基于MODIS的HJ-1B熱紅外交叉輻射定標與時間序列建立*

周方婷，馮 多，劉 鑫，謝 勇

（南京信息工程大學 地理科學學院，江蘇 南京210044）

HJ-1B是用于環境與災害監測預報小衛星星座的一顆衛星，于2008年9月6日成功發射，搭載了一臺30m分辨率的CCD相機和150/300m分辨率的紅外相機（IRS）[1]，其獲得的影像數據主要應用在生態環境監測、減災救災、地表溫度探測等領域[2]。

隨著遙感與大數據處理技術的快速提升，定量遙感應用常需要用到歷史數據去構建長時間跨度的數據序列。但是中國衛星的設計與實際運行壽命一般都在5~8年，很難構建單星長時間序列數據開展定量分析，因此必須使用已退役衛星的歷史數據[3]。

本文針對HJ-1B衛星熱紅外譜段，選擇國際上具有高輻射基準的中分辨率成像光譜儀MODIS作為參考傳感器[4-5]，采用光線匹配法的單波段法開展交叉輻射定標研究[6]，并在光線匹配法基礎上結合光譜間的差異性提出雙波段法，同時將兩種方法的定標結果進行分別分析，建立時間序列，為今后開展相關衛星的歷史數據研究提供參考。

1 交叉輻射定標方法

交叉輻射定標是選擇輻射精度較高的傳感器對輻射精度相對較低的傳感器進行定標，在不同傳感器的輸出之間通過光譜匹配和空間匹配建立關系，從而計算定標系數[7]。本文選擇MODIS作為參考衛星，采用基于光線匹配法的單波段法，經過比較與分析參考傳感器與待定標衛星HJ-1B對同一個目標區在同一時間的輻亮度，計算出待定標衛星的定標系數[8]。同時，在此基礎上結合光譜之間的差異性而提出了雙波段法，對兩種方法的定標結果分別進行了分析。

1.1 單波段法

選擇MODIS中與HJ-1B熱紅外譜段中心波長最接近的波段作為參考波段，實現與HJ-1B熱紅外譜段的光譜匹配。在進行交叉定標時，MODIS的表觀輻射亮度由公式（1）計算所得：

其中，L是第i波段的表觀輻射亮度；m是第i波段的增益系數；n是第i波段的偏移量；DN是第i波段的數字計數值。再根據HJ-1B的數字計數值（DN）來進行線性擬合，獲得兩組不同的擬合系數，擬合方程為公式（2）：

其中，aj是第j波段的增益系數；bj是第j波段的偏移量；DN是HJ-1B的紅外波段的數字計數值。

1.2 雙波段法

將MODIS傳感器中與HJ-1B熱紅外譜段中心波長最接近的兩個波段作為參考波段，計算光譜匹配因子，實現多波段組合與HJ-1B熱紅外單譜段的光譜匹配。

在進行雙波段交叉定標時，用于定標的表觀輻射亮度由公式（3）計算所得。其中，L是兩個波段的加權表觀輻射亮度；C1和C2是組合波段對應的權重因子，MODIS單個波段與HJ-1B的紅外波段中心波長差的絕對值根據公式（4）、（5）分別計算得出。

2 數據處理與分析

2.1 參考衛星和研究區域的選擇

本文選取定標精度高的MODIS作為參考衛星。MODIS衛星共包含36個光譜波段，范圍廣，幅寬大，常用作參考衛星對其他衛星進行交叉輻射定標[9]。

青海湖是我國最大的內陸高原微咸水湖。已被廣泛應用于國內外遙感衛星熱紅外波段的在軌絕對輻射定標，也可開展可見光和近紅外波段的低反射率輻射定標試驗[10]。所以本文選用青海湖作為輻射定標校正場所，如圖1所示。

圖1 青海湖輻射校正場

2.2 數據的選取

在HJ-1B與MODIS數據選取時，要滿足以下的篩選條件：（1）HJ-1B與MODIS的定標實驗區域相同；（2）衛星過境時，要求時間間隔小于1小時且輻射校正場上方無云。本文選擇的數據時間為2008年冬季。如表1所示，數據符合定標要求。

表1 HJ-1B與MODIS數據（2008/11/12）

2.3 光譜匹配

由于HJ-1B和MODIS熱紅外通道中心波長不一致，本文將兩者進行光譜匹配。根據HJ-1B熱紅外通道的光譜范圍，選擇與之范圍接近的MODIS譜段31、32進行交叉定標研究。HJ-1B熱紅外譜段和MODIS相對應的第31、32波段熱紅外譜段的光譜范圍在表2中列出。圖2所示的是HJ-1B的IRS第4波段和MODIS的第31、32波段的光譜響應曲線圖[11]。

表2 HJ-1B熱紅外通道與MODIS譜段31&32的光譜范圍

圖2 光譜響應函數

通過半波寬法計算賦予MODIS通道31、32的權重分別為0.52595、0.47405，利用雙波段法，使用MODIS第31、32通道的合成輻亮度對HJ-1B熱紅外通道進行定標。

