基于AQUA/MODIS的FY-4A/AGRI傳感器熱紅外通道交叉輻射定標方法

劉佳欣，高彩霞，楊治緯,3，邱 實，趙永光，馬靈玲，錢永剛

(1.中國科學院空天信息創新研究院 中國科學院定量遙感信息技術重點實驗室，北京 100094；2.中國科學院大學 資源與環境學院，北京 100049；3.中國科學院大學 光電學院，北京 100049)

0 引言

風云四號衛星(FengYun-4A Satellite,FY-4A)是我國新一代靜止氣象衛星，裝載多種觀測儀器，包括多通道掃描成像輻射計(Advanced Geostationary Radiation Imager,AGRI)、干涉式大氣垂直探測儀、閃電成像儀和空間環境監測儀器等，可為天氣分析和預報、短期氣候預測、環境和災害監測、空間環境監測預警以及其他應用提供服務[1]。

目前，以地面為參照的場地定標和交叉定標是我國衛星載荷在熱紅外通道輻射定標精度評估的2種重要手段。然而，因受限于場地參照目標特性及衛星過境時刻成像條件、地表及大氣參數的測量條件，場地定標頻次與精度都極度受限，熱紅外譜段定標精度難以突破1.0 K，且耗費大量的人力和物力。因此，以國外高精度載荷為參考，通過觀測相同的地面目標，采用交叉定標的方式將測量基準由參考載荷傳遞至待定標載荷，以此來增加定標頻次并有效地提升定標精度[2-4]。AQUA衛星搭載的中分辨率成像光譜儀(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)是用于觀測全球生物和物理過程的重要儀器，具有36個中等分辨率水平 (0.25 ～1 μm)的光譜波段，每1～2天對地球表面觀測一次。獲取陸地和海洋溫度、初級生產率、陸地表面覆蓋、云、氣溶膠、水汽和火情等目標的圖像。其熱紅外31和32通道的定標精度約為0.2 K，是國際公認的高精度定標光學載荷?；诖耍疚睦肕ODIS熱紅外31和32通道對FY-4A/AGRI熱紅外12和13通道進行交叉定標，以提高載荷在軌定標精度，保證其定量遙感產品的可適用性[4]。

1 數據介紹

1.1 研究數據介紹

AGRI是FY-4A衛星平臺搭載的關鍵輻射成像儀器,載荷參數如表1所示。

表1 FY-4A AGRI主要設計技術指標

它在可見光-熱紅外譜段有14個通道，其中4個通道為熱紅外探測通道，其在軌運行狀態和輻射定標水平的精確評估，對紅外通道產品的應用有重大意義[5-6]。

1.2 研究區介紹

本文以敦煌輻射定標場和格爾木輻射定標場為地面參照目標，利用MODIS熱紅外31和32通道對FY-4A/AGRI熱紅外12和13通道進行交叉定標。研究區介紹如下。

(1) 敦煌輻射定標場

敦煌輻射定標場是中國輻射校正場地之一，整個場地為30 km×30 km，位于穩定的沖積扇上，地表沒有植被，主要由混合的砂礫、黏土等構成，被地球觀測衛星委員會(Committee on Earth Observation Satellites,CEOS)的定標驗證工作組(Working Group on Calibration and Validation,WGCV)選為儀器參考場地。在前期對場地紅外特性評估的基礎上，敦煌場紅外輻射特性空間均勻性優于3%，可用于開展FY-4A/AGRI載荷熱紅外通道定標工作。本文以40°9′36″N，94°20′6″E為中心點，選擇MODIS影像10×10像元作為研究區域。圖1為敦煌輻射定標場地表覆蓋情況[7]。

圖1 敦煌輻射定標場Fig.1 Dunhuang radiometric calibration field

(2) 格爾木輻射定標場

青海省平均海拔在3 km以上，其氣溶膠、水汽和臭氧等參數相較于其他省份要低。2019年和2020年，中國空天信息創新研究院及國家衛星氣象中心等多家科研院所在青海格爾木開展了聯合試驗，獲取了大量的地面同步測量數據及無人機觀測數據[8]。此外，在前期對場地紅外特性評估的基礎上，其均一性指標均優于3%，可用于開展FY-4A/AGRI載荷熱紅外通道定標。本文以36°25′30″N，94°12′E為中心點，選擇MODIS影像10×10像元作為研究區域。圖2為格爾木輻射定標場圖片[8]。

