劉李 高海亮 潘志強(qiáng) 傅俏燕 顧行發(fā)

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基于深度學(xué)習(xí)的在軌輻射定標(biāo)方法研究

劉李1高海亮2潘志強(qiáng)1傅俏燕1顧行發(fā)2

（1 中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094）（2 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京100101）

輻射定標(biāo)是將衛(wèi)星傳感器的計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)化為具有物理意義的數(shù)值的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的在軌定標(biāo)方法都是基于一天的數(shù)據(jù)，定標(biāo)精度受限于當(dāng)天的地面測(cè)量數(shù)據(jù)和天氣情況。文章提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的在軌定標(biāo)新方法，其思想是利用定標(biāo)場(chǎng)地的大量歷史衛(wèi)星影像、歷史大氣數(shù)據(jù)和歷史光譜數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和篩選，構(gòu)建和真實(shí)場(chǎng)景最接近的定標(biāo)場(chǎng)地模型。利用這一定標(biāo)場(chǎng)地模型，模擬出待定標(biāo)衛(wèi)星成像時(shí)刻對(duì)應(yīng)觀測(cè)幾何下的表觀反射率，實(shí)現(xiàn)傳感器的絕對(duì)輻射定標(biāo)。為驗(yàn)證新方法的有效性，分別利用場(chǎng)地定標(biāo)法、交叉定標(biāo)法和深度學(xué)習(xí)定標(biāo)法對(duì)“高分一號(hào)”衛(wèi)星PMS2相機(jī)進(jìn)行在軌輻射定標(biāo)。結(jié)果表明，深度學(xué)習(xí)定標(biāo)法的定標(biāo)精度和場(chǎng)地定標(biāo)法接近，優(yōu)于交叉定標(biāo)方法，且具備交叉定標(biāo)方法的成本低、頻率高、可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較理想的在軌定標(biāo)新方法。

深度學(xué)習(xí) 輻射定標(biāo) “高分一號(hào)”衛(wèi)星 空間相機(jī)

0 引言

輻射定標(biāo)是實(shí)現(xiàn)遙感定量化的前提和基礎(chǔ)，任何定量化產(chǎn)品都需要首先將圖像灰度值轉(zhuǎn)換成具有物理意義的表觀輻亮度，這一過(guò)程即輻射定標(biāo)。隨著遙感衛(wèi)星數(shù)量的增多和定量遙感應(yīng)用的深入，輻射定標(biāo)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外的高度重視，提出了多種在軌輻射定標(biāo)方法。

