精靈 4多光譜數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)方法

• 時   間：2021-11-22
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精靈 4多光譜數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)方法
精靈 4 多光譜版是一款配備一體式多光譜成像系統(tǒng)的航測無人機，可采集高精度多光譜數(shù)據(jù)，助力農(nóng)業(yè)監(jiān)測與環(huán)境監(jiān)察工作高效完成。

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精靈 4多光譜數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)方法

大疆精靈4多光譜無人機的輻射校正和定標(biāo)方法，給出了DN值向波譜輻射亮度的轉(zhuǎn)換公式以及鏡頭暗角的改正公式。

2019年9月，DJI發(fā)布了精靈4多光譜無人機（Phantom4-M，P4M），為遙感用戶提供了會飛的多光譜相機和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件——大疆智圖，其中多光譜相機成像波段參數(shù)如表1所示。

飛行器+相機+數(shù)據(jù)處理軟件的集成方式提高了無人機多光譜解決方案的集成度，降低了對用戶專業(yè)技能水平的要求，可以方便快捷地獲取被監(jiān)測區(qū)域的鑲嵌圖及其植被指數(shù)。直接提供遙感指數(shù)產(chǎn)品，隱藏數(shù)據(jù)處理的技術(shù)細(xì)節(jié)，對于遙感應(yīng)用的初、中級用戶來說無疑是十分有益的。遙感用戶無需再學(xué)習(xí)和理解指數(shù)產(chǎn)品的生成方法，與使用普通數(shù)碼相機一樣，所見即所得地拍攝到了植被指數(shù)，從而推動遙感從科學(xué)技術(shù)向應(yīng)用技術(shù)轉(zhuǎn)變。

事物總有兩個方面，一類用戶傾向于全自動，那么必然有另外一類用戶追求處理過程的自主可控，與傾向于全自動獲取數(shù)據(jù)產(chǎn)品的用戶相比，他們在用遙感方法解決實際問題時，往往會產(chǎn)生更多思考。多光譜相機如實記錄拍攝時刻的地物反射情況，數(shù)據(jù)分析軟件處理并得出結(jié)論，當(dāng)我們需要重新審視該結(jié)論或發(fā)現(xiàn)更好的處理方法時，可以重新對原始數(shù)據(jù)做處理，得出新的結(jié)論。這就要求有條件的多光譜行業(yè)用戶要從自身業(yè)務(wù)特點出發(fā)，建立各自的遙感分析系統(tǒng)，逐步總結(jié)地表反射率、遙感指數(shù)與所關(guān)注物理量之間的關(guān)系，研究并完善遙感定量分析模型，形成不同地域、不同觀測條件以及不同應(yīng)用時期的個性化遙感監(jiān)測系統(tǒng)。

個性化遙感監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)離不開高質(zhì)量遙感專題產(chǎn)品，而高質(zhì)量遙感專題產(chǎn)品的基礎(chǔ)是輻射定標(biāo)。下面將著重闡述P4M輻射定標(biāo)的基本原理和具體方法。

地表反照率是指地面反射輻射量與入射輻射量之比，表征地面對太陽輻射的吸收和反射能力。反照率越大，地面吸收太陽輻射越少，反照率越小，地面吸收太陽輻射越多。多光譜相機在對地成像時（如圖1所示），太陽輻射以天頂角θi、方位角?i到達地物，部分輻射被地物吸收，其余輻射被反射回天空半球。

在圖1中，地物點p的半球反射量中處于多光譜相機鏡頭視場角范圍的那部分會照射到相機傳感器上，其強度用波譜輻射亮度描述。以傳感器上某一像素為例，來自地物點p方向為（θv，?v）的反射光線經(jīng)相機鏡頭到達傳感器，被量化為整數(shù)DN保存下來。影像DN值是傳感器量化后的整數(shù)值，雖然與入射波譜輻射亮度有關(guān)，并且傳感器一般采用線性量化，但是DN仍然不是一個具有實際意義的物理量。早期的遙感分析系統(tǒng)一般利用DN值直接估計地表特征量，然而將其轉(zhuǎn)換為波譜輻射亮度將更有助于遙感分析。

波譜輻射亮度描述的是單位立體角和單位面積上的能量，單位是W/cm2/sr/um，記作L（θ，?）。在圖1中，令從太陽出發(fā)到達地物點p的輻射能量為E0（θi，?i），地物點p向半空反射的總能量如式（1）所示。

