通道式可見光近紅外衛星遙感器輻射定標方法綜述

王敏，何明元，張水平，陳曉穎，邱敏

(1.解放軍理工大學 氣象海洋學院，南京 211101；2.解放軍95696部隊氣象臺，重慶 401329)

1 引 言

遙感圖像獲取過程中，由于儀器自身誤差以及自然環境(如大氣、地形)等各種因素影響，導致搭載其上的遙感器獲取的測量值與實際目標物的光譜反射率或輻射亮度等物理量之間會產生一定的偏差[1]。因此，在使用遙感圖像之前，必須進行輻射定標以減少偏差。而這種偏差最終能降低到何種程度，則依賴于輻射定標的精度?？臻g遙感的實現不僅取決于遙感器的設計和性能，也決定于其觀測數據的定量化水平。因此，遙感信息定量化的過程中，輻射定標是不可替代的關鍵技術之一[2-3]。

衛星有效載荷主要是光學和微波波段的遙感器。對于不同波段的遙感器，其定標方法不盡相同。從時間分類上有發射前定標、在軌定標之分；從定標手段上有實驗室定標、發射前外場定標、在軌星上定標和各種替代定標(交叉定標、輻射校正場定標)等[4]。本文詳細介紹了不同方法下輻射定標技術的工作基礎、基本原理、實施方法和工作流程等內容，比較了部分輻射定標實施方法，并對現有技術進行了簡要評價和跟蹤展望。

2 輻射定標基礎概念

衛星遙感器的輻射定標是將遙感器的測量值轉換為絕對亮度或與地表反射率、表面溫度等物理量有關的相對值的處理過程[5]?；蛘哒f，建立遙感器數字量化輸出值與該遙感器所對應視場中的實際地物輻射亮度絕對值之間的定量關系。該過程可以用式(1)表示。

L=f(DN)

(1)

目前，大多數衛星遙感器的輻射定標都采用基于線性響應的假設，即由式(2)表示的定標關系。

Li=ai·DNi+Li0

(2)

當遙感器的輻射響應為非線性時，如采用二次擬合，則輻射定標的表達式如下：

(3)

其中DNi表示遙感器數字量化輸出值，無單位。Li是衛星遙感器入瞳處第i通道輻射亮度值，單位為W/cm2·μm·sr(瓦特/平方厘米·微米·球面度)，ai和bi為待定標遙感器第i通道定標系數，Li0則是第i通道暗電流對應的輻射亮度值。

輻射定標的任務就是通過兩組遙感器數字量化輸出值(一般采用提取觀測區內衛星觀測像元記數值的平均值和衛星掃描冷空間時的記數值兩組數據)及對應的衛星觀測高度遙感器入瞳處該光譜通道的輻亮度值，建立線性方程，獲得該通道的ai和Li0定標系數。對于可見光近紅外波段通常用表觀反射率代替輻射亮度進行定標。

3 輻射定標基本方法

常見的輻射定標包括發射前定標(發射前外場定標、實驗室定標)、在軌定標(星上定標、場地定標、交叉定標)。這些定標方法都可以用來對衛星遙感器進行絕對輻射定標，它們互有優勢和局限性在具體使用時，可采用多種定標方式相結合的方法來彌補缺陷[6]。

3.1 發射前定標

發射前定標是遙感定量化過程的第一步。發射前定標是在載荷研制階段，利用實驗室內部光源或外部太陽光，經過對載荷全面測量，了解載荷各種物理參數的過程，包括輻射量級、遙感器本身調制傳遞函數特性(Modulation Transfer Function，MTF)、各譜段噪聲特性等。發射前定標是在軌輻射定標的基礎，由于發射前定標可利用各種高精度儀器設備對遙感器的輻射特性及定標系數進行測量，其定標精度要高于在軌星上定標和在軌替代定標。

發射前定標按照定標光源分為實驗室定標和外場定標兩類。前者利用實驗室內人造光源，對遙感器進行各項基本參數測量與輻射定標；后者利用太陽光作為光源，將發射前的遙感器挪到外界環境下，利用太陽光進行輻射定標，得到遙感器的輻射定標系數。

