作业标准1：辐射定标及波段运算

特别策划·铁路科技保安全铁路外部环境安全隐患变化卫星监测技术杨移超（中国铁路北京局集团有限公司北京高铁工务段，北京100070）摘要：为保障铁路运营安全，科学、高效、定期开展铁路周边安全环境整治工作，需大力提升技防手段，其中卫星监测技术可以快速准确获取铁路外部环境安全隐患的地理位置和属性特征，有效降低人力、物力投入。

因此应大力推广铁路外部环境安全隐患变化卫星监测技术应用，同时要及时跟进作业流程规范化梳理，依托京沪高铁廊坊段卫星监测技术应用，详细论述技术流程、数据预处理、隐患影像特征、项目内容，形成一整套满足工程应用的作业指导。

相比较传统的现场筛查安全隐患变化，卫星监测技术获取的安全隐患问题库更精细具体，规范化安全隐患变化卫星监测作业流程可以更好地提升监测精度和工作效率。

关键词：铁路外部环境；安全隐患；卫星监测；数据预处理；影像特征；京沪高铁；铁路安全中图分类号：U298 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2023）10-0151-07 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2023.01.10.0030 引言卫星监测技术在土地利用、水资源、林业、采矿等行业均已系统化运用［1-4］。

随着陆地卫星观测体系不断健全完善，覆盖能力不断提升，为全天候、全要素、全流程监测提供了重要数据基础。

近年来，随着高速铁路建设快速发展，铁路营业里程不断增长，铁路外部环境安全隐患时刻威胁着列车运行安全。

铁路外部环境安全隐患按问题属性主要分为18个类别，包括违法施工、危险物品、上跨并行等。

在这些问题类别中，有学者研究部分安全隐患如硬飘浮物、轻飘浮物、堆放隐患等适合采用卫星监测手段进行检测调查［5-6］。

铁路外部环境安全隐患造成的列车事故通常由外力因素触发，具有随机性和偶发性，精确排查出安全隐患的地理位置及自身属性后，综合考虑隐患自身属性、环境特征和空间关系可以进行安全风险评价。

铁基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（N2020T005）作者简介：杨移超（1983—），男，高级工程师。

在新版本ENVI中（4.5版本以及更新），没有单独设立ASTER和MODIS定标的工具。

对于ASTER L1A/L1B和MODIS 02级数据，在打开数据时会自动完成对数据的定标。

如图1所示打开ASTER L1B的结果，在波段列表中，自动读取各个波段的中心波长信息，并按照波段范围信息（VNIR、SWIR、TIR）分组波段。

其中VNIR、SWIR自动定标为辐射亮度，单位是：W/m2/sr/μm；TIR数据定标为大气表观温度值，单位：开尔文。

打开其中一个数据，浏览像元值，可以看到已经定标为浮点型的辐射亮度值。

图1 ASTER L1B数据如图2为打开MODIS 02级1km数据，其中250米和500米的波段经过重采样为1km 加入这个数据集中。

ENVI根据各个波段的中心波长信息定标为三个类型数据：反射率数据（Reflectance）、辐射亮度值数据（Radiance）和发射率数据（Emissive）。

其中反射率和发射率为0~1无单位值，辐射亮度值单位是：W/m2/μm/sr。

图2 MODIS 02级数据如果打开原始的ASTER和MODIS的DN值数据，可以在ENVI主菜单中选择File->preferences，切换到Miscellaneous面板，将Auto-Correct ASTER/MODIS项设置为NO。

3.2 Landsat数据定标ENVI4.7版本改进了Landsat数据定标的功能，对于Landsat4/5数据可以手动选择以下两种定标公式：式中:•QCAL为原始量化的DN值•LMINλ为QCAL = 0时的辐射亮度值•LMAXλ为QCAL = QCALMAX时的辐射亮度值注：LMINλ和LMAXλ的值取自Chander, Markham, and Helder (2009)的研究成果。

•QCALMIN是最小量化定标像素值（与LMINλ类似）。

取值如下：1：LPGS产品1：04 April 2004之后的NLAPS产品0：04 April 2004之前的NLAPS产品注：如果没有元数据信息，QCALMIN取默认值1（TM和ETM+)）或者0 (MSS)。

第六章遥感图像辐射校正名词解释：辐射定标、绝对定标、相对定标、辐射校正、大气校正、图像增强、累积直方图、直方图匹配、NDVI、图像融合1、辐射定标：是指传感器探测值的标定过程方法，用以确定传感器入口处的准确辐射值。

