FY-3C MERSI太陽反射波段的交叉定標

何興偉，馮小虎，韓 琦，郭 強

(國家衛星氣象中心，北京 100081)

1 引 言

隨著遙感技術的發展，利用衛星遙感數據反演地表各種地球物理化學參數已經成為當今的研究熱點。儀器的定標精度直接影響衛星數據的定量化應用，衛星傳感器發射升空后，其自身特性和周圍環境的變化會造成傳感器老化、靈敏度下降，嚴重影響其輻射性能，因此需要對衛星輻射性能進行有效的在軌監測和訂正。對于具有完備的星上定標系統的MODIS和SeaWiFS傳感器，數據質量較高，其絕對輻射定標精度分別達到了5%和3%，相對精度分別達到了1%和0.16%。搭載在NOAA上的AVHRR傳感器的可見光近紅外通道缺少星上定標系統，通過場地定標獲取衛星過境時刻的同步測量數據，監測傳感器的性能變化并進行訂正。風云三號是我國第二代極軌氣象衛星，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具有可見光星上定標設備，但是只能用于儀器響應的衰減追蹤，因此必須采用其他定標手段來保證數據的輻射精度[1]。

太陽反射波段的定標跟蹤和監測方法包括恒定定標場的替代定標[2-3]、基于均勻穩定目標的輻射跟蹤[4-8]、利用月亮目標的輻射跟蹤[9]、基于高精度參考傳感器的交叉定標[10]。目前，MERSI的絕對定標主要采用基于同步現場測量的敦煌場地替代定標，敦煌場地替代定標在星地同步測量時受各種自然因素(大氣條件，天氣狀況等)和人為因素(觀測儀器等)的影響，且需要投入大量的人力物力，獲取的同步測量數據有限，每年一次的定標頻次低，不能有效地檢測儀器輻射性能的變化。交叉定標方法主要是將定標精度高、數據質量較好的傳感器(如SeaWiFS和MODIS)作為參考傳感器，對定標精度較低的衛星傳感器進行定標，被定標傳感器理論上可以達到參考傳感器的定標精度，其核心思想就是利用參考傳感器，通過光譜匹配和時空匹配，模擬待定標傳感器的天頂輻射值。相對于場地替代定標，交叉定標需要的地面測量數據較少，定標精度主要取決于參考傳感器的精度和光譜、時空匹配帶來的誤差，適用于歷史數據的重定標工作。

本文采用國際上通用的6個北非沙漠目標，基于高質量的SeaWiFS數據對FY-3C MERSI在軌運行期間(2013年10月—2015年1月)數據進行了交叉定標研究。

2 數 據

2.1 SeaWiFS數據

SeaWiFS(Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor)是搭載在SeaStar太陽同步軌道衛星上的美國第二代海色遙感傳感器。SeaWiFS共有8個光譜通道(波段設置見表 1)，包括6個可見光通道和2個近紅外通道。

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

為了將SeaWiFS的觀測輻亮度的不確定性限制在0.1%以內[11]，NASA的海色遙感小組進行了發射前定標、星上定標、海面替代定標及月球定標等一系列系統而嚴格的定標工作，最終SeaWiFS的天頂輻射數據的絕對定標精度小于3%，相對精度小于0.16%，時間穩定性偏差不超過0.3%[12]。高質量的SeaWiFS輻射觀測數據可以用于多種產品的數值反演，如氣溶膠和海色遙感，并作為輻射定標的優良參考 “數據源”用于其他傳感器如MODIS的交叉定標工作中。

本文為了避免后期SeaWiFS數據質量衰減和軌道漂移問題，選取了1997～2001年GAC(Global Area Coverage，4.5 km)長時間序列數據用于交叉定標研究。

2.2 MERSI

FY-3C是我國第二代極軌氣象衛星的首顆業務星，MERSI是其搭載的一個關鍵光學成像儀器，它應用了45°掃描鏡和消旋K鏡的跨軌多探元并掃式輻射計，掃描周期為1.5 s，可對星下點±55°的視場進行對地觀測。MERSI擁有19個可見光通道和1個近紅外通道，具體指標如表2所示。可以看出，MERSI的Band1～4和SeaWiFS對應的Band3，5，6，8通道設置很相似，故可以將SeaWiFS作為參考數據，對MERSI的band1-4進行交叉定標。

