劉李傅俏燕潘志強(qiáng)徐建艷李曉進(jìn)韓啟金張學(xué)文劉濤

（1中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094）

（2中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100071）

CBERS-04衛(wèi)星寬視場成像儀在軌場地輻射定標(biāo)

劉李1傅俏燕1潘志強(qiáng)1徐建艷1李曉進(jìn)1韓啟金1張學(xué)文1劉濤2

（1中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094）

（2中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100071）

CBERS-04衛(wèi)星寬視場成像儀（WFI）自發(fā)射以來，廣泛應(yīng)用于國土、水利、林業(yè)資源調(diào)查等方面?？紤]到衛(wèi)星遙感器受發(fā)射時(shí)的振動(dòng)、在軌空間環(huán)境變化以及元器件電路系統(tǒng)老化等因素的影響，各種輻射特性的變化，遙感器的性能和靈敏度不斷下降，從而導(dǎo)致整個(gè)遙感器輻射性能與原來的標(biāo)定結(jié)果之間存在一定的偏差。2015年8月，通過在敦煌輻射校正場開展輻射定標(biāo)同步觀測試驗(yàn)獲取了星地同步觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)反射率基法計(jì)算得到CBERS-04衛(wèi)星WFI相機(jī)的場地定標(biāo)系數(shù)。試驗(yàn)共獲取了5次有效數(shù)據(jù)，根據(jù)2015年8月7日，10日，13日的定標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到WFI的定標(biāo)系數(shù)。同時(shí)，根據(jù)16日和19日兩天的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到一組新的定標(biāo)系數(shù)作為準(zhǔn)真值開展定標(biāo)系數(shù)的驗(yàn)證。結(jié)果表明，WFI敦煌輻射定標(biāo)結(jié)果的偏差小于4%。另外，在考慮WFI傳感器光譜特性、輻射和空間分辨率、成像條件等差異的基礎(chǔ)上，以具有較高輻射定標(biāo)精度的Landsat-8 OLI作為參考傳感器進(jìn)行定標(biāo)方法的相對(duì)驗(yàn)證，結(jié)果顯示W(wǎng)FI與OLI的相對(duì)定標(biāo)結(jié)果的不確定度在6%左右。

場地定標(biāo) 驗(yàn)證 寬視場成像儀 中巴地球資源衛(wèi)星 衛(wèi)星應(yīng)用

0 引言

近年來，隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和遙感應(yīng)用水平的提高，遙感數(shù)據(jù)的科學(xué)應(yīng)用已不再局限于定性的分析，而是深入到定量的遙感信息分析及應(yīng)用中。衛(wèi)星遙感器在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)作為遙感數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)，其精度決定著遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的水平，沒有高精度的定標(biāo)，同一顆衛(wèi)星不同時(shí)間的數(shù)據(jù)資料不能相互比較，不同衛(wèi)星遙感器觀測的數(shù)據(jù)更不能相互比較[1]。衛(wèi)星遙感器受發(fā)射時(shí)的振動(dòng)、在軌空間環(huán)境變化以及元器件電路系統(tǒng)老化等因素的影響，其性能指標(biāo)（如探測靈敏度、響應(yīng)度、暗噪聲效應(yīng)）會(huì)不斷發(fā)生變化，直接影響著衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的定量產(chǎn)品精度、可靠性和應(yīng)用效果，同時(shí)還可能掩蓋地表信息變化在遙感數(shù)據(jù)中的細(xì)微體現(xiàn)[2]。國內(nèi)外相關(guān)定量化研究成果顯示，利用定標(biāo)后的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行地表參量反演，其精度明顯高于未做定標(biāo)時(shí)的結(jié)果，大量遙感器性能在軌監(jiān)測結(jié)果也顯示，遙感器在軌運(yùn)行期間均會(huì)不同程度的發(fā)生輻射特性變化，定期開展衛(wèi)星遙感器在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)工作，不但可以監(jiān)測遙感器性能變化情況，還可以提高衛(wèi)星輻射響應(yīng)特性測量精度，從而提高數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量，滿足遙感定量化應(yīng)用的精度要求。

