通道式可见光近红外卫星遥感器辐射定标方法综述

王敏，何明元，张水平，陈晓颖，邱敏

(1.解放军理工大学 气象海洋学院，南京 211101；2.解放军95696部队气象台，重庆 401329)

1 引 言

遥感图像获取过程中，由于仪器自身误差以及自然环境(如大气、地形)等各种因素影响，导致搭载其上的遥感器获取的测量值与实际目标物的光谱反射率或辐射亮度等物理量之间会产生一定的偏差[1]。因此，在使用遥感图像之前，必须进行辐射定标以减少偏差。而这种偏差最终能降低到何种程度，则依赖于辐射定标的精度。空间遥感的实现不仅取决于遥感器的设计和性能，也决定于其观测数据的定量化水平。因此，遥感信息定量化的过程中，辐射定标是不可替代的关键技术之一[2-3]。

卫星有效载荷主要是光学和微波波段的遥感器。对于不同波段的遥感器，其定标方法不尽相同。从时间分类上有发射前定标、在轨定标之分；从定标手段上有实验室定标、发射前外场定标、在轨星上定标和各种替代定标(交叉定标、辐射校正场定标)等[4]。本文详细介绍了不同方法下辐射定标技术的工作基础、基本原理、实施方法和工作流程等内容，比较了部分辐射定标实施方法，并对现有技术进行了简要评价和跟踪展望。

2 辐射定标基础概念

卫星遥感器的辐射定标是将遥感器的测量值转换为绝对亮度或与地表反射率、表面温度等物理量有关的相对值的处理过程[5]。或者说，建立遥感器数字量化输出值与该遥感器所对应视场中的实际地物辐射亮度绝对值之间的定量关系。该过程可以用式(1)表示。

L=f(DN)

(1)

目前，大多数卫星遥感器的辐射定标都采用基于线性响应的假设，即由式(2)表示的定标关系。

Li=ai·DNi+Li0

(2)

当遥感器的辐射响应为非线性时，如采用二次拟合，则辐射定标的表达式如下：

(3)

其中DNi表示遥感器数字量化输出值，无单位。Li是卫星遥感器入瞳处第i通道辐射亮度值，单位为W/cm2·μm·sr(瓦特/平方厘米·微米·球面度)，ai和bi为待定标遥感器第i通道定标系数，Li0则是第i通道暗电流对应的辐射亮度值。

辐射定标的任务就是通过两组遥感器数字量化输出值(一般采用提取观测区内卫星观测像元记数值的平均值和卫星扫描冷空间时的记数值两组数据)及对应的卫星观测高度遥感器入瞳处该光谱通道的辐亮度值，建立线性方程，获得该通道的ai和Li0定标系数。对于可见光近红外波段通常用表观反射率代替辐射亮度进行定标。

3 辐射定标基本方法

常见的辐射定标包括发射前定标(发射前外场定标、实验室定标)、在轨定标(星上定标、场地定标、交叉定标)。这些定标方法都可以用来对卫星遥感器进行绝对辐射定标，它们互有优势和局限性在具体使用时，可采用多种定标方式相结合的方法来弥补缺陷[6]。

3.1 发射前定标

发射前定标是遥感定量化过程的第一步。发射前定标是在载荷研制阶段，利用实验室内部光源或外部太阳光，经过对载荷全面测量，了解载荷各种物理参数的过程，包括辐射量级、遥感器本身调制传递函数特性(Modulation Transfer Function，MTF)、各谱段噪声特性等。发射前定标是在轨辐射定标的基础，由于发射前定标可利用各种高精度仪器设备对遥感器的辐射特性及定标系数进行测量，其定标精度要高于在轨星上定标和在轨替代定标。

发射前定标按照定标光源分为实验室定标和外场定标两类。前者利用实验室内人造光源，对遥感器进行各项基本参数测量与辐射定标；后者利用太阳光作为光源，将发射前的遥感器挪到外界环境下，利用太阳光进行辐射定标，得到遥感器的辐射定标系数。

