CBERS-04卫星宽视场成像仪在轨场地辐射定标

刘李傅俏燕潘志强徐建艳李晓进韩启金张学文刘涛

（1中国资源卫星应用中心，北京 100094）

（2中国航天标准化研究所，北京 100071）

CBERS-04卫星宽视场成像仪在轨场地辐射定标

刘李1傅俏燕1潘志强1徐建艳1李晓进1韩启金1张学文1刘涛2

（1中国资源卫星应用中心，北京 100094）

（2中国航天标准化研究所，北京 100071）

CBERS-04卫星宽视场成像仪（WFI）自发射以来，广泛应用于国土、水利、林业资源调查等方面。考虑到卫星遥感器受发射时的振动、在轨空间环境变化以及元器件电路系统老化等因素的影响，各种辐射特性的变化，遥感器的性能和灵敏度不断下降，从而导致整个遥感器辐射性能与原来的标定结果之间存在一定的偏差。2015年8月，通过在敦煌辐射校正场开展辐射定标同步观测试验获取了星地同步观测数据，根据反射率基法计算得到CBERS-04卫星WFI相机的场地定标系数。试验共获取了5次有效数据，根据2015年8月7日，10日，13日的定标试验数据拟合得到WFI的定标系数。同时，根据16日和19日两天的试验数据拟合得到一组新的定标系数作为准真值开展定标系数的验证。结果表明，WFI敦煌辐射定标结果的偏差小于4%。另外，在考虑WFI传感器光谱特性、辐射和空间分辨率、成像条件等差异的基础上，以具有较高辐射定标精度的Landsat-8 OLI作为参考传感器进行定标方法的相对验证，结果显示WFI与OLI的相对定标结果的不确定度在6%左右。

场地定标 验证 宽视场成像仪 中巴地球资源卫星 卫星应用

0 引言

近年来，随着空间科学技术的发展和遥感应用水平的提高，遥感数据的科学应用已不再局限于定性的分析，而是深入到定量的遥感信息分析及应用中。卫星遥感器在轨绝对辐射定标作为遥感数据定量化应用的前提和基础，其精度决定着遥感数据应用的水平，没有高精度的定标，同一颗卫星不同时间的数据资料不能相互比较，不同卫星遥感器观测的数据更不能相互比较[1]。卫星遥感器受发射时的振动、在轨空间环境变化以及元器件电路系统老化等因素的影响，其性能指标（如探测灵敏度、响应度、暗噪声效应）会不断发生变化，直接影响着卫星遥感数据的定量产品精度、可靠性和应用效果，同时还可能掩盖地表信息变化在遥感数据中的细微体现[2]。国内外相关定量化研究成果显示，利用定标后的遥感数据进行地表参量反演，其精度明显高于未做定标时的结果，大量遥感器性能在轨监测结果也显示，遥感器在轨运行期间均会不同程度的发生辐射特性变化，定期开展卫星遥感器在轨绝对辐射定标工作，不但可以监测遥感器性能变化情况，还可以提高卫星辐射响应特性测量精度，从而提高数据产品的质量，满足遥感定量化应用的精度要求。

中巴地球资源系列CBERS-04卫星于2014年12月7日在太原卫星发射中心成功发射。共搭载了4台相机，其中，5m/10m空间分辨率的全色多光谱相机（PAN），40m/80m空间分辨率的红外多光谱扫描仪（IRS），20m空间分辨率的多光谱相机（MUX）和67m空间分辨率的宽视场成像仪（WFI）。WFI传感器具有B1(0.45～0.52µm)、B2(0.52～0.59µm)、B3(0.63～0.69µm)、B4(0.77～0.89µm)可见光—近红外4个波段，其星下点空间分辨率为64m，幅宽为866km，重访周期为3天。多样的载荷配置使其可在国土、水利、林业资源调查、农作物估产、城市规划、环境保护及灾害监测等领域发挥重要作用。卫星产品质量除受卫星遥感器本身影响外，还与卫星在轨地面处理精度和卫星在轨绝对辐射定标精度有关，其中辐射定标作为定量化应用的关键成为卫星在轨运行过程中的重要工作之一。卫星遥感器在轨绝对辐射定标方法主要有星上定标[3]、交叉定标[4]和场地替代定标[5]等，其中场地定标由于不受卫星遥感器本身和其它同类卫星遥感器的限制而成为广大卫星地面处理系统和应用单位完成卫星遥感器在轨辐射性能实时监测和校准的主要手段。目前，我国光学卫星在轨辐射定标试验主要依托敦煌辐射定标场[6]。

