王瑋，王麗娟，郭鈮，胡秀清，王玲

1.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 航空氣象學(xué)院,廣漢 618307;

2.中國(guó)氣象局 蘭州干旱氣象研究所,蘭州 730020;

3.國(guó)家衛(wèi)星氣象中心（國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心）中國(guó)氣象局,北京 100081

1 引言

輻射定標(biāo)是遙感信息定量化的前提和基礎(chǔ)，其定標(biāo)精度直接決定了定量遙感產(chǎn)品的質(zhì)量。特別是在衛(wèi)星發(fā)射后，由于儀器元件老化等自身原因和外界因素的干擾，傳感器性能會(huì)與發(fā)射前的試驗(yàn)結(jié)果之間存在一定的偏差（田慶久 等，1998；Smith 等，2002；盧乃錳 等，2020）。以地面目標(biāo)為參照基準(zhǔn)的場(chǎng)地輻射定標(biāo)，不僅可以彌補(bǔ)無在軌星上定標(biāo)技術(shù)之不足，而且還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星遙感器運(yùn)行狀態(tài)下多場(chǎng)景的絕對(duì)定標(biāo)，是目前衛(wèi)星傳感器在軌替代定標(biāo)中廣泛采用的技術(shù)方法（Ohring 等，2007；胡秀清 等，2009；孫凌 等，2013）。因此，在衛(wèi)星發(fā)射后選取理想的輻射定標(biāo)場(chǎng)，建立統(tǒng)一的輻射定標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)改進(jìn)衛(wèi)星輻射定標(biāo)精度，提高遙感反演產(chǎn)品質(zhì)量，以及推動(dòng)定量化產(chǎn)品應(yīng)用和全球觀測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展都具有十分重要的意義。

準(zhǔn)不變定標(biāo)場(chǎng)PICS（Pseudo-Invariant Calibration Sites）是指在長(zhǎng)時(shí)間序列上輻射性能具有較小變化的地表大面積均勻目標(biāo)（Helder 等，2010）。理想的PICS 不僅具有時(shí)空穩(wěn)定的輻射性能，而且還具備空間面積大、地表均一性好、大氣干潔、氣溶膠含量低，以及反射率高等特點(diǎn)（鞏慧 等，2010；顧行發(fā) 等，2013）。研究表明，位于沙漠、戈壁、干湖床等表面因具有長(zhǎng)期穩(wěn)定、高反射率、云雨天氣少、面積大、地表均一等屬性，通常被選用衛(wèi)星傳感器的輻射定標(biāo)場(chǎng)（Hu等，2012）。Cosnefroy等（1996）利用Meteosat-4衛(wèi)星影像，在北非撒哈拉沙漠和阿拉伯沙漠地區(qū)，使用空間變異系數(shù)作為度量空間均勻性的指標(biāo)，篩選出20個(gè)面積≥100 km2，且空間均勻性優(yōu)于3%的區(qū)域，并廣泛應(yīng)用于NOAA6/7/9 AVHRR 衛(wèi)星傳感器的輻射定標(biāo)工作。Mitchell等（1997）利用亮度、時(shí)間穩(wěn)定性、光譜穩(wěn)定性和空間均勻性，并結(jié)合地形地貌、大氣環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)澳大利亞的6個(gè)沙漠和戈壁場(chǎng)地進(jìn)行比較分析，選出了澳大利亞南部戈壁區(qū)域作為AVHRR衛(wèi)星傳感器在當(dāng)?shù)氐妮椛湫Ｕ龍?chǎng)。Bannari 等（2004）利用不同空間分辨率的衛(wèi)星遙感資料，在評(píng)價(jià)位于美國(guó)內(nèi)華達(dá)州干鹽湖床的時(shí)空一致性時(shí)發(fā)現(xiàn)，輻射定標(biāo)精度會(huì)受到區(qū)域氣候變化和湖床表面干燥度的影響，同時(shí)還指出Getis 統(tǒng)計(jì)方法可有效彌補(bǔ)CV 在空間局部評(píng)價(jià)時(shí)的不確定性。Odongo 等（2014）基于Getis 統(tǒng)計(jì)和CV 方法，初步建立了輻射定標(biāo)場(chǎng)的選取依據(jù)和指標(biāo)，并利用長(zhǎng)時(shí)間序列Landsat TM 數(shù)據(jù)對(duì)土耳其境內(nèi)的季節(jié)性鹽湖進(jìn)行空間一致性評(píng)估。Bacour 等（2019）在重新評(píng)估位于北非撒哈拉沙漠和阿拉伯沙漠地區(qū)準(zhǔn)不變定標(biāo)場(chǎng)的時(shí)空一致性時(shí)指出，受全球氣候變化影響，補(bǔ)充與更新輻射定標(biāo)場(chǎng)地是確保衛(wèi)星輻射定標(biāo)精度的重要環(huán)節(jié)。Khadka 等（2021）利用Mann-Kendall 檢驗(yàn)方法，對(duì)全球6 個(gè)PICS 場(chǎng)進(jìn)行時(shí)空一致性分析結(jié)果表明，氣候變化和異常天氣是引起輻射定標(biāo)場(chǎng)時(shí)空穩(wěn)定性趨勢(shì)出現(xiàn)異?；蛲蛔兊闹匾蛩亍?/p>

