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無(wú)人機(jī)高光譜載荷性能交叉驗(yàn)證

2019-12-14 01:12:54田文忠趙慶展胡浩偉李沛婷馬永建
中國(guó)測(cè)試 2019年11期
關(guān)鍵詞:灰階光譜儀定標(biāo)

田文忠,趙慶展,胡浩偉,李沛婷,馬永建,龍 翔

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000;2.國(guó)家遙感中心新疆兵團(tuán)分部,新疆 石河子 832000;3.兵團(tuán)空間信息工程技術(shù)研究中心,新疆 石河子 832000;4.兵團(tuán)空間信息工程實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832000;5.石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,新疆 石河子 832000)

0 引 言

隨著無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle,UAV)技術(shù)和輕型多、高光譜相機(jī)的發(fā)展,以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)可獲得高空間分辨率、高光譜分辨率和高時(shí)間分辨率的遙感影像[1],無(wú)人機(jī)具有起降靈活、低空飛行、低成本、易維護(hù)[2]等優(yōu)勢(shì),使得無(wú)人機(jī)遙感在國(guó)土測(cè)繪[3]、環(huán)境災(zāi)害[4]、農(nóng)情監(jiān)測(cè)[5-6]等方面得到廣泛應(yīng)用。在無(wú)人機(jī)遙感影像的實(shí)際應(yīng)用中,定量遙感已成為遙感學(xué)科發(fā)展的前沿與趨勢(shì)[7]。對(duì)于定量遙感,首先需要確保無(wú)人機(jī)載荷性能的可靠性,這要求在做定量應(yīng)用研究之前,需要對(duì)儀器性能進(jìn)行驗(yàn)證研究。而定量遙感基礎(chǔ)就是遙感數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)[8]。輻射定標(biāo)即建立空間相機(jī)入瞳處輻射量與探測(cè)器輸出量的數(shù)值之間關(guān)系的過(guò)程[9]。

根據(jù)遙感載荷輻射定標(biāo)原理,陳洪耀等[10]和勾志陽(yáng)等[11]采用反射率基法[12]。結(jié)合靶標(biāo)場(chǎng)灰階靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)上的多、高光譜相機(jī)場(chǎng)地絕對(duì)輻射定標(biāo)及驗(yàn)證分析;但并未有相關(guān)交叉驗(yàn)證研究。首先,由于高光譜儀波段較多,波段的光譜分辨率較高,使得在實(shí)際研究中很難找到對(duì)其進(jìn)行交叉驗(yàn)證的高光譜參考載荷。其次,如果利用多光譜載荷對(duì)其進(jìn)行性能參數(shù)準(zhǔn)確性驗(yàn)證,以有限的地面參考點(diǎn)信息是很難得到幾十甚至上百個(gè)波段的驗(yàn)證系數(shù)的,并且方程本身是個(gè)病態(tài)問(wèn)題?;诖藛?wèn)題,國(guó)內(nèi)學(xué)者李傳榮等[13]采用2010年資源應(yīng)用衛(wèi)星中心公布的HJ-1B/CCD1多光譜數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證研究,得到的定標(biāo)差異系數(shù)未超過(guò)10%,在一定程度上說(shuō)明了此交叉驗(yàn)證方法的可行性。同時(shí),由于二者之間的光譜差異、空間相差較大、大氣路徑不同以及采集時(shí)間的不同,使得利用高光譜數(shù)據(jù)模擬得到的HJ-1B/CCD1多光譜各波段的入瞳輻亮度和真實(shí)值存在差異,選取地物時(shí)無(wú)法保證目標(biāo)場(chǎng)景完全相同,以及真實(shí)大氣環(huán)境差異,從而造成驗(yàn)證具有一定的不可靠性。

基于此類研究方法,本文利用無(wú)人機(jī)Rikola高光譜載荷高光譜分辨率、高空間分辨率及波段可選則的特點(diǎn),展開(kāi)與無(wú)人機(jī)MCA12s多光譜載荷的交叉驗(yàn)證研究,并結(jié)合灰階靶標(biāo),使用Rikola高光譜載荷輻亮度數(shù)據(jù)對(duì)MCA12s多光譜載荷進(jìn)行輻射定標(biāo),建立高光譜輻亮度值與多光譜DN值之間關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)高光譜載荷與多光譜載荷交叉驗(yàn)證研究,并從側(cè)面反映Rikola高光譜載荷的光譜和輻射綜合性能。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與數(shù)據(jù)獲取