在軌輻射定標(biāo)方法可分為四類：在軌星上定標(biāo)、在軌場(chǎng)地定標(biāo)、在軌交叉定標(biāo)和在軌場(chǎng)景定標(biāo)[1-2]。1）在軌星上定標(biāo)是利用星上定標(biāo)設(shè)備，通過(guò)內(nèi)置的定標(biāo)燈光源或引入太陽(yáng)/月亮等外部光源，實(shí)現(xiàn)在軌定標(biāo)。星上定標(biāo)具有定標(biāo)精度高，不受地表和大氣影響等優(yōu)點(diǎn)，但該方法需要搭載星上定標(biāo)設(shè)備，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大，衛(wèi)星研制成本高，而且隨著星上定標(biāo)設(shè)備自身的衰減也會(huì)降低星上定標(biāo)的精度。2）在軌場(chǎng)地定標(biāo)是在衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻，在地面輻射定標(biāo)場(chǎng)開(kāi)展星地同步試驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的地表和大氣參數(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器的在軌輻射定標(biāo)。場(chǎng)地定標(biāo)法又分為反射率基法、輻照度基法和輻亮度基法三種。場(chǎng)地定標(biāo)具有較高的定標(biāo)精度和可信度，但定標(biāo)時(shí)需要開(kāi)展星地同步試驗(yàn)，定標(biāo)頻率低，成本高，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的在軌定標(biāo)。3）在軌交叉定標(biāo)利用定標(biāo)設(shè)備完善的傳感器作為參考，獲取參考傳感器和待定標(biāo)傳感器在同一時(shí)間同一區(qū)域成像的影像對(duì)，進(jìn)行光譜匹配等處理，得到待定標(biāo)傳感器的輻射定標(biāo)系數(shù)。交叉定標(biāo)方法具有定標(biāo)成本低，頻率高，可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)定標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。但交叉定標(biāo)的難點(diǎn)在于影像對(duì)的獲?。喝暨x擇寬幅寬相機(jī)作為參考傳感器，獲取的參考影像往往有大的觀測(cè)角度，地表方向反射率的變化會(huì)顯著影響定標(biāo)精度；若選擇窄幅寬相機(jī)作為參考傳感器，每年可獲取的有效影像對(duì)數(shù)量非常少，難以實(shí)現(xiàn)高頻次定標(biāo)。4）在軌場(chǎng)景定標(biāo)利用地球表面的某一類場(chǎng)景作為研究對(duì)象，構(gòu)建相應(yīng)的場(chǎng)景模型，根據(jù)衛(wèi)星的觀測(cè)幾何等參數(shù)，得到傳感器的絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)。場(chǎng)景定標(biāo)法根據(jù)場(chǎng)景的不同，又分為沙漠場(chǎng)景法、云場(chǎng)景法、海洋場(chǎng)景法、極地場(chǎng)景法等[3]。場(chǎng)景定標(biāo)法的優(yōu)點(diǎn)是不需要地面同步實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，定標(biāo)頻率高，不足之處在于其構(gòu)建的模型主要依賴?yán)碚摷僭O(shè)，其定標(biāo)精度較低。

本文在現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的在軌定標(biāo)新方法，充分利用敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)地多年的歷史地面測(cè)量數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建定標(biāo)場(chǎng)地表觀反射率定標(biāo)場(chǎng)地模型，實(shí)現(xiàn)傳感器歷史數(shù)據(jù)的高頻次高精度定標(biāo)。以“高分一號(hào)”衛(wèi)星為例，分別采用場(chǎng)地定標(biāo)法、交叉定標(biāo)法和新提出的深度學(xué)習(xí)定標(biāo)方法，實(shí)現(xiàn)傳感器的在軌定標(biāo)。結(jié)果表明，基于深度學(xué)習(xí)的定標(biāo)結(jié)果具有高的定標(biāo)精度和定標(biāo)頻率，為今后衛(wèi)星的在軌輻射定標(biāo)提供了新的思路和方法。

1 基于深度學(xué)習(xí)的定標(biāo)方法

深度學(xué)習(xí)是近年來(lái)在大數(shù)據(jù)環(huán)境下興起的一門(mén)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是基于海量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，構(gòu)建相應(yīng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用于之后的分析、預(yù)測(cè)等應(yīng)用。由于其具備海量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)能力和高度的特征抽象能力，在諸多圖像應(yīng)用領(lǐng)域取得了顯著的應(yīng)用效果。在遙感領(lǐng)域，基于深度學(xué)習(xí)的思想，成功用于遙感圖像的目標(biāo)識(shí)別、分類和圖像融合，取得了較好的應(yīng)用效果[4-6]。

基于深度學(xué)習(xí)的在軌定標(biāo)，其思想利用輻射定標(biāo)場(chǎng)地多年的地面測(cè)量數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)各類數(shù)據(jù)的篩選和學(xué)習(xí)，構(gòu)建場(chǎng)地方向表觀反射率模型，模擬出待定標(biāo)傳感器過(guò)境時(shí)刻的表觀反射率，實(shí)現(xiàn)傳感器的絕對(duì)輻射定標(biāo)。和傳統(tǒng)定標(biāo)方法相比，基于深度學(xué)習(xí)的在軌定標(biāo)方法有以下特點(diǎn)：