目前中國(guó)擁有風(fēng)云氣象、環(huán)境、資源和高分等多個(gè)系列的衛(wèi)星遙感資料，已被廣泛應(yīng)用于天氣和氣候預(yù)報(bào)，以及環(huán)境、農(nóng)業(yè)和自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)（盧乃錳和谷松巖，2016；梁順林 等，2016）。中國(guó)在輻射場(chǎng)地定標(biāo)方面，雖然已經(jīng)初步建成了敦煌陸地定標(biāo)試驗(yàn)場(chǎng)、青海湖水面定標(biāo)試驗(yàn)場(chǎng)，以及包頭高分衛(wèi)星綜合定標(biāo)場(chǎng)，并分別針對(duì)中國(guó)風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、資源衛(wèi)星和高分衛(wèi)星等開展場(chǎng)地輻射定標(biāo)工作與方法試驗(yàn)研究，但由于進(jìn)場(chǎng)次數(shù)和天氣條件的限制，還不能完全滿足部分遙感器進(jìn)行全年高頻次輻射校正的要求（胡秀清 等，2002；韓啟金 等，2015）。以敦煌陸地定標(biāo)試驗(yàn)場(chǎng)為例，雖然晴天日數(shù)較多，但卻主要集中在秋、冬兩季，很難滿足全年多季節(jié)、多場(chǎng)次的星地同步觀測(cè)（王玲 等，2017）。與此同時(shí)，中國(guó)已積累了20 多年來自不同系列衛(wèi)星傳感器的氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，但受數(shù)據(jù)質(zhì)量差異，以及缺少統(tǒng)一定標(biāo)基準(zhǔn)和定標(biāo)精度等因素的影響，已嚴(yán)重制約了這些數(shù)據(jù)在全球大范圍尺度氣候變化和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的利用效率。因此，需要進(jìn)一步選取和豐富時(shí)空穩(wěn)定性好，且符合高頻次、長(zhǎng)歷時(shí)輻射定標(biāo)要求的新場(chǎng)地，對(duì)精度較低和缺乏一致性的歷史氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展再定標(biāo)工作。

初步研究表明，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)和甘肅境內(nèi)的巴丹吉林—騰格里兩大沙漠區(qū)域，具有氣候干旱，空間面積大、地表均一、大氣干潔，氣溶膠和水汽含量低等特點(diǎn)，在大氣特性和空間特征方面初步具備遴選輻射準(zhǔn)不變場(chǎng)的條件和潛力（何靈莉，2020）。因此，本研究在上述研究的基礎(chǔ)上，利用高分辨率的Sentinel-2 A/B MSI 遙感數(shù)據(jù)集，參考國(guó)際同類場(chǎng)地評(píng)價(jià)研究指標(biāo)體系，從時(shí)間穩(wěn)定性和空間一致性兩個(gè)方面對(duì)巴丹吉林—騰格里沙漠整個(gè)區(qū)域進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；并聚合到典型光學(xué)載荷空間尺度，篩選出可用于歷史氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行可見光—短波紅外載荷輻射定標(biāo)的場(chǎng)地，為長(zhǎng)時(shí)間序列國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史再定標(biāo)工作提供參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

巴丹吉林—騰格里兩大沙漠屬于典型的大陸性干燥氣候，冬季受內(nèi)蒙古自治區(qū)高壓的控制，年降水量較小，日照充足，蒸發(fā)量大，相對(duì)濕度低，晝夜溫差大（馬寧 等，2011；張克存 等，2012）。兩大沙漠區(qū)海拔介于1200—1800 m 之間，地貌類型以沙丘沙山為主，年平均氣溫為8.6 ℃，年降水量為56.9 mm，年平均風(fēng)速為3.1 m/s（李萬元 等，2015；蘇俊禮 等，2016）。由于位于河西走廊北緣，受到青藏高原西北支氣流的影響，該地區(qū)也是中國(guó)沙塵源區(qū)之一。為更廣泛和全面地評(píng)價(jià)該地區(qū)的時(shí)空一致性，本研究將巴丹吉林—騰格里兩大沙漠、以及民勤北部荒漠和黑河下游鼎新荒漠等周邊作為一個(gè)整體研究區(qū)（圖1）。

圖1 基于Sentinel-2/MSI數(shù)據(jù)的研究區(qū)真彩色合成圖Fig.1 True color composite map of the study area based on Sentinel-2/MSI data

2.2 Sentinel-2 A/B數(shù)據(jù)選取

為了避免由數(shù)據(jù)空間分辨率、衛(wèi)星重訪周期等因素引起對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性，本研究在選取衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)時(shí)，盡可能按照時(shí)空分辨率高，覆蓋范圍大、光譜通道數(shù)量多和波段寬度窄等特性要求進(jìn)行選擇。通過對(duì)比目前公開常用Landsat 8 OLI、HJ-1B、GF-2 和Sentinel-2 等高時(shí)空分辨率衛(wèi)星光學(xué)載荷的性能表明：在可見光—近紅外波段，Sentinel-2/MSI 數(shù)據(jù)不僅有較高的時(shí)空分辨率（10—60 m，3—5 d），而且具有較窄的多光譜通道和較寬的刈幅，適合開展環(huán)境監(jiān)測(cè)與地表精細(xì)評(píng)價(jià)方面的研究工作。

