基于自動化方法的光學載荷定標跟蹤

何靈莉 胡秀清 王玲 陳林 徐娜 張鵬

基于自動化方法的光學載荷定標跟蹤

何靈莉1,3胡秀清2,3*王玲2,3陳林2,3徐娜2,3張鵬2,3

（1 中國氣象科學研究院，中國氣象局，北京 100081）（2 中國遙感衛星輻射測量和定標重點開放實驗室，中國氣象局，北京 100081）（3 國家衛星氣象中心，中國氣象局，北京 100081）

為了實現對光學傳感器在軌性能的連續監測，文章使用敦煌場地的自動化觀測數據對“風云三號”衛星可見光紅外掃描輻射計（Visible and Infrared Radiometer，VIRR）近三年的數據進行了連續定標跟蹤，推算VIRR各通道的定標斜率，基于敦煌輻射校正場自動化觀測的定標相較于傳統現場試驗定標方法具有明顯提高定標頻次優勢。采用搭載于Aqua衛星的高精度的中分辨率成像光譜儀（Aqua Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，Aqua MODIS）觀測對自動觀測定標方法進行精度驗證，表明該方法在可見光近紅外（Visible and Near Infrared，VNIR）具有3%的定標精度，在短波紅外（Short Wave Infrared，SWIR）具有5%的定標精度。將該方法的結果與業務多場地方法的結果進行比較，在3年尺度上均值相對偏差整體低于2%。對VIRR的跟蹤結果表明：基于場地自動化觀測能夠實現長期定標監測，可將該方法推廣應用于其他衛星光學載荷以真正實現多載荷的場地自動化定標業務化。

可見光紅外掃描輻射計 太陽反射波段 自動化輻射定標 反射率基法 “風云三號”衛星 航天遙感

0 引言

對地遙感觀測衛星的傳感器發射進入預定軌道后，隨著時間的推移，復雜惡劣的太空環境和元器件老化會導致傳感器探測性能衰減。在沒有星上定標設備的情況下，最常用的替代定標方法就是采用地面穩定目標場對傳感器進行絕對輻射定標。搭載于我國“風云三號”系列極軌氣象衛星（FY-3）的可見光紅外掃描輻射計（VIRR）沒有配備可見光星上定標設備，它的太陽反射波段定標主要采用敦煌輻射定標場的場地替代定標方法[1]。該方法是早期“風云”衛星太陽波段的基線定標方法，一般每年夏季在敦煌進行場地定標試驗[2]，定標精度約5%~6%，同樣的方法計算的中分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）表觀反射率，偏差約3%左右[3]。但是這種一年一次的定標試驗滿足不了可見光紅外掃描輻射計（Visible and Infrared Radiometer，VIRR）輻射性能的在軌漂移連續性監測和評估。

基于提高定標頻次和降低定標成本的考慮，亞利桑那大學遙感組（Remote Sensing Group，RSG）在2004年提出了自動化的輻射定標試驗場（Radiometric Calibration Test Site，RadCaTS）概念，在沒有人員參與的情況下對定標場的地表反射率和大氣參數進行自動化觀測，從而實現對空載和星載傳感器進行輻射定標。RSG在內華達州的鐵路谷試驗場對RadCaTS進行了驗證，將計算得到的大氣層頂（Top of Atmosphere，TOA）光譜輻亮度與MODIS觀測進行比較偏差小于3.6%[4]。其后，RSG致力于不斷精細化和完善RadCaTS定標的各個環節[5-8]。使用傳統跑場方法和RadCaTS同時對業務陸地成像儀（Operational Land Imager，OLI）、“地球觀測1號”Hyperion和先進陸地成像儀（Advanced Land Imager，ALI）進行絕對輻射定標，輻射穩定性和精度評價，RadCaTS方法整體優于人工測量方法[9-10]。RSG和噴氣推進實驗室的研究均證實了自動化輻射定標方法對于星載傳感器太陽反射波段定標的可行性，這為后來自動化輻射定標技術的進一步應用和布局提供了經驗參考。經過十幾年的發展，世界上基于裝備自動化觀測儀器的輻射定標場網（Radiometric Calibration Network，RadCalNet）初步形成，該定標場網是對LANDNET定標場網概念的繼承和延伸，它在數據品質和場地管理上更加的系統和流程化，并為衛星運營方提供可溯源至國際單位SI的TOA光譜反射率，中國包頭定標場是其成員之一，敦煌場正在加入過程中。

