利用GF-1对ZY-1 02C卫星PMS相机进行交叉检校

韩启金 刘李 张学文 杨磊 王爱春

（中国资源卫星应用中心，北京 100094）

利用GF-1对ZY-1 02C卫星PMS相机进行交叉检校

韩启金 刘李 张学文 杨磊 王爱春

（中国资源卫星应用中心，北京 100094）

为检校ZY-1 02C卫星PMS相机在轨辐射性能，以GF-1卫星遥感器为参考开展ZY-1 02C卫星PMS相机交叉检校。首先，介绍了交叉检校方法，并讨论两个遥感器间光谱特性差异和数据相关性；其次，分析光谱匹配因子在不同观测路径、地物类型条件下的稳定性，并选取5个相对均匀区域进行GF-1卫星与ZY-1 02C卫星PMS相机的交叉检校，获得了ZY-1 02C卫星PMS相机的辐射性能变化情况和新定标系数；最后利用地面实测数据对新辐射定标系数进行精度验证。结果表明：ZY-1 02C卫星PMS相机在轨辐射特性发生了变化，以GF-1卫星遥感器为参考可有效检测校准ZY-1 02C卫星PMS相机辐射性能的衰减量。

ZY-1 02C卫星 遥感器 辐射性能 检验 定标

0 引言

随着遥感数据定量化研究的深入和应用水平提高，确保遥感数据产品辐射质量（quality，全文同）的稳定性和一致性已成为地面处理系统的一项重要工作，定标检校作为确保遥感产品反演摆脱遥感器自身性能变化和数据处理等因素影响的关键环节，不但可以监测和校准遥感器在轨辐射性能变化，一定程度上也决定着遥感数据定量化应用的效果[1]。卫星在轨运行过程中受多种因素的影响，搭载的遥感器辐射响应性能。即遥感器入瞳处辐射能量与输出计数值之间的定量关系会不同程度的发生变化，必须采用一定的手段对辐射响应变化进行检测和校准，从而确保遥感器输出产品的辐射质量、时序一致性和稳定性[2]。

近年来，我国相继发射了一系列高分辨陆地观测卫星，其中“资源一号02C”（ZY-1 02C）卫星是我国首颗专门为国土资源用户定制的业务化运行卫星，星上搭载了两台空间分辨率为2.36m的全色TDICCD高分辨率相机（HR相机）和一台空间分辨率为5m/10m的全色/多光谱相机（ZY-1 02C PMS相机），设计寿命3年。为确保ZY-1 02C PMS相机在轨辐射测量精度和定量应用，必须采用替代手段对该遥感器在轨辐射性能进行检校。目前较常用的卫星遥感器检校方法是场地试验法，该方法受场地特性、星地同步观测及测量仪器精度等多个因素影响，既耗费大量的人力、财力和物力又无法实时的使用，而交叉检校由于不受场地、天气和时间的限制，得到了快速的发展，但其精度和频次主要取决于参考卫星遥感器自身精度以及轨道重叠频率[3-7]。高分辨率对地观测系统重大专项的首发星“高分一号”（GF-1）卫星搭载了2台2m全色/8m多光谱相机（GF-1 PMS相机），该遥感器采用了星上自身暗噪声校准装置，对卫星观测数据的地面处理采用了多项新方法，包括90°偏航的相对辐射校正和多场地宽动态的绝对辐射定标，使得该卫星遥感器绝对辐射定标的不确定度小于5.35%，同时GF-1卫星与ZY-1 02C卫星同类遥感器的光谱波段设置相一致，这为ZY-1 02C卫星PMS相机的交叉检校提供了参考源。

文章以ZY-1 02C卫星PMS相机为研究对象，在分析GF-1 PMS相机与ZY-1 02C卫星PMS相机光谱响应特性差异和同时相遥感图像相关性的基础上，选取光学特性稳定的大面积均匀地物目标作为匹配样区，开展GF-1卫星与ZY-1 02C卫星遥感器的交叉检校。检验了ZY-1 02C卫星PMS相机辐射性能变化趋势，并修正在轨绝对辐射定标系数，最后讨论了国产同类卫星遥感器间相互交叉辐射检校的可行性和必要性。

