利用GF-1對ZY-1 02C衛星PMS相機進行交叉檢校

韓啟金 劉李 張學文 楊磊 王愛春

（中國資源衛星應用中心，北京 100094）

利用GF-1對ZY-1 02C衛星PMS相機進行交叉檢校

韓啟金 劉李 張學文 楊磊 王愛春

（中國資源衛星應用中心，北京 100094）

為檢校ZY-1 02C衛星PMS相機在軌輻射性能，以GF-1衛星遙感器為參考開展ZY-1 02C衛星PMS相機交叉檢校。首先，介紹了交叉檢校方法，并討論兩個遙感器間光譜特性差異和數據相關性；其次，分析光譜匹配因子在不同觀測路徑、地物類型條件下的穩定性，并選取5個相對均勻區域進行GF-1衛星與ZY-1 02C衛星PMS相機的交叉檢校，獲得了ZY-1 02C衛星PMS相機的輻射性能變化情況和新定標系數；最后利用地面實測數據對新輻射定標系數進行精度驗證。結果表明：ZY-1 02C衛星PMS相機在軌輻射特性發生了變化，以GF-1衛星遙感器為參考可有效檢測校準ZY-1 02C衛星PMS相機輻射性能的衰減量。

ZY-1 02C衛星 遙感器 輻射性能 檢驗 定標

0 引言

隨著遙感數據定量化研究的深入和應用水平提高，確保遙感數據產品輻射質量（quality，全文同）的穩定性和一致性已成為地面處理系統的一項重要工作，定標檢校作為確保遙感產品反演擺脫遙感器自身性能變化和數據處理等因素影響的關鍵環節，不但可以監測和校準遙感器在軌輻射性能變化，一定程度上也決定著遙感數據定量化應用的效果[1]。衛星在軌運行過程中受多種因素的影響，搭載的遙感器輻射響應性能。即遙感器入瞳處輻射能量與輸出計數值之間的定量關系會不同程度的發生變化，必須采用一定的手段對輻射響應變化進行檢測和校準，從而確保遙感器輸出產品的輻射質量、時序一致性和穩定性[2]。

近年來，我國相繼發射了一系列高分辨陸地觀測衛星，其中“資源一號02C”（ZY-1 02C）衛星是我國首顆專門為國土資源用戶定制的業務化運行衛星，星上搭載了兩臺空間分辨率為2.36m的全色TDICCD高分辨率相機（HR相機）和一臺空間分辨率為5m/10m的全色/多光譜相機（ZY-1 02C PMS相機），設計壽命3年。為確保ZY-1 02C PMS相機在軌輻射測量精度和定量應用，必須采用替代手段對該遙感器在軌輻射性能進行檢校。目前較常用的衛星遙感器檢校方法是場地試驗法，該方法受場地特性、星地同步觀測及測量儀器精度等多個因素影響，既耗費大量的人力、財力和物力又無法實時的使用，而交叉檢校由于不受場地、天氣和時間的限制，得到了快速的發展，但其精度和頻次主要取決于參考衛星遙感器自身精度以及軌道重疊頻率[3-7]。高分辨率對地觀測系統重大專項的首發星“高分一號”（GF-1）衛星搭載了2臺2m全色/8m多光譜相機（GF-1 PMS相機），該遙感器采用了星上自身暗噪聲校準裝置，對衛星觀測數據的地面處理采用了多項新方法，包括90°偏航的相對輻射校正和多場地寬動態的絕對輻射定標，使得該衛星遙感器絕對輻射定標的不確定度小于5.35%，同時GF-1衛星與ZY-1 02C衛星同類遙感器的光譜波段設置相一致，這為ZY-1 02C衛星PMS相機的交叉檢校提供了參考源。

文章以ZY-1 02C衛星PMS相機為研究對象，在分析GF-1 PMS相機與ZY-1 02C衛星PMS相機光譜響應特性差異和同時相遙感圖像相關性的基礎上，選取光學特性穩定的大面積均勻地物目標作為匹配樣區，開展GF-1衛星與ZY-1 02C衛星遙感器的交叉檢校。檢驗了ZY-1 02C衛星PMS相機輻射性能變化趨勢，并修正在軌絕對輻射定標系數，最后討論了國產同類衛星遙感器間相互交叉輻射檢校的可行性和必要性。

1 方法與研究數據

1.1 算法模型

交叉檢校，是以某個經過高精度定標的同類衛星遙感器為參考，獲取兩顆衛星遙感器過境同一地面區域時的遙感數據，并以參考衛星遙感器輸出數據獲取的表觀輻亮度（或表觀反射率）為參考值，經過波段光譜匹配、空間匹配和尺度轉換等相關處理后，獲得等效的待檢校衛星遙感器對應波段的等效輻亮度，以該值為基準對待檢校衛星遙感器進行檢驗和校準，實現目標衛星遙感器輻射性能的檢測校正[8-9]，具體檢校技術流程如圖1所示。

