“高分一号”宽幅多光谱相机时间序列定标

邵雯 谢勇 宦海 田传阳

摘  要： 在轨运行的傳感器辐射性能由于受到元部件老化、外太空辐射等因素的影响会发生变化，通过传感器在轨定标可以对传感器的辐射性能进行监测。时间序列是衡量卫星传感器在轨运行期间辐射性能变化的重要依据。该研究通过交叉定标法对“高分一号”（GF1）卫星的多光谱宽视场成像仪（WFV）开展时间序列定标，采用MODIS作为参考卫星，计算GF1/WFV4相机2013—2018年间的定标系数，将定标系数同官方定标系数相比较，并用归一化法计算相对增益偏差。结果表明，GF1/WFV4相机的每个波段平均相对增益偏差分别为4.18%，4.87%，4.89%和4.46%，基于交叉定标方法获得的定标系数与官方公布的定标系数具有较好的一致性，可以实现对GF1卫星在轨期间辐射特性变化趋势的监测。

关键词： 时间序列定标; GF1; 光谱相机; 交叉定标; 辐射性能监测; 结果分析

中图分类号： TN820.1?34; TP79                 文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）10?0033?05

Time?series calibration for WFV multispectral camera of GF1

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

（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 radiation performance of the sensors operating in orbit will change due to the influence of components′ aging， outer space radiation and other factors， which can be monitored by in?orbit calibration of sensors. The time?series is an important basis for measuring the radioation performance changes of satellite sensors during their in?orbit operation. The time?series calibration for the multispectral WFV （wide field of view） imager of the GF1 （Gaofen?1） satellite is performed by means of the cross?calibration method. The MODIS is taken as the reference satellite when the calibration coefficients of the GF1/WFV4 camera from the year of 2013 to 2018 are calculated. The calculated calibration coefficients are compared with the official calibration coefficients， and the relative gain deviation is calculated by means of the normalization method. The results show that the average relative gain deviations of four wavebands of GF1/WFV4 camera are： 4.18%， 4.87%， 4.89% and 4.46% respectively. The calibration coefficient obtained based on the cross?calibration method is in good agreement with the official calibration coefficient， which can realize the monitoring of the variation trend of the radiation characteristics of the GF1 satellite during its in?orbit operation.

Keywords： time?series calibration; GF1; multispectral camera; cross calibration; radiation performance detection; result analysis

0  引  言

“高分一号”（GF1）卫星是我国高分辨率对地观测系统的首发星，该卫星搭载了2台2 m分辨率全色/8 m分辨率多光谱相机（WFV）和1台16 m多光谱相机（PMS）[1]。2台PMS相机组合幅宽为60 km，4台WFV相机组合幅宽[2]为800 km。在不侧摆的情况下，WFV相机覆盖周期为4天，PMS相机覆盖周期为41天，实现了高空间分辨率和高时间分辨率的完美结合[3]，广泛应用于公安执法、灾害环保、漂物监察和国际救灾等[4]。

GF1卫星距今发射已有6年，由于长时间受到平台震动、零部件松动以及外太空辐射等影响[5]，导致GF1的辐射性能发生衰减，通过在轨定标可以及时追踪GF1在轨传感器的辐射性能，进而调整与改进辐射定标算法，消减可见光辐射传输过程的影响，为提高遥感数据分析的稳定性提供支持[6]。

在国内，官方通常采用场地定标方法获得传感器在轨绝对辐射定标系数，由于场地定标需要大量的同步数据测量，每次测量都需要投入大量的时间，受场地和天气条件的限制，定标成本大，提供的数据有限，无法及时发现传感器自身的衰减且无法对场地定标的结果进行有效的验证[7]。国内开展时间序列定标的研究较晚，目前已有的研究成果中，高海亮等使用沙漠场景法、稳定目标法和交叉定标法对CBERS02B星的CCD相机开展时间序列定标，并比较了三种方法的优缺点[8];周珂等开展了光谱匹配因子对GF1/WFV时间序列交叉定标的影响分析[9]。因此，对卫星的时间序列定标，不仅可以发现传感器自身的稳定性和衰减变化，及时地反馈给地面和制造部门，还可以提高中国高分辨率卫星遥感的应用水平，以及国内卫星数据在许多领域的应用效果。因此对卫星做时间序列定标具有重要的科学意义和实际应用价值[10]。

