王敏，何明元，張水平，陳曉穎，邱敏

(1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，南京 211101；2.解放軍95696部隊(duì)氣象臺(tái)，重慶 401329)

1 引 言

遙感圖像獲取過(guò)程中，由于儀器自身誤差以及自然環(huán)境(如大氣、地形)等各種因素影響，導(dǎo)致搭載其上的遙感器獲取的測(cè)量值與實(shí)際目標(biāo)物的光譜反射率或輻射亮度等物理量之間會(huì)產(chǎn)生一定的偏差[1]。因此，在使用遙感圖像之前，必須進(jìn)行輻射定標(biāo)以減少偏差。而這種偏差最終能降低到何種程度，則依賴于輻射定標(biāo)的精度。空間遙感的實(shí)現(xiàn)不僅取決于遙感器的設(shè)計(jì)和性能，也決定于其觀測(cè)數(shù)據(jù)的定量化水平。因此，遙感信息定量化的過(guò)程中，輻射定標(biāo)是不可替代的關(guān)鍵技術(shù)之一[2-3]。

衛(wèi)星有效載荷主要是光學(xué)和微波波段的遙感器。對(duì)于不同波段的遙感器，其定標(biāo)方法不盡相同。從時(shí)間分類上有發(fā)射前定標(biāo)、在軌定標(biāo)之分；從定標(biāo)手段上有實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)、發(fā)射前外場(chǎng)定標(biāo)、在軌星上定標(biāo)和各種替代定標(biāo)(交叉定標(biāo)、輻射校正場(chǎng)定標(biāo))等[4]。本文詳細(xì)介紹了不同方法下輻射定標(biāo)技術(shù)的工作基礎(chǔ)、基本原理、實(shí)施方法和工作流程等內(nèi)容，比較了部分輻射定標(biāo)實(shí)施方法，并對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要評(píng)價(jià)和跟蹤展望。

2 輻射定標(biāo)基礎(chǔ)概念

衛(wèi)星遙感器的輻射定標(biāo)是將遙感器的測(cè)量值轉(zhuǎn)換為絕對(duì)亮度或與地表反射率、表面溫度等物理量有關(guān)的相對(duì)值的處理過(guò)程[5]?；蛘哒f(shuō)，建立遙感器數(shù)字量化輸出值與該遙感器所對(duì)應(yīng)視場(chǎng)中的實(shí)際地物輻射亮度絕對(duì)值之間的定量關(guān)系。該過(guò)程可以用式(1)表示。

L=f(DN)

(1)

目前，大多數(shù)衛(wèi)星遙感器的輻射定標(biāo)都采用基于線性響應(yīng)的假設(shè)，即由式(2)表示的定標(biāo)關(guān)系。

Li=ai·DNi+Li0

(2)

當(dāng)遙感器的輻射響應(yīng)為非線性時(shí)，如采用二次擬合，則輻射定標(biāo)的表達(dá)式如下：

(3)

其中DNi表示遙感器數(shù)字量化輸出值，無(wú)單位。Li是衛(wèi)星遙感器入瞳處第i通道輻射亮度值，單位為W/cm2·μm·sr(瓦特/平方厘米·微米·球面度)，ai和bi為待定標(biāo)遙感器第i通道定標(biāo)系數(shù)，Li0則是第i通道暗電流對(duì)應(yīng)的輻射亮度值。

輻射定標(biāo)的任務(wù)就是通過(guò)兩組遙感器數(shù)字量化輸出值(一般采用提取觀測(cè)區(qū)內(nèi)衛(wèi)星觀測(cè)像元記數(shù)值的平均值和衛(wèi)星掃描冷空間時(shí)的記數(shù)值兩組數(shù)據(jù))及對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星觀測(cè)高度遙感器入瞳處該光譜通道的輻亮度值，建立線性方程，獲得該通道的ai和Li0定標(biāo)系數(shù)。對(duì)于可見(jiàn)光近紅外波段通常用表觀反射率代替輻射亮度進(jìn)行定標(biāo)。