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

如圖1所示,在交叉驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中,所使用的無(wú)人機(jī)平臺(tái)為兩架同型號(hào)大疆經(jīng)緯M600 Pro無(wú)人機(jī),配合大疆如影MX云臺(tái),使得光譜儀平穩(wěn)地搭載在無(wú)人機(jī)上,兩架無(wú)人機(jī)執(zhí)行DJI GS Pro軟件中規(guī)劃的同一航線任務(wù)。驗(yàn)證載荷是芬蘭SENOP公司生產(chǎn)的Rikola高光譜成像儀,質(zhì)量約為720 g,適合搭載在小型無(wú)人機(jī),成像方式為框幅式成像,視場(chǎng)角 36.5°,焦距 9 mm,圖像分辨率為 1 010×1 010,波段范圍為 450~950 nm,波段數(shù)范圍為 0~380 個(gè),用于機(jī)載時(shí)可設(shè)波段60~70個(gè)。此次交叉驗(yàn)證所使用的待驗(yàn)證載荷是美國(guó)Tetracam公司生產(chǎn)的MCA12s多光譜成像儀,質(zhì)量輕、體積小、可遠(yuǎn)程觸發(fā),適合在中小型無(wú)人機(jī)上進(jìn)行搭載。每個(gè)波段配備 1.2 兆像素 CMOS 傳感器 (6.18 mm×4.95 mm),光圈 f3.2,焦距 9.6 mm,圖像分辨率為 1 280×1 024,可進(jìn)行12波段(可自由選配)影像數(shù)據(jù)獲取[14]。另外,該光譜儀各通道對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)函數(shù)由廠家提供。實(shí)驗(yàn)所用的5塊灰階靶標(biāo)其中4塊是由美國(guó)G8T廠家生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)漫反射參考板組成,反射率分別為3%、22%、48%、64%,大小為 1.2 m×1.2 m;另外一塊是由高光譜儀廠家定制的0.5 m×0.5 m大小的100%高光譜性能漫反射板。

圖1 大疆M600無(wú)人機(jī)搭載高、多光譜載荷圖

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

本次交叉驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在新疆塔城地區(qū)沙灣縣蘑菇胡村進(jìn)行,其東經(jīng)為 44.413 348 06°,北緯為85.894 768 06°。該區(qū)域地表主要有裸土和葫蘆瓜、棉花等農(nóng)作物?;译A靶標(biāo)鋪設(shè)在葫蘆瓜和棉花之間的裸土上。無(wú)人機(jī)為自動(dòng)巡航模式進(jìn)行航拍,航高80 m,高光譜載荷和多光譜載荷分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的時(shí)間是2018年8月8日12時(shí)30分和2018年8月8日12時(shí)50分。

在交叉驗(yàn)證研究時(shí),只選取靶標(biāo)及地物在內(nèi)的一景影像進(jìn)行研究,對(duì)于MCA12s多光譜數(shù)據(jù),利用Tetracam PixelWrench2軟件[15]將原始文件轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)tif格式文件。對(duì)于Rikola高光譜數(shù)據(jù)首先進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和暗電流矯正與校準(zhǔn),由于高光譜影像波段較多,相機(jī)觸發(fā)曝光后,在設(shè)定的波段序列下拍攝連續(xù)影像,得到的光譜立方體影像并不完全重疊,因此進(jìn)行波段配準(zhǔn)處理。

2 波段選擇與交叉驗(yàn)證方法

2.1 波段參數(shù)選取

Rikola高光譜儀傳感器光譜范圍為503~911 nm,并且可對(duì)其波長(zhǎng)在此范圍內(nèi)進(jìn)行特定波段選擇。對(duì)于MCA12s多光譜儀固有的12個(gè)波長(zhǎng),Rikola高光譜儀可選取的波長(zhǎng)分別為 515,550,610,656,710,760,800,830,860,900 nm。另外,由于多光譜儀前10個(gè)波段對(duì)應(yīng)半高波寬FWHM為10 nm,通過(guò)表1中FWHM對(duì)比,高光譜儀選擇比較接近的寬波段模式,且在本次實(shí)驗(yàn)中,在不考慮大氣對(duì)寬波段和窄波段的影響,從表1可看出,波寬差異不大,故忽略二者之間的光譜差異。兩次數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,相隔時(shí)間不超過(guò)30 min,其觀測(cè)時(shí)間,太陽(yáng)天頂角,觀測(cè)天頂角非常相近,可以認(rèn)為大氣在時(shí)間和觀察角度上的差異很小。

