一种海洋水色卫星传感器端到端交叉辐射定标方法及系统与流程

本发明属于卫星遥感数据处理与辐射定标，尤其涉及一种海洋水色卫星传感器端到端交叉辐射定标方法及系统。

背景技术：

1、海洋水色卫星凭借其大范围、长时序的观测优势，已成为海洋环境定量化监测的主要技术手段。辐射定标是水色卫星定量化应用的关键，直接影响后续遥感定量产品的可靠性。水色卫星传感器辐射定标方法主要包括星上定标、场地定标和交叉定标。星上定标具有高精度，不受地表和大气影响等优势，但需要搭载星上定标设备，成本高，且随着星上定标设备的退化，其定标精度也会随之下降。场地定标对定标场环境及观测条件要求严格，依赖高精度地面测量。

2、交叉定标突破了传统定标手段的时空限制，通过多传感器间的辐射传递实现辐射定标，显著提升了多源卫星传感器数据间的一致性，是星上定标和场地定标的重要补充。研究人员通过交叉辐射定标实现了多颗卫星传感器的精确辐射定标。尽管考虑了传感器观测几何差异和光谱差异等多重因素，但是传统的交叉辐射定标方法仍然存在以下不足：（1）以像元为单位的传统辐射定标模式难以有效挖掘并表征空间上下文信息；（2）传统方法采用单波段定标策略，忽略了波段间的相关性。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

4、（1）传统的交叉辐射定标方法以像元为基本处理单元，将每个像元视为独立对象进行定标处理，难以对影像的空间上下文关系进行有效建模，无法利用邻域像元信息抑制局部异常像元的干扰，导致条带噪声等空间异常在辐射定标过程中被保留甚至放大。

5、（2）传统的交叉辐射定标方法采用逐波段独立定标的策略，忽视了不同波段之间的内在物理关联和光谱相关性，无法对定标结果的光谱形状进行有效约束，难以保证各波段间辐射一致性的光谱完整性。

6、（3）现有基于深度学习的辐射定标方法虽然引入了神经网络技术，但仍沿用传统线性定标系数拟合的思路，即仅利用深度学习模拟线性定标系数，再通过线性模型完成定标，未能实现从数字计数到辐亮度的端到端非线性映射，限制了深度学习非线性表征能力的充分发挥。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种海洋水色卫星传感器端到端交叉辐射定标方法及系统，所述技术方案如下：

2、本发明是这样实现的，一种海洋水色卫星传感器端到端交叉辐射定标方法，该方法包括以下步骤：

3、s1、获取待定标卫星传感器的数字计数影像以及时空同步的参考卫星传感器的辐亮度影像，对数字计数影像和辐亮度影像进行预处理；

4、s2、将预处理后的数字计数影像和辐亮度影像输入预先构建的多层空谱协同神经网络中，所述多层空谱协同神经网络包含多个级联的特征提取层；在每一特征提取层中，均通过空间局部精细编码分支提取输入当前层的多尺度局部空间特征，并通过光谱全局依赖编码分支提取输入当前层的全波段间的全局光谱依赖关系；

5、s3、在每一特征提取层中，通过对应的特征聚合模块将该层提取到的所述多尺度局部空间特征与所述全局光谱依赖关系进行层内融合，得到当前层的空谱融合特征；其中，除最后一层特征提取层外，当前层的所述空谱融合特征均作为下一层特征提取层的输入传入下一层，以此进行逐层递进的特征提取与融合，直至最后一层特征提取层输出最终的深层空谱融合特征；

6、s4、将得到的所述最终的深层空谱融合特征输入特征重建模块进行上采样重建，生成辐射定标后的辐亮度影像。

7、本发明的另一目的在于提供一种海洋水色卫星传感器端到端交叉辐射定标系统，该系统用于执行所述的海洋水色卫星传感器端到端交叉辐射定标方法，该系统基于pytorch深度学习框架实现，运行于图形处理器，包括：

8、数据获取模块，用于获取待定标卫星传感器的数字计数影像以及时空同步的参考卫星传感器的辐亮度影像；

9、双分支空谱特征提取模块，包括空间局部精细编码分支和光谱全局依赖编码分支，所述空间局部精细编码分支用于提取多尺度局部空间特征，所述光谱全局依赖编码分支用于提取全波段间的全局光谱依赖关系；

