資源一號(hào)02D衛(wèi)星在軌輻射定標(biāo)精度驗(yàn)證與分析

唐洪釗 肖晨超 梁樹(shù)能 魏紅艷 高海亮

(1 自然資源部國(guó)土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心，北京 100048)(2 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094)

2019年9月12日，我國(guó)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心使用長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭將資源一號(hào)02D衛(wèi)星(又稱(chēng)為5米光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星)送入預(yù)定軌道[1]。資源一號(hào)02D衛(wèi)星是我國(guó)首顆民用高光譜業(yè)務(wù)衛(wèi)星，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先[2]。衛(wèi)星上的有效載荷重點(diǎn)針對(duì)可見(jiàn)光近紅外和短波紅外譜段進(jìn)行了譜段細(xì)分，光譜遙感特性突出，可實(shí)現(xiàn)地物的精細(xì)化光譜信息調(diào)查，滿(mǎn)足新時(shí)期自然資源監(jiān)測(cè)與調(diào)查需求。資源一號(hào)02D衛(wèi)星配置了9譜段可見(jiàn)近紅外相機(jī)和166譜段高光譜相機(jī),載荷的絕對(duì)輻射定標(biāo)是確保影像輻射質(zhì)量和數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用的重要基礎(chǔ)性工作。絕對(duì)輻射定標(biāo)精度驗(yàn)證是監(jiān)測(cè)在軌運(yùn)行的衛(wèi)星載荷性能和輻射特性的重要手段，它可以監(jiān)測(cè)衛(wèi)星在軌期間空間環(huán)境等影響所造成的輻射定標(biāo)數(shù)值的變化，反饋輻射定標(biāo)系數(shù)的精度，要求及時(shí)改進(jìn)遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品輻射質(zhì)量，從而提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用質(zhì)量，滿(mǎn)足遙感數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用的需求[3]。資源一號(hào)02D衛(wèi)星有效載荷的技術(shù)參數(shù)在衛(wèi)星發(fā)射前已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行精確測(cè)定，然而衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程和入軌后微重力狀態(tài)以及環(huán)境溫度狀態(tài)的變化，都會(huì)引起有效載荷的技術(shù)參數(shù)發(fā)生變化，因此需要定期對(duì)衛(wèi)星的載荷進(jìn)行在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)精度驗(yàn)證[4]。本文基于2020年4月在內(nèi)蒙古包頭輻射定標(biāo)場(chǎng)開(kāi)展的星地同步觀測(cè)試驗(yàn)，采用反射率基法對(duì)可見(jiàn)近紅外相機(jī)和高光譜相機(jī)進(jìn)行在軌場(chǎng)地絕對(duì)輻射定標(biāo)精度驗(yàn)證分析，以檢驗(yàn)輻射定標(biāo)系數(shù)的精度。

1 資源一號(hào)02D衛(wèi)星載荷參數(shù)

資源一號(hào)02D衛(wèi)星采用太陽(yáng)同步圓軌道，設(shè)計(jì)軌道高度為778 km，可對(duì)地球南北緯84°以?xún)?nèi)的地區(qū)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫影像覆蓋，衛(wèi)星的回歸周期為55天，重訪(fǎng)周期為3天，每55天完成對(duì)我國(guó)領(lǐng)土和全球范圍的一次影像覆蓋。衛(wèi)星配置了9譜段可見(jiàn)近紅外相機(jī)和166譜段高光譜相機(jī)，其中，可見(jiàn)近紅外相機(jī)幅寬115 km，全色/多光譜波段空間分辨率為2.5 m/10 m，實(shí)現(xiàn)了8個(gè)多光譜波段同時(shí)對(duì)地觀測(cè)。高光譜相機(jī)的光譜范圍0.4～2.5μm，空間分辨率30 m，幅寬60 km，可見(jiàn)近紅外有76個(gè)譜段，光譜分辨率10 nm，短波紅外有90個(gè)譜段，光譜分辨率為20 nm。衛(wèi)星工作于778 km的太陽(yáng)同步軌道上，回歸周期55天，重訪(fǎng)周期最快可在3天以?xún)?nèi)，充分保障了對(duì)同一目標(biāo)的持續(xù)觀測(cè)能力，為填海造陸、退耕還林等目標(biāo)觀測(cè)提供了時(shí)間保證。衛(wèi)星的主要指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