2、绝对定标：建立传感器测量的数字信号与对应的辐射能量之间的数量关系，对目标作定量的描述，得到目标的辐射绝对值。

3、相对定标：又称传感器探测元件归一化，是为了校正传感器中各个探测元件响应度差异而对卫星传感器测量到的原始亮度值进行归一化的一种处理过程。

最终得到的是目标中某一点辐射亮度与其他点的相对值。

4、辐射校正：是指消除或改正遥感图像成像过程中附加在传感器输出的辐射能量中的各种噪声的过程。

5、大气校正：是指消除大气对阳光和来自目标的辐射产生的吸收和散射影响的过程。

6、图像增强：为了特定目的，突出遥感图像中的某些信息，削弱或除去某些不需要的信息，使图像更易判读。

7、累积直方图：以累积分布函数为纵坐标，图像灰度为横坐标得到的直方图称为累积直方图。

8、直方图匹配：是通过非线性变换使得一个图像的直方图与另一个图像直方图类似。

也称生物量指标变化，可使植9、NDVI：归一化差分植被指数。

NDVI=B7−B5B7+B5被从水和土中分离出来。

10、图像融合：是指将多源遥感图像按照一定的算法，在规定的地理坐标系，生成新的图像的过程。

问答题：1．根据辐射传输方程，指出传感器接收的能量包含哪几方面，辐射误差及辐射误差纠正内容是什么。

根据辐射传输方程，传感器接收的电磁波能量包含三部分：1）太阳经大气衰减后照射到地面，经地面发射后又经过大气的二次衰减进入传感器的能量；2）大气散射、反射和辐射的能量；3）地面本身辐射的能量经过大气后进入传感器的能量。

辐射误差包括：1）传感器本身的性能引起的辐射误差；2）大气的散射和吸收引起的辐射误差；3）地形影响和光照条件的变化引起的辐射误差。

辐射误差纠正的内容是传感器辐射定标和辐射误差校正等。

辐射定标步骤
辐射定标是指通过比较已知源的辐射强度和待测源的辐射强度来确定待测源的辐射水平的过程。

辐射定标的步骤如下：
1. 准备辐射源：选择已知辐射强度的辐射源作为定标源，例如放射性同位素或已经经过精确测定的辐射源。

2. 测量定标源的辐射强度：使用辐射测量仪器（例如辐射计或辐射剂量仪）对定标源进行辐射强度的测量。

确保使用的仪器具有良好的准确性和稳定性。

3. 确定仪器的响应：根据已知辐射强度和仪器测量值的对比，计算出仪器的响应因子。

这个响应因子可以用来将仪器的测量值转换为辐射强度。

4. 测量待测源的辐射强度：使用同一台仪器测量待测源的辐射强度。

确保在测量中采取适当的防护和安全措施。

5. 计算待测源的辐射水平：根据仪器的响应因子和待测源的测量值，计算出待测源的辐射强度。

可以使用之前计算得到的响应因子将仪器的测量值转换为相应的辐射水平。

通过以上步骤，可以将待测源的辐射水平与已知源进行对比，从而确定待测源的辐射水平。

这个过程对于辐射监测、核安全等领域具有重要意义。

单窗算法反演地表温度教程1.1 算法原理1.1.1单窗算法单窗算法（MW 算法）是覃志豪于2001年提出的针对TM 数据只有一个热红外波段的地面温度反演算法。

经过众多学者验证，单窗算法具有很高的反演精度，且同样适用于ETM+和landsat 8数据。

公式如下：6666666666/)))1(()1((C T D T D C D C b D C a T a sensor s -++--+--=式中，LST 为地表温度（K ），T sensor 是传感器上的亮度温度（K ），T a 是大气平均温度（K ）；a 、b 为参考系数，当地表温度为0-70℃时，a = -67.355351，b = 0.458606；C 、D为中间变量，计算公式为：式中，为地表比辐射率，为地面到传感器的大气总透射率。

因此单窗算法反演地表温度的关键是计算得到亮度温度T senso 、地表比辐射率、大气透射率和大气平均作用温度T a 。

1.1.2参数计算1.1.2.1辐射亮温计算利用Planck 公式将图像像元对应传感器辐射强度值转换为对应的亮度温度值。

公式如下式中，T senso 为亮度温度值；影像预处理后得到的光谱辐射值，λL 单位为，K1 、K2为常量，可由数据头文件获取。

)/(2m sr m w μ⋅⋅计算图像辐射亮温之前，需采用辐射定标参数将像元灰度值DN转换为热辐射强度值，公式如下：式中，M L 为增益参数，A L 为偏移参数，该参数可直接在影像通文件数据中获取，且ENVI 软件中已经集成，不需要自己在查找。

