利用MODIS數據對FY4A AGRI傳感器藍光通道交叉輻射定標

王詩圣，向嘉敏，祝善友，陳博洋

(1.南京信息工程大學 遙感與測繪工程學院，南京 210044；2.國家衛星氣象中心，北京 100081)

0 引言

遙感傳感器的準確性對于遙感數據應用起著決定性的作用，而衛星傳感器發射使用后，由于受到各種因素的影響，傳感器的輻射性能會隨之發生改變，從而導致發射前進行的實驗室測量的輻射定標系數精度降低。為了保證遙感數據的準確性，應經常性的對星載傳感器進行輻射定標。通常，衛星管理機構要對其衛星傳感器進行定時或不定時的在軌定標場地定標實驗，對定標系數進行更新并及時發布。雖然場地定標精度高，但其需要消耗大量的人力物力，而且所需要的測量數據也很多，所以并不能經常性的進行場地定標。比如，Landsat和SPOT每年一般進行2次場地定標[1-2]，衛星輻射特性的變化并不能僅依靠場地定標反映。

交叉輻射定標是一種無場地在軌定標技術[3]，即通過對同一目標的同步觀測，用標定精度高的在軌衛星傳感器來標定待標定的衛星傳感器。相較于場地定標，它不需要消耗大量的人力物力、減少了定標時間，可以較為有效地滿足定標參數的更新需要。

近年來，隨著傳感器定標技術的發展，國內外研究學者逐漸開始使用交叉定標技術對各種遙感傳感器進行輻射定標。O’Brien等[4]使用ERS2 ATSR2對NOAA AVHRR進行了交叉定標。Cabot等[5]在非洲沙漠地區使用PAROSOL POLDER對NOAA14 AVHRR以及SPOT-4 VGT進行了交叉定標。而國內有關交叉輻射定標應用也取得了系列進展。徐娜等[6]利用高精度的Terra MODIS觀測資料對FY2E紅外窗區和水汽吸收通道進行絕對交叉定標。徐磊等[7]利用Terra MODIS數據為參考，分別使用光線匹配法(light matching，RM)和輻射傳輸模型方法(radiative transfer model，RTM)對HJ1B CCD1數據進行交叉輻射定標。

風云四號是中國研制的第二代地球靜止軌道定量遙感氣象衛星，FY4A作為新一代靜止軌道定量遙感氣象衛星其功能和性能相較之前實現了跨越式發展。采用交叉輻射定標方法，對新型衛星傳感器進行定標系數校驗與更新，對于傳感器高精度定量應用具有重要意義。

本文采用MODIS傳感器對FY4A衛星AGRI傳感器進行交叉輻射定標。MODIS具有完善的星上定標系統，星上定標系數的不確定度在2%左右[8]，并且重訪周期短，經常被用作交叉定標中的參考傳感器。

1 研究數據與研究區

1.1 研究數據

風云四號靜止氣象衛星的主要載荷是FY4A AGRI,即多通道掃描成像輻射計，可實現分鐘級的區域快速掃描，是通過精密的雙掃描鏡機構實現精確和靈活的二維指向。多通道掃描成像輻射計主要承擔獲取云圖的任務，還擁有了捕捉雪、氣溶膠的能力，而且能清晰區分云的不同相態和高、中層水汽。

FY4A AGRI藍光波段與MODIS第3波段通道范圍較為一致，光譜響應曲線較類似(圖1)。AGRI藍光波段范圍為450～490 nm，中心波長為470 nm，MODIS第3波段范圍為459～479 nm之間，中心波長為469 nm。

圖1 MODIS第3波段和FY4A AGRI傳感器藍光波段光譜響應曲線

研究中使用了MODIS和FY4A AGRI藍光波段數據，以及對應研究區成像時刻的太陽天頂角、衛星相對方位角、衛星天頂角數據。

1.2 研究區

本文選取敦煌輻射校正場區域作為交叉輻射定標系數計算區域，檢驗驗證區域選擇敦煌和澳大利亞弗羅姆干鹽湖2個區域。

對2個不同位置的實驗區進行數據選取和分析。

1)敦煌輻射校正場區域[9]：選擇該區域開展交叉輻射定標系數計算研究，并用于系數精度分析。敦煌輻射校正場具有大氣較為潔凈、大氣的波動小、不易受到環境的影響、范圍廣且地表均勻等特點，比較適合對中、高分辨率的遙感衛星傳感器進行輻射定標。實驗區范圍為92°12′56″E～95°30′00″E，39°53′00″N～41°35′07″N。

