衛星傳感器波段平均太陽輻照度計算及可靠性分析

胡順石，張立福，張 霞，王 倩，韓 冰，張 楠

衛星傳感器波段平均太陽輻照度計算及可靠性分析

胡順石1，張立福1，張 霞1，王 倩1，韓 冰2，張 楠3

(1.中國科學院遙感應用研究所遙感科學國家重點實驗室，北京 100101;2.中國礦業大學，徐州 221116;3.中國地質大學，北京 100083)

地球大氣層外太陽光譜輻照度(extraterrestrial solar spectral irradiance，ESSI)數據是計算衛星傳感器波段平均太陽輻照度(band mean solar irradiance，BMSI)的重要參數。為了探求利用何種來源的ESSI數據計算傳感器BMSI更為準確，分別采用SBDART軟件模擬的太陽光譜曲線數據、MODTRAN4.0 oldkur.dat文件數據、Thuillier太陽光譜曲線數據和WRC太陽光譜曲線數據計算了HJ－1A CCD1(B1—B4)，CBERS－02 CCD(B1—B5)，Landsat5 TM(B1—B4)和ASTER(B1—B8)4種傳感器的BMSI，并與傳感器運營商公布的數據進行了比較。結果表明:利用SBDART和WRC太陽光譜曲線數據計算的結果誤差較小;利用MODTRAN4.0 oldkur.dat數據計算的結果誤差次之;利用Thuillier太陽光譜曲線的計算結果誤差較大。

大氣層外太陽光譜輻照度(ESSI);波段平均太陽輻照度(BMSI);Thuillier;SBDART;WRC;oldkur.dat

0 引言

太陽是一個穩定的電磁波輻射源，是進行光學遙感的主要能量來源。地球大氣層外太陽光譜輻照度(extraterrestrial solar spectral irradiance，ESSI)是指在大氣層頂部、日地平均距離上，垂直于太陽入射方向上單位時間、單位面積所獲得的太陽輻射能量。太陽輻射能量的大部分集中在近紫外—中紅外波長范圍(0.31 ～5.6 μm)內，這部分能量占整個太陽光譜能量的97.5%，其中可見光部分占43.5%，近紅外部分占36.8%［1］。傳感器波段平均太陽輻照度(band mean solar irradiance，BMSI)是傳感器光譜響應函數與大氣層外太陽光譜輻照度的積分值，反映傳感器對太陽輻射能量的響應性能。

在大氣頂層，太陽輻射的電磁波能量不受大氣的影響，它是計算各種輻射參量和定量遙感的基礎。國內外許多學者對此進行了研究［2－4］。SBDART(santa barbara disort atmospheric radiative transfer)軟件能模擬地球大氣層外太陽光譜曲線數據［2］，潘志強等用該數據反演了CBERS衛星BMSI，并得到了較好的效果［3］;MODTRAN4.0 軟件提供了 5 個ESSI數據文件;Thuillier等通過航空實驗發布了200～4 000 nm波長范圍的太陽光譜曲線［4］;Alistair利用WRC(world radiation center)發布的ESSI數據計算了 ASTER 各波段 BMSI［5］。

本文選擇SBDART軟件模擬的大氣頂層太陽光譜曲線數據、MODTRAN4.0提供的 oldkur.dat文件數據、Thuillier太陽光譜曲線數據和WRC太陽光譜曲線數據，分別計算了國內外一些常見的傳感器BMSI值，并以各傳感器運營商提供的BMSI數據為標準，與計算結果進行比較，最終得出適合計算衛星傳感器BMSI的太陽光譜曲線數據。

1 大氣層外太陽光譜曲線

1.1 SBDART太陽光譜曲線

SBDART軟件由加利福尼亞圣巴巴拉大學計算地球系統科學研究所Paul等人采用Fortran語言開發的，主要用于太陽輻射傳輸模擬和大氣能量平衡研究［2，6］。用戶設置相關太陽幾何位置參數、大氣剖面參數等，可以模擬0.25～100 μm波長范圍內大氣頂層和地表的上行、下行及直射等不同輻射參量。本文設置太陽天頂角為0°，不考慮氣溶膠和云含量，以1 nm為步長，利用SABDART在線工具［7］模擬0.25～4.0 μm波長范圍內的大氣頂層太陽光譜曲線數據，其單位是W·m－2·μm－1。

