内蒙古辐射校正场特性评价与应用潜力分析

马晓红，余 涛，高海亮，陈兴峰，谢玉娟，韩 杰

(1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，焦作 454000;2.中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室，北京 100101;3.国家航天局航天遥感论证中心，北京 100101)

内蒙古辐射校正场特性评价与应用潜力分析

马晓红1，2，3，余 涛2，3，高海亮2，3，陈兴峰2，3，谢玉娟1，2，3，韩 杰1，2，3

(1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，焦作 454000;2.中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室，北京 100101;3.国家航天局航天遥感论证中心，北京 100101)

利用2010年6月在内蒙古贡格尔辐射校正场(简称内蒙古辐射校正场)实测的地表反射率和大气气溶胶数据，分析了该辐射校正场的地表反射率和大气气溶胶特性，并与敦煌辐射校正场相关数据进行了对比分析。结果表明:内蒙古辐射校正场地表反射率的相对方差小于5%，表现出较好的均一性;在天气晴朗的情况下，各通道的大气气溶胶光学厚度可达0.1～0.2;内蒙古辐射校正场地理条件优越，交通便利且定标成本低，可作为我国备用的卫星传感器辐射校正场，用于开展卫星传感器的在轨辐射定标及遥感数据真实性检验实验，以进一步提高国产卫星遥感数据定量化应用的可靠性与精度。

辐射校正场;内蒙古辐射校正场;地表反射率;大气气溶胶光学厚度

0 引言

随着对地观测卫星数量的不断增加，遥感数据的应用已经进入到定量化阶段，而卫星传感器的辐射定标是遥感数据定量化应用的前提。合适的辐射校正场是进行场地辐射定标的关键。早在20世纪70年代末至80年代初，航天遥感技术较为先进的国家就已经先后开展了基于辐射校正场的辐射定标和遥感数据真实性检验的实验研究工作，建立了一系列的卫星辐射校正场:如美国的White Sands、Lunar Lake Playa及Ivanpah Playa等辐射校正场;法国的La Crau辐射校正场;加拿大的Newell Country辐射校正场［1］等。利用这些辐射校正场已成功地实现了对 Landsat 5 TM［2］、Landsat 7 ETM+［3］、SPOT HRV［4］以及 MODIS［5］等传感器的辐射定标工作。根据美、法等国家公布的资料，目前基于场地的辐射定标方法对可见光和近红外波段的定标精度为3% ～5%［6］。

我国卫星传感器的辐射定标研究开展得相对较晚。1993—2001年，由中国气象局牵头、多家单位共同参与，建成了我国第一个用于卫星传感器辐射定标的辐射校正场——甘肃敦煌市戈壁滩和青海湖水面辐射校正场。国家卫星气象中心、中国资源卫星应用中心、中国科学院遥感应用研究所等单位的科研人员多次前往该辐射校正场开展辐射定标实验，并成功地对我国风云、资源以及环境等卫星的传感器进行了绝对辐射定标［7－9］。但随着卫星遥感数据应用的深入，对传感器辐射定标的精度要求进一步提高，如果仅仅依靠敦煌辐射校正场，将难以满足卫星传感器辐射定标的需求［10］，因此，寻找新的辐射校正场已迫在眉睫。

内蒙古贡格尔辐射校正场(以下简称内蒙古辐射校正场)是由中国科学院遥感应用研究所建立的用于进行卫星传感器在轨辐射定标与遥感数据真实性检验的辐射校正场。本文利用中国科学院遥感应用研究所2010年6月在内蒙古野外同步观测的实验数据，来评价内蒙古辐射校正场的地表反射率和大气气溶胶特性，并与敦煌辐射校正场的上述特性进行了对比分析，确定了内蒙古辐射校正场的应用潜力。

1 实验场地与数据测量

1.1 场地介绍

内蒙古辐射校正场位于内蒙古自治区赤峰市克什克腾旗境内; 地理坐标为 E116.66°、N43.41°; 海拔高度约为1250 m，面积约为9 km2;地表地物类型均一，地形平坦;植被覆盖类型为针毛草，高度不足12 cm，覆盖均匀;场地南面2 km处有达里湖，其面积约228 km2，该湖可作为场地定位的天然靶标;辐射校正场交通便利，距离北京仅半天的路程，便于进行野外实验。

1.2 地表反射率的测量

地表反射率测量采用的仪器是ASD FR光谱仪和标准参考板。ASD FR连续光谱仪的谱段范围为350～2500 nm，包括VNIR(350～1020 nm)、SWIR1(1020～1800 nm)和SWIR2(1800～2500 nm)3个波段，其中VNIR光谱分辨率为3 nm，SWIR光谱分辨率为10～11 nm;ASD FR光谱仪的视场角有3°和10°两种选择。实验采用接近理想反射率(约0.99)的40 cm×40 cm大小的漫反射板作为反射参考标准板［11］。

