環(huán)境衛(wèi)星CCD傳感器場地輻射定標與交叉定標的比較*

余曉磊，巫兆聰

(武漢大學遙感信息工程學院，武漢 430079)

環(huán)境衛(wèi)星(HJ－1A/B)是我國新近發(fā)射的減災防災衛(wèi)星星座，每顆衛(wèi)星并排搭載兩臺CCD傳感器，每臺傳感器有三個可見光譜段和一個近紅外譜段(具體參數(shù)參見表1)。為深入其定量化研究，需要對傳感器定期定標，以提供準確的定標系數(shù)。輻射定標就是要建立傳感器的每個探測元件輸出的數(shù)字量化信號(DN)與它所對應視場中輸出輻亮度值之間的定量關系［1－2］。本文利用2009年8月份敦煌衛(wèi)星輻射校正場同步測量的地物光譜反射率數(shù)據(jù)和大氣光學特征參數(shù)，計算HJ－1A衛(wèi)星CCD2傳感器4個波段的定標系數(shù)。針對單一地物定標法，以及環(huán)境衛(wèi)星缺乏傳感器冷空間計數(shù)值的問題，使用同期過境的LANDSAT－5衛(wèi)星TM影像進行交叉定標。結果表明，場地絕對輻射定標和交叉定標的平均差異在10%以內，具有良好的一致性。同時環(huán)境衛(wèi)星CCD傳感器自發(fā)射以來，各波段有不同程度的退化，其中藍光通道的退化最為嚴重。

1 定標原理與算法

1.1 反射率法定標原理

基于反射率法的場地絕對輻射定標是在衛(wèi)星傳感器過境時同步測量地面目標反射率因子和大氣光學特征參數(shù)(如大氣氣溶膠光學厚度、大氣柱狀水汽含量等)，然后利用輻射傳輸模型(其一般輸入數(shù)據(jù)有分子散射率和氣溶膠光學厚度、氣溶膠的復折射指數(shù)和Mie散射指數(shù)等)計算出傳感器入瞳處的反射率值［1，3－4］。該方法相比于輻亮度法、輻照度法，精度較高，測量的參數(shù)相對較少，但是必須保證所需參量都是同步觀測時獲取［2］，其原理如下:

其中ai，bi分別表示該通道的增益和偏置。進一步傳感器單通道入瞳處的大氣頂層表觀反射率可以表示為:

式中d表示衛(wèi)星獲取影像時真實的日地距離和日地平均距離之比;θs表示衛(wèi)星獲取影像時的太陽天頂角;E0，i表示傳感器單通道大氣層外太陽輻照度，又稱為波段太陽常數(shù)。根據(jù)大氣輻射傳輸理論，傳感器在大氣上層測量的目標反射率可以表示為:

其中Tg表示大氣透射率，ρA+R表示大氣分子自身含氣溶膠層在內的反射率，Tdown，Tup表示有太陽到地表以及地表到傳感器的大氣透射率，S表示大氣半球反照率表示朗伯體地物目標的反射率因子經(jīng)過第i通道的傳感器光譜響應函數(shù)積分后得到的地表反射率。如前所述通過大氣輻射傳輸模型(常見的例如6S、LOWTRAN、MODTRAN)可以通過地表反射率、大氣特征參數(shù)以及觀測幾何條件計算得到傳感器入瞳處的大氣頂層的表觀反射率［5－6］。

1.2 交叉定標原理

根據(jù)公式1、2、3可知，為了計算傳感器的定標系數(shù)，即單通道的偏置和增益ai、bi至少需要兩組計數(shù)值及對應的地物反射率。對于我國先后發(fā)射的資源衛(wèi)星和環(huán)境減災衛(wèi)星的可見光、近紅外通道，其CCD線陣掃描成像式傳感器不具備觀測冷空間的能力，也沒有星上定標裝置，所以在進行單一地物法場地絕對輻射定標時，通常認為傳感器單通道的偏置值bi已知，且為發(fā)射前實驗室檢校得到的結果。但事實上，由于傳感器所處的外太空環(huán)境復雜以及長期工作后設備老化，其偏置往往會發(fā)生比較大的變化，美國NOVAA系列衛(wèi)星AVHRR傳感器的定標結果表明，其各通道的偏置隨時間存在較大的變化［6－7］。為此本研究使用 LANDSAT－5 衛(wèi)星 TM 影像對環(huán)境衛(wèi)星CCD影像進行交叉定標。