1.2 oldkur.dat太陽光譜曲線

MODTRAN4.0軟件“BinData”目錄下有 5個ESSI數據文件(oldkur.dat，chkur.dat，cebchkur.dat，thkur.dat和 newkur.dat)。經過分析和比較發現，利用oldkur.dat數據計算的BMSI與傳感器運營商公布的數據較接近。因此，本文選擇oldkur.dat數據來計算結果和比較，其光譜范圍是51～49 983 cm－1，光譜分辨率達1 cm－1，太陽光譜輻照度單位是W·cm－2·cm－1。

1.3 Thuillier太陽光譜曲線

Thuillier太陽光譜曲線是 Thuillier等人利用SOLSPEC和SOSP儀器分別在1992年和1993年多次航空飛行實驗中所測得的ESSI數據，經儀器定標和數據處理發布的太陽光譜曲線［4］。從網站［8］下載的Thuillier太陽光譜曲線的光譜范圍為200～2 397 nm，光譜分辨率為1 nm，太陽光譜輻照度的單位是W·cm－2·nm－1。

1.4 WRC太陽光譜曲線

WRC太陽光譜曲線是world radiation center研究機構基于地面測量和火箭飛行數據發布的太陽光譜曲線。Alistair利用此曲線計算了ASTER傳感器BMSI。本文從網站［9］下載了WRC太陽光譜曲線，其光譜范圍為0.35 ～2.50 μm，光譜分辨率為1 nm，太陽光譜輻照度單位是W·m－2·μm－1。

由于上述4種太陽光譜曲線的太陽光譜輻照度單位、光譜分辨率和光譜范圍不一致，為便于比較分析，首先要進行單位轉換(波長單位轉換成μm，光譜分辨率轉換成nm，輻照度單位轉換成W·m－2·μm－1)，然后截取0.35～2.397 μm波長范圍內的4種太陽光譜曲線，其結果如圖1所示。

圖1 4種太陽光譜曲線Fig.1 Four kinds of solar spectrum curves

由于計算ASTER傳感器BMSI采用的是WRC太陽光譜曲線數據，因此，本文以WRC公布的數據為基準，將 oldkur.dat，Thuillier和 SBDART 太陽光譜曲線數據與其進行比較，并求差值，結果如圖2所示。

圖 2 oldkur.dat，Thuillier，SBDART 與 WRC 的差值圖Fig.2 Respective difference between WRC and oldkur.dat，Thuillier，SBDART

從圖1和圖2可以看出，4種太陽光譜曲線整體趨勢一致，但在350～2 397 nm波長范圍內相互之間存在一定的差異，這些差異會影響計算結果。

2 衛星傳感器光譜響應

衛星傳感器的光譜響應函數(spectral response function，SRF)描述了傳感器對太陽入射能量的響應率，表示傳感器在某一波長λ上記錄的輻射能量與入瞳處的輻射能量的比值，它是衛星傳感器的一個重要性能指標。計算傳感器BMSI需要傳感器各波段的光譜響應函數，不同類型傳感器及同一傳感器不同波段的光譜響應函數是不同的。為了分析所選擇的太陽光譜曲線數據的可靠性，本文選擇了HJ－1A CCD1(B1—B4)，CBERS － 02 CCD(B1—B5)，Landsat5 TM(B1—B4)和 Terra ASTER(B1—B8)4種衛星傳感器及其波段數據。4種衛星傳感器各波段的光譜響應函數曲線如圖3所示。

圖3 4種衛星傳感器各波段的光譜響應函數Fig.3 Spectral response functions of each band for four satellites

3 波段平均太陽輻照度的計算

傳感器波段平均太陽輻照度EBMSI是ESSI與傳感器各波段光譜響應函數λ的積分值。計算公式為

式中:E(λ)是大氣層外太陽光譜輻射能量;S(λ)是傳感器某一波段光譜響應函數;λ1和λ2是傳感器某一波段起始波長和終止波長。因此，若已知E(λ)和 S(λ)，便可計算出 EBMSI。

