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基于果蝇-鲍威尔优化的航空高光谱影像大气校正方法

更新时间：2019-12-25 14:35:06 大小：4M 上传用户：守着阳光1985查看TA发布的资源 标签：航空高光谱 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

航空高光谱的大气校正是进行高光谱定量反演的基础,但通过空地同步对比分析航空高光谱大气校正的研究较少,论文主要研究了Hyspex高光谱遥感数据不同的大气校正方法。在现有的几种大气校正方法的基础上,提出了一种大气校正的新方法:首先,采用果蝇-鲍威尔优化算法反演光谱的性能参数(中心波长和半波高度的偏移量),对光谱重定标。然后在光谱重定标的基础上,采用MODTRAN模型对Hyspex高光谱数据进行大气校正,得到地表反射率数据。利用同步采集的五种典型地物的地面实测ASD数据将提出的新方法与现有的几种大气校正方法(快速大气校正、经验线性法大气校正、基于6S模型的大气校正、基于FLAASH模型的大气校正、基于MODTRAN模型的大气校正)的大气校正结果进行对比分析,并采用决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)来比较各种大气校正方法的精度。结果表明:提出的果蝇-鲍威尔优化MODTRAN模型的大气校正结果最好,决定系数在80%以上,均方根误差在15%以内;基于MODTRAN模型、FLAASH模型、6S模型的方法 的校正结果稍次于本文提出的新方法,结果比较稳定,决定系数在70%以上,均方根误差在20%左右;快速大气校正与经验线性法的校正结果不稳定。可以得出结论:本文提出的果蝇-鲍威尔优化算法有效可行,可以精确的反演出中心波长和半波高度的偏移量,其大气校正的精度优于现有的多种大气校正方法。


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，
第
，
，
Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．１ ２２４ ２３４  
ｐｐ  
第
卷
３８  
ꢀ
期
１
光
谱
学
与
光
谱
分
析
ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
－
，
Ｊａｎｕａｒ ２０１８  
ｙ
ꢀ
年
月
Ｓｅｃｔｒｏｓｃｏ ａｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓ  
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀ ｐ ꢀｐ  
ｐｙ ｙ ꢀ  
２０１８  
ꢀꢀꢀ  
１
ꢀ
ꢀ
基于果蝇－鲍威尔优化的航空高光谱影像大气校正方法  
１ １ ２ １  
，
潘岑岑 闫庆武 丁建伟 张倩倩 谭  
１
＊
琨
ꢀ
，
，
，
，
中国矿业大学环境与测绘学院 江苏 徐州  
１．  
２２１１１６  
ꢀ
，
河北省第二测绘院 河北 石家庄  
２．  
０５００３７  
ꢀ
，
航空高光谱的大气校正是进行高光谱定量反演的基础 但通过空地同步对比分析航空高光谱大气  
ꢀ
摘
要
ꢀ
，
校正的研究较少 论文主要研究了  
。
高光谱遥感数据不同的大气校正方法 在现有的几种大气校正方  
Ｈ ｓｅｘ  
ｙｐ  
， ： ， （  
法的基础上 提出了一种大气校正的新方法 首先 采用果蝇－鲍威尔优化算法反演光谱的性能参数 中心波  
）， 。 ，  
对光谱重定标 然后在光谱重定标的基础上 采用  
长和半波高度的偏移量  
模型对  
高
Ｈ ｓｅｘ  
ｙｐ  
ＭＯＤＴＲＡＮ  
， 。  
光谱数据进行大气校正 得到地表反射率数据 利用同步采集的五种典型地物的地面实测  
数据将提出  
ＡＳＤ  
（
、
、
、
的新方法与现有的几种大气校正方法 快速大气校正 经验线性法大气校正 基于  
模型的大气校正 基于  
６Ｓ  
模型的大气校正 的大气校正结果进行对比分析 并采用决定  
ＭＯＤＴＲＡＮ  
、
模型的大气校正 基于  
）
，
ＦＬＡＡＳＨ  
２
（
系数  
Ｒ
）
（
）
来 比 较 各 种 大 气 校 正 方 法 的 精 度 结 果 表 明 提 出 的 果 蝇－鲍 威 尔 优 化  
ＲＭＳＥ  
。
：
和均 方 根 误 差  
，
模型的大气校正结果最好 决定系数在  
，
以上 均方根误差在  
；
以内 基于  
ＭＯＤＴＲＡＮ  
ＭＯＤＴＲＡＮ  
８０％  
１５％  
、
、
模型  
， ，  