1 方法与研究数据

1.1 算法模型

交叉检校，是以某个经过高精度定标的同类卫星遥感器为参考，获取两颗卫星遥感器过境同一地面区域时的遥感数据，并以参考卫星遥感器输出数据获取的表观辐亮度（或表观反射率）为参考值，经过波段光谱匹配、空间匹配和尺度转换等相关处理后，获得等效的待检校卫星遥感器对应波段的等效辐亮度，以该值为基准对待检校卫星遥感器进行检验和校准，实现目标卫星遥感器辐射性能的检测校正[8-9]，具体检校技术流程如图1所示。

1.2 遥感器对比

1.2.1 光谱特性对比

交叉检校的关键是参考遥感器的谱段设置应尽可能涵盖待检校卫星遥感器的波段设置，GF-1与ZY-1 02C卫星PMS相机谱段设置一致（技术参数见表1），为后续光谱差异修订提供了较好的条件。但受CCD器件响应差异和光路系统影响，不同遥感器相同谱段的光谱响应存在一定差异，因此在交叉检校过程中必须修订光谱差异引入的影响[10]。ZY-1 02C和GF-1卫星遥感器对应的波段中，仅B4波段响应差异较大，而有效波长中除全色波段为4.1%，其余波段的相对差异均小于1.5%（图2），这进一步证明了两个遥感器较好的光谱一致性。

图1 不同卫星遥感器交叉检校流程Fig.1 Cross validation and calibration of different remote sensors

表1 不同卫星遥感器技术参数对比Tab.1 Comparison of remote sensors parameters between different satellites

图2 不同卫星遥感器光谱响应对比Fig.2 Comparison of relative spectral responses between different sensors

1.2.2 数据相关性分析

交叉检校需要考虑不同卫星遥感器之间的空间一致性，考虑到ZY-1 02C与GF-1卫星对应遥感器的空间分辨率相近，参考卫星GF-1的图像分辨率高于ZY-1 02C，因此几何匹配和尺度转换过程中，尺度效应的影响可以忽略。选取2013年6月22日ZY-1 02C和GF-1卫星同时过境敦煌等地区图像数据进行分析，处理后两卫星遥感图像匹配精度均优于0.5～1.0个像元（图3），且相关性较高（见图4）。考虑到GF-1卫星在轨绝对辐射定标系数精度可靠，因此以GF-1卫星遥感器为参考对ZY-1 02C卫星遥感器进行交叉检校是可行的。

图3 GF-1卫星与ZY-1 02C卫星对应波段遥感图像空间几何配准：全色波段（左），多光谱波段（右）Fig. 3 Spatial matching of images between GF-1 and ZY-1 02C: pan band (left), multispectral band (right)

图4 ZY-1 02C与GF-1卫星遥感图像的相关性分析Fig.4 Correlation analysis results between ZY-1 02C and GF-1 images

2 结果分析

2.1 数据匹配处理

交叉检校涉及光谱响应差异以及观测路径、成像时间、空间分辨率等影响因素的校正统一[11]，由于两个卫星遥感器光谱特性差异较小，因此检校重点在于空间匹配、尺度转换和辐亮度信息计算等。具体过程如下：1）以2013年6月22日过境敦煌地区的2景ZY-1 02C卫星PMS遥感图像为基准，对同时相的3景GF-1卫星PMS遥感图像进行几何配准，并重采样为ZY-1 02C遥感图像的空间分辨率尺度，选取5个100m×100m的相对均匀目标作为匹配样本，即石膏（样区1）、戈壁（样区2、3）和水体（样区4、5），经分析上述三种样本区表面反射特性稳定，在350～1 000nm通道范围内光谱反射率相对差异均小于1%（图5）；2）对不同遥感器的观测图像进行辐射定标，获得对应的辐亮度数据；3）依据ZY-1 02C和GF-1波段平均光谱匹配因子修订GF-1卫星辐亮度获得ZY-1 02C卫星等效辐亮度，匹配因子计算方法参见文献[12]；4）基于上述等效辐亮度检验ZY-1 02C卫星定标系数精度，并重新进行交叉定标，校准该遥感器的辐射性能变化[12-13]。

