環境減災二號A/B衛星大氣校正儀數據處理方法及初步在軌評估

劉振海 叢強 黃紅蓮 雷雪楓 謝艷清 王宇軒 陶菲 趙鑫鑫 宋茂新 鄒鵬 侯偉真 林軍 李正強 洪津

(1 中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所，合肥 230031) (2 航天東方紅衛星有限公司，北京 100094) (3 中國科學院空天信息創新研究院 國家環境保護衛星遙感重點實驗室，北京 100101) (4 中國資源衛星應用中心，北京 100094)

在地物觀測定量遙感應用中，地物目標信息的提取會受到大氣效應的影響，因此，大氣校正的主要目標就是去除大氣干擾、恢復地面真實信息，準確的大氣校正是衛星遙感定量化應用的前提與基礎[1]。為此，國內外從不同思路出發開發了多種大氣校正方法[2-3]，其中，基于大氣輻射傳輸理論的大氣校正方法是目前被普遍采用的大氣校正模型，如6S/6SV，MODTRAN，FLAASH，ATCOR，ACORN等[4-5]。然而，此類基于輻射傳輸的大氣校正方法需要輸入相應的大氣參數，由于大氣氣溶膠光學厚度(AOD)和水汽柱濃度(CWV)等影響較大且具有時空變化特性，因此最為關鍵[6-8]。目前，配置與被校正載荷同時同區域覆蓋的大氣校正載荷是可行途徑之一，并逐漸發展成為大氣校正的一個重要方向[1]。對于大氣參數遙感方法，相較于強度(標量)觀測，偏振探測對大氣氣溶膠微物理和光學特性更為敏感，且對地表偏振貢獻相對不敏感，因此可以通過偏振探測方式實現對大氣氣溶膠綜合參數的高精度探測[9]。目前，偏振遙感已成為國際上的研究熱點，美國、歐洲等國家和地區已相繼發射或計劃發射多種類型偏振載荷[10]。環境減災二號A/B衛星上裝載的大氣校正儀[11]即采用全偏振譜段同時探測的技術方案，通過穿軌掃描方式獲取可全面覆蓋主載荷同時同區域的大氣參數信息。同時，作為環境減災一號A/B接續衛星的唯一新增載荷，大氣校正儀也是全球第1臺幅寬達800 km的寬幅大氣校正儀。環境減災二號A/B衛星已于2020年9月27日在太原衛星發射中心以“一箭雙星”方式成功發射，用于接替已經在軌超期運行的環境減災一號A/B衛星，為國家在應急管理、環境保護、自然資源、水利、農業、林業、地震等方面的應用提供遙感數據支撐[12]。同步裝載的大氣校正儀可為16 m相機、高光譜成像儀和紅外相機提供大氣校正處理所需的大氣參數，用于進一步提高載荷應用效能和遙感定量化水平。

大氣校正儀是一種新型偏振遙感器，也是該類型遙感器的首次成功在軌運行，其技術原理和預處理方法均有別于以往在軌運行的其他遙感器，且基于大氣校正儀單角度、多光譜偏振掃描數據的大氣參數反演方法也是首次開發和應用。因此，對大氣校正儀進行科學、有效的數據處理和載荷性能評估是大氣校正儀數據產品生產和應用的前提。本文針對環境減災二號A/B衛星裝載的大氣校正儀觀測數據，在簡要介紹儀器原理的基礎上，較詳細描述了載荷數據預處理、大氣參數反演和大氣校正的處理方法，并評估和展示了初步在軌應用效果，可為載荷的性能評價及進一步應用奠定基礎。

1 儀器原理與數據處理方法

1.1 大氣校正儀原理簡介

大氣校正儀采用分孔徑和分振幅相結合的同時偏振測量方案，采用4個角度(0°，45°，90°，135°)檢偏方式實現對目標線偏振態的前3個Stokes參量(I，Q，U)的測量。如圖1所示，大氣校正儀光學系統主要包括正交掃瞄鏡組件、望遠鏡組件、Wollaston棱鏡、分色片、聚焦透鏡、干涉濾光片及雙元探測器等[13]，文獻[14-15]中對其光學系統各組成部分的特點和測量原理進行了相關描述。此外，大氣校正儀還配置了星上輻射定標器和偏振定標器用于星上輻射和偏振定標。