10、空谱融合特征模块，用于将所述多尺度局部空间特征和所述全局光谱依赖关系进行融合，输出空谱融合特征；

11、特征重建模块，用于对所述空谱融合特征进行上采样重建，生成辐射定标后的辐亮度影像。

12、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的有益效果为：

13、第一、海洋水色卫星凭借其大范围、周期性的观测能力，在海洋环境定量监测中发挥了重要作用。辐射定标是定量化遥感的关键，其直接影响后续遥感定量产品的可靠性。星上定标与场地定标虽具有较高精度，但对技术和成本要求高。交叉辐射定标利用已精确辐射定标的传感器对目标传感器进行定标，具有高频次和低成本的优势。但现有交叉辐射定标方法多采用线性定标模型，忽略了像元间的空间相关性和光谱相关性。针对上述问题，本发明提出一种基于深度学习的新型端到端交叉辐射定标方法，旨在挖掘星-星间非线性关系，实现端到端的交叉辐射定标。针对卫星影像的空谱三维特征，该方法设计了双分支结构挖掘影像的局部空间特征与全局光谱依赖关系；针对辐射定标光谱形状保持，采用全波段协同学习机制，以保持辐射定标光谱的准确性。在此基础上，以海洋一号d星（hy-1d）搭载的中国海洋水色水温扫描仪（chinese ocean color and temperature scanner，cocts）为例，构建了覆盖不同类型水体的样本库，开展模型的训练和应用。实验结果表明，基于本发明方法获得的hy-1d cocts各波段辐射定标结果与aqua中分辨率成像光谱仪（moderate-resolution imaging spectroradiometer，modis）标准辐亮度产品具有较好的一致性，八个波段的平均均方误差（mean squared error，mse）值为0.2349，平均相对误差（relativeerror，re）值为1.14%。各波段相比，蓝光波段精度最高（re为0.7%，mse为0.4353），近红外波段最差（re为1.83%，mse为0.0236）。本方法生成的hy-1d cocts辐射产品精度优于辐亮度产品，平均re降低84%，mse降低96%。同时，本发明具有较好的空间和光谱保持能力，平均结构相似性指数（structural similarity index measure，ssim）值为0.9942，光谱角（spectral angle，sa）为0.29°，能够有效抑制条带噪声和局部失真现象，提升辐射定标产品质量。另外，该方法在不同水体环境下表现出良好的适用性，适用于清澈的大洋水体以及浑浊的近岸水体。本发明为交叉辐射定标提供了新思路，可广泛应用于卫星数据的交叉辐射定标。

14、第二、本发明提出了一种基于空谱协同机制的双分支交叉辐射定标方法db-ssjn，并以hy-1d cocts传感器为例，实现了从dn到表观辐亮度的端到端转换。相较于传统基于单一像元与独立波段的定标方法，本方法通过引入卷积与注意力机制，构建了一个双分支架构，分别提取多尺度空间特征与光谱长程关联，并通过特征融合模块实现空谱信息的互补与协同。针对卫星传感器各波段动态范围差异显著的特点，本发明设计了波段加权损失函数，显著提升了红外波段的定标效果。与同步aqua/modis辐亮度产品的验证结果表明，db-ssjn方法表现出优异的定标精度，且能有效保持光谱形状。相较于cocts标准产品，本方法所得结果与modis参考数据具有更高的一致性，显示出更优的定标性能。此外，本方法对不同水体环境（包括近岸浑浊水体与开阔清洁大洋水体）均表现出良好的适应性与鲁棒性。得益于其内在的空谱协同处理机制，本发明构建的模型对影像中可能存在的条带噪声等局部异常像元具备明显的抑制能力。

15、第三、本发明基于双分支空谱协同架构与全波段协同学习机制，可有效抑制卫星影像条带噪声、校正局部像素失真问题，精准保留各波段光谱完整性，稳定输出高精度、高空间一致性与光谱一致性的卫星表观辐亮度影像。同时，本发明摒弃传统线性拟合模式，通过端到端深度非线性映射方式，消除不同卫星传感器间的波段响应差异与非线性响应偏差，实现hy-1d cocts等海洋水色卫星与aqua modis等卫星的高精度辐射基准对齐。

16、第四、本发明针对现有交叉辐射定标技术空谱特征融合浅层化、建模方式单一、多波段优化不均衡等行业短板，从网络架构、建模思路、损失函数设计三个核心维度，解决了多层级纵向逐层空谱协同交叉辐射定标机制的技术问题，现有技术仅能对空间、光谱特征进行单尺度、单步骤简单叠加，本发明创新性提出双分支、逐层递进融合的db-ssjn特征提取网络，实现多尺度局部空间上下文特征与全波段全局光谱长程依赖关系的深度级联融合，突破了传统空谱特征融合的浅层化瓶颈。本发明解决了遥感dn值到l1级辐亮度端到端深度非线性交叉定标的技术问题，构建并验证了从原始遥感数字计数值直接映射至物理辐亮度影像的端到端深度非线性网络模型，完善了遥感辐射定标领域的非线性特征表征技术体系。本发明解决了面向动态范围差异传感器的波段加权定标损失函数设计问题，针对海洋水色传感器可见光、红外波段动态范围差异显著的物理特性，定制化设计波段加权损失函数，有效解决了多波段联合定标过程中高低动态波段优化失衡的行业技术问题。

17、第五、本发明依托空谱协同处理机制与多尺度特征自适应学习能力，攻克了长期困扰海洋遥感辐射定标领域的两大技术难题。一方面，解决了空间降噪去条带与光谱特征保持不可兼得的行业难题，传统定标技术在去除影像条带噪声、修正局部异常像元的过程中，极易破坏原始像素的光谱形态与波段关联特征，本发明通过融合空间形变感知与复合通道注意力机制，依托邻域空间上下文信息实现精准降噪去噪，同时借助全局光谱依赖约束锁定光谱特征，实现空间优化与光谱保真的双向统一。另一方面，解决了近岸浑浊水体与开阔大洋水体跨环境定标适应性差的技术难题，由于近岸水体与大洋水体反射率物理特征差异极大，传统固定参数定标模型无法适配两类水体环境，存在定标精度失衡、适用性不足的问题，本发明通过端到端非线性映射与多尺度自适应特征重建技术，对浑浊近岸水体、清澈大洋水体均具备优异的泛化能力与鲁棒性，拓宽了海洋卫星辐射定标的适用场景。

18、第六、现有卫星辐射定标仅为传感器物理响应的独立测量过程，需将单个像元、单一波段作为独立计算单元，完全忽略像元间空间关联与波段间光谱耦合关系。本发明通过引入邻域空间上下文信息与跨波段物理关联特征，构建空谱协同定标模型，经实验验证，该方式不仅不会干扰辐射定标的精准度，还能有效抵御局部异常像元带来的误差干扰，显著提升整幅遥感影像的辐射一致性与整体定标精度，重构了海洋卫星交叉辐射定标的技术理念与实施体系。