Sentinel-2 A/B 衛(wèi)星是歐空局“哥白尼計(jì)劃”中發(fā)射的第二組衛(wèi)星，其搭載的有效載荷為多光譜成像儀MSI（Multispectral Instrument）。MSI 的幅寬為290 km，可覆蓋從可見光至短波紅外的13 個(gè)波段，空間分辨率依波段的不同分為10 m、20 m和60 m 等3 種，雙星組合后的重訪周期為4—6 d，具有空間分辨率高、重訪周期短、光譜波段通道數(shù)目多，以及波段寬度窄等特點(diǎn)（表1）。

表1 Sentinel-2 A/B衛(wèi)星光譜波段屬性信息Table 1 Sentinel-2 A/B satellite property information in spectral bands

通過歐空局哥白尼數(shù)據(jù)中心（https：//scihub.copernicus.eu/dhus/#/home/［2021-11-01］），下載了2018年11月—2021年10月覆蓋整個(gè)研究區(qū)，且經(jīng)過UTM/WGS84 投影正射校正的Sentinel-2 A/B MSI L1C 級(jí)遙感影像數(shù)據(jù)。利用官方發(fā)布的SNAP 軟件，首先對(duì)L1C 級(jí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的讀取，然后利用Sen2cor 插件，對(duì)L1C 級(jí)產(chǎn)品進(jìn)行基于查找表法LUT（Look Up Table）的不同復(fù)雜大氣條件下的氣溶膠光學(xué)厚度、反射率和相函數(shù)等指標(biāo)計(jì)算，進(jìn)行大氣、地形、卷云和大氣下墊面發(fā)射率校正處理，完成大氣校正和幾何精校正預(yù)處理工作，最后輸出生成空間分辨率為10 m，且校正級(jí)別更高的L2A 級(jí)大氣下墊面反射率影像數(shù)據(jù)（SR），同時(shí)生成了氣溶膠厚度分布圖、水汽分布圖和場(chǎng)景分類圖等環(huán)境質(zhì)量空間分析輔助數(shù)據(jù)。

為了便于計(jì)算，以及避免數(shù)據(jù)質(zhì)量和天氣等因素對(duì)研究結(jié)果的影響：（1）本研究利用ENVI5.4軟件將B2、B3、B4、B8可見光和近紅外波段處理為Geo-TIFF格式，投影方式轉(zhuǎn)為阿伯斯投影（Albers），空間分辨率定義為10 m；（2）根據(jù)Sentinel-2 A/B自帶的質(zhì)量控制文件QA（Quality Assessment），剔除每幅影像上的空值、異常值和云像素；（3）結(jié)合研究區(qū)周邊民勤、額濟(jì)納旗、巴彥諾日公等國(guó)家高空氣象觀測(cè)站資料，選取無沙塵和降水天氣時(shí)段的遙感影像，建立了2018 年11 月—2021 年8 月覆蓋整個(gè)研究區(qū)，且可用于場(chǎng)地精細(xì)評(píng)價(jià)的Sentinel-2 A/B有效數(shù)據(jù)集，共計(jì)446幅。

2.3 選場(chǎng)指標(biāo)和方法

（1）時(shí)空CV評(píng)價(jià)。變異系數(shù)CV（Coefficient of Variation）是概率分布離散程度的歸一化度量，可反映數(shù)據(jù)的離散程度。已有研究表明，在給定圖像區(qū)域范圍內(nèi)，可以通過CV 數(shù)值的變化程度來衡量選定位點(diǎn)觀測(cè)值的穩(wěn)定性（Rondeaux 等，1998）。場(chǎng)地的空間均勻性和時(shí)間穩(wěn)定評(píng)價(jià)實(shí)質(zhì)是對(duì)地表輻射特性在時(shí)間和空間兩個(gè)維度的評(píng)價(jià)，本研究利用變異系數(shù)衡量場(chǎng)地的時(shí)空穩(wěn)定性（式（1））。

式中，當(dāng)公式用于評(píng)價(jià)空間均勻性時(shí)，S為計(jì)算窗口中各像元反射率的標(biāo)準(zhǔn)偏差（Ss），是計(jì)算窗口中所有參與運(yùn)算像元的平均值，空間變異系數(shù)記作CVs；當(dāng)公式用于評(píng)價(jià)時(shí)間序列穩(wěn)定性時(shí)，此時(shí)S為計(jì)算窗口中時(shí)間序列像元平均反射率的標(biāo)準(zhǔn)偏差（St），是計(jì)算窗口中時(shí)間序列像元的平均值時(shí)間變異系數(shù)記作CVt。