3.1.1 实验室定标

实验室定标是整个辐射定标工作的基础，也是评价今后仪器是否发生衰减的依据。实验室定标主要通过积分球、钨灯源在实验室内部对遥感器成像实现，根据积分球已测的辐射能量和对积分球成像图像，得到遥感器各通道的辐射定标系数。整个过程中，又分为光谱定标和辐射定标两个方面。

光谱定标用来获取有关光谱的一些基本特征，如遥感遥感器每个波段的中心波长、带宽、光谱响应函数、半高宽及带外响应等。

辐射定标就是要建立遥感器输出量化值(DN)与遥感器入瞳处辐射亮度之间的模型关系[4]。

可见光近红外波段实验室定标方法发展情况可归纳如下：传统积分球定标方法(图1(a))一般采取“黑体-标准灯-光谱辐射计-传递积分球-末级积分球-卫星遥感器”的传递链。其实，该波段卫星遥感器更适用于基于探测器的定标方法(图1(b))，其定标过程为：低温绝对辐射计-辐亮度标准探测器-末级积分球-卫星遥感器。基于探测器的定标方法环境条件要求简单，标准探测器不需要中间设备(如漫射板、大功率电源、光谱辐射计等)，在工程研制、预研、发射前总装车间里都可以随时进行定标。另外，便携式标准探测器还可以方便应用于不同卫星遥感器之间的交叉定标，如美国SeaWiFS和MODIS就都利用到了SXR标准探测器。这种定标方法最大的优点在于保证了系列卫星遥感器数据之间的可比较性和连续性，其末级积分球的综合不确定度降低到2%左右。目前已成功应用于如SeaWiFS宽视场水色探测器、MISR多角度成像光谱仪等卫星遥感器的实验室定标之中，美国NASA采用的实验室定标方案也是利用此方法进行定标的[7]。

图1 实验室定标技术方案

3.1.2 发射前外场定标

在实验室定标时，由于室内光源同太阳光谱在光谱形状上有较大的差异，将实验室定标结果直接用于遥感影像的辐射定标可能会产生一定的误差。解决的办法就是利用与太阳光谱分布近似的光源进行标定。外场定标直接以太阳作为光源，其辐射亮度、光谱特性与地表和云顶反射特性相当一致，无须研制高精度积分球和太阳模拟器，也避开了光谱和辐射校正等难题，是对实验室定标的有效补充[4]。

目前已利用的发射前外场定标主要有Langley法定标、辐亮度法和基于标准探测器的反射比法[8]。

(1)Langley法定标

以扫描辐射计可见光通道定标为例，该通道地面定标基于比尔-朗伯定律，即太阳光照射到理想的朗伯平面形成朗伯反射，依据扫描辐射计与大气消光系数的关系，在地面测量太阳照射下漫反射板辐射亮度L与辐射计输出信号进而进行外场定标。该方法定标精度取决于大气状况，大气状况很低时，定标精度亦很低。

根据扫描辐射计的输出信号与辐射能量成正比，即

Vλ=Vλ0·e-τ(λ)secθz

(4)

其中，Vλ0是外大气层的太阳辐射下扫描辐射计的输出信号，而Vλ是在一定太阳天顶角下辐射计的输出信号。假定测量期间τ(λ)恒定。对式(4)两边取对数，有

lnVλ=lnVλ0-τ(λ)secθz

(5)

Vλ是经过BRDF修正后的扫描辐射计输出值，θz是测量时的太阳天顶角。所以由Vλ与secθz构成的Langley图可以确定τ(λ)及Vλ的值。又根据已知漫反射板的反射率可以确定Vλ0与ρ的关系。进而根据定标关系式(6) 确定定标系数A和B。

ρ=A·Vλ0+B

(6)

(2)辐亮度法

对于位移不变的线性光学传感器系统，其辐射量的输入L与传感器系统输出信号V成正比：

V=AL+N

(7)