1.2 遙感器對比

1.2.1 光譜特性對比

交叉檢校的關鍵是參考遙感器的譜段設置應盡可能涵蓋待檢校衛星遙感器的波段設置，GF-1與ZY-1 02C衛星PMS相機譜段設置一致（技術參數見表1），為后續光譜差異修訂提供了較好的條件。但受CCD器件響應差異和光路系統影響，不同遙感器相同譜段的光譜響應存在一定差異，因此在交叉檢校過程中必須修訂光譜差異引入的影響[10]。ZY-1 02C和GF-1衛星遙感器對應的波段中，僅B4波段響應差異較大，而有效波長中除全色波段為4.1%，其余波段的相對差異均小于1.5%（圖2），這進一步證明了兩個遙感器較好的光譜一致性。

圖1 不同衛星遙感器交叉檢校流程Fig.1 Cross validation and calibration of different remote sensors

表1 不同衛星遙感器技術參數對比Tab.1 Comparison of remote sensors parameters between different satellites

圖2 不同衛星遙感器光譜響應對比Fig.2 Comparison of relative spectral responses between different sensors

1.2.2 數據相關性分析

交叉檢校需要考慮不同衛星遙感器之間的空間一致性，考慮到ZY-1 02C與GF-1衛星對應遙感器的空間分辨率相近，參考衛星GF-1的圖像分辨率高于ZY-1 02C，因此幾何匹配和尺度轉換過程中，尺度效應的影響可以忽略。選取2013年6月22日ZY-1 02C和GF-1衛星同時過境敦煌等地區圖像數據進行分析，處理后兩衛星遙感圖像匹配精度均優于0.5～1.0個像元（圖3），且相關性較高（見圖4）。考慮到GF-1衛星在軌絕對輻射定標系數精度可靠，因此以GF-1衛星遙感器為參考對ZY-1 02C衛星遙感器進行交叉檢校是可行的。

圖3 GF-1衛星與ZY-1 02C衛星對應波段遙感圖像空間幾何配準：全色波段（左），多光譜波段（右）Fig. 3 Spatial matching of images between GF-1 and ZY-1 02C: pan band (left), multispectral band (right)

圖4 ZY-1 02C與GF-1衛星遙感圖像的相關性分析Fig.4 Correlation analysis results between ZY-1 02C and GF-1 images

2 結果分析

2.1 數據匹配處理

交叉檢校涉及光譜響應差異以及觀測路徑、成像時間、空間分辨率等影響因素的校正統一[11]，由于兩個衛星遙感器光譜特性差異較小，因此檢校重點在于空間匹配、尺度轉換和輻亮度信息計算等。具體過程如下：1）以2013年6月22日過境敦煌地區的2景ZY-1 02C衛星PMS遙感圖像為基準，對同時相的3景GF-1衛星PMS遙感圖像進行幾何配準，并重采樣為ZY-1 02C遙感圖像的空間分辨率尺度，選取5個100m×100m的相對均勻目標作為匹配樣本，即石膏（樣區1）、戈壁（樣區2、3）和水體（樣區4、5），經分析上述三種樣本區表面反射特性穩定，在350～1 000nm通道范圍內光譜反射率相對差異均小于1%（圖5）；2）對不同遙感器的觀測圖像進行輻射定標，獲得對應的輻亮度數據；3）依據ZY-1 02C和GF-1波段平均光譜匹配因子修訂GF-1衛星輻亮度獲得ZY-1 02C衛星等效輻亮度，匹配因子計算方法參見文獻[12]；4）基于上述等效輻亮度檢驗ZY-1 02C衛星定標系數精度，并重新進行交叉定標，校準該遙感器的輻射性能變化[12-13]。

圖5 ZY-1 02C衛星與GF-1衛星遙感圖像樣本匹配區Fig.5 Sample matching regions between ZY-1 02C and GF-1 remote sensing images

2.2 結果分析

ZY-1 02C衛星自發射以來，地面系統于2012年 7月對該遙感器輻射定標系數進行了修訂，以GF-1衛星遙感器為參考，對ZY-1 02C衛星PMS相機進行交叉檢校，分析在軌輻射測量精度，即定標系數的變化情況（圖6）。結果表明：1）利用ZY-1 02C衛星PMS相機現有定標系數獲取的輻亮度信息與參考基準相比，出現了較大偏差，基于5個樣本區的平均檢驗偏差，全色波段P為13.26%，綠光譜波段B2為7.94%，紅光波段B3為2.26%，近紅外波段為42.28%；2）對于類似于水體目標的地物類型而言，ZY-1 02C衛星PMS相機的輸出輻亮度與參考基準相比，相對偏差全色波段P為 15.21%，綠光波段B2為8.74%，紅光波段B3為4.07%，近紅外波段B4為90.22%，這進一步說明該遙感器的自身偏移量發生了較大變化，且現有定標系數已無法正確表征其輻射測量性能，必須重新進行定標修訂。

圖6 基于GF-1數據的ZY-1 02C等效輻亮度與ZY-1 02C輸出輻亮度對比Fig.6 Comparison between Equivalent radiance of ZY-1 02C based on GF-1 images and radiance of ZY-1 02C