3.1.1 實驗室定標

實驗室定標是整個輻射定標工作的基礎，也是評價今后儀器是否發生衰減的依據。實驗室定標主要通過積分球、鎢燈源在實驗室內部對遙感器成像實現，根據積分球已測的輻射能量和對積分球成像圖像，得到遙感器各通道的輻射定標系數。整個過程中，又分為光譜定標和輻射定標兩個方面。

光譜定標用來獲取有關光譜的一些基本特征，如遙感遙感器每個波段的中心波長、帶寬、光譜響應函數、半高寬及帶外響應等。

輻射定標就是要建立遙感器輸出量化值(DN)與遙感器入瞳處輻射亮度之間的模型關系[4]。

可見光近紅外波段實驗室定標方法發展情況可歸納如下：傳統積分球定標方法(圖1(a))一般采取“黑體-標準燈-光譜輻射計-傳遞積分球-末級積分球-衛星遙感器”的傳遞鏈。其實，該波段衛星遙感器更適用于基于探測器的定標方法(圖1(b))，其定標過程為：低溫絕對輻射計-輻亮度標準探測器-末級積分球-衛星遙感器?；谔綔y器的定標方法環境條件要求簡單，標準探測器不需要中間設備(如漫射板、大功率電源、光譜輻射計等)，在工程研制、預研、發射前總裝車間里都可以隨時進行定標。另外，便攜式標準探測器還可以方便應用于不同衛星遙感器之間的交叉定標，如美國SeaWiFS和MODIS就都利用到了SXR標準探測器。這種定標方法最大的優點在于保證了系列衛星遙感器數據之間的可比較性和連續性，其末級積分球的綜合不確定度降低到2%左右。目前已成功應用于如SeaWiFS寬視場水色探測器、MISR多角度成像光譜儀等衛星遙感器的實驗室定標之中，美國NASA采用的實驗室定標方案也是利用此方法進行定標的[7]。

圖1 實驗室定標技術方案

3.1.2 發射前外場定標

在實驗室定標時，由于室內光源同太陽光譜在光譜形狀上有較大的差異，將實驗室定標結果直接用于遙感影像的輻射定標可能會產生一定的誤差。解決的辦法就是利用與太陽光譜分布近似的光源進行標定。外場定標直接以太陽作為光源，其輻射亮度、光譜特性與地表和云頂反射特性相當一致，無須研制高精度積分球和太陽模擬器，也避開了光譜和輻射校正等難題，是對實驗室定標的有效補充[4]。

目前已利用的發射前外場定標主要有Langley法定標、輻亮度法和基于標準探測器的反射比法[8]。

(1)Langley法定標

以掃描輻射計可見光通道定標為例，該通道地面定標基于比爾-朗伯定律，即太陽光照射到理想的朗伯平面形成朗伯反射，依據掃描輻射計與大氣消光系數的關系，在地面測量太陽照射下漫反射板輻射亮度L與輻射計輸出信號進而進行外場定標。該方法定標精度取決于大氣狀況，大氣狀況很低時，定標精度亦很低。

根據掃描輻射計的輸出信號與輻射能量成正比，即

Vλ=Vλ0·e-τ(λ)secθz

(4)

其中，Vλ0是外大氣層的太陽輻射下掃描輻射計的輸出信號，而Vλ是在一定太陽天頂角下輻射計的輸出信號。假定測量期間τ(λ)恒定。對式(4)兩邊取對數，有

lnVλ=lnVλ0-τ(λ)secθz

(5)

Vλ是經過BRDF修正后的掃描輻射計輸出值，θz是測量時的太陽天頂角。所以由Vλ與secθz構成的Langley圖可以確定τ(λ)及Vλ的值。又根據已知漫反射板的反射率可以確定Vλ0與ρ的關系。進而根據定標關系式(6) 確定定標系數A和B。

ρ=A·Vλ0+B

(6)

(2)輻亮度法

對于位移不變的線性光學傳感器系統，其輻射量的輸入L與傳感器系統輸出信號V成正比：

V=AL+N

(7)