我國場地自動化觀測定標始于2014年，李新等對國外自動化定標方法和技術的現狀進行分析，提出了我國自動化定標設備的設計方案和關鍵技術[11]；隨后，尹亞鵬等對場地自動化試驗場地輻射計（Automatic Test Radiometer，ATR）進行了設計，實驗室定標和基于敦煌場地的試驗，并初步驗證了輻射計的設計合理性[12]；李新等基于場地試驗結果驗證了ATR的觀測性能可靠，隨著對場地ATR的不斷驗證和改進，其性能不斷提升，成為了敦煌自動化輻射定標體系的核心設備[13]；邱剛剛、呂佳彥等均以MODIS的觀測為輻射基準，對基于敦煌場的自動化定標技術進行了精度驗證[14-15]。結果表明該項技術能夠在保證傳統定標方法精度的基礎上有效增加定標頻次和降低定標成本。由于單一ATR觀測對整個敦煌場地表反射率的表征有限，安徽光學精密儀器研究所于2018年4月又在敦煌場地布設了兩臺新的ATR，張孟等基于2018年5月~11月的新ATR自動化觀測數據實現了對可見光紅外成像儀（Visible Infrared Imaging Radiometer Suite，VIIRS）的高頻次在軌輻射定標試驗[16]，但目前為止尚沒有采用敦煌場長期自動化觀測對中國遙感衛星開展長時間連續定標和評估。本研究主要是基于敦煌場2016年9月以來近三年的數據開展FY-3C的VIRR開展長期自動定標試驗。

多場地定標方法基于具有不同亮度等級的地表穩定目標和輻射傳輸模式對衛星傳感器進行定標，孫凌等使用該方法對FY-3A中分辨率光譜成像儀（Medium Resolution Spectral Imager，MERSI）進行了定標跟蹤[17]；王玲等使用該方法對FY-3A、FY-3B、FY-3C VIRR進行了再定標[18]，均表明該方法具有高頻和高精度優勢。

本文基于2016年9月~2019年6月的敦煌場自動化觀測數據，使用自動化輻射定標方法對FY-3C VIRR進行了長時間序列輻射定標，并將所得的定標結果與多場地定標方法的結果進行比較。

1 場地與儀器介紹

1.1 敦煌場地及觀測儀器

敦煌場（東經94.27°，北緯40.18°）是中國輻射校正場地之一，坐落在中國甘肅省敦煌市中心西部35km處。整個場地約30km×30km，位于穩定的沖積扇中，地表沒有植被，主要由混合的砂礫和黏土等構成。在場地中心的10km×10km區域內（東經94.2°~東經94.3°，北緯40.05°~北緯40.15°），表征場地空間均勻性和時間穩定性的變異系數（標準差/平均值）分別小于2%和3%；可見光近紅外波段的地表反射率大約在15%~30%；場地地表具有非朗伯特性；場地大氣干潔氣溶膠含量較低，除沙塵季節外，550nm的平均光學厚度小于0.2。敦煌場的上述各項特性，使其成為較為理想的替代定標場地。2008年，敦煌場被地球觀測衛星委員會（CEOS）的定標驗證工作組（WGCV）選為了儀器參考場地[3]。

2016年9月，在敦煌定標場的試驗觀測基地樣地里布設了1臺自動化觀測的通道式輻射計 ATR00，其波段覆蓋了可見光近紅外波段的8個通道（405nm、450nm、555nm、610nm、700nm、808nm、980nm、1 540nm），光學頭部位于1.8m高的支架上，采用天底觀測方式獲取正下方直徑為30cm圓形區域內的上行輻射亮度，視場角為10°，每三分鐘采集一次數據。2018年4月在敦煌場中心布設了另外一臺儀器ATR01。

1.2 VIRR簡介

可見光紅外掃描輻射計VIRR，具有10個波段，其中7個太陽反射波段覆蓋了從0.4~1.65μm的波段范圍，3個熱發射通道覆蓋了3.5~12.5μm的波段范圍（如表1所示）。VIRR進行對地觀測時使用45°的掃描鏡，采用跨軌掃描方式，對地掃描角為±55.1°，星下點空間分辨率為1 100m，幅寬在跨軌方向為2 800km，較大的幅寬使其能夠在一天內對全球進行覆蓋。

2 場地均勻性驗證

ATR對直徑為30cm的圓形區域進行采樣，局部區域地表反射率對整個場地反射率的可表征性需要進行驗證。可以通過使用MODIS衛星觀測對場地空間均勻性進行評估，并對比相距較遠的ATR00和ATR01采集的地表反射率，雙管齊下地評價局部觀測對場地整體的可表征性。

