“資源三號(hào)”衛(wèi)星多光譜相機(jī)在軌輻射性能變化監(jiān)測

劉李 張學(xué)文 韓啟金 潘志強(qiáng) 曾燕

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“資源三號(hào)”衛(wèi)星多光譜相機(jī)在軌輻射性能變化監(jiān)測

劉李1張學(xué)文1韓啟金1潘志強(qiáng)1曾燕2

（1 中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京100094）（2 航天恒星科技有限公司，北京 100190）

為更好的開展遙感數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用并分析監(jiān)測載荷在軌期間的性能變化，文章根據(jù)“資源三號(hào)”（ZY-3）衛(wèi)星發(fā)射以來的在軌場地觀測數(shù)據(jù)，基于場地定標(biāo)的反射率基法，計(jì)算多光譜（MUX）相機(jī)2012~2016年的場地定標(biāo)系數(shù)，并提出利用離散系數(shù)評(píng)價(jià)MUX相機(jī)輻射性能變化的方法；對(duì)ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)在中國輻射校正場獲取的共10次同步試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示自2012年發(fā)射以來MUX相機(jī)輻射特性的衰變?cè)?%左右。

多光譜相機(jī) 輻射性能 變化監(jiān)測 “資源三號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

“資源三號(hào)”（ZY-3）衛(wèi)星于2012年1月9日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，是我國自行研制的民用高分辨率光學(xué)傳輸型立體測繪衛(wèi)星[1]。ZY-3衛(wèi)星搭載了三線陣測繪相機(jī)和多光譜（MUX）相機(jī)，可提供幅寬大于51km、分辨率2.1m全色/5.8m多光譜平面影像和3.5m立體影像。ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)配置了藍(lán)（B1）、綠（B2）、紅（B3）和近紅外（B4）4個(gè)譜段（圖1所示），相機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示[2]。

ZY-3衛(wèi)星遙感器受發(fā)射時(shí)的振動(dòng)、在軌空間環(huán)境變化以及元器件電路系統(tǒng)老化等因素的影響，其性能指標(biāo)（如探測靈敏度、響應(yīng)度、暗噪聲效應(yīng)）會(huì)不斷發(fā)射變化，這些衰減直接影響著衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的定量產(chǎn)品精度、可靠性和應(yīng)用效果[3]。因此，利用歷史定標(biāo)數(shù)據(jù)，長期監(jiān)測MUX相機(jī)在軌輻射特性的變化具有十分重要的意義。通過在軌輻射特性監(jiān)測，才能夠準(zhǔn)確的評(píng)估MUX相機(jī)接收的能量，追蹤載荷在軌運(yùn)行期間輻射性能的變化情況，并及時(shí)調(diào)整改進(jìn)輻射定標(biāo)算法，校正衛(wèi)星遙感圖像的輻射品質(zhì)和穩(wěn)定性，確保地物時(shí)相變化信息能夠被MUX相機(jī)有效捕獲[4]，從而提高遙感數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用能力。結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前衛(wèi)星遙感器在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)方法主要有星上定標(biāo)[5]、交叉定標(biāo)[6-7]和場地定 標(biāo)[8]等，我國光學(xué)衛(wèi)星在軌輻射定標(biāo)試驗(yàn)主要依托敦煌輻射定標(biāo)場[9-11]開展在軌場地定標(biāo)。

圖1 ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)光譜響應(yīng)函數(shù)

表1 ZY-3 MUX相機(jī)主要參數(shù)

