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。     

基于多角度表观反射率模型的交叉定标方法EI北大核心CSCD

为了满足多类型光学载荷在轨空间辐射基准传递的需求,减小角度差异对辐射定标频次和精度的影响,开展基于多角度表观反射率模型的交叉定标方法研究。利用高精度长时序卫星的多角度、高光谱表观反射率数据,构建地球稳定目标利比亚4的大气层顶表观反射率模型。通过区域匹配、时间匹配和云剔除后,利用该模型对2019—2020年风云三号D星中分辨率成像仪和AQUA/MODIS的可见-短波红外波段开展了205次交叉定标应用,并与同步星下点观测的交叉定标方法进行了26次比对。结果表明,两种方法的平均相对偏差优于2.1%,验证了该方法的适用性和准确性。该方法可以解决对人工测量定标场地表多角度数据的依赖,适用于观测天顶角差异0°~60°、观测波段400~2400 nm以内的多光谱、多角度载荷的交叉定标,减小交叉定标中角度匹配误差,显著提高多类型卫星的定标频次,为空间辐射基准传递和多载荷数据融合应用提供基础技术支撑。     

FY-3C MERSI反射波段在轨宽动态综合辐射定标方法

为解决FY-3C/MERSI反射波段非线性响应导致传统两点定标不适用问题,提出了在轨宽动态综合辐射定标方法。融合多种不依赖于地面同步测量的替代方案,利用各方案定标样本的多等级反射率特性,实现遥感器宽动态范围的辐射定标。每种方案的定标样本采用分段平均方法进行等权重融合,最终定标系数基于融合后样本通过加权拟合回归获得。非线性特征采用发射前室外定标实验分析的二次项系数进行修正,在轨计算定标斜率和截距。分析和验证结果表明:各替代方案样本分布具有很好一致性,融合样本相关性可达0.99;综合定标结果在反射率大于10%的中高端目标回归残差小于1%,高端定标结果与基于深对流云目标的交叉定标(DCC)检验样本的相对差异小于1.5%,敦煌同步观测实验检验结果表明中端精度优于3%;由于MERSI对低亮度辐射响应能力显著降低,发射前室外定标实验获得的非线性系数不能适用,定标结果在低目标反射率出现高估现象。该成果可应用于所有FY-3C/MERSI反射通道,明显降低两点法定标的不确定性以及非线性的影响。     

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。     

大气/真空环境紫外臭氧垂直探测仪光谱辐照度定标研究

为进一步提高紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)在轨探测及数据反演精度,提出了SBUS地面定标的一系列改进方案,其中为实现地面定标与在轨工作环境一致的全波段真空辐射定标是改进的第一项。通过构建SBUS大气/真空光谱辐照度响应度比对测试装置,实测了两种环境下SBUS整机对同一光源的光谱辐照度响应。结果显示,在250～300nm波段,真空/大气相对偏差约0.8%;在300～400nm波段,真空/大气比对结果随波长变化,最大偏差略高于15%。而仪器250～400nm波段定标环境引入的单项不确定度,真空定标比以往大气定标减小了1.8%。理论分析及实验验证后发现SBUS反射元件Al+MgF2膜层在真空/大气下光谱反射率会发生变化,从而证实了SBUS在真空环境下定标的必要性。     

基于精确光谱响应匹配的星载成像光谱仪交叉辐射定标

星载遥感器在轨运行中受到外太空环境以及遥感器自身特性衰变的影响,辐射特性会发生变化。为确保星载遥感数据能真实地反映被观测地物目标特征及其变化规律,需要定期对星载遥感器进行在轨辐射定标。环境小卫星超光谱成像仪(HJ1A/HSI)由于缺乏配套的星上定标系统,基于场地定标的方法难以满足高频次定标的需求。以EO-1/Hyperion为参考遥感器,以HJ1A/HSI为待定标遥感器,通过反卷积方法对两成像光谱仪光谱通道之间进行精确光谱响应匹配,消除波段设置的差异性,显著降低了HSI定标系数的不确定度。基于本定标方法得到的HSI 115个波段的绝对定标系数中,Band 1至Band 60之间的定标系数的不确定度稳定在5%～8%,除760 nm附近的氧气吸收波段与940 nm附近的水汽吸收波段外,其余波段的定标系数的不确定度为7%～18%,随着波长的增加,不确定度增大。与传统波段匹配方法相比,提高了约50%的精度,该定标精度基本可以满足遥感数据定量化应用的需求。该方法解决了在轨星载成像光谱仪光谱通道设置差异大、交叉定标精度低,难以实用的问题,为星载成像光谱仪高频率更新辐射定标数据提供了一种有效方法。     

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.     

