高光谱成像仪的高精度实验室辐射定标及校正方法 |
| 2012-12-22 11:25 作者：马庆军 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网文】据《硅谷》杂志2012年第19期刊文，遥感仪器的定标是遥感信息定量化分析的关键技术之一，介绍高光谱成像仪实验室辐射定标的几种常用算法，结合实例分析采用两点法进行辐射校正后图像中出现条带的原因，给出解决方案，最终提高辐射校正的精度和图像质量。
关键词：成像光谱仪；辐射定标；定标范围；暗电流
0引言
上世纪80年代遥感仪器最重要的发展之一就是成像光谱仪的兴起，因其可以在一定光谱范围内以高分辨率同时获得连续的地物光谱图像，在农业调查、森林植被普查和海洋研究与监测等很多领域都得到了高效的应用。到了90年代，随着光电技术的发展，新型的成像光谱仪在保持空间分辨力和信噪比的基础上，可以得到包含几百个波段的光谱信息的图像数据。为了和传统的多光谱扫描仪相区别，国际上一般把光谱分辨力小于10nm，波段多达几百个的成像仪称为高光谱成像仪（Hyper-spectralImager）[1]。
遥感仪器的准确定标是遥感信息定量化的前提，它包括光谱定标、几何定标和辐射定标，遥感数据的可靠性及应用的深度和广度在很大程度上取决于遥感仪器的定标精度。所谓遥感仪器的辐射定标就是指建立遥感仪器每个探测元所输出信号的数值量化值（DigitalNumber，DN）与该探测器对应象元内的实际地物辐射亮度值之间的定量关系[2]。
2传统定标方法
按所采用的模型阶数，传统的辐射定标算法可以分为两点线性定标法、分段线性定标法和曲线拟合定标法。如图1所示，其基本思想是对面阵内的每一个像元，先由标准光源辐射定标获得多个定标点，再利用定标点通过拟合的方式建立线性或非线性的模型，然后由此模型，对高光谱图像进行辐射量反演。
图1辐射校正流程
Fig.1Flowofradiationcorrection
2.1定标数据特点分析
在讨论算法之前，先来看一下高光谱成像仪辐射定标数据的特点。图2所示为在利用积分球定标系统对高光谱成像仪进行的一次实验室定标中，获得的四个不同波段的同一序号像元的定标点图（图中横坐标只具有相对含义，并不代表实际的能量）。通过改变积分球能级、成像仪镜头的光圈数等定标参量，共获得22个定标点。从图中我们可以看到，在整个定标过程中，波段1的像元始终工作在能量很小的范围内；波段61的像元虽然在一个相对较大的范围内工作，但大部分定标点仍旧集中在原点附近；波段123、184的像元的定标点则分布在一个更大的范围，而且波段184的像元已出现饱和的现象（随着电磁波能量的增加，灰度值不再增加）。
图2一次定标中四个波段的定标点图
Fig.2Calibrationdataof4wave-bandsinoneradiationcalibrationprocess
2.2定标方法问题分析
通过上述对定标数据的分析不难发现，在做辐射定标及校正时，如果不考虑两个“范围”，即“定标范围”和“工作范围”，将会引发很大的问题。下面我们以两点线性定标法为例，并不失一般性地对问题作一些简化及假设，来看一下传统定标方法的校正结果，并探讨其中存在的问题。两点线性定标法就是通过定标获得像元的两个定标点、，然后由定标点建立像元的线性模型[3]
（1）
将定标点代入式3.2，可以求出模型的两个参数，
（2）
最后给出反演的计算公式
（3）
图3探测像元输入输出特性的折线简化模型及两点定标法线性模型
Fig.3Simplifiedbroken-linemodelofdetector’sI/Ocharacterandlinearmodeloftwo-pointcalibrationalgorithm
图3（a）所示为例子中使用的探测像元的输入输出特性的折线简化模型。其中输入电磁波能量我们以积分球内打开卤灯的盏数为单位来表示。又假设3盏灯的能量恰为无感应区与线性区的分界点，5盏灯的能量恰为线性区与饱和区的分界点。利用两点建立线性模型，如图3（b）、（c）、（d）中虚线所示。下面列出了在反演中可能会出现的问题：
2.2.1两个定标点恰为3盏灯和5盏灯
1）输入为4盏灯，能进行正确的反演。
2）输入为1盏灯，从图3（c）上我们可以看出，利用线性模型进行反演，将会得到一个偏大的值，如2盏灯。
3）输入为7盏灯，利用线性模型进行反演，将会得到一个偏小的值，如6盏灯。
2.2.2两个定标点恰为1盏灯和3盏灯
1）输入为2盏灯，能进行正确的反演。
2）输入为4盏灯以上时，从图3（b）上我们可以看出，利用线性模型进行反演得到的值都是偏大的。
由于这种情况在实际定标时经常发生，具有很高的实际意义，有必要进行一些更为详细的分析。以4盏灯为例，从图中可以看到，此时利用线性模型进行反演得到的能量要比4盏灯大很多，如7盏灯，反应在反演后的图像上就是出现了一条实际中并不存在的亮条带。我们再来看一种更为极端的情况，就是当实际输入能量很大，如7盏灯时的反演结果。从图中可以看到，此时反演得到的能量要比7盏灯大很多，由于反演后的数据也是有限字节长度的整数来存储的，如果反演得到的能量值超过了一定数值，便会导致溢出现象，进而在反演后的图像上出现一个暗条带（亮度翻转）。
