“天绘一号”卫星在轨辐射定标方法

在轨辐射定标包括相对辐射定标和绝对辐射定标, 它是提高遥感数据定量化精度的关键步骤和重要方法。本文阐述了基于均匀场地分区综合的相对辐射定标方法、基于反照率的绝对辐射定标方法及其基本原理, 并首次将其应用于“天绘一号”卫星上的高分辨、多光谱和三线阵相机的辐射定标中。研究结果表明, 相对辐射定标过程去除了卫星图像的条带噪声, 且保存了图像细节;然后, 使用反照率基法, 通过在敦煌场地铺设灰阶靶标, 测量卫星过顶时的地物目标反射率光谱和大气信息, 对“天绘一号”卫星传感器进行了绝对辐射定标;最后, 使用辐射定标结果来反演地物反射率, 与实测的地物反射率相比误差小于5%, 验证了在轨辐射定标系数的有效性。     

高分五号可见短波红外高光谱相机在轨辐射性能评估

对遥感器及其图像的在轨辐射性能(信噪比、相对辐射定标精度、绝对辐射定标精度和动态范围)评估是检验遥感器定量应用能力的重要任务之一。本文结合高分五号卫星可见短波红外高光谱相机AHSI (the Advanced Hyperspectral Imager)在轨性能评估任务,依据卫星发射以来的在轨测试数据,介绍了AHSI相机在轨辐射性能评估的原理、方法及相应测试情况。测试结果表明:AHSI信噪比可见近红外最高达到近700,短波红外最高达到近500;相对辐射定标精度误差小于0.5%,星上绝对辐射定标不确定度小于3%,场地绝对辐射定标真实性检验精度误差小于5%;动态范围在轨可见短波均可以256档增益精细调整。AHSI在轨辐射性能良好且稳定,能够有效支持后续定量化应用需求。     

利用EDS／MODIS交叉定标FY1D／VIRR可见光-近红外通道

以EOS/MODIS的星上定标结果为标准,采用交叉定标方法标定FY1D/VIRR的可见光-近红外通道。先获得两个传感器的配对通道,然后利用6S模式计算出他们的匹配因子,根据EOS/MODIS的观测敦煌辐射校正场扫描计数值和星上定标结果以及它和FY1D/VIRR的匹配因子计算出FY1D/VIRR同时观测敦煌辐射校正场时的表观辐亮度和表观反射率,最后将得到的表观辐亮度和表观反射率与FY1D/VIRR观测敦煌辐射校正场的计数值进行比较,就得到了FY1D/VIRR通道的绝对定标系数。将本次定标结果与敦煌场地定标试验的定标结果比较,定标结果一致性较好,并可用于对发射前定标偏差进行校正。     

多目标的卫星仪器宽动态非线性定标

传统的场地辐射定标方法由于定标样本少,难以覆盖遥感器动态范围,且不能发现仪器辐射响应是否存在非线性特性。针对这一问题,本文提出了基于多种亮暗等级的地球稳定目标(盐湖、沙漠和海洋)的卫星传感器宽动态非线性辐射定标方法。该方法以MODIS和NCEP数据产品作为稳定目标的地表特性、大气状况的先验知识库,利用大气辐射传输模型计算的多个稳定目标的大气层顶辐射值为定标基准,以二次多项式为定标方程,实现宽动态的非线性辐射定标,并以Aqua/MODIS观测值作为参考,对定标基准的精度进行评估。结果显示,对于反射太阳波段,辐射传输模型的计算值与MODIS观测值间的偏差均值在2%以内。最后,以气象卫星遥感器MERSI为例,基于2014年在稳定目标上空获取的大量定标样本,对其反射太阳通道的辐射响应特性进行研究,从而确定辐射定标方案和辐射定标方程的系数,然后采用敦煌试验场的同步实测数据对定标结果进行验证。结果表明,除了940 nm的水汽强吸收通道,其他通道的定标精度基本在5%以内。     

HJ-1B 热红外波段在轨绝对辐射定标

针对HJ-1B 红外相机(IRS)热红外通道特点, 利用青海湖辐射校正场进行HJ-1B 热红外绝对辐射定标, 提 出新的场地定标算法, 并通过实测数据和Landsat5-TM数据对不同定标系数进行真实性检验分析, 发现该场地定标 算法获得的系数比原始系数精度提高约0.6%—3%, 总体精度为1K 左右。研究结果表明文章提出的定标算法适用 于不具备观测冷空间能力的卫星传感器在轨绝对辐射定标, 得到的定标系数合理可靠。     