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.     

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。     

基于敦煌辐射校正场的FY3B/VIRR反射太阳波段衰减分析

VIRR是搭载在我国最新一代极轨气象卫星FY-3B上的可见光红外扫描辐射计,发射后的遥感器需要进行不断的辐射定标校准以提高数据质量,更好的满足用户需求。为了研究FY3B/VIRR入轨后辐射响应的衰变规律,利用2011年—2015年敦煌辐射校正场同步试验数据,采用反射率基法计算其反射太阳波段的辐射定标系数,除受水汽吸收影响的波段10,其余各波段定标系数相对标准差均小于1.5%。以Aqua/MODIS为辐射基准验证了该方法的精度,结果表明,正演大气顶辐射与卫星观测值的平均偏差均小于2.5%。基于上述五年的VIRR定标结果,结合发射前定标系数,计算了遥感器的年际衰变率,结果表明:仪器衰减显示出一定的波长依赖性,波长越短的波段衰减越大;与发射前定标系数相比,入轨第一年的仪器定标系数有较大程度的变化;随着在轨运行时间变长,仪器衰减趋势开始减缓,在轨运行的第二和第三年衰减均大幅减小;从第四年开始波长0.8μm的波段,有衰减增大的趋势;在轨运行两年后,波长0.8μm的波段部分年份出现了响应增加的现象;与孙凌等的FY3A/MERSI衰减变化规律相比,衰减率和波长的相关性是一致的,但MERSI在0.65μm的波段3和13均出现相应增加的现象,而VIRR在该波长处的波段1却有衰减增大的趋势;综合历年的衰减率可以看出,波长较短的波段7,8和9年衰减率基本大于5%。     

FY-3A/MERSI热红外通道在轨辐射定标精度评估

卫星资料辐射定标精度是其定量应用的关键因素。以METOP-A/IASI的高光谱探测资料为传递基准,利用同时星下点观测的交叉定标方法,对 FY-3A/MERSI热红外通道的在轨辐射定标精度进行了客观评估,并给出了亮温系统偏差的订正因子。从观测时间差异、卫星观测天顶角和方位角差异、以及目标均匀性四个方面,分析了交叉定标中所用主要匹配近似因子的不确定性。分析结果表明,目标均匀性是匹配误差的主要来源,偏差不确定性小于2%(当亮温偏差约为1 K时,不确定性<0.02 K),其他因素的影响可以忽略。一年多的样本统计及偏差分析结果显示,MERSI的观测亮温明显高于IASI,年平均亮温偏差约(3.18±0.34) K,月平均亮温偏差呈现季节波动特征,波动幅度约0.8 K。与相近时期敦煌场和青海湖地同步观测评价结果有非常好的一致性。初步原因分析推断,造成MERSI亮温偏高的原因主要有两个,一是星上黑体发射率被高估,二是光谱响应函数向大气窗区漂移,后者可能为主导因素。     

联合南北极冰雪目标的FY-3A/MERSI辐射定标跟踪监测

位于南北极的Dome C和Greenland冰雪目标是国际上应用比较广泛的定标跟踪目标。但由于极昼极夜现象的存在,单一极地冰雪目标难以对遥感仪器连续定标跟踪。针对这一不足,提出联合使用两个极地冰雪目标对风云-3A卫星(FY-3A)/中分辨率光谱成像仪(MERSI)太阳反射率波段辐射性能进行连续跟踪监测的方法。首先,利用FY-3A/MERSI寿命晚期相对稳定的观测数据,建立两个冰雪目标表观反射率的双向分布函数模型;然后利用该模型,对冰雪目标的表观反射率序列进行归一化,消除由冰雪目标非朗伯性引起的变化信息,获得反映遥感器辐射性能变化的参量,实现不同冰雪目标数据序列的融合;最后,采用二次多项式拟合模型,对融合后的数据进行变化趋势分析,并与其他相关研究成果进行比对验证。结果发现,跟踪监测模型的不确定性基本优于3%,特别是在波长小于550nm的短波段,不确定性优于2%。衰减率结果显示,蓝光波段衰减显著,特别是波段8(413nm),年均衰减率接近7%;红光和近红外波段(水汽通道除外)最为稳定,年均衰减率在±0.5%以内。验证结果显示,所提方法与其他方法具有很好的一致性,大部分波段的多年总衰减率偏差低于3%。     