图5 ZY-1 02C卫星与GF-1卫星遥感图像样本匹配区Fig.5 Sample matching regions between ZY-1 02C and GF-1 remote sensing images

2.2 结果分析

ZY-1 02C卫星自发射以来，地面系统于2012年 7月对该遥感器辐射定标系数进行了修订，以GF-1卫星遥感器为参考，对ZY-1 02C卫星PMS相机进行交叉检校，分析在轨辐射测量精度，即定标系数的变化情况（图6）。结果表明：1）利用ZY-1 02C卫星PMS相机现有定标系数获取的辐亮度信息与参考基准相比，出现了较大偏差，基于5个样本区的平均检验偏差，全色波段P为13.26%，绿光谱波段B2为7.94%，红光波段B3为2.26%，近红外波段为42.28%；2）对于类似于水体目标的地物类型而言，ZY-1 02C卫星PMS相机的输出辐亮度与参考基准相比，相对偏差全色波段P为 15.21%，绿光波段B2为8.74%，红光波段B3为4.07%，近红外波段B4为90.22%，这进一步说明该遥感器的自身偏移量发生了较大变化，且现有定标系数已无法正确表征其辐射测量性能，必须重新进行定标修订。

图6 基于GF-1数据的ZY-1 02C等效辐亮度与ZY-1 02C输出辐亮度对比Fig.6 Comparison between Equivalent radiance of ZY-1 02C based on GF-1 images and radiance of ZY-1 02C

利用交叉定标方法，以GF-1卫星PMS相机为参考重新对ZY-1 02C卫星PMS相机进行辐射定标，交叉定标结果如表2所示。可看出：ZY-1 02C卫星PMS相机的定标系数中定标偏移量不为0，说明PMS相机定标过程中假设自身暗噪声偏移量为0的方法不可取；采用交叉检校的方法可有效实现卫星遥感器的辐射定标。

表2 交叉定标系数Tab.2 Calibration coefficients between GF-1 and ZY-1 02C PMS

3 验证与讨论

为验证利用GF-1卫星对ZY-1 02C卫星PMS相机进行交叉检校的可行性和精度，采用2013年6月22日敦煌辐射校正场地面同步实测数据对原定标系数和文章获取的交叉定标系数进行对比验证[14]。具体过程如下：1）将处理获得的辐射校正场实测地表反射率数据、大气气溶胶光学厚度数据、大气温湿压廓线以及卫星过境时刻观测几何路径等辅助参数输入到MODTRAN辐射传输模型，模拟出ZY-1 02C卫星PMS相机各波段入瞳处等效辐亮度；2）分别利用新旧定标系数和星—地空间匹配区域提取的平均计数值DN信息，计算出ZY-1 02C卫星PMS相机各波段的输出辐亮度；3）对比验证新旧定标系数的精度[15]。旧定标系数与新交叉定标系数的验证对比结果如表3所示。

表3 旧定标系数与新交叉定标系数的验证对比结果Tab.3 Validation results of old calibration coefficients and new cross-calibration coefficients

ZY-1 02C卫星PMS相机在轨运行过程中，辐射探测性能总体上相对比较稳定，延用旧的定标系数反演的等效辐亮度与参考基准相比，相对差异在3.70%～7.67%之间；而采用新交叉定标系数反演的等效辐亮度与参考基准的总体相对差异小于旧定标系数的结果（表3）。利用GF-1卫星对ZY-1 02C卫星同类遥感器进行交叉检校是可行的，获取的定标校准结果可有效的修正ZY-1 02C卫星遥感器在轨运行过程中辐射探测性能的变化，从而确保该卫星遥感定量产品的质量。为了加强国产陆地观测卫星遥感器间的相互检校比对，并促进我国自主卫星遥感数据的定量化应用，研发具有高精度星上定标装置的高空间分辨率、高时间分辨率光学遥感器和业务化交叉检校系统已成为目前对地观测体系建设的迫切需求。

