基于场地高光谱BRDF模型的Suomi-NPP VIIRS长时序定标

为提升光学卫星遥感器的定标频次,提出一种基于场地高光谱BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)模型的高频次绝对辐射定标方法,实现了Suomi-NPP (Suomi-National Polar-Orbiting Partnership Spacecraft)VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)的长时序高频次绝对辐射定标。介绍了基于场地高光谱BRDF模型的绝对辐射定标原理,于2018年4月和8月利用场地高光谱BRDF手动测量系统分别对敦煌场的方向特性进行测量试验,并基于半经验核驱动反演敦煌场的地表高光谱BRDF模型参数。基于BRDF模型计算2018年全年VIIRS M1～M11波段的表观反射率,并与卫星观测表观反射率进行比对。结果表明:Suomi-NPP VIIRS遥感器2018年全年的有效定标频次为51次,其中M1～M7波段模型计算的表观反射率与卫星观测的相对偏差均小于3.23%。基于场地BRDF模型的高频次绝对辐射定标方法可有效地提高卫星载荷的定标频次,及时跟踪载荷的辐射特性变化。     

基于场地自动化观测技术的遥感器在轨辐射定标试验与分析

采用自动化场地辐射计(ATR)测量地表反射,结合CE318型太阳光度计获得的大气参数和漫总比辐照度仪获得的漫总比数据,计算出卫星过顶时刻的高光谱地表反射率。基于反射率基法对中分辨率成像光谱仪(MODIS)/Aqua和MODIS/Terra的可见光至近红外波段1~7开展了场地自动化观测绝对辐射定标试验。结果表明,利用场地自动化观测定标方法获取的表观辐亮度与MODIS/Aqua、MODIS/Terra星上获取的表观(TOA)辐亮度的相对偏差不大于4%。这说明场地自动化观测定标方法与人工定标方法具有同等水平的定标精度,验证了场地自动化观测定标方法的可行性。     

敦煌辐射校正场反射辐射偏振特性研究

卫星遥感器辐射校正场的地表反射辐射测量(例如地表反射率、地表辐亮度等)对卫星遥感器的在轨定标至关重要。由于地物光谱仪自身具有一定的偏振敏感性, 场地反射辐射的偏振特性将会引入偏振测量误差。采用基于偏振成像仪和塔吊的非定点测量方式以及基于偏振光谱仪和BRDF测量架的定点测量方式, 测量了敦煌场490 nm和670 nm波段场地反射辐射的多角度偏振分布和局地偏振均匀性。试验结果表明, 敦煌辐射校正场的反射辐射具有一定的偏振特性。偏振特性和波段有关, 490 nm波段偏振度明显大于670 nm波段。490 nm和670 nm波段的多角度偏振分布关于太阳主平面对称。在太阳主平面内, 前向散射区偏振度大于后向散射区, 并随天顶角变大而变大。两种测量方式获得了一致的偏振特性分布规律。获得了直径100 m区域的场地反射辐射局部均匀性, 均匀性在6%左右。研究场地反射辐射的偏振特性对于场地辐射探测方案的改进以及辐射测量精度的提高具有重要意义。     

基于超光谱比值辐射仪的卫星自动化场地定标与分析

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求,以及目前人工方式进行定标的不足,调研国内外卫星定标的发展现状,研制了超光谱比值辐射仪自动化定标系统,并开展了卫星传感器自动化定标的试验。根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标,比值辐射仪设计积分球测量光谱总照度,并通过遮挡的方式实现了光谱漫照度测量,获得卫星定标中的漫总比数据;同时,辐射仪利用光学镜头的方式实现地面辐亮度测量,实现了大气-地表辐射特性的自动观测,同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能。在2015年敦煌辐射校正场试验中,辐射仪得到了理想的应用效果并获得了大气光学参数、地表反射率的数据,为卫星传感器的定标提供了数据支持。经过与传统测量仪器的对比,地表反射率的相对偏差在0.5%~1.5%,大气参数中光谱辐照度的绝对偏差小于5%,漫总比的绝对偏差不大于0.015%。采用辐照度基法利用测量的数据对Aqua MODIS光学遥感器的通道1～5进行了场地定标,通道1~4的对比相对偏差小于1%,通道5的偏差结果为7.24%,验证结果满足了卫星传感器自动化定标的初步需求。     