由于400～2500 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的部分波段受紫外和水汽吸收影響嚴(yán)重[5]，因此資源一號(hào)02D衛(wèi)星高光譜相機(jī)的166個(gè)波段范圍可分為兩類(lèi)：大氣窗口通道和大氣吸收通道。大氣吸收通道和大氣窗口通道的設(shè)置如表2所示。其中，大氣窗口通道共有120個(gè)波段。

表2 高光譜相機(jī)大氣吸收和大氣窗口通道設(shè)置Table 2 Atmospheric window bands and absorption bands

2 在軌輻射定標(biāo)精度驗(yàn)證方法

衛(wèi)星傳感器在軌替代絕對(duì)輻射定標(biāo)需同步測(cè)量大氣環(huán)境參數(shù)和地表光譜反射率，通過(guò)輻射傳輸模型獲取大氣層頂反射率進(jìn)行絕對(duì)定標(biāo)，在軌替代場(chǎng)地定標(biāo)方法中最常用的3種方法：反射率基法、輻照度基法和輻亮度基法，都是美國(guó)亞利桑那大學(xué)光學(xué)科學(xué)中心遙感組首先提出并最先應(yīng)用于輻射定標(biāo)試驗(yàn)的。其中，文獻(xiàn)[6-8]提出的反射率基法由于其精度較高且易于實(shí)現(xiàn)，成為國(guó)產(chǎn)中高分辨率衛(wèi)星目前在軌場(chǎng)地絕對(duì)輻射定標(biāo)最常用的方法。而事實(shí)上，利用反射率基法進(jìn)行衛(wèi)星載荷入瞳處輻亮度的計(jì)算的一個(gè)重要誤差來(lái)源是對(duì)氣溶膠散射的近似計(jì)算，即在輻射傳輸模型對(duì)氣溶膠模型的假設(shè)；當(dāng)氣溶膠光學(xué)厚度值較大時(shí)，由于氣溶膠分子散射貢獻(xiàn)比較大，經(jīng)過(guò)輻射傳輸模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)其帶來(lái)的誤差較大。

本文針對(duì)資源一號(hào)02D衛(wèi)星的可見(jiàn)近紅外相機(jī)和高光譜相機(jī)的特性，提出了一種基于內(nèi)蒙古包頭輻射定標(biāo)場(chǎng)的在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)精度驗(yàn)證方法，選取包頭場(chǎng)均勻沙地自然場(chǎng)景作為目標(biāo)地物，定標(biāo)場(chǎng)中全球氣溶膠自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)(AERONET)AOE-Baotou站點(diǎn)同步觀測(cè)反演的大氣氣溶膠的物理屬性來(lái)確定自定義的氣溶膠模型，有效降低大氣輻射傳輸模型中因?yàn)闅馊苣z模型近似產(chǎn)生的誤差，能夠更精確的評(píng)價(jià)衛(wèi)星在軌輻射定標(biāo)精度。

本文所采用的在軌輻射定標(biāo)精度驗(yàn)證方法，選取了包頭場(chǎng)均勻沙地自然場(chǎng)景作為目標(biāo)地物，當(dāng)資源一號(hào)02D衛(wèi)星在內(nèi)蒙古包頭輻射定標(biāo)場(chǎng)地上空過(guò)境時(shí)，利用野外地物光譜儀同步測(cè)量地面目標(biāo)的光譜反射率數(shù)據(jù)，并通過(guò)包頭場(chǎng)AERONET AOE-Baotou站點(diǎn)同步觀測(cè)反演的大氣氣溶膠的物理屬性參數(shù)，結(jié)合成像時(shí)的幾何參量和時(shí)間，將以上獲取的參數(shù)帶入大氣輻射傳輸模型，結(jié)合載荷光譜響應(yīng)函數(shù)計(jì)算衛(wèi)星載荷入瞳通道輻亮度，與衛(wèi)星影像結(jié)合官方定標(biāo)系數(shù)(由中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心與自然資源部國(guó)土衛(wèi)星應(yīng)用中心共同確認(rèn)發(fā)布)反演的輻射亮度進(jìn)行對(duì)比分析，獲取輻射定標(biāo)精度。資源一號(hào)02D衛(wèi)星載荷的在軌輻射精度驗(yàn)證分析過(guò)程如圖1所示。

