星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法

2023-10-10 13:40:49

星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法
【專利摘要】一種星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法，包括：步驟(S1)，針對REF數據文件及MON數據文件，選擇出衛星傳感器的最佳交叉輻射定標區域；步驟(S2)，將上述最佳交叉輻射定標區域均勻劃分成相同經緯度間隔的空間匹配格網；步驟(S3)，建立時空統計查找表，該時空統計查找表由空間索引表、時間索引表以及文件統計表構成，上述文件統計表中被寫入空間匹配網格聚合信息；步驟(S4)，根據上述空間匹配網格聚合信息，選出滿足條件匹配的上述空間匹配網格聚合信息中的輻亮度配對數據；和步驟(S5)，採用線性穩健回歸方法來建立所有輻亮度配對數據間的統計回歸關係，以估算出交叉輻射定標係數。
【專利說明】星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及空間和對地觀測【技術領域】，特別是一種星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法。
【背景技術】
[0002]空間和對地觀測【技術領域】是涉及航天、光電、物理、計算機、信息科學等諸多學科和應用領域的尖端綜合性【技術領域】，主要通過利用地面遙感車、氣球、飛艇、飛機(航空、航天)、衛星等各種平臺，實現對地球陸地、大氣、海洋的立體、實時的觀測和動態監測，提供宏觀、準確、綜合、連續多樣的地球表面信息和數據，從而改變了人類獲取地球系統數據和對地球系統的認知方式。
[0003]20世紀80年代初隨著全球資源和環境變化遙感監測綜合應用和定量分析技術的發展，對衛星遙感器的高精度輻射定標提出了迫切的需要。然而，傳統定標方法逐漸不能滿足於高頻度定量化遙感應用的需要，例如發射前定標方法會受到在軌環境模擬的不確定性以及儀器衰減等方面的影響，而場地定標方法則會受進場次數和天氣條件的限制。在該背景下，一種無場地定標技術(即，交叉輻射定標技術)應運而生。
[0004]交叉輻射定標是通過將待定標的傳感器與某一定標結果較好的傳感器的同一目標觀測值進行比較，進而確定交叉輻射定標係數的一種方法。與場地定標技術相比，交叉輻射定標無需建立地面校正場就可進行多遙感器衛星數據之間的標定。其優點是定標成本較低，可以實現高頻次、多遙感器間的輻射定標，且不易受天氣等條件的制約。交叉輻射定標已經成為傳統發射前定標和場地定標的有益補充，成為目前確保星載傳感器獲取高精度觀測輻射值的最有效方法之一。
[0005]2005年世界氣象組織WMO和氣象衛星協調小組CGMS發起國際計劃「全球天基交叉定標系統 GSICS (Global Space-based Inter-Calibration System) 」,該系統主要任務就是交叉輻射定標目前在軌運行的各傳感器，將它們統一到某一參考標準上，確保不同衛星部門管理的不同傳感器在不同時間和位置進行的衛星觀測具有可比性，最終保證能夠製作出全球統一的環境監測產品(如地表溫度產品)。
[0006]作為目前國際唯一業務化運行的交叉輻射定標系統，GSICS選擇高精度的高光譜紅外傳感器作為參考基準(如搭載著AQUA衛星的AIRS傳感器和搭載著METOP衛星的IASI傳感器)，通過時空匹配等手段，為待定標傳感器進行交叉輻射定標(下文中，基準傳感器簡寫為REF，待定標傳感器簡寫為Μ0Ν。其中REF和MON數據文件都包含有逐像素的觀測輻亮度、觀測天頂角、觀測方位角、觀測時間以及經緯度坐標數據)。GSICS交叉輻射定標技術代表了目前國際上交叉輻射定標的最高水平，現有GSICS的交叉輻射定標總體流程圖如圖8所示。
[0007]在現有GSICS交叉輻射定標獲取定標係數的過程中，主要分為如下5個步驟:
[0008]步驟S100,構建福亮度數據子集步驟；
[0009]步驟S200，條件匹配步驟；[0010]步驟S300，光譜插值步驟；
[0011]步驟S400，空間濾波步驟；
