环境卫星CCD传感器场地辐射定标与交叉定标的比较*

余晓磊，巫兆聪

(武汉大学遥感信息工程学院，武汉 430079)

环境卫星(HJ－1A/B)是我国新近发射的减灾防灾卫星星座，每颗卫星并排搭载两台CCD传感器，每台传感器有三个可见光谱段和一个近红外谱段(具体参数参见表1)。为深入其定量化研究，需要对传感器定期定标，以提供准确的定标系数。辐射定标就是要建立传感器的每个探测元件输出的数字量化信号(DN)与它所对应视场中输出辐亮度值之间的定量关系［1－2］。本文利用2009年8月份敦煌卫星辐射校正场同步测量的地物光谱反射率数据和大气光学特征参数，计算HJ－1A卫星CCD2传感器4个波段的定标系数。针对单一地物定标法，以及环境卫星缺乏传感器冷空间计数值的问题，使用同期过境的LANDSAT－5卫星TM影像进行交叉定标。结果表明，场地绝对辐射定标和交叉定标的平均差异在10%以内，具有良好的一致性。同时环境卫星CCD传感器自发射以来，各波段有不同程度的退化，其中蓝光通道的退化最为严重。

1 定标原理与算法

1.1 反射率法定标原理

基于反射率法的场地绝对辐射定标是在卫星传感器过境时同步测量地面目标反射率因子和大气光学特征参数(如大气气溶胶光学厚度、大气柱状水汽含量等)，然后利用辐射传输模型(其一般输入数据有分子散射率和气溶胶光学厚度、气溶胶的复折射指数和Mie散射指数等)计算出传感器入瞳处的反射率值［1，3－4］。该方法相比于辐亮度法、辐照度法，精度较高，测量的参数相对较少，但是必须保证所需参量都是同步观测时获取［2］，其原理如下:

其中ai，bi分别表示该通道的增益和偏置。进一步传感器单通道入瞳处的大气顶层表观反射率可以表示为:

式中d表示卫星获取影像时真实的日地距离和日地平均距离之比;θs表示卫星获取影像时的太阳天顶角;E0，i表示传感器单通道大气层外太阳辐照度，又称为波段太阳常数。根据大气辐射传输理论，传感器在大气上层测量的目标反射率可以表示为:

其中Tg表示大气透射率，ρA+R表示大气分子自身含气溶胶层在内的反射率，Tdown，Tup表示有太阳到地表以及地表到传感器的大气透射率，S表示大气半球反照率表示朗伯体地物目标的反射率因子经过第i通道的传感器光谱响应函数积分后得到的地表反射率。如前所述通过大气辐射传输模型(常见的例如6S、LOWTRAN、MODTRAN)可以通过地表反射率、大气特征参数以及观测几何条件计算得到传感器入瞳处的大气顶层的表观反射率［5－6］。

1.2 交叉定标原理

根据公式1、2、3可知，为了计算传感器的定标系数，即单通道的偏置和增益ai、bi至少需要两组计数值及对应的地物反射率。对于我国先后发射的资源卫星和环境减灾卫星的可见光、近红外通道，其CCD线阵扫描成像式传感器不具备观测冷空间的能力，也没有星上定标装置，所以在进行单一地物法场地绝对辐射定标时，通常认为传感器单通道的偏置值bi已知，且为发射前实验室检校得到的结果。但事实上，由于传感器所处的外太空环境复杂以及长期工作后设备老化，其偏置往往会发生比较大的变化，美国NOVAA系列卫星AVHRR传感器的定标结果表明，其各通道的偏置随时间存在较大的变化［6－7］。为此本研究使用 LANDSAT－5 卫星 TM 影像对环境卫星CCD影像进行交叉定标。

交叉定标是使用较高精度的卫星通道定标较低精度的卫星通道的一种方法，已经广泛的用于AVHRR，MODIS等传感器的辐射定标［8］，其基本原理如下:

其中k表示两种不同传感器之间对应通道间的光谱匹配系数［9］:

式中:ρs(λ)为典型地物光谱反射率，f(λ)与f'(λ)分别为两类不同传感器分波段的光谱响应函数，λ1～λ2和λ'1～λ'2分别为两传感器分波段光谱的起止波长。

对于不同类型的地物而言，其光谱匹配因子一般不同，选取两类或两类上的典型地物，代入式(4)中，便可建立方程组求解传感器的定标参数［10］。根据表1、2所示环境卫星CCD传感器与LANDSAT－5卫星TM传感器的光谱参数对比可知两类传感器的1～4波段设置类似，且二者的空间分辨率接近(30 m)，量化等级相同(8 bit)。而TM传感器经过严格的发射前定标，长期在轨监测和定期场地绝对定标，有很高的辐射定标精度，所以用TM影像对环境卫星CCD影像进行交叉定标是最佳的选择。

表1 HJ卫星CCD传感器参数

2 定标数据的采集与处理

敦煌卫星辐射定标场是我国卫星辐射定标的主要场地，自1995年建立以来承担了我国多种类型卫星的场地辐射定标任务。它位于东经94.4°，北纬40.08°的戈壁上，整个场区平坦均匀，基本无植被覆盖，具有稳定的地表光学特性，年变化很小，海拔高度1 300 m左右，大气干洁，受云雾等影响较小［11］。