中巴地球資源系列CBERS-04衛(wèi)星于2014年12月7日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。共搭載了4臺(tái)相機(jī)，其中，5m/10m空間分辨率的全色多光譜相機(jī)（PAN），40m/80m空間分辨率的紅外多光譜掃描儀（IRS），20m空間分辨率的多光譜相機(jī)（MUX）和67m空間分辨率的寬視場成像儀（WFI）。WFI傳感器具有B1(0.45～0.52μm)、B2(0.52～0.59μm)、B3(0.63～0.69μm)、B4(0.77～0.89μm)可見光—近紅外4個(gè)波段，其星下點(diǎn)空間分辨率為64m，幅寬為866km，重訪周期為3天。多樣的載荷配置使其可在國土、水利、林業(yè)資源調(diào)查、農(nóng)作物估產(chǎn)、城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)及災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。衛(wèi)星產(chǎn)品質(zhì)量除受衛(wèi)星遙感器本身影響外，還與衛(wèi)星在軌地面處理精度和衛(wèi)星在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)精度有關(guān)，其中輻射定標(biāo)作為定量化應(yīng)用的關(guān)鍵成為衛(wèi)星在軌運(yùn)行過程中的重要工作之一。衛(wèi)星遙感器在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)方法主要有星上定標(biāo)[3]、交叉定標(biāo)[4]和場地替代定標(biāo)[5]等，其中場地定標(biāo)由于不受衛(wèi)星遙感器本身和其它同類衛(wèi)星遙感器的限制而成為廣大衛(wèi)星地面處理系統(tǒng)和應(yīng)用單位完成衛(wèi)星遙感器在軌輻射性能實(shí)時(shí)監(jiān)測和校準(zhǔn)的主要手段。目前，我國光學(xué)衛(wèi)星在軌輻射定標(biāo)試驗(yàn)主要依托敦煌輻射定標(biāo)場[6]。

本文利用場地定標(biāo)中的反射率基法[7]，通過分析 2015年 8月敦煌同步觀測試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，獲取CBERS-04衛(wèi)星WFI的在軌定標(biāo)系數(shù)。并利用同步數(shù)據(jù)與Landsat-8 OLI傳感器的星上定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明本次場地定標(biāo)的不確定度為6%。

1 衛(wèi)星傳感器入瞳處能量計(jì)算

成像過程中接收到的入瞳處表觀輻亮度信息是太陽光、大氣以及地表相互作用的結(jié)果。在忽略電磁波的極化效應(yīng)，并假設(shè)大氣為垂直變化、水平各向同性平面和地面為各向同性朗伯體的條件下，入瞳處輔亮度由太陽反射光譜區(qū)（0.4～3.0μm）太陽光、大氣和地表相互作用及衛(wèi)星接收輻射信息構(gòu)成。

衛(wèi)星遙感器入瞳處所接收的表觀輻亮度由大氣路徑散射（主要包括瑞利散射和氣溶膠散射）、目標(biāo)區(qū)反射輻射亮度和鄰近目標(biāo)的散射輻射亮度組成[7]：

式中 Ls(λ)為波長λ處的遙感器入瞳處輻亮度； d2為日地距離修正因子；Es為大氣外太陽光譜輻照度；（θs是太陽天頂角）；為向下方向（太陽到地面）大氣散射透過率；τ為大氣光學(xué)厚度； ρn為目標(biāo)鄰近區(qū)地表反射率；S為大氣球面反照率；（θv是觀測天底角）；ρ( λ)為波長λ處目標(biāo)反射率； td(θv)為向上方向（地面到衛(wèi)星）大氣透射散射因子； ρp是大氣路徑的反射率[8]。

依據(jù)衛(wèi)星遙感器各波段光譜響應(yīng)特點(diǎn)，可計(jì)算出衛(wèi)星遙感器波段i的入瞳處等效輻亮度值[9]：

式中 λi為衛(wèi)星遙感器的等效中心波長； Le(λi) 為衛(wèi)星遙感器波段i的等效輻亮度； fi(λ)為衛(wèi)星遙感器波段i的光譜響應(yīng)函數(shù)；λmin、λmax分別為波段i的光譜響應(yīng)的最小波長和最大波長。