對場地空間均勻性進行評價必須考慮尺度效應，在不同的尺度下評價均勻性會有不同的結果。為適應VIRR 1.1km的空間分辨率評價需求，使用1km空間分辨率的MODIS地表反射率產品MOD09對敦煌場的空間均勻性進行評價，評價使用空間變異系數（Coefficient of Variation，CV）作為指標，計算時的滑動窗口為10km×10km。在可見光近紅外波段，除了通道3（469nm）的空間變異系數在10%以上，通道4（555nm）在4%左右，其余通道的空間變異系數均小于3%（如圖1）。在進行輻射定標場的空間均勻性評價中，通常以空間變異系數小于3%認定場地的均勻性[19-20]。通道3表現出的不均勻性可能是大氣強散射作用造成的。

表1 VIRR通道特性

Tab.1 The VIRR channel characteristics

注：3、4、5通道的靈敏度單位含義為300K的環境下變化溫度。

圖1 0.858μm和1.640μm空間均勻性評價結果

選取2018年4月~2019年4月滿足定標要求的ATR00和ATR01觀測數據，計算ATR通道地表反射率并進行比較（圖2），通道1~3和通道8的百分偏差整體低于5%，年平均百分偏差在2%~3.8%之間；通道4~7整體高于5%，年均值在6%~8%。百分偏差與季節變化相關，敦煌場在8~10月份云量較少，大氣較為穩定，最為適合定標，因此偏差相對較小，定標結果較為穩定，波動性較小。

綜上，敦煌定標場空間均勻，且ATR00與ATR01觀測的地表反射率相對百分偏差在通道1~3和8小于5%，表明ATR00觀測的地表反射率能夠以小于5%的精度表征以ATR00為中心10km×10km區域的反射率。雖然通道4~7具有6%~8%的偏差，但可以減小這幾個通道在后續光譜平移中的權重以消除影響。

圖2 ATR00相對于ATR01地表反射率的長序列（2018年4月~2019年4月）百分偏差

3 自動化輻射定標方法

場地自動化觀測的輻射定標方法與傳統的場地地表試驗沒有本質差異，仍舊采用反射率基法，包括地表反射率計算，大氣參數獲取，輻射傳輸計算等關鍵環節，自動化輻射定標技術流程如圖3所示。其中MYD08_D3為MODIS的大氣參數日產品，TOA表示大氣層頂，BRDF（Bidirectional Reflection Distribution Function）為雙向反射分布函數，6S為Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum的簡寫。

圖3 自動化輻射定標處理流程圖

3.1 數據品質控制及篩選

數據品質控制主要包括以下三個方面：判斷衛星觀測是否被云、積雪等影響；輔助大氣參數是否滿足適用條件；自動化儀器觀測數據是否異常。要求VIRR衛星數據觀測天頂角小于30°，定位誤差小于1km，觀測點10像元×10像元窗口的變異系數小于3%，較大的變異系數表明可能有云、沙塵暴、積雪等影響空間均勻性。較高的氣溶膠含量會增加輻射傳輸計算的不確定性，若氣溶膠含量高于0.2便不適于定標。ATR是自動化輻射定標方法的核心儀器，其數據品質對定標精度有較大影響，其數據品質控制主要包括剔除負值、跳變等，如圖4所示（a）是ATR的原始計數值，可以發現具有非常明顯的數據跳變，（b）是進行品質控制后的數據，線型連續且平滑。基于數據品質控制后的ATR觀測數據進行可定標性判定，其思路是利用衛星過境前后1小時的ATR觀測數據波動性判斷大氣狀況穩定性。大氣質量是指光穿過大氣的路徑長度，大氣不穩定會破壞ATR觀測計數值的對數值與大氣質量之間的強線性關系，可以通過二者線性關系的強弱程度判斷當日是否適合定標。

圖4 數據品質控制過程

3.2 計算ATR通道等效地表反射率

對衛星過境前后10min的ATR觀測進行輻射校正獲得地表上行輻射亮度，利用6S大氣輻射傳輸模式計算總下行輻照度，模式運算所需要的氣溶膠、水汽和臭氧含量等大氣參數來自于Aqua MODIS的全球日平均產品MYD08_D3，地表反射率的計算可表達為式（1）