表1 多光譜波段對(duì)應(yīng)的高光譜波段FWHM和積分區(qū)間

根據(jù)MCA12s多光譜儀和Rikola高光譜儀各波段的光譜范圍,確定用于卷積運(yùn)算的光譜范圍,如表1所示。

2.2 交叉驗(yàn)證方法

無(wú)人機(jī)高光譜載荷交叉驗(yàn)證流程如圖2所示。

通過(guò)大疆經(jīng)緯M600 Pro無(wú)人機(jī)搭載Rikola高光譜和MCA12s多光譜載荷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,選取Rikola高光譜影像中5塊漫反射板的輻亮度數(shù)據(jù),利用卷積[16-17]方法,計(jì)算得到MCA12s多光譜儀各波段的等效入瞳輻亮度模擬值,其卷積公式為

式中:LM——MCA12s多光譜儀某波段等效入瞳輻亮度值;

fM——MCA12s多光譜儀在該波段的光譜響應(yīng)函數(shù);

LR(i)——Rikola高光譜儀第i波段的入瞳輻亮度值。

選取多光譜影像灰階靶標(biāo)的數(shù)字量化值(DN)與模擬得到的等效入瞳輻亮度值(L)進(jìn)行最小二乘法擬合,得到遙感圖像DN值與瞳輻亮度值之間關(guān)系曲線,從而確定多光譜載荷輻射定標(biāo)增益系數(shù)[18]。最后通過(guò)對(duì)定標(biāo)結(jié)果平均相對(duì)誤差分析,光譜曲線對(duì)比等試驗(yàn)從而完成無(wú)人機(jī)高光譜載荷交叉驗(yàn)證研究。

3 結(jié)果與分析

3.1 多光譜入瞳輻亮度計(jì)算

根據(jù)Rikola高光譜遙感影像,可分別得到無(wú)人機(jī)高光譜影像中5塊灰階靶標(biāo)的入瞳輻亮度,并與MCA12s多光譜儀的光譜響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算,得到MCA12s多光譜儀各波段的等效入瞳輻亮度模擬值。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)高光譜載荷性能交叉驗(yàn)證流程圖

表2 MCA12s多光譜儀各波段入瞳輻亮度模擬值1)

3.2 輻射定標(biāo)增益系數(shù)確定

機(jī)載成像光譜儀入瞳處各光譜帶的輻射亮度值(L)與光譜儀輸出的數(shù)字量化值(DN)之間的數(shù)值關(guān)系[19]表達(dá)式為

其中a為 定標(biāo)增益系數(shù),b為偏置。

根據(jù)定標(biāo)方程,將模擬得到的MCA12s多光譜儀各波段入瞳輻亮度值與灰階靶標(biāo)對(duì)應(yīng)的DN值采用最小二乘法進(jìn)行擬合,從而獲得機(jī)載MCA12s多光譜儀輻射定標(biāo)系數(shù),結(jié)果如表3所示。

表3定標(biāo)結(jié)果初步可確定,在MCA12s多光譜儀獲取影像的10個(gè)通道中,在地面鋪設(shè)靶標(biāo)從3% ~100%反射率范圍內(nèi),傳感器線性響應(yīng)度較高。

3.3 定標(biāo)系數(shù)驗(yàn)證與分析

如圖3所示,實(shí)驗(yàn)時(shí)首先在葫蘆瓜、棉花和裸土3種地物相對(duì)均勻的區(qū)域利用GPS定位進(jìn)行采樣打點(diǎn)。由于在80 m航高時(shí),Rikola高光譜儀地面分辨率為5.2 cm,MCA12s多光譜儀地面分辨率為6 cm,二者分辨率相差很小,故在影像中,以采樣點(diǎn)為中心選取100像元×100像元,但由于裸土區(qū)域相對(duì)較窄,選擇30像元×30像元。