因此参考借鉴团队里韩杰、谢勇的GF1卫星WFV影像交叉辐射定标，根据我国“高分一号”宽幅多光谱相机的特点，针对GF1卫星宽幅多光谱相机做时间序列定标进行研究，以中分辨率成像光谱仪（MODIS）作为参考，基于我国首个国家辐射校正场及周边均匀目标为匹配样区，通过交叉定标方法得到GF1卫星宽幅多光谱相机的定标系数，进一步获得GF1卫星宽幅多光谱相机2013—2018年時间序列定标结果，为今后开展相关卫星的稳定性分析提供参考。

1  遥感器介绍

“高分一号”宽幅相机（WFV）单个影像的幅宽只有200 km，回归周期时间比较长，如果选取同样幅宽比较窄的LandSat卫星作为参考卫星，能够获得的匹配影像对比较少[11]，无法有效地开展辐射性能稳定性的分析。MODIS影像幅宽比较大，每日可以获取一幅全球的影像，可以获得比较多的同步影像对，从而开展卫星辐射稳定性的分析[12]。因此本文选取MODIS作为交叉定标的参考卫星，光谱响应函数如图1所示。

2  定标原理

交叉定标方法是利用精度较高的MODIS卫星传感器作为参考，需要进行MODIS与GF1/WFV4对应通道的光谱匹配、时间匹配、空间匹配以及观测几何匹配[13]。

本文利用MODIS大气产品替代场地定标的实测数据，选取2个传感器同时或近同时区域成像的影像对消除时间差异[14]，选取敦煌辐射校正场，因为敦煌辐射校正场具有地势平坦、地表特性稳定等优势，可以消除空间差异，利用辐射模型将不同像元进行归一化处理，消除观测几何匹配[15]。首先计算参考卫星MODIS的表观辐亮度，公式为：

[LiM=airad_gain·（DNiM+birad_offset）] （1）

式中：[LiM]是MODIS卫星影像第i波段的表观辐射亮度;[airad_gain]是第i波段的增益系数;[birad_offset]是第i波段的偏移量;[DNiM]是第i波段的计数值。

接着建立参考传感器入瞳辐亮度与目标传感器计数值之间的关系，公式为：

[LiM=aj·DNjGF1+bj] （2）

式中：[aj]是第j波段的增益系数;[bj]是第j波段的偏移量;[DNjGF1]是第j波段的计数值。最后根据定标增益相对误差分析GF1在轨运行的辐射性能，公式为：

[Realative_errori=（Gaini-Gainre）Gainre·100%] （3）

式中：[Gainre]是参考值;i是卫星影像按时间排列总个数中的第i幅影像;Gaini是第i幅影像对的增益;Relative_errori是第i幅匹配影像对的相对误差增益。本文中所用官方定标系数是由中国资源卫星应用中心发布的官方定标系数。

该方法的优势在于：采用MODIS大气产品数据代替场地实测数据，降低了场地定标的测量成本;通过时间序列定标可以实现对GF1在轨辐射性能的实施监测和校正;高频次定标验证了交叉定标方法的准确性和可靠性。

3  结果与分析

3.1  单景辐射定标结果

根据式（1）和式（2）计算MODIS的辐射亮度值和GF1/WFV4相机的DN值，并将GF1的DN值与MODIS的辐射亮度值进行一元线性拟合，获得相应的增益与偏移。图2给出具体的拟合结果例子。其中GF1的影像获取时间为2016?11?01 13：38：40，MODIS影像的成像时间为2016?11?01 05：55：00。因为GF1采用的是北京时间，MODIS采用的是UTC时间，所以实际时间间隔ΔT=17 min。在图2中x轴表示GF1的DN值，y轴表示MODIS的辐射亮度值，拟合结果如图2所示，拟合系数及误差如表1所示。