3 輻射定標(biāo)基本方法

常見(jiàn)的輻射定標(biāo)包括發(fā)射前定標(biāo)(發(fā)射前外場(chǎng)定標(biāo)、實(shí)驗(yàn)室定標(biāo))、在軌定標(biāo)(星上定標(biāo)、場(chǎng)地定標(biāo)、交叉定標(biāo))。這些定標(biāo)方法都可以用來(lái)對(duì)衛(wèi)星遙感器進(jìn)行絕對(duì)輻射定標(biāo)，它們互有優(yōu)勢(shì)和局限性在具體使用時(shí)，可采用多種定標(biāo)方式相結(jié)合的方法來(lái)彌補(bǔ)缺陷[6]。

3.1 發(fā)射前定標(biāo)

發(fā)射前定標(biāo)是遙感定量化過(guò)程的第一步。發(fā)射前定標(biāo)是在載荷研制階段，利用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部光源或外部太陽(yáng)光，經(jīng)過(guò)對(duì)載荷全面測(cè)量，了解載荷各種物理參數(shù)的過(guò)程，包括輻射量級(jí)、遙感器本身調(diào)制傳遞函數(shù)特性(Modulation Transfer Function，MTF)、各譜段噪聲特性等。發(fā)射前定標(biāo)是在軌輻射定標(biāo)的基礎(chǔ)，由于發(fā)射前定標(biāo)可利用各種高精度儀器設(shè)備對(duì)遙感器的輻射特性及定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，其定標(biāo)精度要高于在軌星上定標(biāo)和在軌替代定標(biāo)。

發(fā)射前定標(biāo)按照定標(biāo)光源分為實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)和外場(chǎng)定標(biāo)兩類。前者利用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人造光源，對(duì)遙感器進(jìn)行各項(xiàng)基本參數(shù)測(cè)量與輻射定標(biāo)；后者利用太陽(yáng)光作為光源，將發(fā)射前的遙感器挪到外界環(huán)境下，利用太陽(yáng)光進(jìn)行輻射定標(biāo)，得到遙感器的輻射定標(biāo)系數(shù)。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)

實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)是整個(gè)輻射定標(biāo)工作的基礎(chǔ)，也是評(píng)價(jià)今后儀器是否發(fā)生衰減的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)主要通過(guò)積分球、鎢燈源在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部對(duì)遙感器成像實(shí)現(xiàn)，根據(jù)積分球已測(cè)的輻射能量和對(duì)積分球成像圖像，得到遙感器各通道的輻射定標(biāo)系數(shù)。整個(gè)過(guò)程中，又分為光譜定標(biāo)和輻射定標(biāo)兩個(gè)方面。

光譜定標(biāo)用來(lái)獲取有關(guān)光譜的一些基本特征，如遙感遙感器每個(gè)波段的中心波長(zhǎng)、帶寬、光譜響應(yīng)函數(shù)、半高寬及帶外響應(yīng)等。

輻射定標(biāo)就是要建立遙感器輸出量化值(DN)與遙感器入瞳處輻射亮度之間的模型關(guān)系[4]。

可見(jiàn)光近紅外波段實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)方法發(fā)展情況可歸納如下：傳統(tǒng)積分球定標(biāo)方法(圖1(a))一般采取“黑體-標(biāo)準(zhǔn)燈-光譜輻射計(jì)-傳遞積分球-末級(jí)積分球-衛(wèi)星遙感器”的傳遞鏈。其實(shí)，該波段衛(wèi)星遙感器更適用于基于探測(cè)器的定標(biāo)方法(圖1(b))，其定標(biāo)過(guò)程為：低溫絕對(duì)輻射計(jì)-輻亮度標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器-末級(jí)積分球-衛(wèi)星遙感器。基于探測(cè)器的定標(biāo)方法環(huán)境條件要求簡(jiǎn)單，標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器不需要中間設(shè)備(如漫射板、大功率電源、光譜輻射計(jì)等)，在工程研制、預(yù)研、發(fā)射前總裝車(chē)間里都可以隨時(shí)進(jìn)行定標(biāo)。另外，便攜式標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器還可以方便應(yīng)用于不同衛(wèi)星遙感器之間的交叉定標(biāo)，如美國(guó)SeaWiFS和MODIS就都利用到了SXR標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器。這種定標(biāo)方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于保證了系列衛(wèi)星遙感器數(shù)據(jù)之間的可比較性和連續(xù)性，其末級(jí)積分球的綜合不確定度降低到2%左右。目前已成功應(yīng)用于如SeaWiFS寬視場(chǎng)水色探測(cè)器、MISR多角度成像光譜儀等衛(wèi)星遙感器的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)之中，美國(guó)NASA采用的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)方案也是利用此方法進(jìn)行定標(biāo)的[7]。