當(dāng)衛(wèi)星遙感器輻射探測性能為線性響應(yīng)時(shí)，可假設(shè)衛(wèi)星遙感器觀測值和入瞳處的等效輻亮度具有公式（3）中的定量關(guān)系。當(dāng)衛(wèi)星遙感器觀測地面目標(biāo)時(shí)，可獲得波段觀測值與等效輻亮度數(shù)據(jù)，則可通過最小二乘法擬合出衛(wèi)星遙感器在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)斜率（Gain）和定標(biāo)截距（Bias），如僅有一個(gè)地面目標(biāo)場地，則假設(shè)Bias在軌運(yùn)行過程中未發(fā)生變化，從而確定出定標(biāo)斜率[10]。

式中 Gain為定標(biāo)斜率；Bias為定標(biāo)截距；DN為衛(wèi)星遙感器波段i的灰度值。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

反射率基法主要是在衛(wèi)星遙感器飛過輻射校正場的前后半小時(shí)內(nèi)，同步測量地表反射率、大氣光學(xué)參量及其它參數(shù)[11]（其中根據(jù)公式(4)手持光譜儀測量所得的地表反射率值與WFI傳感器對(duì)應(yīng)波段的光譜響應(yīng)函數(shù)卷積得到地表波段等效反射率（表1），大氣光學(xué)厚度參數(shù)(AOD)由CE318太陽光度計(jì)獲取（表2））；利用輻射傳輸模型計(jì)算衛(wèi)星遙感器入瞳處輻射亮度值（表3）；然后與衛(wèi)星遙感器波段光譜響應(yīng)函數(shù)卷積得到衛(wèi)星遙感器波段處等效輻射亮度值，通過在WFI影像上的敦煌定標(biāo)場區(qū)域選擇感興趣提取得到同步衛(wèi)星影像的衛(wèi)星計(jì)算值（表4）；最后結(jié)合衛(wèi)星遙感器觀測值計(jì)算定標(biāo)系數(shù)[12]。

3 結(jié)果及驗(yàn)證

經(jīng)過2015年8月的敦煌試驗(yàn)，共獲取了五天的地表同步反射率數(shù)據(jù)及大氣數(shù)據(jù)等輔助參數(shù)，波段1在高亮場地的5次成像全部出現(xiàn)了飽和，波段3在高亮場地的影像僅于8月19號(hào)的1次成像未飽和。

利用表4和表5中2015年8月7日，8月10日，8月13日的WFI入瞳處等效輻亮度值和衛(wèi)星灰度值進(jìn)行線性擬合，得到WFI傳感器定標(biāo)系數(shù)（圖1）。同時(shí)，利用2015年8月16日和8月19日兩天的數(shù)據(jù)擬合得到一組新的定標(biāo)系數(shù)作為驗(yàn)證（圖2）。

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

表2 C E318大氣光學(xué)厚度觀測數(shù)據(jù)處理結(jié)果Tab.2 AOD results of CE318

表3 WFI入瞳處輻亮度Tab.3 WFI at-sensor radiance (W·m-2·sr-1·μm-1)

表4 衛(wèi)星影像通道灰度值提取Tab.4 DNs of the sensor image

圖1 CBERS-04衛(wèi)星WFI傳感器場地定標(biāo)系數(shù)Fig.1 Site calibration of CBERS-04 WFI

以8月16日和19日兩天的擬合結(jié)果為準(zhǔn)真值，計(jì)算定標(biāo)系數(shù)的相對(duì)偏差（表5）。由驗(yàn)證結(jié)果可知，針對(duì)B1，B2，B3，B4波段的兩次定標(biāo)結(jié)果的相對(duì)偏差分別為2.62%，0.70%，3.94%，0.40%。