圖1 基于反射率基法的資源一號(hào)02D衛(wèi)星在軌輻射定標(biāo)精度驗(yàn)證技術(shù)過(guò)程Fig.1 Flow chart of the reflectance-based calibration and validation approach of ZY-1-02D satellite

2.1 光譜反射率同步觀測(cè)

試驗(yàn)區(qū)選在包頭國(guó)家高分辨遙感綜合定標(biāo)場(chǎng)(包頭場(chǎng))，包頭場(chǎng)是在中國(guó)科技部“十二五”“無(wú)人機(jī)遙感綜合驗(yàn)證系統(tǒng)”重點(diǎn)項(xiàng)目及后續(xù)持續(xù)相關(guān)項(xiàng)目持續(xù)支持下，由中國(guó)科學(xué)院光電研究院牽頭構(gòu)建的綜合定標(biāo)場(chǎng)，目前已被中國(guó)科技部國(guó)家遙感中心正式掛牌“國(guó)家高分辨遙感綜合定標(biāo)場(chǎng)”，同時(shí)包頭場(chǎng)也被納入國(guó)際衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)委員會(huì)(CEOS)全球自主輻射定標(biāo)場(chǎng)網(wǎng)(RadCalNet)首批示范場(chǎng)[9-10]。本次輻射定標(biāo)精度驗(yàn)證試驗(yàn)區(qū)域選擇包頭場(chǎng)的大面積均勻沙地反射率大致為20%～30%左右，面積為300 m×300 m。包頭場(chǎng)在均勻沙地自然場(chǎng)景安裝有AERONET全球氣溶膠觀測(cè)網(wǎng)的Cimel CE318(AOE-Baotou站點(diǎn))太陽(yáng)光度計(jì)，以及自動(dòng)氣象站、探空雷達(dá)、全天空成像儀等設(shè)備，能夠獲取大氣和氣象參數(shù)。

2020年4月在包頭場(chǎng)沙地開(kāi)展資源一號(hào)02D衛(wèi)星過(guò)境地面同步觀測(cè)，時(shí)間為衛(wèi)星過(guò)境前后半小時(shí)以保障測(cè)量數(shù)據(jù)的同步性。在衛(wèi)星過(guò)境的同時(shí)利用野外地物光譜儀(SVC)對(duì)300 m×300 m的均勻沙地(見(jiàn)圖2)進(jìn)行測(cè)量，在沙地上均勻選取100個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并在沙地中間部分區(qū)域進(jìn)行加密測(cè)量，獲取的沙地平均反射率如圖3所示。

圖2 包頭場(chǎng)沙地Fig.2 Sand of the Baotou site

圖3 沙地反射率Fig.3 Reflectance of sand

2.2 大氣參數(shù)同步觀測(cè)

衛(wèi)星過(guò)境時(shí)利用包頭場(chǎng)固定的太陽(yáng)光度計(jì)CE318連續(xù)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)光譜信息和地球輻射收支信息，監(jiān)測(cè)空氣能見(jiàn)度和氣溶膠的類(lèi)型，粒徑組成和氣溶膠光學(xué)厚度。包頭站加入了AERONET，將每天的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并統(tǒng)一傳送到網(wǎng)絡(luò)中集中處理，并發(fā)布處理后的大氣氣溶膠光學(xué)厚度(level 1.5級(jí)產(chǎn)品)、氣溶膠物理性質(zhì)參數(shù)(level 2.0級(jí)產(chǎn)品)等反演產(chǎn)品。為了減少大氣輻射傳輸模型中因?yàn)闅馊苣z模型近似產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，本文采用了定標(biāo)場(chǎng)中AERONET AOE-Baotou站點(diǎn)同步觀測(cè)反演的大氣氣溶膠的物理屬性來(lái)確定自定義的氣溶膠模型?；诎^場(chǎng)的自動(dòng)氣象觀測(cè)設(shè)備，連續(xù)監(jiān)測(cè)地表空氣溫度、濕度、降水，利用氣球探空獲取衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻大氣溫度廓線(xiàn)，濕度廓線(xiàn)，水汽含量等。