圖1 實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)技術(shù)方案

3.1.2 發(fā)射前外場(chǎng)定標(biāo)

在實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)時(shí)，由于室內(nèi)光源同太陽(yáng)光譜在光譜形狀上有較大的差異，將實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)結(jié)果直接用于遙感影像的輻射定標(biāo)可能會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。解決的辦法就是利用與太陽(yáng)光譜分布近似的光源進(jìn)行標(biāo)定。外場(chǎng)定標(biāo)直接以太陽(yáng)作為光源，其輻射亮度、光譜特性與地表和云頂反射特性相當(dāng)一致，無(wú)須研制高精度積分球和太陽(yáng)模擬器，也避開(kāi)了光譜和輻射校正等難題，是對(duì)實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)的有效補(bǔ)充[4]。

目前已利用的發(fā)射前外場(chǎng)定標(biāo)主要有Langley法定標(biāo)、輻亮度法和基于標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的反射比法[8]。

(1)Langley法定標(biāo)

以掃描輻射計(jì)可見(jiàn)光通道定標(biāo)為例，該通道地面定標(biāo)基于比爾-朗伯定律，即太陽(yáng)光照射到理想的朗伯平面形成朗伯反射，依據(jù)掃描輻射計(jì)與大氣消光系數(shù)的關(guān)系，在地面測(cè)量太陽(yáng)照射下漫反射板輻射亮度L與輻射計(jì)輸出信號(hào)進(jìn)而進(jìn)行外場(chǎng)定標(biāo)。該方法定標(biāo)精度取決于大氣狀況，大氣狀況很低時(shí)，定標(biāo)精度亦很低。

根據(jù)掃描輻射計(jì)的輸出信號(hào)與輻射能量成正比，即

Vλ=Vλ0·e-τ(λ)secθz

(4)

其中，Vλ0是外大氣層的太陽(yáng)輻射下掃描輻射計(jì)的輸出信號(hào)，而Vλ是在一定太陽(yáng)天頂角下輻射計(jì)的輸出信號(hào)。假定測(cè)量期間τ(λ)恒定。對(duì)式(4)兩邊取對(duì)數(shù)，有

lnVλ=lnVλ0-τ(λ)secθz

(5)

Vλ是經(jīng)過(guò)BRDF修正后的掃描輻射計(jì)輸出值，θz是測(cè)量時(shí)的太陽(yáng)天頂角。所以由Vλ與secθz構(gòu)成的Langley圖可以確定τ(λ)及Vλ的值。又根據(jù)已知漫反射板的反射率可以確定Vλ0與ρ的關(guān)系。進(jìn)而根據(jù)定標(biāo)關(guān)系式(6) 確定定標(biāo)系數(shù)A和B。

ρ=A·Vλ0+B

(6)

(2)輻亮度法

對(duì)于位移不變的線性光學(xué)傳感器系統(tǒng)，其輻射量的輸入L與傳感器系統(tǒng)輸出信號(hào)V成正比：

V=AL+N

(7)

其中，V為傳感器系統(tǒng)的測(cè)量電壓值；L為光源的輻亮度；N為傳感器系統(tǒng)的噪聲；A為傳感器系統(tǒng)的響應(yīng)率。

輻亮度法定標(biāo)是以輻射標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，通過(guò)輻射標(biāo)準(zhǔn)的傳遞，建立掃描輻射計(jì)可見(jiàn)光通道遙感器系統(tǒng)輸出與對(duì)應(yīng)輸入輻射量的關(guān)系，通過(guò)對(duì)不同水平輻射量(遮擋、不遮擋以及太陽(yáng)高度角隨時(shí)間變化)的測(cè)量，按照線性擬合，確定遙感器系統(tǒng)響應(yīng)率和噪聲水平。該方法需要精確已知掃描輻射計(jì)相對(duì)光譜響應(yīng)率，且輻射標(biāo)準(zhǔn)傳遞探測(cè)器采用燈-板定標(biāo)系統(tǒng)，其本身定標(biāo)誤差為5%左右。

(3)基于標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的反射比外場(chǎng)定標(biāo)

