基于超光谱比值辐射仪的卫星自动化场地定标与分析

刘恩超、李 新、韦 玮、翟文超、张艳娜、郑小兵

中国科学院安徽光学精密机械研究所、中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室、安徽 合肥 230031

基于超光谱比值辐射仪的卫星自动化场地定标与分析

刘恩超、李 新、韦 玮、翟文超、张艳娜、郑小兵

中国科学院安徽光学精密机械研究所、中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室、安徽 合肥 230031

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。

遥感卫星； 自动化定标； 超光谱辐射仪； 大气光学参数； 地表反射率

引 言

从“十二五”开始、我国光学遥感卫星的数量、种类和定标精度均有大幅度的提升需求。有效卫星载荷在轨期间的性能衰变是持续的、只有保证载荷得到及时的校准和校正、才能区分地球系统的真实变化与载荷自身的衰变。在目前的业务化场地定标过程中、地表参数的测量均采用人工方式、受天气条件、人力、物力的限制、目前我国的地面定标试验基本维持在每年一次的频度、低频度的定标难以提供及时和充足的样本数据以判断载荷的衰变程度。

针对光学遥感卫星高频次、高时效和高精度定标的新技术需求、采用人工方式已难以满足当前的定标需求、为此国际上提出了自动化定标的思路、采用无人值守的自动化观测设备、实现场地和大气参数的全自动观测、实现遥感卫星实时的衰减校正能力。近年来、国内外研究机构开始研发和布设自动化观测设备并开展了自动化定标应用试验、初步结果表明自动化定标可以达到人工定标的精度[1-3]。

在美国航空航天署(NASA)的支持下、喷气推进实验室(JPL)采用通道式地面自动观测辐射计[1,4-5]LSpec和CE318、并通过自动化定标试验实现了对MODIS、Landsat ETM+、IKONOS的定标[6]、并与在铁路谷(RRV)进行的人工定标结果做了交叉比对、两者差别最大为5%。法国国家空间技术中心(CNES)在La Crau试验场[7]设立了自动站(ROSAS)、针对SPOT的各个波段、采用CEMEL公司的太阳辐射计观测地面反射和天空入射、已用于SPOT的在轨业务定标。美国亚利桑那大学将地面观测光谱辐射计布设在内华达州铁路谷辐射校正场(RadCaTS)[8-10]、实现了对Aqua MODIS、Terra MODIS、MISR、ASTER、Landsat7 ETM+和Landsat8 OLI等遥感器的定标。目前、我国对自动化定标方法的研究还在起步阶段、场地定标主要采用人工操作、很难支持未来全国乃至全球卫星定标的应用需求。中国科学院安徽光学精密机械研究所针对场地自动化定标的需求、已经逐步完成了超光谱比值辐射仪、自动化观测辐射计[11]等自动化设备的研制、并开展了自动化定标方法研究。同时、中国气象局国家卫星气象中心开展了敦煌辐射校正场自动化观测试验、于2015年建设了自动化观测基地并投入了使用、为自动化定标奠定了基础。

光学载荷场地定标技术经过近30年的发展、形成了以反射率基法、辐照度基法为核心的基本定标方法。针对光学遥感卫星自动化场地定标的新技术需求、安徽光机所研制了一套自动化地面定标系统-超光谱比值辐射仪、实现大气-地表辐射特性的自动观测、定标数据实时预处理、智能自主控制、远程传送等功能集成、为实现卫星遥感器的自动化定标奠定了技术基础。针对场地定标中对大气光学参数、地表反射率的需求、超光谱比值辐射仪利用积分球测量光谱总照度[12]、并通过遮挡的方式实现了光谱漫照度的测量、同时、利用光学镜头的方式实现了地面辐亮度的测量、为卫星传感器的辐射定标提供了数据支持。超光谱比值辐射仪在2015年8月参加了国家卫星气象中心组织的敦煌辐射校正场卫星定标试验、得到了理想的应用效果并测量到正确的数据。针对测量的数据、利用辐照度基法对Aqua MODIS光学遥感器进行了场地定标[13]、对比验证结果满足仪器满足设计要求、初步实现了卫星传感器自动化定标的功能需求。