環境減災二號A/B衛星運行在太陽同步軌道，軌道高度約645 km，考慮到大氣氣溶膠探測地面分辨率需求[16]，大氣校正儀瞬時視場(IFOV)設置為0.52°(9.1 mrad)，星下點分辨率約為6 km，幅寬達到800 km，與被校正載荷的幅寬相匹配。為實現地面場景的無縫拼接，大氣校正儀設計掃描電機轉速為69.96 r/min。在探測譜段配置方面，為了準確獲取與被校正載荷同區域大氣參數，大氣校正儀共設置了9個譜段，其中：910 nm和865 nm譜段聯合用于水汽探測；1380 nm譜段用于卷云識別；1610 nm和2250 nm譜段聯合用于沙塵氣溶膠反演和地氣解耦；443 nm，865 nm，1380 nm譜段聯合用于云識別；410 nm，443 nm，555 nm，670 nm，865 nm譜段聯合用于增加氣溶膠參數反演約束。指標輻亮度下大氣校正儀所有譜段的實際信噪比達到57～76 dB，絕對輻射定標精度和偏振測量精度分別優于5%和0.005。

1.2 產品分級

環境減災二號A/B衛星在環境減災一號A/B衛星載荷數據分級的基礎上，將標準科學數據產品分成L0～L2級，其中，大氣校正儀和16 m相機的各級數據產品具體定義如表1所示，后者的大氣校正后產品分級為L1B。

1.3 數據處理方法

從L0到L1級的數據處理為大氣校正儀數據預處理，L1到L2級對應大氣參數反演，在此基礎上進行16 m相機圖像的大氣校正。按照數據處理先后順序，依次進行數據預處理、大氣參數反演和大氣校正。

1.3.1 數據預處理與實現過程

大氣校正儀數據預處理模塊依次對分景后的L0級數據進行數據提取、參量質量監督、數據預校正、偏振解析、地理定位及L1級產品生成與歸檔等。L0到L1級產品生成過程如圖2所示，關鍵模塊處理方法和過程簡述如下。

(1)對提取的數據進行參量監督，包括偏振通道有效性檢測與偏振解析方法選擇、載荷工作狀態及平臺參量異常檢測等，對載荷工作狀態及數據質量進行識別和異常告警。

(2)對原始數據進行初始校正，包括通道本底的計算和扣除、通道漂移校正及短波紅外譜段的溫度校正等[17-18]。

(3)對大氣校正儀獲取的對地觀測數據按照文獻[14]中方法進行解析，以獲取目標的光譜偏振信息，最終轉化為歸一化輻亮度，見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

(4)將大氣校正儀在每個掃描位置的探測器指向矢量投影到地面點，進行地理定位。根據大氣校正儀非成像、穿軌掃描的特點，構建大氣校正儀的嚴密幾何模型[19]，最后獲得地面采樣點中心大地經緯度和高度數據。地理定位精度可以采用海岸線檢測法[20]或考慮空間響應函數的精確圖像匹配方法[21]等進行評價。

注：DEM為數字高程模型。圖2 大氣校正儀L1級產品生成過程Fig.2 Production process of PSAC L1

1.3.2 大氣參數反演與實現過程

在獲取大氣校正儀在軌觀測的L1級數據基礎上，需要進一步實現無云像元區域的AOD和CWV參數的反演，并生成對應的L2級產品。該部分對應過程如圖3所示，具體實現描述如下。

(1)讀取和檢測大氣校正儀觀測得到的L1級數據，獲取1景大氣校正儀遙感圖像中有效可用的各觀測像元數據。同時，進行云檢測與識別，實現大氣校正儀觀測數據中有云和無云像元的識別，生成對應的云檢測結果。