其中，V为传感器系统的测量电压值；L为光源的辐亮度；N为传感器系统的噪声；A为传感器系统的响应率。

辐亮度法定标是以辐射标准为基准，通过辐射标准的传递，建立扫描辐射计可见光通道遥感器系统输出与对应输入辐射量的关系，通过对不同水平辐射量(遮挡、不遮挡以及太阳高度角随时间变化)的测量，按照线性拟合，确定遥感器系统响应率和噪声水平。该方法需要精确已知扫描辐射计相对光谱响应率，且辐射标准传递探测器采用灯-板定标系统，其本身定标误差为5%左右。

(3)基于标准探测器的反射比外场定标

为了减小上述两种方法中不利因素的测量误差，引入了基于标准探测器的反射比外场定标法。该方法继承了辐亮度法不受大气状况影响的优点，同时也摒弃了辐亮度法需要精确已知扫描辐射计各通道相对光谱响应率，辐射标准传递探测器定标精度低的缺点，通过筛选波长，采用积分中值定理推导出在一定的精度范围内，卫星可见光通道的漫射板反射辐亮度与漫射板的某一单波长反射辐亮度成正比，从而可以利用高精度辐亮度标准探测器对应波段的探测器的响应替代待标定扫描辐射计宽波段响应直接求出定标系数。

这种采用不依赖于扫描辐射计可见光通道光谱响应函数、降低对定标过程中的天气依赖程度的基于标准探测器的反射比定标法，是一种新型的独立于扫描辐射计可见光通道光谱响应函数的外场定标法[4]。

3.2 星上定标

卫星遥感器在运输、发射过程中，由于随机振动、加速度冲击及物理环境的变化等因素，不可避免地会影响遥感器的光机结构参数。此外，遥感器长期在轨运行期间，光学元件效率的下降、探测器及电子器件的老化等都会造成遥感器响应度的下降，进而改变了遥感器飞行前的辐射特性，继续使用发射前的定标系数可能会对数据产生较大误差。因此，在卫星飞行期间必须对仪器进行重新标定，即星上定标。

星上定标也称内定标，其发生在卫星发射升空之后，利用卫星上搭载的定标系统对遥感器进行定标。星上定标的作用是长期监测遥感器响应的衰变以及对阵列遥感器响应均匀性进行校正。星上定标系统作为卫星遥感器设计中的重要组成部分，诸如 CZCS海色扫描仪和MODIS中分辨率成像光谱仪等卫星遥感器都安装有星上定标系统。又如Landsat就利用卫星上搭载的三个标准光源和一个黑体辐射器分别对TM的可见光、近红外和热红外波段进行定标，只不过这种定标方法光路不同且定标系统会老化。

星上定标方案的发展历程也是从基于辐射源定标向基于探测器定标[9]转变。早期的星上定标方法(图2(a))利用标准灯照射反射率已知的漫射板，将其转化为辐亮度的卫星遥感器定标方法。由于标准灯和漫射板只能从光路中间某个部位切入，造成不能全光路定标的最严重缺陷。漫射板如若可收展且将放置于光路最前端，用太阳代替标准灯，即可实现全光路定标(图2(b))。基于探测器定标系统一般采用积分球和标准探测器等组成。积分球的功能是提供均匀面光源，其满足全孔径和全视场星上定标要求，而标准探测器的作用则是分别监测和测量定标光源的稳定性和绝对辐亮度，从而实现绝对辐射定标。标准探测器使得定标的绝对不确定度降低到2%[7]。

图2 基于辐射源的两种星上定标方案

月球是除太阳外最亮最大的光源，依靠反射太阳而发光，其光谱特性与太阳光谱和自身吸收、反射特性有关。利用月球进行定标，需要精确计算出观测角度和天体距离等的影响，并获得准确的月球光谱分布。但是到目前为止，月球辐射的光谱特性仍然不清楚。