2.4 衛星影像對預處理

將獲取的青海湖輻射校正場HJ-1B和MODIS遙感影像分別進行預處理。HJ-1B/IRS與MODIS初始空間分辨率分別為300m和1000m，本文需要將空間分辨率進行統一，使用三次內插法把HJ-1B空間尺度降到1000m[12]。為了降低影像空間分辨率不同而造成的誤差，本文采用SIFT算法，將空間匹配誤差控制在0.5像元以內[13]，依然能夠很好地匹配出同名點[14]。

3 結果分析

3.1 基于青海湖的交叉定標

本文將影像對中80個同名匹配點HJ-1B的DN值與MODIS的輻亮度值進行線性擬合，獲得相應的增益與偏差。MODIS的31波段和雙波段組合與HJ-1B的IRS第4波段的交叉定標結果分別展示在圖3與圖4中，x軸表示的是HJ-1B熱紅外波段的DN值，y軸表示的是MODIS熱紅外波段的表觀輻射亮度值，擬合的gain（增益值）分別是0.01429和0.01391。

圖3 2008年青海湖地區MODIS 31波段的擬合結果

圖4 2008年青海湖MODIS 31和32波段的擬合結果

3.2 結果驗證

由于系統文件中給出的參考定標系數為實驗室測量數據，在衛星發射后發生了較大的衰變，無法作為標準值進行比較。因此本文采用與其他研究人員的成果進行比較，將定標結果與孫珂《HJ-1B衛星IRS傳感器熱紅外通道交叉定標》[15]進行對比檢驗。

選取時間為2008年11月12日MODIS和IRS兩傳感器過境時青海湖地區的影像，對上述交叉定標方法所獲得的絕對輻射定標系數進行真實性檢驗。用MODIS第31波段大氣層頂（TOA）輻射亮度反演得到的TOA亮溫為假定真值來評價上述定標方法獲得的絕對輻射定標系數，并標定反演獲得的HJ-1B的TOA亮溫的精度。

對兩幅影像進行幾何精度校正，精確配準后進行插值。使HJ-1B與MODIS圖像分辨率相同為1000m。利用MODIS定標系數和HJ-1B交叉定標結果分別計算兩景TOA亮溫圖像作差。根據普朗克公式，推出亮溫的計算公式（6）。

其中：Ti是MODIS第i波段的亮度溫度，λi是波段i的中心波長，C1和C2是常量，分別取C1=1.19104356e-16W·m2和C2=1.4387685e4μm·K。

反演亮溫檢驗差值結果如表3所示。兩者的結果接近，經考量，該次MODIS定標結果有價值。

表3 HJ-1B反演亮溫檢驗差值結果

3.3 對HJ-1B的時間序列定標

因為MODIS成像幅寬大，每天近似可獲取全球的影像，在不考慮天氣的影響并結合HJ-1B重訪周期的情況下，每四天就可獲取一組匹配影像對。因此利用MODIS可以獲取較高頻率的匹配影像對，開展與HJ-1B的IRS第4波段進行交叉定標時間序列的研究，結果如表4所示。

表4 2008年11月MODIS的31波段和雙波段組合與與HJ-1B的IRS第4波段交叉定標結果

利用2008-2013年的MODIS連續多年數據（2009年數據暫無）對HJ-1B的時間序列進行定標，結果如表5所示。

表5 2008-2013年HJ-1B時間序列定標結果

由于不同季節、時相、軌道和傳感器所受大氣條件、光照影響、地形的不同，同一地區所獲取的衛星遙感影像具有較大的輻射亮度變化差異。為了使時間序列結果更加直觀并具有一致性和可比性，使其能應用于多種領域，需要對時間序列上的定標結果進行歸一化處理，如圖5所示。

圖5 增益系數歸一化結果

4 結論

由于MODIS衛星具有高輻射精度，因此本文將其熱紅外通道31、32作為參考，利用交叉輻射定標法，進行HJ-1B的熱紅外通道的輻射定標研究，計算獲得HJ-1B熱紅外譜段的定標系數，通過對研究成果的分析，可以初步得到以下結論：

（1）基于MODIS單波段的HJ-1B紅外波段再定標技術，計算HJ-1B的紅外波段的定標系數。將獲得的定標系數反演到HJ-1B的IRS第4通道上后與MODIS的31譜段的表觀輻射亮度進行比較，得到了較好的相關性。由此看出，MODIS的熱紅外通道31與HJ-1B紅外波段具有良好的相關性，定標系數較為可靠，可以滿足遙感影像定量化應用的需求。

（2）基于MODIS雙波段的HJ-1B紅外波段再定標技術，對比單波段法，本文用多年相同試驗區域的數據進行驗證，所得到的定標系數較可靠。結果表明，MODIS的第31、32組合波段與HJ-1B紅外波段有更好的相關性，擬合系數更具有實際價值。

（3）利用MODIS較高頻率的匹配影像對，開展對HJ-1B衛星的時間序列定標。時間序列的建立，有利于衛星歷史數據的利用，也能對傳感器輻射性能穩定性進行進一步分析。