1 超光谱比值辐射仪介绍

针对卫星遥感器场地定标的地表参数的需求、超光谱比值辐射仪可以实现地面光谱反射率观测、天空光漫射照度/总照度比(漫总比)测量； 为了保证仪器运行过程中的实时校正、辐射仪开发了辐射/光谱自校准功能； 为了实现辐射仪无人值守的自动化运行目标、结合敦煌辐射校正场位置偏僻、信号弱的功能、仪器开发了基于北斗无线通信的远距离数据传输与控制功能、并为辐射仪配备了太阳能供电、实现仪器的单机自动化运行。系统的结构组成如图1所示。

图1 超光谱辐射仪系统图

超光谱比值辐射仪的入射光匀光积分球设计有两个入光孔和一个出光口、其中上入光孔用于观测天空入射光、下入光孔与反射观测镜头相连接用于观测地面反射、采用切换方式分时切入两路入射光、通过出光口处的光纤束导入分光探测模块。仪器设计的特点是天空辐照度观测和地面反射辐亮度观测共用一套积分球和分光探测系统、一套观测设备可以实现天空光漫射辐照度/总辐照度比值及地面反射率的全自动测量、避免了光谱匹配误差和传统测量方式的仪器间系统误差、可以提高现场的观测精度和辐射传输计算及定标应用的精度。

超光谱比值辐射仪的工作模式主要采用如下两种：

(1)大气特性观测模式：包括天空总照度、漫射照度、天空光漫总比和大气光学厚度观测、该观测模式全面的反映了场地大气光学特性、准确表征场地的大气类型、有效提高辐射传输计算的精度。

大气光学特性观测要求仪器处于水平状态、在天空光切入、不遮挡情况下实现入射总照度Et(λ)的测量、如图2(a)所示； 在遮挡积分球入光孔直射情况下、实现测量天空漫射光照度Edif(λ)的测量、如图2(b)所示； 漫射照度与总照度测量值之比即为漫总比R(λ)、见式(1)。全照度、漫射照度、直射照度及漫总比的现场测量直接反映了场地的气溶胶类型、辐射传输计算时不需要假定气溶胶模式参数、减小了辐射传输计算的不确定度。

(1)

图2 大气特性观测模式

总照度测量与漫射照度值之差为太阳光透过大气层到达地面的直射照度、见式(2)、太阳光照度的衰减符合郎伯-比尔定律、如式(3)所示。

E(λ)=Et(λ)-Edif(λ)

(2)

E(λ)/cos(θs)=E0(λ)(d0/d)2exp[-mτ(λ)]

(3)

式中、E(λ)为地面测量的太阳直射辐照度、E0(λ)为大气上界的太阳直射辐照度、d0/d为日地平均距离修正因子、m为大气质量、τ(λ)为大气光学厚度、θs为测量时刻的太阳天顶角。式(3)中、仪器经过定标后仅τ(λ)为未知量、根据地面测量值即可得到现场的大气光学厚度、计算方法如式(4)所示。

τ(λ)=(1/m)×[lnE0(λ)-ln(E(λ)/cosθs)+2ln(d0/d)]

(4)

(2)地表反射率观测模式：该模式测量地面辐亮度、根据天空总照度的测量结果、计算得到地表反射率数据、为场地定标提供必要的输入参数。

地面反射率观测需要仪器水平放置并保证地面反射光切入、测量获得地面反射亮度L(λ)、如图3所示。反射测量值与模式(1)总照度测量值之比即为地表反射率、见式(5)。由观测原理可知、对地反射率测量与天空光测量在进入光纤束之后的光路完全一致、测量过程通过一个仪器完成地表反射率的测量、可以避免测量引起其他的仪器或设备误差对测量结果造成影响、且仪器自主运行过程中实现地表反射率的单机测量、实现了自动化测量功能、为辐射仪的一个创新点。

(5)

图3 地表反射率观测模式

2 自动化定标数据分析

2.1 辐照度基法简介[14]

卫星遥感器绝对辐射定标的最基本方法为反射率基法、这种方法以测量的地表反射率和大气参数计算得到表观辐亮度、不过引入了气溶胶散射的一些近似。近年来、随着敦煌辐射校正场周围的开发、场地定标期间气溶胶的变化较大、我们在卫星定标中多采用辐照度基法进行计算、这种方法在测量需要的地面反射率、大气特性参数外、还需要漫总比的测量、下面对辐照度基法的定标原理做简单说明、为后续数据说明应用原理。