目前月球定标方法已应用于对太阳漫射板进行衰减评价与监测。由于月球盈亏角度、平衡摆动以及日月距离变化所引起的月球表面反射率的变化小至可以忽略，使得月球表面的有效反射率可以认为基本恒定。这样，通过测量月球表面反射的太阳辐亮度与漫射板获取的太阳辐亮度数据相比较，就可以判定太阳漫射板的衰减程度，得到漫射板的衰减数据，并以此作为对漫射板衰减的校正依据[4]。

3.3 场地定标

场地定标也称外场定标，指卫星在轨正常运行时，利用天然地表或人工大面积均匀辐射的校正场同步测量大气参数，进而对卫星遥感器进行定标。定标中辐射校正场的选择原则是：具有目标相对较亮且目标反射率大于0.3、目标海拔在1km以上、具有非常好的空间均一性的大面积平坦地面，季节性变化较小，场区附近交通便利等一般要求[10]。基于上述要求，多选光谱响应稳定的海洋、沙漠、云、雪、干涸的湖、冰壳和月亮等作为定标场地，如美国NASA和亚利桑那(Arizona)大学在新墨西哥州的白沙和加利福利亚州的爱德华空军基地干湖床上建立的辐射定标场；法国在马赛市附近建立Lacrau辐射定标场；加拿大的Newell Country辐射校正场[11]；定标AVHRR的利比亚沙漠辐射定标场；定标SPOT影像的北非沙漠辐射定标场[12]等。目前基于场地的辐射定标方法对可见光-近红外波段的定标精度达到了3%～5%。我国结合国外经验和辐射定标场选择条件，已建成位于敦煌和青海湖的国家遥感卫星定标场地，陆续建成的还有内蒙古贡格尔草原、内蒙古达里湖、云南思茅雨林、云南丽江可见光定标场等。下面简要介绍下敦煌和青海湖两个国家遥感卫星定标场地的定标优劣势。

敦煌沙漠辐射定标场主要用于可见光-近红外波段的辐射定标，具有场地地域开阔，地形平坦；场地地物类型均一(沙漠和戈壁)且稳定；大气干洁无污染；晴天日多，光照条件好等优势。但晴天日相对集中在秋、冬两季；地物虽均一，但地表面十分脆弱；场地总悬浮微粒(TSP)的不稳定性，影响对大气光学厚度的测量。青海湖辐射定标场主要用于热红外波段的辐射定标，该定标场的优势有：湖面开阔，面积大；湖水深度大，表面温度变化小；大气无污染；青海湖中水生生物少。但同时也具有大风日较多，晴天日较少；冬季湖面会冰封，气温酷冷等劣势。

3.3.1 场地定标工作原理

当卫星搭载遥感器飞过定标场地上空时，在定标场地上选择若干个像元区，测量遥感器对应的地物各波段光谱反射率和大气光谱等参量，并利用大气辐射传输模型(如6S、LOWTRAN、MODTRAN等)计算出遥感器入瞳处各光谱带的辐射亮度，最后确定它与遥感器对应输出的数字量化值的数量关系，求解定标系数，并估算定标不确定性。其中6S大气辐射传输模型一般应用于可见光-近红外波段的辐射定标，而热红外波段的辐射定标则常利用的是MODTRAN大气辐射传输模型。一般流程图如图3所示。

图3 场地定标基本流程图

3.3.2 场地定标主要方法

(1)反射率基法

在卫星过顶时同步测量地面目标反射率因子和大气光学参量(如大气光学厚度、大气柱水汽含量等)，然后利用大气辐射传输模型计算出遥感器入瞳处辐射亮度值。该方法相比辐亮度法和辐照度法，精度较高，测量的参数相对较少，但所需参量必须严格按照同步观测获取[13]。以可见光-近红外通道的外场定标为例，其基本原理如下：

(8)

其中，ai，bi分别表示i通道的增益和偏置。

遥感器i通道入瞳处的大气顶层表观反射率表示为：

(9)