一般情況下，E(λ)可根據相關研究機構提供的ESSI數據文件或者利用輻射傳輸軟件模擬得到;S(λ)由衛星傳感器廠商經過實驗室定標后提供。在本文的研究中，E(λ)分別采用上文提及的4種太陽光譜曲線數據;S(λ)分別采用上文提及的4類衛星傳感器的光譜響應函數。波段平均太陽輻照度EBMSI的具體計算步驟為:

1)單位轉換。將上述4類太陽光譜曲線數據的波長單位轉換成μm;太陽光譜輻照度單位轉換成W·m－2·μm－1;各傳感器的光譜響應函數的波長單位轉換成μm。

2)利用上文提及的光譜響應函數與太陽光譜曲線，按式(1)分別計算不同傳感器在不同太陽光譜曲線情況下的波段平均太陽輻照度EBMSI。

4 結果比較與精度分析

4.1 結果比較

根據上述方法分別計算HJ－1A CCD1，CBERS－02 CCD，Landsat5 TM和Terra ASTER 4類傳感器的EBMSI，其結果如表1所示。

表1 幾種衛星傳感器波段平均太陽輻照度(EBMSI)計算結果Tab.1 Calculated EBMSIresults for some satellites

各傳感器運營商公布的EBMSI如表2所示。

表2 公布的各傳感器波段平均太陽輻照度(EBMSI)Tab.2 Published EBMSIfor given satellites

值得一提的是，各傳感器運營商并沒有給出公布的BMSI的詳細獲取方式和所采用的BMSI數據(除ASTER數據外)，因此，可以通過比較ESSI計算結果，來評價分析這4類太陽光譜曲線之間的差異及其對BMSI的影響。

4.2 精度分析

為了分析表1計算結果的精度，以傳感器運營商公布的數據(表2)為基準，計算二者之間的差值，并繪出差值圖(圖4)。

圖4 －1 計算值與傳感器運營商公布值的差值Fig.4 －1 Differences between calculated results and satellite operator published results

圖4 －2 計算值與傳感器運營商公布值的差值Fig.4 －2 Differences between calculated results and satellite operator published results

從圖4可以看出:①采用WRC數據計算的BMSI與傳感器運營商公布的BMSI最為接近，結果最好，除了 HJ－1A CCD1 B4(誤差為 －4.245 W·m－2·sr－1·μm－1)外，其他傳感器在相應波段的誤差不超過0.475 W·m－2·sr－1·μm－1;②采用SBDART軟件模擬數據計算結果也非常接近于公布的數據，除了HJ－1A CCD1 B4(誤差為－4.513 W·m－2·sr－1·μm－1)，CBERS－02 CCD B5(誤差為－1.457 W·m－2·sr－1·μm－1)，ASTER B2，B7(誤差分別為 － 1.293 和 1.722 W·m－2·sr－1·μm－1)外，其他所有計算結果誤差均小于0.77 W·m－2·sr－1·μm－1;③利用oldkur.dat文件數據的計算結果也較為理想，最大誤差為ASTER B5(誤差為6.325 W·m－2·sr－1·μm－1)，其他波段大部分值在±2.5 W·m－2·sr－1·μm－1以內，但其平均誤差要比應用前兩種太陽光譜曲線數據的計算結果大。對于 ASTER 數據 B1—B3，oldkur.dat計算結果比Thuillier計算結果更為理想;然而，對于 B4—B8，oldkur.dat計算結果誤差顯著增大，甚至達到Thuillier誤差水平，這是由于在ASTER數據B4—B8處，兩者的太陽光譜曲線十分接近。從圖2(b)中可以看出，在B4波段處兩者的都小于WRC值，處于低谷;在B5—B8波段處，兩者都大于WRC值，處于高峰。因此，這就造成了B4波段的計算結果小于公布值，B5—B8波段的計算結果大于公布值，如圖4(d)所示。盡管Thuillier指出其太陽光譜在紫外、可見光和近紅外范圍內已經是最優的，但由于其數據來自于不同傳感器，數據獲取時間也不盡一致，數據獲取和處理過程中誤差來源多，采用Thuillier數據計算的BMSI值并不理想，與公布的數據誤差很大。而ASTER采用的是WRC數據文件，從圖4(d)也可以看出，SBDART軟件模擬值與之最為接近，其次是oldkur.dat數據文件，差別最大的為Thuillier數據。

