標(biāo)的方法，利用同步的高光譜影像計(jì)算得到待解算遙感器衛(wèi)星影像的入瞳輻亮度；以計(jì)算得到的入瞳輻亮度和待解算遙感器圖像dn值為解算樣本，按照上述步驟a的方法計(jì)算得到待解算遙感器的光譜響應(yīng)。

作為一種解算方法，上述步驟a-c中，基于遙感器成像原理，采用數(shù)學(xué)優(yōu)化的方法推導(dǎo)建立基于同步高光譜圖像的光譜響應(yīng)獲取方法，具體步驟包括：

1)根據(jù)遙感器成像原理，建立遙感器入瞳輻亮度g(λ)和遙感圖像dn值之間的定量函數(shù)關(guān)系，該函數(shù)關(guān)系中包含了遙感器入瞳輻亮度g(λ)與遙感器歸一化光譜響應(yīng)s′(λ)之間的積分運(yùn)算；

2)依據(jù)光譜響應(yīng)的特性，將s′(λ)分解為已知的高斯函數(shù)形式的快變函數(shù)h(λ)和待求的慢變函數(shù)f(λ)，即s′(λ)＝h(λ)f(λ)；

3)綜合上述步驟1)、2)中的函數(shù)關(guān)系，得到光譜響應(yīng)解算模型，di＝aijf+ε，其中ε為誤差向量，di＝dni是dn值向量，f是慢變函數(shù)f(λ)的離散化向量；

4)按照philips光滑約束條件，使上述步驟3)得到的光譜響應(yīng)解算模型di＝aijf+ε的解的2階導(dǎo)數(shù)平方和最小，該模型解q通過最小化性能函數(shù)得到：其中γ是lagrange光滑因子，為非負(fù)值；

5)求q對(duì)f的導(dǎo)數(shù)，可得，-a^tc^-1ε+γhf＝0，其中cij是觀測值的協(xié)方差矩陣c的元素，如果觀測值之間相互獨(dú)立，c是單位矩陣；h是光滑矩陣；

6)綜合上述步驟4)和5)所得公式，最終得到光譜響應(yīng)解的表達(dá)式為f(λ)＝(a^tc^-1a+γh)^-1a^tc^-1d；

7)采用迭代方法計(jì)算上述步驟6)所述的光譜響應(yīng)解的最優(yōu)解。

進(jìn)一步地，上述步驟7)中，采用迭代法計(jì)算最優(yōu)解的具體步驟包括：

a)根據(jù)遙感器光譜響應(yīng)一般形狀滿足高斯函數(shù)分布的假定，確定快變函數(shù)其中μ0＝(λ2+λ1)/2，σ0＝(λ2-λ1)/4，上標(biāo)(0)表示初始值，λ1和λ2分別是待解算遙感器光譜響應(yīng)的最小、最大波長；

b)把h⁽⁰⁾(λ)帶入公式中計(jì)算出a的元素；

c)利用公式f(λ)＝(a^tc^-1a+γh)^-1a^tc^-1d計(jì)算出f⁽¹⁾(λ)，上標(biāo)(1)表示第一次計(jì)算結(jié)果；

d)h⁽¹⁾(λ)＝f⁽¹⁾(λ)h⁽⁰⁾(λ)，重復(fù)上述步驟b)和c)，直到得到穩(wěn)定解f⁽ⁿ⁾(λ)，上標(biāo)(n)表示第n次迭代計(jì)算結(jié)果，下同；

e)最終求得歸一化光譜響應(yīng)s′(λ)＝f⁽ⁿ⁾(λ)h⁽ⁿ⁾(λ)。

作為一種解算方法，其特征在于所述步驟d中，采用和待解算遙感器衛(wèi)星同步或準(zhǔn)同步的高光譜衛(wèi)星圖像獲得真實(shí)的方程解算樣本，解決了在衛(wèi)星同步的地面光譜采集不足問題，具體步驟包括：

(1)依據(jù)先驗(yàn)知識(shí)，確定可用的高光譜遙感器，獲取和待解算遙感器同步或準(zhǔn)同步的影像以及待解算遙感器圖像；并獲取同步測量的大氣參數(shù)；

(2)依據(jù)所述的先驗(yàn)知識(shí)，確定選取的觀測樣本個(gè)數(shù)，從參考的高光譜影像獲取同名地物的輻亮度值，從待解算遙感影像獲取同名地物的dn值；