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

2.3 偽不變目標

偽不變目標多指沙漠、極地冰雪等地表反射特性和大氣狀況長期保持穩定，且人類活動較少的地區，另外還可以泛指月球等地外目標。偽不變目標的天頂輻射信息長期保持穩定且有規律，經常作為輻射參考標準用于輻射定標[13-14]。本文選用地球觀測衛星委員會的紅外和可見光遙感器定標和驗證工作小組(Committee on Earth Observation Satellites-Working Group for Calibration and Validation-subgroup on Infrared Visible Optical Sensors，CEOS WGCV IVOS)評估選定的6個北非沙漠目標，如圖1所示。

圖1 六個偽不變目標的地理分布Fig.1 Distribution of six CEOS endorsed pseudo-invariant targets

3 方 法

對MERSI進行交叉定標研究需要考慮和解決軌道漂移、不同衛星傳感器觀測幾何條件差異和輻射光譜響應差異帶來的不確定性。本文主要分為3個模塊來進行MERSI的交叉定標，圖2為定標方法的模塊流程(虛線框為3個工作模塊)。

3.1 目標天頂方向性反射模型

SeaWiFS傳感器為了減少太陽耀斑的影響，儀器設計成±20°傾斜掃描，再加上后期的軌道漂移問題，不能提供一般交叉定標要求的星下點觀測，因此引入BRDF雙向反射模型來描述天頂反射率。本文借助偽不變目標上空大氣干潔穩定，SeaWiFS天頂反射率受大氣影響較小的特點，將角度信息和地表反射率特性一起考慮，用一個統一的BRDF模型來表達各偽不變目標不同波段的天頂反射率。

圖2 定標方法的模塊流程

首先進行6個沙漠目標上空SeaWiFS數據的預處理，挑選無云、均一的觀測數據ρTOA，對于某目標某波段的時間序列ρTOA及角度信息，使用Ross-Thick Li-Sparse模型(簡稱Ross-Li 模型)，進行擬合，獲得相關的BRDF參數。Ross-Li模型是一種半經驗的核驅動模型，地表對入射光的散射可分為3種類型：各向同性散射、針對水平均一葉片冠層的輻射傳輸體散射和考慮了目標三維場景(包括陰影和相互遮擋)的幾何光學散射。BRDF的數學表達式為[15]：

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

(1)

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

Kvol和Kgeo的表達式為：

(2)

式(2)中各參量的表達式如下：

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是無量綱的量，用以描述植被的相對高度和形狀[16]。

通過擬合偽不變目標上天頂反射率ρTOA的時間序列，求取最優的3個核系數f使得擬合誤差達到最小：

(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

通過構建精確的目標天頂方向反射模型，可以計算任意觀測角度上SeaWiFS的天頂反射率。而要對MERSI進行定標，則需要將SeaWiFS預測得到的天頂反射率轉換到MERSI對應通道觀測的天頂反射率。

在相同的地表、大氣和觀測幾何條件下，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、觀測幾何和光譜響應函數(Spectral Response Function，SRF)等因素相關[17-18]，每次MERSI觀測時的SBAF都不同，為了得到每次MERSI觀測的DN值對應的天頂反射率，我們分析了偽不變目標上不同觀測條件下SBAF的主要影響參數，使用參數化模型估計SBAF。由于偽不變目標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對應通道的光譜響應函數情況。為了表現不同傳感器通道輻射信號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。可以看出，SeaWiFS通道的SRF比MERSI要窄很多，避免了大多數氣體吸收譜段，相比之下MERIS對應通道受氣體吸收影響更大，這也導致二者之間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，觀測幾何條件也會影響SBAF，太陽角度和衛星角度越大，輻射信號傳輸路徑越長，氣體吸收對SBAF的影響就更為明顯。

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

為了將SBAF參數化，首先使用輻射傳輸模式MOTRAN對不同觀測幾何條件和吸收氣體含量下的SBAF進行了大量模擬[19]，模擬條件見表4。

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

模擬得到MERSI和SeaWiFS共8個通道的天頂輻亮度，進一步轉換為MERSI通道和SeaWiFS對應通道的SBAF。通過前面的分析，本文將SBAF的影響參數限定為吸收氣體含量和觀測角度，將幾何大氣質量因子(Geometry Air Mass Factor，M)與吸收氣體含量(wv和oz)一起作為參數化因子構建SBAF模型，得到：

(4)