CBERS-02 WFI的辐射交叉定标及其对植被指数的作用

本文以MODIS作为参考传感器，对CBERS-02星上的WFI传感器进行辐射交叉定标，得到WFI两个波段TOA辐亮度、表观反射率的增益与计数值偏移量，两个波段的计数值偏移量分别为42和21个DN左右。利用定标结果计算图像上另一均匀区的表观反射率。与MODIS反演的表观反射率比较验证。WFI与MODIS第1波段的表观反射率相差3．6％，第2波段相差-3．6％。检验结果说明，本文得到辐射交叉定标系数的精度能满足定量化应用的要求。为了说明辐射定标对植被指数的影响，本文选择5个实验区，比较分析了实验区图像辐射定标前后的NDVI。当WFI的DN值扣除定标得到的数字计数值偏移量后，DN值的NDVI与表观反射率的二次非线性拟合度可达99％。另外。WFI辐射定标前后的NDVI、RVI与MODIS反演的NDVI、RVI的比较分析说明，WFI辐射定标后表观反射率值的植被指数与MODI反演植被指数较接近，而且两个传感器RVI的差异小于NDVI的差异。     

MODIS辐照度法定标试验研究

利用内蒙古二连浩特实验场对Terra卫星MODIS传感器开展辐照度基定标方法研究。定标结果表明,辐照度法定标系数和MODIS的星上定标、反射率基法定标系数非常接近,相对差异3.3%,证明辐照度基定标方法正确。定标系数之间的差异说明,漫射辐射与总辐射辐照度比测量的精度对辐照度法结果影响很关键。不同气溶胶模式下得到的结果说明辐照度法可以减小因气溶胶模式的假设产生的误差。     

CBERS-02 CCD和SPOT-4 HRVIR1两个传感器的敦煌场地在轨绝对辐射定标及对比分析

中国资源卫星应用中心于2005年8月，利用敦煌场地分别对CBERS-02CCD和SPOT-4 HRVIR1两个传感器进行在轨绝对辐射定标。本文对此次地面同步测量数据进行了处理分析，基于反射率法计算出了CBERS-02CCD和SPOT-4HRVIR1两个传感器各波段的定标系数。其中，SPOT-4HRVIR1的定标结果与法国官方8月份提供的定标系数相比，差异在6％内，满足法方对绝对辐射定标精度的要求。此外，应用定标系数分别将两个传感器的图像数据反演成地表反射率图像，对它们进行了对比分析。     

星载多相机拼接成像传感器在轨辐射定标方法

星载传感器在轨辐射定标是定量遥感的核心和基础,其定标精度将直接决定定量遥感产品的质量。但是对于多相机拼接成像传感器而言,现有在轨辐射定标方法无法实现各相机绝对辐射定标与相机间相对辐射校正的一体化处理。因此,本文以高分一号(GF-1)卫星宽视场(WFV)传感器为例,提出了一种基于改进型辐射区域网平差的在轨辐射定标方法。该方法首先利用传统的交叉定标方法获取WFV传感器各相机的辐射控制点信息,然后在同轨相邻相机影像重叠区域中提取辐射连接点信息,最后在考虑相机间相对辐射校正与绝对辐射定标之间的耦合关系后,采用整体平差的方式同时获取各相机在轨绝对辐射定标系数及辐射约束条件方程参数。试验结果表明采用该方法获得的各波段在轨绝对辐射定标系数的相对误差均优于9.34%,同时利用该定标系数能够实现同轨相邻相机影像间相对辐射校正处理,其重叠区域各波段表观辐亮度差异绝对值的平均值均小于1.63 W·m~(-2)·sr~(-1)·μm~(-1)。     

敦煌场地CBERS-02 CCD传感器在轨绝对辐射定标研究

对资源一号卫星02星（CBERS-02）,为深入其定量化分析,定期在敦煌绝对辐射校正场地进行了地面同步测量,开展了更新在轨绝对辐射定标研究。另外,运用地表反射率和大气光学特性参量数据,计算出CBERS-02CCD传感器4个波段的绝对辐射标定系数。同时,利用2004年8月25目的Landsat-5 TM图像数据对CBERS-02 CCD传感器的辐射特性进行交叉定标,验证分析了CBERS-02 CCD传感器场地绝对辐射定标的基本特性及其可靠性。另外,为CBERS后续星的传感器改进,提供了分析参量。     