卫星传感器在空间测量波长λ处的辐亮度Lλ(θv,θs,φv-φs)、可以表示为表观反射率、如式(6)所示，

(6)

其中E0λ是大气外界的太阳辐照度、θv,θs,φv和φs分别代表观测的和太阳的天顶角和方位角、μs=cosθs。

对于反射率为ρ的均匀朗伯地表、卫星传感器的表观反射率为式(7)，

ρ*(θv，θs，φv-φs)=Tg(μs，μv)×

(7)

其中τ是总的大气散射透过率、ρA是大气内反射率、S是大气的球面反照率、Tg是气体吸收透过率。

根据辐射传输方程和地面接收辐照度的分解、太阳-目标的透过率、卫星-目标的透过率可以表示为式(8)和式(9)，

(8)

(9)

其中δ为大气光学厚度、αs和αv分别为太阳方向和观测方向的漫总比。

将式(8)和式(9)代入式(7)中、可以得到式(10)、辐照度基法就是将测量的地表反射率、大气参数、漫总比代入式(10)中、Tg、ρA和S利用6S模式进行计算、最终根据表观反射率数据得到卫星传感器入瞳处的表观辐亮度、完成卫星传感器的定标过程。

ρ*(θv，θs，φv-φs)=Tg×

(10)

2.2 地表反射率自动化测量

卫星传感器的场地定标是基于地表反射率的实测值、利用辐射传输模式推算到传感器入瞳处得到表观反射率、根据传感器测量的DN值完成辐射定标。我国在场地定标开始至今、地表反射率的测量多采用ASD[15]、SVC[16]等手动测量仪器、这种仪器是国内外定标中常用的仪器、在历年来的场地定标中也得到了验证、不过仪器的操作一直采用人工控制的测量方式、测量原理是基于地表辐亮度和漫反射板的辐亮度结果进行比值得到。超光谱比值辐射仪的研发首要就是解决地表反射率的自动化测量问题、根据漫反射板辐亮度和总照度的理论关系、设计了一个仪器、两个入光孔的设计思路、分别测量地表辐亮度和入射总照度的结果、最终推算出地表反射率的测量值、实现自动化测量的目的。

在2015年敦煌辐射校正场的试验中、选取了8月19日的数据进行了对比分析 、如图4所示。图中给出了超光谱辐射仪、SVC和自动化观测辐射计[11]相同时间的地表反射率的测量结果、其中在400～1 000nm波段超光谱辐射仪与SVC的偏差小于0.5%、在1 000～1 600nm之间两者的偏差小于1.5%、近红外波段的偏差较大是由于测量地面的差异对红外波段影响较大引起。从数据比对结果可以得出、超光谱比值辐射仪自动化测量的地表反射率基本可以代替SVC人工测量的数据进行应用、在利用辐射仪的地表反射率对Aqua MODIS进行定标时、测量值需与Aqua的光谱响应函数进行卷积、得到不同通道的地表反射率、计算得到的Aqua MODIS的通道1～5的地表反射率如表1所示。

图4 地表反射率测量数据

表1 Aqua MODIS通道1～5的等效地表反射率

2.3 大气特性测量

大气特性可以完全反应卫星传感器定标过程中的天气状况、为了对比值辐射仪的辐照度结果做出评价、选定无云、气溶胶较小的天气条件下、通过实验与光谱辐照度仪的光谱测量结果、MODTRAN模拟结果作了对比。超光谱比值辐射仪、光谱辐照度仪都经过了实验室辐射定标、可以推算出不同波长下的地面太阳光谱辐照度。利用MODTRAN进行总照度模拟时、选用了与6S计算相同的550 nm的气溶胶光学厚度(0.170)作为输入参数。

图5中给出了400～2 400 nm波段的对比辐照度值、由图中可以看出、三者得到的地面光谱辐照度结果太阳辐照度趋势一致、在水汽吸收峰和氧气吸收峰上测量辐照度值明显减小、吸收峰的波长值相同、证明了仪器在设计原理和波长定标中的正确性。不过两个仪器的测量绝对值存在5%的偏差、考虑到两者测量的时间、地点一致、判断为辐射定标引起的偏差。与MODTRAN的模拟结果偏差考虑是由辐射传输模式计算引起、计算是大气类型、臭氧、水汽的绝对量的偏差都会造成最终结果的偏差。