1）傳統(tǒng)定標(biāo)方法都是基于一天的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)本身包含的信息有限，精度難以提高。而基于深度學(xué)習(xí)的在軌定標(biāo)基于輻射定標(biāo)場(chǎng)地多年的地面和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，自身包含了大量的信息，使得定標(biāo)精度的進(jìn)一步提高成為可能。

2）傳統(tǒng)定標(biāo)方法難以對(duì)輸入數(shù)據(jù)自身精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。以場(chǎng)地定標(biāo)為例，假如輸入的地表反射率由于測(cè)量的失誤，其輸入的反射率和真實(shí)反射率有較大的差異，由此產(chǎn)生的誤差將會(huì)全部傳遞給最終的定標(biāo)結(jié)果。而基于深度學(xué)習(xí)的定標(biāo)方法，通過(guò)利用大量的地面和衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為參考，可以對(duì)輸入的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分析，濾除明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，以提高定標(biāo)的精度。

基于深度學(xué)習(xí)的定標(biāo)方法關(guān)鍵在于定標(biāo)場(chǎng)地模型的構(gòu)建，其基本流程如圖1所示。

圖1 基于深度學(xué)習(xí)的輻射定標(biāo)方法技術(shù)流程

第一步，根據(jù)定標(biāo)場(chǎng)地的歷史衛(wèi)星影像、歷史光譜數(shù)據(jù)和歷史大氣數(shù)據(jù)，構(gòu)建定標(biāo)場(chǎng)地方向表觀反射率模型。第二步，根據(jù)參考傳感器的表觀反射率和待定標(biāo)衛(wèi)星的觀測(cè)幾何，模擬出待定標(biāo)衛(wèi)星觀測(cè)幾何下的表觀反射率。第三步，根據(jù)參考傳感器和待定標(biāo)衛(wèi)星的光譜響應(yīng)函數(shù)，利用輻射傳輸模型進(jìn)行光譜匹配[7-8]，模擬出待定標(biāo)衛(wèi)星光譜響應(yīng)函數(shù)對(duì)應(yīng)的表觀反射率。最后，根據(jù)輻亮度和反射率的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及定標(biāo)場(chǎng)地的圖像灰度值，得到待定標(biāo)衛(wèi)星的定標(biāo)系數(shù)。

理論上，深度學(xué)習(xí)方法具有比傳統(tǒng)方法更高的定標(biāo)頻率和定標(biāo)精度。這是因?yàn)?，傳統(tǒng)的場(chǎng)地定標(biāo)依賴場(chǎng)地測(cè)量試驗(yàn)，而交叉定標(biāo)需要獲取同一角度下的參考影像對(duì)，使得傳統(tǒng)定標(biāo)次數(shù)有限。而深度學(xué)習(xí)法只要是經(jīng)過(guò)定標(biāo)場(chǎng)地晴朗天氣下的影像，都可以用于在軌定標(biāo)，定標(biāo)頻率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法。此外，深度學(xué)習(xí)法以定標(biāo)場(chǎng)地大量歷史數(shù)據(jù)作為參考，而傳統(tǒng)定標(biāo)只依賴一天的數(shù)據(jù)，因此，定標(biāo)精度要高于傳統(tǒng)方法。