交叉定標是使用較高精度的衛(wèi)星通道定標較低精度的衛(wèi)星通道的一種方法，已經(jīng)廣泛的用于AVHRR，MODIS等傳感器的輻射定標［8］，其基本原理如下:

其中k表示兩種不同傳感器之間對應通道間的光譜匹配系數(shù)［9］:

式中:ρs(λ)為典型地物光譜反射率，f(λ)與f'(λ)分別為兩類不同傳感器分波段的光譜響應函數(shù)，λ1～λ2和λ'1～λ'2分別為兩傳感器分波段光譜的起止波長。

對于不同類型的地物而言，其光譜匹配因子一般不同，選取兩類或兩類上的典型地物，代入式(4)中，便可建立方程組求解傳感器的定標參數(shù)［10］。根據(jù)表1、2所示環(huán)境衛(wèi)星CCD傳感器與LANDSAT－5衛(wèi)星TM傳感器的光譜參數(shù)對比可知兩類傳感器的1～4波段設置類似，且二者的空間分辨率接近(30 m)，量化等級相同(8 bit)。而TM傳感器經(jīng)過嚴格的發(fā)射前定標，長期在軌監(jiān)測和定期場地絕對定標，有很高的輻射定標精度，所以用TM影像對環(huán)境衛(wèi)星CCD影像進行交叉定標是最佳的選擇。

表1 HJ衛(wèi)星CCD傳感器參數(shù)

2 定標數(shù)據(jù)的采集與處理

敦煌衛(wèi)星輻射定標場是我國衛(wèi)星輻射定標的主要場地，自1995年建立以來承擔了我國多種類型衛(wèi)星的場地輻射定標任務。它位于東經(jīng)94.4°，北緯40.08°的戈壁上，整個場區(qū)平坦均勻，基本無植被覆蓋，具有穩(wěn)定的地表光學特性，年變化很小，海拔高度1 300 m左右，大氣干潔，受云霧等影響較小［11］。

2.1 地表反射率測量

本次定標所需的地面實測數(shù)據(jù)，為中國資源衛(wèi)星應用中心2009年8月26日于甘肅敦煌衛(wèi)星定標場實地測量所得，戈壁校正場地表反射率的測量采用550 m×550 m的測試區(qū)，每隔50 m測量一個點，在衛(wèi)星過境一個半小時內利用ASD FR型便攜式光譜儀共計進行144個點的測量，每個測量點對地物目標測量5次，同時對參考白板測量2次。

按照以下公式處理得到定標場地物目標的反射率:

式中ρs(λ)表示參考白板的反射率，通常為實驗室檢校的結果，V(λ)表示地物目標測量值，Vs(λ)表示參考白板測量值，ρ(λ)表示地物目標的反射率。計算測量點的平均反射率如圖1所示。

圖1 2009年8月26日敦煌定標場反射率

2.2 大氣參數(shù)測量

在衛(wèi)星過境時刻，使用CE318太陽光度計同步采集了場地上空的氣溶膠光學厚度數(shù)據(jù)。太陽光度計采用蘭立(LangLey)法定標［12］。氣溶膠光學厚度的測量按照大氣渾濁度觀測標準進行，其結果如圖2所示。氣象數(shù)據(jù)來自敦煌地區(qū)氣象站提供的測量結果，包括環(huán)境溫濕度、大氣壓、露點溫度等。

圖2 2009年8月26日大氣氣溶膠特征

由于本文使用的6S輻射傳輸模型需要550 nm處的氣溶膠光學厚度作為模型的輸入?yún)?shù)，而CE318的標準濾光鏡沒有對應的波段，所以測量的結果需要按照Angstrom公式進行換算:

式中τ為氣溶膠光學厚度，λ為波長，β為渾濁度系數(shù)，α為Angstrom波長指數(shù)，利用測量的任意兩個波長的氣溶膠光學厚度，即可計算出α與β，繼而求出550 nm處的大氣氣溶膠光學厚度。