图5 太阳光谱总照度的对比

2.4 漫照度/总照度测量

在利用辐照度基法进行卫星传感器的场地定标时、通过漫总比数据来描述下行和上行路径上的大气透过率、即太阳方向漫总比和卫星观测方向漫总比。太阳方向漫总比利用辐射仪直接观测的数据、与卫星传感器的光谱响应函数进行卷积得到。设定卫星过顶时刻的太阳天顶角和卫星观测天顶角分别为θs和θv、在大气条件稳定时卫星观测方向漫总比等同于太阳天顶角θs=θv时刻的漫总比、根据漫总比与大气质量数的线性关系、需要经过外推或内插得到卫星观测方向漫总比。

图6中给出了卫星过顶时刻辐射仪测量的漫总比数据、图6(b)中为辐射仪与太阳辐照度仪的漫总比对比曲线、根据数据比对、400～900 nm波段两者的绝对偏差不大于0.015%、900～1 300 nm波段的数据对比不太理想、这是由于太阳辐照度仪的线性定标引起、比值辐射仪数据符合漫总比数据规律、最终采用过顶卫星与漫总比数据如表2所示。

图6 漫总比测量数据

表2 漫总比数据

2.5 仪器自动化测量数据

如前面多次提到、超光谱比值辐射仪设计的目的是实现自动化的场地定标、这对仪器的可靠性、稳定性要求很高、在2015年为期14天的敦煌试验中、辐射仪经受了高温、高风沙的恶劣环境考验、测量得到了场地定标需要的有效数据。前面已经给出了关于场地定标需要参数的数据结果、并进行了对比、图7给出了定标测量时间内测量的数据、在图7(a)中给出了不同时刻的总照度的结果、可以看出仪器在12点15分到19点13分的时间内工作稳定、并且从图7(a)的几个波长随时间的变化可以看出、光谱总照度随时间呈余弦特性、并且测量数据平滑、其中在18点30分天气有云时、仪器也有相应的变化。

图7 自动化测量数据

3 卫星场地定标应用

为了验证超光谱比值辐射仪在卫星自动化场地定标中的应用效果、利用8月19号的测量数据对Aqua MODIS进行了定标。根据卫星过顶时刻的大气参数、如表3所示、结合计算的表1中的MODIS的等效地表反射率、表2中的太阳和卫星角度的漫总比数据、利用6S辐射传输模型、基于辐照度基法进行了计算、得到了各波段的表观辐亮度、如表4中所示。

利用GPS数据进行星地测区几何校准、提取测区的2×2像元并取平均值、结合星上定标系数可获得MODIS观测到的表观辐亮度、同时利用人工测量的数据进行了Aqua MODIS的场地定标、同样得到了传感器入瞳处的表观辐亮度、如表4中所示。根据超光谱比值辐射仪自动化测量数据的定标结果、人工测量的定标结果以及计算得到的相对偏差可以看出、通道1～4的相对偏差在1%以内、定标结果的一致性很好、通道5波段的偏差较大、误差主要来源于测量过程中地表反射率的差异对近红外波段的影响。

表3 卫星过顶时刻的大气参数

表4 定标计算的与Aqua测量的表观辐亮度

Table 4 Top-of-atmosphere spectral radiance between Aqua MODIS and calibration results

通道表观辐亮度/(W·m-2·sr-1·μm-1)MODIS辐射仪人工测量Relativedeviation/%198.330100.0299.840.18265.10767.1866.630.823108.577108.85108.690.154103.013104.19103.280.87533.81237.9835.237.24

4 结 论

近年来随着我国光学遥感卫星的数量、种类和定标精度的提升、采用人工方式进行的业务化场地定标已不能及时反映卫星载荷的衰变。通过调研国际上开展的自动化定标思路、安光所开展了卫星传感器的自动化定标试验、并研制了超光谱比值辐射仪自动化定标系统。比值辐射仪实现了大气-地表辐射特性的自动观测、仪器的智能控制、数据远程传输的自动化功能。针对场地定标中对大气光学参数、地表反射率的需求、超光谱比值辐射仪利用光学镜头的方式实现了地面辐亮度的测量、与SVC的测量相对偏差在0.5%～1.5%。利用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的测量、与光谱辐照度仪的总照度偏差小于5%、漫总比绝对偏差不大于0.015%。

超光谱比值辐射仪在2015年8月参加了敦煌辐射校正场卫星定标试验、得到了理想的应用效果并测量到正确的数据。针对测量的数据、利用辐照度基法对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。不过辐射仪在1 600～2 500 nm波段的信号还没有达到完全应用的效果、下一步的工作中需要继续改进、尽早实现卫星传感器的自动化定标业务运行。

[1] Czapla-Myers J S,Thome K J,Biggar S F. Applied Optics,2008,47(36): 6753.

