HJ－1A星辐射定标及近海水体大气校正的精度验证＊

肖艳芳，朱 琳，赵文吉

（首都师范大学 三维信息获取与应用教育部重点实验室，北京100048）

HJ－1A星辐射定标及近海水体大气校正的精度验证＊

肖艳芳，朱 琳，赵文吉

（首都师范大学 三维信息获取与应用教育部重点实验室，北京100048）

以应用HJ－1A星数据进行近海水体定量反演为目的，对HJ－1A星CCD的星上定标系数的精度进行验证，并基于Landsat－5TM数据对其进行交叉定标。在此基础上反演近海水体的反射率，将反演结果与实测水体反射率进行比较发现：对HJ－1A星CCD数据进行交叉定标能在一定程度上能提高近海水体反射率反演的精度。结果表明，HJ－1A星CCD影像的星上定标系数不够精确，在利用该数据进行近海水体的定量反演研究时，需要利用交叉定标对星上定标参数进行修正。

交叉定标；星上定标；反射率反演；近海水体；HJ－1A；Landsat－5TM

HJ－1A／B卫星是HJ－1星座的2颗光学小卫星，2008－09－06在太原卫星发射中心成功发射。2颗卫星上都搭载2台宽覆盖多光谱可见光CCD相机。同时，A星上搭载一台超广谱成像仪，B星上搭载一台红外相机。CCD相机共设置4个波段，地面像元分辨率为30m，单台相机幅宽360km，48h即可对全球覆盖一次。作为我国首颗环境与灾害监测国际合作卫星，HJ－1星座在环境与灾害事件的应急观测与快速评估、资源调查与管理、林业与农业生产等领域具有很好的应用前景，对我国及周边国家的遥感应用起到极大的作用。

卫星发射后，一些研究者对卫星的应用潜力进行了分析［1－2］，目前环境一号小卫星的数据已经应用在生态环境监测［3］、水质监测［4－5］、大气监测［6］和农作物病虫害监测［7］方面，对于数据星上定标质量的评价主要集中热红外数据［8－9］和高光谱数据［10］上，关于CCD相机星上定标精度的验证鲜有研究。本研究利用Landsat－5的TM数据对HJ－1A星CCD相机的星上定标结果进行验证，并对其进行基于TM的交叉定标计算；利用基于MODIS数据的大气校正方法，反演近海水体的反射率。基于实测的水体反射率，分析交叉定标对HJ－1A星的CCD影像反演近海水体反射率的影响。

1 辐射定标

辐射定标主要是指将星上观测到的遥感计数值转换为物理量绝对值的过程［11］。在大气层外，太阳的辐照度可以认为是一个常数，因此可以选择太阳作为基准光源，通过太阳定标系统对星载成像光谱仪器进行辐射定标，即星上定标，如TM、MODIS等数据。在这类数据的头文件中都会提供相应的定标系数，HJ－1A的CCD也提供了定标系数，但定标系数的精确程度是否能够满足近海水体定量反演的要求还有待商讨。对没有提供定标系数或定标系数不精确的卫星影像，需要用定标精度较高的卫星对其进行交叉定标［12］。Landsat－5卫星经过精确的标定和严格的在轨测试，运行期间为了保持数据的一致性和数据精度而不断更新定标算法。同时，HJ－1ACCD的波段设置与Landsat－5TM前4个波段的设置相似（表1）。

表1 HJ－1A星CCD和Landsat－5TM对应波段带宽（μm）Table 1 Bandwidth of CCD and Landsat－5TM（μm）

1.1 星上定标精度验证

选取2009－06－25北京延庆盆地的HJ－1A星CCD数据和同日该地区的Landsat－5TM数据进行定标比对及交叉定标研究。两景影像资料过境时间基本一致，且天空晴朗无云，完全可以用于进行对比分析。

利用式（1）将HJ－1A星CCD图像的计数值转换为辐亮度值：

式中，L为某个波段的光谱辐亮度；DN为图像计数值；g和L0为辐射定标参数，可在图像数据的头文件中查找，见表2。

表2 HJ－1A星CCD波段1～4的星上定标系数Table 2 Radiance calibration coefficients of HJ－1Aband 1～4

本次研究使用的Landsat－5TM数据为1级产品，1级产品的DN值是由辐射亮度经线性变换得到的，辐亮度的计算公式如下

式中，DN代表1级产品的像元值；Grescale和Brescale分别为变换的增益和偏置，见表3。

表3 Landsat－5TM波段1～4的辐射定标系数Table 3 Radiance calibration coefficients of Landsat－5TM band 1～4