基于敦煌辐射校正场的自动化辐射定标方法EI北大核心CSCD

提出了基于自动化多通道光谱辐射计(ATR)、6SV辐射传输模型、敦煌场地历史高光谱反射率模型、中分辨率成像光谱仪(MODIS)的双向反射分布函数(BRDF)的自动化辐射定标方法。当天气状况和卫星观测几何参数满足条件时,所提方法可对遥感器进行连续辐射定标。2015年8月至2016年3月在敦煌辐射校正场进行了实验,共获取17天的有效观测数据。以"水"卫星的中分辨率成像光谱仪(AQUA/MODIS)为辐射基准,验证了所提方法的精度和定标频次。结果表明平均10~15天能够对卫星遥感器进行一次辐射定标。与AQUA/MODIS各通道观测数据相比,利用所提方法得到的大气顶反射率的相对偏差均小于5%,平均相对偏差小于2%,标准差小于2%。     

基于敦煌辐射校正场的自动化辐射定标方法

提出了基于自动化多通道光谱辐射计(ATR)、6SV辐射传输模型、敦煌场地历史高光谱反射率模型、中分辨率成像光谱仪(MODIS)的双向反射分布函数(BRDF)的自动化辐射定标方法。当天气状况和卫星观测几何参数满足条件时,所提方法可对遥感器进行连续辐射定标。2015年8月至2016年3月在敦煌辐射校正场进行了实验,共获取17天的有效观测数据。以"水"卫星的中分辨率成像光谱仪(AQUA/MODIS)为辐射基准,验证了所提方法的精度和定标频次。结果表明平均10~15天能够对卫星遥感器进行一次辐射定标。与AQUA/MODIS各通道观测数据相比,利用所提方法得到的大气顶反射率的相对偏差均小于5%,平均相对偏差小于2%,标准差小于2%。     

基于场地自动化观测技术的SNPP VIIRS高频次在轨辐射定标

针对遥感卫星高频次、高时效和高精度定标的技术需求,利用布设在敦煌辐射校正场自动化定标系统,对SNPP VIIRS遥感器的可见光到短波红外波段开展了高频次自动化绝对辐射定标试验,详细描述了自动化定标的原理和方法,明确了定标流程.针对长时间跨度中,地表光谱反射率光谱形状的变化,建立了参考反射率数据库,以解决通道反射率与参考反射率光谱形状不匹配问题.在2018年5月～11月,对SNPP VIIRS共完成了13次有效的自动化定标,并与SNPP VIIRS星上观测的表观反射率进行了比对验证.结果表明,场地自动化定标得到的表观反射率与卫星观测的表观反射率相对偏差小于5%,均方根小于3.2%,表明场地自动化定标结果与星上定标结果具有较高的一致性和稳定性,可以用于高频次在轨辐射定标.     

太阳天顶角对反演高光谱地表反射率影响分析

为了满足星上载荷高频次的在轨定标需求,常使用场地自动化定标技术将多光谱反射率反演为高光谱反射率,所以提升光谱的反演精度对提高自动化定标精度尤为重要。使用布设在敦煌辐射校正场的通道式自动化观测仪器计算从2018年9月至2019年9月的反射率;根据测量过程中太阳天顶角的不同将数据分为6组,并使用双向反射分布函数模型对不同太阳天顶角下的光谱形状进行一致性分析。实验结果表明,双向反射分布函数模型校正不同入射角度是有效的。     