圖2 格爾木輻射定標場Fig.2 Golmud radiometric calibration field

2 交叉定標原理與方法

交叉定標是采用定標精度高的參考傳感器對待定標傳感器進行輻射校正的一種方式。參考傳感器與待定標傳感器同時觀測同一目標，利用參考傳感器獲取的觀測數據校正待定標傳感器的觀測數據，提高待定標傳感器觀測數據的精度。交叉定標具有高頻次、時序性的特點，能夠及時對載荷因元件老化、儀器靈敏度下降和外界因素干擾等原因產生的輻射觀測數據偏差進行校正[9-12]。在人力、物力和財力等方面，交叉定標相較于場地定標需求較低，能夠節省大量資源。

參考載荷的選取決定交叉定標結果的可靠性，參考載荷應滿足以下幾個條件：自身定標精度高且帶有星上定標裝置，滿足定標數據實時更新；與待定標衛星傳感器具有相似的光譜響應；空間分辨率與待定標傳感器的空間分辨率相近；對于長時間序列數據交叉定標有充足的影像資源。MODIS掃描線對地觀測前后都會獲取高精度的星上黑體定標數據，熱紅外通道31和32的定標精度為0.5%左右[9]，可獲取高精度的對地觀測數據，滿足作為參考傳感器對輻射定標的精度要求。因此，本文將MODIS傳感器31和32熱紅通道作為參考基準，對AGRI傳感器12和13熱紅外通道進行輻射定標。MODIS傳感器31通道(B31)的波長為10.78～11.28 μm，32通道(B32)的波長為11.77～ 12.27 μm，AGRI傳感器12通道(B12)的波長為10.3～11.3 μm，13通道(B13)的波長為11.5～12.5 μm，圖3顯示了AQUA/MODIS傳感器31和32通道與FY-4A/AGRI傳感器12和13通道的光譜響應函數。

圖3 FY-4A/AGRI 12，13通道與AQUA/MODIS 31，32 通道光譜響應對比Fig.3 Spectral response comparisons of FY-4A/AGRI B12,B13 and AQUA/MODIS B31,B32

根據傳感器獲取的研究區衛星數據篩選出無云影像，對參考載荷與待定標載荷的無云影像對進行觀測時間與觀測角度匹配，篩選出符合條件的匹配數據對。為了降低參考載荷和待定標載荷因光譜差異引起的表觀(Top of Atmosphere,TOA)輻亮度變化，本文基于模擬數據計算MODIS和AGRI數據對的光譜匹配因子。在此基礎上，利用提取的參考載荷(MODIS)研究區目標TOA輻亮度值，計算得到相應通道待定標載荷(AGRI)TOA輻亮度參考值，并與研究區目標觀測值進行對比分析，計算參考值和觀測值的相對差異，以此來驗證待定標載荷輻射觀測值的準確性。交叉定標流程如圖4所示。

圖4 交叉定標流程Fig.4 Cross calibration flow chart

2.1 觀測樣本時間、空間匹配

FY-4A于2016年12月11日發射升空，12月17日定點于99.5°E赤道上空，成像儀每日獲取中國區域觀測范圍為3°N～55°N，60°E～137°E的影像數據。AQUA衛星的運行軌跡為白晝由南向北斜穿赤道，夜晚由北向南斜穿赤道[13]。因此，根據衛星軌道特征、觀測時間和掃描區域可定位出交叉區域，對交叉區域進行地理位置匹配，像元投影重合區域選擇為匹配像元。由于不同傳感器的空間分辨率不同，MODIS傳感器熱紅外通道的空間分辨率為1 km×1 km，AGRI傳感器熱紅外通道的空間分辨率為4 km×4 km。因此，像元數據處理過程中，需要對圖像數據進行空間聚合處理。此外，觀測時間是影響交叉定標中參考載荷與待定標載荷觀測TOA輻亮度差異的重要因素之一。綜合考慮觀測時間差異導致的地氣熱輻射瞬態變化以及參考載荷和待定標載荷匹配數據對的數量，本文將參考載荷和待定標載荷的觀測時間差異設置為小于20 min[14-19]。