根据天气情况，于2010年6月18—29日以自动测量模式进行地表光谱测量。为了尽可能客观地反映每一测点的地物光谱特性，测量时在每个测点选取16个采样点，分别测量每个采样点的光谱曲线，并以采样点的测量平均值作为该测点的光谱值，同时在每个测点的测量开始和结束时，分别进行4次参考板测量，最后以这4次测量的平均值作为对参考板的响应值。为了消除测量者阴影对测量结果的影响，在整个测量中，保持太阳、测量杆和测量者基本在太阳主平面内，且测量者处于前向位置。每次实验的测量时间不超过2 h。

1.3 大气气溶胶数据的测量

大气气溶胶光学特性测量采用的仪器是CE318型自动跟踪扫描太阳光度计。该光度计在可见光至近红外波段范围内设有8个观测通道，中心波长分别是 1020 nm、870 nm(p1)、670 nm、440 nm、870 nm(p2)、870 nm、936 nm 及 870 nm(p3)。其中，p1、p2、p3为3个极化通道，所有通道带宽为10 nm，仪器的视场角为 1.2°，太阳跟踪精度为0.1°［12］。

在实验期间，将CE318自动跟踪扫描太阳光度计架设在 E116.667°、N43.401°，海拔约为1250 m的内蒙古贡格尔草原上进行同步观测，获取了场地的大气气溶胶数据，同时利用气压计测量大气压强数据。测量时间从早上6点至晚上7点，采用等间隔时间来自动测量太阳直射辐射强度。

2 数据处理方法

2.1 地表反射率的计算

采用参考板野外反射率因子修正的方法进行地表反射率的计算，即

式中，λ为波长;ρ(λ)是地表的真实反射率;G(λ)是ASD光谱仪测得的DN值;P(λ)是ASD光谱仪测得的标准反射参考板的DN值;B(θ，λ)是标准反射参考板在太阳天顶角为θ时的绝对反射率函数［13］。

2.2 大气气溶胶光学厚度的计算

根据Bouguer定律，穿过地球大气到达地面的太阳直射辐照度E(λ)可以表示为［12］

式中，E0(λ)为日地平均距离处地球大气顶层的太阳直射辐照度;ds为日地距离修正因子;m为大气质量数;τ(λ)为大气总的光学厚度。

若用仪器输出的电压V代表太阳直射辐照度E(λ)，则式(2)可写为

式中，V0(λ)是定标常数。

对式(3)两边取对数并整理得

以ln V(λ)－ln ds与m为变量进行线性拟合，可以得到一条直线，截距就是定标常数V0的对数，斜率就是大气总的光学厚度值的负值。

对于波长为340～1020 nm之间的波段，大气总的光学厚度主要由大气分子瑞利散射光学厚度、大气气溶胶光学厚度和臭氧光学厚度组成，可以表示为

式中，τr(λ)为大气分子瑞利散射的光学厚度，可利用气压值计算;τa(λ)为大气气溶胶的光学厚度;τoz(λ)为臭氧的光学厚度，可利用从 NASA TOMS获得的内蒙贡格尔地区臭氧含量计算。

在假设大气气溶胶粒子的谱分布满足Junge分布的情况下，大气气溶胶光学厚度与波长的关系可以表示为

设波长λ1、λ2处没有水汽影响，则根据式(6)即可计算出α和β，进而就可以推算出550 nm波长处的大气气溶胶光学厚度。

3 结果与应用潜力分析

3.1 地表反射率分析

首先由式(1)得到每个测点的平均地表反射率，然后将所有测点地表反射率的平均值作为内蒙古辐射校正场的地表反射率测量的最终结果。图1显示了内蒙古辐射校正场2010年6月测量的地表反射率和相对方差。

图1 2010年6月测量的内蒙古辐射校正场地表反射率及相对方差Fig.1 Surface reflectance and relative deviation of Inner Mongolia radiometric calibration site in June，2010

从图1可以看出，内蒙古辐射校正场的地表反射率在0.05～0.31之间，在波长小于700 nm的范围内，地表反射率较低，但在波长大于700 nm之后，反射率有显著的上升趋势，基本能够满足大多数卫星传感器可见光—近红外波段的辐射定标。同时，内蒙古辐射校正场地表反射率测量的相对方差小于5%，表明内蒙古辐射校正场地表类型均一，适宜在轨传感器的绝对辐射定标。