资源三号多光谱传感器场地辐射定标与验证

基于敦煌辐射校正场,利用高、中两类定标场地,采用反射率基法对资源三号卫星多光谱传感器进行在轨场地绝对辐射定标,获取多光谱传感器的2013年绝对辐射定标系数,并与2012年定标结果进行对比分析。同时,利用2013年7月1日Landsat 8的operational land imager(OLI)影像对资源三号卫星多光谱传感器进行交叉定标,验证定标系数的可靠性。结果表明,一年来资源三号卫星多光谱传感器各波段性能存在1%～8.5%的变化;交叉定标和场地定标的结果有较好的一致性,说明定标结果具有较高的可信度。     

天绘一号卫星多传感器协同辐射定标方法

提出了一种基于灰阶靶标的多传感器协同辐射定标方法,通过有效利用具有自动化观测设备的固定定标场、合理共享其他卫星的移动靶标场来提高定标频次。根据灰阶靶标的光谱平坦特性及同平台多传感器观测时相、几何、视场的一致性,建立了多光谱相机与全色高分辨相机间的辐亮度关系模型,实现了全色高分辨相机对多光谱相机的协同辐射定标。天绘一号卫星星地同步实验结果表明:建立的辐亮度关系模型具有通用性;多光谱相机协同与场地辐射定标系数相对差异小于5.3%;协同辐射定标精度优于5%,在提高效率的同时,可获取与场地辐射定标相当的精度。     

Hyperion高光谱遥感器的在轨自动化定标

利用布设在敦煌辐射校正场的自动化观测设备,对Hyperion高光谱遥感器开展定标试验;详细描述自动化定标的原理和方法,明确定标流程;针对高光谱遥感器的特点建立参考反射率数据库,以解决通道反射率与参考反射率光谱形状不匹配的问题;在2016年10月至2017年4月期间,对Hyperion高光谱遥感器共完成4次有效的自动化定标试验,并将试验结果与Hyperion高光谱遥感器观测的表观辐亮度进行比对验证。结果表明:在420～1044nm光谱范围内,场地自动化定标得到的表观辐亮度与卫星观测的表观辐亮度的相对偏差小于5%,标准方差小于2.3%;场地自动化定标结果与高光谱星上观测结果具有较高的一致性和稳定性。所提方法可以应用于高光谱遥感器的高频次在轨辐射定标。     

无人机高光谱成像仪场地绝对辐射定标及验证分析

利用2010年11月14日于内蒙古乌拉特前旗开展的无人机遥感载荷综合验证场科学实验数据,对航飞中搭载的高光谱成像仪进行了场地绝对辐射定标。采用朗伯性较好、且光谱性能均一,反射率分别为4.5%,20%,30%,40%,50%和60%的6块高光谱辐射性能灰度靶标,利用反射率基法对高光谱成像仪进行绝对辐射定标。为了验证辐射定标结果,实验中另外铺设了四块高光谱性能辐射刃边靶标用以模拟在自然地物中出现反射峰或吸收峰时采用辐射定标系数计算表观辐亮度所产生的差异。结果表明因仪器噪声较大,在前15个波段(蓝光波段)误差较大。在靶标光谱较为均一的波段定标反演误差较小,一般小于10%,而在靶标光谱出现反射峰区段则误差较大,但一般在10%～25%之间。     

超光谱比值辐射仪光机系统设计与外场实验分析

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求,以及目前人工定标的不足,研制了超光谱比值辐射仪系统.该仪器具备长期自动观测功能,光谱范围为400～2 500nm.光机系统主要由前置光学系统和光谱模块组成.根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标,设计积分球测量总辐照度,并通过遮挡的方式实现漫射辐照度的测量,获得卫星定标中的漫总比数据;设计光学镜头测量地面辐亮度,从而实现大气-地表辐射特性的自动观测.同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能.为验证仪器的野外环境适应性和自动化测量数据的可靠性,与传统人工测量地表反射率与漫总比的方式进行了外场对比实验.实验结果表明,两种方式所测的总辐照度、漫射辐照度和直射辐照度的相对偏差均小于5%,漫总比的绝对偏差均小于0.025%;所测反射率整体趋势相同,且二者的偏差普遍在±1%以内,最大偏差小于±2.5%.超光谱比值辐射仪具有较高的自动化测量精度,能够替代人工测量大气辐射特性参数和地表反射率,实现较高的测量频次,在遥感卫星自动化定标领域具有广阔的应用前景.     