與此同時(shí)，選擇Landsat-8 OLI做為參考傳感器對(duì)本次WFI場地定標(biāo)方法開展交叉檢驗(yàn)。參考遙感器Landsat-8為OLI設(shè)置有9個(gè)光譜波段[13]，其中太陽反射波段具有30m的空間分辨率，經(jīng)分析OLI遙感器的B2、B3、B4、B5與多光譜相機(jī)B1、B2、B3、B4波段范圍相近，具有作為參考遙感器對(duì)CBERS-04衛(wèi)星WFI相機(jī)進(jìn)行交叉檢驗(yàn)的可行性。

圖2 CBERS-04衛(wèi)星WFI傳感器場地定標(biāo)系數(shù)驗(yàn)證Fig.2 Validation of CBERS-04 WFI site calibration

表5 WFI場地定標(biāo)系數(shù)及驗(yàn)證結(jié)果Tab.5 Site calibration and validation of WFI (W·m-2·sr-1·μm-1)

針對(duì)2015年8月8日的場地實(shí)測數(shù)據(jù)，利用WFI場地定標(biāo)系數(shù)，計(jì)算Landsat-8OLI傳感器入瞳輻亮度值，與基于星上定標(biāo)結(jié)果所得的入瞳輻亮度值進(jìn)行比較驗(yàn)證，結(jié)果見表6。

基于Landsat-8 OLI遙感器對(duì)場地檢驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過場地定標(biāo)計(jì)算的入瞳輻亮度與星上定標(biāo)計(jì)算的入瞳輻亮度相對(duì)偏差在 6%左右。由于入瞳輻亮度的不確定度是等效傳遞給定標(biāo)系數(shù)的，因此可以認(rèn)為WFI相對(duì)于OLI的定標(biāo)系數(shù)不確定度在6%左右。

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

4 結(jié)束語

首次針對(duì)2014年發(fā)射的CBERS-04衛(wèi)星WFI傳感器開展在軌場地輻射定標(biāo)方法研究，利用敦煌石膏場和戈壁場的地表反射率數(shù)據(jù)，以及場地大氣參數(shù)等輔助數(shù)據(jù)，基于場地反射率基法擬合得到WFI傳感器4個(gè)波段的輻射定標(biāo)系數(shù)。并通過多次場地定標(biāo)結(jié)果的比對(duì)開展定標(biāo)系數(shù)的自身驗(yàn)證。同時(shí)，通過具有相似光譜特性和空間分辨率的 Landsat-8 OLI傳感器星上定標(biāo)數(shù)據(jù)與場地定標(biāo)數(shù)據(jù)的比較開展交叉驗(yàn)證。結(jié)果表明：

1）利用2015年8月7日，10日，13日的定標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到WFI的定標(biāo)系數(shù)為0.152 5，0.171 2，0.134 1，0.126 3。同時(shí)，根據(jù)16日和19日兩天的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的定標(biāo)系數(shù)為0.148 6，0.172 4，0.139 6，0.125 8。結(jié)果表明，本次WFI敦煌輻射定標(biāo)結(jié)果的偏差小于4%。

2）利用Landsat-8 OLI開展了試驗(yàn)結(jié)果的相互驗(yàn)證，通過比較其8月8日的星上定標(biāo)與場地定標(biāo)結(jié)果，顯示W(wǎng)FI與OLI的相對(duì)定標(biāo)結(jié)果的不確定度在6%左右。

References)

[1]CHANDER G，MARKHAM B, BARSI J A. Revised Landsat-5 Thematic Radiometric Calibration [J]. IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing, 2007, 4(3): 490-494.

[2] KAUFMAN Y J, HOLBEN B N. Calibration of the AVHRR Visible and Near-IR Bands by Atmospheric Scattering, Ocean Glint, and Desert reflection[J]. International Journal of Remote Sensing, 1993, 14(1): 21-52.

[3] XIONG X. An Overview of MODIS Radiometric Calibration and Characterization [J]. Adv. Atmos. Sci., 2006, 23(1): 69-79.

[4] CHANDERG, HEWISONT J, FOX N, et al. Overview of Intercalibration of Satellite Instruments [J]. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 2013, 51(3): 1056-1080.