2)澳大利亞弗羅姆干鹽湖區域：該區域被用于定標系數檢驗。弗羅姆湖是干鹽湖床，地表反射率高，場地高度接近海平面，地面平坦。檢驗區范圍確定為干湖床中心位置(139°12′00″E～141°30′00″E，-31°30′00″N～-30°35′00″N)，定標場地周圍區域是較松軟的泥土和薄鹽，場區地表被多年雨水蒸發后留下的結晶鹽所覆蓋[10]。

選取2018年4月27日4時00分的敦煌區域數據用于交叉定標系數計算，其他日期數據用于結果精度評價。選取時間如表1所示。

表1 在不同區域不同時間的MODIS數據和FY4A AGRI數據

圖2為2018年4月27日4時00分敦煌區域MODIS和AGRI圖像以及2018年7月13日01時00分、2018年7月13日01時05分澳大利亞弗羅姆干鹽湖的AGRI和MODIS圖像。

圖2 敦煌與澳大利亞弗羅姆干鹽湖定標校正場

2 研究方法

2.1 交叉輻射定標原理

交叉定標是當需要定標的衛星傳感器與定標精度較好的衛星傳感器對同一區域的目標地物進行觀測，對比二者之間所測量的值實現對所需定標衛星傳感器的標定[11]。當2個遙感器觀測地面上同一塊區域，考慮觀測幾何、大氣條件、傳感器光譜響應等差異，根據參考衛星傳感器表觀反射率或入瞳輻亮度推算待定標衛星傳感器的表觀反射率或入瞳輻亮度，并結合待定標衛星圖像的灰度值即可得到待定標傳感器的定標系數。

目前較常使用的交叉輻射定標方法為輻射傳輸模型法和光線匹配法。輻射傳輸模型法主要考慮不同的衛星傳感器對應的光譜響應差異，通過對光譜差異影響因素的校正，獲得比較精確的定標系數。但輻射傳輸模型法需要較多而且不易獲得的實測數據及大氣參數。光線匹配法的優點是定標流程相較輻射傳輸模型法易于操作、簡單明了，當所需條件滿足時進行交叉輻射定標，精度也較為可靠。但與輻射傳輸模型法相比其關鍵需要成像時間、觀測角度相同的2幅圖像。在實際應用中，很難獲取滿足觀測幾何非常相近、大氣條件相同的數據，且2個遙感器之間的光譜波段也存在一定差異，若差異過大會產生無法接受的誤差[11]。因此，本文主要利用基于輻射傳輸模型法的思路進行交叉輻射定標。

2.2 交叉輻射定標過程

采用MODIS藍光波段對FY4A AGRI進行交叉輻射定標時，需要充分考慮成像時刻太陽天頂角、衛星天頂角、衛星相對方位角等角度的影響，以及2個通道之間光譜響應的差異。此外，交叉定標過程中需要將MODIS和AGRI數據進行準確配準。交叉輻射定標流程如圖3所示，主要數據處理過程說明如下。

圖3 MODIS對FY4A AGRI交叉輻射定標流程圖

1)表觀反射率的6S模型模擬。6S模型模擬是構建轉換模型的關鍵與基礎。利用IDL直接調用Fortran語言的6S源程序，并行生成查找表，分別模擬各個角度因素下的MODIS和AGRI藍光通道表觀反射率。

6S模型模擬的主要參數設置如下：地表反射率為裸土、植被、水泥表面等10種地物的ASD便攜式光譜儀測量結果；氣溶膠模式設置大陸性氣溶膠模式；根據研究數據的成像時刻設定大氣模式為中緯度夏季模式；氣溶膠光學厚度設置為0至1.5間隔0.3，太陽天頂角、衛星天頂角設置為0°至60°間隔10°，相對方位角設置為0°至180°間隔30°。共模擬了12 960 種不同情況下對應的MODIS和AGRI藍光通道表觀反射率。