2.3 載荷入瞳輻亮度輻射傳輸模擬計(jì)算

資源一號(hào)02D衛(wèi)星載荷入瞳處輻射亮度為

[μsEs(λ)e-τ′/μs+Ed(λ)]·e-τ″/μv+Lp(λ)

(1)

式中：Ls(λ)為波長(zhǎng)λ處的衛(wèi)星載荷入瞳處輻射亮度，單位為W·m-2·sr-1·μm-1；Tg(λ)為波長(zhǎng)λ處向上和向下兩方向的大氣總吸收透過(guò)率；ρ(λ)為波長(zhǎng)λ處的地表反射率因子；Es(λ)為波長(zhǎng)λ處的大氣外太陽(yáng)輻照度，單位為W·m-2·μm-1；μs為太陽(yáng)天頂角θs的余弦(cosθs)；μv為觀測(cè)天頂角θv的余弦(cosθv)；Ed(λ)為波長(zhǎng)λ處入射到地表的大氣漫射輻照度，單位為W·m-2·μm-1；τ′為太陽(yáng)到地面方向的垂直大氣散射光學(xué)厚度；e-τ′/μs為太陽(yáng)到地面方向的大氣散射透過(guò)率；τ″為地面到遙感器方向的垂直大氣散射光學(xué)厚度；e-τ″/μv為地面到遙感器方向的大氣散射透過(guò)率；Lp(λ)為波長(zhǎng)λ處的大氣路徑輻射亮度，單位為W·m-2·sr-1·μm-1,得到衛(wèi)星載荷通道處等效輻射亮度。

2.4 圖像反演輻亮度

基于資源一號(hào)02D衛(wèi)星影像(見(jiàn)圖4)結(jié)合2020年5月在敦煌定標(biāo)場(chǎng)獲取的輻射定標(biāo)系數(shù)計(jì)算出圖像反演的表觀輻亮度。

Lcal=a×MDN+b

(2)

式中：Lcal是衛(wèi)星影像反演的表觀輻亮度，單位為W·m-2·sr-1·μm-1，MDN是衛(wèi)星圖像灰度值，a和b分別是輻射定標(biāo)系數(shù)中的增益Gain和偏置Bias。

圖4 資源一號(hào)02D衛(wèi)星包頭場(chǎng)VNIC多光譜影像數(shù)據(jù)及AHSI高光譜影像數(shù)據(jù)(真彩色合成)Fig.4 ZY-1-02D satellite VNIC and AHSI data of the Baotou site

2.5 輻亮度值相對(duì)誤差計(jì)算

通過(guò)式(3)來(lái)計(jì)算圖像反演輻亮度和衛(wèi)星載荷入瞳輻亮度的相對(duì)誤差，作為在軌輻射定標(biāo)驗(yàn)證的精度。

(3)

式中：Lcal是衛(wèi)星圖像反演輻亮度值，LBand是輻射傳輸模擬計(jì)算的入瞳輻亮度值。

3 在軌輻射定標(biāo)精度驗(yàn)證結(jié)果分析

3.1 可見(jiàn)近紅外相機(jī)輻射定標(biāo)精度驗(yàn)證結(jié)果分析

選取資源一號(hào)02D衛(wèi)星VNIC影像中包頭場(chǎng)均勻沙地的DN值作為衛(wèi)星觀測(cè)計(jì)數(shù)值，結(jié)合輻射定標(biāo)系數(shù)獲取影像反演輻亮度；同時(shí)將地表反射率、大氣參數(shù)和大氣廓線(xiàn)輸入輻射傳輸模型Modtran6中模擬計(jì)算載荷入瞳處輻亮度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 VNIC表觀輻亮度比較Table 2 Comparison of top-of-atmosphere radiance spectra of VNIC