[5]TEILLETP M, SLATERPN, DINGY, et al. Three Methods for the Absolute Calibration of the NOAA AVHRR Sensors In-Flight[J], Remote Sens. Environ., 1990, 31(2): 105-120.

[6] LI X, GU X, MIN X, et al. Radiometric Cross-calibration of the CBERS-02 CCD Camera with the TERRA MODIS [J]. SCIENCE CHINA Technological Sciences, 2005, 48(z1): 44-60.

[7] SLATERP N, BIGGARS F, HOLMR G, et al. Reflectance- and Radiance-Based Methods for the in-Flight Absolute Calibration of Multispectral Sensors[J]. Remote Sens. Environ., 1987, 22(1): 11-37.

[8] THOME K J. Absolute Radiometric Calibration of Landsat-7 ETM+ Using the Reflectance-based Method [J], Remote Sens.Environ, 2001, 78(1): 27-38.

[9] VERMOTE E, SALEOUS N E, JUSTICE C O, et al. Atmospheric Correction of Visible to Middle-infrared EOS-MODIS Data Over Land Surfaces: Background, Operational Algorithm and Validation[J]. Journal of Geophysical Research, 1997, 102(D14): 17131-17141.

[10]THOME K J, HELDER D L, Aaron D, et al. Landsat-5 TM and Landsat-7 ETM+ Absolute Radiometric Calibration Using the Reflectance-Based Method [J]. IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing. 2004, 42(12): 2777-2785.

[11]ANGAL A, XIONG X, CHOI T, et al. Using the Sonoran and Libyan Desert Test Sites to Monitor the Temporal Stability of Reflective Solar Bands for Landsat-7 Enhanced Thematic Mapper Plus and Terra Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer Sensors [J]. J. Appli. Remote Sens, 2010, 4(1): 043525-1-043525-12.

[12]THOME K J, CROWTHER B G, BIGGAR S F. Reflectance- and Irradiance-based Calibration of Landsat-5 Thematic Mapper [J]. Canadian Journal of Remote Sensing, 1997, 23(4): 309-317.

[13]EDWARD J K, GEIR K. Landsat-8 Operational Land Imager Design, Characterization and Performance[J]. Remote Sensing, 2014, 6(11): 10286-10305.

[14]王志民. 中國資源衛(wèi)星絕對(duì)輻射校正場[J]. 國土資源遙感, 1999, 41(3): 40-46. WANG Zhimin. Ground Test Sites for Absolute Radiometric Calibration of China Resources Satellite[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES, 1999, 41(3): 40-46. (in Chinese）

[15]SLATERP N, BIGGARS F, THOMEK J, et al. Vicarious Radiometric Calibrations of EOS Sensors [J]. Journal of Atmospheric and Ocean Technology, 1996, 13(1): 349-359.

[16]THOMEK J, MARKHAM B, BERKER J, et al. Radiometric Calibration of Landsat [J]. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 1997, 63(7): 853-858.

[17]XIONG X, SUN J, BARNES W, et al. Multiyear on-Orbit Calibration an Performance of Terra MODIS Reflective Solar Bands[J]. IEEE Transactions of Geoscience and Remote Sensing, 2007, 45(4): 879-889.

[18]韓啟金, 潘志強(qiáng), 王愛春. 民用遙感衛(wèi)星載荷在軌輻射定標(biāo)與定量應(yīng)用.航天返回與遙感. 2013, 34(2): 57-65. HAN Qijin, PAN Zhiqiang, WANG Aichun. In-orbit Radiometric Calibration and Quantitative Application for Civil Remote Sensing Satellite Payloads. Spacecraft Recovery & Remote Sensing. 2013, 34(2): 57-65. (in Chinese)

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

劉李，男，1984年生，2013年獲中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所地圖學(xué)與地理信息專業(yè)博士學(xué)位，工程師，高分定標(biāo)檢校系統(tǒng)主管設(shè)計(jì)師，主要從事衛(wèi)星傳感器輻射定標(biāo)及定量化應(yīng)用方面的研究工作。Email:liulicugb@126.com。

（編輯：王麗霞）

2015-10-13

國家自然科學(xué)基金（41401424）