VIIRS在中國渤海的遙感反射率產品驗證

李　軍，朱建華，韓　冰，高　飛，楊安安，趙屹立

（國家海洋技術中心，天津　300112）

VIIRS在中國渤海的遙感反射率產品驗證

李軍，朱建華*，韓冰，高飛，楊安安，趙屹立

（國家海洋技術中心，天津300112）

采用星星交叉檢驗方法，比對了VIIRS和MODIS在中國渤海遙感反射率獲取能力。由對比結果得出：在近岸海區VIIRS和MODIS觀測能力相似，在渾濁水體VIIRS的遙感反射率高于MODIS。同時基于2012年9月遼東灣航次獲取的現場遙感反射率數據對VIIRS在渤海海區的反演能力進行了星地檢驗。結果表明：VIIRS在中國近岸二類水體的反演效果較好，但出現了低估現象，在反演精度上，VIIRS衛星Rrs產品的反演誤差遠離近紅外波段而增大，隨水體懸浮顆粒濃度的增加而增大。

VIIRS；MODIS；遙感反射比；渤海；檢驗

National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System（NPOESS）Preparatory Project（NPP）發射于2011年10月28日，隸屬于The Joint Polar Satellite System（JPSS），由NASA，NOAA和美國空軍共同研發。Visible and Infrared Imager/Radiometer Suite（VIIRS）是搭載在NPP衛星上的傳感器，可收集陸地、大氣、冰層和海洋在可見光和紅外波段的輻射圖像，是MODerate resolution Imaging Spectroradiometer（MODIS）系列的拓展和改進，其測量的地球表面和大氣數據被收錄進 Environment Data Records（EDR）［1］。

VIIRS衛星參考了MODIS和SeaWiFS衛星的優點，提供22個可見光/紅外通道用以觀測海洋生態系統演變、海洋氣候變遷、海洋生態變化等現象，其同MODIS衛星一樣是極軌衛星，過境赤道的時間在當地時間13:30左右，同時VIIRS衛星擁有NOAA的高分辨率，其提供的水色衛星空間分辨率是750 m，表1是MODIS和VIIRS在可見光/近紅外的波段參數。

The Ocean Data Processing Group（OBPG）對MODIS和VIIRS的衛星數據在全球大洋區域進行了交叉檢驗，肯定了VIIRS的觀測能力，并把VIIRS的數據納入到研究全球海洋環境變化的數據集（EDR）中［2-3］。Wang等［4］比對分析了VIIRS和MOBY現場觀測數據的一致性，驗證了VIIRS（提供替代定標系數后）在大洋海區的準確性，同時在夏威夷、美國東海岸、墨西哥灣等海區與MODIS衛星進行星星交叉比對，證明VIIRS和MODIS的一致性，也指出其在近岸海區的觀測能力有缺陷。Arnone等［5］基于全球28個Aerosol Robotic Network–Ocean Color（AERONETOC）站點和南佛羅里達航次的現場nLw數據對VIIRS進行檢驗，肯定了VIIRS的探測能力，同時在美國東西海岸和墨西哥灣星星交叉驗證VIIRS，MODIS，MERIS，證明了MODIS，MERIS，VIIRS基本一致，但同時也發現MODIS和VIIRS在443 nm處出現較大偏差。Hlaing［6］等基于AERONET-OC的兩個近岸站位LISCO（Long Island Sound）和WaveCIS（Gulf of Mexico）對VIIRS和MODIS進行驗證（空間窗口采用3×3像元），證明R12.2（加入替代定標系數）后，VIIRS的檢驗效果有提高，線性相關系數達到0.9以上，指出了VIIRS在這兩個站位海區的反演效果較好，也證明了VIIRS和MODIS的反演效果較一致，同時也指出VIIRS需要進行近岸海區的驗證來肯定其反演能力。VIIRS為MODIS的延續星，確定VIIRS在中國海區的數據質量，可以保證海洋研究的一致性和連續性，因此，對兩者在中國海區的檢驗是非常必要的。