2)衛星天頂角校正。因衛星天頂角的變化，越靠近掃描線的邊緣，探測路徑越長，大氣衰減越嚴重，在圖像上顯得越暗；而且同一像元點在不同時向、不同軌道、不同衛星圖像上的衛星天頂角都有較大變化。考慮這2個方面的影響，需要將不同衛星天頂角的觀測數據進行校正。研究中使用經驗公式對成像時刻的衛星天頂角差異進行校正[12]。針對每個像元位置，采用兩步法進行衛星天頂角差異校正，首先將MODIS衛星天頂角θ觀測的表觀反射率轉換為0度天頂角(即垂直探測)對應的觀測值，然后將其轉換為AGRI成像時刻衛星天頂角θ1角度下的表觀反射率。校正模型如式(1)所示。

(1)

式中：θ為MODIS成像時刻圖像的衛星天頂角；θ1是需轉化為FY4A AGRI成像時刻對應的衛星天頂角；α為MODIS成像時刻每個像元位置的衛星相對方位角。

利用不同衛星天頂角情況下對應的MODIS和AGRI藍光通道表觀反射率6S模擬結果，求解得4個系數，a1=0.023 187、a2=-0.497 96、b1=0.011 399、b2=0.116 27，式(1)決定系數為R2=0.95。

3)相對方位角校正。利用回歸分析方法建立相對方位角校正公式。首先將MODIS相對方位角對應的數據轉化為0°相對方位角對應的數據式(2)；然后再將其轉化為FY衛星相對方位角所對應的表觀反射率式(3)。

MODIS(θ1，0)=0.000 122×α+1.034 81×
MODIS(θ1，α)-0.005

(2)

MODIS(θ1，α1)=-0.000 12×α1+0.915 215×
MODIS(θ1，0)+0.013 947

(3)

式中：MODIS(θ1，α)為經上文得到的AGRI成像時刻衛星天頂角對應的MODIS表觀反射率；MODIS(θ1，0)為0°相對方位角對應的表觀反射率；α1為FY AGRI成像時刻的相對方位角角度；MODIS(θ1，α1)為FY4A AGRI相對方位角所對應的表觀反射率。

利用不同相對方位角情況下對應的MODIS和AGRI藍光通道表觀反射率6S模擬結果，分別對式(2)、式(3)進行擬合得到回歸系數，方程的決定系數分別為0.947 1、0.947 5。

4)光譜響應差異校正。通過6S模型模擬在相同觀測幾何下，AGRI表觀反射率與MODIS表觀反射率的關系，建立回歸分析得到系數，將經衛星天頂角、相對方位角角度差異校正后的表觀反射率通過式(4)進行光譜響應差異校正。

FY(θ1，α1)=1.002 8×MODIS(θ1，α1)+0.001 9

(4)

式中：決定系數為0.996 8；MODIS(θ1，α1)為經衛星天頂角、相對方位角校正后的表觀反射率；FY(θ1，α1)為衛星天頂角θ1、相對方位角α1觀測角度下的理論模擬的FY4A AGRI表觀反射率。

5)交叉輻射定標系數計算與精度評價。通過得到理論模擬的FY4A AGRI藍光波段的表觀反射率與進行定標點配準后的AGRI藍光波段的DN值，利用二者之間的關系，建立線性模型，求得經交叉輻射定標后的定標系數，即增益和偏移量。

以相對誤差作為精度評價指標，計算如式(5)所示。

(5)

式中：FY是通過輻射定標得到的表觀反射率；FY′是MODIS表觀反射率經角度和光譜響應差異校正后得到的參考表觀反射率數據。

3 結果與分析

3.1 定標系數計算

MODIS表觀反射率經角度差異校正、光譜響應差異校正后，得到理論上的FY4A衛星AGRI藍光波段表觀反射率，將其與同一位置的AGRI藍光波段原始DN值進行線性相關分析，二者之間的散點圖及線性回歸結果如圖4所示。