為了減小上述兩種方法中不利因素的測(cè)量誤差，引入了基于標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的反射比外場(chǎng)定標(biāo)法。該方法繼承了輻亮度法不受大氣狀況影響的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也摒棄了輻亮度法需要精確已知掃描輻射計(jì)各通道相對(duì)光譜響應(yīng)率，輻射標(biāo)準(zhǔn)傳遞探測(cè)器定標(biāo)精度低的缺點(diǎn)，通過(guò)篩選波長(zhǎng)，采用積分中值定理推導(dǎo)出在一定的精度范圍內(nèi)，衛(wèi)星可見(jiàn)光通道的漫射板反射輻亮度與漫射板的某一單波長(zhǎng)反射輻亮度成正比，從而可以利用高精度輻亮度標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器對(duì)應(yīng)波段的探測(cè)器的響應(yīng)替代待標(biāo)定掃描輻射計(jì)寬波段響應(yīng)直接求出定標(biāo)系數(shù)。

這種采用不依賴于掃描輻射計(jì)可見(jiàn)光通道光譜響應(yīng)函數(shù)、降低對(duì)定標(biāo)過(guò)程中的天氣依賴程度的基于標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的反射比定標(biāo)法，是一種新型的獨(dú)立于掃描輻射計(jì)可見(jiàn)光通道光譜響應(yīng)函數(shù)的外場(chǎng)定標(biāo)法[4]。

3.2 星上定標(biāo)

衛(wèi)星遙感器在運(yùn)輸、發(fā)射過(guò)程中，由于隨機(jī)振動(dòng)、加速度沖擊及物理環(huán)境的變化等因素，不可避免地會(huì)影響遙感器的光機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。此外，遙感器長(zhǎng)期在軌運(yùn)行期間，光學(xué)元件效率的下降、探測(cè)器及電子器件的老化等都會(huì)造成遙感器響應(yīng)度的下降，進(jìn)而改變了遙感器飛行前的輻射特性，繼續(xù)使用發(fā)射前的定標(biāo)系數(shù)可能會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大誤差。因此，在衛(wèi)星飛行期間必須對(duì)儀器進(jìn)行重新標(biāo)定，即星上定標(biāo)。

星上定標(biāo)也稱內(nèi)定標(biāo)，其發(fā)生在衛(wèi)星發(fā)射升空之后，利用衛(wèi)星上搭載的定標(biāo)系統(tǒng)對(duì)遙感器進(jìn)行定標(biāo)。星上定標(biāo)的作用是長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)遙感器響應(yīng)的衰變以及對(duì)陣列遙感器響應(yīng)均勻性進(jìn)行校正。星上定標(biāo)系統(tǒng)作為衛(wèi)星遙感器設(shè)計(jì)中的重要組成部分，諸如 CZCS海色掃描儀和MODIS中分辨率成像光譜儀等衛(wèi)星遙感器都安裝有星上定標(biāo)系統(tǒng)。又如Landsat就利用衛(wèi)星上搭載的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光源和一個(gè)黑體輻射器分別對(duì)TM的可見(jiàn)光、近紅外和熱紅外波段進(jìn)行定標(biāo)，只不過(guò)這種定標(biāo)方法光路不同且定標(biāo)系統(tǒng)會(huì)老化。

星上定標(biāo)方案的發(fā)展歷程也是從基于輻射源定標(biāo)向基于探測(cè)器定標(biāo)[9]轉(zhuǎn)變。早期的星上定標(biāo)方法(圖2(a))利用標(biāo)準(zhǔn)燈照射反射率已知的漫射板，將其轉(zhuǎn)化為輻亮度的衛(wèi)星遙感器定標(biāo)方法。由于標(biāo)準(zhǔn)燈和漫射板只能從光路中間某個(gè)部位切入，造成不能全光路定標(biāo)的最嚴(yán)重缺陷。漫射板如若可收展且將放置于光路最前端，用太陽(yáng)代替標(biāo)準(zhǔn)燈，即可實(shí)現(xiàn)全光路定標(biāo)(圖2(b))?；谔綔y(cè)器定標(biāo)系統(tǒng)一般采用積分球和標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器等組成。積分球的功能是提供均勻面光源，其滿足全孔徑和全視場(chǎng)星上定標(biāo)要求，而標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的作用則是分別監(jiān)測(cè)和測(cè)量定標(biāo)光源的穩(wěn)定性和絕對(duì)輻亮度，從而實(shí)現(xiàn)絕對(duì)輻射定標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器使得定標(biāo)的絕對(duì)不確定度降低到2%[7]。