表1　MODIS和VIIRS在近紅外/可見光的波段參數

國內外的很多學者對于MODIS在全球海域的產品精度都有詳細的檢驗和分析［7-8］。Bailey等［9］指出自2009年NASA改進水色衛星NIR大氣校正獲取近紅外波段的迭代模型后，NIR的大氣校正結果在切薩比克灣的驗證效果良好，葉綠素與現場結果很吻合。Zibordi等［10］基于亞德里亞海的AAOT平臺數據對MODIS，SeaWiFS、MERIS衛星產品在近岸海區的反演效果進行驗證，得出MODIS的nLw在443～555 nm的平均誤差在1%～9%左右。Sun等［11］用杭州灣附近的現場實測數據驗證了MODIS的SWIR大氣校正算法的Rrs產品精度，指出412～869 nm波段的與現場實測數據之間的RMSE為0.003 1 sr-1。海洋水色產品在國內海域應用范圍很廣，但高質量的海上實測數據獲取困難，中國渤海MODIS標準水色產品真實性檢驗結果的報道較少。崔廷偉等［12］基于渤海的實測數據對MODIS數據進行檢驗。孫凌等［13］用黃東海的觀測數據對MODIS衛星數據在中國沿海的真實性進行檢驗，得出MODIS反演的Rrs與實測光譜的形狀基本相似，數值多數偏低，特別是在高值區（約＞0.01 sr-1），葉綠素反演結果較差。反演值整體偏高，且與實測值之間不具有明顯的線性關系。朱建華等［14］基于中國南海的實測數據驗證了MODIS-T和MODIS-A的精度，指出現場和衛星的一致性良好，MODIS-A衛星412 nm和443 nm波段的遙感反射比平均相對偏差小于10%。

中國渤海水深較淺，底質多為泥沙和軟泥質，水體的懸浮物濃度較高，有較強的后向散射，水體的富營養化較為嚴重，葉綠素濃度普遍在1 mg/m3以上，為典型的二類水體。為驗證VIIRS在中國渤海的數據質量和延續性，在渤海海區進行了星星交叉檢驗和星地檢驗，對VIIRS遙感反射率產品的獲取能力進行評估。

1　數據和方法

1.1現場數據及質量控制

本文采用的現場數據為2012年9月10-17日開展的遼東灣航次數據，航次范圍見圖1，選取航次期間的遙感反射率作為本文的現場數據。

圖1　匹配站位示意圖（圖中站位為現場和衛星檢驗匹配站位）

當用地物光譜儀對海面進行觀測時，其觀測幾何如圖2所示，儀器接收到的信號包含了水體的離水輻射信號和其它的雜散光信號［15］，見公式（1）：

式中：Lt為儀器觀測到的總信號；Lw為水體的離水輻射信號；i為儀器觀測到的第i個小的波面；wi是第i個觀測面的信號在儀器觀測平面內的比重；F為第i個觀測面的菲涅耳反射率；Lsky為第i個觀測面相對于儀器觀測面的天空光。

公式（1）中，Lsky的組成并不固定，因此，當用海面之上的方法進行觀測時，Lsky的去除是重點也是難點。為了方便計算，對公式（1）進行簡化，得到下面的公式，即公式（2）：

式中：Lt為儀器觀測到的總信號；Lw為水體的離水輻射信號；ρ為菲涅耳反射率，其值選取為0.028［16］；Lsky為儀器觀測面的天空光。其中，右邊第二項為LSR。

圖2　地物光譜儀的觀測幾何圖

由圖2可得，LSR為儀器測量到的雜散光信號，通過公式（2）中大致估算項ρLsky進行去除，由于ρ為經驗系數包含誤差，因此，為避免雜散光對Rrs檢驗結果的影響過大，本文采取下面的方法對現場測量的Rrs進行質控，質控見圖3。

（1）去除ρLsky在Lt中所占比例超過50%的現場數據［17］；

（2）去除多次測量偏差較大現場光譜（在490 nm波段的單次和平均值差異大于5%的現場觀測數據）；

圖3　現場數據質量控制圖

1.2衛星數據

MODIS采用的Aqua星數據，下載航次期間（2012年9月10-17日，下載的空間范圍見圖1）經過R2012再處理L2級數據（數據下載于NASA官網:http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/cgi/browse.pl）。L2級標準產品包括各個波段的遙感反射率和葉綠素濃度等。MODIS的大氣校正由SeaDAS 7.1軟件按照Ruddick 2000年提出的算法，選取了12種經典的大氣模式，校正了多種氣體的傳輸系數，耀斑，海面白帽，瑞利反射率等［18-19］，后經過NIR波段迭代算法獲取各個波段的遙感反射率［9］。

VIIRS的L2級數據下載與MODIS相同時空范圍R2012再處理后的L2級數據 （下載于NASA的官網:http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/cgi/browse.pl）。L2級標準產品包括各個波段的遙感反射率和葉綠素濃度等。VIIRS的大氣校正產品采用最新的SeaDAS 7.1進行處理，校正了氣體的傳輸系數，耀斑，海面白帽等［18-19］，后經過NIR波段迭代算法獲取各個波段的遙感反射率［9］。

1.3衛星數據質量控制

衛星數據的質量控制不同于現場觀測，采用下面的方式進行數據質量控制：

（1）通過讀取L2級標識（VIIRS和MODIS），來進行數據的質控，去除不符合海洋觀測的衛星數據，如大氣校正失效，耀斑，衛星觀測角較大（＞60°），太陽天頂角較大（＞75°）等。