本文利用场地定标中的反射率基法[7]，通过分析 2015年 8月敦煌同步观测试验采集的数据，获取CBERS-04卫星WFI的在轨定标系数。并利用同步数据与Landsat-8 OLI传感器的星上定标结果进行验证，验证结果表明本次场地定标的不确定度为6%。

1 卫星传感器入瞳处能量计算

成像过程中接收到的入瞳处表观辐亮度信息是太阳光、大气以及地表相互作用的结果。在忽略电磁波的极化效应，并假设大气为垂直变化、水平各向同性平面和地面为各向同性朗伯体的条件下，入瞳处辅亮度由太阳反射光谱区（0.4～3.0μm）太阳光、大气和地表相互作用及卫星接收辐射信息构成。

卫星遥感器入瞳处所接收的表观辐亮度由大气路径散射（主要包括瑞利散射和气溶胶散射）、目标区反射辐射亮度和邻近目标的散射辐射亮度组成[7]：

式中 Ls(λ)为波长λ处的遥感器入瞳处辐亮度； d2为日地距离修正因子；Es为大气外太阳光谱辐照度；（θs是太阳天顶角）；为向下方向（太阳到地面）大气散射透过率；τ为大气光学厚度； ρn为目标邻近区地表反射率；S为大气球面反照率；（θv是观测天底角）；ρ( λ)为波长λ处目标反射率； td(θv)为向上方向（地面到卫星）大气透射散射因子； ρp是大气路径的反射率[8]。

依据卫星遥感器各波段光谱响应特点，可计算出卫星遥感器波段i的入瞳处等效辐亮度值[9]：

式中 λi为卫星遥感器的等效中心波长； Le(λi) 为卫星遥感器波段i的等效辐亮度； fi(λ)为卫星遥感器波段i的光谱响应函数；λmin、λmax分别为波段i的光谱响应的最小波长和最大波长。

当卫星遥感器辐射探测性能为线性响应时，可假设卫星遥感器观测值和入瞳处的等效辐亮度具有公式（3）中的定量关系。当卫星遥感器观测地面目标时，可获得波段观测值与等效辐亮度数据，则可通过最小二乘法拟合出卫星遥感器在轨绝对辐射定标斜率（Gain）和定标截距（Bias），如仅有一个地面目标场地，则假设Bias在轨运行过程中未发生变化，从而确定出定标斜率[10]。

式中 Gain为定标斜率；Bias为定标截距；DN为卫星遥感器波段i的灰度值。

2 试验数据处理

反射率基法主要是在卫星遥感器飞过辐射校正场的前后半小时内，同步测量地表反射率、大气光学参量及其它参数[11]（其中根据公式(4)手持光谱仪测量所得的地表反射率值与WFI传感器对应波段的光谱响应函数卷积得到地表波段等效反射率（表1），大气光学厚度参数(AOD)由CE318太阳光度计获取（表2））；利用辐射传输模型计算卫星遥感器入瞳处辐射亮度值（表3）；然后与卫星遥感器波段光谱响应函数卷积得到卫星遥感器波段处等效辐射亮度值，通过在WFI影像上的敦煌定标场区域选择感兴趣提取得到同步卫星影像的卫星计算值（表4）；最后结合卫星遥感器观测值计算定标系数[12]。

3 结果及验证

经过2015年8月的敦煌试验，共获取了五天的地表同步反射率数据及大气数据等辅助参数，波段1在高亮场地的5次成像全部出现了饱和，波段3在高亮场地的影像仅于8月19号的1次成像未饱和。

利用表4和表5中2015年8月7日，8月10日，8月13日的WFI入瞳处等效辐亮度值和卫星灰度值进行线性拟合，得到WFI传感器定标系数（图1）。同时，利用2015年8月16日和8月19日两天的数据拟合得到一组新的定标系数作为验证（图2）。

表1 地表波段等效反射率Tab.1 Equivalentsurfacereflectance

表2 C E318大气光学厚度观测数据处理结果Tab.2 AOD results of CE318

表3 WFI入瞳处辐亮度Tab.3 WFI at-sensor radiance (W·m-2·sr-1·μm-1)

表4 卫星影像通道灰度值提取Tab.4 DNs of the sensor image

图1 CBERS-04卫星WFI传感器场地定标系数Fig.1 Site calibration of CBERS-04 WFI

以8月16日和19日两天的拟合结果为准真值，计算定标系数的相对偏差（表5）。由验证结果可知，针对B1，B2，B3，B4波段的两次定标结果的相对偏差分别为2.62%，0.70%，3.94%，0.40%。