2 基于深度學(xué)習(xí)的定標(biāo)場(chǎng)地模型

敦煌輻射校正場(chǎng)是我國(guó)第一個(gè)國(guó)家級(jí)的在軌輻射定標(biāo)場(chǎng)，也是國(guó)際對(duì)地觀測(cè)委員會(huì)推薦的國(guó)際上八個(gè)有儀器測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)場(chǎng)之一[9]。自1999年以來(lái)，已經(jīng)在敦煌場(chǎng)地開(kāi)展了多次在軌定標(biāo)試驗(yàn)，獲得了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地大量的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和地面測(cè)量數(shù)據(jù)。這些地面測(cè)量數(shù)據(jù)和在軌定標(biāo)結(jié)果表明，敦煌輻射校正場(chǎng)具有穩(wěn)定的地表輻射特征和大氣特征[10]。本文利用2015年敦煌場(chǎng)地所有的MODIS影像數(shù)據(jù)，結(jié)合地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和篩選，構(gòu)建敦煌場(chǎng)地方向表觀反射率模型。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，2015年敦煌場(chǎng)地所有圖像第1波段對(duì)應(yīng)的表觀反射率，由于天氣的變化和地表的影響，不同日期的場(chǎng)地表觀反射率有很大差異，最小值約為0.2，最大值超過(guò)0.8。根據(jù)敦煌場(chǎng)地歷史光譜測(cè)量數(shù)據(jù)表明，敦煌場(chǎng)地的地表反射率在0.2~0.3之間，當(dāng)反射率遠(yuǎn)超這一值時(shí)主要是由于云的影響。為去除歷史圖像中的異常數(shù)據(jù)，需做出以下幾個(gè)假設(shè)：

1）敦煌場(chǎng)地相鄰日期的表觀反射率變化小于閾值1；

2）敦煌場(chǎng)地表觀反射率的變異系數(shù)小于閾值2；

3）敦煌場(chǎng)地的亮溫大于閾值3。

其中，閾值1，2，3根據(jù)場(chǎng)地多年測(cè)量數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)確定。基于上述三個(gè)假設(shè)，結(jié)合敦煌場(chǎng)地2015年所有地面測(cè)量數(shù)據(jù)和影像產(chǎn)品，剔除被云污染的圖像，獲取有效圖像數(shù)據(jù)。圖2給出了2015年敦煌場(chǎng)地所有圖像以及經(jīng)過(guò)云污染圖像剔除后的MODIS第一波段表觀反射率，可以看出，經(jīng)過(guò)云污染圖像剔除后，敦煌場(chǎng)地的表觀反射率接近一致。

（a）所有圖像

（a）All images

（b）有效圖像

根據(jù)2015年全年有效數(shù)據(jù)，結(jié)合衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻的觀測(cè)幾何，利用核驅(qū)動(dòng)模型構(gòu)建敦煌場(chǎng)地方向表觀反射率模型，具體公式為[11]

(s，v，)=iso+geogeo(s，v，)+volvol(s，v，) （1）

式中為二向表觀反射率；geo為幾何光學(xué)核，vol為體散射核，都是光線入射角和觀測(cè)角的函數(shù)；s為太陽(yáng)光入射天頂角；v為觀測(cè)天頂角；為相對(duì)方位角；iso，geo，vol是校正常數(shù)，分別表示各向均勻散射、幾何光學(xué)散射、體散射這三部分所占比例。

幾何光學(xué)核采用LiSparse核心，描述稀疏分布不均勻樹(shù)冠和其它不透明體；體散射核采用RossThick核，適于描述稠密均勻植被、葉傾角球型分布的情形。本文利用該模型實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地表觀反射率的模擬，通過(guò)線性回歸，反演出擬合觀測(cè)數(shù)據(jù)最優(yōu)的iso，geo，vol，然后通過(guò)核的外推，根據(jù)衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻的觀測(cè)幾何，得到對(duì)應(yīng)觀測(cè)角度下的表觀反射率。其中，敦煌場(chǎng)地表觀反射率擬合系數(shù)如表1所示。

表1 敦煌場(chǎng)地方向表觀反射率擬合系數(shù)

Tab.1 The fitting coefficients of apparent reflectance of Dunhuang site

3 基于深度學(xué)習(xí)的“高分一號(hào)”衛(wèi)星在軌定標(biāo)