测量仪器

CH20062440敦煌场地CBERS-02CCD传感器在轨绝对辐射定标研究/傅俏燕,闵祥军,李杏朝,沙崇漠(中国资源卫星应用中心),李小英,马国强,潘志强,郭毅,李启明,刘国栋∥遥感学报.-2006(4).-433~439对资源一号卫星02星(CBERS-02),为深入其定量化分析,定期在敦煌绝对辐射校正场地进行了地     

多光谱相机基于灰阶靶标的在轨绝对辐射定标

多光谱相机在轨绝对辐射定标是其遥感数据定量化应用的关键环节。高空间分辨率多光谱相机基于大面积灰阶靶标的在轨辐射定标, 以灰阶靶标BRDF、漫射/总辐射比和大气光学厚度等参数的地面测量为主, 通过目标反射辐射与大气程辐射、周围环境辐射的分离, 消除了对气溶胶散射的假设, 简化了定标流程, 突破了基于大面积均匀场定标受到的地理位置和天气状态等条件限制, 该方法有望实现高空间分辨率多光谱相机全动态范围内的高频次、高精度业务化在轨辐射定标。不确定度分析表明, 目前该辐射定标方法可实现4.7%的不确定度, 将来有望提高到3%—4%的水平。对天绘一号多光谱相机进行了基于大面积灰阶靶标的定标试验, 通过两次过顶时刻地面总辐照度变化的比较及靶标观测值的回归分析, 初步判断两次定标时间内多光谱相机波段3的性能发生了变化。     

国内外卫星遥感器辐射定标场地特性比较分析

地面辐射场地定标对于提高辐射定标精度具有重要意义,尤其针对没有星上定标设备的卫星遥感器,而决定场地定标精度的重要因素之一即为场地的光学、地表、气象条件等特性。介绍了定标场地选择标准及评价因素、国内外主要定标场地特性及其比较,并分析总结了这些场地的利弊,探讨了今后外场辐射定标场地建设、辐射定标精度的提高及做法。     

考虑地物BRDF特性改进后的CBERS-02卫星CCD相机的辐射定标系数

在MODIS数据对CBERS-02卫星CCD相机的交叉辐射定标、获得CCD相机时间系列的辐射定标斜率系数与截距基础上，本文考虑地物BRDF特性的影响，开展了提高CCD相机数据定量化应用的辐射定标数据精度的研究，并提供了比较全的时间系列辐射定标系数。     

GF-6卫星PMS相机在轨辐射特性自动化变化监测

传统人工场地试验方法效费比较低、单次试验不确定性大,难以满足卫星载荷高频次的辐射特性变化监测等,本文利用敦煌辐射定标场(以下称“敦煌场”)自动化设备,对GF-6卫星PMS传感器在轨运行以来的辐射特性进行了自动变化监测试验。经过4次同步试验数据分析表明,GF-6卫星自2018年发射以来,PMS相机辐射特性变化小于5%。     

HJ-1B热红外辐射定标对地表温度反演的影响

辐射定标是地表温度反演的关键环节。在实际应用中,定标参数的选取直接影响辐射定标结果。由于卫星在轨定标系统的灵敏度会随时间发生改变,这使得实际的辐射定标存在不确定性。本文基于单波段热红外辐射传输方程给出了辐射定标影响地表温度反演的敏感性分析模型,并重点对HJ-1B热红外波段的辐射定标问题及其对地表温度反演的影响进行讨论和分析。敏感性分析模型显示,在一般的情形下,辐射定标偏差与地表温度反演误差的比值在数值上约为1∶11,即0.1个单位(W·m–2·sr–1·μm–1)的辐射定标偏差可能引起1.1 K左右的温度反演误差。由于对HJ-1B热红外波段定标参数的更新存在滞后,即使仅考虑相邻年份间的定标偏差,相应的地表温度平均绝对误差也在1.0—2.0 K左右。在更严重的情形下,因辐射定标偏差引起的地表温度误差甚至高达5.0 K以上。同时,分析结果也表明对HJ-1B的存档影像,无论使用其头文件中的定标参数还是当年公布的定标参数,定标后辐射亮度值的偏差均存在一定的不稳定性。针对当前在HJ-1B定标参数更新方面的不足,本文假定传感器辐射性能变化是匀速稳定的,相应地提出了线性内插修正法和线性外推法两个定标参数估计/修正方案。通过线性内插的方法进行辐射定标修正后,在一定程度上减小了误差的不稳定性,与MODIS B31波段的亮温相比,偏差在1.0 K以内(约为0.5 K)。当定标参数尚未公布时,由线性外推法修正后的辐射定标结果所得亮温的偏差约为1.0 K。与在大亚湾核电站附近海域进行的一次卫星同步观测(2011年12月18日)相比,经两个方案修正后的海表温度偏差分别约为0.2 K和0.7 K。案例分析的结果表明,在现阶段,线性内插修正法和线性外推法是简单有效的,可供用户在实际应用中参考和使用。     