由图2的拟合曲线可以得到，GF1/WFV4相机4个波段的相关系数分别是：0.949 8，0.932 8，0.949 4，0.951 3，将计算得到的定标系数与官方定标系数进行比较，从表1可以得到：4个波段的增益误差分别是1.32%，0.93%，2.8%，3.75%，误差最大的为第4波段，达到3.75%。所得结果与官方公布的定标系数有较好的一致性，验证了交叉定标方法的准确性。

通过分析，第4波段误差达到3.75%的原因可能是：

1） 在进行光谱匹配时，第4波段的MODIS与GF1/WFV4光谱匹配差异较大;

2） 在GF1/WFV4与MODIS几何校正时，进行3次插值算法，仍存在空间的差异性;

3） 单次定标具有偶然性。

3.2  时间序列定标结果

本文获取2013—2018年的GF1/WFV4基于敦煌辐射校正场的所有有效影像，根据数据筛选条件得到卫星发射后到2018年底的有效匹配影像对共有58组。忽略2个卫星经过场地时刻大气和地表的变化，采用交叉定标方法，对GF1/WFV4进行时间序列定标，并与官方公布的定标系数进行比较，如图3所示，x轴为GF1卫星发射的时间，y轴为GF1的增益。GF1/WFV4相机5年半内的辐射性能整体趋于稳定，从2017—2018年年底增益系数有一个缓慢的下降趋势，但整体幅度不大，可能的原因有：

1） GF1卫星距今发射已有6年，由于传感器元部件长时间震动，导致传感器的辐射性能发生衰减;

2） 长时间的外太空辐射对传感器造成的影响等。

为了比较GF1/WFV4相机本身的相对增益误差变化，根据式（3），本文选取在轨测试阶段后的第一幅匹配影像的时间作为参考日，以参考日的增益作为参考值，对定标结果进行归一化处理，结果如图4所示。

通過比较不同时间定标结果归一化的变化趋势，可以看出“高分一号”宽幅多光谱各相机各波段的本身相对增益误差的变化，计算得到的参数，前180天出现了明显的波动。通过分析发现，卫星在发射之后半年内为在轨测试阶段，相机在进行各项性能测试与微调整，参数的波动变化相对较大。所以为了保证时间序列的完整性及直观性，本文主要针对卫星发射180天之后的数据进行分析。GF1官方增益变化量和本研究增益变化量如表2所示。

从表2中可以得到WFV4相机的波段1的增益是上升的，上升了4.18%，其余波段都是下降趋势。相比于官方定标5年半的波动趋势，本文选取定标景数多，定标结果更精准，比官方一个点的时间序列更趋于稳定。

本文通过对1年定标系数的平均值、官方定标时间段内左右两次定标系数的平均值和官方定标系数做比较，结果如表3所示，发现官方定标时间段内左右两次定标系数的平均值和官方定标系数误差更小。GF1相机各波段的定标误差均在5.5%以内，说明了交叉定标方法的准确性和可靠性。

4  结  论

GF1卫星寿命为5～8年，至今已使用6年。本文是针对“高分一号”卫星可见光谱段的稳定性进行研究，忽略大气传输环境、地表光谱特征等误差，采用MODIS大气产品代替场地定标的实测数据，对GF1卫星进行交叉定标，获取GF1/WFV4相机2013—2018年年底的绝对辐射定标系数，计算各波段的增益相对偏差，与官方增益变化量进行定量比较。GF1/WFV4定标误差在5.5%以内，验证了交叉定标的可靠性和稳定性。计算得到的时间序列定标系数与官方公布的定标系数具有较好的一致性，满足基本的遥感定量需求。

GF1/WFV4相机各波段辐射性能随着平台的震动，长时间外太空辐射等，均有衰减趋势，平均相对增益偏差在5%以内，但总体趋于稳定。在本文研究的基础上，后续会跟进对GF1卫星影像时间序列定标进行研究，分析相机的辐射稳定性变化，及时地反馈给地面的研发中心，对后续高分系列卫星的辐射性能监测具有参考价值。

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