利用交叉定標方法，以GF-1衛星PMS相機為參考重新對ZY-1 02C衛星PMS相機進行輻射定標，交叉定標結果如表2所示。可看出：ZY-1 02C衛星PMS相機的定標系數中定標偏移量不為0，說明PMS相機定標過程中假設自身暗噪聲偏移量為0的方法不可取；采用交叉檢校的方法可有效實現衛星遙感器的輻射定標。

表2 交叉定標系數Tab.2 Calibration coefficients between GF-1 and ZY-1 02C PMS

3 驗證與討論

為驗證利用GF-1衛星對ZY-1 02C衛星PMS相機進行交叉檢校的可行性和精度，采用2013年6月22日敦煌輻射校正場地面同步實測數據對原定標系數和文章獲取的交叉定標系數進行對比驗證[14]。具體過程如下：1）將處理獲得的輻射校正場實測地表反射率數據、大氣氣溶膠光學厚度數據、大氣溫濕壓廓線以及衛星過境時刻觀測幾何路徑等輔助參數輸入到MODTRAN輻射傳輸模型，模擬出ZY-1 02C衛星PMS相機各波段入瞳處等效輻亮度；2）分別利用新舊定標系數和星—地空間匹配區域提取的平均計數值DN信息，計算出ZY-1 02C衛星PMS相機各波段的輸出輻亮度；3）對比驗證新舊定標系數的精度[15]。舊定標系數與新交叉定標系數的驗證對比結果如表3所示。

表3 舊定標系數與新交叉定標系數的驗證對比結果Tab.3 Validation results of old calibration coefficients and new cross-calibration coefficients

ZY-1 02C衛星PMS相機在軌運行過程中，輻射探測性能總體上相對比較穩定，延用舊的定標系數反演的等效輻亮度與參考基準相比，相對差異在3.70%～7.67%之間；而采用新交叉定標系數反演的等效輻亮度與參考基準的總體相對差異小于舊定標系數的結果（表3）。利用GF-1衛星對ZY-1 02C衛星同類遙感器進行交叉檢校是可行的，獲取的定標校準結果可有效的修正ZY-1 02C衛星遙感器在軌運行過程中輻射探測性能的變化，從而確保該衛星遙感定量產品的質量。為了加強國產陸地觀測衛星遙感器間的相互檢校比對，并促進我國自主衛星遙感數據的定量化應用，研發具有高精度星上定標裝置的高空間分辨率、高時間分辨率光學遙感器和業務化交叉檢校系統已成為目前對地觀測體系建設的迫切需求。

4 結論

文章在分析GF-1衛星與ZY-1 02C衛星PMS相機對應波段光譜響應差異，及修正因子計算誤差和同時相遙感圖像的空間匹配精度影響的基礎上，以同時相遙感圖像為參考，對ZY-1 02C衛星PMS相機的輻射性能進行了交叉檢校，檢測出該衛星遙感器的在軌輻射探測性能發生了一定變化，并以GF-1衛星遙感器為參考對其進行了交叉定標校準，獲取了新的在軌定標系數。經驗證分析，基于新交叉定標系數反演的輻亮度產品質量優于采用原定標系數生產的輻亮度產品，與實測數據計算的輻亮度相比，相對誤差平均減小了約0.60%，進一步說明采用具有高精度輻射基準的國產衛星對同類衛星遙感器進行在軌交叉檢校是可行的，也表明研發自主配備高精度星上定標器的光學遙感器參考基準的必要性，為后續國產陸地觀測衛星遙感器間的自動交叉檢校提供了一定資料參考。

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Cross-validation and Calibration of ZY-1 02C PMS Sensor Using GF-1 Satellite

HAN Qijin LIU Li ZHANG Xuewen YANG Lei WANG Aichun
（China Center for Resources Satellite Date and Application, Beijing 100094, China）

In order to validate and calibrate on-orbit radiometric properties of ZY-1 02C PMS sensor, the cross-validation and calibration of ZY-1 02C PMS sensor based on well-calibrated GF-1 sensor is carried out. Firstly, it introduces cross-validation method and discusses the difference of spectral bands and relativity of remote sensing images between two sensors. Secondly, the stability of spectral band matching factors is analyzed for different observing geometry and land surface characteristics, and then the radiometric properties changes and new calibration coefficients of ZY-1 02C PMS sensor are obtained by choosing five symmetrical matching regions. Finally, the validation of new calibration coefficients is carried out by using site measurements data. The present study indicates that the on-orbit radiometric properties of ZY-1 02C PMS sensor have changed and the degeneration can be corrected by cross-calibrating with GF-1 sensors.

ZY-1 02C satellite; sensor; remote radiometric properties; validation; calibration

V474.2

A

1009-8518(2015)01-0073-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2015.01.010

2014-06-16

國家863計劃（2012AA12A302）資助課題

韓啟金，男，1983年生，2010年畢業于中國空間技術研究院飛行器設計專業，碩士，工程師。主要從事衛星光學載荷性能檢測與遙感應用研究工作。