[0012]步驟S500，最小二乘回歸步驟。
[0013]首先，在上述構建輻亮度數據子集步驟(B卩，步驟S100)中，進一步包括如下步驟:
[0014]步驟S100-1，讀取REF數據文件(包含有逐像素的觀測輻亮度、經緯度坐標、觀測時間和觀測天頂角數據)100，讀取MON數據文件(包含有逐像素的觀測輻亮度、經緯度坐標、觀測時間和觀測天頂角數據)200。通過軌道預報300來獲取REF和MON的星下點中心坐標(G點和P點坐標)。
[0015]步驟S100-2，假設地球近似為橢球，根據由上述步驟S100-1獲取到的G點和P點的坐標來估算角距離GPangllist (REF觀測G點和P點的直線所形成的夾角角度)。
[0016]步驟S100-3，利用由上述步驟S100-2估算出的角距離GPangllist,通過設置角距離的閾值ThresholdAD，例如，設為小於MON的掃描角(通常可設為53-55度之間，在此，例如設為53度)，從而根據由上述步驟S100-1獲取到的REF和MON數據文件中的觀測輻亮度數據，構建滿足如下式(I)的構建條件的輻亮度數據子集。
【權利要求】
1.一種星載多光譜紅外傳感器交叉福射定標方法，包括: 步驟(SI)，針對REF數據文件及MON數據文件，選擇出衛星傳感器的最佳交叉輻射定標區域，其中，REF是指基準傳感器，MON是指待定標傳感器； 步驟(S2)，針對上述最佳交叉輻射定標區域，以固定大小的間隔，將該最佳交叉輻射定標區域均勻劃分成相同經緯度間隔的空間匹配格網； 步驟(S3)，建立時空統計查找表，該時空統計查找表由空間索引表、時間索引表以及文件統計表構成，其中，上述空間索引表與上述空間匹配網格--對應，每個上述空間索引表對應著按照進行交叉輻射定標的一整年的日期順序構成的上述時間索引表，上述時間索引表的每一天對應著上述文件統計表，上述文件統計表中被寫入將完全包括上述空間匹配網格且像素與該空間匹配網格有交集的上述REF數據文件及MON數據文件的數據進行空間聚合而得到的空間匹配網格聚合信息； 步驟(S4)，根據上述空間匹配網格聚合信息，通過設定條件閾值進行條件匹配，選出滿足條件匹配的上述空間匹配網格聚合信息中的輻亮度配對數據；和 步驟(S5)，採用線性穩健回歸方法來建立由上述步驟(S4)所挑選出的所有輻亮度配對數據間的統計回歸關係， 以估算出交叉輻射定標係數。
2.根據權利要求1所述的星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法，其特徵在於， 上述REF數據文件及MON數據文件均包含有逐像素的觀測輻亮度、觀測天頂角、觀測方位角、觀測時間以及經緯度坐標數據。
3.根據權利要求1所述的星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法，其特徵在於， 上述衛星傳感器是靜止衛星傳感器。
4.根據權利要求3所述的星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法，其特徵在於， 上述最佳交叉輻射定標區域選擇以赤道為中心，當上述靜止氣象衛星的星下點坐標為(O, Lon)，則靜止氣象衛星最佳交叉輻射定標區域為南緯30°到北緯30°，經度Lon_65°到Lon+65°的矩形區域，其中Lon為該靜止氣象衛星對應星下點的經度。
5.根據權利要求1所述的星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法，其特徵在於， 上述衛星傳感器是極軌衛星傳感器。
6.根據權利要求5所述的星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法，其特徵在於， 上述最佳交叉輻射定標區域為65°以北地區，即為北緯65°到北緯90°，西經-180°到東經180°的矩形區域。
7.根據權利要求1所述的星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法，其特徵在於， 上述空間匹配網格的間隔的大小為0.5°到1°之間。