“高分一號(hào)”衛(wèi)星是我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系列衛(wèi)星的第一顆星，于2013年4月26日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)，主要依賴在軌場(chǎng)地定標(biāo)，通過(guò)在敦煌輻射校正場(chǎng)開(kāi)展地面同步測(cè)量試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)“高分一號(hào)”衛(wèi)星的在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)[12]。也可利用敦煌場(chǎng)地的歷史光譜數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)[13]，得到“高分一號(hào)”衛(wèi)星多個(gè)載荷的輻射定標(biāo)系數(shù)。此外，文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]還分別利用“實(shí)踐九號(hào)”（SJ-9A）衛(wèi)星的PMS相機(jī)和Landsat-8衛(wèi)星的OLI相機(jī)作為參考傳感器，對(duì)“高分一號(hào)”衛(wèi)星進(jìn)行交叉定標(biāo)。

本文選擇“高分一號(hào)”衛(wèi)星PMS2相機(jī)的兩幅敦煌場(chǎng)地遙感影像為例，分別采用場(chǎng)地定標(biāo)法、交叉定標(biāo)法和新提出的深度學(xué)習(xí)定標(biāo)方法，實(shí)現(xiàn)“高分一號(hào)”衛(wèi)星的在軌輻射定標(biāo)，并對(duì)各種方法的定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

選擇2015年8月3日和8月11日的兩幅“高分一號(hào)”衛(wèi)星PMS2相機(jī)遙感影像作為研究區(qū)，進(jìn)行傳感器的在軌輻射定標(biāo)。兩幅影像的基本參數(shù)如表2所示。

表2 敦煌場(chǎng)地圖像基本信息

Tab.2 Basic information of Dunhuang site images

3.2 定標(biāo)結(jié)果

分別采用場(chǎng)地定標(biāo)法、交叉定標(biāo)法和深度學(xué)習(xí)法三種定標(biāo)方法，對(duì)這兩幅衛(wèi)星影像進(jìn)行在軌定標(biāo)。

場(chǎng)地定標(biāo)法采用反射率基法[16-17]，兩幅影像分別以地面同步實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史光譜作為輸入，通過(guò)輻射傳輸模型模擬出衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻的表觀輻亮度，實(shí)現(xiàn)“高分一號(hào)”衛(wèi)星的絕對(duì)輻射定標(biāo)。

交叉定標(biāo)法以Terra衛(wèi)星的MODIS作為參考傳感器，分別獲取2015年8月3日和8月11日這兩天的MODIS影像，采用傳統(tǒng)的交叉定標(biāo)方法[18-19]，得到“高分一號(hào)”衛(wèi)星PMS2相機(jī)的輻射定標(biāo)系數(shù)。

深度學(xué)習(xí)法根據(jù)2015年8月3日和8月11日這兩天PMS2圖像的觀測(cè)幾何、成像當(dāng)天的MODIS表觀反射率以及表1給出的場(chǎng)地方向表觀反射率擬合系數(shù)，模擬得到敦煌場(chǎng)地兩幅圖像對(duì)應(yīng)的方向表觀反射率。在此基礎(chǔ)上，利用輻射傳輸模型模擬出敦煌場(chǎng)地表觀反射率光譜曲線，并根據(jù)MODIS和PMS2的光譜響應(yīng)函數(shù)，計(jì)算出MODIS和PMS2的光譜匹配校正因子，得到“高分一號(hào)”衛(wèi)星PMS2相機(jī)兩幅圖像成像時(shí)刻對(duì)應(yīng)的方向表觀反射率。最后，利用方向表觀反射率和場(chǎng)地圖像灰度值，得到“高分一號(hào)”衛(wèi)星的定標(biāo)系數(shù)。表3給出了8月3日和8月11日兩幅影像基于深度學(xué)習(xí)方法的定標(biāo)結(jié)果。

表4給出了8月3日和8月11日兩幅影像三種方法的定標(biāo)系數(shù)和資源衛(wèi)星中心公布的定標(biāo)系數(shù)。表5為三種方法與資源衛(wèi)星中心公布的定標(biāo)系數(shù)的相對(duì)差異。表6為這三種方法對(duì)應(yīng)兩個(gè)日期圖像的相對(duì)差異。

