光学学报, 2019, 39 (7): 0728004, 网络出版: 2019-07-16   

通道式辐射计自动观测数据的反射率光谱拓展方法 下载: 985次

A Method for Hyperspectral Reflectance Reconstruction from Automatic Observation with Multispectral Radiometer
作者单位
1 中国科学院光电研究院中国科学院定量遥感信息技术重点实验室, 北京 100094
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院, 北京 100049
图 & 表

图 1. 通道式反射率光谱拓展流程

Fig. 1. Flow of spectral reconstruction for multispectral reflectance

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图 2. 包头场自动观测系统。(a)定标场人工靶标区总览;(b)通道式辐射计;(c)太阳光度计CE318

Fig. 2. Automatic observation system of the Baotou calibration site. (a) Overview of artificial targets in calibration site; (b) multispectral radiometer; (c) sunphotometer CE318

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图 3. 通道式辐射计光谱响应函数曲线

Fig. 3. Spectral response function of multispectral radiometer

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图 4. 光谱拓展结果。(a) 2018-10-30T11:00; (b) 2018-10-30T12:00; (c) 2018-10-30T13:00; (d) 2018-10-30T14:00

Fig. 4. Results of hyperspectral reflectance determination. (a) 2018-10-30T11:00; (b) 2018-10-30T12:00; (c) 2018-10-30T13:00; (d) 2018-10-30T14:00

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图 5. 通道式辐射计测量光谱拓展结果与SVC实测数据差异

Fig. 5. Difference between reconstructed hyperspectral reflectance and measured reflectance of SVC

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图 6. Sentinel-2过境时刻影像数据。(a) Sentinel-2B (2018-09-21, RAOT@550 nm=0.20, RWVC=0.39); (b) Sentinel-2A (2018-10-29, RAOT@550 nm=0.07, RWVC=0.56)

Fig. 6. Acquired Sentinel-2 images. (a) Sentinel-2B (2018-09-21, RAOT@550 nm=0.20, RWVC=0.39); (b) Sentinel-2A (2018-10-29, RAOT@550 nm=0.07, RWVC=0.56)

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图 7. Sentinel-2通道光谱响应函数曲线。(a) Sentinel-2A; (b) Sentinel-2B

Fig. 7. Spectral response function of Sentinel-2. (a) Sentinel-2A; (b) Sentinel-2B

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表 1通道式辐射计的滤光片参数

Table1. Filter parameters of multispectral radiometer

Channel No.Central wavelengthλ /nmFWHM Bλ /nmTransmissionτλ /%
1439.7210.48≥37
2499.7910.27≥50
3679.7710.13≥50
4869.6010.96≥50
51015.509.44≥40
61298.6311.05≥40
71549.2510.87≥50
81649.2312.52≥50

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表 2光谱拓展精度示例(10月30日)

Table2. Accuracy of hyperspectral reflectance determination (October 30th)

TimeAverage relative error /%RMSE
11:00-0.9890.005
12:00-0.7550.005
13:00-0.9110.005
14:00-0.8890.003

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表 3基于光谱拓展的Sentinel-2定标对比分析

Table3. Comparison of onboard observed and predicted at-sensor radiance of Sentinel-2 based on the reconstructed hyperspectral reflectance

ImageBandObserved radiance /(W·m-2·sr-1·μm-1)Spectral reconstruction results
Simulated radiance /(W·m-2·sr-1·μm-1)Relative error /%
Considering BRDFWithout considering BRDFConsidering BRDFWithout considering BRDF
Sentinel-2B2018-09-21Blue82.5185.1786.03-3.12-4.09
Green78.1277.6478.470.62-0.45
Red70.8767.1368.125.564.04
NIR50.9546.6647.069.198.27
Sentinel-2A2018-10-29Blue60.5262.1862.94-2.66-3.84
Green56.3756.0856.710.52-0.60
Red52.1949.6550.255.123.86
NIR36.8933.5533.839.949.05

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表 4地面光谱拓展结果的不确定因素及其不确定度

Table4. Uncertainty factors and uncertainty of ground spectral extension results

Influencing factorUncertainty /%
Calibration error of multispectral radiometer2.00
Downward irradiance due to AOT error0.24
Downward irradiance due to WVC error0.09
Solar irradiance model1.00
MODTRAN model2.00
BRDF model1.42
Reconstruction coefficient0.23

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表 5基于光谱拓展的Sentinel-2卫星辐射定标验证不确定度分析

Table5. Uncertainty analysis of Sentinel-2 radiometric calibration based on the reconstructed hyperspectral reflectance

Uncertainty contributorUncertainty /%Uncertainty of simulated TOA radiance /%
BlueGreenRedNIR
Reconstructed hyperspectral reflectance of target3.342.122.572.903.09
Surface homogeneity1.390.901.091.231.31
Surface BRDF characteristic1.500.951.161.301.39
AOT5.500.170.320.390.37
WVC10.000.010.010.030.23
MODTRAN model2.002.002.002.002.00
Solar irradiance model1.001.001.001.001.00
Overall uncertainty3.353.774.104.29

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马志宏, 马灵玲, 刘耀开, 赵永光, 王宁, 李传荣, 唐伶俐. 通道式辐射计自动观测数据的反射率光谱拓展方法[J]. 光学学报, 2019, 39(7): 0728004. Zhihong Ma, Lingling Ma, Yaokai Liu, Yongguang Zhao, Ning Wang, Chuanrong Li, Lingli Tang. A Method for Hyperspectral Reflectance Reconstruction from Automatic Observation with Multispectral Radiometer[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(7): 0728004.

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