3.2 大气气溶胶光学厚度分析

在处理CE318测量数据时，筛选掉了有霾或云量多的数据。利用式(4)计算出大气总的光学厚度，从中减去瑞利散射光学厚度和臭氧吸收光学厚度，即可得到各通道的大气气溶胶光学厚度。设波长λ1、λ2分别为440 nm和870 nm，利用式(6)即可计算出Angstrom系数(α)、大气浑浊度系数(β)和550 nm气溶胶光学厚度。各通道参数计算结果如表1所示。

表1 2010年6月间内蒙古辐射校正场大气气溶胶光学厚度、Angstrom系数和大气浑浊度系数Tab.1 Atmosphere aerosol optical thickness，Angstrom coefficient and muddy coefficient of Inner Mongolia radiometric calibration site in June，2010

从表1可以看出，实验期间内蒙古辐射校正场CE318各通道的大气气溶胶光学厚度基本都在0.2以下，550 nm的大气气溶胶光学厚度在0.10左右，基本是稳定的。6月20日和22日测量期间的α值都在1.5之下，说明内蒙古辐射校正场大气中大粒子含量较多;β值都小于0.1，说明该地区的大气清洁、能见度高。

图2给出了内蒙古辐射校正场6月22日550 nm波长处大气气溶胶光学厚度在1 d内的变化情况。

图2 6月22日内蒙古辐射校正场550 nm大气气溶胶光学厚度Fig.2 550 nm atmosphere aerosol optical thickness of Inner Mongolia radiometric calibration site on June 22，2010

由图2可见，大气气溶胶光学厚度在11:30之后出现较大的波动，但一整天的光学厚度值都在0.20以下。辐射校正场在550 nm波长处的大气气溶胶光学厚度平均值为0.117。这表明辐射校正场在晴空天气下，大气气溶胶含量很少，符合卫星传感器辐射定标的大气条件。

影响大气气溶胶光学厚度计算精度的原因主要有天气状况、仪器定标误差、气压值测量误差以及数据处理时的系统误差等，其中天气状况是影响最大的不确定因素，但如果在测量前对太阳辐射计进行精确定标，进行太阳光度计瞬态测量，即可排除该项误差［12］。本次实验测量之所以选择在天空无云、大气条件稳定的情况下进行，其目的就是为了减小云对气溶胶的影响。而且太阳光度计定标的回归直线的相关系数都在0.99以上，因此大气气溶胶光学厚度测量精度主要取决于仪器本身的测量精度［12］。CE318型自动跟踪扫描太阳光度计的测量精度约为1%，所以大气气溶胶光学厚度的测量误差也在1%左右。

两种焊接工艺热影响区的金相组织如图7b所示，两者都在热的作用下，晶粒长大。手工焊的热输入较大，晶粒更大甚至形成了块状粗大组织；由于自动焊热输入较小，晶粒长大不明显。

3.3 与敦煌辐射校正场的对比分析

3.3.1 地表反射率的对比

图3为2010年8月敦煌辐射校正场的地表反射率和2010年6月内蒙古辐射校正场的地表反射率测量结果。图3(左)显示了两个场地的地表反射率变化情况。可以看出，在350～600 nm波段范围内，敦煌辐射校正场的地表反射率数值呈逐渐增大的趋势，为0.10～0.25，在600 nm 波长以后，反射率数值趋于平缓，为0.28左右;在350～700 nm波段范围内，内蒙古辐射校正场的地表反射率小于0.15，在 700 nm波长后地表反射率显著增高。图3(右)比较了两个辐射校正场观测的反射率相对方差，内蒙古辐射校正场的地表反射率相对方差在4%左右;敦煌辐射校正场大部分波段的地表反射率相对方差在2.2%左右。虽然内蒙古辐射校正场地表反射率的相对方差比敦煌辐射校正场的略大，但是仍然具有较好的均匀性。

图3 2010年敦煌、内蒙古辐射校正场地表反射特征对比Fig.3 Surface reflectance characteristics comparison of Dunhuang and Inner Mongolia radiometric calibration sites in 2010

内蒙古辐射校正场地表分布有大面积的草地，具有季节性变化的特点;敦煌辐射校正场地表主要是砾石，地物类型单一且稳定，随时间变化小。内蒙古辐射校正场由于植被的存在，其稳定性不如敦煌辐射校正场，对卫星传感器进行辐射定标时，需要同步进行地表反射率和大气气溶胶光学厚度的测量，但内蒙古辐射校正场不仅可以用于卫星传感器的辐射定标，还可用于叶面积指数、NDVI等数据的真实性检验。