3.3 獲取高光譜地表反射率

由ATR通道地表反射率推導衛星觀測方向高光譜地表反射率，必須首先明確一個基本的前提：敦煌場地的地表特性具有時間穩定性，即隨著時間變化，地表反射率光譜只產生幅度的變化，而形狀不發生變化，這是基于通道儀器觀測推算高光譜反射率的一個假定條件[21]。基于該前提，可以通過平移先驗地表反射率光譜擬合ATR推算的通道地表反射率，獲得平移光譜。由于敦煌場地不是朗伯表面，反射率具有方向特性，需要利用BRDF將天底觀測的平移光譜校正到衛星觀測方向獲得衛星觀測方向光譜（見圖5）。這里使用的BRDF模型是中國氣象局國家衛星氣象中心基于2008年夏季的場地實測數據和Ross-Li驅動核構建的[3]。

圖5 ATR多通道地表反射率擬合推導衛星觀測方向地表反射率光譜

3.4 計算定標斜率

計算定標斜率需要將衛星觀測方向的地表光譜卷積為VIRR通道等效地表反射率，并輸入6S輻射傳輸模式，計算獲得VIRR通道等效TOA反射率TOA。定標斜率的計算如式（2）

求取定標系數涉及衛星和地面觀測的空間匹配。一般來講，定標精度同具體的定標點選取相關[22]，本文中采用ATR00觀測地表反射率正演的VIRR通道等效TOA反射率與以ATR01為中心10km×10km區域的VIRR衛星觀測進行匹配。中心像元的經緯度定位誤差要小于1km，窗口的變異系數需小于3%。

4 精度驗證

本研究使用自動化輻射定標方法在近三年的時間跨度上對VIRR進行定標跟蹤，該方法的不確定性可能來自于ATR儀器性能衰減、輻射傳輸模式計算、BRDF模型在敦煌場地的季節變化[23]等。為了驗證本研究方法的精度和不確定性，使用搭載于Aqua衛星的MODIS的1級產品對方法整體精度進行獨立驗證。基于該方法計算Aqua MODIS的表觀反射率相對于衛星觀測值的百分偏差。從表2可以發現在VNIR具有3%的定標精度，在SWIR具有5%的定標精度，標準差范圍從1.95%到3.67%。

表2 MODIS驗證結果

Tab.2 The MODIS validation results %

5 結果與討論

5.1 時間序列定標斜率

利用2016年9月~2019年6月的敦煌場自動化觀測數據對FY-3C VIRR太陽反射波段進行定標，通道10受水氣影響較大，此處不納入討論。自動化輻射定標的結果表現出不平穩性是因為定標鏈路中不確定性來源較多，如：自動化儀器觀測和大氣參數的準確性、地表滯留水等，長時序變化突顯了這種不確定性。雖然衛星傳感器的輻射性能會隨時間產生一定程度的衰減，但在短時間內卻可以假設它保持不變。基于上述假設以可定標天為中心對前后15天之內的結果進行平均，平滑后的定標斜率時序變化如圖6所示。在近3年的時間尺度上，FY-3C VIRR在敦煌場共有753次觀測，最終可定標100天。敦煌自動化輻射定標方法的頻次主要受天氣狀況制約，冬季受降雪影響，春季受高發沙塵暴影響，夏秋季節云少大氣穩定，因而具有較高的定標頻次。各通道定標斜率隨著時間變化趨勢一致，存在季節性波動，但變化趨勢整體平穩，顯示出FY-3C VIRR輻射響應性能的穩定，表明自動化輻射定標方法具有對VIRR傳感器進行長時間序列定標跟蹤的能力。

圖6 FY-3C VIRR的定標斜率時序變化圖

對于敦煌場，季節性的降雪、沙塵等會對地表均勻性產生影響，其BRDF也存在季節性變化[23]，季節性沙塵還會造成氣溶膠含量的季節性變化，當自動化輻射定標算法對這些因素控制不夠全面時，結果就呈現出一定的季節性。通道1和2相較于其他通道波動性更明顯，因為這兩個通道對云等更加敏感。本研究選取ATR00測量點的觀測與以ATR01為中心的10km×10km區域進行匹配，因為ATR00與場地有一定的距離，匹配時對空間均勻性有一定要求，理論上選取ATR01測量點更為合理，但對于跟蹤衛星傳感器的輻射性能來講，使用具有更長時間序列可用數據的ATR00更有意義，如能夠使用10km×10km區域內的多臺ATR觀測平均，想必能夠進一步提高定標精度與定標穩定性。前文在1km的空間分辨率下對10km×10km的區域進行空間均勻性驗證，結果表明敦煌場足夠均勻，能夠以局部觀測表征場地整體的平均反射率。由于尺度效應的存在，對于具有更高空間分辨率的衛星傳感器，不均勻性會增加，因此需要重新驗證場地均勻性。

