天繪一號衛(wèi)星相機的輻射交叉定標研究

竇乃英，叢 琳，黃令勇

（1.中國天繪衛(wèi)星中心，北京 102102）

天繪一號（TH-1）衛(wèi)星開展長期在軌業(yè)務(wù)運行，已為國民經(jīng)濟建設(shè)提供了準確的空間信息源。由于衛(wèi)星在軌運行期間外部環(huán)境將發(fā)生變化，所以必須對其進行絕對輻射定標。我國主要通過衛(wèi)星輻射定標場對遙感衛(wèi)星開展場地定標實驗，但運用場地法定標需要大量的地面實際測量數(shù)據(jù)，財力、物力、人力消耗較大，不能滿足TH-1衛(wèi)星業(yè)務(wù)化定標的需要[1]。

目前，國內(nèi)外積極開展交叉定標實驗，進行多傳感器、多時相衛(wèi)星數(shù)據(jù)的交叉定標，以滿足衛(wèi)星業(yè)務(wù)化定標需求。國內(nèi)外專家[2-4]均利用交叉定標方法對遙感衛(wèi)星進行絕對輻射定標。Landsat8是國際上業(yè)務(wù)穩(wěn)定運行、數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用的高精度遙感衛(wèi)星，絕對輻射定標精度為5%。利用Landsat8的觀測數(shù)據(jù)對TH-1衛(wèi)星相機進行交叉定標，建立穩(wěn)定可靠的TH-1衛(wèi)星與Landsat8之間的交叉定標模型，能得到可靠的定標系數(shù)，以滿足TH-1衛(wèi)星業(yè)務(wù)化定標需求。

1 交叉輻射定標原理

交叉定標法是以定標精度高的傳感器為參考標準，選擇相同或相近觀測的衛(wèi)星影像，建立參考傳感器入瞳輻亮度與目標傳感器之間的關(guān)系[5]。基于Landsat8的TH-1衛(wèi)星交叉定標方法主要分為3個步驟：①數(shù)據(jù)選取，選擇時間、空間和觀測幾何接近的數(shù)據(jù)；②分析Landsat 8傳感器和TH-1傳感器的光譜差異，確定TH-1傳感器的入瞳輻亮度值；③定標計算，將經(jīng)過挑選和修正的樣本數(shù)據(jù)建立關(guān)系，獲取定標系數(shù)。利用Landsat8標定TH-1衛(wèi)星的流程如圖1所示。

圖1 TH-1衛(wèi)星和Landsat8交叉定標流程圖

利用Landsat8的OLI 相機對TH-1衛(wèi)星交叉定標，TH-1衛(wèi)星的相機輻射特性采用線性設(shè)計，即具有式（1）的關(guān)系，則可通過計算TH-1衛(wèi)星相機波段i的表觀輻亮度和對應(yīng)波段的灰度值DN，得到相機波段i的絕對輻射定標系數(shù)G和b，從而完成相機的絕對輻射定標。

式中，G為定標增益；b為定標截距，單位為W.m-2.s-1.um-1；DNi為TH-1衛(wèi)星相機波段i的灰度值。

由于Landsat8的OLI相機與TH-1衛(wèi)星相機的光譜響應(yīng)函數(shù)存在差異，因此需建立兩個相機光譜輻亮度之間的關(guān)系。考慮到兩個相機對大氣條件、地物響應(yīng)的差異和不同觀測角度等因素，得到兩個相機入瞳輻亮度的關(guān)系。TH-1衛(wèi)星多光譜相機表觀輻亮度的絕對輻射定標公式為：

TH-1衛(wèi)星多光譜相機表觀反射率的絕對輻射定標公式為：

表觀反射率與表觀輻亮度的關(guān)系為：

即

由式（2）、式（5）可得：

Landsat8表觀反射率的絕對輻射定標關(guān)系為：

式中，為光譜匹配因子，本文利用6S輻射傳輸模型計算得到；= ρ cosθ 、= ρ c osθ 分 TH i TH Li L別為TH-1衛(wèi)星和Landsat8多光譜相機過頂時通道i的表觀反射率；θTH、θL分別為TH-1衛(wèi)星和Landsat8相機過頂時的太陽天頂角；ECi為第i通道的日地平均距離處太陽輻照度；d2為太陽輻照度的日地距離修正因子；CLi和PLi為Landsat8的表觀反射率定標系數(shù)，可在Landsat8數(shù)據(jù)頭文件中獲取；DNLi、DNTHi分別為Landsat8和TH-1衛(wèi)星對應(yīng)波段處的灰度值；GTHi、bTHi分別為TH-1衛(wèi)星絕對輻射定標的增益和偏置。

2 定標實驗與結(jié)果

2.1 定標靶區(qū)的選擇

在提取影像中定標點數(shù)字計數(shù)值的過程中，像元定位會存在一定偏差，因此交叉輻射定標的定標靶區(qū)一般選用大部分均勻場地，地勢平坦，地物變化和BRDF的影響較小，具有較高的穩(wěn)定性和均勻性[6]。本文選用的定標靶區(qū)為云南均勻場，場點屬于高原山地氣候兼亞熱帶季風(fēng)氣候，屬海洋型氣溶膠模式，地物的光譜特性如圖2所示。云南均勻場不僅能滿足交叉定標對場地光譜特性等方面的要求，而且每年國內(nèi)相關(guān)部門在該地均有實地同步數(shù)據(jù)測量，因此可以有大量歷史數(shù)據(jù)進行參考和使用。