CVs值與計(jì)算窗口中各像元反射率的變化程度成正比，即CV 值越大表明時(shí)空間穩(wěn)定性越差。為匹配國(guó)產(chǎn)風(fēng)云衛(wèi)星典型光學(xué)載荷的空間分辨率（250 m），本研究選擇25×25 像元的計(jì)算窗口，以1 個(gè)像元（即250 m）的滑動(dòng)步長(zhǎng)分別計(jì)算空間平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差（Ss）。為彌補(bǔ)研究區(qū)影像空間缺失，以及提高空間CVs評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性，首先對(duì)研究區(qū)Sentinel-2 A/B 有效數(shù)據(jù)集中每幅圖像進(jìn)行上述處理，生成空間CVs圖像，然后分別對(duì)B2、B3、B4、B8 波段的所有空間CVs圖像進(jìn)行時(shí)間序列像素空間疊加均值處理，最后生成覆蓋整個(gè)研究區(qū)的平均時(shí)空CVst圖像。

出于評(píng)價(jià)結(jié)果可對(duì)比等方面的考慮，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究普遍使用CV 作為度量空間均勻性的指標(biāo)，并將CV≤3%作為評(píng)價(jià)場(chǎng)地時(shí)空均勻性的閾值，并廣泛應(yīng)用于NOAA6/7/9 AVHRR 衛(wèi)星傳感器的輻射定標(biāo)工作（Cosnefroy 等，1996；Odongo 等，2014）。因此，為了與國(guó)內(nèi)外同類研究具有可比性，本研究選用CV≤3%作為評(píng)價(jià)研究區(qū)時(shí)空穩(wěn)定性的閾值。

式中，xj是要素j的屬性值，ωi，j是要素和j之間的空間權(quán)重，n為要素總數(shù)，統(tǒng)計(jì)是Z得分，因此無需做進(jìn)一步的計(jì)算。

表2 Getis-Ord G*i 統(tǒng)計(jì)結(jié)果屬性表Table 2 Getis-Ord G*i statistical results attribute table

在此基礎(chǔ)上，通過選取CVst≤0.03且＜-2.0的空間統(tǒng)計(jì)結(jié)果，篩選出研究區(qū)同時(shí)具有時(shí)空穩(wěn)定性和空間一致性的場(chǎng)地；然后利用2018 年11 月—2021 年8 月Sentinel-2 A/B MSI 數(shù)據(jù)集中所有波段的平均地表反射率數(shù)據(jù)（除大氣頂部反射率的B10波段），并結(jié)合字高程模型等空間輔助信息，對(duì)擬選取的PICS場(chǎng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)（圖2）。

圖2 技術(shù)路線圖Fig.2 Technical flow chart

3 結(jié)果與分析

3.1 時(shí)空CV結(jié)果分析

從2018 年11 月—2021 年10 月B2、B3、B4 和B8波段的CVst時(shí)空分布結(jié)果可以看出（圖3）：各波段具有時(shí)空穩(wěn)定的區(qū)域基本一致，其中CVst≤3%的區(qū)域主要分布在巴丹吉林—騰格里沙漠的西部、北部、以及其邊緣與中衛(wèi)—河西走廊之間的連接處。從B2 到B8 隨著地表反射率數(shù)值的逐漸升高，CVst低值區(qū)的空間分布范圍基本保持不變，但CVst＞3%的高值區(qū)域變化明顯，其中位于巴丹吉林沙漠腹地，以及額濟(jì)納、民勤、吳忠和烏海沙漠綠洲等地的CVst在逐漸升高，且數(shù)值變化較大。由此可見，研究區(qū)CVst具有時(shí)空穩(wěn)定性的區(qū)域主要位于巴丹吉林—騰格里沙漠周圍，以及沙漠邊緣與周邊綠洲之間的連接處，而巴丹吉林和騰格里沙漠腹地的時(shí)空異質(zhì)性較大，CVst數(shù)值普遍較高。

圖3 2018年11月—2021年10月B2、B3、B4、B8波段的平均時(shí)空CVst空間分布Fig.3 Average spatial distribution of temporal CVst in bands B2，B3，B4，and B8 from November 2018 to October 2021

通過對(duì)B2 到B8 波段的CVst面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出（圖4）：除B2 波段外，B3、B4 和B8 波段具有時(shí)空穩(wěn)定性的區(qū)域面積基本保持穩(wěn)定，分別為3.20E+5 km2、3.21E+5 km2和3.29E+5 km2，分別占研究區(qū)總面積的67.39%、67.51%和68.49%。與此同時(shí)，由于B2 波段地表反射率數(shù)值較低，微弱的數(shù)值變化都會(huì)對(duì)CVst計(jì)算產(chǎn)生影響，因此導(dǎo)致B2波段的時(shí)空穩(wěn)定性區(qū)域面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果相對(duì)較低，為2.25E+5 km2，占研究區(qū)總面積比例的56.13%。以上結(jié)果表明，研究區(qū)各波段CVst結(jié)果具有相似的時(shí)空分布特征，其中CVst≤3%，且具有時(shí)空穩(wěn)定性的區(qū)域占研究區(qū)總面積比例的一半以上，具備選取輻射準(zhǔn)不變場(chǎng)的條件和潛力。

圖4 不同波段的CVst面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.4 Area statistics results of CVst for different bands