表3 “高分一號(hào)”衛(wèi)星PMS2相機(jī)深度學(xué)習(xí)法定標(biāo)結(jié)果

Tab.3 The calibration results with deep learning of GF-1 PMS2

表注：波段1,2,3和4分別為藍(lán)、綠、紅和近紅外波段。

表4 “高分一號(hào)”衛(wèi)星PMS2相機(jī)不同方法定標(biāo)結(jié)果

Tab.4 The calibration results with various methods of GF-1 PMS2

表5 “高分一號(hào)”衛(wèi)星PMS2相機(jī)定標(biāo)結(jié)果相對(duì)差異

Tab.5 The relative differences of various calibration methods of GF-1 PMS2

表6 “高分一號(hào)”衛(wèi)星PMS2相機(jī)兩個(gè)日期圖像定標(biāo)結(jié)果相對(duì)差異

Tab.6 The relative differences between two days of various calibration methods of GF–1 PMS2

可以看出，場(chǎng)地定標(biāo)法前兩個(gè)波段定標(biāo)結(jié)果和資源衛(wèi)星中心公布的定標(biāo)系數(shù)的相對(duì)差異小于4%，后兩個(gè)波段的相對(duì)差異為5%~7%之間。交叉定標(biāo)法8月3日定標(biāo)結(jié)果和官方定標(biāo)結(jié)果相對(duì)差異小于4%，但8月11日定標(biāo)結(jié)果相對(duì)差異大于50%。深度學(xué)習(xí)法在第1波段和第3波段定標(biāo)結(jié)果和資源衛(wèi)星中心定標(biāo)結(jié)果的相對(duì)差異小于4%，第2波段和第4波段的相對(duì)差異為5%~7.5%之間。結(jié)果表明，深度學(xué)習(xí)法具有和場(chǎng)地定標(biāo)相似的定標(biāo)精度；交叉定標(biāo)法的定標(biāo)精度受參考傳感器影響大，定標(biāo)結(jié)果不穩(wěn)定。

對(duì)兩個(gè)不同日期相同定標(biāo)方法得到的定標(biāo)結(jié)果分析表明，場(chǎng)地定標(biāo)法和深度學(xué)習(xí)法的相對(duì)變化小于2%，而交叉定標(biāo)法的相對(duì)變化高達(dá)30%以上，表明場(chǎng)地定標(biāo)法和深度學(xué)習(xí)法具有更高的可信度和算法穩(wěn)定性。

