HJ－1A星輻射定標及近海水體大氣校正的精度驗證＊

肖艷芳，朱 琳，趙文吉

（首都師范大學 三維信息獲取與應用教育部重點實驗室，北京100048）

HJ－1A星輻射定標及近海水體大氣校正的精度驗證＊

肖艷芳，朱 琳，趙文吉

（首都師范大學 三維信息獲取與應用教育部重點實驗室，北京100048）

以應用HJ－1A星數據進行近海水體定量反演為目的，對HJ－1A星CCD的星上定標系數的精度進行驗證，并基于Landsat－5TM數據對其進行交叉定標。在此基礎上反演近海水體的反射率，將反演結果與實測水體反射率進行比較發現：對HJ－1A星CCD數據進行交叉定標能在一定程度上能提高近海水體反射率反演的精度。結果表明，HJ－1A星CCD影像的星上定標系數不夠精確，在利用該數據進行近海水體的定量反演研究時，需要利用交叉定標對星上定標參數進行修正。

交叉定標；星上定標；反射率反演；近海水體；HJ－1A；Landsat－5TM

HJ－1A／B衛星是HJ－1星座的2顆光學小衛星，2008－09－06在太原衛星發射中心成功發射。2顆衛星上都搭載2臺寬覆蓋多光譜可見光CCD相機。同時，A星上搭載一臺超廣譜成像儀，B星上搭載一臺紅外相機。CCD相機共設置4個波段，地面像元分辨率為30m，單臺相機幅寬360km，48h即可對全球覆蓋一次。作為我國首顆環境與災害監測國際合作衛星，HJ－1星座在環境與災害事件的應急觀測與快速評估、資源調查與管理、林業與農業生產等領域具有很好的應用前景，對我國及周邊國家的遙感應用起到極大的作用。

衛星發射后，一些研究者對衛星的應用潛力進行了分析［1－2］，目前環境一號小衛星的數據已經應用在生態環境監測［3］、水質監測［4－5］、大氣監測［6］和農作物病蟲害監測［7］方面，對于數據星上定標質量的評價主要集中熱紅外數據［8－9］和高光譜數據［10］上，關于CCD相機星上定標精度的驗證鮮有研究。本研究利用Landsat－5的TM數據對HJ－1A星CCD相機的星上定標結果進行驗證，并對其進行基于TM的交叉定標計算；利用基于MODIS數據的大氣校正方法，反演近海水體的反射率。基于實測的水體反射率，分析交叉定標對HJ－1A星的CCD影像反演近海水體反射率的影響。

1 輻射定標

輻射定標主要是指將星上觀測到的遙感計數值轉換為物理量絕對值的過程［11］。在大氣層外，太陽的輻照度可以認為是一個常數，因此可以選擇太陽作為基準光源，通過太陽定標系統對星載成像光譜儀器進行輻射定標，即星上定標，如TM、MODIS等數據。在這類數據的頭文件中都會提供相應的定標系數，HJ－1A的CCD也提供了定標系數，但定標系數的精確程度是否能夠滿足近海水體定量反演的要求還有待商討。對沒有提供定標系數或定標系數不精確的衛星影像，需要用定標精度較高的衛星對其進行交叉定標［12］。Landsat－5衛星經過精確的標定和嚴格的在軌測試，運行期間為了保持數據的一致性和數據精度而不斷更新定標算法。同時，HJ－1ACCD的波段設置與Landsat－5TM前4個波段的設置相似（表1）。

表1 HJ－1A星CCD和Landsat－5TM對應波段帶寬（μm）Table 1 Bandwidth of CCD and Landsat－5TM（μm）

1.1 星上定標精度驗證

選取2009－06－25北京延慶盆地的HJ－1A星CCD數據和同日該地區的Landsat－5TM數據進行定標比對及交叉定標研究。兩景影像資料過境時間基本一致，且天空晴朗無云，完全可以用于進行對比分析。

利用式（1）將HJ－1A星CCD圖像的計數值轉換為輻亮度值：

式中，L為某個波段的光譜輻亮度；DN為圖像計數值；g和L0為輻射定標參數，可在圖像數據的頭文件中查找，見表2。

表2 HJ－1A星CCD波段1～4的星上定標系數Table 2 Radiance calibration coefficients of HJ－1Aband 1～4

本次研究使用的Landsat－5TM數據為1級產品，1級產品的DN值是由輻射亮度經線性變換得到的，輻亮度的計算公式如下

式中，DN代表1級產品的像元值；Grescale和Brescale分別為變換的增益和偏置，見表3。

表3 Landsat－5TM波段1～4的輻射定標系數Table 3 Radiance calibration coefficients of Landsat－5TM band 1～4