4 结论

文章在分析GF-1卫星与ZY-1 02C卫星PMS相机对应波段光谱响应差异，及修正因子计算误差和同时相遥感图像的空间匹配精度影响的基础上，以同时相遥感图像为参考，对ZY-1 02C卫星PMS相机的辐射性能进行了交叉检校，检测出该卫星遥感器的在轨辐射探测性能发生了一定变化，并以GF-1卫星遥感器为参考对其进行了交叉定标校准，获取了新的在轨定标系数。经验证分析，基于新交叉定标系数反演的辐亮度产品质量优于采用原定标系数生产的辐亮度产品，与实测数据计算的辐亮度相比，相对误差平均减小了约0.60%，进一步说明采用具有高精度辐射基准的国产卫星对同类卫星遥感器进行在轨交叉检校是可行的，也表明研发自主配备高精度星上定标器的光学遥感器参考基准的必要性，为后续国产陆地观测卫星遥感器间的自动交叉检校提供了一定资料参考。

References)

[1] 顾行发, 田国良, 余涛, 等. 航天光学遥感器辐射定标原理与方法[M]. 北京: 科学出版社, 2013. GU Xingfa, TIAN Guoliang, YU Tao, et al. Radiometric Calibration Theory and Method of Space Optical Sensors[M]. Beijing: China Science Press, 2013. (in Chinese)

[2] 顾行发, 田国良, 李小文, 等. 遥感信息的定量化[J]. 中国科学E辑: 信息科学, 2005, 35(增刊I): 1-10. GU Xingfa, TIAN Guoliang, LI Xiaowen, et al. Quantitative of Remote Sensing Information[J]. Science in China Ser. E Information Sciences, 2005, 35(SI): 1-10. (in Chinese)

[3] Terilet P M , Slater P N, Ding Y, et al. Three Methods for the Absolute Calibration of the NOAS AVHRR Sensors In-flight[J]. Remote Sensing of Environment, 1990(31): 105-120.

[4] 高海亮, 顾行发, 余涛, 等. 星载光学遥感器可见光近红外通道辐射定标研究进展[J]. 遥感信息, 2010 (4): 117-128. GAO Hailiang, GU Xingfa, YU Tao, et al. The Research Overview on Visible and Near-infrared Channels RadiometricCalibration of Space Borne Optical Remote Sensors[J]. Remote Sensing Information, 2010(4): 117-128. (in Chinese)

[5] 韩启金, 潘志强, 王爱春. 民用遥感卫星载荷在轨辐射定标与定量应用[J]. 航天返回与遥感, 2013, 34(2): 57-66. HAN Qijin, PAN Zhiqiang, WANG Aichun. In-orbit Radiometric Calibration and Quantitative Application for Civil Remote Sensing Satellite Payloads[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2013, 34(2): 57-65. (in Chinese).

[6] Teillet P M, Barker J L, Markham B L, et al. Radiometric Cross-calibration of the Landsat-7 ETM+ and Landsat-5 TM Sensors Based on Tandem Data Sets[J]. Remote Sensing and Environment, 2001, 78(1): 39-54.

[7] Teillet P M, Markham B L, Irish R R, et al. Landsat Cross-calibration Based on Near Simultaneous Imaging of Common Ground Targets[J]. Remote Sensing and Environment, 2006, 102(3/4): 264-270.

[8] Gyanesh C, David J M, Dennis L H. Cross Calibration of the Landsat-7 ETM+ and EO-1 ALI Sensor[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2004, 42(12): 2821-2832.