表3 MCA12s多光譜儀定標(biāo)系數(shù)a 、偏置b 及擬合相關(guān)系數(shù)r2

圖3 影像中研究數(shù)據(jù)塊選取圖(從左到右依次是葫蘆瓜、裸土、棉花)

3.3.1 定標(biāo)后平均相對(duì)誤差 (MRE)分析

根據(jù)MCA12s多光譜影像所選區(qū)域?qū)嶋HDN值,與定標(biāo)所得的DN值,計(jì)算平均相對(duì)誤差(MRE),并作為本實(shí)驗(yàn)定標(biāo)系數(shù)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)。其計(jì)算公式為

其中zoi、zei分別為所選區(qū)域?qū)嶋HDN值和定標(biāo)所得的DN值,n為某一驗(yàn)證波段的采樣點(diǎn)數(shù)。

從圖4各波段對(duì)應(yīng)的平均相對(duì)誤差(MRE)結(jié)果可初步確定,對(duì)于相對(duì)比較均勻的裸土,其平均相對(duì)誤差小于0.12,90%的波段平均相對(duì)誤差都低于0.08??梢哉f(shuō)明實(shí)驗(yàn)所得的定標(biāo)方程相對(duì)比較準(zhǔn)確,基本能實(shí)現(xiàn)MCA12s多光譜所得的DN值和輻能量之間的轉(zhuǎn)換。對(duì)于植被區(qū)葫蘆瓜和棉花,平均相對(duì)誤差小于0.32,平均相對(duì)誤差較大的波段主要在515 nm和656 nm處,結(jié)合當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)狀況,葫蘆瓜部分葉子有干枯現(xiàn)象,棉花正處于開(kāi)花期,可能造成較大差異與均勻地物有關(guān),而對(duì)于植被光譜而言,350 nm 到 490 nm 為葉綠素強(qiáng)吸收帶,550 nm波長(zhǎng)附近是葉綠素強(qiáng)反射峰區(qū),650 nm到700 nm為葉綠素強(qiáng)吸收帶,700 nm 到 1 300 nm 植被具有強(qiáng)反射特征[20],但具體歸屬于哪一個(gè)原因及其中的定量關(guān)系,還有待驗(yàn)證。

3.3.2 引入地物后再次線性回歸后的定標(biāo)系數(shù)對(duì)比

根據(jù)MCA12s多光譜影像所選地物和靶標(biāo)的DN值,及Rikola高光譜影像所選地物和靶標(biāo)的輻亮度值,按照3.1節(jié)多光譜入瞳輻亮度計(jì)算方法和3.2節(jié)輻射定標(biāo)增益系數(shù)確定方法,可得到引入地物葫蘆瓜、棉花、裸土后進(jìn)行線性擬合后的定標(biāo)結(jié)果,其定標(biāo)結(jié)果如圖5所示。

如表4所示,兩次交叉驗(yàn)證定標(biāo)系數(shù)相對(duì)差異在±1%之內(nèi),且兩次擬合相關(guān)系數(shù)r2分別在0.96和0.92以上。通過(guò)比較僅由灰階靶標(biāo)擬合得到的定標(biāo)增益系數(shù)和葫蘆瓜、棉花、裸土、灰階靶標(biāo)擬合得到的定標(biāo)增益系數(shù)之間的相對(duì)差異,可以看出,加入相對(duì)均勻的地物進(jìn)行定標(biāo)是可行的,由于兩次擬合所得的定標(biāo)系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定,說(shuō)明該定標(biāo)結(jié)果可靠,另一方面說(shuō)明了利用Rikola高光譜載荷對(duì)MCA12s多光譜儀進(jìn)行定標(biāo)是可行的,可實(shí)現(xiàn)交叉驗(yàn)證,由此也說(shuō)明了Rikola高光譜儀性能參數(shù)的準(zhǔn)確性。

3.3.3 影像定標(biāo)矯正后反射率曲線對(duì)比分析

圖4 葫蘆瓜、棉花、裸土平均相對(duì)誤差(MRE)

圖5 葫蘆瓜、棉花、裸土、灰階靶標(biāo)線性擬合所得定標(biāo)系數(shù)