Tab.1 Main parameters of ZY-3 MUX camera

場地定標(biāo)主要包括反射率基法、輻亮度法和輻照度基法。其中，反射率基法是在衛(wèi)星遙感器過境的同時(shí)，在地面開展發(fā)射率和大氣光學(xué)參數(shù)的同步測量，利用大氣輻射傳輸模型計(jì)算衛(wèi)星遙感器入瞳輻亮度，結(jié)合圖像計(jì)數(shù)值計(jì)算遙感器定標(biāo)系數(shù)的方法；輻亮度法是通過將輻射計(jì)搭載于具有一定高度的飛行平臺(tái)以獲取飛行高度處的輻亮度，該方法有利于對(duì)飛行高度以下的大氣影響進(jìn)行訂正，但引入了飛行過程中的觀測誤差，且試驗(yàn)難度較大；輻照度基法是在反射率基法的基礎(chǔ)上增加了漫射輻射度與總輻射度的測量，以實(shí)測漫總比值代替反射率基法中的假設(shè)值，提高了輻射定標(biāo)精度，但漫總比參數(shù)的測量過程不確定性較大。鑒于此，本文利用場地定標(biāo)中的反射率基法[2]，通過分析2012~2016年敦煌同步觀測試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，獲取ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)歷史數(shù)據(jù)的在軌定標(biāo)系數(shù)，進(jìn)行MUX相機(jī)的在軌輻射性能評(píng)價(jià)和分析。

1 反射率基法

反射率基法主要是在衛(wèi)星遙感器飛過輻射校正場的前后0.5h內(nèi)，同步測量地表反射率、大氣光學(xué)參量及其它參數(shù)[13-14]，然后利用輻射傳輸模型計(jì)算衛(wèi)星遙感器入瞳處輻射亮度值，與衛(wèi)星遙感器波段光譜響應(yīng)函數(shù)卷積得到衛(wèi)星遙感器波段處等效輻射亮度值，同時(shí)通過在遙感影像上提取的定標(biāo)場區(qū)域的計(jì)數(shù)值計(jì)算定標(biāo)系數(shù)[15]。

ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)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）輻射亮度、目標(biāo)區(qū)反射輻射亮度和鄰近目標(biāo)的散射輻射亮度組成[9]：

依據(jù)ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)各波段光譜響應(yīng)特點(diǎn)，可計(jì)算出相機(jī)波段的入瞳處等效輻亮度值，

式中λ為相機(jī)波段的等效中心波長；為相機(jī)波段的等效輻亮度；為相機(jī)波段的光譜響應(yīng)函數(shù)；表示波段的光譜響應(yīng)的最小波長；表示波段的光譜響應(yīng)的最大波長。[11]

衛(wèi)星遙感器輻射探測性能為線性響應(yīng)時(shí)，可假設(shè)衛(wèi)星遙感器觀測值和入瞳處的等效輻亮度具有定量關(guān)系

式中為定標(biāo)斜率；為定標(biāo)截距；DN為衛(wèi)星遙感器波段的灰度觀測值。

根據(jù)衛(wèi)星遙感器觀測地面目標(biāo)時(shí)獲得的波段觀測值與等效輻亮度數(shù)據(jù)，通過最小二乘法可擬合出遙感器在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)和，如僅有一個(gè)地面目標(biāo)場地，則假設(shè)在軌運(yùn)行過程中未發(fā)生變化，從而確定出定標(biāo)斜率。[12]

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)自2012年發(fā)射以來，迄今為止共開展了10次場地定標(biāo)試驗(yàn)。當(dāng)其過境敦煌國家輻射校正場時(shí)，同步進(jìn)行了地面反射率光譜測量，測得數(shù)據(jù)如圖2所示。圖2中波長1 800nm和2 500nm處有明顯的奇異值出現(xiàn)，其原因主要來自于地面光譜儀的硬件（測量使用的地物光譜儀由波長測量范圍為1 000~1 850nm和1 850~2 500nm的兩組探測器拼接而成）。利用式（2），將光譜儀測得的地表反射率值與MUX相機(jī)對(duì)應(yīng)波段的光譜響應(yīng)函數(shù)卷積得到地表等效反射率，如圖3所示。

圖2 地表反射率

圖3 地表等效反射率

大氣光學(xué)厚度參數(shù)由CE318太陽光度計(jì)獲取，光度計(jì)在550nm處瞬時(shí)氣溶膠光學(xué)厚度結(jié)果如表2所示。大氣光學(xué)厚度（AOD），是大氣的消光系數(shù)在垂直方向上的積分，用來描述氣溶膠對(duì)光的消減作用，是大氣輻射傳輸中的重要輸入?yún)?shù)之一。