(3)使用同步獲取的大氣參數(shù)和衛(wèi)星觀測條件，對(duì)參考的光譜影像進(jìn)行大氣校正；

(4)使用同步獲取的大氣參數(shù)和衛(wèi)星觀測條件，對(duì)經(jīng)過大氣校正的輻亮度進(jìn)行輻射傳輸計(jì)算，計(jì)算為待解算遙感器的入瞳輻亮度；

(5)依據(jù)上述步驟1)-7)或a)-e)所述方法對(duì)光譜響應(yīng)進(jìn)行解算，得到待解算遙感器的光譜響應(yīng)。

具體實(shí)施方式

在軌運(yùn)行寬波段衛(wèi)星遙感器的光譜響應(yīng)獲取過程分為三步，(1)基于遙感器成像原理建立解算模型，并根據(jù)數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出模型的解算方法和步驟；(2)利用光譜庫數(shù)據(jù)，基于輻射傳輸過程模擬得到滿足解算需求的數(shù)值，通過對(duì)模擬數(shù)據(jù)的分析建立實(shí)際解算的先驗(yàn)知識(shí)；(3)利用同步的高光譜衛(wèi)星圖像，基于交叉定標(biāo)的方法，獲得真實(shí)的解算樣本，并最終求得待求遙感器的光譜響應(yīng)。三部分工作具體說明如下：

一、模型建立與推導(dǎo)

基于線性遙感系統(tǒng)的假設(shè)，遙感器接收到的輻射能量表達(dá)為入射輻亮度和遙感器光譜響應(yīng)的函數(shù)，即：

其中，λ1和λ2光譜響應(yīng)范圍，λ1是最小值，λ2是最大值；g(λ)是遙感器入瞳的輻亮度；s(λ)遙感器光譜響應(yīng)。

由于原始圖像提供的是dn0值，輻亮度和dn0值，以及扣除暗電流的dn值的關(guān)系為：

l＝a·(dn0-b)＝gain·dn(2)

公式1代入2中得：

由于定標(biāo)系數(shù)gain是一個(gè)固定常量，由于遙感器的光譜響應(yīng)通常要做歸一化處理，常數(shù)gain對(duì)歸一化的光譜響應(yīng)沒有影響，因此，

令為歸一化光譜響應(yīng)，公式3可以改寫為：

如果s′(λ)符合某種函數(shù)分布則有利于計(jì)算s′(λ)。眾所周知，對(duì)于高光譜分辨率波段來說，其光譜響應(yīng)可以近似用高斯函數(shù)代替，對(duì)于寬波段衛(wèi)星遙感器來說，其光譜響應(yīng)s′(λ)有高斯函數(shù)分布特征，但函數(shù)形式隨波長變化較大，如果按照高斯函數(shù)進(jìn)行反演容易導(dǎo)致解的不穩(wěn)定。為此，把寬波段衛(wèi)星遙感器光譜響應(yīng)s′(λ)分解為已知的高斯函數(shù)形式的快變函數(shù)h(λ)和待求的慢變函數(shù)f(λ)，即s′(λ)＝h(λ)f(λ)，則方程4變?yōu)椋?/p>

則可以把方程5寫成線性方程式，即光譜響應(yīng)解算模型：

d＝af+ε(6)

其中ε為誤差向量；

di＝dni，i＝1，2，3，...，p，p是第i個(gè)dn值，p是參與運(yùn)算的觀測樣本(圖像dn值個(gè)數(shù))。

j＝1，2，3，...，q，q是寬波段衛(wèi)星遙感器光譜響應(yīng)被離散的個(gè)數(shù)；f是慢變函數(shù)f(λ)離散化的向量；

對(duì)于方程6，如果直接通過最小化誤差矢量求解f，由于f只能被離散為有限幾個(gè)未知數(shù)，另外觀測樣本g之間也存在一定相關(guān)性，所以導(dǎo)致f的解不穩(wěn)定，不能得到滿意解。philips引入了光滑約束條件，在方程6解的2階導(dǎo)數(shù)平方和最小的條件下得到解q表達(dá)式：

其中γ是lagrange光滑因子，為非負(fù)值。

求q對(duì)f的導(dǎo)數(shù)，可得：

-a^tc^-1ε+γhf＝0(9)

cij是觀測值的協(xié)方差矩陣c的元素，如果觀測值之間相互獨(dú)立，c是單位矩陣；h是光滑矩陣，其形式為：

聯(lián)合方程8和9可得f的解為

f(λ)＝(a^tc^-1a+γh)^-1a^tc^-1d(11)

對(duì)方程11采用迭代方法解算，具體步驟如下：

a)根據(jù)遙感器光譜響應(yīng)一般形狀滿足高斯函數(shù)分布的假定，確定快變函數(shù)h⁽⁰⁾(λ)