其中a，b為擬合系數。

SBAF1表示小于700 nm的1，2，3通道的模型表達式，主要受臭氧和觀測角度的影響；SBAF2則為大于700 nm的4個通道的模型表達式，主要受水汽和觀測角度的影響。

通過擬合輻射傳輸模式計算的SBAF，即求取最優的模型參數(SBAF1共10個參數，SBAF2共13個參數)使得擬合誤差達到最小：

(5)

為了評估模型的有效性，這里將參數化公式預測的SBAF和模擬得到的SBAF進行了比較，見表5。可以看出，四個波段的參數化計算結果相對于模擬結果的平均偏差幾乎為0，誤差在5%以內，可以有效地預測MERSI的天頂反射率。

表5 公式預測的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

(6)

4 定標結果

4.1 定標結果趨勢分析

由于偽不變目標本身具有天頂信號ρTOA長期穩定且有規律的特點，因此可以用來檢驗各個目標上定標結果ρTOA的時間序列穩定性。為了驗證定標結果的精度，將本文交叉定標得到的天頂反射率和通過國家衛星氣象中心公布的L1業務化定標系數計算得到的天頂反射率進行了對比分析，圖4為6個偽不變目標上二者的長時間序列分布和時間變化趨勢。從圖中可以看出，L1業務化定標系數計算的天頂反射率時間變化趨勢不穩定，定標系數更新前后，天頂反射率明顯變化，說明場地定標頻次不夠，官方公布的業務化定標系數的精度也有一定的不確定性。而交叉定標結果的時間序列十分穩定且無明顯趨勢，與偽不變目標的天頂輻射信號長期穩定且規律性變化的特點相一致。

圖4 L1定標系數和交叉定標得到的天頂反射率時間序列

4.2 定標結果精度

圖5為交叉定標得到的天頂反射率和L1業務化定標結果的比值的時間變化趨勢及計算得到的均值和標準差。從圖中可以看出，由于L1業務化定標系數在2014年4月26日進行了更新，定標系數更新前后天頂反射率出現跳變，兩種定標結果的比值也出現了斷層，4月26日之前，對于band1和band2，我們的定標結果明顯高于L1，比值在1.2～1.3之間，差異比較大，而對于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。說明官方業務化定標系數和我們的定標結果存在一個系統性偏差。如果MERSI的場地定標精度非常高，同時在本文的交叉定標中又完全消除了待定標傳感器MERSI和參考傳感器SeaWiFS之間的差異，那么二者比值的理論值應該為1，顯然實際上并非如此。分析原因，首先，L1業務化定標系數更新前后天頂反射率出現跳變，不符合偽不變目標天頂信號ρTOA長期穩定且有規律的特點，說明場地定標頻次低，不能有效地檢測儀器輻射性能的變化，此外，交叉定標過程中，兩個傳感器之間的光譜響應差異、大氣效應的影響等因素并未完全消除。

圖5 交叉輻射定標結果與L1定標結果的比較

5 結 論

本文采用國際通用的6個北非沙漠目標，以定標精度較高的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據，對FY-3C MERSI數據進行了交叉定標研究，結果表明：SeaWiFS是具有完備的星上定標系統的傳感器，數據質量較高，本文構建的天頂反射模型可以準確地表達偽不變目標的天頂反射率，波段預測誤差基本都在3%之內。考慮觀測幾何條件和吸收氣體含量的參數化光譜匹配因子可以有效地預測MERSI的天頂反射率，誤差在5%之內。對比本文交叉定標得到的天頂反射率和通過官方公布的L1業務化定標系數計算得到的天頂反射率，L1業務化定標系數更新前后天頂反射率出現跳變，不符合偽不變目標天頂信號ρTOA長期穩定且有規律的特點，說明場地定標頻次低，不能有效地檢測儀器輻射性能的變化，交叉定標結果的時間序列十分穩定且無明顯趨勢，與偽不變目標的天頂輻射信號長期穩定且規律性變化的特點相一致。

針對MERSI交叉定標研究需要考慮和解決的軌道漂移、觀測幾何條件和光譜響應差異帶來的不確定性問題，本文通過不同的模塊進行了分析和解決，將觀測角度作為參數進行SBAF構建，首次采用比MODIS數據定標精度更高的SeaWiFS數據進行MERSI定標研究，能夠對衛星輻射性能進行有效的在軌監測和訂正，為MERSI交叉定標研究提出了新思路。