表4 兩次交叉驗(yàn)證定標(biāo)系數(shù)相對(duì)差異

在影像定標(biāo)矯正后反射率曲線對(duì)比分析中,首先使用48%標(biāo)準(zhǔn)漫反射板及廠家提供的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)反射率值,將定標(biāo)后的MCA12s多光譜輻亮度數(shù)據(jù)和Rikola高光譜輻亮度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成反射率值。得到的灰階靶標(biāo)的反射率曲線如圖6所示,對(duì)MCA12s多光譜數(shù)據(jù)和Rikola高光譜數(shù)據(jù)所得的靶標(biāo)曲線整體趨勢(shì)而言,靶標(biāo)曲線趨勢(shì)基本一致。對(duì)于100%漫反射板,MCA12s多光譜數(shù)據(jù)得到的反射率數(shù)據(jù)在750 nm處有較大的波動(dòng)。22%漫反射板基本趨于正常;100%漫反射板得到的反射率相對(duì)較低,且反射率均未有達(dá)到100%;對(duì)于64%和3%漫反射板得到的反射率相對(duì)較高。這與實(shí)驗(yàn)所處環(huán)境,曝光設(shè)置及傳感器響應(yīng)范圍有關(guān),但二者曲線趨勢(shì)基本一致,因此所得定標(biāo)結(jié)果可靠,Rikola高光譜儀性能參數(shù)的準(zhǔn)確性得到檢驗(yàn)。

圖6 靶標(biāo)反射率曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本次交叉驗(yàn)證研究基于輻射定標(biāo)原理,利用灰階靶標(biāo),通過(guò)無(wú)人機(jī)Rikola高光譜載荷輻亮度數(shù)據(jù)與MCA12s多光譜載荷光譜響應(yīng)函數(shù)的卷積運(yùn)算,得到MCA12s多光譜載荷的等效輻亮度,并與MCA12s多光譜載荷DN值線性擬合。得到無(wú)人機(jī)載MCA12s多光譜儀輻射定標(biāo)系數(shù)。通過(guò)對(duì)定標(biāo)后結(jié)果的平均相對(duì)誤差(MRE)分析,引入地物類型后再次線性回歸后定標(biāo)系數(shù)對(duì)比分析以及影像定標(biāo)矯正后反射率曲線對(duì)比分析得到以下結(jié)論:

1) 利用灰階靶標(biāo)對(duì)MCA12s多光譜載荷定標(biāo),其定標(biāo)后所得的DN值與MCA12s多光譜載荷影像的平均相對(duì)誤差可以看出:選擇比較均勻的裸土進(jìn)行檢驗(yàn),平均相對(duì)誤差小于0.12,驗(yàn)證了本文中定標(biāo)結(jié)果的有效性和交叉驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可行性。

2) 引入葫蘆瓜、棉花和裸土,再次線性回歸后定標(biāo)系數(shù)對(duì)比,定標(biāo)系數(shù)相對(duì)差異在±1%之內(nèi),且兩次擬合相關(guān)系數(shù)r2分別在0.96和0.92以上。一方面檢驗(yàn)了傳感器線性響應(yīng)性能和在本次交叉驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中擬合的定標(biāo)方程的可靠性,另一方面說(shuō)明了利用均勻地物在交叉驗(yàn)證研究中的普適性,并對(duì)Rikola高光譜儀性能得到初步驗(yàn)證。

3) 從影像定標(biāo)矯正后漫反射反射率曲線可以看出,二者曲線趨勢(shì)基本一致,因此所得定標(biāo)結(jié)果可靠,Rikola高光譜儀性能參數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)一步得到檢驗(yàn)。

本文基于不同反射率的灰階靶標(biāo),MCA12s多光譜載荷,對(duì)無(wú)人機(jī)Rikola高光譜載荷性能進(jìn)行了初步的檢驗(yàn)研究。但有一些問(wèn)題還需在未來(lái)的研究中改進(jìn),如雖然兩次無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)間間隔比較短,但對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的定標(biāo)也有可能產(chǎn)生一定影響。可對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),在大疆經(jīng)緯M600 Pro無(wú)人機(jī)上同時(shí)搭載高光譜和多光譜載荷。另外,可對(duì)載荷結(jié)合特定地物及特征波段進(jìn)行具體分析,找到新的交叉驗(yàn)證方法。

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