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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(jī),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。
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(jī)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(jī)(Phantom4-M,P4M),為遙感用戶提供了會飛的多光譜相機(jī)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件——大疆智圖,其中多光譜相機(jī)成像波段參數(shù)如表1所示。
飛行器+相機(jī)+數(shù)據(jù)處理軟件的集成方式提高了無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(dá)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(jī)鏡頭視場角范圍的那部分會照射到相機(jī)傳感器上,其強(qiáng)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(jī)鏡頭到達(dá)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(dá)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(dá)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(jìn)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