CBERS-04衛星寬視場成像儀在軌場地輻射定標

劉李傅俏燕潘志強徐建艷李曉進韓啟金張學文劉濤

（1中國資源衛星應用中心，北京 100094）

（2中國航天標準化研究所，北京 100071）

CBERS-04衛星寬視場成像儀在軌場地輻射定標

劉李1傅俏燕1潘志強1徐建艷1李曉進1韓啟金1張學文1劉濤2

（1中國資源衛星應用中心，北京 100094）

（2中國航天標準化研究所，北京 100071）

CBERS-04衛星寬視場成像儀（WFI）自發射以來，廣泛應用于國土、水利、林業資源調查等方面。考慮到衛星遙感器受發射時的振動、在軌空間環境變化以及元器件電路系統老化等因素的影響，各種輻射特性的變化，遙感器的性能和靈敏度不斷下降，從而導致整個遙感器輻射性能與原來的標定結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同步觀測試驗獲取了星地同步觀測數據，根據反射率基法計算得到CBERS-04衛星WFI相機的場地定標系數。試驗共獲取了5次有效數據，根據2015年8月7日，10日，13日的定標試驗數據擬合得到WFI的定標系數。同時，根據16日和19日兩天的試驗數據擬合得到一組新的定標系數作為準真值開展定標系數的驗證。結果表明，WFI敦煌輻射定標結果的偏差小于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上，以具有較高輻射定標精度的Landsat-8 OLI作為參考傳感器進行定標方法的相對驗證，結果顯示WFI與OLI的相對定標結果的不確定度在6%左右。

場地定標 驗證 寬視場成像儀 中巴地球資源衛星 衛星應用

0 引言

近年來，隨著空間科學技術的發展和遙感應用水平的提高，遙感數據的科學應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用中。衛星遙感器在軌絕對輻射定標作為遙感數據定量化應用的前提和基礎，其精度決定著遙感數據應用的水平，沒有高精度的定標，同一顆衛星不同時間的數據資料不能相互比較，不同衛星遙感器觀測的數據更不能相互比較[1]。衛星遙感器受發射時的振動、在軌空間環境變化以及元器件電路系統老化等因素的影響，其性能指標（如探測靈敏度、響應度、暗噪聲效應）會不斷發生變化，直接影響著衛星遙感數據的定量產品精度、可靠性和應用效果，同時還可能掩蓋地表信息變化在遙感數據中的細微體現[2]。國內外相關定量化研究成果顯示，利用定標后的遙感數據進行地表參量反演，其精度明顯高于未做定標時的結果，大量遙感器性能在軌監測結果也顯示，遙感器在軌運行期間均會不同程度的發生輻射特性變化，定期開展衛星遙感器在軌絕對輻射定標工作，不但可以監測遙感器性能變化情況，還可以提高衛星輻射響應特性測量精度，從而提高數據產品的質量，滿足遙感定量化應用的精度要求。

中巴地球資源系列CBERS-04衛星于2014年12月7日在太原衛星發射中心成功發射。共搭載了4臺相機，其中，5m/10m空間分辨率的全色多光譜相機（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（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個波段，其星下點空間分辨率為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、林業資源調查、農作物估產、城市規劃、環境保護及災害監測等領域發揮重要作用。衛星產品質量除受衛星遙感器本身影響外，還與衛星在軌地面處理精度和衛星在軌絕對輻射定標精度有關，其中輻射定標作為定量化應用的關鍵成為衛星在軌運行過程中的重要工作之一。衛星遙感器在軌絕對輻射定標方法主要有星上定標[3]、交叉定標[4]和場地替代定標[5]等，其中場地定標由于不受衛星遙感器本身和其它同類衛星遙感器的限制而成為廣大衛星地面處理系統和應用單位完成衛星遙感器在軌輻射性能實時監測和校準的主要手段。目前，我國光學衛星在軌輻射定標試驗主要依托敦煌輻射定標場[6]。

本文利用場地定標中的反射率基法[7]，通過分析 2015年 8月敦煌同步觀測試驗采集的數據，獲取CBERS-04衛星WFI的在軌定標系數。并利用同步數據與Landsat-8 OLI傳感器的星上定標結果進行驗證，驗證結果表明本次場地定標的不確定度為6%。

1 衛星傳感器入瞳處能量計算

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果。在忽略電磁波的極化效應，并假設大氣為垂直變化、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（0.4～3.0μm）太陽光、大氣和地表相互作用及衛星接收輻射信息構成。

衛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）、目標區反射輻射亮度和鄰近目標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為大氣光學厚度； ρn為目標鄰近區地表反射率；S為大氣球面反照率；（θv是觀測天底角）；ρ( λ)為波長λ處目標反射率； td(θv)為向上方向（地面到衛星）大氣透射散射因子； ρp是大氣路徑的反射率[8]。

