全谱段光谱成像仪系统设计及实现

全谱段光谱成像仪是"高分五号"卫星上的一个重要的对地观测有效载荷,具有谱段多、空间分辨率高、辐射定标精度高的特点。载荷设计寿命8年,以60km幅宽、推扫成像方式,获取地球表面0.45~12.5μm谱段范围的辐射数据。可见近红外短波谱段(B1-B6)星下点空间分辨率20m,绝对辐射定标精度5%;中长波红外谱段(B7-B12)星下点空间分辨率40m,绝对辐射定标精度1K(300K时)。该载荷集成度高、技术指标先进,使中国多光谱光学遥感器在谱段数量、空间分辨率、辐射分辨率和辐射定标精度上都有了大幅提升。文章对载荷的方案、技术特点和先进性等进行了介绍,并对后续的应用方向进行了展望。

一种适用于高分五号全谱段光谱成像仪影像的云检测算法

云的存在严重制约了遥感影像的处理和应用。通过分析云和典型地物的光谱特性差异,结合高分五号卫星全谱段光谱成像仪(VIMI)的波段设置,提出一种适用于高分五号卫星全谱段光谱成像仪的云检测算法。依照地物光谱特性的差异分别检测出厚云区域和薄云区域,两者合并得到初步云掩膜,通过比率判别和雪指数去除其中的高亮岩石和冰雪,得到最终的云掩膜。实验结果表明:该云检测算法可以取得较好的检测效果,准确率可达90%以上,并且运行效率较高。

高分五号卫星全谱段光谱成像仪在轨几何定标方法及精度验证

高分五号卫星全谱段光谱成像仪(VIMS)覆盖了可见近红外、短中波红外和长波红外谱段,对生态环境监测、国土资源调查等领域具有重要的应用价值。在轨几何定标作为地面处理系统中不可缺少的环节,对光学卫星遥感影像能否充分发挥其应用潜能影响巨大。通过采用基于探元指向角的在轨几何定标模型,设计了一套适用于全谱段影像的在轨几何定标方案,利用高精度的资源三号卫星影像从参考影像绝对定标和波段间相对定标两个方面进行内外定标参数的解算。结果表明:在无控制点的情况下,影像平面定位精度优于20m,内部相对精度优于0.5个像素。

全谱段光谱成像仪遥感影像云检测算法

云的存在影响着遥感影像的广泛应用。基于高光谱观测卫星全谱段光谱成像仪的空间分辨率高和波段范围广的特点,提出一种适用于全谱段光谱成像仪数据的改进多通道阈值云检测算法。首先,根据云层在可见光到热红外通道的变化特征分离潜在云像素和清晰像素;然后,将温度概率、变异概率和亮度概率相结合,分别生成陆地和水体的云概率掩模;在此基础上,利用潜在云像素和云概率掩模得到潜在云层;最后,对潜在云层应用晴空恢复测试来减轻陆地水体以及冰雪上空云的误判。将改进的多通道阈值云检测算法结果与传统的多通道阈值云检测算法结果进行定量对比分析。结果表明:改进的算法能适用于不同的地表场景且得到较好的检测效果,平均总体精度为92.0%,差异度总体降低3%,平均云像元正确率和晴空像元正确率分别为92.4%和91.8%,错分和漏分误差显著降低;尤其在高亮地表,在城市和冰雪上空的平均云像元正确率分别提高4%和5%,差异度分别降低4%和2%。所提算法的云识别效果优于传统的多通道阈值云检测算法的结果,并且运行效率较高。

从可见光到热红外全谱段探测的星载多光谱成像仪器技术发展概述

从可见光到热红外的全谱段探测的多光谱成像仪器能够同时对可见光、近红外、短波红外、中波红外、长波红外光谱范围内的多个谱段进行探测,是目前得到广泛研究及应用的成像光谱仪器。这类仪器在国土资源、环境监测、城市遥感、海洋监管等方面均有较高的应用价值。本文概述了此类仪器的国内外研究发展现状,对国外Landsat系列载荷、MODIS、国内的资源系列载荷、高分五号全谱段光谱成像仪等代表性仪器的技术指标和特点进行了总结。通过分析认为更加全面和精细的光谱覆盖、成像方式的改进与技术指标提高、定标手段和定量化水平提高、数据的持续性及稳定性是未来发展的趋势。

