何興偉，馮小虎，韓 琦，郭 強(qiáng)

(國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081)

1 引 言

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演地表各種地球物理化學(xué)參數(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。儀器的定標(biāo)精度直接影響衛(wèi)星數(shù)據(jù)的定量化應(yīng)用，衛(wèi)星傳感器發(fā)射升空后，其自身特性和周?chē)h(huán)境的變化會(huì)造成傳感器老化、靈敏度下降，嚴(yán)重影響其輻射性能，因此需要對(duì)衛(wèi)星輻射性能進(jìn)行有效的在軌監(jiān)測(cè)和訂正。對(duì)于具有完備的星上定標(biāo)系統(tǒng)的MODIS和SeaWiFS傳感器，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，其絕對(duì)輻射定標(biāo)精度分別達(dá)到了5%和3%，相對(duì)精度分別達(dá)到了1%和0.16%。搭載在NOAA上的AVHRR傳感器的可見(jiàn)光近紅外通道缺少星上定標(biāo)系統(tǒng)，通過(guò)場(chǎng)地定標(biāo)獲取衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻的同步測(cè)量數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)傳感器的性能變化并進(jìn)行訂正。風(fēng)云三號(hào)是我國(guó)第二代極軌氣象衛(wèi)星，中分辨率光譜成像儀(Medium Resolution Spectral Imager，MERSI)是星上搭載的主要儀器之一。盡管MERSI具有可見(jiàn)光星上定標(biāo)設(shè)備，但是只能用于儀器響應(yīng)的衰減追蹤，因此必須采用其他定標(biāo)手段來(lái)保證數(shù)據(jù)的輻射精度[1]。

太陽(yáng)反射波段的定標(biāo)跟蹤和監(jiān)測(cè)方法包括恒定定標(biāo)場(chǎng)的替代定標(biāo)[2-3]、基于均勻穩(wěn)定目標(biāo)的輻射跟蹤[4-8]、利用月亮目標(biāo)的輻射跟蹤[9]、基于高精度參考傳感器的交叉定標(biāo)[10]。目前，MERSI的絕對(duì)定標(biāo)主要采用基于同步現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的敦煌場(chǎng)地替代定標(biāo)，敦煌場(chǎng)地替代定標(biāo)在星地同步測(cè)量時(shí)受各種自然因素(大氣條件，天氣狀況等)和人為因素(觀測(cè)儀器等)的影響，且需要投入大量的人力物力，獲取的同步測(cè)量數(shù)據(jù)有限，每年一次的定標(biāo)頻次低，不能有效地檢測(cè)儀器輻射性能的變化。交叉定標(biāo)方法主要是將定標(biāo)精度高、數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的傳感器(如SeaWiFS和MODIS)作為參考傳感器，對(duì)定標(biāo)精度較低的衛(wèi)星傳感器進(jìn)行定標(biāo)，被定標(biāo)傳感器理論上可以達(dá)到參考傳感器的定標(biāo)精度，其核心思想就是利用參考傳感器，通過(guò)光譜匹配和時(shí)空匹配，模擬待定標(biāo)傳感器的天頂輻射值。相對(duì)于場(chǎng)地替代定標(biāo)，交叉定標(biāo)需要的地面測(cè)量數(shù)據(jù)較少，定標(biāo)精度主要取決于參考傳感器的精度和光譜、時(shí)空匹配帶來(lái)的誤差，適用于歷史數(shù)據(jù)的重定標(biāo)工作。

本文采用國(guó)際上通用的6個(gè)北非沙漠目標(biāo)，基于高質(zhì)量的SeaWiFS數(shù)據(jù)對(duì)FY-3C MERSI在軌運(yùn)行期間(2013年10月—2015年1月)數(shù)據(jù)進(jìn)行了交叉定標(biāo)研究。

2 數(shù) 據(jù)

2.1 SeaWiFS數(shù)據(jù)

SeaWiFS(Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor)是搭載在SeaStar太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星上的美國(guó)第二代海色遙感傳感器。SeaWiFS共有8個(gè)光譜通道(波段設(shè)置見(jiàn)表 1)，包括6個(gè)可見(jiàn)光通道和2個(gè)近紅外通道。

