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适合低空机载高光谱成像仪转反射率的方法

反射率是遥感应用的基础,以往的低空机载转反射率方法,或者套用于高空方法,或者套用于地面方法。低空有低空的特点,并不是所有方法都很适合。在此对适用于低空机载高光谱成像仪转反射率的做简要讨论。

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1、什么是反射率?

物体反射的辐射能量占总辐射能量的百分比,称为反射率。即反射率=发射能量/入射能量。

 

物体内的特定成分对不同的波长的光有特定的吸收,特定成分的含量也会影响到吸收的程度和一些细节。因此通过光谱反射率可以了解到物体内的成分组成和含量,携带的信息是非常丰富的。反射率,是遥感应用的基础。

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利用光谱反射率计算牧草品质,这是最初的光谱遥感应用

 

2、什么是转反射率?

公式:反射率=反射能量/入射能量。

DN值和光的能量有相关关系,可以通过DN值计算出能量。即辐亮度(radiance,面辐射源上某点在一定方向上的辐射强弱的物理量,单位为W/(Sr·m2),本文简称为能量。

我们分别测量DN值和入射DN值,再都转成能量值,相除就得到了反射率。后来因为光谱仪的传感器越来越好,DN值和能量的相关关系就是线性相关,所以就演变成了DN值直接相除。这也就变成了地物光谱仪一般转反射率的方法。(也有一些还是要用能量)

公式:反射率=反射DN/入射DN

 

3、低空机载应该用哪个公式?

用能量的,不能用DN值的!

没有准确能量定标的传感器是不适合机载应用的!

 

4、为什么?

各像素一比,得到反射率。很多用户这么做了以后,觉得反射率不正常。当然会不正常。

原因有二

一、测量白板时,周围物体反射到白板上的光,相当于增加了入射光。而飞起来以后测的反射光却不包括这部分的光。此影响在某些波长影响可以超过20%,地物光谱仪操作规程明确要求要保持测白板和测地物时光纤周围物体要尽量一致。

二、有时一次飞行要15-30分钟。太阳辐射和水汽变化非常巨大。都用一个白板DN值做分母,误差显然就太大了。按照ASD的操作规范,即使是最好的天气,碧空如洗,万里无云,白日高悬,干燥无风。也得10分钟做一次白板。而这种天气,在很多地区一年都没有几次。

大多数时候,我们都要承受3-5分钟就要测一次白板的麻烦。所以说,不可以用DN/DN值的方法。

 

5、如果用靶标布,不就解决了校准频率的问题了吗?

是的,靶标布可以保证更高频率的提供入射光的测量。

但是仍然不可以用DN/DN的方法。

原因在于,成像光谱仪的传感器阵列中,各像素对于能量的响应并不完全一致。

所以也需要对传感器做能量定标,将DN值转化成能量值,再转反射率才可以。

重复一遍。没有准确能量定标的传感器是不适合机载应用的!

 

6、具体的实现方法

靶标布法,可以在地面布置一些已知反射率的靶标布,形成较高频率的校准。注意要DN转能量之后,再转反射率。

机上微型光谱仪法,机上的光谱仪直接测量入射辐射能量,能量转反射率。要注意微型光谱仪的波长漂移。地面光谱仪法,在地面测量入射辐射能量,能量转反射率。

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靶标法,机上卫星光谱仪法,地面光谱仪法

另外还有大气校正的方法。通过大气校正公式获得入射能量,能量转反射率。但是有些公式要求一些不容易获得的气象参数,比如气溶胶参数等等,而且整体误差较大,不如前三种方法。

 

7、对于入射光波动大的解决方案。

有些地区常年以及有些地区的某些特定季节,天气多变,天上总是有薄云,经常性的晴雨变化,入射能量变化极快,这些天气都不是适合进行遥感测量。

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看云卷云舒,有时云就是不走。

如果实验还必须要进行,建议采取地面光谱仪法,地面用ASD测量入射能量,天空用成像光谱仪测量反射能量。两个能量通过精确的时间匹配,可以达到每秒能量匹配转反射率,大大提高了转反射率的准确性。

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同一块靶标,绿线为通过逐秒匹配转的反射率,红线为ASD现场测量的反射率

MEGA CUBE上有ASD数据接口。

 

8、小结
对于低空成像光谱仪转反射率,一定要用能量/能量。对于入射能量相对稳定的情况,推荐使用靶标布方法和地面光谱仪。对于入射能量变化很大的情况,建议使用地面ASD,每秒匹配转反射率。没有准确能量定标的传感器是不适合机载应用的!


9、什么是低空?
从一般概念来说,低空是指100-1000米的范围。但是从操作概念来说,在我国无需申请空域的高度是120米以下。因此低空也可以说是120米以下,这也是旋翼无人机的大部分工作高度。

 

《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例(征求意见稿)》,对轻型无人机开放120米以下的空域,轻型无人机是指空机重量不超过4000克,最大起飞重量不超过7000克,最大飞行速度不超过每小时100千米的飞行器。


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