基于多遥感器的GF4交叉辐射定标

田传阳 谢勇 宦海 邵雯

摘  要： 在定量遥感的分析与应用中，辐射定标是基础。文中以敦煌辐射校正场为实验场地开展GF1，MODIS，LandSat8与GF4可见光及近红外的交叉定标，中波红外波段采用基于Atmospheric Infrared Sounder（AIRS）的中波红外交叉定标。通过对4个遥感器的可见光及近红外波段的匹配以及GF4与AIRS中波红外波段的匹配，选取遥感器相互匹配的波段。对卫星拍摄的同时对相同区域的影像开展交叉定标，结果表明，可见光及近红外交叉定标获得的定标系数误差均在5%以内，中波红外交叉辐射定标的定标系数误差在8%以内。通过GF4可见光及近红外、中波红外的定标系数误差，表明GF4的定标精度相对较高，满足遥感定量的需求。

关键词： 交叉定标; 辐射定标; 遥感图像; 遥感器; 波段匹配; 定标精度

中图分类号： TN215?34; TP79                   文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）10?0001?05

GF4 cross radiometric calibration based on multiple remote sensors

TIAN Chuanyang1， XIE Yong2，3， HUAN Hai1， SHAO Wen1

（1. School of Electronic & Information Engineering， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China;

2. School of Geography & Science， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China;

3. Nanjing Research Center， National Engineering Laboratory for Remote Sensing Satellite Applications， Nanjing 210044， China）

Abstract： The radiometric calibration is the basis for the analysis and application of quantitative remote sensing. The GF4 cross calibration in near infrared and visible light wavebands are carried out in the Dunhuang radiometric calibration field， in which GF1， moderate?resolution imaging spectroradiometer （MODIS） and LandSat8 are taken as the reference satellites， and the mid?wave infrared cross calibration in the mid?wave infrared waveband is based on atmospheric infrared sounder （AIRS）. The matching wavebands of the remote sensors are selected by matching the visible light and near?infrared wavebands of the four remote sensors， and the mid?wave infrared wavebands of GF4 and AIRS. The cross?calibration of the image taken by the satellites in the same time and area is carried out. The results show that the calibration coefficient errors obtained by cross?calibration of visible light and near?infrared wavebands are all within 5%， and the cross radiometric calibration of mid?wave infrared wavebands is within 8%. The calibration coefficient errors of GF4 at visible light， near infrared and mid?wave infrared wavebands indicate that the calibration accuracy of GF4 is relatively high， which can meet the requirements of remote sensing quantification.

Keywords： cross calibration; radiometric calibration; remote sensing image; remote sensor; wavebands matching; calibration precision

“高分四号”（GF4）于2015年成功发射，经过4次变轨到达预定轨道，于2016年6月开始投入使用[1]。GF4是“国家高分辨率对地观测系统重大专项”中唯一的一颗高轨遥感卫星，轨道高度为36 000 km，具备全色、多光谱和中波红外谱段成像的能力，搭载一台可见光50 m分辨率、中波红外400 m分辨率、幅宽400 km以上的凝视相机。该相机具有3种成像方式：凝视成像、区域成像、巡查成像[2]，与此同时，GF4具有长期驻留固定区域的能力。利用GF4这一特性和快速指向调整的优势，可快速对我国及周边地区的观测任务进行响应，实现高时间分辨率和较高空间分辨率的结合。目前GF4主要应用于减灾、林业、地震、气象、火灾等方面，并可为海洋、国土、水利等方面提供遥感数据[3]。

截至目前，GF4在轨运行已有4年之久。卫星上搭载的光学器件随着在轨运行时间的推移以及太空环境的变化，光学元件逐渐老化[4?5]，谱段的辐射特性发生改变，发射前实验室定标的结果已不能反映此时GF4光学器件的辐射特性。而且星上搭载定标黑体的光路结构差异、性能稳定性下降以及性能变化监测手段的匮乏等造成了星上定标结果精度受限和时间有效性的缩短，这些都导致辐射性能发生变化[6]。通过交叉定标可以随时对传感器进行性能监测，进而根据监测结果进行调整与改进，从而减少误差对定标的影响。