式中d表示卫星获取影像时真实的日地距离和日地平均距离之比；θs表示卫星获取影像时的太阳天顶角；Eo,i表示遥感器单通道大气层外太阳辐照度，又称为波段太阳常数。

(10)

将地表反射率、大气特征参数以及观测几何条件等参数输入6S大气辐射传输模型，可以获得遥感器入瞳处大气顶层的表观反射率[14]。再将卫星分别观测外场和冷空间的表观反射率(冷空间的表观反射率等于零)与卫星观测同样目标得到的计数值进行拟合，利用最小二乘法获得标定系数ai和bi。基本流程如图4所示。

图4 基于反射率基法的可见光-近红外通道定标流程图

(2)辐亮度法

采用经过严格光谱与辐射标定的辐射计搭载在飞机平台上，与卫星遥感器观测条件一致，同步测量目标物的辐射度，根据辐射计和遥感器间的大气影响，对测得的辐射亮度进行定标。

辐亮度定标法具有以下三个特征：①测量用辐射计必须提前进行绝对辐射标定，最终辐射定标系数的误差以辐射计的标定误差为主；②因仅需对飞行高度以上的大气进行订正，回避了低层大气的订正误差，有利于提高定标精度；③飞机上搭载的辐射计地面视场广，瞬间连续获取大量数据，所以对场地表面均匀性要求降低[15]。

(3)辐照度法

又称改进的反射率法，所用的输入量除反射率法所需的输入量外，还需要测量向下到达地面的漫射辐射与总辐射比值确定卫星遥感器高度的表观反射率，进而确定出遥感器入瞳处辐射亮度。这一比值包含了气溶胶的散射特征，以实测的辐照度比代替了反射率基法中计算气溶胶散射的假定和反演，它可以减少因气溶胶近似而产生的误差。此方法使用解析近似方法来计算反射率，从而大大缩减了计算时间和计算复杂性。基本流程如图5所示。上述三种场地定标方法的性能比较见表1。

图5 辐照度定标法流程图

表1 三种外场定标方法性能对比表

3.4 交叉定标

交叉定标指以时空尺度相差不大且对应通道设置基本一致的经过遥感器定标的遥感数据作为参考，对其它遥感器数据进行定标，即用较高定标精度的卫星通道标定较低精度卫星通道的方法[16]。

交叉定标适用于待定标和已定标的两类遥感器，其波段设置类似，且二者的空间分辨率接近，量化等级相同。而已定标遥感器经过严格的发射前定标、长期在轨监测和定期场地绝对定标，有很高的辐射定标精度[17]。不同卫星通道的交叉定标流程如图6所示。但对参考遥感器和待定标遥感器之间的通道设置、通道光谱响应函数、空间分辨率、过境时间、回访周期、几何配准精度等方面有严格要求，并且定标精度极大地依赖于参考遥感器自身的绝对辐射定标精度[18]。所以交叉定标时必须对其相应通道进行光谱修正，以减少两者光谱差异。

交叉定标优点在于定标成本较低，无需建立地面定标场，可以实现高频次、多遥感器之间的辐射定标，是目前发展较快的定标方法，已经广泛用于AVHRR、MODIS等遥感器的辐射定标。但由于反射波段对于目标的双星反射特性BRDF修正很难解决，所以，可见光近红外遥感器的交叉定标基本没有实现业务化的先例。所以交叉定标主要用于红外波段的定标。

图6 交叉定标流程图

4 结束语

鉴于辐射定标对于遥感资料定量化分析的重要性，可以看出，要得到高准确度的遥感资料，必须要从发射前实验室定标、星上定标和长期在轨定标等多方面入手共同提高辐射定标精度。另外，外场定标作为定标技术中实用有效的一种，由于敦煌和青海湖国家遥感卫星辐射定标场在时间上的限制(如青海湖湖面结冰期)，而全球卫星发射计划越来越密集，另外选取备用辐射定标场也是发展趋势。

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