HY-1B／COCTS熱紅外波段的交叉輻射定標方法研究

闞 煜，龔 紹 琦，劉 朝 順

（1.華東師范大學地理信息科學教育部重點實驗室，上海 200241；2.華東師范大學環境遙感與數據同化聯合實驗室，上海 200241；3.南京信息工程大學地理與遙感學院，江蘇 南京 210044）

0 引言

HY-1B衛星是我國繼HY-1A之后的第二顆海洋衛星，于2007年4月11日在太原衛星發射中心發射成功，衛星軌道為798 km。星上載有一臺10波段海洋水色掃描儀COCTS（Chinese Ocean Color＆Temperature Scanner）和一臺4波段的海岸帶成像儀CZI（Coastal Zone Imager）。該衛星主要用于葉綠素、懸浮泥沙、海表層溫度及海岸帶動態監測［1］。與HY-1A衛星相比，其性能有了進一步增強和提高，并且改善了過境降交點地方時，更有利于海洋水色環境信息的探測。

輻射定標是衛星定量遙感應用的基礎。HY-1B／COCTS衛星發射后，由于工作環境和狀態改變，設備老化等要素的影響，均可能導致傳感器定標系數發生變化［2］，因此為了保證海洋衛星遙感數據應用的準確度與可靠性，需要對HY-1B／COCTS進行精確的輻射定標。

利用高輻射精度的衛星對精度相對較低的衛星遙感器進行交叉輻射校正（cross-calibration，簡稱“交叉定標”）是一種很好的方法［3］。國內外關于星—星交叉定標的研究工作已經開展了許多，并得到了很好的結果。Li等利用中分辨率成像光譜儀MODIS的海洋表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）產品檢索算法對 HY-1A 進行交叉定標［4］。Gunshor等利用大氣紅外探測儀AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）數據對地球同步運行環境衛星（GOES）、地球同步氣象衛星 Meteosat-8和多功能氣象觀測和飛行控制衛星MTSAT的水汽通道和分裂窗通道進行交叉輻射定標，取得了很好的效果［5］。蔣耿明等利用AIRS數據對可見光和紅外自旋轉掃描輻射計SVISSR（Stretched Visible and Infrared Spin Scan Radiometer）分裂窗通道進行交叉輻射定標，結果表明SVISSR數據與卷積得到的AIRS數據高度線性相關［6］。楊忠東等人建立了中巴地球資源衛星CBERS-1上搭載的紅外多光譜掃描儀（IRMSS，Infrared Multispectral Scanner）與 FY-1C第4通道及Landsat-7／ETM＋ 第6通道多星熱紅外遙感儀器交叉定標的算法模型，利用這兩個通道分別對IRMSS熱紅外通道進行交叉定標，得到二組定標結果［7］。張勇等以TERRA／MODIS傳感器熱紅外31通道為參考標準，完成對CBERS-02／IRMSS傳感器熱紅外通道的交叉輻射定標［8］，以上研究表明在軌交叉定標技術是一種經濟實用的定標技術。但在交叉定標過程中，為了保證大氣對兩傳感器觀測結果影響的一致性，需要對觀測時間和觀測幾何進行嚴格的匹配。數據處理工作量較大，而往往能夠完全匹配的像元數很少，影響輻射定標的結果。本文在綜合考慮交叉定標和場地定標各自優缺點的基礎上，提出交叉定標法對海洋衛星HY-1B／COCTS熱紅外波段進行輻射定標。

由于MODIS第31、32波段的輻射定標精度較高（定標誤差小于0.4%），能滿足地表溫度遙感精度的要求［9］，而且與海洋衛星 HY-1B／COCTS第9、10 通道光譜相匹配，HY-1B與TERRA衛星過境時間相當，前后不超過半小時。因此，本文以我國太湖為目標，以準同步過境的TERRA／MODIS傳感器熱紅外31、32通道數據為參考標準，分別對 HY-1B／COCTS傳感器熱紅外9、10通道進行目標跟蹤交叉定標。

