“高分一號”寬幅多光譜相機時間序列定標

邵雯 謝勇 宦海 田傳陽

摘? 要： 在軌運行的傳感器輻射性能由于受到元部件老化、外太空輻射等因素的影響會發生變化，通過傳感器在軌定標可以對傳感器的輻射性能進行監測。時間序列是衡量衛星傳感器在軌運行期間輻射性能變化的重要依據。該研究通過交叉定標法對“高分一號”（GF1）衛星的多光譜寬視場成像儀（WFV）開展時間序列定標，采用MODIS作為參考衛星，計算GF1/WFV4相機2013—2018年間的定標系數，將定標系數同官方定標系數相比較，并用歸一化法計算相對增益偏差。結果表明，GF1/WFV4相機的每個波段平均相對增益偏差分別為4.18%，4.87%，4.89%和4.46%，基于交叉定標方法獲得的定標系數與官方公布的定標系數具有較好的一致性，可以實現對GF1衛星在軌期間輻射特性變化趨勢的監測。

關鍵詞： 時間序列定標; GF1; 光譜相機; 交叉定標; 輻射性能監測; 結果分析

中圖分類號： TN820.1?34; TP79? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）10?0033?05

Time?series calibration for WFV multispectral camera of GF1

SHAO Wen1， XIE Yong2，3， HUAN Hai1， TIAN Chuanyang1

（1. School of Electronic & Information Engineering， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China;

2. School of Geography & Science， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China;

3. Nanjing Research Center， National Engineering Laboratory for Remote Sensing Satellite Applications， Nanjing 210044， China）

Abstract： The radiation performance of the sensors operating in orbit will change due to the influence of components′ aging， outer space radiation and other factors， which can be monitored by in?orbit calibration of sensors. The time?series is an important basis for measuring the radioation performance changes of satellite sensors during their in?orbit operation. The time?series calibration for the multispectral WFV （wide field of view） imager of the GF1 （Gaofen?1） satellite is performed by means of the cross?calibration method. The MODIS is taken as the reference satellite when the calibration coefficients of the GF1/WFV4 camera from the year of 2013 to 2018 are calculated. The calculated calibration coefficients are compared with the official calibration coefficients， and the relative gain deviation is calculated by means of the normalization method. The results show that the average relative gain deviations of four wavebands of GF1/WFV4 camera are： 4.18%， 4.87%， 4.89% and 4.46% respectively. The calibration coefficient obtained based on the cross?calibration method is in good agreement with the official calibration coefficient， which can realize the monitoring of the variation trend of the radiation characteristics of the GF1 satellite during its in?orbit operation.

Keywords： time?series calibration; GF1; multispectral camera; cross calibration; radiation performance detection; result analysis

0? 引? 言

“高分一號”（GF1）衛星是我國高分辨率對地觀測系統的首發星，該衛星搭載了2臺2 m分辨率全色/8 m分辨率多光譜相機（WFV）和1臺16 m多光譜相機（PMS）[1]。2臺PMS相機組合幅寬為60 km，4臺WFV相機組合幅寬[2]為800 km。在不側擺的情況下，WFV相機覆蓋周期為4天，PMS相機覆蓋周期為41天，實現了高空間分辨率和高時間分辨率的完美結合[3]，廣泛應用于公安執法、災害環保、漂物監察和國際救災等[4]。

GF1衛星距今發射已有6年，由于長時間受到平臺震動、零部件松動以及外太空輻射等影響[5]，導致GF1的輻射性能發生衰減，通過在軌定標可以及時追蹤GF1在軌傳感器的輻射性能，進而調整與改進輻射定標算法，消減可見光輻射傳輸過程的影響，為提高遙感數據分析的穩定性提供支持[6]。

在國內，官方通常采用場地定標方法獲得傳感器在軌絕對輻射定標系數，由于場地定標需要大量的同步數據測量，每次測量都需要投入大量的時間，受場地和天氣條件的限制，定標成本大，提供的數據有限，無法及時發現傳感器自身的衰減且無法對場地定標的結果進行有效的驗證[7]。國內開展時間序列定標的研究較晚，目前已有的研究成果中，高海亮等使用沙漠場景法、穩定目標法和交叉定標法對CBERS02B星的CCD相機開展時間序列定標，并比較了三種方法的優缺點[8];周珂等開展了光譜匹配因子對GF1/WFV時間序列交叉定標的影響分析[9]。因此，對衛星的時間序列定標，不僅可以發現傳感器自身的穩定性和衰減變化，及時地反饋給地面和制造部門，還可以提高中國高分辨率衛星遙感的應用水平，以及國內衛星數據在許多領域的應用效果。因此對衛星做時間序列定標具有重要的科學意義和實際應用價值[10]。

