基于场地高光谱BRDF模型的绝对辐射定标方法

提出了一种基于场地地表高光谱双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法,摆脱了对卫星过境时刻同步观测的依赖,提高了遥感器在轨绝对辐射定标的效率与频次.利用无人机测量系统对敦煌辐射校正场进行了地表方向特性测量,基于半经验核驱动模型反演了敦煌场地的高光谱双向反射分布函数模型参数.用地表双向反射分布函数模型直接计算的卫星观测方向的地表高光谱反射率数据替代卫星过境时刻场地的地表同步测量数据,结合中分辨率成像光谱仪大气产品数据,实现了对Landsat-8卫星的陆地成像仪(OLI)在可见光至近红外波段的高频次绝对辐射定标.Landsat-8/OLI第1～6波段的卫星观测表观辐亮度值与模型计算表观辐亮度值的相对偏差均小于5%,标准差小于2%.基于无人机场地双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法的定标结果与卫星观测结果具有较高的一致性和稳定性.     

风云二号静止气象卫星可见光通道辐射校正场定标方法研究

为了对风云二号C星(FY-2C)与D星(FY-2D)扫描辐射计(VISSR)的可见光通道进行定标,国家卫星气象中心联合多家单位在中国遥感卫星辐射校正场敦煌场开展了时间跨度达3个月的场地替代定标同步试验,获取了多组试验数据.通过使用刘京晶建立的敦煌地表反射比双向反射分布函数(BRDF)模型对实测的敦煌地表反射比数据进行方向性修正;使用6S模型计算表观反射比并进行天顶角余弦和日地距离修正;从4 d试验数据中计算得到了相对标准偏差小于5.6%(FY-2C)和2.4%(FY-2D)的4组定标系数.在不同野外环境、不同太阳几何位置参数下获得了相对一致的定标系数,说明定标算法的准确性和稳定性.     

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。     

大气散射对地表双向反射分布函数反演的影响与修正

准确地获取地表双向反射特性是遥感辐射定标和卫星全链路成像仿真的重要基础。在野外条件下通常使用实测的双向反射因子(BRF)反演得到双向反射分布函数(BRDF)。仿真分析显示,大气能见度分别为23km和15km时,同一地表的BRF方向性系数相差19%。野外条件下实测的BRF因受大气散射的影响而不能准确表征地表方向反射特性。通过同步测量2π空间内的大气散射,提出一种BRDF反演方法。该方法将BRF实测值与测量模型计算值之间的残差作为反演的代价函数,以消除大气散射的影响,可反演地表真实的BRDF模型特征参数。结果证明方向反射特性是地物的固有属性,不随测量环境辐射的变化而变化。     

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。     

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。     

基于POLDER数据反演陆地上空气溶胶光学特性

针对利用POLDER数据反演陆地上空气溶胶光学特性和地表反射率进行研究.POLDER探测器能够提供可见光到红外的地气系统反射太阳光的反射率和偏振反射率的多方向数据.发展了一种基于多角度的总反射率和偏振反射率联合反演气溶胶光学参数的算法,根据倍加累加法矢量辐射传输模式构建查找表,反演过程中还考虑了测量数据的云检测处理,气体吸收校正和平流层气溶胶校正,通过865 nm波段总反射率和偏振反射率的模拟计算值和实际测量值的对比实现局部区域的气溶胶光学特性参数和地表反射率分布图的同时反演.并用CNES提供的POLDER气溶胶产品对反演结果进行了验证,该方法能够得到气溶胶光学厚度、折射指数、粒子有效半径和地表反射率较合理的反演结果.     

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%。     

双向反射分布函数在空间目标可见光反射特性建模中的应用

针对空间目标可见光反射特性提出了一种建模方法.双向反射分布函数(BRDF)可以有效地 描述目标表面材料的空间反射特性和光谱特性.根据目标表面状况及背景辐射环境,选取合 适的双向反射分布函数模型,利用辐射理论在可见光波段建立了空间目标反射特性的数学模 型.基于轨道参数进行了仿真计算.计算结果表明太阳帆板与卫星主体相比,其在探测器入 瞳处的辐照度只小一个数量级,在目标光学特性分析时不可忽略.而且,空间目标反射特性 不仅与太阳、地球和目标三者之间的实时位置有关,还与其几何形状、表面材料等有关.仿真分析结果验证了建模的正确性.     

基于野外双向反射信息利用反射模型反演土壤含水量研究

为了分析土壤含水量对双向反射的影响以及反演土壤含水量,研究了基于野外实测多角度高光谱数据,获取了双向反射模型的参数,并且通过模型计算值反演土壤含水量。通过分析在3个波段以及不同角度反演的模型参数与含水量之间的关系,发现在不同角度利用模型反演土壤含水量的结果具有差异性;并且在865 nm处反演精度最稳定。这表明利用双向反射分布特性能够以较高的精度反演土壤含水量,同时也应该考虑方向反射对反演精度的影响。     

粗糙目标样片光谱双向反射分布函数的实验测量及其建模

实验测量了紫红色和白色涂漆板在400～780 nm内的光谱双向反射分布函数(光谱BRDF),分析了光谱双向反射分布函数随波长及散射角的变化趋势与目标样片光学特性的关系.应用改进的粒子群算法,结合双向反射分布函数五参量模型,获得了测量光谱范围内各波长(间隔1 nm)对应的共381组五参量值.利用五参量模型计算了目标样片的光谱双向反射分布函数及其方向半球反射率(DHR),并与实验测量数据相比较,两者吻合良好,表明目标光谱双向反射分布函数建模方法与结果的可行性和可靠性.目标样片的光谱双向反射分布函数可以用来研究目标的光谱散射特性,对目标的探测、跟踪、识别和特征提取等具有重要的应用价值.     