1.1.2.2地表比辐射率计算根据覃志豪针对TM 影像提出的混合像元分解法来确定区域地表福辐射率。

对于城市区域，我们简单的将其分为水体、自然表面和建筑表面三种，因此针对混合像元尺度上的地表比辐射率通过下式来估算：式中，为混合像元的地表比辐射率；P V 为植被覆盖率；R V 为植被的温度比率；R M 为建筑表面的温度比率；V 表示植被法地表比辐射率，m 表示建筑表面的地表比辐射率；d表示辐射校正项。

辐射定标公式
辐射定标公式是用于计算辐射量的公式，通常用于实验室和工业领域的辐射测量。

辐射量可以通过对某种射线的能量或强度进行测量来确定，而辐射定标公式可以用来将这些量值转换为实际的辐射量。

其中最常见的辐射定标公式是剂量当量公式，即：
D = H * Q
其中，D表示剂量当量，H表示测量到的放射线能量或强度，Q表示该射线的放射性当量系数。

该公式用于计算剂量当量的单位是西弗（Sievert），它是国际单位制（SI）中用于表达辐射剂量和效应的标准计量单位。

另一个常见的辐射定标公式是能谱测量所用的峰面积公式，即：
A = K * I * F
其中，A表示测量到的峰面积，K表示测量所用的探测器常数，I 表示射线的强度，F表示测量的效率因子。

该公式适用于估算不同能量下的射线强度和对应的峰面积。

除了这些公式，还有很多其他的辐射定标公式，例如用于测量辐射源活度的公式等。

这些公式都是用于描述不同类型和目的的辐射测量，可以根据需要灵活运用。

ENVI+IDL 上机操作一、图像数据的输入与输出（选择、读取、显示、保存）二、辐射定标（波段运算）三、地表温度的反演（单窗算法）一、图像的输入输出1、图像数据的选择与读取（以jpg文件为例）1）jpg文件的选择a、直接获取jpg文件路径语法：Result = FILEPATH( Filename [, ROOT_DIR=string][, SUBDIRECTORY=string/string_array] [, /TERMINAL] [, /TMP] )b、通过对话框打开jpg文件语法：Result = DIALOG_PICKFILE( [,DEFAULT_EXTENSION=string] [, /DIRECTORY] [,DIALOG_PARENT=widget_id] [,DISPLAY_NAME=string] [, FILE=string] [, FILTER=string/string array] [,/FIX_FILTER] [, GET_PATH=variable] [, GROUP=widget_id] [, /MULTIPLE_FILES] [, /MUST_EXIST] [, /OVERWRITE_PROMPT] [, PATH=string] [, /READ | , /WRITE] [, RESOURCE_NAME=string][,TITLE=string] )2）jpg文件的读取（二、三为数组）语法：result=read_image(fname)（借助于前面打开图像操作）语法：Result= DIALOG_READ_IMAGE ( [Filename] [, BLUE=variable][, DIALOG_PARENT=widget_id] [, FILE=variable] [,FILTER_TYPE=string] [, /FIX_FILTER] [, GET_PATH=variable] [, GREEN=variable] [, IMAGE=variable] [, PATH=string][, QUERY=variable] [, RED=variable] [ ,TITLE=string] )（打开读取一步到位）3)jpg文件的显示语法：TV, Image [, Position] [, /CENTIMETERS | , /INCHES] [, /ORDER] [, TRUE={1 | 2 | 3}] [, /WORDS] [, XSIZE=value] [, YSIZE=value]常用代码：window,1,title='彩色图像显示',$xsize=(size(data,/dimension))[2],$ysize=(size(data,/dimension))[2]tv,data,/true或者sz=size(data)ns=sz[2]&nl=sz[2]window,xsize=ns,ysize=nltv,data,true=14)图像文件的保存（写入）主要有两种情况一种是基于ENVI的二次开发envi_enter_data,envi_write_envi_file还有一种是基于IDL语法：WRITE_IMAGE, Filename, Format, Data [, Red, Green, Blue] [, /APPEND]例：IDL>fn=dialog_pickfile(title=’图像文件保存为：’) IDL>write_image,fn,’jpeg’,img二、辐射定标（波段运算）辐射定标公式为：L i=Gain i*DN i+Bias i其中L i为第i波段的辐射亮度；DN i为第i波段的灰度值；Gain i和Bias i 为第i波段定标系数可以使用IDL中的readu命令读入到内存中，然后再调用。