基于HY-1C SCS太阳漫反射板的星上绝对辐射定标与验证

建立了基于星上定标光谱仪(SCS)太阳漫反射板的绝对辐射定标模型。通过对2018年12月12日星上漫反射板定标数据进行处理,得到SCS绝对辐射定标系数。以TERRA MODIS为参考载荷,对SCS辐射定标系数进行三次交叉验证。为了提高光谱匹配精度,消除光谱设置的差异,对SCS各通道实测等效辐亮度进行插值迭代,得到光谱辐亮度,并将该结果与TERRA MODIS光谱响应函数进行积分,得到预测等效辐亮度。通过比较发现,MODIS各通道预测与实测等效辐亮度具有非常好的一致性,相对偏差均值最大为2.78%,表明SCS辐射定标系数真实可靠,具有较高的定标精度。同时也验证了双向反射分布函数(BRDF)、透过率等参数具有较高的测试精度。     

基于地面与低空无人机联合观测场地BRDF建模方法

双向反射分布函数（BRDF）是星载遥感器进行场地替代定标中的重要参量,随着技术的进步,低空自旋翼无人机已经成为了获取场地BRDF的便捷高效手段,通过现场测量准不变定标场的无人机多角度观测光谱数据,建立更加准确的BRDF模型还能进一步挖掘潜力。提出一种基于地-空双光谱仪联合观测加漫射板观测并消除漫射光影响的BRDF建模方法。使用无人机搭载光谱仪进行场地光谱的低空测量,获取半球空间内多角度下的场地光谱数据,同时开展地基光谱仪联合同步测量漫射参考板,连续记录照明光场的变化以及漫射光照明下的场地光谱数据。联合空地双光谱仪对目标和参考板实测的辐亮度数据,结合太阳及观察角度之间的几何观测,计算场地的多角度反射率。基于Ross-Li核驱动半经验模型对多角度反射率数据进行拟合,采用最小二乘法对模型系数进行拟合,以得到最优的场地BRDF模型,并对模型进行漫射光校正。实验证明,经漫射光校正后的BRDF模型各波段的相对偏差均值都在5%以内,相对偏差标准差在3%以内,有效消除了场地BRDF建模在漫射光照射下的干扰,提高了BRDF建模的准确性。     

敦煌辐射校正场春季BRDF特性分析

风云四号A星在轨替代定标试验于2017年4月下旬在敦煌辐射校正场正式开展,为满足地表反射率在遥感器视角方向上的校正需求,利用便携式定点测量装置对敦煌戈壁地表进行了方向特性测量.定性分析了敦煌场地春季的方向特性,并基于Ross Thick-Li SparseR核驱动模型反演了相应的双向反射分布函数模型参数,构建了场地方向特性定量描述模型.对模型的计算值与实测数据进行线性回归分析,得到2017年4月26日、27日和28日的修正决定系数分别在0.75、0.83和0.85左右,验证了该模型对实测数据具有良好的拟合优度.利用模型计算太阳方位面上的各向异性因子并与中分辨率成像光谱仪双向反射分布函数模型参数产品的历史数据进行对比发现,当观测天顶角小于40°时,二者相对偏差在波段2和波段4均小于1.56%,波段5小于3.12%.这说明构建的模型能较好地描述敦煌场地方向特性,验证了试验数据的可靠性.     