5.2 與多場地定標方法的比較

多場地定標方法基于多個地球穩定目標對傳感器進行定標，該方法同樣是對反射率基法的應用，在假設傳感器定標系數在短時間內（如30天）不變的前提下，模擬全球多個場地的TOA反射率，并與衛星實際觀測TOA反射率進行線性回歸，得到目標傳感器的定標系數。它與本文方法都具有較高的定標頻次。

圖7是FY-3C VIRR自動化輻射定標方法與多場地定標方法的時間序列定標斜率對比結果。表3是自動化方法相對多場地方法的百分偏差統計結果。多場地定標方法使用不同定標場地30天內的TOA反射率來計算定標系數，而自動化輻射定標方法使用敦煌單場地單天的觀測數據，所以自動化方法的斜率沒有多場地定標斜率平滑，按天比較兩種方法的結果具有較大差異，但在整個時間尺度上的平均值卻具有較好的一致性。除通道8（0.505μm）和9（0.555μm）在5%左右，其余通道平均相對百分偏差在2%。

表3 FY-3C VIRR多場地與自動化定標方法比較的統計結果

Tab.3 Statistical results of the comparison between the multi-site and automated radiometric calibration methods of FY-3C VIRR %

6 結束語

本文采用基于反射率基法的場地自動化觀測輻射定標方法對FY-3C VIRR進行了2016年9月~2019年6月的連續定標跟蹤，結果顯示平均每7天能實現一次有效定標，有效定標主要集中在夏秋季節，部分通道的定標系數具有季節波動性。與傳統場地定標方法相比該方法極大地提高了定標頻次，節約了人力財力物力。使用Aqua MODIS觀測對本文所使用的方法進行了精度驗證，大部分通道精度在3%以內。將FY-3C VIRR的自動化定標結果與多場地定標結果相比較，相對百分偏差除8、9通道外，其余均在2%以下。以上結果表明：敦煌場自動化輻射定標方法具有在可靠精度下對衛星光學載荷探測性能進行長時間序列定標和跟蹤的能力，可以推廣應用于其它同類型衛星載荷。跟蹤結果顯示出一定的季節性，原因可能來自諸多方面，如：場地光學特性的季節變化、數據品質控制不夠嚴格等等，具體還需做進一步分析。

致 謝

感謝中國科學院安徽光學精密機械研究所張艷娜、韋瑋等提供的數據支持和幫助。

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Calibration Tracking of the Optical Payload Based on Automatic Methods

HE Lingli1,3HU Xiuqing2,3*WANG Ling2,3CHEN Lin2,3XU Na2,3ZHANG Peng2,3

（1 Chinese Academy of Meteorological Science, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China）（2 Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellite, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China）（3 National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China）

In order to achieve continuous performance monitoring for the optical sensor in orbit, this paper uses the automatic observation data of the Dunhuang site to continuously calibrate and track the data of the Fengyun-3 satellite Visible and Infrared Radiometer (VIRR) for three years and calculate the calibration slope for each channel of VIRR. The calibration based on the automatic observation has the advantage in significantly increasing the calibration frequency over the traditional calibration methods. The accuracy of the automatic calibration method is verified by the observation data of American high-precision Aqua Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), which shows that the method has a 3% calibration accuracy in the visible and near infrared (VNIR) and a 5% calibration accuracy in short wave infrared (SWIR). Comparing to the operational multi-site method, the relative deviation of mean value on the three-year scale is less than 2%. The tracking results of VIRR show that long-term calibration monitoring can be achieved based on automatic site observations. This method can be extended to other space optical payloads to truly realize the operation of automatic site calibration with multiple payloads.

Visible and Infrared Radiometer; reflective solar bands; automatic radiometric calibration; reflectance-based method; FY-3 satellite; space remote sensing

TP722.4

A

1009-8518(2020)06-0103-11

10.3969/j.issn.1009-8518.2020.06.010

2019-12-03

國家重點研發計劃（2018YFB0504900，2018YFB0504901）；國家自然科學基金（41871249，41471302）

何靈莉, 胡秀清, 王玲, 等. 基于自動化方法的光學載荷定標跟蹤[J]. 航天返回與遙感, 2020, 41(6): 103-113.

HE Lingli, HU Xiuqing, WANG Ling, et al. Calibration Tracking of the Optical Payload Based on Automatic Methods[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2020, 41(6): 103-113. (in Chinese)

何靈莉，女，1994年生，2020年獲中國氣象科學研究院大氣物理與大氣環境專業碩士學位，現在中國氣象科學研究院攻讀氣象博士學位。研究方向為海洋輻射傳輸理論。E-mail：hllsat@163.com。

（編輯：龐冰）