基于深度神经网络的空间目标常用材质BRDF模型

由于双向反射分布函数(BRDF)经验模型与半经验模型对材质散射特性描述时存在局限性,导致其拟合结果与实测数据的误差较大。针对此问题,基于深度神经网络(DNN)构建了一种适用于具有不同散射特性空间目标材质的BRDF模型。建立的深度神经网络模型基于TensorFlow实现,包含4个隐含层,并采用AdaDelta梯度下降法进行优化,结合Dropout方法进行正则。随机抽取材质测量数据的一部分作为训练样本,最终得到BRDF与入射天顶角、反射天顶角以及观测方位角的映射关系模型。大量的实验结果表明,建立的深度神经网络模型具有良好的材质特性描述能力,且对于相同材质,模型的拟合误差小于经验模型。     

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。     

基于实验测量与OCS仿真计算的卫星光学散射特性对比验证

卫星的光度数据与卫星的姿态、材质、观测角度等多种因素有关,仿真计算往往无法获取这些因素,导致仿真计算结果无法与实测进行对比.针对仿真结果无法通过实测进行验证的问题,结合卫星工具箱中卫星运动场景,分别通过实验测量与仿真计算获取卫星光学散射特性的时序数据.实验测量中,在实验室内模拟太空光学环境,实现实验过程中卫星模型姿态与卫星工具箱中卫星姿态的并行分析,保证了测量的准确性.仿真计算中,采用基于前期空间目标常用材质双向反射分布函数实测数据拟合出的双向反射分布函数模型,且考虑卫星表面材料褶皱对空间目标光学散射特性的影响,提高仿真精度.此外,设计了一个轨道参数为:半长轴a=7 716.14km,偏心率e=0.001,轨道倾角i=58°,近日点幅角ω=36°,升交点赤经Ω=345°,平近点角M=231.1°,相位角变化范围为38°~98°的三轴稳定卫星运动场景,通过实验测量与仿真计算获取该场景下卫星的光度数据,发现二者趋势相同,幅值相近,相关系数为0.69.     

微粗糙硬铝表面双向反射特性实验研究

本文基于四波段双向反射分布函数测试平台,对微粗糙硬铝表面的光谱双向反射分布函数进行了实验测量,考察了微粗糙尺寸参数、入射角度和入射辐射波长对表面辐射特性的影响。测量结果显示了明显的镜反射特征,粗糙的表面结构还引起了后向反射增强现象,长波入射和大角度入射增强后向反射效应。     

目标表面可见光谱BRDF的实验测量及优化建模

介绍了一种用双向反射分布函数测定仪进行目标双向反射分布函数测量的方法。运用该测量系统在可见光谱区域对样片进行了实验测量,然后对BRDF实验数据进行谱积分预处理,结合BRDF五参数半经验统计模型,利用遗传模拟退火算法,获取样片的BRDF模型参数,并获得了三维空间的BRDF分布。结果表明,获得的可见光谱BRDF模型能准确反映材料的光散射特性,符合工程要求。     

基于敦煌场地定标的FY-3 MERSI反射太阳波段在轨响应变化分析

鉴于中分辨率光谱成像仪不能实现反射太阳波段的星上绝对辐射定标,提出了基于地表方向模型、矢量辐射传输模型6SV并联合MODTRAN吸收透过率校正的敦煌场替代定标新方法,4年的同步定标结果表明,除了水汽吸收中心波段之外,定标不确定度小于5%,而多数波段优于3%。以Aqua MODIS为辐射基准的大气顶辐射计算试验表明,正演与卫星观测间的平均偏差在波长<1 μm的窗区波段小于3%,波长>1 μm的小于5%(除了2.1 μm波段);此外,经场地定标的MERSI 表观反射率与MODIS具有很好的一致性。基于多年的场地定标结果发现：可采用二次多项式拟合定标系数的时间变化,进而实现逐天的定标更新;波长<0.6 μm的波段衰变较大,波段8(0.41 μm)入轨第一年的衰变率约为14%;在轨初期衰变最大,一年后趋缓,两年后部分波长>0.6 μm的波段出现响应增加现象。     

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。     

基于双向反射率函数分布的海洋溢油紫外反射光谱特性研究

为实现利用采用紫外波段对海水溢油污染进行监测,采用了回转半径为1 500mm的双向反射分布函数测量装置和工作波段为300~400nm的大视场紫外成像仪,对海水溢油紫外反射光谱特性进行研究.对三种油样品进行了外场试验,试验结果表明:海水溢油紫外光谱双向反射分布函数测量装置不确定度为3.68%;在天顶角0°和30°,相对太阳方位角0°和45°时,原油样品与海水的双向反射分布函数在紫外波段差别较大.因此,可利用此状态下300~380nm工作波段的紫外光学遥感仪器监测海水溢油状态.