1 目標跟蹤交叉定標的基本方法

根據熱輻射傳輸原理，當熱紅外探測器觀測湖面時，入瞳輻亮度有3個來源［10］：第一部分是來源于水面的熱紅外輻射L1（λ），這部分能量取決于水面的溫度、水面的發射率e以及水體和傳感器之間的大氣傳輸路徑中的透過率τα（λ）；第二部分能量是大氣自身發射的上行熱輻射Lup（λ），直接進入傳感器的輻射，記為L2；第三部分的輻射是大氣自身發射的下行熱輻射Ldown（λ），到達水面反射后，穿過大氣層，被傳感器所接收到的輻射，記為L3。因此，傳感器接收到總的入瞳輻亮度LT可表示為：

式中：λ為波長，傳感器接收的水面熱紅外輻射L1（λ）可以表示為：

其中：τα（λ）是波長為λ時從目標到大氣頂層的大氣透過率；Llake（λ）是觀測角內水面發射的輻射，Llake（λ）＝eB（λ），e為水的發射率，B（λ）為與水面溫度相同的黑體發射輻射。

水面反射的大氣下行熱輻射L1在波長為λ時表示為：

其中：ρlake（λ）是水面的反射率，即（1-e）。查 ASTER光譜庫得到，水在熱紅外波段的發射率e都在0.99以上，所以水體在熱紅外波段可以近似地認為是黑體，反射率接近于0，因此L3（λ）可以忽略。最后傳感器接收到總的入瞳輻亮度LT可以表示為：

式中：大氣上行熱輻射亮度Lup（λ）和大氣透過率τα（λ）可以由大氣輻射傳輸模型 MODTRAN模擬得到，因此根據式（4）可從MODIS圖像中計算得到水面的Llake（λ）。

考慮到 HY-1B／COCTS、TERRA／MODIS兩傳感器對應通道光譜響應函數S的差異（圖1），需要借助光譜匹配因子K消除兩個傳感器之間的光譜差異：

其中：LCOCTS（λ）和LMODIS（λ）分別是由實測水溫、根據普朗克函數模擬COCTS和MODIS傳感器觀測的水面輻亮度；SCOCTS（λ）和SMODIS（λ）分別為COCTS和MODIS相應波段的光譜響應函數。

考慮到傳感器不同觀測天頂角對接收水面熱輻射的影響，當兩傳感器對同一水面進行觀測時應滿足：

式中：θM和θC分別為MODIS和COCTS的觀測天頂角。因為兩個傳感器的上行熱輻射和透射率可以通過大氣輻射傳輸模型MODTRAN模擬得到，根據式（4）可從MODIS圖像中計算得到水面發射的熱輻射Llake（MODIS）。因此，根據式（6）可以計算出COCTS接收水面熱輻射Llake（COCTS）。結合MOTRAN輻射模擬的COCTS傳感器大氣上行熱輻射Lup（λ）和透射率τα（λ），同樣根據式（4）最終可計算出COCTS的入瞳輻亮度LT（λ），由此可以建立COCTS的輻射定標模型。熱紅外通道i的輻射定標系數可由下式得到：

其中：LASRi代表以 Wm－2sr－1μm－1為單位的入瞳輻亮度，DNi代表數字信號的數值，Gi和Ii分別表示以 Wm－2sr－1μm－1／DN 和 Wm－2sr－1μm－1為單位的增益和偏置。

2 研究區域數據和處理

2.1 研究區域和定標點的選取

太湖是我國第三淡水湖，湖泊面積2 338.1 km2，平均深度2 m，水域廣闊均勻，水溫變化不大，水的發射率高、幾乎接近黑體，可用作熱紅外輻射定標場。在定標點的選取上，本文以具有代表性、有效性和準確性為原則，同時避免有云層干擾，減少偶然性造成的誤差。因此，選取湖中25個不被云覆蓋且清晰的點進行研究（圖2）。