以Landsat－5TM为基准，对两景影像进行精确的几何纠正，精度控制在0.5个像元以内，确保2种数据的目标基本一致。然后在两景影像对应区域选取建筑物、裸地、水体和植被四类地物，每类地物分别采集10个样点，样点各波段的平均值作为此类地物在相应波段的辐亮度值。由表4可知，对HJ－1A的CCD影像进行星上定标得到的辐亮度与Landsat－5TM的辐亮度存在较大差异，这说明HJ－1A的CCD影像所提供的星上定标系数达不到进行一系列水体定量反演的精度要求。

表4 HJ－1A星CCD星上定标与Landsat－5TM辐射定标结果比较Table 4 Comparison between the satellite Radiance calibration of CCD mounted on Satellite HJ－1A and the Radiance calibration of Landsat－5TM

1.2 交叉定标及精度分析

分别在两景影像对应位置选择高、低计数值均匀的两块区域（每块区域多于50个像元，均方根差小于3）［13－14］，应用两点法，建立Landsat－5TM 和 HJ－1A的CCD各对应波段DN值之间的一元线性回归方程如下

利用式（1），（3），（4），（5），（6）可计算得到 HJ－1ACCD数据1～4波段的交叉辐射定标系数，见表5。

表5 HJ－1A星CCD2数据1～4波段交叉定标系数Table 5 Coefficients of cross radiance calibration for HJ－1ACCD 1～4bands

2 基于MODIS影像的近岸水体反射率反演

2.1 模型计算

卫星接收的总辐射亮度可表示为［15］

式中，Lr为大气分子Rayleigh散射；La为大气气溶胶散射；Lw为离水辐亮度；Lf为海面白帽信号；Lg为海面对太阳光的直射反射；Lb为水底的反射；t为大气漫射透过率；T为大气直射透过率；λ为波段。

在不考虑来自水底反射的影响，同时避开太阳耀斑和白帽的条件下，卫星接收到的总辐亮度可简化为

二类水体大气校正的目的就是要从卫星接收的总辐亮度中去除大气散射Lr，气溶胶散射La，得到离水辐亮度Lw。

2.1.1 大气散射Lr

根据 Gordon单次散射，可推导出 Rayleigh散射［16－17］：

式中，cos（α±）＝±cosθcosθ0＋sinθsinθ0cos（φ－φ0），θ，φ分别为对应像元到遥感器之间连线所构成的向量的天顶角和方位角；θ0，φ0分别为对应像元与太阳之间连线所构成的向量的天顶角和方位角；α为两个向量之间的夹角。在本研究中，以影像头文件中卫星的天顶角和方位角近似代替θ和φ，以太阳的天顶角和方位角近似代替θ0和φ0；ω0为瑞利单次散射反照率，在避开水汽和氧气吸收的波段可近似为1［18］。

Pr（α）为瑞利散射相函数，公式如下

式中，τr为大气瑞利光学厚度：τr（λ）＝（P／P0）τr0（λ）；P0为标准大气压；P为实际大气压［19］。

在本研究中，所使用的瑞利光学厚度应为“波段等效光学厚度”［18］：

式中，Si（λ）为HJ－1A星CCD数据的波段响应函数；λ1，λ2分别为波谱响应函数中对应波段的最大值和最小值；为经过臭氧吸收修订的大气层外太阳辐照度［20］。

式中，＜F0＞为平均日地距离处的大气层外太阳辐照度；D为从1月1日算起的相应日期的公历天数；τoz（λ）为臭氧层光学厚度，可通过NASA网站的实时大气臭氧含量计算得到［18］。

ρ为气水表面对天空光的反射率，由于清洁水体对近红外波段几乎全部吸收，这些波段的水体信号就是天空光的反射信号，因此可以通过式（14）确定气水表面的反射率［21］：

本研究于卫星过境当天在曹妃甸附近海域进行了水体光谱的测量，选取其中最为清洁的水体计算得到ρ为0.029；Lsw为光谱仪测量得到的水体辐亮度；Lsky为光谱仪测量得到的天空光辐亮度。

2.1.2 气溶胶散射La

选取研究区内远离海岸线的清洁水体像元，其近红外波段的离水辐亮度近似为0，即Lw（λ4）～0，忽略太阳直射反射和白帽的影响，第4波段的气溶胶散射为

其他波段气溶胶散射的计算根据Wang和Gordon修改的Angstrom定律［22］：

式中，c为常数，可利用同一块清洁水体的HJ－1A星CCD图像近红外波段和对应MODIS的近红外波段数据得到［23－24］。

2.1.3 大气漫射透过率t

式中，τr（λ）为瑞利散射光学厚度；τoz（λ）为臭氧光学厚度；ta（θ，λ）为气溶胶散射透过率，由于其与气溶胶光学厚度关系不大，通常都将其作为一个常数，取值为1［22］。