模型的方法 的 校 正 结 果 稍 次 于 本 文 提 出 的 新 方 法 结 果 比 较 稳 定 决 定 系 数 在  
模型  
ＦＬＡＡＳＨ  
６Ｓ  
，
以上 均方根误差在  
；
。
左右 快速大气校正与经验线性法的校正结果不稳定 可以得出结论 本文提  
２０％  
：
７０％  
， ，  
出的果蝇－鲍威尔优化算法有效可行 可以精确的反演出中心波长和半波高度的偏移量 其大气校正的精度  
。
优于现有的多种大气校正方法  
；
；
；
大气校正 果蝇－鲍威尔优化算法  
；
Ｈ ｓｅｘ  
ｙｐ  
关键词 光谱重定标  
ꢀ
ＭＯＤＴＲＡＮ  
：
：
文献标识码  
Ａ
： ／ （ ）  
ＤＯＩ １０．３９６４ ．ｉｓｓｎ．１００００５９３２０１８０１０２２４１１  
ｊ
ꢀꢀꢀ － －  
－
中图分类号  
ＴＰ７９  
ꢀꢀ  
，
数据 取得了精确的地表  
模型模拟  
ＭＯＤＴＲＡＮ  
ＡｉｓａＤＵＡＬ  
－
［］  
６
运用  
。
Ｋｒｕｓｅ  
，
Ａ
反射率数据  
数据比较了  
ＡＶＩＲＩＳ ＡＴＲＥＭ  
引
言
－
ꢀ
，
大气校正模型的大气校正结果 结果表  
和
ＣＯＲＮ ＦＬＡＡＳＨ  
明这几种大气校正模型具有较高精度的校正结果  
由于传感器的光谱性能参数在气体吸收波段的附近变化  
，
年代早期 随着美国国家航空航天局喷气推  
。
世纪  
２０  
ꢀꢀ  
８０  
，
进实验室研发的世界上第一台高光谱传感器的问世 成像光  
［］  
１
。
，
明显 因此对气体吸收波段光谱性能参数的反演也是获取精  
谱技术逐渐被人们熟知  
高光谱技术的主要优势之一是从  
［］  
７
，
含有大量窄波段的图像中提取每个像素的反射率特性 这为  
。
Ｌｉｕ  
，
等结合靶标反射率数据 采用  
确的地表反射率的前提  
［］  
２
。
、
详细 定量地分析图像提供依据  
，
但由于高光谱图像获得  
模型 对  
数 据 的  
和
ＭＯＤＴＲＡＮ  
。
波段中心波长和半波高度进行反演  
Ｗａｎ  
ＵＡＶ ＶＮＩＲＩＳ  
７６０ ８２０ ９４０  
－
［］  
８
等采用鲍威  
（
）
中有许多大  
ｍ
μ
的整个太阳能反射光谱辐射区域  
０．４ ２．５  
～
ｎｍ  
ｇ
， ，  
气吸收和散射特性波段 因此 为了获得可靠的地表反射率  
，
尔优 化 算 法 得 到 了  
，
，
７６０ ９４０ １１４０  
ꢀ
数 据  
和
Ｈ
ｅｒｓｉｏｎ  
ｙｐ  
， 。 ，  
光谱 大气校正是必要的前提 除了大气影响 由于传感器  
，
波段的中心波长和半波高度的偏移量 验证了光谱  
２０６０ｎｍ  
ꢀ
［］  
９
，
的辐射和光谱性能在时间和空间上不断退化 因此需要获取  
。 ，  
等 针 对 光 谱 的 非 均 匀 性 采 用  
Ｒｉｃｈｔｅｒ  
偏移现象 的 存 在  
［
］
３４  
。
－
，
，
ｅｒｓｉｏｎ ＡＩＳＡ Ｈ ｓｅｘ  
ｙｐ ｙｐ  
精确的辐射定标参数和光谱性能参数  
模型对  
数据气体吸  
ＭＯＤＴＲＡＮ  
Ｈ
：
，
收波段的中心波长偏移量进行反演 并对运行时间进行优化  
关于辐射定标和大气校正的研究方法主要包括两方面  
［］  
５
。
［］  
２
等 以  
［ ］  
１０  
。
，
等采用光谱匹配算法 不需要实测反射率数据  
，
基于物理模型的方法和基于统计学的方 法  
处理  
Ｂｒｏｏｋ  
Ｇａｏ  
，
实 测 的 地 表 反 射 率 和 辐 射 亮 度 数 据 为 输 入 数 据 采 用  
， ，  
Ｈ ｅｒｓｉｏｎ ＡＶＩＲＩＳ ＰＨＩＬＬＳ  
ｙｐ  
对
数据进行中心波长偏移量  
：
，
：
修订日期  
２０１６０８１７  
收稿日期  
２０１６０１０６  
－ －  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
－
－
：
（
），  
江苏高校优势学科建设工程项目资助  
基金项目 中央高校基本科研业务费专项资金项目  
２０１４ＺＤＰＹ１４  
：
，
，
年生 中国矿业大学环境与测绘学院硕士研究生  
：
ｅｍａｉｌ ａｎｃｅｎｃｅｎ １２６．ｃｏｍ  
ꢀꢀ ｐ  
作者简介 潘岑岑  
１９９１  
－
＠
：
ｅｍａｉｌ ｔａｎｋｕｎｃｕ ｍａｉｌ．ｃｏｍ  
－
通讯联系人  
＊
ꢀꢀ  
＠ｇ  
第
期
光谱学与光谱分析  
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
１
２２５  
［
］
１
等 利 用 定 标 场 地 和  
１