另外，我們將傳感器運營商公布的BMSI值作為標準值，計算了在各種ESSI情況下的均方根誤差(RMSE)，如表3所示。

表3 BMSI計算結果與公布值的均方根誤差(RMSE)Tab.3 RMSE between calculated and published BMSI

從表3可以看出:應用WRC數據計算的結果均方根誤差最小，表明其計算結果與傳感器運營商公布的數據最為接近，應用SBDART模擬的太陽光譜曲線計算結果次之;而應用oldkur.dat數據計算結果與公布數據之間存在一定的誤差;應用Thuillier數據的計算結果均方根誤差最大。

5 結論

本文采用SBDART軟件模擬的太陽光譜曲線數據、MODTRAN4.0 oldkur.dat數據文件、Thuillier太陽光譜曲線數據和WRC太陽光譜曲線數據分別計算了 HJ－1A CCD1(B1—B4)，CBERS－02 CCD(B1—B5)，Landsat5 TM(B1—B4)和 ASTER(B1—B8)4種傳感器的BMSI，并與各傳感器運營商公布的BMSI數據進行了比較分析，得出以下結論:

1)利用WRC太陽光譜曲線數據計算的傳感器BMSI與傳感器運營商公布的數據最為接近，均方根誤差除HJ－1A CCD1 B4外，都小于0.5，說明WRC太陽光譜曲線能較準確地描述大氣頂層太陽能量分布情況，因此是一個比較精確的太陽光譜曲線;

2)SBDART軟件能較精確地模擬大氣頂層太陽光譜曲線，利用SBDART模擬的結果與傳感器運營商公布的數據較為接近，因此結果也比較理想;

3)MODTRAN 4.0 oldkur.dat數據計算結果存在一定的誤差，計算結果較前兩者差;

4)利用Thuillier太陽光譜曲線計算的結果與各傳感器運營商公布的BMSI存在較大出入，因此，在使用Thuillier太陽光譜曲線時要注意。

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Calculation and Reliability Analysis of Satellite Sensors Band Solar Irradiance

HU Shun －shi1，ZHANG Li－ fu1，ZHANG Xia1，WANG Qian1，HAN Bing2，ZHANG Nan3
(1.State Key Laboratory of Remote Sensing Science，Institute of Remote Sensing Applications Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China;2.China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China;3.China University of Geosciences，Beijing 100083，China)

Extraterrestrial Solar Spectral Irradiance(ESSI)is an important parameter for calculating Band Mean Solar Irradiances(BMSI)of different satellites.In order to probe into the problem as to which ESSI dataset could acquire a more accurate BMSI result，the authors selected 4 ESSI datasets，namely SBDART simulated solar spectrum dataset，oldkur.dat dataset from MODTRAN4.0，Thuillier solar spectrum dataset and WRC solar spectrum dataset，to calculate BMSI for HJ－1A CCD1(B1－B4)，CBERS－02 CCD(B1－B5)，Landsat5 TM(B1－B4)and ASTER(B1－B8).A comparison was made between the calculated BMSI result and the BMSI result published by satellite operators.It is found that the calculated BMSI results using WRC solar spectrum dataset and SBDART dataset have a smaller error in comparison with published BMSI，followed by oldkur.dat，while the calculated BMSI results using Thuillier solar spectrum dataset have larger errors than other datasets.

extraterrestrial solar spectral irradiance(ESSI);band mean solar irradiance(BMSI);Thuillier;SBDART;WRC;oldkur.dat

TP 79

A

1001－070X(2012)03－0097－06

10.6046/gtzyyg.2012.03.18

2011－09－15;

2011－10－27

863國家高技術研究發展專項“月表物質成分類型的識別與定量反演技術研究”(編號:2010AA122203)和國家自然科學基金項目“高光譜遙感巖礦多維數據庫關鍵技術研究”(編號:41072248)共同資助。

胡順石(1984－)，男，博士研究生，主要從事高光譜大氣校正、高光譜遙感圖像處理方面的研究。E－mail:hufrank@163.com。

張立福(1967－)，男，研究員，主要研究方向為高光譜遙感機理及應用、紫外激發熒光遙感機理等。E－mail:zhanglf@irsa.ac.cn。

(責任編輯:刁淑娟)