[9] 李小英, 顾行发, 闵祥军, 等. 利用MODIS对CBERS-02卫星CCD相机进行辐射交叉定标[J]. 中国科学E辑: 信息科学, 2005, 35(增刊I): 41-58. LI Xiaoying, GU Xingfa, MIN Xiangjun, et al. Cross-radiometric Calibration of CCD Camera of CBERS-02B Satellite Using MODIS[J]. Science in China Ser. E Information Sciences, 2005, 35(SI): 41-58. (in Chinese)

[10] Rao C R, Chen J. Inter-satellite Calibration Linkages for the Visible and Near-infrared Channels of the AVHRR on NOAA-7, -9, and -11 Spacecraft[J]. International Journal of Remote Sensing, 1995, 16(11): 1931-1942.

[11] Wang Z, Xiao P F, Gu X F, et al. Uncertainty Analysis of Cross-calibration for HJ-1 CCD Camera[J]. Sci China Tech Sci, 2013, 56(7): 713-723.

[12] 韩启金, 潘志强, 张学文, 等. 基于均匀目标的GF-1 WFV与SJ-9A PMS相机交叉定标[J]. 光学学报, 2014, 34(6): 0628003. HAN Qijin, PAN Zhiqiang, ZHANG Xuewen, et al. Cross-calibration of GF-1 WFV and SJ-9A PMS Sensors Based on Homogeneous Land Surface Targets[J]. Acta Optical Sinica, 2014, 34(6): 0628003. (in Chinese)

[13] 韩启金, 傅俏燕, 潘志强, 等. 资源三号卫星靶标法绝对辐射定标与验证分析[J]. 红外与激光工程, 2013, 42(S1): 167-173. HAN Qijin, FU Qiaoyan, PAN Zhiqiang, et al. Absolute Radiometric Calibration and Validation Analysis of ZY-3 Using Artificial Targets[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(S1): 167-173. (in Chinese)

[14] 巩慧, 田国良, 余涛, 等. CBERS-02B 卫星CCD相机在轨辐射定标与真实性检验[J]. 遥感学报, 2010, 14(1): 1-12. GONG Hui, TIAN Guoliang, YU Tao, et al. Vicarious Radiometric Calibration and Validation of CBERS-02B CCD Data[J]. Jourmal of Remote Sensing, 2010, 14(1): 1-12. (in Chinese)

[15] 高海亮, 顾行发, 余涛, 等. 基于内蒙试验场地的定标系数真实性检验方法研究与不确定性分析[J]. 中国科学: 地球科学, 2013, 43(2): 287-294. GAO Hailiang, GU Xingfa, YU Tao, et al. Method Study and Uncertainty Analysis of Calibration Coefficients Validation Based on the Inner Mongolia Test Site[J]. Science China: Earth Sciences, 2013, 43(2): 287-294. (in Chinese)

Cross-validation and Calibration of ZY-1 02C PMS Sensor Using GF-1 Satellite

HAN Qijin LIU Li ZHANG Xuewen YANG Lei WANG Aichun
（China Center for Resources Satellite Date and Application, Beijing 100094, China）

In order to validate and calibrate on-orbit radiometric properties of ZY-1 02C PMS sensor, the cross-validation and calibration of ZY-1 02C PMS sensor based on well-calibrated GF-1 sensor is carried out. Firstly, it introduces cross-validation method and discusses the difference of spectral bands and relativity of remote sensing images between two sensors. Secondly, the stability of spectral band matching factors is analyzed for different observing geometry and land surface characteristics, and then the radiometric properties changes and new calibration coefficients of ZY-1 02C PMS sensor are obtained by choosing five symmetrical matching regions. Finally, the validation of new calibration coefficients is carried out by using site measurements data. The present study indicates that the on-orbit radiometric properties of ZY-1 02C PMS sensor have changed and the degeneration can be corrected by cross-calibrating with GF-1 sensors.

ZY-1 02C satellite; sensor; remote radiometric properties; validation; calibration

V474.2

A

1009-8518(2015)01-0073-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2015.01.010

2014-06-16

国家863计划（2012AA12A302）资助课题

韩启金，男，1983年生，2010年毕业于中国空间技术研究院飞行器设计专业，硕士，工程师。主要从事卫星光学载荷性能检测与遥感应用研究工作。