2.2 數據來源

研究數據包括MODIS影像、COCTS影像、氣象資料等，數據日期為2009年4月17、21、22、25、26日，共5天。HY-1B／COCTS影像資料從國家衛星海洋應用中心申請獲得，數據為L1A級；TERRA／MODIS影像資料可從 NASA網站下載（http：／／ladsweb.nascom.nasa.gov／data／search.html），數據為L1B級；太湖地區沒有探空資料，MODTRAN模擬所需的水汽廓線用大氣含水量代替，該數據來自氣溶膠自動觀測網 Aeronet（http：／／aeronet.gsfc.nasa.gov／）的太湖站點，由太陽光度計CE318每隔5 min觀測得到；MODTRAN模擬所用的近地層氣溫和能見度數據來自氣象觀測站（東山站58358）。水溫數據是衛星過境期間水溫計實測數據。

2.3 遙感圖像預處理

2.3.1 COCTS圖像的預處理

（1）條帶噪聲去除。本文采用矩匹配法，利用可視化編程軟件IDL編寫條帶去除的相關程序以去除條帶。實驗表明經處理后的影像的條帶得到了很好去除（圖3），為下一步的輻射定標提供高質量的數據支持。

（2）幾何校正。COCTS圖像屬于低空間分辨率圖像，利用其自帶的地理坐標進行幾何校正。COCTS圖像中每條掃描行的像元數為1 664，有166個經緯度坐標對，就是第1個經緯度坐標對對應掃描行圖像像元號為7，以后每隔10個像元給出一個經緯度坐標對。由此可以確定圖像像元的行列值與經緯度坐標對之間的一一對應關系。采用不規則三角網方法計算圖像像元校正后的新坐標位置，并用最鄰近插值法得到新像元的DN值。COCTS圖像幾何校正前后對比如圖3。

2.3.2 MODIS圖像的預處理 由于MODIS L1B數據已經過輻射校正，且自帶詳細的經緯度信息，因此，本文利用遙感圖像處理軟件ENVI只對MODIS數據做幾何校正［11，12］。

2.4 大氣透過率與大氣上行熱輻射的模擬

本文選擇輻射傳輸模型MODTRAN模擬HY－1B／COCTS和 TERRA／MODIS的大氣透過率τα（λ）和大氣上行輻射Lup（λ）。模型需要輸入的主要參數有：大氣模型、氣溶膠模型、大氣能見度、水汽量、近地層溫度、觀測天頂角、波長等［13］。這里的大氣模型選擇中緯夏季；氣溶膠模型為城市型。各參數的值見表1。在模擬出大氣透過率和大氣上行輻射后，利用COCTS和MODIS相應通道的光譜響應函數，對大氣透過率和大氣上行輻射進行卷積運算，計算出COCTS和MODIS相應通道的大氣透過率和大氣上行輻射亮度。

表1 MODTRAN模型的參數值Table 1 The parameter value of MODTRAN

3 結果與分析

3.1 HY-1B／COCTS熱紅外通道輻射定標模型的構建與定標系數的確定

根據本文所述的目標跟蹤交叉定標方法，可以計算出COCTS的入瞳輻亮度LT，并從COCTS影像上提取對應的DN值，利用線性回歸方法，構建COCTS熱紅外通道的輻射定標模型（圖4）。如圖4所示，COCTS的入瞳輻亮度和DN值之間表現出良好的線性關系，其回歸的決定系數R2分別為0.908和0.772。由此獲得的COCTS熱紅外通道輻射定標模型：第9波段：L9＝0.008＊DN＋2.873（R2＝0.907，N＝50）；第10波段：L10＝0.006＊DN＋3.913（R2＝0.757，N＝50）。

3.2 輻射校正結果驗證

3.2.1 COCTS輻亮度的比較 為了進一步驗證本文的輻射定標結果，將利用定標系數反演的入瞳輻亮度Lt和MODIS交叉等效模擬的入瞳輻亮度Lt進行對比分析，通過計算平均偏差MPE、均方根誤差RMSE等衡量輻射定標的精度。計算結果表明：第9、10波段的 MPE分別為－0.070、－0.008，RMSE分別為0.532、0.083，第10波段的 RMSE遠小于第9波段，該波段輻射定標模型的精確度更高。COCTS兩個通道的MPE和RMSE均較小，說明兩個通道的輻射定標模型精確度均較高。兩者之間的平均偏差也都小于10%，對于影像數據質量不高的HY-1B衛星而言，結果足以說明本文得到的COCTS兩個熱紅外通道輻射定標模型的可靠性。