表1 SeaWiFS光譜波段指標(biāo)Tab.1 Spectral band specifications of SeaWiFS

為了將SeaWiFS的觀測(cè)輻亮度的不確定性限制在0.1%以內(nèi)[11]，NASA的海色遙感小組進(jìn)行了發(fā)射前定標(biāo)、星上定標(biāo)、海面替代定標(biāo)及月球定標(biāo)等一系列系統(tǒng)而嚴(yán)格的定標(biāo)工作，最終SeaWiFS的天頂輻射數(shù)據(jù)的絕對(duì)定標(biāo)精度小于3%，相對(duì)精度小于0.16%，時(shí)間穩(wěn)定性偏差不超過(guò)0.3%[12]。高質(zhì)量的SeaWiFS輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)可以用于多種產(chǎn)品的數(shù)值反演，如氣溶膠和海色遙感，并作為輻射定標(biāo)的優(yōu)良參考 “數(shù)據(jù)源”用于其他傳感器如MODIS的交叉定標(biāo)工作中。

本文為了避免后期SeaWiFS數(shù)據(jù)質(zhì)量衰減和軌道漂移問(wèn)題，選取了1997～2001年GAC(Global Area Coverage，4.5 km)長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)用于交叉定標(biāo)研究。

2.2 MERSI

FY-3C是我國(guó)第二代極軌氣象衛(wèi)星的首顆業(yè)務(wù)星，MERSI是其搭載的一個(gè)關(guān)鍵光學(xué)成像儀器，它應(yīng)用了45°掃描鏡和消旋K鏡的跨軌多探元并掃式輻射計(jì)，掃描周期為1.5 s，可對(duì)星下點(diǎn)±55°的視場(chǎng)進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)。MERSI擁有19個(gè)可見(jiàn)光通道和1個(gè)近紅外通道，具體指標(biāo)如表2所示?？梢钥闯?，MERSI的Band1～4和SeaWiFS對(duì)應(yīng)的Band3，5，6，8通道設(shè)置很相似，故可以將SeaWiFS作為參考數(shù)據(jù)，對(duì)MERSI的band1-4進(jìn)行交叉定標(biāo)。

表2 MERSI 光譜波段指標(biāo)Tab.2 Spectral band specifications of MERSI

2.3 偽不變目標(biāo)

偽不變目標(biāo)多指沙漠、極地冰雪等地表反射特性和大氣狀況長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，且人類活動(dòng)較少的地區(qū)，另外還可以泛指月球等地外目標(biāo)。偽不變目標(biāo)的天頂輻射信息長(zhǎng)期保持穩(wěn)定且有規(guī)律，經(jīng)常作為輻射參考標(biāo)準(zhǔn)用于輻射定標(biāo)[13-14]。本文選用地球觀測(cè)衛(wèi)星委員會(huì)的紅外和可見(jiàn)光遙感器定標(biāo)和驗(yàn)證工作小組(Committee on Earth Observation Satellites-Working Group for Calibration and Validation-subgroup on Infrared Visible Optical Sensors，CEOS WGCV IVOS)評(píng)估選定的6個(gè)北非沙漠目標(biāo)，如圖1所示。

圖1 六個(gè)偽不變目標(biāo)的地理分布Fig.1 Distribution of six CEOS endorsed pseudo-invariant targets

3 方 法

對(duì)MERSI進(jìn)行交叉定標(biāo)研究需要考慮和解決軌道漂移、不同衛(wèi)星傳感器觀測(cè)幾何條件差異和輻射光譜響應(yīng)差異帶來(lái)的不確定性。本文主要分為3個(gè)模塊來(lái)進(jìn)行MERSI的交叉定標(biāo)，圖2為定標(biāo)方法的模塊流程(虛線框?yàn)?個(gè)工作模塊)。

3.1 目標(biāo)天頂方向性反射模型

SeaWiFS傳感器為了減少太陽(yáng)耀斑的影響，儀器設(shè)計(jì)成±20°傾斜掃描，再加上后期的軌道漂移問(wèn)題，不能提供一般交叉定標(biāo)要求的星下點(diǎn)觀測(cè)，因此引入BRDF雙向反射模型來(lái)描述天頂反射率。本文借助偽不變目標(biāo)上空大氣干潔穩(wěn)定，SeaWiFS天頂反射率受大氣影響較小的特點(diǎn)，將角度信息和地表反射率特性一起考慮，用一個(gè)統(tǒng)一的BRDF模型來(lái)表達(dá)各偽不變目標(biāo)不同波段的天頂反射率。