8.根據權利要求1所述的星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法，其特徵在於， 上述空間索引表、上述時間索引表以及上述文件統計表是通過指針聯繫起來的。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法，其特徵在於， 在上述線性穩健回歸方法中，對不同的點施加不同的權重，即對殘差小的點給予較大的權重，而對殘差較大的點給予較小的權重，根據殘差大小確定權重，並據此建立加權的最小二乘估計，反覆迭代以改進權重係數，直至權重係數之改變小於一定的允許誤差，以達到穩健的目的。
10.根據權利要求1至8中任一項所述的星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法，其特徵在於， 上述步驟(SI)進一步包括: 步驟(Sl-1)，讀取REF數據文件及MON數據文件； 步驟(S1-2)，針對由上述步驟(Sl-1)讀取的REF數據文件及MON數據文件，選擇出衛星傳感器的最佳交叉輻射定標區域；和 步驟(S1-3)，根據由上述步驟(S1-2)選擇出的最佳交叉輻射定標區域的標定用經緯度坐標，依次判斷與由上述步驟(Sl-1)讀取的REF及MON數據文件的標定用經緯度坐標的關係，如果由上述步驟(Sl-1)讀取的REF及MON數據文件的標定用經緯度坐標有任意一個標定點坐標落入由上述步驟(S1-2)選擇出的最佳交叉輻射定標區域內，則將該REF及MON數據文件保存作為待匹配數據子集。
11.根據權利要求10所述的星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法，其特徵在於， 當上述衛星傳感器是靜止或者極軌衛星傳感器時，上述標定用經緯度坐標是指定標用四個角點的經緯度坐標。
12.根據權利要求10所述的星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法，其特徵在於， 上述步驟(S2)進一步包括: 步驟(S2-1)，根據由上述步驟(S1-2)選擇出的最佳交叉輻射定標區域，以固定大小的間隔，將上述最佳交叉輻射定標區域均勻劃分成相同經緯度間隔的空間匹配格網；和` 步驟(S2-2)，保存每個上述空間匹配格網的標定用經緯度坐標以及每個上述空間匹配格網位於整個上述最佳交叉輻射定標區域的行列號。
13.根據權利要求12所述的星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法，其特徵在於， 上述步驟(S3)進一步包括: 步驟(S3-1)，分別建立時空統計查找表中包含的空間索引表、時間索引表以及文件統計表，該步驟(S3-1)進一步包括:步驟(S3-1-1)，建立空間索引表，該空間索引表與由上述步驟(S2)生成的空間匹配格網——對應；步驟(S3-1-2)，針對由上述步驟(S3-1-1)建立的每個空間索引表，建立時間索引表，該時間索引表的每一行對應為選定交叉輻射定標年的每一天；以及步驟(S3-1-3)，針對由上述步驟(S3-1-2)建立的時間索引表中的每一天，建立文件統計表，該文件統計表中至少包括輻亮度、觀測天頂角、觀測方位角和觀測時間這四個數據項； 步驟(S3-2)，依次遍歷由上述步驟(S1-3)生成的作為待匹配數據子集中的每個REF及MON數據文件，判斷是否還有未遍歷的REF及MON數據文件，如果還有未遍歷的REF及MON數據文件，則提取該REF及MON數據文件的標定用坐標，如果所有REF及MON數據文件都遍歷完畢，則轉到下述步驟(S3-9)； 步驟(S3-3)，依次判斷由上述步驟(S2)生成的每個空間匹配格網的格網標定用點坐標與由上述步驟(S3-2)提取的REF及MON數據文件的文件標定用點坐標的關係，如果該格網標定用點坐標都落入由該文件標定用點坐標構成的規定形狀內，則判斷為該空間匹配格網完全落入由上述步驟(S3-2)提取的REF及MON數據文件覆蓋的範圍內，轉入下述步驟(S3-4)，否則繼續判斷下一個空間匹配格網，直至所有空間匹配格網判斷完畢為止才返回上述步驟(S3-2)；步驟(S3-4)，依次判斷由上述步驟(S1-3)生成的REF及MON數據文件的每個像素的像素標定用坐標與由上述步驟(S3-3)選定的空間匹配格網的格網標定用坐標的關係，如果該像素標定用坐標之中至少一個坐標落入由該格網定標用坐標形成的規定形狀內，則判斷為該像素與上述選定的空間匹配格網在空間上重疊，利用幾何學求取該像素所覆蓋區域與上述選定的空間匹配格網在空間上的重疊面積，並記錄上述重疊面積以及對應的該REF及MON數據文件中的各個上述數據項的數據，繼續判斷下一個像素，直到該REF及MON數據文件的所有像素都判斷完畢為止重複該步驟(S3-4)； 