因此參考借鑒團隊里韓杰、謝勇的GF1衛星WFV影像交叉輻射定標，根據我國“高分一號”寬幅多光譜相機的特點，針對GF1衛星寬幅多光譜相機做時間序列定標進行研究，以中分辨率成像光譜儀（MODIS）作為參考，基于我國首個國家輻射校正場及周邊均勻目標為匹配樣區，通過交叉定標方法得到GF1衛星寬幅多光譜相機的定標系數，進一步獲得GF1衛星寬幅多光譜相機2013—2018年時間序列定標結果，為今后開展相關衛星的穩定性分析提供參考。

1? 遙感器介紹

“高分一號”寬幅相機（WFV）單個影像的幅寬只有200 km，回歸周期時間比較長，如果選取同樣幅寬比較窄的LandSat衛星作為參考衛星，能夠獲得的匹配影像對比較少[11]，無法有效地開展輻射性能穩定性的分析。MODIS影像幅寬比較大，每日可以獲取一幅全球的影像，可以獲得比較多的同步影像對，從而開展衛星輻射穩定性的分析[12]。因此本文選取MODIS作為交叉定標的參考衛星，光譜響應函數如圖1所示。

2? 定標原理

交叉定標方法是利用精度較高的MODIS衛星傳感器作為參考，需要進行MODIS與GF1/WFV4對應通道的光譜匹配、時間匹配、空間匹配以及觀測幾何匹配[13]。

本文利用MODIS大氣產品替代場地定標的實測數據，選取2個傳感器同時或近同時區域成像的影像對消除時間差異[14]，選取敦煌輻射校正場，因為敦煌輻射校正場具有地勢平坦、地表特性穩定等優勢，可以消除空間差異，利用輻射模型將不同像元進行歸一化處理，消除觀測幾何匹配[15]。首先計算參考衛星MODIS的表觀輻亮度，公式為：

[LiM=airad_gain·（DNiM+birad_offset）] （1）

式中：[LiM]是MODIS衛星影像第i波段的表觀輻射亮度;[airad_gain]是第i波段的增益系數;[birad_offset]是第i波段的偏移量;[DNiM]是第i波段的計數值。

接著建立參考傳感器入瞳輻亮度與目標傳感器計數值之間的關系，公式為：

[LiM=aj·DNjGF1+bj] （2）

式中：[aj]是第j波段的增益系數;[bj]是第j波段的偏移量;[DNjGF1]是第j波段的計數值。最后根據定標增益相對誤差分析GF1在軌運行的輻射性能，公式為：

[Realative_errori=（Gaini-Gainre）Gainre·100%] （3）

式中：[Gainre]是參考值;i是衛星影像按時間排列總個數中的第i幅影像;Gaini是第i幅影像對的增益;Relative_errori是第i幅匹配影像對的相對誤差增益。本文中所用官方定標系數是由中國資源衛星應用中心發布的官方定標系數。

該方法的優勢在于：采用MODIS大氣產品數據代替場地實測數據，降低了場地定標的測量成本;通過時間序列定標可以實現對GF1在軌輻射性能的實施監測和校正;高頻次定標驗證了交叉定標方法的準確性和可靠性。

3? 結果與分析

3.1? 單景輻射定標結果

根據式（1）和式（2）計算MODIS的輻射亮度值和GF1/WFV4相機的DN值，并將GF1的DN值與MODIS的輻射亮度值進行一元線性擬合，獲得相應的增益與偏移。圖2給出具體的擬合結果例子。其中GF1的影像獲取時間為2016?11?01 13：38：40，MODIS影像的成像時間為2016?11?01 05：55：00。因為GF1采用的是北京時間，MODIS采用的是UTC時間，所以實際時間間隔ΔT=17 min。在圖2中x軸表示GF1的DN值，y軸表示MODIS的輻射亮度值，擬合結果如圖2所示，擬合系數及誤差如表1所示。