当前国际上在轨辐射定标主要有场地定标[7]、星上定标[8]和交叉定标[9]等3种方法，官方通常以场地定标法为基准，获取场地辐射定标系数。但由于场地定标的影响因素较多，费时费力，国外通常1年只进行两次场地定标实验，国内为一次。场地定标的次数有限，无法动态地监测传感器的辐射性能变化[10]。交叉定标是使用高辐射精度的卫星来校准辐射精度较低的卫星，是目前检查与验证传感器测量精度和稳定性的有效方法。现阶段GF4每年只开展一次场地定标，不能动态地监测传感器的辐射特性。而采用交叉辐射定标可以及时了解卫星传感器的性能变化情况，有助于提高定标精度。本文选取我国的GF1以及国外的MODIS（Moderate?resolution Imaging Spectroradiometer），LandSat8，AIRS[11]作为参考卫星，开展与GF4的交叉定标。通过多颗高精度卫星对GF4进行交叉辐射定标，综合对比多颗卫星的定标结果，全面了解GF4运行的辐射特性。

1  基本原理

1.1  交叉辐射定标方法

交叉辐射定标是一种定标方法，该方法是以精度较高的卫星作为参考卫星，以同时或近同时的相同影像区域为基准，进行传感器间的光谱通道匹配，建立参考传感器与待定标传感器之间的线性关系，通过线性定标系数，实现交叉辐射定标。

交叉辐射定标流程如图1所示。

交叉定标方法只需要通过影像数据即可完成定标，不需要实地观测数据，提高了定标频率，减少了人力物力的损耗，是目前较方便的定标方法。而且该方法还可用于对过去影像的定标，了解传感器定标随时间的变化。GF1，GF4，MODIS，LandSat8卫星各波段对比如表1所示。

在進行交叉定标时，MODIS和LandSat8的表观辐射亮度公式为：

[RiMLGF1=Wigain（DNiMLGF1-Bioffset）] （1）

式中：[RiMLGF1]是MODIS，LandSat8，GF1卫星影像的第i波段的表观辐射亮度;[Wigain]是第i波段的增益系数;[Bioffset]是第i波段的偏移量;[DNiMLGF1]是第i波段的数字计数值（MODIS的可见近红外波段是1，2，3，4，LandSat8是波段2，3，4，5）。再根据GF4的DN（Digital Number）建立一元线性拟合，获取定标系数，方程为：

[RjMLGF1=gainj·DNjGF4-offsetj] （2）

式中：[gainj]是第j波段的增益系数;offsetj是第j波段的偏移量;[DNjGF4]是GF4第j波段的数字计数值，j=1，2，3，4。

在进行中波红外定标时，由于GF4中波红外波段带宽较宽，与GF4相匹配的AIRS有234个波段，其中有效波段有222个。本文根据GF4的中心波长为3.80 ?m，选取AIRS在3.80 ?m附近的3个波段，根据3个波段与GF4光谱响应函数的交点分别计算对应的权重，以及将3个波段拟合成1个波段与GF4进行交叉辐射定标。

权重计算公式为：

[bx=yxy1+y2+y3，  x=1，2，3] （3）

式中：x表示波段;[bx]表示第x波段的权重;y表示对应的3个光谱响应函数的交点值。

拟合辐亮度计算公式为：

[Rfitting=x=13bx·rx] （4）

式中：[Rfitting]表示三波段拟合计算的辐亮度值;[bx]表示第x波段的权重;rx表示第x波段的辐亮度值。

1.2  研究区域

本文选取敦煌辐射校正场（93°42′56″E～95°3′35″E，39°34′8″N～40°38′28″N）作为可见光及近红外定标场地[4]。作为我国国家级辐射校正场，敦煌地处甘肃，明显的特点是气候干燥、降雨量少、蒸发量大、昼夜温差大。敦煌区域地表均匀，生物多样性较少，辐射特性较为稳定不易变化，适合进行绝对辐射定标。中波红外定标场选取的是河北的草场和福建的沙滩等地，都具有区域辐射特性均匀稳定的特性，适合开展定标研究。

1.3  参考卫星的选择

本文选取国外的MODIS和LandSat8卫星作为可见光及近红外波段的参考卫星。在Terra和Aqua卫星上都有搭载MODIS相机，有36个波段，光谱范围较宽[12]，单波段带宽较窄，且具有星上定标的能力，误差在2%左右;LandSat8卫星的定标精度为5%左右，精度较高，选取作为参考遥感器。AIRS是国际上第一个真正意义上的星载高光谱红外大气探测仪器。其光谱分辨率优于1 200 m，辐射测量精度优于0.2 K，使星载大气探测仪探测能力满足当前精度水平，适合作为参考卫星[13]。GF1卫星的遥感数据通过多种参考目标法实现宽动态定标，定标精度相对较高，精度为5%，也被选作为参考卫星[14]，进行国内卫星之间的交叉定标。