与此同时，选择Landsat-8 OLI做为参考传感器对本次WFI场地定标方法开展交叉检验。参考遥感器Landsat-8为OLI设置有9个光谱波段[13]，其中太阳反射波段具有30m的空间分辨率，经分析OLI遥感器的B2、B3、B4、B5与多光谱相机B1、B2、B3、B4波段范围相近，具有作为参考遥感器对CBERS-04卫星WFI相机进行交叉检验的可行性。

图2 CBERS-04卫星WFI传感器场地定标系数验证Fig.2 Validation of CBERS-04 WFI site calibration

表5 WFI场地定标系数及验证结果Tab.5 Site calibration and validation of WFI (W·m-2·sr-1·μm-1)

针对2015年8月8日的场地实测数据，利用WFI场地定标系数，计算Landsat-8OLI传感器入瞳辐亮度值，与基于星上定标结果所得的入瞳辐亮度值进行比较验证，结果见表6。

基于Landsat-8 OLI遥感器对场地检验结果表明：经过场地定标计算的入瞳辐亮度与星上定标计算的入瞳辐亮度相对偏差在 6%左右。由于入瞳辐亮度的不确定度是等效传递给定标系数的，因此可以认为WFI相对于OLI的定标系数不确定度在6%左右。

表6 Landsat-8 OLI入瞳辐亮度Tab.6 At-sensorradianceof Landsat-8 OLI (W·m-2·sr-1·μm-1)

4 结束语

首次针对2014年发射的CBERS-04卫星WFI传感器开展在轨场地辐射定标方法研究，利用敦煌石膏场和戈壁场的地表反射率数据，以及场地大气参数等辅助数据，基于场地反射率基法拟合得到WFI传感器4个波段的辐射定标系数。并通过多次场地定标结果的比对开展定标系数的自身验证。同时，通过具有相似光谱特性和空间分辨率的 Landsat-8 OLI传感器星上定标数据与场地定标数据的比较开展交叉验证。结果表明：

1）利用2015年8月7日，10日，13日的定标试验数据拟合得到WFI的定标系数为0.152 5，0.171 2，0.134 1，0.126 3。同时，根据16日和19日两天的试验数据拟合得到的定标系数为0.148 6，0.172 4，0.139 6，0.125 8。结果表明，本次WFI敦煌辐射定标结果的偏差小于4%。

2）利用Landsat-8 OLI开展了试验结果的相互验证，通过比较其8月8日的星上定标与场地定标结果，显示WFI与OLI的相对定标结果的不确定度在6%左右。

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Site Calibration of CBERS-04 WFI Using Reflectance-based Method

LIU Li1FU Qiaoyan1PAN Zhiqiang1XU Jianyan1LI Xiaojin1HAN Qijin1ZHANG Xuewen1LIU Tao2

（1 China Center for Resources Satellite Data and Application, Beijing 100094, China）
（2 China Astronautics Standards Institute, Beijing 100071, China）

CBERS-04 wide field imager (WFI) has been widely used in the land, water conservancy and forestry resources investigation. A satellite remote sensor is inevitably affected by the vibration of the launch, on-orbit space environment change and component aging. The influences of such factors lead to the change of radiation characteristics and the decline of performance and sensitivity of the sensor, which results in the deviation between the sensor’s on-orbit performance and prelaunch calibration. In August 2015, synchronous observation data were obtained through site calibrations at Dunhuang correction field. Reflectance-based method was used to calculate the calibration coefficients of CBERS-04 WFI. The in-situ measurements on August 7th, 10thand 13thare used to calculate the calibration coefficients of WFI. The results determined by the August 16th, 19thdata are used for validation. The validation results show that the relative deviation is less than4%. At the same time, Landsat-8 OLI was selected as the reference sensor to make cross verification of the site calibration results based on the varieties of the spectral characteristics, radiation and spatial resolution, and imaging conditions. The cross verification results show that the uncertainty between the calibration results of WFI and OLI is about 6%.

site calibration; verification; wide field imager; China–Brazil Earth resources satellite; satellite application

TP732

A

1009-8518(2016)01-0089-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.01.011

刘李，男，1984年生，2013年获中国科学院遥感与数字地球研究所地图学与地理信息专业博士学位，工程师，高分定标检校系统主管设计师，主要从事卫星传感器辐射定标及定量化应用方面的研究工作。Email:liulicugb@126.com。

（编辑：王丽霞）

2015-10-13

国家自然科学基金（41401424）