步驟(S3-5)，根據上述步驟(S3-4)中所記錄的對應的該REF及MON數據文件中的觀測輻亮度數據，進行光譜插補並算出MON輻亮度理論真值，該(S3-5)步驟進一步包括:步驟(S3-5-1)，比較MON與REF的光譜範圍，若MON的光譜範圍比REF的光譜範圍寬，則進行利用輻射傳輸模型的光譜插補，以生成光譜插補後的REF觀測輻亮度數據；和步驟(S3-5-2)，針對由上述步驟(S3-5-1)生成的光譜插補後的REF觀測輻亮度數據或上述步驟(S3-4)中所記錄的對應的上述觀測輻亮度數據，利用MON的通道響應函數進行光譜積分，獲取到對應的MON的輻亮度理論真值， 步驟(S3-6)，將在上述步驟(S3-4)中記錄有重疊區域的像素所對應的上述數據項目的各數據空間聚合到由上述步驟(S3-3)選定的空間匹配格網上，採用基於面積加權的像素空間聚合，來估算空間匹配格網尺度的對應值，以生成空間聚合後的各個上述數據項的數據作為空間匹配格網聚合信息； 步驟(S3-7)，根據遍歷數據文件的類型是REF還是Μ0Ν，結合經上述步驟(S3-6)的面積加權聚合後的上述空間匹配格網聚合信息，按照上述選定的空間匹配格網和選定的觀測時間，將由上述步驟(S3-6)獲取的聚合後的上述空間匹配格網聚合信息寫入到對應的上述時空統計查找表中的文件統計表中；` 步驟(S3-8)，判斷所有空間匹配格網是否處理完畢，如果未處理完畢，則轉到上述步驟(S3-3)繼續判斷下一個格網，如果所有空間匹配格網都判斷完畢，則轉到下述步驟(S3-9);和 步驟(S3-9)，判斷所有REF及MON數據文件是否處理完畢。如果未處理完畢，則轉到上述步驟(S3-2)，繼續遍歷下一個REF及MON數據文件，如果所有REF及MON數據文件都處理完畢，則上述時空統計查找表建立完畢。
14.根據權利要求13所述的星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法，其特徵在於， 在上述步驟(S3-7)中，若所遍歷的數據文件為REF數據文件，則將MON輻亮度理論真值、觀測天頂角、觀測方位角和觀測時間添加到作為上述文件統計表的REF統計表中，若所遍歷的數據文件為MON數據文件，則將MON觀測輻亮度、觀測天頂角、觀測方位角和觀測時間添加到作為上述文件統計表的MON統計表中。
15.根據權利要求13所述的星載多光譜紅外傳感器交叉輻射定標方法，其特徵在於， 上述步驟(S4)進一步包括: 步驟(S4-1)，建立統計信息差值遍歷表，該步驟(S4-1)進一步包括:步驟(S4-1-1)，根據要進行交叉輻射定標的日期，從由上述步驟(S3)建立的上述時空統計查找表中提取出所有空間網格對應的該日期的所有文件統計表；以及步驟(S4-1-2)，按照文件統計表的各行，採用循環的方式生成REF及MON的統計信息差值遍歷表，該統計信息差值遍歷表中存儲有與上述空間聚合後的上述空間匹配格網聚合信息相關的信息，該信息包括MON輻亮度理論真值及MON觀測輻亮度、觀測天頂角餘弦之比減1、觀測方位角之差、和觀測時間之差；和步驟(S4-2)，根據由上述步驟(S4-1)生成的上述統計信息差值遍歷表，通過設定條件閾值進行條件匹配，選出 滿足條件匹配的輻亮度配對數據，該輻亮度配對數據是指成對的上述MON輻亮度理論真值及MON觀測輻亮度。
【文檔編號】G01S7/497GK103728609SQ201410019921
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月16日 優先權日:2014年1月16日
【發明者】吳驊, 李召良, 唐伯惠, 唐榮林, 倪麗 申請人:中國科學院地理科學與資源研究所, 中國科學院遙感與數字地球研究所