(2)考慮典型氣溶膠模型、基于主成分分析(PCA)多光譜地表模型[22-23]和地表雙向偏振分布函數(BPDF)模型[9，24]，實現對大氣校正儀偏振遙感觀測的矢量輻射傳輸模擬[25-26]，并建立對應的標量和偏振觀測查找表。

(3)選取無云像元的大氣校正儀多光譜標量和偏振觀測數據，進行地表貢獻部分的估算，進而進行地氣解耦和反演建模，通過參數組合的遍歷和迭代實現氣溶膠和地表參數的聯合反演。

(4)在反演獲取AOD參數產品的基礎上，進一步進行水汽參數的反演及氣溶膠影響的校正[27]，輸出大氣校正的水汽反演產品。

(5)實現對云識別、氣溶膠參數和水汽參數反演的日志建立及反演產品數據文件的歸檔管理。

圖3 大氣校正儀大氣關鍵參數反演過程Fig.3 Inversion process of key atmospheric parameters for PSAC

1.3.3 大氣校正與實現過程

基于大氣校正儀同步反演獲得的L2級產品數據，通過對無云區域的主載荷16 m相機L1A級數據圖像進行同步的大氣輻射校正、鄰近效應校正，得到同步大氣校正后的地表反射率，即主載荷16 m相機L1B級數據產品。該部分對應過程如圖4所示，具體實現描述如下。

圖4 16 m相機數據大氣校正過程Fig.4 Atmospheric correction process of 16m camera data

(1)根據分景編目，對大氣校正儀和16 m相機的L2級數據產品進行初步匹配，并且根據大氣校正儀的云識別結果，對分景圖像中的無云區域，根據經緯度信息進行16 m相機L1A級數據產品和大氣校正儀L2級數據產品的逐像元匹配。

(2)根據16 m相機的譜段設置和光譜響應函數，在海拔高度、不同太陽幾何、觀測幾何和氣溶膠模型下進行大氣輻射傳輸計算，構建大氣校正查找表。

(3)根據大氣校正儀同步反演的水汽含量、氣溶膠參數，針對多光譜圖像的成像時刻和觀測幾何，在大氣校正查找表中查找對應的大氣吸收和大氣散射影響，以其作為輸入參數進行大氣校正中的輻射校正。

(4)根據16 m相機的空間分辨率進行多光譜圖像的鄰近效應校正。

(5)得到16 m相機的地表反射率產品(即L1B級數據產品)，并對其進行質量檢測和歸檔，實現16 m相機遙感圖像的大氣同步校正。

2 初步在軌評估

大氣校正儀在軌初步應用效果分析主要從載荷數據預處理、大氣參數反演和16 m相機大氣校正3個方面開展。

2.1 預處理結果分析

本文連續統計了多軌大氣校正儀遙測和遙感數據，電機轉速、載荷電壓、電流、溫度等遙測量均在正常范圍內，載荷科學數據質量均正常，未出現參量質量監督異常標志。

圖5和圖6分別展示了2臺大氣校正儀不同譜段各1景的光照信息解析結果，顏色表示歸一化幅亮度值。圖6依據的L0級數據文件名為HJ2A-PSAC-20210318-049-072-L00000114782.RAW，分別為環境減災二號A衛星910 nm和1380 nm譜段I，Q，U參量歸一化輻亮度圖，其中：標量圖與偏振分量圖對比差異明顯，1380 nm譜段探測到明顯卷云信號。圖7依據的L0級數據文件名為HJ2B-PSAC-20210201-111-088-L00000083287.RAW，分別為B衛星410 nm和2250 nm譜段I，Q，U參量歸一化輻亮度圖，其中：2250 nm譜段偏振分量由于受氣溶膠影響較小，顯示了較豐富的地表特征，而410 nm譜段偏振分量由于受強瑞利散射影響而幾乎顯示不出地表特征。

圖5 環境減災二號A衛星大氣校正儀部分譜段I，Q，U參量解析結果Fig.5 Results of I, Q, U parameters in several spectrum of PSAC on HJ-2A satellite