為更直觀更清楚地表示表2所示兩種輻亮度之間差異情況，圖5給出了COCTS交叉等效模擬的入瞳輻亮度和輻射定標反演的入瞳輻亮度之間的散點圖。如圖5所示，兩個波段分別對應的兩個輻亮度之間的相關性較好。第9波段兩個入瞳輻亮度之間的決定系數為0.716，第10波段兩個入瞳輻亮度之間的決定系數為0.516。總體而言，兩個熱紅外通道輻射定標模型的精確度都滿足要求，結果比較理想。因此，利用 MODIS第31、32通道對 HY-1B／COCTS第9、10通道進行交叉定標這種方法可行，并且這兩組定標系數理論上都可用于 HY-1B／COCTS的輻射定標，可以滿足定量化應用的需求。

3.2.2 基于COCTS圖像的太湖水溫反演 基于前文所述的COCTS的輻射定標模型和定標系數的定標結果，利用分裂窗算法［14］，反演得到2009年4月21日太湖區域白天的水溫數據如圖6（見封2）。為驗證輻射定標模型的精度，選取湖中6個驗證點，將太湖的水溫反演值與實測值進行對比（表2），兩者之差最大為1.9 K，最小為0.3 K，平均偏差1.47 K。這種誤差來源有分裂窗反演算法帶來的誤差和輻射定標系數帶來的誤差［15］，具體哪種原因引起的誤差較大，還有待研究。兩者的決定系數為－0.445，雖相關性不高，但對于影像數據精度不高的HY衛星而言結果可以接受，因此可以認為HY-1B／COCTS兩個通道的輻射定標系數在一定程度上是可靠的，可用于后續的HY-1B／COCTS數據應用。

圖5 COCTS第9、10波段兩個輻亮度的散點圖（單位：Wm－2 sr－1μm－1）Fig.5 Scatter plot between pupil radial brightness of two methods of COCTS band 9 and band 10

4 結論

本文以具有高輻射精度的TERRA／MODIS傳感器熱紅外第31、32通道為參考，采用目標跟蹤交叉定標法開展HY-1B／COCTS傳感器熱紅外第9、10通道的輻射定標研究，初步得到以下結論：

（1）通過一元線性回歸方法，確定了 HY-1B／COCTS傳感器熱紅外第9、10通道的輻射定標系數；將定標系數反演到COCTS第9和第10通道上，并與MODIS等效的入瞳輻亮度進行比較，得到兩者有很好的相關性，相關系數分別為0.846和0.718，均方根誤差分別為0.532 Wm－2sr－1μm－1和0.083 Wm－2sr－1μm－1。說明本研究得到的定標精度較高，定標系數可靠，可用于我國海洋Y-1B衛星的紅外遙感觀測。

（2）將定標所得的結果反演到COCTS第9和第10通道上，得到兩通道的輻射亮度。在此基礎上，根據分裂窗方法反演了2009年4月21日白天太湖區域的水溫，通過與實測水溫比較發現，兩者有很好的相關性，相關系數為0.667，水溫反演的均方根誤差為1.47 K。說明本文得到輻射定標結果較為理想，基本可以滿足 HY-1B／COCTS海洋水溫遙感的定量化需求，但其業務精度尚有提高的空間。

本文使用的HY-1B／COCTS影像資料來自國家衛星海洋應用中心，氣溫和能見度數據來自中國氣象科學數據共享服務網，水汽量來自全球氣溶膠Aeronet網的太湖站點，該站點是由中科院地理與湖泊研究所馬榮華研究員負責采集，對以上數據提供部門表示衷心感謝！

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