3.2 Getis-Ord 統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

根據(jù)2018 年11 月—2021 年10 月B2、B3、B4和B8波段的指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出（圖5）：各波段具有空間一致性的分布區(qū)域基本相同，同時(shí)低值聚集區(qū)與CVst≤3%的空間分布結(jié)果也較為相似。其中，＜-2.0，且具有顯著一致性的低值聚集區(qū)域主要分布在巴丹吉林—騰格里沙漠的西北部、北部、東北部，以及沙漠邊緣與民勤、中衛(wèi)和河西走廊之間的連接處；＞2.0，且具有顯著性的高值聚集區(qū)則主要分布巴丹吉林和騰格里兩大沙漠的腹地，以及黑河下游的內(nèi)蒙額濟(jì)納、石羊河下游甘肅民勤、寧夏吳忠到內(nèi)蒙烏海沙漠綠洲區(qū)域。-1.0＜＜1.0 的聚集區(qū)主要位在兩大沙漠腹地，且從B2到B8隨著平均地表反射率數(shù)值的逐漸升高，該聚集區(qū)域面積在逐漸減少，并逐步向高值聚集區(qū)轉(zhuǎn)變。

圖5 2018年11月—2021年10月B2、B3、B4、B8波段的指數(shù)統(tǒng)計(jì)的空間分布Fig.5 Spatial distribution of statistics for bands B2，B3，B4，and B8 from November 2018 to October 2021

圖6 不同波段的指數(shù)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.6 Area statistics results of for different bands

3.3 氣溶膠與降水特征分析結(jié)果

利用場(chǎng)地評(píng)價(jià)同期的Sentinel-2 氣溶膠數(shù)據(jù)AOT（Aerosol Optical Thickness），以及近30 年（1991年—2021年）研究區(qū)內(nèi)氣象臺(tái)站記錄的降水量資料，通過分析氣溶膠含量和降水量的月變化，結(jié)果表明：研究區(qū)逐月的AOT 含量較低，數(shù)值區(qū)間變化微弱，在0.15—0.17 之間，月均值為0.16。在3—4月雖受沙塵等天氣因素影響，導(dǎo)致AOT含量的極值變程較大，但其均值和中位數(shù)變化幅度微弱，與其他月份的數(shù)值較為接近，且AOT含量保持穩(wěn)定（圖7）。與此同時(shí)，研究區(qū)內(nèi)降水主要出現(xiàn)在7—8 月份，分別為12.17 mm 和13.15 mm，其他月份的累計(jì)降水量均小于10 mm，其中11 月到次年2 月份，降水量不足1 mm。近30 年歷史同期的月降水量變異系數(shù)較低，數(shù)值變化范圍在1.09%—1.74%之間，月均值為1.45%。在全年中，雖然7—8月份的累計(jì)降水量相對(duì)較高，但其歷史同期降水量的變異系數(shù)是所有月份中最低的，僅為1.09%和1.21%，其月降水量變化具有較高的時(shí)空穩(wěn)定性（圖8）。由此可見，研究區(qū)降水量少，氣溶膠含量低，其月變化不明顯，且具有較高的時(shí)空穩(wěn)定性。研究結(jié)果與前期該區(qū)域大氣特征研究結(jié)論相一致（蘇俊禮 等，2016；何靈莉，2020）。因此，本研究區(qū)的大氣環(huán)境具備選取輻射準(zhǔn)不變場(chǎng)的條件。

圖7 基于2018年11月—2021年10月Sentinel-2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的逐月AOT含量變化情況Fig.7 Results of monthly changes in AOT content based on Sentinel-2 data statistics from November 2018 to October 2021

圖8 基于臺(tái)站資料的研究區(qū)逐月累計(jì)降水量和歷史同期降水量變異系數(shù)Fig.8 Coefficients of variation of cumulative monthly precipitation and historical contemporaneous precipitation in the study area based on meteorological stations data

3.4 場(chǎng)地選取與特征分析結(jié)果

通過選取CVst≤3%且＜-2.0的空間統(tǒng)計(jì)結(jié)果，獲取研究區(qū)同時(shí)具有時(shí)空穩(wěn)定性和空間一致性的區(qū)域范圍。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮空間代表性、交通便利性等因素，篩選出地表均一、云雨和沙塵天氣少，且面積較大（約20 km）的輻射準(zhǔn)不變場(chǎng)16個(gè)（圖9）。

圖9 研究區(qū)輻射準(zhǔn)不變場(chǎng)空間分布圖Fig.9 Spatial distribution of PICS in study area

利用Sentinel-2 A/B MSI 時(shí)間序列數(shù)據(jù)集中所有波段的地表反射率產(chǎn)品，結(jié)合數(shù)字高程模型等空間輔助信息，對(duì)選取的16 個(gè)PICS 進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和排序。結(jié)果表明：所有場(chǎng)地的平均時(shí)空變異系數(shù)CVSR_b1-12_avg為1.59%，數(shù)值介于1.18%—2.11%之間，其中TNGR_3場(chǎng)地（38.13°N，105.35°E）的平均時(shí)空CVSR_b1-12_avg數(shù)值最低，為1.18%，平均地表反射率為0.24；DXIN_N 場(chǎng)地（41.95°N，100.29°E）的平均時(shí)空CVSR_b1-12_avg數(shù)值最高，為2.11%（表3）?？傮w而言，騰格里沙漠周圍TNGR_3、TNGR_5、WULBHE、TNGR_1 這4 個(gè)場(chǎng)地，以及巴丹吉林沙漠西北部JINT_1、BDJL_5，以及東南部WUWI_E這3 個(gè)場(chǎng)地的CVSR_b1-12_avg數(shù)值較低，云雨和沙塵天氣少，反射率高，且具有較好的時(shí)空穩(wěn)定性。