基于月球反射的遥感器定标跟踪监测

月亮辐照度是可见近红外波段一种稳定的辐射参考基准,对月观测已成为星载遥感仪器辐射定标和验证的一种新方法。风云三号03星(FY-3C)中分辨率光谱成像仪(Moderate Resolution Spectral Imager,MERSI)增加了对月观测功能,改进了太阳反射波段的在轨辐射定标。本文收集分析了MERSI在轨工作以来的全部11组对月观测数据,利用通道间辐照度比值方法移除月相角,日—月—星相对距离等因素对月亮辐照度观测值的影响,开展了可见光近红外波段的辐射定标工作,实现了MERSI太阳反射通道的辐射定标系数动态跟踪和评估。通过线性回归及统计发现,通道8辐射响应的年衰减率达到了14.55%,通道9达到了8.42%,通道1、6、10、11、16和19的年衰减率为1.15%—4.72%,其余通道未检测到衰减。研究结果可以用于订正MERSI数据的辐射定标系统性偏差,提高MERSI全寿命期的辐射定标精度。     

基于可展开式太阳漫反射板的星上相对辐射定标

相对辐射定标的目的是降低或消除由于探测元件之间响应差异引起的图像高频竖向条纹或条带噪声,是遥感数据定量化应用的前提与基础。针对可展开式太阳漫反射星上定标装置,本文提出利用漫反射板收拢过程一次成像的星上相对辐射定标方法。通过卫星机械结构驱动漫反射板收拢调整传感器入瞳处太阳入射能量,获取覆盖传感器全部灰度动态范围的星上定标图像,采用直方图匹配算法解算相对辐射定标系数。为了验证本文提出的方法,利用在轨运行的吉林一号光谱星多光谱仪进行星上相对辐射定标实验,测试定标系数对原始图像的校正效果并定量分析相对辐射定标精度,实验结果表明定标系数能够有效消除全色与多光谱谱段地物原始图像的竖向高频条纹与条带噪声,定量分析的结果表明本文提出的方法在传感器灰度响应的全动态范围均能达到较好的校正效果,谱段相对辐射定标精度优于2%,为卫星在轨运行期间进行定量化遥感应用提供可靠保障。     

遥感25号无场化相对辐射定标

遥感25号是中国首颗高敏捷亚米级高分辨率光学遥感卫星。常规的偏航相对辐射定标利用卫星或相机偏航90°对地面均匀场进行成像,使得传感器所有探元获取相同的入瞳辐射亮度,实现卫星传感器的相对辐射定标。但拍摄单一地物均匀场并不能实现卫星传感器全动态范围的辐射定标,并降低了该方案的应用效率。本文针对中国遥感25号卫星,提出了不依赖于地面均匀场的无场化偏航辐射定标方法实现遥感25号的高精度高频次相对辐射定标;同时在偏航辐射定标数据处理中提出基于line segment detector(LSD)算法偏航定标数据规定化方法,确保偏航辐射定标图像每一行数据为传感器所有探元对同一地物的成像;采用传感器探元直方图规定化的方法实现遥感25号全动态范围相对辐射定标参数解算。利用遥感25号偏航辐射定标数据进行辐射定标试验并与传统在轨统计辐射定标进行对比,结果表明遥感25号经偏航辐射定标后所有探元平均条纹系数优于0.07%,图像上各种条纹条带噪声以及残余条带噪声得到较好去除,无场化偏航辐射定标方法优于传统在轨统计辐射定标方法。     

机载数字航摄仪场地绝对辐射定标及验证分析

针对遥感定量化中绝对辐射定标相关研究较少的问题,该文利用安阳试验场布设的8种不同反射率的固定靶标,采用反射率基法对机载数字航摄仪进行绝对辐射定标,分别用单点法、两点法和多点法得到不同的定标系数;为了验证辐射定标结果,选择另外4块不同颜色的靶标,分别对不同方法得到的定标系数进行验证评价。结果表明,单点法得到的定标系数平均误差最大,两点法和多点法的定标误差比较接近,多点法的平均定标误差最小。研究结果对于今后航空遥感相机的在轨定标具有一定的参考作用。