遥感反射率Rrs可通过式（18）计算：

Lwn（λ）为归一化离水辐亮度：

2.2 数据处理

本研究以位于渤海湾西北的曹妃甸附近海域为研究区，区域示意图及实测点位置如图1所示。本研究的第1部分对2009－06－25的HJ－1A星CCD影像分别进行了基于星上定标系数的辐射定标和基于Landsat－5TM的交叉辐射定标，对上述2种辐射定标的结果，分别利用第2部分的基于MODIS的近海水体大气校正模型反演水体反射率。

图1 研究区及采样点示意图Fig.1 A sketch map of study area and sampling locations

水体光谱的测量与分析参照唐军武的“水面以上测量法”［21］。对于未严格定标的光谱仪，遥感反射率可通过式（20）计算：

式中，Ssw（λ），Ssky（λ），Sp（λ）分别为光谱仪测得的水体、天空光以及白板的信号值；rs为标准板的反射率；ρ为水气界面反射率，取值0.029，实测水体样点的反射率曲线见图2。

由于光谱响应函数的不同，对于相同的入射光，不同传感器在同一波长位置处接收的辐亮度会有较大差异。因此，为了便于比较，需要计算实测水体的等效波段反射率（图3）：

式中，Si（λ）为HJ－1A星CCD的波段响应函数；λ1，λ2分别为响应函数对应波段的最大值和最小值。

2.3 大气校正结果分析

为了验证交叉辐射定标对HJ－1A星CCD影像近海水体反射率反演的影响，下面结合实测水体反射率对大气校正的结果进行比较和验证。图4和图5分别与图3相比显示，交叉定标结果经大气校正后得到的水体反射率的波段1和波段4的反射率明显降低，比星上定标结果经大气校正得到的水体反射率更接近于实测的水体反射率；波段2和波段3的差异不明显。从水体反射率曲线上看，交叉定标得到的反射率曲线更接近实测的反射率曲线。表6给出了每个样点的星上定标反射率和交叉定标反射率与实测反射率的相对误差，其中，对HJ－1A星CCD影像进行交叉定标后，反演得到的波段1的反射率比进行星上定标得到的结果相对误差降低了10%，波段4的反射率相对误差则降低了120%左右，波段2和波段3没有较大变化。可见，HJ－1A星CCD影像的星上定标参数对于反演近海水体反射率是相对不稳定的，在进行近海水体一系列定量反演时，对其进行交叉辐射定标是必要的。

表6 HJ－1A星CCD星上定标反射率、交叉定标反射率与实测反射率的结果比较Table 6 Comparison among the reflectivities resulting from satellite radiance calibration of CCD，cross radiance calibration and in－situ measurements

3 结 语

本研究基于Landsat－5TM数据对HJ－1A星CCD的定标参数进行验证，认为在利用HJ－1A星CCD数据进行高精度水体反演时直接使用星上定标系数会存在较大误差，需要对星上定标参数进行修正，基于Landsat－5TM数据对HJ－1A星CCD数据进行交叉定标在一定程度上提高了水体反射率反演的精度。由于辐射定标是进行定量遥感需要解决的首要问题，因此本研究为今后利用HJ－1A星CCD数据进行近海水体悬浮泥沙等的定量反演提供了基础。

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Precision Verifications of Radiance Calibration and Coastal Water Atmospheric Correction for Satellite HJ－1A

XIAO Yan－fang，ZHU Lin，ZHAO Wen－ji
（Key Lab of Three Dimension Information Acquisition and Application，Capital Normal University，Beijing 100048，China）

For the purpose of quantitative inversion in coastal waters by using the CCD data of Satellite HJ－1A，the precision of radiance calibration coefficients of the CCD mounted on Satellite HJ－1Awas validated and a cross radiance calibration was performed based on the data from Landsat－5TM.And then，an inversion was made of the reflectivity of coastal waters on the basis of all these data.By comparing the results from the inversion and those from the measurements，it has been found that the cross radiance calibration for the CCT data of Satellite HJ－1Acan，to a certain extent，improve the precision of the inversion of the reflectivity of coastal waters.These results indicate that the onboard radiance calibration coefficients of the CCD images on Satellite HJ－1Aare not precise so enough that the cross radiance calibration should be also applied when the CCD data from Satellite HJ－1Aare used to carry out the quantitative inversion in the coastal waters.

cross radiance calibration；onboard radiance calibration；reflectivity inversion；coastal waters；HJ－1A；Landsat－5TM

September 6，2010

TP79

A

1671－6647（2012）01－0054－09

2010－09－06

国家科技支撑计划重点项目——环北京区域遥感综合监测信息服务系统（2007BAH15B02）

肖艳芳（1985－），女，山东潍坊人，博士研究生，主要从事生态遥感方面研究.E－mail：xiaoyanfang2006＠126.com

（张 骞 编辑）