3.3 定標(biāo)誤差分析

基于深度學(xué)習(xí)的定標(biāo)方法利用構(gòu)建的定標(biāo)場(chǎng)地模型，模擬出衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻對(duì)應(yīng)觀測(cè)角度下的表觀反射率，實(shí)現(xiàn)在軌定標(biāo)。影響輻射定標(biāo)精度的主要誤差源有：1）場(chǎng)地二向表觀反射率模型的反演誤差為2.6%，由模型模擬的表觀反射率和MODIS圖像測(cè)量反射率的相對(duì)差異計(jì)算得到；2）衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻大氣引起的誤差為1.6%，通過(guò)計(jì)算光譜匹配因子時(shí)，輸入不同大氣參數(shù)導(dǎo)致的光譜匹配因子的相對(duì)變化計(jì)算得到；3）衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻地表光譜引起的定標(biāo)誤差為1%，通過(guò)輸入不同的地表光譜，計(jì)算其相對(duì)應(yīng)光譜匹配因子的相對(duì)差異得到；4）鄰近效應(yīng)影響的誤差為1%，根據(jù)場(chǎng)地圖像的變異系數(shù)計(jì)算得到；5）輻射傳輸模型引起的定標(biāo)誤差為0.5%；6）MODIS參考傳感器自身定標(biāo)誤差為2%[20]。總的定標(biāo)誤差為3.95%，優(yōu)于傳統(tǒng)交叉定標(biāo)方法8%~9%的定標(biāo)精度[21]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的在軌輻射定標(biāo)新方法，其思想是利用定標(biāo)場(chǎng)地大量歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)建并優(yōu)化定標(biāo)場(chǎng)地方向表觀反射率模型。然后，根據(jù)待定標(biāo)衛(wèi)星的光譜響應(yīng)函數(shù)、觀測(cè)幾何等信息，模擬出待定標(biāo)衛(wèi)星成像時(shí)刻的方向表觀反射率，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)待定標(biāo)衛(wèi)星的絕對(duì)輻射定標(biāo)。深度學(xué)習(xí)方法是一種不斷優(yōu)化和完善的方法，其表觀反射率模型會(huì)隨著定標(biāo)場(chǎng)地的歷史數(shù)據(jù)的更新而不斷優(yōu)化。本文只是采用了2015年全年的MODIS影像數(shù)據(jù)，少量場(chǎng)地測(cè)量光譜和大氣參數(shù)。今后隨著定標(biāo)場(chǎng)地各類數(shù)據(jù)的增多和深度學(xué)習(xí)定標(biāo)方法的優(yōu)化，將會(huì)更加精確地模擬出敦煌場(chǎng)地的方向表觀反射率，實(shí)現(xiàn)傳感器的高精度在軌輻射定標(biāo)。深度學(xué)習(xí)法具有定標(biāo)精度高、頻率高、可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)重要的定標(biāo)方法。今后將進(jìn)一步優(yōu)化完善深度學(xué)習(xí)的定標(biāo)理論和方法，為多個(gè)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星歷史數(shù)據(jù)的高精度高頻次定標(biāo)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。此外，基于深度學(xué)習(xí)的方法和思想，還可進(jìn)行全球定標(biāo)場(chǎng)地的選擇和模型構(gòu)建，推進(jìn)全球數(shù)字化定標(biāo)場(chǎng)網(wǎng)的建設(shè)，將全球陸地、海洋和極地作為定標(biāo)和真實(shí)性檢驗(yàn)場(chǎng)，以提高對(duì)地觀測(cè)的應(yīng)用水平。

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（編輯：王麗霞）

On-orbit Radiometric Calibration Method Research Based on Deep Learning Theory

LIU Li1GAO Hailiang2PAN Zhiqiang1FU Qiaoyan1GU Xingfa2

（1 China Center for Resources Satellite Data and Application, Beijing 100094, China）（2 Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China）

Radiometric calibration is the key to transform a satellite sensor dimensionless value into a physical value. Traditional on-orbit calibration methods are based on one-day data, whose calibration accuracy is limited by the in situ measurement data and the weather that day. This paper proposes a new on-orbit calibration method based on deep learning, which is to establish a model of calibration site through the deep learning of historical satellite images，atmosphere and spectral data of this calibration site. The apparent reflectance corresponding to the observation satellite geometry can be simulated through the new calibration site model, and then the absolute radiometric calibration is realized. The validation of the new method is performed with the site calibration, cross calibration and deep learning calibration of GF-1 PMS2. The results shows that the calibration precision of the new method is similar to site calibration while is better than the cross calibration method. In addition, it also has the advantages of cross calibration method, such as lower cost, and higher frequency. In brief，the new on-orbit calibration method is feasible.

deep learning; radiometric calibration; GF-1 satellite; space camera

TP732

A

1009-8518(2017)02-0064-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.02.009

2017-01-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（41401424），遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金OFSLRSS201615，中國(guó)科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金KLOCC2016-1

劉李，男，1984年生，2013年獲中國(guó)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，高級(jí)工程師，高分定標(biāo)檢校系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師。研究方向?yàn)樾l(wèi)星傳感器輻射定標(biāo)及定量化應(yīng)用。E-mail：liulicugb@126.com。高海亮，男，1982年生，2011年獲中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所博士學(xué)位，副研究員，研究方向?yàn)閭鞲衅髟谲壿椛涠?biāo)、高光譜遙感及真實(shí)性檢驗(yàn)等。E-mail: gaohl@radi.ac.cn。