（2）在星地匹配中，去除5×5像元中均一性較差（單值和平均值差異大于20%）的數據點［14］。

（3）去除有效像元點數過少的衛星觀測數據（衛星5×5像元中有效數據點數＜5）［14］。

1.4匹配方法

基于現場的檢驗中匹配方法采用與OBPG小組［8］相一致的空間窗口和時間窗口。空間窗口選取0.05°×0.05°（即MODIS 5×5像元），時間窗口選用現場觀測時間和衛星過境時間的差異在±3 h以內建立匹配數據集。選取2012年9月13-15日的衛星數據和現場觀測數據進行星地匹配。

在星星交叉匹配中，依據觀測相一致的原則選定時空窗口，因MODIS和VIIRS的空間分辨率不同，觀測時間較為接近，為當地時間13點左右過境，本次星星交叉檢驗時間窗口選取為±1 h以內，空間窗口選取為0.01°×0.01°（即MODIS 1×1像元）［20］，對比區域見圖1。

為了對比MODIS和VIIRS的遙感反射率產品，對于兩顆衛星的波段進行了分析（見表1），在可見光范圍內，波段差異小于5 nm的波段為比較波段［20］（即表1中band 1-5），在后文中以MODIS波段作為統一的波段分析。

經過數據質控和時空匹配，星星匹配渤海區域得到約33 872組匹配數據，星地匹配得到12組的匹配數據。

1.5數據統計方法

匹配結果評估采用如下統計參數，包括相對偏差、平均相對百分比偏差，相應計算公式如下：

相對偏差：

平均絕對百分比偏差：

均方根誤差：

在星地檢驗方面，Xi為VIIRS衛星的遙感反射率產品，Yi為現場觀測的遙感反射率產品；

在星星交叉檢驗方面，Xi為VIIRS衛星的遙感反射率產品，Yi為MODIS衛星的遙感反射率產品。

2　檢驗結果及分析

2.1星星交叉檢驗結果及分析

通過上面的對比散點圖（圖4）可以看出，VIIRS和MODIS的遙感反射率產品較一致，散點基本分布在1:1線附近，擬合曲線也和1:1線較為接近，R2值大于0.7（除去412 nm波段），這反映出了VIIRS在中國渤海的觀測能力和MODIS相當，這和國外學者比對MODIS和VIIRS在大氣層頂的輻射信號的結果相類似［21］。同時我們也注意到，其擬合曲線的截距接近0，斜率都大于1（412 nm波段除外），在各個波段比對的高值區（Rrs（412）＞0.005 sr-1，Rrs（443）＞0.006 sr-1，Rrs（488）＞0.008 sr-1，Rrs（547）＞0.013 sr-1，Rrs（667）＞0.013 sr-1），散點基本都在1:1線之上，說明VIIRS的遙感反射率在高值區大于MODIS。VIIRS在高渾濁水體的觀測值高于MODIS，造成這一現象的原因可能是兩者的大氣校正算法不同造成的［9］。

圖4　VIIRS和MODIS衛星在渤海遙感反射率對比散點圖

2.2星地檢驗結果及分析

通過衛星和現場的全波段散點圖（圖5）可得，MODIS和VIIRS各個波段的擬合曲線系數較為接近，線性相關度較好，表明MODIS和VIIRS在中國渤海的反演效果相一致。比對散點圖的散點大部分都在1:1線之下，說明衛星遙感反射率都小于現場觀測值，原因是VIIRS和MODIS的大氣校正沿用近紅外波段暗像元的方式，在近紅外波段出現低估，進而對所有波段出現低估［19］。而同時也注意到，在各個波段VIIRS擬合曲線的R2都大于0.5，而MODIS各波段的R2都小于VIIRS的對應波段，這說明與MODIS相比，VIIRS與現場數據的一致性較好。在 412 nm和 443 nm波段，VIIRS遠優于MODIS，這是由于遙感器的定標和軌道等不可預測的因素，MODIS的412 nm和443 nm數據質量明顯下降［22］。

圖5　VIIRS衛星和現場的對比散點圖

由于各個站位的葉綠素濃度、懸浮物等不盡相同，比對分析了VIIRS衛星大氣校正在不同渾濁水體的表現。由現場各站位和對應衛星數據分析圖（圖5）可以看出，在高渾濁站位（4.0 mg/L＜懸浮物濃度），如：LDW14，LDW 15，LDW 19，LDW20等站位，由于懸浮顆粒的強后向散射，導致近紅外波段遙感反射率值較高（Rrs（671）＞0.005 sr-1），進而造成Rrs（NIR）低估（大氣校正假設近紅外波段Rrs為零），各波段氣溶膠信號高估［19］，致使VIIRS可見光波段的觀測值遠小于現場觀測值；在較為清潔的水體（懸浮物濃度＜4.0 mg/L），如：LDW16，LDW17，LDW 22等站位，VIIRS和現場的觀測值較一致，VIIRS的觀測值略小于現場觀測值；在TSM最小的LDW18站位VIIRS和現場的觀測值互有高低。在Rrs（667）的APD和現場站位TSM濃度的變化趨勢圖（圖6）中也可以看出，667 nm波段的APD隨著TSM濃度的增高而升高，這也證明渾濁度越高，近紅外波段的Rrs誤差越大。