圖2 定標(biāo)方法的模塊流程

首先進(jìn)行6個(gè)沙漠目標(biāo)上空SeaWiFS數(shù)據(jù)的預(yù)處理，挑選無(wú)云、均一的觀測(cè)數(shù)據(jù)ρTOA，對(duì)于某目標(biāo)某波段的時(shí)間序列ρTOA及角度信息，使用Ross-Thick Li-Sparse模型(簡(jiǎn)稱Ross-Li 模型)，進(jìn)行擬合，獲得相關(guān)的BRDF參數(shù)。Ross-Li模型是一種半經(jīng)驗(yàn)的核驅(qū)動(dòng)模型，地表對(duì)入射光的散射可分為3種類型：各向同性散射、針對(duì)水平均一葉片冠層的輻射傳輸體散射和考慮了目標(biāo)三維場(chǎng)景(包括陰影和相互遮擋)的幾何光學(xué)散射。BRDF的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[15]：

ρ(θs，θv，φ)=fiso+fvolKvol(θs，θv，φ)+fgeoKgeo(θs，θv，φ)，

(1)

其中：ρ是雙向反射率(在這里用來(lái)表達(dá)天頂反射率)；f是核系數(shù)，與波段有關(guān)；K是核，與角度有關(guān)；下標(biāo)iso， vol， geo依次代表各向同性、體散射和幾何光學(xué)；θs，θv和φ分別為太陽(yáng)天頂角、觀測(cè)天頂角和相對(duì)方位角。

Kvol和Kgeo的表達(dá)式為：

(2)

式(2)中各參量的表達(dá)式如下：

cosξ=cosθscosθv+sinθssinθvcosφ，

其中：ζ為相位角，b是球體垂直半徑，h是球體水平半徑，r是球心高度，h/b=2和b/r=2是無(wú)量綱的量，用以描述植被的相對(duì)高度和形狀[16]。

通過(guò)擬合偽不變目標(biāo)上天頂反射率ρTOA的時(shí)間序列，求取最優(yōu)的3個(gè)核系數(shù)f使得擬合誤差達(dá)到最小：

(3)

表3 SeaWiFS不同波段BRDF擬合RMSTab.3 Comparision between model predicting and SeaWiFS measurements (%)

3.2 光譜匹配模型

通過(guò)構(gòu)建精確的目標(biāo)天頂方向反射模型，可以計(jì)算任意觀測(cè)角度上SeaWiFS的天頂反射率。而要對(duì)MERSI進(jìn)行定標(biāo)，則需要將SeaWiFS預(yù)測(cè)得到的天頂反射率轉(zhuǎn)換到MERSI對(duì)應(yīng)通道觀測(cè)的天頂反射率。

在相同的地表、大氣和觀測(cè)幾何條件下，兩傳感器相似通道的天頂反射率比值叫光譜匹配因子(Spectral Band Adjustment Factor， SBAF)，主要與地表特性、大氣狀況、觀測(cè)幾何和光譜響應(yīng)函數(shù)(Spectral Response Function，SRF)等因素相關(guān)[17-18]，每次MERSI觀測(cè)時(shí)的SBAF都不同，為了得到每次MERSI觀測(cè)的DN值對(duì)應(yīng)的天頂反射率，我們分析了偽不變目標(biāo)上不同觀測(cè)條件下SBAF的主要影響參數(shù)，使用參數(shù)化模型估計(jì)SBAF。由于偽不變目標(biāo)的地表和大氣散射作用變化不大，SBAF主要的影響因素是吸收氣體水汽(wv， g/cm2)和臭氧(oz， ATM-cm)。圖 3顯示了MERSI傳感器1～4波段和SeaWiFS對(duì)應(yīng)通道的光譜響應(yīng)函數(shù)情況。為了表現(xiàn)不同傳感器通道輻射信號(hào)受氣體吸收情況的差異，在圖 3中疊加不同水汽和臭氧含量條件下模擬得到的沙漠上空的天頂反射率曲線?？梢钥闯?，SeaWiFS通道的SRF比MERSI要窄很多，避免了大多數(shù)氣體吸收譜段，相比之下MERIS對(duì)應(yīng)通道受氣體吸收影響更大，這也導(dǎo)致二者之間SBAF因吸收氣體含量的不同而不同。700 nm以下的波段主要受臭氧含量的影響，700 nm以上的波段主要受水汽含量的影響，除了吸收氣體，觀測(cè)幾何條件也會(huì)影響SBAF，太陽(yáng)角度和衛(wèi)星角度越大，輻射信號(hào)傳輸路徑越長(zhǎng)，氣體吸收對(duì)SBAF的影響就更為明顯。