基于深对流云的FY-3D/MERSI-Ⅱ反射太阳波段辐射响应评估

风云三号D星（FY-3D）中分辨率光谱成像仪Ⅱ型（MERSI-Ⅱ）已在轨运行超过5年，经定量应用反演发现部分通道辐射响应性能出现明显退化。本研究采用深对流云（DCC）目标对MERSI-Ⅱ大部分反射太阳波段辐射响应变化进行趋势评估，为提高该方法的稳定性，对基础DCC定标方法进行了优化。首先，比较了当前两种DCC双向反射分布函数（BRDF）模型的校正效果，采用月度反射率概率密度函数（PDF）众数和均值分别对反射率长时间序列稳定性进行分析。结果表明：对可见光和近红外波段使用CERES厚冰云BRDF模型校正的反射率PDF众数较优；短波红外波段反射率PDF均值较优，但对于两种BRDF模型均不敏感。其次，针对BRDF模型在短波红外波段无明显校正效果的问题，提出了一种基于反射率拟合残差和滑动平均值的去季节性方法。该方法显著改善了2018—2022年短波红外波段月度DCC反射率序列的相对标准差和波动性，分别降低了约22.2%和53%。这种去季节性方法为其他卫星光学传感器基于DCC目标的辐射定标研究提供了参考。最后，使用上述方法对MERSI-Ⅱ的11个反射太阳波段辐射响应进行定量评估，发现蓝光通道和全部...     

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。     

基于深对流云目标的风云二号可见光通道辐射定标

介绍了一种采用深对流云目标对风云二号(FY-2)扫描辐射计可见光通道进行辐射定标的方法。以深对流云作为辐射定标参考载体,以AQUA/MODIS获得的深对流云反射率作为辐射基准参考,以GOME-2和辐射模式模拟的DCC光谱进行了光谱响应函数的修正,评估FY-2系列卫星的可见光通道辐射定标精度及其长序列衰减趋势。结果表明：(1)FY-2可见光通道存在不同程度的衰减,FY-2D,FY-2E和FY-2F的年衰减率分别约为1.67%,1.69%和0.81%;(2)与国际推荐的参考仪器AQUA/MODIS的DCC反射率基准相比,风云二号可见光通道业务定标结果与之存在显著差异,其相对偏差了分别达到了39.9%,29%和19.2%。(3)FY-2卫星在轨期间,可见光通道存在一定程度的周期性的波动和跳跃现象。借助深对流云目标很好地实现了FY-2系列气象卫星的可见光辐射定标,获取的辐射定标结果已经作为业务定标更新的重要依据。     

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。     

氧气吸收通道的高光谱传感器在轨光谱定标

通过对760nm氧气吸收特征的分析,构建波段半高宽分别为15、10、5和2.5nm的高光谱传感器模型,提出了四种光谱匹配类型和六种光谱匹配算法.基于MODTRAN辐射传输模型模拟出包含光谱偏移信息的测量光谱与参考光谱,计算出不同匹配类型和匹配算法的在轨光谱定标精度.结果表明,采用测量表观辐亮度和参考表观辐亮度作为光谱匹配类型,以相关系数作为光谱匹配算法的光谱定标精度最高.     

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。     

可调谐地物光谱辐射源研究

介绍了一种以半导体发光二极管(LED)和溴钨灯为光源的光谱可调谐地面景物光谱辐射源,及其系统结构和控制系统设计。利用地物光谱辐射源模拟了大量不同地物光谱,在控制系统中建立了地物光谱数据库,引进了改进型遗传算法匹配出了光谱数据库中的500余种地物光谱。进而详细分析了几种典型地物的光谱匹配相似度,平均光谱匹配误差以及全波段,红,绿,蓝和近红外波段光谱匹配相似度。目标辐亮度为50W·(m2·sr)-1时,地物光谱辐射源平均光谱匹配误差在10%以内,最低可达6.0%;全波段光谱匹配相似度高于0.895,最高可达0.983;对于同一景物光谱红、绿、蓝和近红外波段(特别是绿光和近红外波段)光谱匹配相似度低于全波段,绿光和近红外波段光谱匹配相似度与红光和蓝光波段相比,最大低幅为50%。地物光谱辐射源能够用于光学遥感器的辐射定标,能有效解决光学遥感器的工作目标与定标光源光谱不匹配造成的定标误差。