圖2 基于輻射源的兩種星上定標(biāo)方案

月球是除太陽(yáng)外最亮最大的光源，依靠反射太陽(yáng)而發(fā)光，其光譜特性與太陽(yáng)光譜和自身吸收、反射特性有關(guān)。利用月球進(jìn)行定標(biāo)，需要精確計(jì)算出觀測(cè)角度和天體距離等的影響，并獲得準(zhǔn)確的月球光譜分布。但是到目前為止，月球輻射的光譜特性仍然不清楚。

目前月球定標(biāo)方法已應(yīng)用于對(duì)太陽(yáng)漫射板進(jìn)行衰減評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)。由于月球盈虧角度、平衡擺動(dòng)以及日月距離變化所引起的月球表面反射率的變化小至可以忽略，使得月球表面的有效反射率可以認(rèn)為基本恒定。這樣，通過(guò)測(cè)量月球表面反射的太陽(yáng)輻亮度與漫射板獲取的太陽(yáng)輻亮度數(shù)據(jù)相比較，就可以判定太陽(yáng)漫射板的衰減程度，得到漫射板的衰減數(shù)據(jù)，并以此作為對(duì)漫射板衰減的校正依據(jù)[4]。

3.3 場(chǎng)地定標(biāo)

場(chǎng)地定標(biāo)也稱外場(chǎng)定標(biāo)，指衛(wèi)星在軌正常運(yùn)行時(shí)，利用天然地表或人工大面積均勻輻射的校正場(chǎng)同步測(cè)量大氣參數(shù)，進(jìn)而對(duì)衛(wèi)星遙感器進(jìn)行定標(biāo)。定標(biāo)中輻射校正場(chǎng)的選擇原則是：具有目標(biāo)相對(duì)較亮且目標(biāo)反射率大于0.3、目標(biāo)海拔在1km以上、具有非常好的空間均一性的大面積平坦地面，季節(jié)性變化較小，場(chǎng)區(qū)附近交通便利等一般要求[10]?；谏鲜鲆?，多選光譜響應(yīng)穩(wěn)定的海洋、沙漠、云、雪、干涸的湖、冰殼和月亮等作為定標(biāo)場(chǎng)地，如美國(guó)NASA和亞利桑那(Arizona)大學(xué)在新墨西哥州的白沙和加利福利亞州的愛(ài)德華空軍基地干湖床上建立的輻射定標(biāo)場(chǎng)；法國(guó)在馬賽市附近建立Lacrau輻射定標(biāo)場(chǎng)；加拿大的Newell Country輻射校正場(chǎng)[11]；定標(biāo)AVHRR的利比亞沙漠輻射定標(biāo)場(chǎng)；定標(biāo)SPOT影像的北非沙漠輻射定標(biāo)場(chǎng)[12]等。目前基于場(chǎng)地的輻射定標(biāo)方法對(duì)可見(jiàn)光-近紅外波段的定標(biāo)精度達(dá)到了3%～5%。我國(guó)結(jié)合國(guó)外經(jīng)驗(yàn)和輻射定標(biāo)場(chǎng)選擇條件，已建成位于敦煌和青海湖的國(guó)家遙感衛(wèi)星定標(biāo)場(chǎng)地，陸續(xù)建成的還有內(nèi)蒙古貢格爾草原、內(nèi)蒙古達(dá)里湖、云南思茅雨林、云南麗江可見(jiàn)光定標(biāo)場(chǎng)等。下面簡(jiǎn)要介紹下敦煌和青海湖兩個(gè)國(guó)家遙感衛(wèi)星定標(biāo)場(chǎng)地的定標(biāo)優(yōu)劣勢(shì)。