圖4 AGRI藍光通道表觀反射率與DN值散點圖

根據圖4，AGRI藍光通道表觀反射率與DN值之間存在著高度線性相關關系，擬合度為0.87，線性公式為y=0.000 28x+0.031 6，通過交叉輻射定標得到的增益和偏移分別是0.000 28、0.031 6。如圖4所示，大部分散點分布較為集中，但也有部分散點偏離趨勢線較遠，需定量分析擬合公式的誤差影響，開展交叉輻射定標系數的應用精度分析，檢驗交叉輻射定標后系數的合理性。

3.2 交叉輻射定標系數精度評價與分析

利用敦煌區域與澳大利亞弗羅姆干鹽湖區域進行定標系數的驗證。精度驗證過程如下：首先將MODIS數據經過角度因素校正和光譜響應差異校正后轉換為FY4A AGRI應觀測的數據，并將其作為表觀反射率真實值標準；然后比較交叉輻射定標系數和原始定標系數用于輻射定標的精度差異，判斷修正后系數的合理性。

1)交叉輻射定標影響因素分析。影響衛星傳感器交叉輻射定標精度的因素有很多，包括2個傳感器的光譜響應函數差異和波段的設置、參考傳感器的輻射定標精度、大氣輻射傳輸模擬的誤差、不同傳感器過境時間差、地物目標的穩定性和BRDF特性、觀測幾何、大氣的穩定性與遙感器的偏振不確定性等[13]。對于圖像匹配誤差可以選擇大面積區域作為均勻地物的圖像并通過圖像幾何校正來降低或消除，而對于地面所產生的不均勻性和大氣不穩定性導致的誤差，通過嚴格選擇交叉定標條件(選擇過境時間間隔短的、朗伯性好的地表，同為垂直觀測等)的圖像來降低[14]。研究中選擇的敦煌區域與弗羅姆干鹽湖區域都是常用的輻射定標場，能夠滿足交叉定標的條件以及場地環境要求。因此，研究中只對不同角度因素產生的誤差與光譜響應誤差進行了對比分析，選取2018年4月27日4時00分敦煌區域MODIS和AGRI數據以及2018年7月13日01時00分、2018年7月13日01時05分澳大利亞弗羅姆干鹽湖的AGRI和MODIS數據驗證分析，判斷影響交叉輻射定標的最主要因素，結果如表2所示。

表2 考慮不同影響因素的交叉輻射定標系數與官方定標系數相對誤差對比

根據表2，當只考慮衛星天頂角時，交叉輻射定標精度在2個區域分別提高了0.34%，0.3%，其誤差減少比例(誤差減少大小占原始定標系數的誤差百分比)為4.9%，4.4%；只考慮相對方位角時，交叉輻射定標精度分別提高0.17%，0.18%，其誤差減少比例分別為2.2%，2.6%；只考慮傳感器光譜響應差異時，交叉輻射定標精度在兩區域分別提高了0.35%，0.41%，其誤差減少比例為5.3%，6.0%。以上分析表明，這3類因素都對定標精度產生了重要影響，通過誤差減少比例判斷，光譜響應差異的影響最為重要，誤差減少比例和其精度提高最為明顯。

由表2綜合角度和光譜差異因素的誤差分析結果可以看出，同時考慮3種因素后，交叉輻射定標系數誤差在2個檢驗區域內較原始定標系數分別下降了0.71%，0.44%，而且比單獨考慮一種因素時的誤差都要小。參考鐘曉雯等[15]在GF-4可見光及近紅外譜段的輻射定標的研究，交叉輻射定標系數的相對誤差在可接受范圍內。

2)交叉輻射定標系數精度評價分析。利用敦煌區域和澳大利亞弗羅姆干鹽湖同一位置4個季節AGRI圖像數據和MODIS圖像數據進行原始定標和交叉輻射定標的驗證分析，比較修正前后的誤差變化，結果如表3、表4所示。