由于FY-4A是靜止氣象衛星，對于同一研究區的觀測天頂角(Viewing Zenith Angle,VZA)不隨時間產生變化，根據研究區經緯度分別提取觀測時間范圍內MODIS傳感器和AGRI成像儀天頂角數據，設置VZA差|VZAMODIS-VZAFY-4|的閾值為10°,20°和30°篩選影像，以此來分析觀測角度差異對交叉定標結果的影響。篩選符合觀測衛星天頂角的影像景數如表2所示。

表2 符合篩選要求的研究區影像景數

2.2 光譜匹配因子計算

為了降低參考載荷和待定標載荷光譜差異對交叉定標精度的影響，針對MODIS和AGRI匹配數據對，基于歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)再分析數據提取大氣廓線(如圖5所示)，并從霍普金斯大學光譜庫提取研究區對應下墊面光譜反射率值，根據基爾霍夫定律轉換為發射率光譜(如圖6所示)，同時結合載荷的成像幾何，利用4A/OP大氣輻射傳輸模型模擬得到溫度范圍為280～320 K、間隔5 K的不同溫度變化下TOA光譜輻亮度值，并將其與MODIS和AGRI載荷光譜響應函數進行光譜卷積(如式(1)和式(2)所示)，獲取相應通道TOA輻亮度值，對二者進行線性回歸，擬合直線的斜率即為光譜匹配因子(如式(3)所示)。

(1)

(2)

(3)

式中，R′FY-4A為FY-4A/AGRI傳感器歸一化輻亮度；R′MODIS為MODIS傳感器歸一化輻亮度；L(λ)為模擬TOA輻亮度值；f(λ) 為光譜響應函數；K為光譜匹配因子。

(a) 濕度廓線

圖6 地物發射率光譜Fig.6 Terrestrial emissivity spectrum

2.3 定標結果計算

根據參考載荷和待定標載荷影像對數據分別提取研究區影像計數均值(Digital Number,DN)和對應的定標系數，計算得到相應通道入瞳輻亮度：

Ri,MODIS=ai,M×(DNi,M-bi,M)，

(4)

Ri,AGRI=ai,A×DNi,A-bi,A，

(5)

式中，Ri,MODIS為MODIS載荷通道i觀測的目標輻亮度；DNi,M為MODIS載荷通道i目標圖像計數均值；ɑi,M和bi,M分別為MODIS載荷通道i定標增益和偏置；Ri,AGRI為AGRI載荷通道i觀測的目標輻亮度；DNi,A為AGRI載荷通道i目標圖像計數均值；ɑi,A和bi,A分別為AGRI載荷通道i定標增益和偏置。

在此基礎上，基于參考載荷MODIS的目標觀測輻亮度值和光譜匹配因子，推算待定標載荷AGRI相應通道目標TOA輻亮度模擬值，并將其與AGRI相應通道目標觀測值進行對比分析，計算二者相對差異RE(如式(6)所示)，以此指標來檢驗AGRI傳感器熱紅外通道的輻射觀測精度。

(6)

3 AGRI傳感器交叉定標結果分析

本文利用參考載荷AQUA/MODIS和待定標載荷FY-4A/AGRI相應通道大氣層頂輻射亮度進行線性回歸，獲取參考載荷和待定標載荷相應通道的光譜匹配因子，并利用匹配因子對AQUA/MODIS 31，32通道獲得的輻亮度值進行修正，從而推算出FY-4A/AGRI對應通道的輻亮度值。圖7展示了敦煌輻射定標場2019年5月20日對應通道的光譜匹配因子，表3為獲取對應通道的光譜匹配因子。從圖7可以看出，AGRI 通道12與MODIS通道31的光譜匹配因子為1.020 32；AGRI 通道13與MODIS通道32的光譜匹配因子為0.973 77。