敦煌沙漠輻射定標(biāo)場(chǎng)主要用于可見(jiàn)光-近紅外波段的輻射定標(biāo)，具有場(chǎng)地地域開(kāi)闊，地形平坦；場(chǎng)地地物類型均一(沙漠和戈壁)且穩(wěn)定；大氣干潔無(wú)污染；晴天日多，光照條件好等優(yōu)勢(shì)。但晴天日相對(duì)集中在秋、冬兩季；地物雖均一，但地表面十分脆弱；場(chǎng)地總懸浮微粒(TSP)的不穩(wěn)定性，影響對(duì)大氣光學(xué)厚度的測(cè)量。青海湖輻射定標(biāo)場(chǎng)主要用于熱紅外波段的輻射定標(biāo)，該定標(biāo)場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)有：湖面開(kāi)闊，面積大；湖水深度大，表面溫度變化??；大氣無(wú)污染；青海湖中水生生物少。但同時(shí)也具有大風(fēng)日較多，晴天日較少；冬季湖面會(huì)冰封，氣溫酷冷等劣勢(shì)。

3.3.1 場(chǎng)地定標(biāo)工作原理

當(dāng)衛(wèi)星搭載遙感器飛過(guò)定標(biāo)場(chǎng)地上空時(shí)，在定標(biāo)場(chǎng)地上選擇若干個(gè)像元區(qū)，測(cè)量遙感器對(duì)應(yīng)的地物各波段光譜反射率和大氣光譜等參量，并利用大氣輻射傳輸模型(如6S、LOWTRAN、MODTRAN等)計(jì)算出遙感器入瞳處各光譜帶的輻射亮度，最后確定它與遙感器對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)字量化值的數(shù)量關(guān)系，求解定標(biāo)系數(shù)，并估算定標(biāo)不確定性。其中6S大氣輻射傳輸模型一般應(yīng)用于可見(jiàn)光-近紅外波段的輻射定標(biāo)，而熱紅外波段的輻射定標(biāo)則常利用的是MODTRAN大氣輻射傳輸模型。一般流程圖如圖3所示。

圖3 場(chǎng)地定標(biāo)基本流程圖

3.3.2 場(chǎng)地定標(biāo)主要方法

(1)反射率基法

在衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)同步測(cè)量地面目標(biāo)反射率因子和大氣光學(xué)參量(如大氣光學(xué)厚度、大氣柱水汽含量等)，然后利用大氣輻射傳輸模型計(jì)算出遙感器入瞳處輻射亮度值。該方法相比輻亮度法和輻照度法，精度較高，測(cè)量的參數(shù)相對(duì)較少，但所需參量必須嚴(yán)格按照同步觀測(cè)獲取[13]。以可見(jiàn)光-近紅外通道的外場(chǎng)定標(biāo)為例，其基本原理如下：

(8)

其中，ai，bi分別表示i通道的增益和偏置。

遙感器i通道入瞳處的大氣頂層表觀反射率表示為：

(9)

式中d表示衛(wèi)星獲取影像時(shí)真實(shí)的日地距離和日地平均距離之比；θs表示衛(wèi)星獲取影像時(shí)的太陽(yáng)天頂角；Eo,i表示遙感器單通道大氣層外太陽(yáng)輻照度，又稱為波段太陽(yáng)常數(shù)。

(10)

將地表反射率、大氣特征參數(shù)以及觀測(cè)幾何條件等參數(shù)輸入6S大氣輻射傳輸模型，可以獲得遙感器入瞳處大氣頂層的表觀反射率[14]。再將衛(wèi)星分別觀測(cè)外場(chǎng)和冷空間的表觀反射率(冷空間的表觀反射率等于零)與衛(wèi)星觀測(cè)同樣目標(biāo)得到的計(jì)數(shù)值進(jìn)行擬合，利用最小二乘法獲得標(biāo)定系數(shù)ai和bi?；玖鞒倘鐖D4所示。

圖4 基于反射率基法的可見(jiàn)光-近紅外通道定標(biāo)流程圖

(2)輻亮度法

采用經(jīng)過(guò)嚴(yán)格光譜與輻射標(biāo)定的輻射計(jì)搭載在飛機(jī)平臺(tái)上，與衛(wèi)星遙感器觀測(cè)條件一致，同步測(cè)量目標(biāo)物的輻射度，根據(jù)輻射計(jì)和遙感器間的大氣影響，對(duì)測(cè)得的輻射亮度進(jìn)行定標(biāo)。