2.3 定標影像數(shù)據(jù)處理

場地絕對定標采用的影像數(shù)據(jù)為2009年8月26日過境的HJ－1A衛(wèi)星CCD2影像，以保證與地面實測嚴格同步。交叉定標所采用的影像分別為2009年6月21日過境的HJ－1A衛(wèi)星CCD2影像和6月22日過境的LANDSAT－5衛(wèi)星TM影像。其中8月26日的影像利用1∶50 000的數(shù)字地形圖進行幾何校正，6月21日的環(huán)境衛(wèi)星影像和6月22日的LANDSAT－5衛(wèi)星TM影像，進行了相對幾何校正，幾何校正的誤差控制在1個像素范圍內，以保證定位精度。

本文選取敦煌定標場內戈壁灘和敦煌地區(qū)的農(nóng)作物這兩類具有明顯差別的地物進行交叉定標。地物的光譜反射率來源于中國典型地物波譜數(shù)據(jù)集中對敦煌地區(qū)長期測量的平均值。計算兩類傳感器對應通道之間的光譜匹配系數(shù)k所需的光譜響應函數(shù)和典型地物光譜反射率如圖3所示。計算所得的匹配系數(shù)如表2所列。

圖3 HJ－1A－CCD2 和 Landsat－TM5 光譜響應函數(shù)

表2 HJ－1A－CCD2與Landsat－TM5匹配通道及匹配因子

3 輻射定標系數(shù)計算與結果分析

場地絕對輻射定標和交叉輻射定標的工作流程分別如圖4和圖5所示。本次絕對輻射定標的結果和08年中國資源衛(wèi)星應用中心公布的發(fā)射前定標系數(shù)，以及相對輻射定標的結果如表3所示。

圖4 絕對輻射定標工作流程

圖5 交叉輻射定標工作流程

表3 HJ－1A－CCD2傳感器定標結果對比

3.1 場地定標與發(fā)射前定標系數(shù)的比較

對比場地絕對輻射定標結果和發(fā)射前傳感器的定標系數(shù)可知，自發(fā)射以來，HJ－1A衛(wèi)星CCD2傳感器的各波段都存在不同程度的退化，其中以第一波段(藍光通道)的退化最為嚴重，達6.7%。而第四波段(近紅外波段)的變化相對較小，為1.8%，第二(綠光)和第三(紅光)波段的絕對定標系數(shù)變化居中，分別為3.4%和4.8%。表明衛(wèi)星發(fā)射升空和在軌運行以來，傳感器的性能相對實驗室檢定而言，發(fā)生了較大的變化，這主要是由于傳感器隨運載火箭發(fā)射升空時的復雜狀態(tài)和傳感器長期在軌工作造成的性能退化。

3.2 交叉輻射定標的驗證

為驗證交叉輻射定標的結果，通過選取2009年6月21日HJ－1A衛(wèi)星CCD2影像上的四類典型地物目標(水體、城區(qū)、植被、干河床)，分別用絕對定標系數(shù)和交叉定標系數(shù)按照式1求出地物在對應波段的輻亮度，并計算其相對偏差，結果如表4所示。比較發(fā)現(xiàn)，交叉定標和場地絕對定標結果，對于城區(qū)和植被，其符合性較好，平均偏差在5%以內;對于水體和干河床，其最大偏差分別達到了6.62%和8.38%。這主要是由于，對城區(qū)而言，其光譜反射率曲線的特征在傳感器的四個通道上都變化都比較平緩，而植被的光譜反射率曲線在藍光波段較低而在近紅外和綠光波段上相對較高;對于干凈的內陸水體，其光譜反射率曲線在藍光波段上的瑞麗散射占總信號的80%［13］;而干河床在所有波段上的反射率都相對較大。所以才會帶來其絕對定標和交叉定標的部分差異。但就整體而言，交叉定標和絕對定標的結果偏差在10%以內。這表明，交叉輻射定標可以作為替代定標的手段，進行傳感器的長期在軌狀態(tài)監(jiān)測。

表4 HJ－1A－CCD2傳感器交叉定標結果驗證

4 結束語

通過對環(huán)境衛(wèi)星CCD傳感器的絕對輻射定標和交叉定標的比較，分析傳感器性能的變化，驗證了交叉定標與絕對定標的一致性。對于監(jiān)測在軌運行的星載傳感器而言，還需要做進一步的真實性檢驗和長期的定標實驗，以了解其運行狀況，促進國產(chǎn)資源衛(wèi)星影像的定量化應用。

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