无人机光谱分析（无人机多光谱相机RedEdge的辐射定标方法）

摘要：物体对太阳光有特定的吸收和反射作用，辐射定标是建立传感器响应和地物波谱反射间关系的过程，是定量测定地物反射率的方法。

RedEdge相机有5个波段，它们的中心波长和波段宽度如表1所示。

每台相机都带有一个图1所示的辐射标定版。

图1 RedEdge相机的辐射标定版

扫描图1中的二维码，可得到标定版的序列号，登录MicaSense的官方网站[1]，进一步得到标定版（二维码右侧正方形区域）的标准反射率ρi。

无人机在起飞前和降落后，均须参照图2所示的方式，对标定板拍照。拍照时须避免标定板灰色区域受阴影干扰。

图2 标定板拍摄方式示意图[2]（a） （b）

图3 灰板掩模示意图。（a）无人机拍摄到的标定版图像；（b）灰板掩模

为计算方便，按照图3所示，为无人机拍摄的每张标定版影像建立一个行列数相同的掩模影像。计算掩模影像中灰度为255的区域在标定版影像上对应区域的灰度平均值，按照式（1）所示计算该波段的辐射定标系数。

式中，ρi为波段i的标准反射率；P是由灰板掩模中灰度值为255的像素构成的集合，n为集合中像素的数目；Li为标定版影像经辐射校正后的波谱辐射亮度。

在对每个波段进行辐射定标处理时，首先用前文所述方法对它们做辐射校正处理，消除传感器和镜头在成像过程中的辐射畸变，将影像灰度值转换为对应的波谱辐射亮度L，然后将L与Fi相乘，得到地物的绝对反射率。自然界中即不存在绝对辐射吸收体，也不存在绝对辐射反射体，因此地物绝对反射率的取值范围为（0.0，1.0）。辐射定标结果除保存为float类型的tiff外，也可以按照某个倍率（例如4096）做离散化处理后保存为unsigned short类型的tiff。

影像在经过辐射定标处理后，里面记录的是地物的绝对反射率，真实表达了（忽略大气传输等其它因素）地物对电磁波谱的反射作用，其结果可用于计算遥感影像解译中常用的各类指数。归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是常用的定量遥感指数之一，其计算方法如式（2）所示。

NDVI经比值处理，部分消除了太阳高度角、地形以及大气条件等复杂因素的影响，是植被生长状态和植被覆盖度的最佳指示因子，其取值范围为（-1.0，+1.0）。云、水、雪等物体对电磁波谱红色波段的反射率大于近红外波段，其NDVI值为负值；岩石和裸露地等地物对红色波段和近红外波段的反射率近似相等，其NDVI值约为0；植被因其在近红外波段存在强反射，红色波段存在强吸收，使得NDVI值远大于0。图4为RedEdge影像的辐射定标结果和NDVI示意图。

（a）（b）（c）

图4 辐射定标和NDVI结果示意图。（a）辐射定标结果，波段组合R（Nir）、G（Green）、B（Blue）；（b）NDVI结果；（c）NDVI颜色表

结论：结合RedEdge相机的结构和前几文及本文的处理方法可以看出，性能良好的植被指数依赖于高精度的波段配准和高精度的辐射校正及定标结果。高精度的波段配准结果可消除NDVI计算时像素错位带来的差值和比值误差；高精度辐射校正可消除传感器和镜头带来的辐射畸变误差；高精度辐射定标则用于建立当时、当地传感器工作条件和地物反射率之间的关系。进一步的遥感解译则要建立由遥感影像计算出的各类指数和要研究的自然现象之间的关系，这是另一门浩瀚的遥感科学——定量遥感的研究内容。

参考文献：

[1] MicaSense. Available online: https://support.micasense.com/hc/en-us/articles/224590508-Where-can-I-find-reflectance-values-for-my-panels- (accessed on 15 Sep 2018).

[2] MicaSense. Available online: https://support.micasense.com/hc/en-us/articles/360001485134-Getting-Started-With-RedEdge-M (accessed on 15 Sep 2018).