2.2.3两个定标点恰为5盏灯和7盏灯
这种情况和2是类似的，只不过在定标范围以外反演得到的值都是偏小的，即存在着产生暗条带的问题，以及当实际输入能量很小时，反演得到的能量值可能为负数。实际上任何一种定标方法，只要建立出来的模型的零输入响应大于暗电流DN值，都存在着反演时可能得到负能量的危险。
以上只列出了两点定标中可能出现的错误中三种简单的情况，当两个定标点位于不同的区域时，那么线性模型就基本上完全失效了。
图4所示为用两点线性定标法校正前后，高光谱数据某一波段的图像（成像仪自右向左推扫成像，背景为均匀的天空）。可以清楚地看到校正后的图像中有明暗条带的存在，特别是第235行（由第235号像元成像）有一条非常明显的亮条带。图中三个方框标示的白色区域（像素值很大）为上面得到的反演得到负数的情况，由于用无符号整数来存储，所以得到了很大的正数。
（a）原始图像
（a）OriginalImage （b）辐射校正后的图像
（b）Radiationcorrectedimage
图4两点线性定标法校正前后某一波段的图像
Fig.4Pre-and-postradiation-correctionimagesfromacertainwavebrandusingtwo-pointlinearcalibrationalgorithm
不难看出，在分段线性和多项式拟合等定标方法中存在着同样的问题，即抛开探测像元的实际输入输出特性，而默认探测像元在整个工作范围（从暗信号直到探测像元饱和）内都符合所采用的数学模型。最明显的例子就是当实际工作点位于定标范围以外时，常常在反演后的图像中出现不应该有的暗条带或亮条带。
2.3光源特性分析
如图5所示为在实验室辐射定标中使用的标准辐射源卤素灯的光谱辐射亮度曲线。图中的灰色部分为可见光高光谱成像仪的工作波段。从图中可以清楚地看到，在利用该定标系统进行定标时，在相同的光谱分辨率下，成像仪各个波段间的探测像元的输入能量有很大的差异，且随波长增加而迅速递增。正是这一点导致了前面我们看到的在定标数据中出现的问题（如图2），即当长波（这里的长波、短波是在成像仪的工作波段内相对而言的）部分的探测像元工作在线性区甚或是饱和区时，短波部分的探测像元却仍然有可能工作在无感应区附近，直至定标的最大输入能量。
图5积分球光源的光谱辐射亮度
Fig.5Integratingsphere’sspectralradiancecurve 图6地表上太阳光的光谱辐照度
Fig.6Sunrays’spectralirradianceontheearth’ssurface
图6所示为地表上太阳光的光谱辐射照度。图中灰色部分为可见光高光谱成像仪的工作波段。与图5对比可以看出，在传统的定标方法中，定标时工作在原点附近的短波波段的像元，在对地物成像时却很有可能工作在能量较大的范围内。导致了辐射量反演时，以很窄的能量范围内的响应特性代替较宽能量范围内的响应特性，对响应线性度较差的像元，即使采用多项式拟和算法和分段线性法也无法得到良好的反演结果。
3解决方案
综上所述，在传统的定标方法中存在着部分像元的定标范围窄、定标点数少、采用不符合像元实际输入输出特性的线性模型等问题，正是这些问题导致了所建模型与探测像元的实际特性有较大差异，从而限制了辐射校正这一高光谱数据处理中极为重要的一步的精度的提高。
解决问题的关键在源头，即定标数据的获取。具体一点说，就是要在定标中要注重“范围”的概念，在一次定标中要尽量使面阵内的每一个像元在整个工作区域都有定标点分布，以力求做到对像元特性的全面而且有一定精度的了解。这实际上是对定标提出了更高的要求，在这里我们把它总结为全范围、高密度（对不同精度要求、不同区域有不同的定标点密度要求）定标。在数学模型的选取上，本文采用了多阶多项式拟合的方法，即简单可行，又可以减少噪声对模型稳定性和精度的影响。
图7为利用同样一组定标数据，但将暗信号也做为定标点，即尽可能多地拓宽“定标范围”，利用多项式拟合定标法校正得到的图像。与图4（b）相比，可以看到条带效应已经明显减弱，得到了一幅很好的辐射校正图像。
图7拓宽定标范围后多项式拟合定标法校正得到的图像
Fig.7Imagecorrectedbypoly-fitalgorithmaftercalibrationrangewidened
4结论
辐射校正是通过对遥感器进行定标来实现的，这就要求我们必须对作为标准辐射源的光源的辐射特性、作为定标对象的探测元件的响应特性有先验的认识，以做到定标时有的放矢。本文提出了定标范围、定标密度等概念，指出定标要全范围、高密度，模型要采用合适阶数的多项式；通过分析标准辐射源在高光谱成像仪的工作波段内的光谱辐射特性，指出正是该特性的大范围波动导致了不同波段像元定标范围的巨大差别。另外，从纯物理模型的角度，本文提出应把暗电流作为一个定标点来看待。实例证明，与传统辐射校正方法相比，本文提出的概念和方法校正精度更高、图像效果更好。
基金项目：国家863计划资助项目（863-818-09-10）
作者简介：
马庆军（1979-），男，黑龙江密山人，副研究员，主要从事遥感数据获取和处理算法研究。 |
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