輻亮度定標(biāo)法具有以下三個(gè)特征：①測(cè)量用輻射計(jì)必須提前進(jìn)行絕對(duì)輻射標(biāo)定，最終輻射定標(biāo)系數(shù)的誤差以輻射計(jì)的標(biāo)定誤差為主；②因僅需對(duì)飛行高度以上的大氣進(jìn)行訂正，回避了低層大氣的訂正誤差，有利于提高定標(biāo)精度；③飛機(jī)上搭載的輻射計(jì)地面視場(chǎng)廣，瞬間連續(xù)獲取大量數(shù)據(jù)，所以對(duì)場(chǎng)地表面均勻性要求降低[15]。

(3)輻照度法

又稱改進(jìn)的反射率法，所用的輸入量除反射率法所需的輸入量外，還需要測(cè)量向下到達(dá)地面的漫射輻射與總輻射比值確定衛(wèi)星遙感器高度的表觀反射率，進(jìn)而確定出遙感器入瞳處輻射亮度。這一比值包含了氣溶膠的散射特征，以實(shí)測(cè)的輻照度比代替了反射率基法中計(jì)算氣溶膠散射的假定和反演，它可以減少因氣溶膠近似而產(chǎn)生的誤差。此方法使用解析近似方法來(lái)計(jì)算反射率，從而大大縮減了計(jì)算時(shí)間和計(jì)算復(fù)雜性?；玖鞒倘鐖D5所示。上述三種場(chǎng)地定標(biāo)方法的性能比較見(jiàn)表1。

圖5 輻照度定標(biāo)法流程圖

表1 三種外場(chǎng)定標(biāo)方法性能對(duì)比表

3.4 交叉定標(biāo)

交叉定標(biāo)指以時(shí)空尺度相差不大且對(duì)應(yīng)通道設(shè)置基本一致的經(jīng)過(guò)遙感器定標(biāo)的遙感數(shù)據(jù)作為參考，對(duì)其它遙感器數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)，即用較高定標(biāo)精度的衛(wèi)星通道標(biāo)定較低精度衛(wèi)星通道的方法[16]。

交叉定標(biāo)適用于待定標(biāo)和已定標(biāo)的兩類遙感器，其波段設(shè)置類似，且二者的空間分辨率接近，量化等級(jí)相同。而已定標(biāo)遙感器經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的發(fā)射前定標(biāo)、長(zhǎng)期在軌監(jiān)測(cè)和定期場(chǎng)地絕對(duì)定標(biāo)，有很高的輻射定標(biāo)精度[17]。不同衛(wèi)星通道的交叉定標(biāo)流程如圖6所示。但對(duì)參考遙感器和待定標(biāo)遙感器之間的通道設(shè)置、通道光譜響應(yīng)函數(shù)、空間分辨率、過(guò)境時(shí)間、回訪周期、幾何配準(zhǔn)精度等方面有嚴(yán)格要求，并且定標(biāo)精度極大地依賴于參考遙感器自身的絕對(duì)輻射定標(biāo)精度[18]。所以交叉定標(biāo)時(shí)必須對(duì)其相應(yīng)通道進(jìn)行光譜修正，以減少兩者光譜差異。

交叉定標(biāo)優(yōu)點(diǎn)在于定標(biāo)成本較低，無(wú)需建立地面定標(biāo)場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)高頻次、多遙感器之間的輻射定標(biāo)，是目前發(fā)展較快的定標(biāo)方法，已經(jīng)廣泛用于AVHRR、MODIS等遙感器的輻射定標(biāo)。但由于反射波段對(duì)于目標(biāo)的雙星反射特性BRDF修正很難解決，所以，可見(jiàn)光近紅外遙感器的交叉定標(biāo)基本沒(méi)有實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化的先例。所以交叉定標(biāo)主要用于紅外波段的定標(biāo)。

圖6 交叉定標(biāo)流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

鑒于輻射定標(biāo)對(duì)于遙感資料定量化分析的重要性，可以看出，要得到高準(zhǔn)確度的遙感資料，必須要從發(fā)射前實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)、星上定標(biāo)和長(zhǎng)期在軌定標(biāo)等多方面入手共同提高輻射定標(biāo)精度。另外，外場(chǎng)定標(biāo)作為定標(biāo)技術(shù)中實(shí)用有效的一種，由于敦煌和青海湖國(guó)家遙感衛(wèi)星輻射定標(biāo)場(chǎng)在時(shí)間上的限制(如青海湖湖面結(jié)冰期)，而全球衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃越來(lái)越密集，另外選取備用輻射定標(biāo)場(chǎng)也是發(fā)展趨勢(shì)。

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