利用16 個(gè)場(chǎng)地各波段的CVst評(píng)價(jià)結(jié)果，分析每個(gè)場(chǎng)地的適用性，結(jié)果表明：B1-B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B8A、B9和B11-B12波段CVst數(shù)值最低的場(chǎng)地分別是JINT_1，WULBHE、BDJL_5、

TNGR_1、TNGR_3、WUWI_E、TNGR_5、TNGR_1、JINT_1和TNGR_3（圖10）。由此可見，不同場(chǎng)地對(duì)各波段的時(shí)空穩(wěn)定性和適用性也表現(xiàn)出較大的差異?？傮w而言，騰格里沙漠周圍TNGR_3、TNGR_5、WULBHE、TNGR_1 這4 個(gè)場(chǎng)地，以及巴丹吉林沙漠西北部JINT_1、BDJL_5，以及東南部WUWI_E這3 個(gè)場(chǎng)地的CVSR_b1-12_avg數(shù)值較低，云雨和沙塵天氣少，反射率高，且具有較好的時(shí)空穩(wěn)定性。

圖10 16個(gè)場(chǎng)地各波段的CVSR結(jié)果比較Fig.10 Comparison of CVSR results for each band based on 16 PICS

通過分析16 個(gè)PICS 在不同季節(jié)的時(shí)空CV 變化情況，結(jié)果表明（圖11）：在每年6—8 月夏季，PICS 的CV 數(shù)值變化最小，所有場(chǎng)地的平均CV 為1.59%，其中TNGR_3 和TNGR_5 場(chǎng)地的CV 數(shù)值相對(duì)較低，分別為1.14%和1.19%，DXIN_N 場(chǎng)地的CV 數(shù)值相對(duì)較高，為1.88%。在每年12 月到次年2 月冬季，所有場(chǎng)地的平均CV 數(shù)值達(dá)到最大，為1.84%，其中JINT_1、WULBHE 和TNGR_1 場(chǎng)地的CV 數(shù)值較低，分別為1.28%、1.29% 和1.32%，JINC_W、DXIN_N 和BDJL_4 場(chǎng)地的CV 數(shù)值較高，分別達(dá)到1.85%、1.88%和1.89%；在春秋兩個(gè)季節(jié)，所有場(chǎng)地的平均CV 數(shù)值較為接近，分別為1.19%和1.17%，其中TNGR_3、TNGR_5和TNGR_1場(chǎng)地的平均CV 數(shù)值較低，分別為1.19%、1.20%和1.21%?？傮w而言，16個(gè)輻射準(zhǔn)不變場(chǎng)在不同季節(jié)均表現(xiàn)出較好的時(shí)空穩(wěn)定性，CV 數(shù)值均低于2.11%，其中TNGR_3 和TNGR_5 兩個(gè)場(chǎng)地的全年CV 數(shù)值均低于1.19%，相對(duì)具有更好的時(shí)空穩(wěn)定性和空間一致性且更加適合開展全年多季節(jié)、多場(chǎng)次星地同步觀測(cè)試驗(yàn)。

圖11 研究區(qū)輻射準(zhǔn)不變場(chǎng)在不同季節(jié)時(shí)空CV變化情況Fig.11 Spatial and temporal CV variation of PICS in the study area during different seasons