表3 敦煌區域不同時向交叉輻射定標系數與官方定標系數相對誤差對比

表4 弗羅姆干鹽湖區域不同時向交叉輻射定標系數與官方定標系數相對誤差對比

根據表3，當敦煌區域同一位置不同時，向進行定標系數修正前后的驗證分析，交叉輻射定標后的誤差與原始定標的誤差隨著使用時間的不斷增加，誤差也呈現向上遞增的趨勢。原始定標系數的誤差變化分別是為0.15%、0.12%、0.17%，交叉輻射定標系數的誤差變化分別為0.11%、0.07%、0.12%。由表4可看出，當澳大利亞弗羅姆干鹽湖區域同一位置不同時向進行定標系數修正前后的驗證分析時，其上升趨勢與敦煌區域的相類似，相對誤差呈現向上遞增的狀態。原始定標系數的誤差變化分別是為0.31%、0.29%、0.35%，交叉輻射定標系數的誤差變化分別為0.26%、0.22%、0.35%，且交叉輻射定標系數誤差變化因為同時考慮了角度因素和光譜響應差異因素，所以與原始定標系數的誤差變化相比都要小。

通過對固定目標的響應判斷即FY4A AGRI藍光通道在固定區域內DN值的變化大小，判斷傳感器硬件的影響(圖5)。

圖5 敦煌區域和弗羅姆干鹽湖區域平均DN值變化圖

由圖5可見，2個區域在不同季節隨使用時間增多，平均DN值呈下降趨勢，敦煌區域平均DN值(圖5(a))分別減少33、31、69；澳大利亞弗羅姆干鹽湖區域平均DN值(圖5(b))分別減少49、42、68。由此可見，DN值隨著時間的使用其是在不斷減少的，也驗證了藍光通道的衰減與傳感器硬件部分老化等因素有關。根據表3、表4、圖5可知，藍光通道的衰減影響了定標前后的誤差精確程度，且衰減程度與傳感器硬件有關。

進一步地，針對研究區域，以2018年4月27日敦煌數據和2018年7月13日澳大利亞弗羅姆干鹽湖區域為例，MODIS表觀反射率經角度和光譜響應差異校正后的數據為參考，得到原始定標系數和交叉輻射定標系數用于輻射定標的誤差分布直方圖(圖6)。

由圖6(a)、圖6(b)可以看出，敦煌區域輻射定標的相對誤差分布直方圖類似正態分布形狀，交叉輻射定標(圖6(a))相對誤差的平均值是5.80%，而且相對誤差分布直方圖峰值在6%處，而原始定標系數的相對誤差(圖6(b))相對誤差的平均值是6.51%，直方圖的峰值位于6.5%～7.5%之間，交叉輻射定標系數的相對誤差更小。澳大利亞弗羅姆干鹽湖區域(圖6(c)、圖6(d))交叉輻射定標系數(圖6(c))的相對誤差平均值是4.84%，直方圖峰值位于1.0%～2.5%之間；原始定標系數(圖6(d))的相對誤差平均值是5.28%，且直方圖峰值位于2%～3%之間。

綜合上述表2、表3、表4和圖6的分析結果，交叉輻射定標系數進行輻射定標后的精度優于原始定標系數，可為后續藍光通道更高精度的定量應用提供支持。

圖6 敦煌區域和弗羅姆干鹽湖區域誤差分布直方圖

4 結束語

本文利用具有高輻射精度的MODIS作為交叉定標的參考傳感器，對FY4A AGRI的可見光藍光波段進行交叉輻射定標。為了得到較為準確的AGRI藍光表觀反射率，著重考慮角度因素和光譜差異的影響，最終獲取AGRI藍光波段的定標系數。

通過本文研究，得到以下結論：①在敦煌與弗羅姆干鹽湖定標場檢驗區內，交叉輻射定標系數的相對誤差分別為5.80%和4.84%，且均小于原始定標系數的相對誤差6.51%，5.28%。②單一因素對交叉輻射定標的影響分析表明，成像時刻角度因素和不同傳感器光譜響應差異因素都對誤差精度有所影響，其中光譜響應差異是最重要的影響因素。③由于AGRI傳感器的長時間使用，藍光通道也在不斷衰減，其修正前后誤差的精確程度隨著藍光通道的衰減而受到相應影響。