圖3 MERSI和SeaWiFS的光譜響應(yīng)函數(shù)，以及不同吸收氣體含量下沙漠目標(biāo)上模擬的天頂輻射光譜曲線

為了將SBAF參數(shù)化，首先使用輻射傳輸模式MOTRAN對(duì)不同觀測(cè)幾何條件和吸收氣體含量下的SBAF進(jìn)行了大量模擬[19]，模擬條件見(jiàn)表4。

表4 MODTRAN模擬條件(括號(hào)內(nèi)為模擬值間隔)Tab.4 Parameters specification for MODTRAN 4.0 simulations

模擬得到MERSI和SeaWiFS共8個(gè)通道的天頂輻亮度，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為MERSI通道和SeaWiFS對(duì)應(yīng)通道的SBAF。通過(guò)前面的分析，本文將SBAF的影響參數(shù)限定為吸收氣體含量和觀測(cè)角度，將幾何大氣質(zhì)量因子(Geometry Air Mass Factor，M)與吸收氣體含量(wv和oz)一起作為參數(shù)化因子構(gòu)建SBAF模型，得到：

(4)

其中a，b為擬合系數(shù)。

SBAF1表示小于700 nm的1，2，3通道的模型表達(dá)式，主要受臭氧和觀測(cè)角度的影響；SBAF2則為大于700 nm的4個(gè)通道的模型表達(dá)式，主要受水汽和觀測(cè)角度的影響。

通過(guò)擬合輻射傳輸模式計(jì)算的SBAF，即求取最優(yōu)的模型參數(shù)(SBAF1共10個(gè)參數(shù)，SBAF2共13個(gè)參數(shù))使得擬合誤差達(dá)到最?。?/p>

(5)

為了評(píng)估模型的有效性，這里將參數(shù)化公式預(yù)測(cè)的SBAF和模擬得到的SBAF進(jìn)行了比較，見(jiàn)表5?？梢钥闯觯膫€(gè)波段的參數(shù)化計(jì)算結(jié)果相對(duì)于模擬結(jié)果的平均偏差幾乎為0，誤差在5%以內(nèi)，可以有效地預(yù)測(cè)MERSI的天頂反射率。

表5 公式預(yù)測(cè)的SBAF和模擬得到的SBAF的差異Tab.5 Difference between parameterized and original simulated SBAFs

3.3 交叉定標(biāo)

(6)

4 定標(biāo)結(jié)果

4.1 定標(biāo)結(jié)果趨勢(shì)分析

由于偽不變目標(biāo)本身具有天頂信號(hào)ρTOA長(zhǎng)期穩(wěn)定且有規(guī)律的特點(diǎn)，因此可以用來(lái)檢驗(yàn)各個(gè)目標(biāo)上定標(biāo)結(jié)果ρTOA的時(shí)間序列穩(wěn)定性。為了驗(yàn)證定標(biāo)結(jié)果的精度，將本文交叉定標(biāo)得到的天頂反射率和通過(guò)國(guó)家衛(wèi)星氣象中心公布的L1業(yè)務(wù)化定標(biāo)系數(shù)計(jì)算得到的天頂反射率進(jìn)行了對(duì)比分析，圖4為6個(gè)偽不變目標(biāo)上二者的長(zhǎng)時(shí)間序列分布和時(shí)間變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，L1業(yè)務(wù)化定標(biāo)系數(shù)計(jì)算的天頂反射率時(shí)間變化趨勢(shì)不穩(wěn)定，定標(biāo)系數(shù)更新前后，天頂反射率明顯變化，說(shuō)明場(chǎng)地定標(biāo)頻次不夠，官方公布的業(yè)務(wù)化定標(biāo)系數(shù)的精度也有一定的不確定性。而交叉定標(biāo)結(jié)果的時(shí)間序列十分穩(wěn)定且無(wú)明顯趨勢(shì)，與偽不變目標(biāo)的天頂輻射信號(hào)長(zhǎng)期穩(wěn)定且規(guī)律性變化的特點(diǎn)相一致。