由表2中的結(jié)果可以看出，根據(jù)VNIC影像反演的表觀輻亮度和基于星地同步觀測(cè)數(shù)據(jù)輻射傳輸模擬計(jì)算的輻亮度具有較好的一致性。結(jié)果表明：VNIC各波段的平均相對(duì)誤差小于6%，可見(jiàn)近紅外相機(jī)的輻射定標(biāo)精度整體滿(mǎn)足衛(wèi)星應(yīng)用要求。而波段8的相對(duì)誤差大于7%，可能是由于該波段位于水汽吸收通道導(dǎo)致誤差較大，未來(lái)還需多次進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)多次定標(biāo)試驗(yàn)擬合更精確的定標(biāo)系數(shù)。

3.2 高光譜相機(jī)輻射定標(biāo)精度驗(yàn)證結(jié)果分析

為更好評(píng)價(jià)高光譜相機(jī)的輻射定標(biāo)精度，本文只針對(duì)高光譜相機(jī)的120個(gè)大氣窗口波段的精度驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行分析。

選取資源一號(hào)02D衛(wèi)星AHSI影像中包頭場(chǎng)均勻沙地的DN值作為衛(wèi)星觀測(cè)計(jì)數(shù)值，結(jié)合輻射定標(biāo)系數(shù)獲取圖像反演輻亮度；同時(shí)將地表反射率、大氣參數(shù)和大氣廓線(xiàn)輸入輻射傳輸模型Modtran6中模擬計(jì)算載荷入瞳處輻亮度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 包頭場(chǎng)AHSI輻射精度驗(yàn)證結(jié)果 Fig.5 Comparison of top-of-atmosphere radiance spectra of AHSI

由包頭場(chǎng)同步觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證高光譜相機(jī)輻射定標(biāo)精度的結(jié)果可知，高光譜相機(jī)的120個(gè)大氣窗口波段中，平均相對(duì)誤差為6.18%。其中，相對(duì)差異小于7%的波段共有108個(gè)，相對(duì)差異在7～10%之間的波段有6個(gè)，相對(duì)差異大于10%的波段有6個(gè)。通過(guò)對(duì)在軌場(chǎng)地絕對(duì)輻射定標(biāo)驗(yàn)證表明目前的場(chǎng)地輻射定標(biāo)系數(shù)具有較好的精度，輻射定標(biāo)平均相對(duì)誤差為6.18%，滿(mǎn)足了衛(wèi)星應(yīng)用對(duì)輻射定標(biāo)精度的需求。

由于目前本次輻射定標(biāo)系數(shù)僅通過(guò)一次在軌定標(biāo)同步試驗(yàn)獲取，定標(biāo)系數(shù)須進(jìn)一步驗(yàn)證和更新。后續(xù)工作將結(jié)合多次場(chǎng)地同步輻射定標(biāo)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證場(chǎng)地輻射定標(biāo)和光譜定標(biāo)的可靠性和精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)資源一號(hào)02D衛(wèi)星在軌測(cè)試期間的多光譜相機(jī)和高光譜相機(jī)輻射定標(biāo)精度進(jìn)行了初步驗(yàn)證，多光譜相機(jī)各個(gè)波段平均精度優(yōu)于6%，高光譜相機(jī)的120個(gè)大氣窗口波段平均精度為6.18%，載荷的輻射定標(biāo)精度整體滿(mǎn)足衛(wèi)星應(yīng)用需求。但由于時(shí)間和場(chǎng)地等因素限制，本次工作只選擇極少量同步觀測(cè)的影像進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，后續(xù)將持續(xù)開(kāi)展試驗(yàn)對(duì)衛(wèi)星的輻射精度進(jìn)行驗(yàn)證與監(jiān)測(cè)。面向自然資源等典型應(yīng)用場(chǎng)景，選擇適用于資源一號(hào)02D衛(wèi)星的多光譜及高光譜載荷輻射定標(biāo)方案，并建立與之適應(yīng)的應(yīng)用示范區(qū)域，通過(guò)長(zhǎng)期的研究和真實(shí)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，提升定量應(yīng)用的規(guī)?；芰Α?/p>