由反照率定義可知，反照率如式（2）所示。

傳感器觀測方向上點p的二向反射率如式（3）所示。

結(jié)合圖1和式（3）可以看出，照射相機傳感器的波譜輻射亮度與地表二向反射率有關(guān)，是地物點在傳感器觀測方向的反射率與入射輻射能量的乘積。傳感器廠商一般會提供DN值向波譜輻射亮度轉(zhuǎn)換的公式，只要求得入射輻射能量即可得到地物反射率。

入射輻射能量可以通過大氣輻射傳輸模型計算得到，然而卻是十分復(fù)雜的，一般采用相對法求取。前文[1]在介紹RedEdge相機輻射定標(biāo)時，首先求取了多光譜影像中灰板像素的波譜輻射亮度的平均值，由于灰板反射率已知，可通過式（4）計算出多光譜相機拍攝灰板的時刻太陽的輻射能量。

式中，L_（θi，?i，θv，?v）為灰板的波譜輻射亮度平均值，Rpan為已知的反射率。從前面的分析可以看出，反射率，更確切的說是二向反射率，即與太陽輻射入射角度有關(guān)，也與傳感器觀測角度有關(guān)，式（4）對此做了簡化，近似地將灰板反射率測定時的二向反射率看作多光譜相機輻射定標(biāo)時的二向反射率。接著按照式（5）計算每一個像素的二向反射率。

式（5）同樣對二向反射率做了簡化，近似地將每幅影像成像時的太陽入射角看作是恒定的，并且忽略了相機姿態(tài)角對二向反射率的影響。

RedEdge的二向反射率求取方法同樣適合P4M。但是，P4M的資料顯示，飛機頂部的光照傳感器可以替代輻射定標(biāo)灰板，使得不同時相間影像的波譜輻射亮度具有可比性。光照傳感器記錄了入射光波譜輻射亮度，數(shù)值保存在xmp的drone-dji:Irradiance字段中，觀察實際數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，xmp的Camera:SunSensor字段同樣保存了該數(shù)值。

接下來，如何由影像DN值計算傳感器觀測方向的波譜輻射亮度是輻射定標(biāo)的關(guān)鍵問題。2020年7月，DJI發(fā)布了《P4 Multispectral圖像處理指南》[2]，指出波譜輻射亮度的計算方法如式（6）所示。

式中，x、y分別為像素在影像上的列、行數(shù)；p（x，y）為該像素的DN值，pbl為快門關(guān)閉時傳感器的背景亮度；g為傳感器增益，數(shù)值取xmp中的drone-dji:SensorGain字段值； 為波段傳感器光強敏感度相對于NIR波段的改正量，數(shù)值取drone-dji:SensorGainAdjustment字段值，由于NIR波段為基準(zhǔn)波段，該改正量被記作0，實際計算時須改正為1.0；te為輻照時間，數(shù)值取xmp中的drone-dji:ExposureTime字段值，計算時須乘以1e-6完成單位換算。V（x，y）的作用是改正鏡頭暗角效應(yīng)（Vignetting），如式（7）所示。

式中，r為半徑，x、y分別為像素在影像上的列、行數(shù)，x0、y0為改正模型的對稱中心。通過計算可以發(fā)現(xiàn)，P4M的暗角效應(yīng)達到了50%。

圖2為輻射定標(biāo)前后的多波段合成影像圖。

在圖2中，原始影像DN值經(jīng)輻射定標(biāo)轉(zhuǎn)換為波譜輻射亮度，結(jié)合光照傳感器參數(shù)，進一步將波譜輻射亮度轉(zhuǎn)換為光照傳感器平均值對應(yīng)的波譜輻射亮度，改正了由輻射入射條件不同引起的傳感器波譜輻射亮度差異。然而這些是不能從圖2中直接目視得到的，能從圖2看出的是，改正暗角效應(yīng)后，影像中心部位的亮斑被顯著弱化，四周亮度明顯提升，整體明暗趨于一致。

結(jié)論：輻射定標(biāo)是遙感定量分析的重要基礎(chǔ)。在介紹輻射定標(biāo)基本原理的基礎(chǔ)上，給出了P4M波譜輻射亮度和Vignetting改正的計算方法。

精靈 4多光譜數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)方法