圖4 L1定標(biāo)系數(shù)和交叉定標(biāo)得到的天頂反射率時(shí)間序列

4.2 定標(biāo)結(jié)果精度

圖5為交叉定標(biāo)得到的天頂反射率和L1業(yè)務(wù)化定標(biāo)結(jié)果的比值的時(shí)間變化趨勢(shì)及計(jì)算得到的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。從圖中可以看出，由于L1業(yè)務(wù)化定標(biāo)系數(shù)在2014年4月26日進(jìn)行了更新，定標(biāo)系數(shù)更新前后天頂反射率出現(xiàn)跳變，兩種定標(biāo)結(jié)果的比值也出現(xiàn)了斷層，4月26日之前，對(duì)于band1和band2，我們的定標(biāo)結(jié)果明顯高于L1，比值在1.2～1.3之間，差異比較大，而對(duì)于band3 和band4，比值在1～1.1之間；在4月26日之后，band1和band2的比值在0.95～1之間，而band3 和band4差異較大，比值在0.9左右。說(shuō)明官方業(yè)務(wù)化定標(biāo)系數(shù)和我們的定標(biāo)結(jié)果存在一個(gè)系統(tǒng)性偏差。如果MERSI的場(chǎng)地定標(biāo)精度非常高，同時(shí)在本文的交叉定標(biāo)中又完全消除了待定標(biāo)傳感器MERSI和參考傳感器SeaWiFS之間的差異，那么二者比值的理論值應(yīng)該為1，顯然實(shí)際上并非如此。分析原因，首先，L1業(yè)務(wù)化定標(biāo)系數(shù)更新前后天頂反射率出現(xiàn)跳變，不符合偽不變目標(biāo)天頂信號(hào)ρTOA長(zhǎng)期穩(wěn)定且有規(guī)律的特點(diǎn)，說(shuō)明場(chǎng)地定標(biāo)頻次低，不能有效地檢測(cè)儀器輻射性能的變化，此外，交叉定標(biāo)過(guò)程中，兩個(gè)傳感器之間的光譜響應(yīng)差異、大氣效應(yīng)的影響等因素并未完全消除。

圖5 交叉輻射定標(biāo)結(jié)果與L1定標(biāo)結(jié)果的比較

5 結(jié) 論

本文采用國(guó)際通用的6個(gè)北非沙漠目標(biāo)，以定標(biāo)精度較高的SeaWiFS作為參考傳感器，借助MODTRAN輻射傳輸模型和ERA-Interim再分析資料吸收氣體數(shù)據(jù)，對(duì)FY-3C MERSI數(shù)據(jù)進(jìn)行了交叉定標(biāo)研究，結(jié)果表明：SeaWiFS是具有完備的星上定標(biāo)系統(tǒng)的傳感器，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，本文構(gòu)建的天頂反射模型可以準(zhǔn)確地表達(dá)偽不變目標(biāo)的天頂反射率，波段預(yù)測(cè)誤差基本都在3%之內(nèi)?？紤]觀測(cè)幾何條件和吸收氣體含量的參數(shù)化光譜匹配因子可以有效地預(yù)測(cè)MERSI的天頂反射率，誤差在5%之內(nèi)。對(duì)比本文交叉定標(biāo)得到的天頂反射率和通過(guò)官方公布的L1業(yè)務(wù)化定標(biāo)系數(shù)計(jì)算得到的天頂反射率，L1業(yè)務(wù)化定標(biāo)系數(shù)更新前后天頂反射率出現(xiàn)跳變，不符合偽不變目標(biāo)天頂信號(hào)ρTOA長(zhǎng)期穩(wěn)定且有規(guī)律的特點(diǎn)，說(shuō)明場(chǎng)地定標(biāo)頻次低，不能有效地檢測(cè)儀器輻射性能的變化，交叉定標(biāo)結(jié)果的時(shí)間序列十分穩(wěn)定且無(wú)明顯趨勢(shì)，與偽不變目標(biāo)的天頂輻射信號(hào)長(zhǎng)期穩(wěn)定且規(guī)律性變化的特點(diǎn)相一致。

針對(duì)MERSI交叉定標(biāo)研究需要考慮和解決的軌道漂移、觀測(cè)幾何條件和光譜響應(yīng)差異帶來(lái)的不確定性問(wèn)題，本文通過(guò)不同的模塊進(jìn)行了分析和解決，將觀測(cè)角度作為參數(shù)進(jìn)行SBAF構(gòu)建，首次采用比MODIS數(shù)據(jù)定標(biāo)精度更高的SeaWiFS數(shù)據(jù)進(jìn)行MERSI定標(biāo)研究，能夠?qū)πl(wèi)星輻射性能進(jìn)行有效的在軌監(jiān)測(cè)和訂正，為MERSI交叉定標(biāo)研究提出了新思路。