圖6 環境減災二號B衛星大氣校正儀部分譜段I，Q，U參量解析結果Fig.6 Results of I, Q, U parameters in several spectral bands of PSAC on HJ-2B satellite

圖7展示了基于海岸線檢測方法對環境減災二號A/B衛星大氣校正儀地理定位精度的初步評估結果。圖像為大氣校正儀443 nm，555 nm，670 nm譜段合成的偽彩圖，圖像的水陸交界線與海岸線基本一致。采用考慮大氣校正儀空間響應函數的自動海岸線檢測方法，對大氣校正儀定位誤差進行評估，大氣校正儀在沿軌和穿軌2個方向上的最大地理定位誤差均不超過0.5像元或者3 km，定位精度能夠滿足應用需求。

圖7 大氣校正儀地理定位結果Fig.7 Geolocation results of PSAC

2.2 初步反演結果與驗證

以典型霧霾區域大氣校正儀反演得到陸地上空AOD產品為例，通過選擇成像時間相差0.5 h左右的MODIS氣溶膠產品，進行空間分布效果的定性對比。這里采用大氣校正儀于2020年11月初在我國東部(山東及周邊)和中部(陜西及周邊)地區的2次成像數據，對應的L1級數據文件名分別為HJ2A_PSAC_E116.9_N35.8_20201106_L10000015715.hdf5和HJ2B_PSAC_E110.4_N35.8 _20201109_L10000017121.hdf5。

大氣校正儀的AOD產品空間分辨率與L1級產品空間分辨率一致，約為7 km，所采用的MODIS的AOD產品的空間分辨率為10 km，對應的譜段均為550 nm。從圖8～11可以看出：大氣校正儀反演得到的AOD產品空間分布與MODIS的具有較好的一致性；然而，由于二者成像時間一般相差在0.5 h左右，云和氣溶膠的空間分布會略有變化。此外，大氣校正儀的AOD產品空間分辨率要顯著高于MODIS產品，且空間分布的細節更加豐富，具備對大范圍區域霧霾分布的有效監測能力。

注：成像時間為2020年11月6日03:16:16(UTC)。圖8 山東及周邊的大氣校正儀合成圖像Fig.8 Composite images in Shandong and surrounding areas by PSAC

注：大氣校正儀與MODIS成像時間相差約0.5 h。圖9 基于大氣校正儀和MODIS獲取的山東及周邊上空AOD產品對比Fig.9 Comparison of AOD products over Shandong and surrounding areas obtained by PSAC and MODIS

注：成像時間為2020年11月9日03:42:57(UTC)。圖10 陜西及周邊的大氣校正儀合成圖像Fig.10 Composite images in Shaanxi and surrounding areas by PSAC

注：大氣校正儀與MODIS成像時間相差約0.5 h。圖11 基于大氣校正儀和MODIS獲取的陜西及周邊上空AOD產品對比Fig.11 Comparison of AOD products over Shaanxi and surrounding areas obtained by PSAC and MODIS

利用目前廣泛使用的全球氣溶膠自動觀測網(AERONET)數據對大氣校正儀AOD(550 nm譜段，無量綱)和CWV(單位：g/cm2)產品的精度進行評估。本次測試共獲取了500多組匹配數據，大氣校正儀AOD和CWV產品與基于地基AERONET數據的對比結果如圖12所示。圖12中，EE20表示基于大氣校正儀反演的AOD產品的期望誤差(EE)為±(0.05+0.2τAERONET)，EE10表示CWV的EE為±(0.20+0.1νAERONET)。其中，τAERONET和νAERONET分別為地基AERONET站點獲取的AOD值和CWV值。統計結果顯示：基于大氣校正儀反演的AOD產品的誤差落在EE20范圍內的比例為68.62%，CWV產品的誤差落在EE10范圍內的比例為95.39%[28]，比例均大于68.27%，因此可以認為基于大氣校正儀反演的AOD和CWV產品均達到上述精度要求。

注：選取與地面站點同時同覆蓋的數據作為驗證點，顏色表示散點密度分布(散點個數)。圖12 大氣校正儀AOD和CWV產品基于AERONET數據的驗證結果Fig.12 Verification results of PSAC AOD and CWV products based on AERONET data