式中：

μ0＝(λ2+λ1)/2，

σ0＝(λ2-λ1)/4

b)把h⁽⁰⁾(λ)帶入公式7中計(jì)算出a的元素，上標(biāo)(0)表示初始值；

c)利用公式11計(jì)算出f⁽¹⁾(λ)，上標(biāo)(1)表示第一次計(jì)算結(jié)果；

d)h⁽¹⁾(λ)＝f⁽¹⁾(λ)h⁽⁰⁾(λ)，重復(fù)上述步驟b，c，直到得到穩(wěn)定解f⁽ⁿ⁾(λ)，上標(biāo)(n)表示第n次計(jì)算結(jié)果；

e)最終求得光譜響應(yīng)s′(λ)＝f⁽ⁿ⁾(λ)h⁽ⁿ⁾(λ)。

二、模型解算先驗(yàn)知識(shí)獲取

由于解算模型中觀測樣本之間存在一定相關(guān)性，而且受限于高光譜圖像的光譜分辨率，連續(xù)的寬波段光譜響應(yīng)只能離散為有限的幾個(gè)值，因此，解算模型是一個(gè)病態(tài)的，雖然解算方法采用了優(yōu)化算法，但是仍然不能完全消除病態(tài)效果，因此，模型的解算樣本的先驗(yàn)知識(shí)就尤為重要。本發(fā)明采用光譜庫數(shù)據(jù)，基于輻射傳輸方程，模擬得到待解算遙感器的入瞳輻亮度和圖像dn值，通過調(diào)整觀測樣本個(gè)數(shù)、觀測樣本之間的光譜差異、光譜響應(yīng)被離散的個(gè)數(shù)來獲取模型解算的先驗(yàn)知識(shí)。具體步驟如下：

1)用已知光譜響應(yīng)遙感器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象；

2)從光譜庫中選取在待解算遙感器波段范圍內(nèi)差異較大的不同地物光譜；

3)依據(jù)輻射傳輸方程，模擬得到在一定成像條件下待解算遙感器入瞳輻亮度數(shù)值和輸出圖像dn值，即方程解算的觀測樣本；

4)通過改變方程觀測樣本個(gè)數(shù)、觀測樣本之間的相關(guān)性、待求解光譜響應(yīng)被離散的個(gè)數(shù)，通過比較分析數(shù)學(xué)解算的光譜響應(yīng)和已知光譜響應(yīng)之間的差別，建立光譜響應(yīng)在觀測樣本個(gè)數(shù)、觀測樣本之間的相關(guān)性、待求解光譜響應(yīng)被離散的個(gè)數(shù)三方面的先驗(yàn)知識(shí)；

三、真實(shí)光譜響應(yīng)解算數(shù)據(jù)獲取

由于光譜響應(yīng)解算的觀測樣本個(gè)數(shù)多于被離散的光譜響應(yīng)的未知數(shù)個(gè)數(shù)，觀測樣本的獲取應(yīng)該是和待解算遙感器圖像同步的地面光譜，考慮到在實(shí)際應(yīng)用中很難在衛(wèi)星過頂時(shí)獲取足夠的同步觀測光譜。為此，本發(fā)明提出利用和待解算衛(wèi)星同步的高光譜遙感圖像，采用交叉定標(biāo)的方法，從高光譜圖像上獲取待解算遙感器圖像入瞳輻亮度。具體步驟如下：

1)依據(jù)模型解算的先驗(yàn)知識(shí)，確定可用的高光譜遙感器，獲取和待解算遙感器同步或準(zhǔn)同步的影像以及待解算遙感器圖像；并獲取同步測量的大氣參數(shù)；

2)依據(jù)模型解算的的先驗(yàn)知識(shí)，確定選取的觀測樣本個(gè)數(shù)，從參考的高光譜影像獲取同名地物的輻亮度值，從待解算遙感影像獲取同名地物的dn值；

3)使用同步獲取的大氣參數(shù)和衛(wèi)星觀測條件，對(duì)參考的光譜影像進(jìn)行大氣校正；

4)使用同步獲取的大氣參數(shù)和衛(wèi)星觀測條件，對(duì)經(jīng)過大氣校正的輻亮度進(jìn)行輻射傳輸計(jì)算，計(jì)算為待解算遙感器的入瞳輻亮度；

5)依據(jù)光譜響應(yīng)解算模型的步驟行解算，得到待解算遙感器的光譜響應(yīng)。