(a) AGRI B12與MODIS B31光譜響應回歸

表3 敦煌輻射定標場2019年5月20日FY-4A/AGRI與 AQUA/MODIS熱紅外通道光譜匹配因子

本文基于2019年敦煌輻射定標場與格爾木輻射定標場遙感影像匹配數據對進行模擬計算，圖8(a)和(b)分別顯示了敦煌輻射定標場103景影像匹配數據對和格爾木輻射定標場46景影像匹配數據對的光譜匹配因子。從圖8可以看出，12通道光譜匹配因子相較于13通道光譜匹配因子起伏變化較小，12通道光譜匹配因子基本保持在1.02～1.06，13通道光譜匹配因子基本保持在0.92～1.0。

(a) 敦煌輻射定標場光譜匹配因子

圖9展示了敦煌輻射定標場觀測角度在10°以內和格爾木輻射定標場觀測角度在20°以內經空間聚合、光譜匹配、時間匹配后FY-4A/AGRI傳感器TOA輻亮度模擬值和觀測值之間的對比散點圖。從圖9可以看出，FY-4A/AGRI傳感器的觀測輻亮度值和模擬輻亮度值分布在1∶1線附近。

(a) 敦煌輻射定標場

圖10為敦煌輻射定標場(40.11°N～ 40.21°N，94.28°E～ 94.4°E)天頂角閾值分別為30°,20°與10°的影像對計算得到的相對差異。如圖10所示，隨著觀測角度差異減小，參考值與觀測值的TOA輻亮度相對差異也隨之減小。VZA閾值為10°時，TOA輻亮度相對差異最小，基本保持在±5%以內。隨著VZA閾值范圍增大，輻亮度相對差異在±5%～±10%的數據量增大。當VZA閾值為10°時，AGRI傳感器12波段的平均相對差異為1.75%，13波段的平均差異為1.65%。圖11為格爾木輻射定標場(36.38°N～36.47°N,94.14°E～ 94.26°E)天頂角閾值分別為30°與20°的影像對相對差異。格爾木輻射定標場VZA進行數據匹配時，未篩選出天頂角閾值為10°的數據對，因此僅對天頂角閾值為20°和30°的數據對開展定標工作。如圖11所示，隨著觀測角度差異減小，參考值與觀測值的TOA輻亮度相對差異也隨之減小，VZA閾值為20°時，輻亮度相對差異在±5%～±10%的數據量相較于VZA閾值為30°時的數據量減小。當VZA閾值為20°時，AGRI傳感器12波段的平均相對差異為3.39%，13波段的平均差異為1.96%。

(a) 敦煌輻射定標場天頂角差異小于30°時輻亮度值相對差異

(a) 格爾木輻射定標場天頂角差異小于30°時輻亮度值相對差異

4 結束語

本文基于國外高精度定標參考衛星AQUA/MODIS，利用交叉定標方法對我國第二代靜止氣象衛星FY-4A/AGRI熱紅外通道的輻射定標精度進行評估，分析結果表明：

① 對于敦煌輻射定標場，在參考載荷和待定標載荷VZA差異為10°時，AGRI傳感器12和13通道的目標TOA觀測值和模擬值的相對差異分別為1.75%,1.65%；在參考載荷和待定標載荷VZA差異為20°時，AGRI傳感器通道12和13的目標TOA觀測值和模擬值的相對差異分別為2.27%，2.12%；在參考載荷和待定標載荷VZA差異為30°時，AGRI傳感器通道12和13的目標TOA觀測值和模擬值的相對差異分別為2.62%,1.95%。

② 對于格爾木輻射定標場，在參考載荷和待定標載荷VZA差異為20°時，AGRI傳感器通道12和13的目標TOA觀測值和模擬值的相對差異分別為3.39%,1.96%；在參考載荷和待定標載荷VZA差異為30°時，AGRI傳感器通道12和13的目標TOA觀測值和模擬值的相對差異分別為3.73%,1.94%。

③ 通過對比分析可知，當數據對滿足約束條件時，隨著天頂角差異減小，輻亮度相對差異值減小，當天頂角差異為10°時，輻亮度相對差異值基本保持在±5%以內。由此可知，VZA差異會影響交叉定標結果的精度，并且，隨著VZA差異減小，定標精度不斷增高。FY-4A/AGRI傳感器經交叉定標后，輻亮度相對差異較定標前差異值減小，本文分析有助于對FY-4A/AGRI傳感器觀測值適用性的評估。