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《光学学报》2023年第06期封面故事一:“拨云去雾见地表”,全色卫星影像来帮忙

已有 832 次阅读 2023-3-29 15:12 |系统分类:论文交流

        当谈到气象、气候时,你会想到什么?

 

       现如今,全球气候变暖,极端灾害性天气广发、频发、并发,为全世界敲响警钟,应对气候变化迫在眉睫

 

       面对全球变暖,我国积极参与全球气候治理,实施应对气候变化的国家战略,节能减排,绿色低碳;面对极端性天气气候事件,早预警、早行动,积极推动防灾减灾行动。

 

       雾霾等不利气象条件不但影响气候变化,也严重影响卫星对地观测的效能,导致目标看不清、看不准、看不真。为了“看”得更清,中国科学院空天信息创新研究院李正强研究员课题组提出了一套适用于高分辨率全色卫星影像的大气校正方法,实现“拨云去雾见地表”。

 

       该方法去除大气及周围环境对卫星入瞳信号的影响,针对卫星影像中的邻近效应问题,全面提升卫星影像的质量,可应用于高分辨率卫星及其搭载的大气同步校正仪。

 

       相关结果被选为《光学学报》“空间、大气、海洋与环境光学”(SAME)专题刊2023年第6期封面文章。

 

 

 

封面解读

 

       封面形象地展示了高分二号卫星在成像过程中,除了大气干扰,目标地物周围环境的辐射信息也会对卫星入瞳信号产生影响,这部分影响被称为邻近效应。因此,针对高分辨率光学卫星的大气校正方法,不仅要消除大气的影响,还要解决周围环境所造成的邻近效应。

 

文章来源:郑杨, 李正强, 王思恒, 马?, 李凯涛, 张玉环, 刘振海, 杨磊库, 侯伟真, 顾浩然, 李殷娜, 姚前, 何卓. 高分二号全色卫星影像大气校正[J]. 光学学报, 2023, 43(6): 0601012

 

研究背景

 

       在低大气能见度情况下,全色光学卫星影像的成像过程易受大气吸收和散射效应以及邻近效应的影响,致使太阳辐射的入瞳信号被削弱,使得影像的辐射信息无法真实反映地物信息,影响卫星影像的可视效果和应用效能。目前常用的一些大气校正方法和软件受方法本身和输入数据等方面的限制,难以有效解决卫星影像的邻近效应校正问题。因此,发展一套适用于全色卫星影像的大气校正方法具有重要应用价值。

 

       本文利用大气辐射传输模型和基于指数衰减模型的大气点扩展函数,发展了一套适用于全色卫星影像的大气校正方法。充分考虑了大气成分及目标像元周围环境对卫星入瞳信号的影响,能够有效去除成像过程中大气及周围环境对入瞳信号的影响,恢复成像区域的真实地表信息,改善低大气能见度情况下全色卫星影像的图像质量。

 

全色卫星影像大气校正方法

 

       邻近效应校正的难点在于邻近效应范围的确定,以及该范围内各像元受邻近效应影响权重值的确定。邻近效应影响范围的大小通常由影像空间分辨率、大气点扩散函数等因素决定,如图1(b)所示,当卫星影像的空间分辨率为0.8 m时,在目标像元相邻约6250个像元范围(约5 km范围)内,这些因素均对目标像元的入瞳信号有贡献。

 

图1 空间分辨率为0.8 m时,指数衰减点扩散函数随像元距离的变化。(a)三维曲面图;(b)等值线图

 

       本文所发展的全色卫星影像大气校正方法首先基于6SV模型采用高精度的同步大气观测参数进行大气辐射校正,通过去除大气的干扰得到初始地表反射率;而后利用指数衰减的大气点扩散函数,通过迭代消除邻近效应带来的影响以获取真实地表反射率,典型雾霾条件下校正结果对比如图2所示。

 

图2 GF-2卫星大气校正前后的全色波段卫星影像。(a)校正前污染大气表观反射率(ρTOA);(b)大气辐射校正后污染大气初始地表反射率(ρt);(c)邻近效应校正后污染大气真实地表反射率(ρs)

 

       各个影像的质量评价参数对比结果如图3和图4所示。本文发展的大气校正方法校正得到的地表反射率图像相较于未校正前的表观反射率图像的清晰度、对比度、边缘能量、细节能量等指标均显著提高(图3),地物轮廓更为清晰,纹理信息更为丰富,地物辨识度得到了显著提升。图像调制传递函数(MTF)在雾霾和晴天典型条件相比原图像MTF值至少提高1.69倍。

 

图3 大气校正前后全色波段卫星影像的清晰度、对比度、边缘能量和细节能量结果对比。(a) 清晰度;(b) 对比度;(c) 边缘能量;(d)细节能量

 

图4 大气校正前后全色波段卫星影像的MTF。(a) 污染大气;(b) 清洁大气

 

未来展望

 

       本文所发展的针对全色卫星影像大气校正方法是建立在大气参数同步获取基础上的一种定量计算、高精度校正方法,从应用角度显示了对于高分辨率对地观测卫星,可以通过搭载大气同步校正仪获取高精度的大气参数,精确计算邻近校正,通过提高大气校正精度改善影像质量,有望成为今后大气校正发展的一个重要方向。

 

课题组介绍

 

        中国科学院空天信息创新研究院李正强研究员带领的科研团队,围绕生态环境保护遥感领域的国家重大战略需求和科技前沿,深入开展了卫星遥感和大气环境监测等研究,建立了自主观测大气光学-物理-化学特性的太阳-天空辐射计观测网,推动了系列星载偏振载荷的设计论证和算法工程研发,提升了国产偏振卫星气溶胶观测能力,为我国高分卫星图像质量提升、定量化应用提供创新支撑。

 

通信作者简介

 

       李正强,中国科学院空天信息创新研究院研究员,博士生导师,国家环境保护卫星遥感重点实验室主任,国际大气环境遥感学会(AERSS)主席,国际偏振观测进展研讨会主席,大气环境遥感与协同分析论坛主席,全国卫星气象与空间天气标准化技术委员会副主任委员,气候变化空间站国际组织中方国家代表。国家杰出青年科学基金获得者,发表SCI等论文300余篇、专著3本,专利30余项。获北京市自然科学奖、环境保护科学技术奖、测绘科学技术奖等多项奖项。

 

       长期从事大气环境遥感、卫星定量探测和大气辐射研究。发展了基于偏振的被动光学环境遥感技术,据此提出了系列大气校正仪载荷应用方案,在环境-2A/B卫星(2020年)、高分多模卫星(2020年)、碳生态监测卫星(2022年)上获得应用;创建了SONET气溶胶地基观测网,为全球十余颗卫星和国内数十家机构提供基础数据;提出了星载“偏振交火”PM2.5载荷科学方案,在我国GF-5(02)卫星(2021年)、DQ-1卫星(2022年)等工程上获得实施;建立大气颗粒物光学、微物理和化学成分的协同遥感探测方法,开辟了通过遥感反演手段绘制PM2.5浓度变化的环境遥感分析研究途径。在环境卫星定量遥感技术方向具有深厚积累和造诣,相关研究和成果具有国际一流影响力,得到国内外同行认可。

 

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原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/nNQrBz9wSaKywXTq0w7XDg




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