由圖2的擬合曲線可以得到，GF1/WFV4相機4個波段的相關系數分別是：0.949 8，0.932 8，0.949 4，0.951 3，將計算得到的定標系數與官方定標系數進行比較，從表1可以得到：4個波段的增益誤差分別是1.32%，0.93%，2.8%，3.75%，誤差最大的為第4波段，達到3.75%。所得結果與官方公布的定標系數有較好的一致性，驗證了交叉定標方法的準確性。

通過分析，第4波段誤差達到3.75%的原因可能是：

1） 在進行光譜匹配時，第4波段的MODIS與GF1/WFV4光譜匹配差異較大;

2） 在GF1/WFV4與MODIS幾何校正時，進行3次插值算法，仍存在空間的差異性;

3） 單次定標具有偶然性。

3.2? 時間序列定標結果

本文獲取2013—2018年的GF1/WFV4基于敦煌輻射校正場的所有有效影像，根據數據篩選條件得到衛星發射后到2018年底的有效匹配影像對共有58組。忽略2個衛星經過場地時刻大氣和地表的變化，采用交叉定標方法，對GF1/WFV4進行時間序列定標，并與官方公布的定標系數進行比較，如圖3所示，x軸為GF1衛星發射的時間，y軸為GF1的增益。GF1/WFV4相機5年半內的輻射性能整體趨于穩定，從2017—2018年年底增益系數有一個緩慢的下降趨勢，但整體幅度不大，可能的原因有：

1） GF1衛星距今發射已有6年，由于傳感器元部件長時間震動，導致傳感器的輻射性能發生衰減;

2） 長時間的外太空輻射對傳感器造成的影響等。

為了比較GF1/WFV4相機本身的相對增益誤差變化，根據式（3），本文選取在軌測試階段后的第一幅匹配影像的時間作為參考日，以參考日的增益作為參考值，對定標結果進行歸一化處理，結果如圖4所示。

通過比較不同時間定標結果歸一化的變化趨勢，可以看出“高分一號”寬幅多光譜各相機各波段的本身相對增益誤差的變化，計算得到的參數，前180天出現了明顯的波動。通過分析發現，衛星在發射之后半年內為在軌測試階段，相機在進行各項性能測試與微調整，參數的波動變化相對較大。所以為了保證時間序列的完整性及直觀性，本文主要針對衛星發射180天之后的數據進行分析。GF1官方增益變化量和本研究增益變化量如表2所示。

從表2中可以得到WFV4相機的波段1的增益是上升的，上升了4.18%，其余波段都是下降趨勢。相比于官方定標5年半的波動趨勢，本文選取定標景數多，定標結果更精準，比官方一個點的時間序列更趨于穩定。

本文通過對1年定標系數的平均值、官方定標時間段內左右兩次定標系數的平均值和官方定標系數做比較，結果如表3所示，發現官方定標時間段內左右兩次定標系數的平均值和官方定標系數誤差更小。GF1相機各波段的定標誤差均在5.5%以內，說明了交叉定標方法的準確性和可靠性。

4? 結? 論

GF1衛星壽命為5～8年，至今已使用6年。本文是針對“高分一號”衛星可見光譜段的穩定性進行研究，忽略大氣傳輸環境、地表光譜特征等誤差，采用MODIS大氣產品代替場地定標的實測數據，對GF1衛星進行交叉定標，獲取GF1/WFV4相機2013—2018年年底的絕對輻射定標系數，計算各波段的增益相對偏差，與官方增益變化量進行定量比較。GF1/WFV4定標誤差在5.5%以內，驗證了交叉定標的可靠性和穩定性。計算得到的時間序列定標系數與官方公布的定標系數具有較好的一致性，滿足基本的遙感定量需求。

GF1/WFV4相機各波段輻射性能隨著平臺的震動，長時間外太空輻射等，均有衰減趨勢，平均相對增益偏差在5%以內，但總體趨于穩定。在本文研究的基礎上，后續會跟進對GF1衛星影像時間序列定標進行研究，分析相機的輻射穩定性變化，及時地反饋給地面的研發中心，對后續高分系列衛星的輻射性能監測具有參考價值。

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