[2] Czapla-Myers J S,Thome K J,Buchanan J H. Earth Observing Systems Xii、2007,6677: U6770.

[3] Schmechtig C,Santer R,Roger J C,et al. Sensors,Systems,and Next-Generation Satellites. 1997,3221: 309.

[4] Anderson N J,Czapla-Myers J S. Earth Observing Systems Xviii,2013,8866.

[5] Kerola D X,Bruegge C J,Gross H N,et al. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2009,47(4): 1244.

[6] Czapla-Myers J S,Thome K J,Anderson N J,et al. Earth Observing Systems Xiii、2014,7061.

[7] Rondeaux G,Steven M D,Clark J A,et al. International Journal of Remote Sensing,1998,19(14): 2775.

[8] Thome K,Smith N,Scott K,et al. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing、2001,1: 1209.

[9] Thome K J. Remote Sensing of Environment,2001,78(1-2): 27.

[10] Czapla-Myers J S,Leisso N P,Anderson N J,et al. Algorithms and Technologies for Multispectral,Hyperspectral,and Ultraspectral Imagery Xviii,2012,8390.

[11] Li X,Yin Y P,Liu E C,et al. Proc. of SPIE,2014,9264(0V): 1.

[12] OL754 Portable Spectroradiometer. 2001.

[13] Thome K J,Czapla-Myers J S,Biggar S F. Earth Observing Systems Viii. Vol. 5151,Barnes W L,Ed.,ed,2003. 395.

[14] HU Xiu-qing,ZHANG Yu-xiang,QIU Kang-mu(胡秀清,张玉香,邱康睦). Journal of Remote Sensing(遥感学报),2003,7(6): 458.

[15] Analytical Spectral Devices,Inc. (ASD) Technical Guide. 1999.

[16] SVC on Land or Under the sea GER 1500. 2006.

Automatic Field Calibration and Analysis of Satellite Based on Hyper-Spectral Ratio Radiometer

LIU En-chao,LI Xin,WEI Wei,ZHAI Wen-chao,ZHANG Yan-na,ZHENG Xiao-bing

Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization,Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China

With the demand of calibration technology of high frequency and high precision in terms of the optical remote sensing satellite of China,and the deficiency of the artificial work,the automatic system of hyper-spectral ratio radiometer was developed by investigation the calibration situation of domestic and abroad satellite,then the automatic calibration of satellite sensor was carried out. According to the parameters demand of field calibration and the goal of automation,the ratio radiometer was designed to measure global spectral irradiance by integrating sphere,and the diffuse spectral irradiance was measure by the shelter,so the diffuse-global ratio was calculated by these data. Simultaneity the ground radiation was measured with radiometer optical-lens and the automatic observation of atmospheric and surface radiation characteristics was achieved,In addition,the data pre-processing of real-time and remote transmission were integrated in the system. With the field test on the Dunhuang radiometric calibration sites in 2015,the radiometer worked in an ideal way,and the atmospheric optical parameters and surface reflectance data were acquired,which support the calibration of satellite sensor. The comparison with the traditional measurement was carried,the relative deviation of the surface reflectance is less than 5%,and the absolute deviation of the atmospheric parameters is less than 5% and the diffuse ratio is less than 0.015%. According to the measured data and based on irradiance-based method,the field calibration applied to the band 1～5 of Aqua MODIS,the relative deviation of band 1～4 is less than 1% while the band 57.24%,so the requirement of the automatic calibration of the satellite sensor was satisfied preliminarily.

Remote sensing satellite； Automatic calibration； Hyper-spectral radiometer； Atmospheric optical parameters； Surface reflectance

Nov. 9,2015; accepted Apr. 9,2016)

2015-11-09、

2016-04-09

国家(863计划)项目(2015AA123702)和安徽省自然科学基金青年项目(1508085QD80)资助

刘恩超、1985年生、中国科学院合肥物质科学研究院助理研究员 e-mail: liuech@aiofm.ac.cn

TP722

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-4076-06