依據衛星遙感器各波段光譜響應特點，可計算出衛星遙感器波段i的入瞳處等效輻亮度值[9]：

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

當衛星遙感器輻射探測性能為線性響應時，可假設衛星遙感器觀測值和入瞳處的等效輻亮度具有公式（3）中的定量關系。當衛星遙感器觀測地面目標時，可獲得波段觀測值與等效輻亮度數據，則可通過最小二乘法擬合出衛星遙感器在軌絕對輻射定標斜率（Gain）和定標截距（Bias），如僅有一個地面目標場地，則假設Bias在軌運行過程中未發生變化，從而確定出定標斜率[10]。

式中 Gain為定標斜率；Bias為定標截距；DN為衛星遙感器波段i的灰度值。

2 試驗數據處理

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

3 結果及驗證

經過2015年8月的敦煌試驗，共獲取了五天的地表同步反射率數據及大氣數據等輔助參數，波段1在高亮場地的5次成像全部出現了飽和，波段3在高亮場地的影像僅于8月19號的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星灰度值進行線性擬合，得到WFI傳感器定標系數（圖1）。同時，利用2015年8月16日和8月19日兩天的數據擬合得到一組新的定標系數作為驗證（圖2）。

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

表2 C E318大氣光學厚度觀測數據處理結果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 衛星影像通道灰度值提取Tab.4 DNs of the sensor image

圖1 CBERS-04衛星WFI傳感器場地定標系數Fig.1 Site calibration of CBERS-04 WFI

以8月16日和19日兩天的擬合結果為準真值，計算定標系數的相對偏差（表5）。由驗證結果可知，針對B1，B2，B3，B4波段的兩次定標結果的相對偏差分別為2.62%，0.70%，3.94%，0.40%。

與此同時，選擇Landsat-8 OLI做為參考傳感器對本次WFI場地定標方法開展交叉檢驗。參考遙感器Landsat-8為OLI設置有9個光譜波段[13]，其中太陽反射波段具有30m的空間分辨率，經分析OLI遙感器的B2、B3、B4、B5與多光譜相機B1、B2、B3、B4波段范圍相近，具有作為參考遙感器對CBERS-04衛星WFI相機進行交叉檢驗的可行性。

圖2 CBERS-04衛星WFI傳感器場地定標系數驗證Fig.2 Validation of CBERS-04 WFI site calibration

表5 WFI場地定標系數及驗證結果Tab.5 Site calibration and validation of WFI (W·m-2·sr-1·μm-1)

針對2015年8月8日的場地實測數據，利用WFI場地定標系數，計算Landsat-8OLI傳感器入瞳輻亮度值，與基于星上定標結果所得的入瞳輻亮度值進行比較驗證，結果見表6。

基于Landsat-8 OLI遙感器對場地檢驗結果表明：經過場地定標計算的入瞳輻亮度與星上定標計算的入瞳輻亮度相對偏差在 6%左右。由于入瞳輻亮度的不確定度是等效傳遞給定標系數的，因此可以認為WFI相對于OLI的定標系數不確定度在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 結束語

首次針對2014年發射的CBERS-04衛星WFI傳感器開展在軌場地輻射定標方法研究，利用敦煌石膏場和戈壁場的地表反射率數據，以及場地大氣參數等輔助數據，基于場地反射率基法擬合得到WFI傳感器4個波段的輻射定標系數。并通過多次場地定標結果的比對開展定標系數的自身驗證。同時，通過具有相似光譜特性和空間分辨率的 Landsat-8 OLI傳感器星上定標數據與場地定標數據的比較開展交叉驗證。結果表明：

1）利用2015年8月7日，10日，13日的定標試驗數據擬合得到WFI的定標系數為0.152 5，0.171 2，0.134 1，0.126 3。同時，根據16日和19日兩天的試驗數據擬合得到的定標系數為0.148 6，0.172 4，0.139 6，0.125 8。結果表明，本次WFI敦煌輻射定標結果的偏差小于4%。

2）利用Landsat-8 OLI開展了試驗結果的相互驗證，通過比較其8月8日的星上定標與場地定標結果，顯示WFI與OLI的相對定標結果的不確定度在6%左右。

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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年獲中國科學院遙感與數字地球研究所地圖學與地理信息專業博士學位，工程師，高分定標檢校系統主管設計師，主要從事衛星傳感器輻射定標及定量化應用方面的研究工作。Email:liulicugb@126.com。

（編輯：王麗霞）

2015-10-13

國家自然科學基金（41401424）