以Landsat－5TM為基準，對兩景影像進行精確的幾何糾正，精度控制在0.5個像元以內，確保2種數據的目標基本一致。然后在兩景影像對應區域選取建筑物、裸地、水體和植被四類地物，每類地物分別采集10個樣點，樣點各波段的平均值作為此類地物在相應波段的輻亮度值。由表4可知，對HJ－1A的CCD影像進行星上定標得到的輻亮度與Landsat－5TM的輻亮度存在較大差異，這說明HJ－1A的CCD影像所提供的星上定標系數達不到進行一系列水體定量反演的精度要求。

表4 HJ－1A星CCD星上定標與Landsat－5TM輻射定標結果比較Table 4 Comparison between the satellite Radiance calibration of CCD mounted on Satellite HJ－1A and the Radiance calibration of Landsat－5TM

1.2 交叉定標及精度分析

分別在兩景影像對應位置選擇高、低計數值均勻的兩塊區域（每塊區域多于50個像元，均方根差小于3）［13－14］，應用兩點法，建立Landsat－5TM 和 HJ－1A的CCD各對應波段DN值之間的一元線性回歸方程如下

利用式（1），（3），（4），（5），（6）可計算得到 HJ－1ACCD數據1～4波段的交叉輻射定標系數，見表5。

表5 HJ－1A星CCD2數據1～4波段交叉定標系數Table 5 Coefficients of cross radiance calibration for HJ－1ACCD 1～4bands

2 基于MODIS影像的近岸水體反射率反演

2.1 模型計算

衛星接收的總輻射亮度可表示為［15］

式中，Lr為大氣分子Rayleigh散射；La為大氣氣溶膠散射；Lw為離水輻亮度；Lf為海面白帽信號；Lg為海面對太陽光的直射反射；Lb為水底的反射；t為大氣漫射透過率；T為大氣直射透過率；λ為波段。

在不考慮來自水底反射的影響，同時避開太陽耀斑和白帽的條件下，衛星接收到的總輻亮度可簡化為

二類水體大氣校正的目的就是要從衛星接收的總輻亮度中去除大氣散射Lr，氣溶膠散射La，得到離水輻亮度Lw。

2.1.1 大氣散射Lr

根據 Gordon單次散射，可推導出 Rayleigh散射［16－17］：

式中，cos（α±）＝±cosθcosθ0＋sinθsinθ0cos（φ－φ0），θ，φ分別為對應像元到遙感器之間連線所構成的向量的天頂角和方位角；θ0，φ0分別為對應像元與太陽之間連線所構成的向量的天頂角和方位角；α為兩個向量之間的夾角。在本研究中，以影像頭文件中衛星的天頂角和方位角近似代替θ和φ，以太陽的天頂角和方位角近似代替θ0和φ0；ω0為瑞利單次散射反照率，在避開水汽和氧氣吸收的波段可近似為1［18］。

Pr（α）為瑞利散射相函數，公式如下

式中，τr為大氣瑞利光學厚度：τr（λ）＝（P／P0）τr0（λ）；P0為標準大氣壓；P為實際大氣壓［19］。

在本研究中，所使用的瑞利光學厚度應為“波段等效光學厚度”［18］：

式中，Si（λ）為HJ－1A星CCD數據的波段響應函數；λ1，λ2分別為波譜響應函數中對應波段的最大值和最小值；為經過臭氧吸收修訂的大氣層外太陽輻照度［20］。

式中，＜F0＞為平均日地距離處的大氣層外太陽輻照度；D為從1月1日算起的相應日期的公歷天數；τoz（λ）為臭氧層光學厚度，可通過NASA網站的實時大氣臭氧含量計算得到［18］。

ρ為氣水表面對天空光的反射率，由于清潔水體對近紅外波段幾乎全部吸收，這些波段的水體信號就是天空光的反射信號，因此可以通過式（14）確定氣水表面的反射率［21］：

本研究于衛星過境當天在曹妃甸附近海域進行了水體光譜的測量，選取其中最為清潔的水體計算得到ρ為0.029；Lsw為光譜儀測量得到的水體輻亮度；Lsky為光譜儀測量得到的天空光輻亮度。

2.1.2 氣溶膠散射La

選取研究區內遠離海岸線的清潔水體像元，其近紅外波段的離水輻亮度近似為0，即Lw（λ4）～0，忽略太陽直射反射和白帽的影響，第4波段的氣溶膠散射為

其他波段氣溶膠散射的計算根據Wang和Gordon修改的Angstrom定律［22］：

式中，c為常數，可利用同一塊清潔水體的HJ－1A星CCD圖像近紅外波段和對應MODIS的近紅外波段數據得到［23－24］。

2.1.3 大氣漫射透過率t

式中，τr（λ）為瑞利散射光學厚度；τoz（λ）為臭氧光學厚度；ta（θ，λ）為氣溶膠散射透過率，由于其與氣溶膠光學厚度關系不大，通常都將其作為一個常數，取值為1［22］。