圖2 交叉定標靶區(qū)光譜反射率

2.2 匹配數(shù)據(jù)的獲取

TH-1衛(wèi)星和Landsat8均為太陽同步軌道，綜合考慮地面場地條件和衛(wèi)星觀測幾何等因素，以TH-1衛(wèi)星的實際過場時間為標準，在USGS官網(wǎng)上下載最相鄰時間的Landsat8過場影像；并下載同時間的MODIS氣溶膠和反射率產(chǎn)品。目前，MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)過多次對比和驗證，確保了其數(shù)據(jù)的準確性和適用性，因此本文以它提供的氣溶膠和反射率數(shù)據(jù)作為已知可信數(shù)據(jù)使用[7]。TH-1衛(wèi)星與Landsat8的過境時間與觀測幾何如表1所示。

表1 TH-1衛(wèi)星與Landsat8的過境時間與觀測幾何

2.3 光譜匹配因子的計算

光譜匹配因子計算是交叉定標的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。TH-1衛(wèi)星與Landsat8相匹配的4個多光譜波段的光譜范圍如表2所示。

表2 Landsat8與TH-1衛(wèi)星相應(yīng)的光譜范圍

為了比較不同相機光譜響應(yīng)對表觀輻亮度的影響，利用6S輻射傳輸模型計算對應(yīng)各通道的表觀反射率，其中定標點的海拔確定為2.476 km，地表反射率和550 nm處的氣溶膠光學(xué)厚度采用定標場的實時MODIS數(shù)據(jù)。

交叉定標包括單點法交叉定標、雙點法交叉定標和多點法交叉定標3種方法，若傳感器各通道的偏移量為零，則只需一個點即可計算傳感器某通道的輻亮度定標系數(shù)增益；若傳感器各通道的偏移量不為零，那么至少需要兩個點才能計算輻亮度定標系數(shù)增益。由于TH-1衛(wèi)星交叉定標系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，自動化程度極低，為了使結(jié)果更具科學(xué)性和普適性，兼顧工作量能夠負擔(dān)的情況下，本文在云南均勻場選取了10對廣泛離散分布的同名點，光譜匹配因子計算結(jié)果如表3所示。

通過光譜匹配因子的計算，即可實現(xiàn)利用歸一化的表觀反射率代替表觀輻亮度來進行交叉定標，從而消除了TH-1衛(wèi)星和Landsat8兩個傳感器不同成像時間對太陽天頂角余弦值的影響以及不同的光譜響應(yīng)帶來的表觀輻亮度差異[2]。

表3 TH-1衛(wèi)星與Landsat8相應(yīng)通道光譜匹配因子值

2.4 定標系數(shù)的計算

根據(jù)影像成像日期計算得到日地平均距離修正因子為0.966 8；日地平均距離處TH-1衛(wèi)星CCD各通道等效太陽輻照度ECi的計算結(jié)果分別為1 913.75、1 840.08、1 671.59和1 412.09，具體計算過程在此不贅述。本文在定標區(qū)域采集10個樣本點數(shù)據(jù)，根據(jù)計算公式，最終得到TH-1衛(wèi)星的等效入瞳輻亮度以及對應(yīng)的DN值如表4所示。

表4 10個采樣點各通道的入瞳輻亮度以及對應(yīng)的DN值

根據(jù)入瞳輻亮度以及與對應(yīng)傳感器計數(shù)值之間的線性關(guān)系，利用線性回歸分析，得到絕對定標系數(shù)結(jié)果如表5所示。

表5 各波段定標系數(shù)結(jié)果

2015年9月13日國內(nèi)相關(guān)部門基于固定輻射靶標對TH-1衛(wèi)星的多光譜載荷進行了在軌絕對輻射定標，定標結(jié)果如表6所示。

表6 TH-1衛(wèi)星場地定標結(jié)果

由表5、6可知，交叉定標結(jié)果和野外實驗檢測得到的在軌絕對輻射定標系數(shù)K和B都相差不大，增益的相對誤差分別為5.5%、7.1%、7%和4.2%。筆者認為出現(xiàn)誤差可能的原因包括：①采樣點數(shù)非最優(yōu)；②Landsat8標準傳感器自身定標系數(shù)誤差；③像元匹配誤差；④光譜匹配因子計算誤差，其中替代模型使得參數(shù)與真實值之間存在偏差；⑤MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品誤差；⑥傳感器之間存在差異，如獲取時間、拍攝角度等。因此，本文在進行影像對選擇時盡量保證成像時間和觀測幾何一致，但由于不同系列衛(wèi)星其相應(yīng)條件不可能完全一致，因此其相關(guān)性上必然存在一定誤差。

3 結(jié) 語

基于定標靶標場的均勻場地交叉定標，綜合考慮了光譜響應(yīng)差異、觀測時間等因素，獲得的交叉定標系數(shù)精度可靠；因此可認為以定標精度較高的標準傳感器為標準，利用線性回歸方法獲取的相機交叉定標精度與TH-1衛(wèi)星在軌場地定標精度有很好的一致性，達到了業(yè)務(wù)化運行的定標精度要求。今后的研究中，將在不確定度的分析、定標點數(shù)最優(yōu)選擇上下功夫，以期進一步提高交叉定標的普適性。