基于反射点源的高分辨率光学卫星传感器在轨辐射定标方法

在轨绝对辐射定标是遥感信息定量化应用的关键技术之一。基于反射点源的在轨定标新方法将目标反射率的场地多点测量转换为实验室高精度检测,结合同步大气光学特性参数测量,通过简化的辐射传输计算获取星载遥感器的入瞳辐亮度;根据点源法在轨点扩展函数检测,有效分离目标反射辐射与程辐射、背景辐射,消除了对气溶胶散射特性的假设,并突破场地替代定标易受时空及天气条件的限制,能够在复杂环境条件下实现高分辨率光学卫星传感器高精度、高频次的移动定标。初步实验结果表明,基于反射点源的光学卫星传感器在轨绝对辐射定标不确定度优于3%,与基于大面积灰阶靶标的定标结果差异为3.02%,简化定标流程的同时提高了定标精度与效率。     

光谱匹配因子对GF-1/WFV时间序列交叉定标的影响分析

在轨运行的传感器辐射性能由于受到元部件老化、外太空辐射等因素的影响,会发生变化,通过传感器在轨定标可以及时追踪传感器在轨运行期间的辐射性能变化。利用Terra/MODIS(Terre卫星中分辨率成像光谱仪)参考,GF-1/WFV(高分-1号卫星视场传感器)传感器为目标,基于敦煌校正场的实测地表光谱数据,在考虑两传感器成像时刻的不同观测角度、光谱响应、大气条件和地表特性的匹配贡献的基础上,获得交叉定标光谱匹配因子,进一步得出WFV自发射后的时间序列交叉定标系数。以此辐亮度定标系数得到的表观辐亮度值与MODIS表观辐亮度值进行比对,开展光谱匹配因子对GF-1/WFV定标系数的影响分析。分析认为：在不同波段,光谱匹配因子变化趋势总体一致,大于0.9的光谱匹配因子比重分别为53.1%,75%,81.2%和93.8%;辐亮度定标系数的时间序列变化趋势与光谱匹配因子的时间变化趋势呈现负相关;匹配因子越接近1,两传感器辐亮度值的相对偏差越小。     

我国西北部沙漠定标场网的地表反射率光谱特征模型

选取中国西北地区10个典型的用于辐射定标及仪器性能追踪的辐射定标场,在卫星过境时利用地面手持光谱仪和低空无人机(UAV)同步观测反射率光谱,系统比较了多个场地的反射率光谱差异,并开展了多个场地的光谱特征分析和参数建模研究。同一个场地一天内不同时间的光谱形状变化很小,光谱角小于5°,光谱幅度的变化主要受太阳天顶角和大气状况的影响,光谱幅度在不同天的同一时刻变化很小。不同场地的光谱形状和幅度差异较大。同一场地不同观测尺度下的光谱曲线基本吻合。通过分析发现,当波长小于1100 nm时,所有沙漠场的光谱曲线形状与三角反正切函数曲线相似。基于反正切函数进行地表反射率光谱建模,各场地实测光谱与模拟光谱的均方根误差均在0.6%以内,相关系数均在0.99以上,表明四参数光谱模型能够准确地描述沙漠场的反射率光谱。用模型计算的地表反射率替代场地实测的地表反射率进行FY-3D中分辨率光谱成像仪(MERSI)场地定标,可以发现,与基于实测光谱计算的结果相比,利用该模型得到的MERSI各个波段的相对偏差小于3%,表明构建的沙漠四参数反射率光谱模型可以很好地应用在MERSI的定标中。     

自校准多通道红外辐射计的设计与性能测试

为满足遥感器热红外波段自动化观测定标的需求，研制了具有自动化观测能力的自校准多通道红外辐射计。该设备需具有以下特色功能:1）采用电机驱动镀金反射镜的设计，实现0°～90°仰角的大气下行辐射和地表辐亮度的测量，为消除大气下行辐射对反演地表温度的影响提供了技术手段；2）采用滤光轮分光的方法实现了6个光谱通道的自动设置，结合多通道温度与发射率分离算法可以实现场地温度与发射率的分离，为卫星遥感器热红外波段绝对辐射定标提供了2个关键因子；3）采用内置2个控温精度分别优于0.04 K和0.05 K、发射率均高于0.994，稳定性均优于0.0014的黑体实现内部探测器的实时辐射定标，有效地消除了内部背景辐射对辐射测量的影响，定标不确定度小于0.167%。等效测温不确定度为0.2 K（@303 K, 11 μm），为遥感器热红外波段场地自动化定标应用的开展奠定了基础。