。
Ｇｒｅｅｎ  
，
对
（
野外光谱仪进行观测  
ＡＳＤ  
的反演  
数 据  
野外光谱仪是由美国光谱分  
ＡＶＩＲＩＳ  
Ｈ
ＡＳＤ  
ｙ
－
。
，
析公司生产的 光谱分辨率  
，
光谱范围为  
１ｎｍ  
数据进行了辐射定标和光谱重定标  
ｅｒｓｉｏｎ  
ｐ
３５０ ２５００  
～ ꢀ  
，
针对前人的研究 本文提出了果蝇－鲍威尔优化算法  
，
对
）， ，  
选取若干个典型地物作为测量点 每个目标物重复观  
ｎｍ  
。
次再取其平均值作为该目标物的光谱  
航空高光谱影像的气体吸收波段的中心波长和半波  
测
Ｈ ｓｅｘ  
ｙｐ  
１０  
，
高度进行反演 并与  
。
将
模型的 大 气 校 正 耦 合  
实验一的研究区域位于江苏省徐州市泉山区中国矿业大  
ＭＯＤＴＲＡＮ  
、
该方法大气校的结果与 大气校正 经 验 线 性 法 大 气  
ＱＵＡＣ  
，
图
学南湖校区操场  
为实验一的研究区域与若干地物点的  
１
、
６Ｓ  
、
、
。
分布状况 实 验 一 的 研 究 区 域 铺 设 了 标 称 反 射 率 为  
，
５％  
校正  
模型  
模型  
模型的校正结  
ＦＬＡＡＳＨ  
ＭＯＤＴＲＡＮ  
，
果进行对比 探讨各种大气校正方法的精度以及适用条件  
。
， ，  
和
２０％ ４０％ ６０％ ８０％  
。
的靶标  
，
图
实验二的研究区域位于江苏省徐州市柳新矿区附近  
。
为实验二的研究区域与若干地物点的分布状况  
２
实验部分  
１
ꢀ
大气校正方法  
１．２  
ꢀ
实验研究区域与数据  
大气校正方法  
１．２．１ ＱＵＡＣ  
ꢀ
１．１  
ꢀ
，
大气校正工具 可以自动从图  
ＱＵＡＣ  
实验使用的高光谱数据为  
成像高光谱仪获取的  
软件提供的  
ＥＮＶＩ  
Ｈ ｓｅｘ  
ｙｐ  
，
高光谱遥感影像 光谱范围为  
，
，
像上收集不同物质的波谱信息 获取经验值完成高光谱和多  
光谱分辨率  
４００ ２５００ｎｍ  
～ ꢀ  
，
，
０．１９ ｍ  
。
光谱的快速大气校正 目前  
达到  
地 面 分 辨 率 达 到  
传 感 器 高 度 为  
支持的 多 光 谱 和 高 光 谱  
ＱＵＡＣ  
３．６３ｎｍ  
１
。 ，  
论文对两个不同的实验区域的遥感影像进行实验 两个  
ｋｍ  
，
０．４ ２．５ ｍ  
～
μ
、
波谱范围是  
输入数据可以是辐射亮度值 表  
、 、  
研究区域的中心经纬度 覆盖的光谱区域 光谱分辨率等信  
、
观反射率 无单位的  
，
数据 数据储存格式和类型没有特  
ｒａｗ  
。
１
，
殊要求 但必须提供多光谱和高光谱传感器数据每个波段的  
息见表  
。
在飞机过境时同步进行了地面典型地物波谱测量 利用  
。
中心波长信息  
ꢀꢀ  
表
两个实验区高光谱数据的比较  
１
ꢀ
Ｔａｂｌｅ１ Ｃｏｍ ａｒｉｓｏｎｏｆｈ ｅｒｓｅｃｔｒａｌｄａｔａｉｎｔｗｏｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａｓ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｙｐ ｐ  
ｐ
／
光谱区域  
ｎｍ  
（
）／  
ＶＩＲ ｎｍ  
实验编号  
飞行时间  
影像中心经纬度  
光谱分辨率  
波段数目  
４０  
，
３４．２１４３°Ｎ １１７．１３９３°Ｅ  
ꢀ
１
ꢀ
２０１４１１０７  
－ －  
４１７．２８ ９８３．５３  
～
１４．５２  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
，
３４．３３５４°Ｎ １１７．１２１９°Ｅ  
ꢀ
２
ꢀ
２０１４１１０８  
－ －  
４１５．４６ ２１５９．００  
～ ꢀ  
３．６３  
ꢀ
４００  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
图
实验一的研究区以及三种典型地物的原始光谱曲线  
１
ꢀ
Ｆｉ．１ Ｏｒｉｉｎａｌｓｅｃｔｒａｌｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｒｅｅｔ ｉｃａｌｏｂｅｃｔｓｉｎｆｉｒｓｔｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｊ
ꢀ
ꢀ
ｐ
ꢀ
ꢀ
ｙｐ  
ꢀ
ꢀ
ｇ
ｇ

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