3.5 討論

以上結(jié)果可以看出，研究區(qū)CVst≤3%的時(shí)空穩(wěn)定區(qū)域主要分布在巴丹吉林—騰格里沙漠的西部、北部、以及沙漠南部邊緣與中衛(wèi)、河西走廊之間的連接地帶，而巴丹吉林和騰格里兩大沙漠腹地的CVst數(shù)值較高，時(shí)空穩(wěn)定性較差。與此同時(shí)，由于B2 波段地表反射率數(shù)值較低，微弱的數(shù)值變化都會(huì)對(duì)CVst計(jì)算產(chǎn)生影響，因此導(dǎo)致B2 波段計(jì)算出的時(shí)空穩(wěn)定性區(qū)域面積低于其他波段的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，這與何靈莉（2020）的研究結(jié)果一致。雖然時(shí)空變異系數(shù)CVst可以從時(shí)間和空間兩個(gè)維度評(píng)價(jià)研究區(qū)的穩(wěn)定情況，但該系數(shù)不僅受變量值離散程度的影響，而且還受變量值平均值大小的影響，因此當(dāng)?shù)乇矸瓷渎试降蜁r(shí)，微小的擾動(dòng)也會(huì)對(duì)變異系數(shù)產(chǎn)生巨大的影響，造成評(píng)價(jià)結(jié)果精確度不足。通過選取每個(gè)場(chǎng)地等效半徑為20 km 的區(qū)域，對(duì)比本研究選場(chǎng)方法與只用單一變異系數(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，采用單一變異系數(shù)法計(jì)算的CV'SR_b1-12_avg數(shù)值介于2.62%—3.62%之間，平均數(shù)值為3.17%，而綜合指標(biāo)法的CVSR_b1-12_avg數(shù)值介于1.18%—2.11%，所有場(chǎng)地的平均數(shù)值為1.59%，可將16 個(gè)場(chǎng)地平均CVSR_b1-12_avg數(shù)值整體由3.17%降到了1.59%（表4）。由此可見，當(dāng)采用單一空間變異系數(shù)法進(jìn)行場(chǎng)地時(shí)空穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)，區(qū)內(nèi)零散或破碎的異常值會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生巨大的影響，從而會(huì)導(dǎo)致可見光-短波紅外載荷的輻射定標(biāo)工作出現(xiàn)偏差。本研究通過Getis-OrdG*i空間聚類評(píng)價(jià)方法與時(shí)空CV 評(píng)價(jià)指標(biāo)相結(jié)合的方式，從時(shí)空穩(wěn)定性和空間一致性兩個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，有效彌補(bǔ)了使用單一CV 指標(biāo)引起空間局部評(píng)價(jià)結(jié)果較為離散，空間區(qū)域面積較為破碎的問題。因此，通過本研究改進(jìn)的場(chǎng)地篩選方法，以及選取的可用于輻射定標(biāo)的沙漠區(qū)域和場(chǎng)地位置具有更好的穩(wěn)定性和參考價(jià)值。與此同時(shí)，本研究也是對(duì)Bannari等（2004）在北美干鹽湖床建立的場(chǎng)地選取方法和應(yīng)用范圍做了進(jìn)一步豐富和擴(kuò)展。

表4 綜合指標(biāo)法和單一指標(biāo)法在每個(gè)PICS場(chǎng)地的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比Table 4 Comparison of the evaluation results of the integrated index method and the single index method at PICS

本研究選取的16 個(gè)輻射準(zhǔn)不變場(chǎng)平均時(shí)空變異系數(shù)CVSR_b1-12_avg為1.59%，數(shù)值介于1.18%—2.11%之間（表3）。利用同時(shí)期Sentinel-2 A/B MSI 數(shù)據(jù)計(jì)算敦煌（Dunhuang）定標(biāo)場(chǎng)（40.15°N，94.335°E）的平均時(shí)空變異系數(shù)CVSR_b1-12_avg為1.21%。通過進(jìn)一步對(duì)比TNGR_3、TNGR_5 和Dunhuang 場(chǎng)地各波段的CVSR發(fā)現(xiàn)，3 個(gè)場(chǎng)地在B1 和B2 波段的CVSR數(shù)值較高，其中Dunhuang 場(chǎng)地的CVSR最高，分別達(dá)到10.26%和8.84%。3 個(gè)場(chǎng)地在B3—B12 波段CVSR數(shù)值相對(duì)較低，且數(shù)值較為接近。由此可見，3個(gè)場(chǎng)的時(shí)空穩(wěn)定性均會(huì)受到B1 波段和B2 波段的影響，但Dunhuang 場(chǎng)地的時(shí)空穩(wěn)定性更易受到來自B1、B2 波段等低反射率數(shù)值頻繁波動(dòng)的影響，最終導(dǎo)致其CVSR_b1-12_avg結(jié)果低于TNGR_3 和TNGR_5 這兩個(gè)場(chǎng)地的（圖12）。因此，本研究選取的TNGR_3和TNGR_5場(chǎng)地具有更好的時(shí)空穩(wěn)定性，且優(yōu)于國(guó)際同類場(chǎng)地的評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖12 TNGR_3、TNGR_5和Dunhuang場(chǎng)地13個(gè)波段的CVSR結(jié)果比較Fig.12 Comparison of CVSR results in 13 bands at TNGR_3，TNGR_5 and Dunhuang sites

通過分析同時(shí)期Sentinel-2 A/B MSI 數(shù)據(jù)的QA文件發(fā)現(xiàn)，本研究提取16 個(gè)場(chǎng)地共計(jì)地表反射率樣本數(shù)為3610 個(gè)，其中含云雨或沙塵像素的樣本數(shù)為652 個(gè)，僅占總樣本數(shù)的18.06%，全年平均無云天數(shù)接近300 d。而Dunhuang 場(chǎng)地共計(jì)提取地表反射率樣本數(shù)為231個(gè)，其中含云雨或沙塵像素的樣本數(shù)為97 個(gè)，占總樣本數(shù)的41.99%，全年平均無云天數(shù)為210 d。由此可見，天氣是引起輻射定標(biāo)場(chǎng)時(shí)空穩(wěn)定性趨勢(shì)出現(xiàn)異常的重要因素，在選取場(chǎng)地時(shí)，應(yīng)充分考慮天氣氣候條件因素，同時(shí)該結(jié)論與Khadka等（2021）研究結(jié)果相一致。