3.3.2 大气气溶胶光学特性的对比

对于敦煌辐射校正场的大气气溶胶光学特性，许多学者都作了详细的研究。胡秀清［12］等人对敦煌辐射校正场的大气气溶胶光学特性进行了详细研究，认为敦煌辐射校正场的大气气溶胶类型接近于沙漠型。敦煌辐射校正场地处我国西北沙漠干旱地区，大风、沙尘天气影响着辐射校正场的大气气溶胶含量;内蒙古辐射校正场的地表主要是草地，沙土较少，大气气溶胶含量受大风、尘暴的影响相对较少。表2列出了2005—2009年间敦煌辐射校正场和2008—2010年间内蒙古辐射校正场所测得的550 nm大气气溶胶光学厚度。内蒙古辐射校正场550 nm的大气气溶胶光学厚度比敦煌辐射校正场的小，大气更清洁。这也说明，天气晴朗时，内蒙古辐射校正场更适合进行卫星传感器的辐射定标。

表2 敦煌、内蒙古辐射校正场实测550 nm大气气溶胶光学厚度［13－14］Tab.2 550 nm atmosphere aerosol optical thickness of Dunhuang and Inner Mongolia radiometric calibration sites［13－14］

3.3.3 地理位置和地表覆盖特征的对比

敦煌和内蒙古两个辐射校正场的地理位置和地表覆盖特征如表3所示。

表3 敦煌、内蒙古辐射校正场地理位置和地表覆盖特征Tab.3 Geographic location and surface cover characteristics of Dunhuang and Inner Mongolia radiometric calibration sites

敦煌辐射校正场面积大，不仅地物类型均一，而且光学特性随时间变化相对较稳定;内蒙古辐射校正场因有植被覆盖，全年变化较大，场地的稳定性不如敦煌校正场，因此对传感器进行定标时，需要有同步或准同步的实测数据，但该校正场具有以下优点:

(1)内蒙古辐射校正场的地表覆盖类型包括草地和水体，平坦开阔的贡格尔草原和水域广阔的达里湖，可作为中低反射率目标的验证目标和用于红外波段的绝对定标。

(2)内蒙古辐射校正场地表覆盖有大面积、均匀分布的针毛草，不仅可以作为卫星传感器的辐射校正场，而且可作为叶面积指数、NDVI等数据的真实性检验场。

(3)内蒙古辐射校正场交通便利，距北京仅半天的车程，根据多年的辐射定标实验经验，在内蒙古辐射校正场开展辐射定标实验的成本仅为敦煌辐射校正场的四分之一。

4 结论

通过同步观测实验，分析了内蒙古辐射校正场的地表反射光谱特性和大气气溶胶特性，并与敦煌辐射校正场进行了对比分析。结果表明:内蒙古辐射校正场地表地物类型均一，在天气晴朗的情况下，大气清洁、大气气溶胶含量低，而且交通便利、定标成本低。因此可将内蒙古辐射校正场作为我国备用的卫星传感器辐射校正场，用于卫星传感器的在轨辐射定标及定标结果和遥感数据的真实性检验，以提高我国遥感数据的可靠性与精度。

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Characterization Evaluation and Potential Application Analysis of the Inner Mongolia Radiometric Calibration Site

MA Xiao － hong1，2，3，YU Tao2，3，GAO Hai－ liang2，3，CHEN Xing － feng2，3，XIE Yu － juan1，2，3，HAN Jie1，2，3
(1.School of Surveying ＆ Land Information Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China;2.State Key Laboratory of Remote Sensing Science，Institute of Remote Sensing Applications，CAS，Beijing 100101，China;3.Demonstration Center of Spaceborn Remote Sensing，National Space Administration，Beijing 100101，China)

Using surface reflectance data and atmosphere aerosol data measured at the Inner Mongolia radiometric site in June，2010，this paper analyzed the surface reflectance characteristics，atmosphere aerosol properties and geography conditions and made a comparison between the Inner Mongolia test site and the Dunhuang radiometric calibration site.The results show that the relative deviation of reflectance is less than 5%，indicating that the site has good uniformity，that the aerosol optical thickness of each channel is up to 0.1 ～0.2 during the fine weather，that the transportation is very convenient and that the cost of the calibration experiment is low.Therefore，the Inner Mongolia radiometric site not only can be used to carry out on－orbit radiometric calibration and validation experiments as the spare radiometric calibration site，but also can improve reliability and accuracy of homemade satellite remote sensing data.

Radiometric calibration site;Inner Mongolia radiometric calibration site;Surface reflectance;Atmosphere aerosol optical thickness

TP 722.4

A

1001－070X(2011)04－0031－06

2011－03－28;

2011－05－16

科技部国际科技合作计划项目(编号:2010DFA21880)、国家自然科学基金面上项目(编号:40971227)及国际科技中澳合作项目(编号:2008DFA21540)共同资助。

马晓红(1986－)，女，硕士研究生，主要从事卫星传感器在轨辐射定标研究。

(责任编辑:刁淑娟)