其中，V為傳感器系統的測量電壓值；L為光源的輻亮度；N為傳感器系統的噪聲；A為傳感器系統的響應率。

輻亮度法定標是以輻射標準為基準，通過輻射標準的傳遞，建立掃描輻射計可見光通道遙感器系統輸出與對應輸入輻射量的關系，通過對不同水平輻射量(遮擋、不遮擋以及太陽高度角隨時間變化)的測量，按照線性擬合，確定遙感器系統響應率和噪聲水平。該方法需要精確已知掃描輻射計相對光譜響應率，且輻射標準傳遞探測器采用燈-板定標系統，其本身定標誤差為5%左右。

(3)基于標準探測器的反射比外場定標

為了減小上述兩種方法中不利因素的測量誤差，引入了基于標準探測器的反射比外場定標法。該方法繼承了輻亮度法不受大氣狀況影響的優點，同時也摒棄了輻亮度法需要精確已知掃描輻射計各通道相對光譜響應率，輻射標準傳遞探測器定標精度低的缺點，通過篩選波長，采用積分中值定理推導出在一定的精度范圍內，衛星可見光通道的漫射板反射輻亮度與漫射板的某一單波長反射輻亮度成正比，從而可以利用高精度輻亮度標準探測器對應波段的探測器的響應替代待標定掃描輻射計寬波段響應直接求出定標系數。

這種采用不依賴于掃描輻射計可見光通道光譜響應函數、降低對定標過程中的天氣依賴程度的基于標準探測器的反射比定標法，是一種新型的獨立于掃描輻射計可見光通道光譜響應函數的外場定標法[4]。

3.2 星上定標

衛星遙感器在運輸、發射過程中，由于隨機振動、加速度沖擊及物理環境的變化等因素，不可避免地會影響遙感器的光機結構參數。此外，遙感器長期在軌運行期間，光學元件效率的下降、探測器及電子器件的老化等都會造成遙感器響應度的下降，進而改變了遙感器飛行前的輻射特性，繼續使用發射前的定標系數可能會對數據產生較大誤差。因此，在衛星飛行期間必須對儀器進行重新標定，即星上定標。

星上定標也稱內定標，其發生在衛星發射升空之后，利用衛星上搭載的定標系統對遙感器進行定標。星上定標的作用是長期監測遙感器響應的衰變以及對陣列遙感器響應均勻性進行校正。星上定標系統作為衛星遙感器設計中的重要組成部分，諸如 CZCS海色掃描儀和MODIS中分辨率成像光譜儀等衛星遙感器都安裝有星上定標系統。又如Landsat就利用衛星上搭載的三個標準光源和一個黑體輻射器分別對TM的可見光、近紅外和熱紅外波段進行定標，只不過這種定標方法光路不同且定標系統會老化。

星上定標方案的發展歷程也是從基于輻射源定標向基于探測器定標[9]轉變。早期的星上定標方法(圖2(a))利用標準燈照射反射率已知的漫射板，將其轉化為輻亮度的衛星遙感器定標方法。由于標準燈和漫射板只能從光路中間某個部位切入，造成不能全光路定標的最嚴重缺陷。漫射板如若可收展且將放置于光路最前端，用太陽代替標準燈，即可實現全光路定標(圖2(b))?；谔綔y器定標系統一般采用積分球和標準探測器等組成。積分球的功能是提供均勻面光源，其滿足全孔徑和全視場星上定標要求，而標準探測器的作用則是分別監測和測量定標光源的穩定性和絕對輻亮度，從而實現絕對輻射定標。標準探測器使得定標的絕對不確定度降低到2%[7]。

圖2 基于輻射源的兩種星上定標方案

月球是除太陽外最亮最大的光源，依靠反射太陽而發光，其光譜特性與太陽光譜和自身吸收、反射特性有關。利用月球進行定標，需要精確計算出觀測角度和天體距離等的影響，并獲得準確的月球光譜分布。但是到目前為止，月球輻射的光譜特性仍然不清楚。