圖6　現場各站位和對應衛星數據分析圖

圖7　Rrs（667）的APD隨現場站位TSM濃度變化趨勢圖

圖8　VIIRS星地匹配Bias、RMSE、APD波段趨勢圖

通過VIIRS的平均絕對百分比偏差（APD）波段趨勢圖（圖8（c）），可以看出，VIIRS的APD隨著波段的增大而減小，這是因為大氣校正算法采用近紅外波段的氣溶膠光學厚度通過波段迭代的方式來推導其它波段的氣溶膠光學厚度，進而離近紅外波段越遠誤差越大［10］。由VIIRS和現場的Bias（圖8（a））和RMSE（圖8（b））波段趨勢圖可以看出，VIIRS和現場觀測值的Bias和RMSE呈現單峰形，在486 nm出現峰值。由于現場波譜551 nm為峰值，且APD隨波段的增加而降低，兩者共同作用導致了Bias和RMSE峰值前移為486 nm。

由對比結果反映出的中國近海遙感反射率產品低估（但在渾濁水體比MODIS低估較少），以及遙感反射率產品反演精度在近紅外波段與低濁水體明顯高于短波方向各波段與渾濁方向水體等現象，參考文獻［13］-［14］也曾揭示，但渤海更為突出。此類由不同水色衛星均以不同程度出現的同向偏差，顯然屬于具有區域特征的算法系統誤差，且渤海區域實測大氣光學模式與傳統的“12種經典的大氣模式”并不相符［23］，這也有可能導致在該區的氣溶膠估算產生誤差，導致衛星值低于現場值。

3　結論

本文通過VIIRS星星交叉檢驗和星地檢驗，得出以下幾點結論：

（1）在中國渤海海區，VIIRS和MODIS的比對結果整體較一致，由于大氣校正算法不同，導致VIIRS的遙感反射率略高于MODIS，且在高渾濁海區，VIIRS的遙感反射率明顯高于MODIS。

（2）基于現場的檢驗結果顯示，VIIRS在中國近岸二類水體的反演結果較好（R2＞0.5），出現低估現象。在反演精度上，VIIRS衛星優于MODIS衛星，VIIRS衛星Rrs產品的反演誤差隨現場懸浮顆粒濃度的增加而增大。

（3）由于大氣校正采用波段迭代算法及渤海海區大氣氣溶膠光學模型與傳統的12種經典大氣模型并不相符，VIIRS衛星Rrs產品的反演誤差遠離近紅外波段而增大，大氣校正誤差和現場光譜相互作用導致486 nm為Bias和RMSE的峰值。

致謝：感謝國家海洋環境監測中心在現場數據觀測等方面的大力支持。

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Validation of the VIIRS Radiometric Products with MODIS and In-situ Data in the Bohai Sea

LI Jun，ZHU Jian-hua，HAN Bing，GAO Fei，YANG An-an，ZHAO Yi-li
National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China

This study makes a contribution to the quality assessment of the VIIRS radiometric products through comparing with concurrent data from the moderate-resolution imaging spectro radiometer（MODIS，NASA）sensor.The results show that VIIRS and MODIS have similar observing capability in near-shore waters，while the remote-sensing reflectance（Rrs）of VIIRS is higher than that of MODIS in turbid waters.This paper provides the validation results for VIIRS-derived water products using match-ups between the satellite and ship-borne in-situ data applied for the Bohai Sea，especially focusing on remote sensing reflectance（Rrs）.The match-ups show that the current VIIRS atmospheric corrections are systematically under the estimation over turbid waters.The APD of Rrs from VIIRS becomes larger when the band is away from NIR and the TSM rises.

VIIRS；MODIS；remote-sensing reflectance（Rrs）；Bohai Sea；validation

P715.7

A

1003-2029（2016）02-0027-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.005

2015-03-21

國家公益性科研專項資助項目-海洋環境要素水色遙感技術與應用示范（2010418030）

李軍（1985-），男，碩士，主要從事海洋水色遙感定標檢驗與現場觀測技術等方面的研究。Email：lj8697400@126.com

朱建華，男，主要從事海洋遙感定標檢驗。E-mail：besmile@263.net