與此同時(shí)，由于地表空間的復(fù)雜性，在某一尺度上總結(jié)出的結(jié)果或規(guī)律，應(yīng)用在另一空間尺度上可能是有效和相似的，但更需要發(fā)現(xiàn)差異和去修正（李小文和王祎婷，2013；劉良云，2014）。本研究利用所有場(chǎng)地中心區(qū)的Sentinel-2 A/B MSI數(shù)據(jù)，對(duì)比每個(gè)波段在原空間分辨率（10 m、20 m和60 m）的地表反射率數(shù)值，以及將其空間聚合至氣象衛(wèi)星空間分辨率（250 m 和500 m）的平均地表反射率數(shù)值?？梢钥闯?，在滿足相同區(qū)域、時(shí)間和成像等條件下，隨著空間尺度升高和分辨率降低，相同波段的地表反射率數(shù)值也隨之降低（圖13）。同一區(qū)域采用相同方法計(jì)算出來的不同空間尺度數(shù)據(jù)也會(huì)存在差異，其中原空間尺度所有波段的地表反射率數(shù)值介于0.14—0.33之間，累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.14；當(dāng)升尺度到250 m 和500 m時(shí)，兩種空間尺度的地表反射率數(shù)值分別介于0.13—0.31 和0.12—0.29 之間，累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.39 和1.52（圖14）。因此，在利用本研究所選場(chǎng)地開展歷史氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)再定標(biāo)研究之前，需要定量分析空間尺度效應(yīng)的影響，并加以修正。但鑒于本研究目標(biāo)和內(nèi)容，上述工作將是我們未來要開展的研究方向之一。

圖13 不同空間尺度下的Sentinel-2各波段地表反射率數(shù)值Fig.13 Surface reflectance values of Sentinel-2 at different spatial scales for each spectral band

圖14 不同空間尺度地表反射率數(shù)值的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差Fig.14 Cumulative standard deviation of surface reflectance values at different spatial scales

綜上所述，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)和甘肅境內(nèi)的巴丹吉林—騰格里兩大沙漠時(shí)空穩(wěn)定性區(qū)域不僅具有氣候干旱，空間面積大、時(shí)空穩(wěn)定性好、地表均一、大氣干潔，氣溶膠和水汽含量低等特點(diǎn)，而且具備開展高頻次、長(zhǎng)歷時(shí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)再定標(biāo)工作的外場(chǎng)條件。然而，本研究仍存在研究數(shù)據(jù)時(shí)間序列短、使用數(shù)據(jù)源單一等問題，研究結(jié)果還有待更長(zhǎng)時(shí)間序列，多源遙感和其他觀測(cè)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證和完善。

4 結(jié)論

本研究利用2018 年11 月—2021 年10 月覆蓋整個(gè)研究的Sentinel-2 A/B MSI 時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)集，結(jié)合時(shí)空CV 評(píng)價(jià)指標(biāo)和Getis-Ord G*i空間聚類方法，從時(shí)空穩(wěn)定性和空間一致性兩個(gè)方面對(duì)研究區(qū)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選和評(píng)價(jià)可用于歷史氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)的場(chǎng)地，得出如下結(jié)論：

（1）研究區(qū)具有時(shí)空穩(wěn)定性和空間均一性的區(qū)域主要分布在巴丹吉林—騰格里沙漠的西部、北部、以及沙漠南部邊緣與中衛(wèi)、河西走廊之間的連接地帶，而巴丹吉林和騰格里兩大沙漠腹地的CVst數(shù)值較高，時(shí)空穩(wěn)定性較差。除B2波段外，其他波段CVst≤3%的結(jié)果具有相似的時(shí)空分布特征，且區(qū)域面積基本保持一致。

（2）通過Getis-Ord G*i空間聚類方法與時(shí)空CV指標(biāo)組合選取場(chǎng)地的方法，可進(jìn)一步降低單一指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性，提高場(chǎng)地選取的精度。本研究選取16 個(gè)場(chǎng)地的平均時(shí)空變異系數(shù)CVSR_b1-12_avg為1.59%，CVSR_b1-12_avg數(shù)值介于1.18%—2.11%之間，場(chǎng)地具有空間面積大、時(shí)空穩(wěn)定性好、地表均一、大氣干潔，云雨和沙塵天氣少等特點(diǎn)，為開展歷史氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)再定標(biāo)研究提供了更豐富亮度的準(zhǔn)不變定標(biāo)場(chǎng)地。

（3）TNGR_1 和TNGR_3 場(chǎng)地的時(shí)空CVSR_b1-12_avg分別為1.18%和1.19%。在不同季節(jié)的CV 數(shù)值均低于Dunhuang 場(chǎng)，且全年平均無云或沙塵天數(shù)接近300 d，因此這兩個(gè)場(chǎng)地更加適合開展高頻次、長(zhǎng)歷時(shí)衛(wèi)星輻射數(shù)據(jù)再定標(biāo)工作。

志 謝文中使用的Sentinel-2 A/B MSI 數(shù)據(jù)來源于歐空局Sentinel Online 網(wǎng)站（https：//sentinels.copernicus.eu/web/sentinel/home），在此表示衷心的感謝！