目前月球定標方法已應用于對太陽漫射板進行衰減評價與監測。由于月球盈虧角度、平衡擺動以及日月距離變化所引起的月球表面反射率的變化小至可以忽略，使得月球表面的有效反射率可以認為基本恒定。這樣，通過測量月球表面反射的太陽輻亮度與漫射板獲取的太陽輻亮度數據相比較，就可以判定太陽漫射板的衰減程度，得到漫射板的衰減數據，并以此作為對漫射板衰減的校正依據[4]。

3.3 場地定標

場地定標也稱外場定標，指衛星在軌正常運行時，利用天然地表或人工大面積均勻輻射的校正場同步測量大氣參數，進而對衛星遙感器進行定標。定標中輻射校正場的選擇原則是：具有目標相對較亮且目標反射率大于0.3、目標海拔在1km以上、具有非常好的空間均一性的大面積平坦地面，季節性變化較小，場區附近交通便利等一般要求[10]?；谏鲜鲆螅噙x光譜響應穩定的海洋、沙漠、云、雪、干涸的湖、冰殼和月亮等作為定標場地，如美國NASA和亞利桑那(Arizona)大學在新墨西哥州的白沙和加利福利亞州的愛德華空軍基地干湖床上建立的輻射定標場；法國在馬賽市附近建立Lacrau輻射定標場；加拿大的Newell Country輻射校正場[11]；定標AVHRR的利比亞沙漠輻射定標場；定標SPOT影像的北非沙漠輻射定標場[12]等。目前基于場地的輻射定標方法對可見光-近紅外波段的定標精度達到了3%～5%。我國結合國外經驗和輻射定標場選擇條件，已建成位于敦煌和青海湖的國家遙感衛星定標場地，陸續建成的還有內蒙古貢格爾草原、內蒙古達里湖、云南思茅雨林、云南麗江可見光定標場等。下面簡要介紹下敦煌和青海湖兩個國家遙感衛星定標場地的定標優劣勢。

敦煌沙漠輻射定標場主要用于可見光-近紅外波段的輻射定標，具有場地地域開闊，地形平坦；場地地物類型均一(沙漠和戈壁)且穩定；大氣干潔無污染；晴天日多，光照條件好等優勢。但晴天日相對集中在秋、冬兩季；地物雖均一，但地表面十分脆弱；場地總懸浮微粒(TSP)的不穩定性，影響對大氣光學厚度的測量。青海湖輻射定標場主要用于熱紅外波段的輻射定標，該定標場的優勢有：湖面開闊，面積大；湖水深度大，表面溫度變化小；大氣無污染；青海湖中水生生物少。但同時也具有大風日較多，晴天日較少；冬季湖面會冰封，氣溫酷冷等劣勢。

3.3.1 場地定標工作原理

當衛星搭載遙感器飛過定標場地上空時，在定標場地上選擇若干個像元區，測量遙感器對應的地物各波段光譜反射率和大氣光譜等參量，并利用大氣輻射傳輸模型(如6S、LOWTRAN、MODTRAN等)計算出遙感器入瞳處各光譜帶的輻射亮度，最后確定它與遙感器對應輸出的數字量化值的數量關系，求解定標系數，并估算定標不確定性。其中6S大氣輻射傳輸模型一般應用于可見光-近紅外波段的輻射定標，而熱紅外波段的輻射定標則常利用的是MODTRAN大氣輻射傳輸模型。一般流程圖如圖3所示。

圖3 場地定標基本流程圖

3.3.2 場地定標主要方法

(1)反射率基法

在衛星過頂時同步測量地面目標反射率因子和大氣光學參量(如大氣光學厚度、大氣柱水汽含量等)，然后利用大氣輻射傳輸模型計算出遙感器入瞳處輻射亮度值。該方法相比輻亮度法和輻照度法，精度較高，測量的參數相對較少，但所需參量必須嚴格按照同步觀測獲取[13]。以可見光-近紅外通道的外場定標為例，其基本原理如下：

(8)

其中，ai，bi分別表示i通道的增益和偏置。

遙感器i通道入瞳處的大氣頂層表觀反射率表示為：

(9)