1.4  数据的选取

在开展交叉辐射定标之前，根据可见光及近红外波段选择GF1，GF4，MODIS，LandSat8四个卫星的有效影像对，根据中波红外波段选择GF4与AIRS匹配的影像对。其中数据选取有以下几个条件：相同区域的时间差要控制在1 h以内，时间差过长将会导致区域气候发生变化以及光谱特性改变，对定标产生影响;要求区域上方无云，云会对光的传输产生影响而且云在短时间内可能会发生剧烈变化;尽量选取影像的中心区域[15]。

1.5  光谱响应函数匹配

本文针对GF4的可见光及近红外通道与GF1，MODIS，LandSat8进行光谱匹配，光谱匹配的关键环节是选择与GF4卫星相机的4个多光谱波段相匹配的GF1，MODIS和LandSat8卫星波段。

从图3四颗卫星的光谱响应曲线可以看出，GF1和GF4前3个波段和MODIS，LandSat8的波段匹配比较好，第4波段匹配相对有所偏移，但是GF1和GF4的波段匹配的很好。同时也可以看出，MODIS与LandSat8的波段相对匹配较好[16]，带宽相对国产卫星的较窄。

而GF4中波红外通道与AIRS进行波段匹配时，由图3可知在GF4中波红外通道范围内，AIRS有234个波段（12个波段损坏）。由于匹配通道较多，本文选取GF4中心波长处的3个波段。

1.6  数据的处理

由于GF4/PMS的分辨率为50 m，MODIS的分辨率为250 m，LandSat8的空间分辨率为30 m，GF1的分辨率为16 m，因此需要統一4个传感器的空间分辨率。通过3次内插方法把GF4，GF1，MODIS，LandSat8空间分辨率统一降为250 m。在进行中波红外定标时将GF4空间分辨率降为1 000 m，在此基础上与AIRS进行定标。本文采用SIFT算法进行GF4与MODIS，LandSat8，GF1以及AIRS的数据匹配，通过该算法选取极值点（具有极强的局部稳定性的点）作为影像对的同名点。

2  实验结果

依据式（1）、式（2）计算出GF1，MODIS，LandSat8，AIRS的辐亮度值以及传感器相应的增益和偏移量。图4～图6是GF4卫星和MODIS，LandSat8，GF1的交叉辐射定标拟合图。图中，x轴表示GF4的DN值，y轴表示MODIS、LandSat8、GF1的表观辐射亮度值，拟合系数及误差如表2所示。

定标 增益 误差 /% 增益 误差 /% 增益 误差 /% Band2 0.174 9 0.170 5 2.50 0.177 5 1.49 0.180 5 3.20 Band3 0.190 3 0.182 3 4.20 0.192 2 0.99 0.187 2 1.63 Band4 0.153 2 0.148 6 3.00 0.157 4 2.74 0.160 2 4.57 Band5 0.107 3 0.103 4 3.58 0.110 3 2.80 0.105 7 1.52 ]

图7是GF4与AIRS在河北等地的交叉辐射定标结果。在图7中，x轴表示GF4 DN值，y轴表示三波段的拟合辐亮度值。从表2中可以看出，通过GF4与MODIS，LandSat 8，GF1交叉定标结果，可以得到以下结论：

2） 比较GF4?MODIS，GF4?GF1和GF4?LandSat8交叉定标获得的定标系数及误差可知，以LandSat8为参考卫星的可见光及近红外的定标结果最好，且都在3%以内。

3） 通过GF1卫星对GF4卫星进行定标，结果与官方定标系数相比误差分别是3.2%，1.63%，4.57%，1.52%。并由图6可以看出，GF4和GF1的光谱匹配效果比其他两颗卫星要好，且都是国产卫星没有跨时区的问题，适合开展我国自主同类卫星遥感器间的交叉定标研究。

4） 从图7可知GF4中波红外波段的定标误差分别为6.6%，1.3%，1.8%，7.8%，表明GF4中波红外波段的精度是比较高的。

3  结  论

通过对GF4可见光及近红外、中波红外波段的交叉辐射定标研究，结果表明GF4的辐射定标精度是比较高的。无论是可见光及近红外波段还是中波红外波段，定标精度都满足定量遥感的需求。同时，通过GF1对GF4的定标结果来看，GF1的定标精度在5%以内，而且GF1与GF4波段匹配较好，且在相同的时区，适合开展我国自主同类卫星遥感器间的交叉定标研究。目前为止，针对GF4与AIRS的中波红外定标研究还有许多不足，本文只是对AIRS的222个匹配波段中的3个波段，做了一个拟合定标，并未对所有匹配波段进行细致的研究，接下来将会对AIRS的222个有效波段进行总体的分析与研究。

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