高分五号全谱段光谱成像仪影像数据质量评价研究

高分五号卫星上搭载的我国自主研发的全谱段光谱成像仪是从可见光到长波红外光谱范围的星载多光谱成像仪,具有广泛的应用前景。对卫星影像进行质量评价,既是对遥感卫星是否满足设计指标的验证与检验,也可以为影像的处理与应用提供参考。利用信噪比、清晰度、信息量、辐射不均一性4个指标对高分五号全谱段光谱成像仪进行影像质量评价,并以美国陆地卫星Landsat 8影像为参考进行对比分析。结果表明:高分五号卫星全谱段光谱成像仪短波红外谱段的信噪比(320.44~388.42)略高于可见近红外谱段(208.24~238.03);近-短波红外谱段的清晰度(0.82~0.91)要高于其余谱段,尤其是长波红外谱段(0.01~0.21);可见短波红外谱段的信息量(9.01~9.97)要高于中长波红外谱段(5.71~8.31);所有12个谱段的辐射不均一性均小于2%。与Landsat 8的比较结果表明:在清晰度方面,全谱段光谱成像仪可见近红外谱段优于Landsat 8,其他谱段接近Landsat 8;在信息量方面,可见短波红外谱段与Landsat 8比较接近,但是B11、B12两个分裂窗谱段差距较大,分别相差5.23和5.61;在信噪比方面GF-5 VIMI仍有待进一步改善,又以B1、B2、B63个谱段落后Landsat 8最大,分别相差280.41、226.84和151.92。

无人机高光谱岩性和矿物识别技术研究

无人机高光谱遥感技术以其高空间分辨率和高光谱分辨率的技术优势,在大比例尺区域地质填图领域可以发挥重要作用。利用无人机搭载全谱段高光谱成像仪(HD_SAVI)获取0.2 m高空间分辨率影像数据,采用经验线性法对所获取数据进行光谱重建,重建后无人机高光谱影像光谱曲线与地面实测光谱曲线谱形基本一致,典型特征吸收峰位置偏差均在1个像元以内。采集岩性样本构建岩性知识库,利用深度学习算法基于无人机高光谱影像数据开展岩性识别;岩性识别结果与大比例尺地质图对比,岩性空间分布基本一致,地质体边界准确且较清晰。参考典型矿物光谱库进行矿物识别。与同一地区CASI/SASI航空高光谱数据地质填图结果进行对比分析,结果表明:两者提取的矿物在空间分布上具有较高的一致性,但无人机低空高光谱影像空间分辨率较高,识别出的矿物种类更加丰富。无人机高光谱遥感技术可以满足无人区、交通不便地区地质勘查,以及重点区或矿区外围等地区大比例尺地质填图的需要。

GF5B热红外通道星上定标与验证

以GF5B卫星发射前实验室定标为基础,采用星上0级黑体定标数据,建立了适用于GF5B热红外通道的星上绝对辐射定标模型。通过对2022年01月12日星上黑体定标数据进行处理,获得成像仪热红外通道的绝对辐射定标系数。对星上定标系统精度进行分析,并采用地面同步烟台浮标数据对定标结果进行精度验证,结果表明,在轨后星上定标系统的绝对定标精度为0.9 K;星地验证结果显示B11和B12通道亮温的偏差分别为0.33、0.77 K。说明基于星上黑体的定标方法具有较好的精度,定标结果可靠,可满足遥感数据定量化应用的需要,为实时准确获取热红外通道定标系数提供了方法借鉴。

基于姿态误差时空补偿的高分五号02星全谱段影像定位精度提升方法

提出一种顾及姿态误差时空变化的全谱段光谱成像仪(VIMS)定位精度提升方法。通过分析高分五号02星(GF-5B卫星)181 d的星敏感器低频误差规律,以分段傅里叶级数模型为基础,利用时序化、多空间补偿策略,统一了非基准与基准定姿模式之间的低频误差特性,补偿低频误差对影像几何定位的影响。研究结果表明,所提方法将VIMS可见光近红外影像无地面控制几何定位精度从4.274 pixel优化至1.867 pixel,且对不同时相、不同区域的光学影像均有良好的精度提升效果。

多探测器数据控制与处理系统设计

全谱段光谱成像仪集成可见多光谱、短波/中波红外以及长波红外三种探测器,覆盖十多个谱段,具有目前国内同类遥感仪器最宽光谱信息,同时系统复杂且技术难度较大。为解决全谱段光谱成像仪多探测器同步控制、海量数据存储与集成处理以及探测器在轨增益、级数、积分时间等其他参数调整问题,设计了一种多探测器数据控制与处理系统。该系统硬件以现场可编程门阵列(FPGA)为核心控制处理单元,采用光耦合差分器件与其它设备进行连接和传输;FPGA软件采用模块化设计思想,自顶向下用硬件描述语言(VHDL)进行设计;利用仿真工具、硬件模拟器进行验证,结果证明了该设计的正确性和有效性。在实际工程应用中,该系统功能全面、接口灵活、可靠性高且易扩展。

基于“高分五号”卫星红外影像的舰船尾迹特征分析

舰船驶过海面后会形成一条长度可达数千米且持续很长时间的尾迹区,利用尾迹可以实现舰船目标地理位置、运动参数的估计,热红外遥感基于该尾迹图像可实现全天时的舰船监测。目前,舰船尾迹的红外特征研究大都是基于仿真模型进行的,并基于仿真图像建立了尾迹的探测模型,缺乏真实的在轨红外遥感数据验证。文章基于“高分五号”(GF-5)卫星全谱段光谱成像仪红外图像,分析研究目前主要的两种尾迹(V型波和湍流)在短波红外、中波红外和长波红外的特性,为后续的基于红外遥感图像的舰船尾迹检测提供支持。