式中d表示衛星獲取影像時真實的日地距離和日地平均距離之比；θs表示衛星獲取影像時的太陽天頂角；Eo,i表示遙感器單通道大氣層外太陽輻照度，又稱為波段太陽常數。

(10)

將地表反射率、大氣特征參數以及觀測幾何條件等參數輸入6S大氣輻射傳輸模型，可以獲得遙感器入瞳處大氣頂層的表觀反射率[14]。再將衛星分別觀測外場和冷空間的表觀反射率(冷空間的表觀反射率等于零)與衛星觀測同樣目標得到的計數值進行擬合，利用最小二乘法獲得標定系數ai和bi?；玖鞒倘鐖D4所示。

圖4 基于反射率基法的可見光-近紅外通道定標流程圖

(2)輻亮度法

采用經過嚴格光譜與輻射標定的輻射計搭載在飛機平臺上，與衛星遙感器觀測條件一致，同步測量目標物的輻射度，根據輻射計和遙感器間的大氣影響，對測得的輻射亮度進行定標。

輻亮度定標法具有以下三個特征：①測量用輻射計必須提前進行絕對輻射標定，最終輻射定標系數的誤差以輻射計的標定誤差為主；②因僅需對飛行高度以上的大氣進行訂正，回避了低層大氣的訂正誤差，有利于提高定標精度；③飛機上搭載的輻射計地面視場廣，瞬間連續獲取大量數據，所以對場地表面均勻性要求降低[15]。

(3)輻照度法

又稱改進的反射率法，所用的輸入量除反射率法所需的輸入量外，還需要測量向下到達地面的漫射輻射與總輻射比值確定衛星遙感器高度的表觀反射率，進而確定出遙感器入瞳處輻射亮度。這一比值包含了氣溶膠的散射特征，以實測的輻照度比代替了反射率基法中計算氣溶膠散射的假定和反演，它可以減少因氣溶膠近似而產生的誤差。此方法使用解析近似方法來計算反射率，從而大大縮減了計算時間和計算復雜性?；玖鞒倘鐖D5所示。上述三種場地定標方法的性能比較見表1。

圖5 輻照度定標法流程圖

表1 三種外場定標方法性能對比表

3.4 交叉定標

交叉定標指以時空尺度相差不大且對應通道設置基本一致的經過遙感器定標的遙感數據作為參考，對其它遙感器數據進行定標，即用較高定標精度的衛星通道標定較低精度衛星通道的方法[16]。

交叉定標適用于待定標和已定標的兩類遙感器，其波段設置類似，且二者的空間分辨率接近，量化等級相同。而已定標遙感器經過嚴格的發射前定標、長期在軌監測和定期場地絕對定標，有很高的輻射定標精度[17]。不同衛星通道的交叉定標流程如圖6所示。但對參考遙感器和待定標遙感器之間的通道設置、通道光譜響應函數、空間分辨率、過境時間、回訪周期、幾何配準精度等方面有嚴格要求，并且定標精度極大地依賴于參考遙感器自身的絕對輻射定標精度[18]。所以交叉定標時必須對其相應通道進行光譜修正，以減少兩者光譜差異。

交叉定標優點在于定標成本較低，無需建立地面定標場，可以實現高頻次、多遙感器之間的輻射定標，是目前發展較快的定標方法，已經廣泛用于AVHRR、MODIS等遙感器的輻射定標。但由于反射波段對于目標的雙星反射特性BRDF修正很難解決，所以，可見光近紅外遙感器的交叉定標基本沒有實現業務化的先例。所以交叉定標主要用于紅外波段的定標。

圖6 交叉定標流程圖

4 結束語

鑒于輻射定標對于遙感資料定量化分析的重要性，可以看出，要得到高準確度的遙感資料，必須要從發射前實驗室定標、星上定標和長期在軌定標等多方面入手共同提高輻射定標精度。另外，外場定標作為定標技術中實用有效的一種，由于敦煌和青海湖國家遙感衛星輻射定標場在時間上的限制(如青海湖湖面結冰期)，而全球衛星發射計劃越來越密集，另外選取備用輻射定標場也是發展趨勢。

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