遙感反射率Rrs可通過式（18）計算：

Lwn（λ）為歸一化離水輻亮度：

2.2 數據處理

本研究以位于渤海灣西北的曹妃甸附近海域為研究區，區域示意圖及實測點位置如圖1所示。本研究的第1部分對2009－06－25的HJ－1A星CCD影像分別進行了基于星上定標系數的輻射定標和基于Landsat－5TM的交叉輻射定標，對上述2種輻射定標的結果，分別利用第2部分的基于MODIS的近海水體大氣校正模型反演水體反射率。

圖1 研究區及采樣點示意圖Fig.1 A sketch map of study area and sampling locations

水體光譜的測量與分析參照唐軍武的“水面以上測量法”［21］。對于未嚴格定標的光譜儀，遙感反射率可通過式（20）計算：

式中，Ssw（λ），Ssky（λ），Sp（λ）分別為光譜儀測得的水體、天空光以及白板的信號值；rs為標準板的反射率；ρ為水氣界面反射率，取值0.029，實測水體樣點的反射率曲線見圖2。

由于光譜響應函數的不同，對于相同的入射光，不同傳感器在同一波長位置處接收的輻亮度會有較大差異。因此，為了便于比較，需要計算實測水體的等效波段反射率（圖3）：

式中，Si（λ）為HJ－1A星CCD的波段響應函數；λ1，λ2分別為響應函數對應波段的最大值和最小值。

2.3 大氣校正結果分析

為了驗證交叉輻射定標對HJ－1A星CCD影像近海水體反射率反演的影響，下面結合實測水體反射率對大氣校正的結果進行比較和驗證。圖4和圖5分別與圖3相比顯示，交叉定標結果經大氣校正后得到的水體反射率的波段1和波段4的反射率明顯降低，比星上定標結果經大氣校正得到的水體反射率更接近于實測的水體反射率；波段2和波段3的差異不明顯。從水體反射率曲線上看，交叉定標得到的反射率曲線更接近實測的反射率曲線。表6給出了每個樣點的星上定標反射率和交叉定標反射率與實測反射率的相對誤差，其中，對HJ－1A星CCD影像進行交叉定標后，反演得到的波段1的反射率比進行星上定標得到的結果相對誤差降低了10%，波段4的反射率相對誤差則降低了120%左右，波段2和波段3沒有較大變化。可見，HJ－1A星CCD影像的星上定標參數對于反演近海水體反射率是相對不穩定的，在進行近海水體一系列定量反演時，對其進行交叉輻射定標是必要的。

表6 HJ－1A星CCD星上定標反射率、交叉定標反射率與實測反射率的結果比較Table 6 Comparison among the reflectivities resulting from satellite radiance calibration of CCD，cross radiance calibration and in－situ measurements

3 結 語

本研究基于Landsat－5TM數據對HJ－1A星CCD的定標參數進行驗證，認為在利用HJ－1A星CCD數據進行高精度水體反演時直接使用星上定標系數會存在較大誤差，需要對星上定標參數進行修正，基于Landsat－5TM數據對HJ－1A星CCD數據進行交叉定標在一定程度上提高了水體反射率反演的精度。由于輻射定標是進行定量遙感需要解決的首要問題，因此本研究為今后利用HJ－1A星CCD數據進行近海水體懸浮泥沙等的定量反演提供了基礎。

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Precision Verifications of Radiance Calibration and Coastal Water Atmospheric Correction for Satellite HJ－1A

XIAO Yan－fang，ZHU Lin，ZHAO Wen－ji
（Key Lab of Three Dimension Information Acquisition and Application，Capital Normal University，Beijing 100048，China）

For the purpose of quantitative inversion in coastal waters by using the CCD data of Satellite HJ－1A，the precision of radiance calibration coefficients of the CCD mounted on Satellite HJ－1Awas validated and a cross radiance calibration was performed based on the data from Landsat－5TM.And then，an inversion was made of the reflectivity of coastal waters on the basis of all these data.By comparing the results from the inversion and those from the measurements，it has been found that the cross radiance calibration for the CCT data of Satellite HJ－1Acan，to a certain extent，improve the precision of the inversion of the reflectivity of coastal waters.These results indicate that the onboard radiance calibration coefficients of the CCD images on Satellite HJ－1Aare not precise so enough that the cross radiance calibration should be also applied when the CCD data from Satellite HJ－1Aare used to carry out the quantitative inversion in the coastal waters.

cross radiance calibration；onboard radiance calibration；reflectivity inversion；coastal waters；HJ－1A；Landsat－5TM

September 6，2010

TP79

A

1671－6647（2012）01－0054－09

2010－09－06

國家科技支撐計劃重點項目——環北京區域遙感綜合監測信息服務系統（2007BAH15B02）

肖艷芳（1985－），女，山東濰坊人，博士研究生，主要從事生態遙感方面研究.E－mail：xiaoyanfang2006＠126.com

（張 騫 編輯）