2.1 地表反射率测量

本次定标所需的地面实测数据，为中国资源卫星应用中心2009年8月26日于甘肃敦煌卫星定标场实地测量所得，戈壁校正场地表反射率的测量采用550 m×550 m的测试区，每隔50 m测量一个点，在卫星过境一个半小时内利用ASD FR型便携式光谱仪共计进行144个点的测量，每个测量点对地物目标测量5次，同时对参考白板测量2次。

按照以下公式处理得到定标场地物目标的反射率:

式中ρs(λ)表示参考白板的反射率，通常为实验室检校的结果，V(λ)表示地物目标测量值，Vs(λ)表示参考白板测量值，ρ(λ)表示地物目标的反射率。计算测量点的平均反射率如图1所示。

图1 2009年8月26日敦煌定标场反射率

2.2 大气参数测量

在卫星过境时刻，使用CE318太阳光度计同步采集了场地上空的气溶胶光学厚度数据。太阳光度计采用兰立(LangLey)法定标［12］。气溶胶光学厚度的测量按照大气浑浊度观测标准进行，其结果如图2所示。气象数据来自敦煌地区气象站提供的测量结果，包括环境温湿度、大气压、露点温度等。

图2 2009年8月26日大气气溶胶特征

由于本文使用的6S辐射传输模型需要550 nm处的气溶胶光学厚度作为模型的输入参数，而CE318的标准滤光镜没有对应的波段，所以测量的结果需要按照Angstrom公式进行换算:

式中τ为气溶胶光学厚度，λ为波长，β为浑浊度系数，α为Angstrom波长指数，利用测量的任意两个波长的气溶胶光学厚度，即可计算出α与β，继而求出550 nm处的大气气溶胶光学厚度。

2.3 定标影像数据处理

场地绝对定标采用的影像数据为2009年8月26日过境的HJ－1A卫星CCD2影像，以保证与地面实测严格同步。交叉定标所采用的影像分别为2009年6月21日过境的HJ－1A卫星CCD2影像和6月22日过境的LANDSAT－5卫星TM影像。其中8月26日的影像利用1∶50 000的数字地形图进行几何校正，6月21日的环境卫星影像和6月22日的LANDSAT－5卫星TM影像，进行了相对几何校正，几何校正的误差控制在1个像素范围内，以保证定位精度。

本文选取敦煌定标场内戈壁滩和敦煌地区的农作物这两类具有明显差别的地物进行交叉定标。地物的光谱反射率来源于中国典型地物波谱数据集中对敦煌地区长期测量的平均值。计算两类传感器对应通道之间的光谱匹配系数k所需的光谱响应函数和典型地物光谱反射率如图3所示。计算所得的匹配系数如表2所列。

图3 HJ－1A－CCD2 和 Landsat－TM5 光谱响应函数

表2 HJ－1A－CCD2与Landsat－TM5匹配通道及匹配因子

3 辐射定标系数计算与结果分析

场地绝对辐射定标和交叉辐射定标的工作流程分别如图4和图5所示。本次绝对辐射定标的结果和08年中国资源卫星应用中心公布的发射前定标系数，以及相对辐射定标的结果如表3所示。

图4 绝对辐射定标工作流程

图5 交叉辐射定标工作流程

表3 HJ－1A－CCD2传感器定标结果对比

3.1 场地定标与发射前定标系数的比较

对比场地绝对辐射定标结果和发射前传感器的定标系数可知，自发射以来，HJ－1A卫星CCD2传感器的各波段都存在不同程度的退化，其中以第一波段(蓝光通道)的退化最为严重，达6.7%。而第四波段(近红外波段)的变化相对较小，为1.8%，第二(绿光)和第三(红光)波段的绝对定标系数变化居中，分别为3.4%和4.8%。表明卫星发射升空和在轨运行以来，传感器的性能相对实验室检定而言，发生了较大的变化，这主要是由于传感器随运载火箭发射升空时的复杂状态和传感器长期在轨工作造成的性能退化。

3.2 交叉辐射定标的验证

为验证交叉辐射定标的结果，通过选取2009年6月21日HJ－1A卫星CCD2影像上的四类典型地物目标(水体、城区、植被、干河床)，分别用绝对定标系数和交叉定标系数按照式1求出地物在对应波段的辐亮度，并计算其相对偏差，结果如表4所示。比较发现，交叉定标和场地绝对定标结果，对于城区和植被，其符合性较好，平均偏差在5%以内;对于水体和干河床，其最大偏差分别达到了6.62%和8.38%。这主要是由于，对城区而言，其光谱反射率曲线的特征在传感器的四个通道上都变化都比较平缓，而植被的光谱反射率曲线在蓝光波段较低而在近红外和绿光波段上相对较高;对于干净的内陆水体，其光谱反射率曲线在蓝光波段上的瑞丽散射占总信号的80%［13］;而干河床在所有波段上的反射率都相对较大。所以才会带来其绝对定标和交叉定标的部分差异。但就整体而言，交叉定标和绝对定标的结果偏差在10%以内。这表明，交叉辐射定标可以作为替代定标的手段，进行传感器的长期在轨状态监测。

表4 HJ－1A－CCD2传感器交叉定标结果验证

4 结束语

通过对环境卫星CCD传感器的绝对辐射定标和交叉定标的比较，分析传感器性能的变化，验证了交叉定标与绝对定标的一致性。对于监测在轨运行的星载传感器而言，还需要做进一步的真实性检验和长期的定标实验，以了解其运行状况，促进国产资源卫星影像的定量化应用。

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