2.3 大氣校正效果

根據第2.2節的大氣校正方法和過程，選擇環境減災二號A/B衛星16 m相機的L1A級圖像產品和對應的大氣校正儀L2級產品數據，根據大氣校正儀獲取的大氣光學特性參數對16 m相機L1A級圖像進行大氣校正，得到地表反射率產品，目視對比和判斷大氣校正后的圖像與未經大氣校正的原始圖像的差異。圖13為我國湖北咸寧市及周邊的環境減災二號A衛星多光譜圖像校正前后對比，圖中包含了城市地區和山區。圖14為印度地區的環境減災二號B衛星多光譜圖像校正前后對比，主要是平原。從圖13和圖14中可以看出：無論是城市、山區，還是平原，大氣校正后圖像均比校正前清晰，對比度明顯提高，圖像目視效果得到了較好的改善。這說明大氣校正可以有效去除氣溶膠、霧霾和薄云等大氣干擾，提高圖像質量。

注：基于2020年12月21日16 m相機CCD3圖像數據。圖13 湖北咸寧市及周邊的環境減災二號A衛星多光譜圖像大氣校正前后對比Fig.13 Comparison of HJ-2A satellite multi-spectral images before and after atmospheric correction over Xianning, Hubei

注：基于2020年11月5日16 m相機CCD3圖像數據。圖14 印度地區的環境減災二號B衛星多光譜圖像大氣校正前后對比Fig.14 Comparison of HJ-2B satellite multi-spectral images before and after atmospheric correction over India regions

由于受到大氣的影響，衛星圖像上的不同地物的光譜信息已經改變，圖像中表觀反射率光譜曲線已經不能正常反映它們在不同譜段的特性，大氣校正在提高圖像清晰度和提升圖像質量的同時，可以獲得更真實地表反射率。

對比大氣校正后的圖像目標反射率與地面同步實測反射率的誤差，可以定量檢驗大氣校正效果。本文選擇敦煌高反場為驗證點，地理位置為(40.475°N，94.380 6°E)，觀測日期為2020年12月25日(環境減災二號A衛星)和2021年1月25日(環境減災二號B衛星)。選擇2幅敦煌高反場圖像，使用對應的大氣校正儀的大氣參數反演結果(L2級數據)進行大氣校正，得到地表反射率圖像。利用16 m相機的光譜響應函數，對同步測量的目標反射率進行譜段匹配，得到譜段等效反射率。

選擇高亮目標區域的平均反射率，對比實測的譜段等效反射率，結果如表2所示?？梢钥闯觯?6 m相機的所有譜段校正后反射率與實測反射率的相對誤差基本優于10%，定量地說明了大氣校正的有效性。

表2 敦煌高反場大氣校正后的反射率對比結果Table 2 Comparison results of reflectance after atmospheric correction over Dunhuang high reflectance site

3 結束語

本文針對環境減災二號A/B衛星大氣校正儀數據處理方法進行介紹，并評估和展示了部分在軌初步應用效果，大氣參數反演和16 m相機多光譜圖像大氣校正效果均滿足應用指標要求，同步大氣校正時效性能夠滿足準實時、業務化應用需求，初步顯示了大氣校正儀在大氣校正和環境監測等方面的應用潛力。針對國產大氣校正儀等采用多光譜、單角度觀測的偏振遙感器，建議進一步挖掘其在環境監測等領域的應用潛力，在信息量分析的基礎上研究如何充分利用多光譜的標量和偏振探測信息約束大氣和地表多個關鍵參數的聯合反演，為我國單角度偏振系列衛星遙感器的發展和廣泛應用提供關鍵反演理論和算法支撐。此外，建議進一步對同衛星平臺裝載的高光譜和紅外相機的同步大氣校正和應用效果開展評價，深入挖掘大氣校正儀從可見光至紅外譜段大氣校正中的應用價值，充分發揮大氣校正載荷效能，進一步提升我國在環境減災等方面的遙感定量化水平。