然后利用輻射傳輸模型計(jì)算MUX相機(jī)入瞳處輻射亮度值，結(jié)果如圖4所示。其中主場指由礫石組成的具有中等反射率的敦煌國家輻射校正場，高亮場指位于國家輻射校正場北部的由石膏晶體構(gòu)成的具有高反射率的定標(biāo)場地。

根據(jù)圖4和表3中MUX相機(jī)入瞳處等效輻亮度值和相機(jī)影像灰度值，利用式（3）進(jìn)行線性擬合，得到MUX相機(jī)2012~2016年在軌場地定標(biāo)系數(shù)（圖5）。

表2 CE318大氣光學(xué)厚度觀測數(shù)據(jù)處理結(jié)果

Tab.2 AOD results of CE318

（a）高亮場等效入瞳輻亮度 （b）主場等效入瞳輻亮度

表3 MUX相機(jī)影像灰度值

Tab.3 DNs of the sensor image of MUX camera

計(jì)算MUX相機(jī)歷年（2012~2016年）在軌場地定標(biāo)系數(shù)，并通過離散系數(shù)來分析MUX相機(jī)在軌輻射性能的歷史變化特征。離散系數(shù)是衡量數(shù)據(jù)資料中各樣本值變異程度的統(tǒng)計(jì)量，通常采用標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比值來表示[16]。MUX相機(jī)B1~B4波段定標(biāo)系數(shù)的離散系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。由表4可知，ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)自發(fā)射以來，藍(lán)綠波段衰減小于5%，輻射性能變化相對(duì)穩(wěn)定；紅光波段和近紅外波段衰減大于5%，相對(duì)藍(lán)綠波段變化略大，但仍小于6%，可見相機(jī)整體性能相對(duì)穩(wěn)定。

圖5 ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)歷年場地定標(biāo)系數(shù)

表4 MUX相機(jī)場地定標(biāo)系數(shù)

Tab.4 Site calibration coefficient of MUX camera

3 結(jié)論

本文首次提出針對(duì)ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)2012~2016年在軌期間的輻射特性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，利用中國敦煌輻射校正場的敦煌石膏場和戈壁場的歷史實(shí)測數(shù)據(jù)，開展基于中國敦煌輻射校正場地的ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)，得到時(shí)間序列定標(biāo)系數(shù)，并通過統(tǒng)計(jì)變量離散系數(shù)對(duì)MUX相機(jī)定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：1）利用離散系數(shù)能夠評(píng)價(jià)MUX相機(jī)輻射性能變化；2）ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)自2012年發(fā)射以來輻射特性的衰變?cè)?%左右。本文提出的輻射性能在軌監(jiān)測方法彌補(bǔ)了國內(nèi)衛(wèi)星長時(shí)間性能變化監(jiān)測的缺失，對(duì)后續(xù)國產(chǎn)陸地觀測衛(wèi)星開展長時(shí)間序列的在軌輻射性能監(jiān)測具有借鑒意義。

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（編輯：夏淑密）

In-orbit Radiometric Performance Change Monitoring of ZY-3 MUX Camera

LIU Li1ZHANG Xuewen1HAN Qijin1PAN Zhiqiang1ZENG Yan2

（1 China Centre for Resources Satellite Data and Application, Beijing 100094, China）（2 Space Star Technology CO., LTD., Beijing 100190, China）

For better quantitative application of remote sensing data and changes monitoring of the radiometric performance for in-orbit payload, this paper analyses the calibration coefficients since the launch of ZY-3 in 2012. The coefficients of variation is calculated to evaluatethe radiometric characteristics changes of MUX. Totally, 10 synchronous in situ measurements are used for the calculation of ZY-3 MUX based on the reflectance- based method. The results show that the decay of radiometric performanceis around 5% since ZY-3’s launch.

multispectral camera; radiometric performance; change monitoring; ZY-3 satellite

TP732

A

1009-8518(2017)04-0090-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.04.011

劉李，男，1984年生，2013年獲中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所地圖學(xué)與地理信息專業(yè)博士學(xué)位，高級(jí)工程師。主要從事衛(wèi)星傳感器輻射定標(biāo)及定量化應(yīng)用方面的研究工作。Email：liulicugb@126.com。

2016-10-27

國家自然科學(xué)基金（41401424）；中國科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（KLOCC2016-1）