“资源三号”卫星多光谱相机在轨辐射性能变化监测

刘李 张学文 韩启金 潘志强 曾燕



“资源三号”卫星多光谱相机在轨辐射性能变化监测

刘李1张学文1韩启金1潘志强1曾燕2

（1 中国资源卫星应用中心，北京100094）（2 航天恒星科技有限公司，北京 100190）

为更好的开展遥感数据定量化应用并分析监测载荷在轨期间的性能变化，文章根据“资源三号”（ZY-3）卫星发射以来的在轨场地观测数据，基于场地定标的反射率基法，计算多光谱（MUX）相机2012~2016年的场地定标系数，并提出利用离散系数评价MUX相机辐射性能变化的方法；对ZY-3卫星MUX相机在中国辐射校正场获取的共10次同步试验数据进行了分析，结果显示自2012年发射以来MUX相机辐射特性的衰变在5%左右。

多光谱相机 辐射性能 变化监测 “资源三号”卫星

0 引言

“资源三号”（ZY-3）卫星于2012年1月9日在太原卫星发射中心成功发射，是我国自行研制的民用高分辨率光学传输型立体测绘卫星[1]。ZY-3卫星搭载了三线阵测绘相机和多光谱（MUX）相机，可提供幅宽大于51km、分辨率2.1m全色/5.8m多光谱平面影像和3.5m立体影像。ZY-3卫星MUX相机配置了蓝（B1）、绿（B2）、红（B3）和近红外（B4）4个谱段（图1所示），相机主要技术指标如表1所示[2]。

ZY-3卫星遥感器受发射时的振动、在轨空间环境变化以及元器件电路系统老化等因素的影响，其性能指标（如探测灵敏度、响应度、暗噪声效应）会不断发射变化，这些衰减直接影响着卫星遥感数据的定量产品精度、可靠性和应用效果[3]。因此，利用历史定标数据，长期监测MUX相机在轨辐射特性的变化具有十分重要的意义。通过在轨辐射特性监测，才能够准确的评估MUX相机接收的能量，追踪载荷在轨运行期间辐射性能的变化情况，并及时调整改进辐射定标算法，校正卫星遥感图像的辐射品质和稳定性，确保地物时相变化信息能够被MUX相机有效捕获[4]，从而提高遥感数据定量化应用能力。结合国内外研究现状，目前卫星遥感器在轨绝对辐射定标方法主要有星上定标[5]、交叉定标[6-7]和场地定 标[8]等，我国光学卫星在轨辐射定标试验主要依托敦煌辐射定标场[9-11]开展在轨场地定标。

图1 ZY-3卫星MUX相机光谱响应函数

表1 ZY-3 MUX相机主要参数

Tab.1 Main parameters of ZY-3 MUX camera

场地定标主要包括反射率基法、辐亮度法和辐照度基法。其中，反射率基法是在卫星遥感器过境的同时，在地面开展发射率和大气光学参数的同步测量，利用大气辐射传输模型计算卫星遥感器入瞳辐亮度，结合图像计数值计算遥感器定标系数的方法；辐亮度法是通过将辐射计搭载于具有一定高度的飞行平台以获取飞行高度处的辐亮度，该方法有利于对飞行高度以下的大气影响进行订正，但引入了飞行过程中的观测误差，且试验难度较大；辐照度基法是在反射率基法的基础上增加了漫射辐射度与总辐射度的测量，以实测漫总比值代替反射率基法中的假设值，提高了辐射定标精度，但漫总比参数的测量过程不确定性较大。鉴于此，本文利用场地定标中的反射率基法[2]，通过分析2012~2016年敦煌同步观测试验采集的数据，获取ZY-3卫星MUX相机历史数据的在轨定标系数，进行MUX相机的在轨辐射性能评价和分析。

1 反射率基法

反射率基法主要是在卫星遥感器飞过辐射校正场的前后0.5h内，同步测量地表反射率、大气光学参量及其它参数[13-14]，然后利用辐射传输模型计算卫星遥感器入瞳处辐射亮度值，与卫星遥感器波段光谱响应函数卷积得到卫星遥感器波段处等效辐射亮度值，同时通过在遥感影像上提取的定标场区域的计数值计算定标系数[15]。

ZY-3卫星MUX相机入瞳处所接收的表观辐亮度由大气路径散射（主要包括瑞利散射和气溶胶散射）辐射亮度、目标区反射辐射亮度和邻近目标的散射辐射亮度组成[9]：

依据ZY-3卫星MUX相机各波段光谱响应特点，可计算出相机波段的入瞳处等效辐亮度值，

式中λ为相机波段的等效中心波长；为相机波段的等效辐亮度；为相机波段的光谱响应函数；表示波段的光谱响应的最小波长；表示波段的光谱响应的最大波长。[11]

卫星遥感器辐射探测性能为线性响应时，可假设卫星遥感器观测值和入瞳处的等效辐亮度具有定量关系

式中为定标斜率；为定标截距；DN为卫星遥感器波段的灰度观测值。

根据卫星遥感器观测地面目标时获得的波段观测值与等效辐亮度数据，通过最小二乘法可拟合出遥感器在轨绝对辐射定标系数和，如仅有一个地面目标场地，则假设在轨运行过程中未发生变化，从而确定出定标斜率。[12]

2 试验数据处理及分析

ZY-3卫星MUX相机自2012年发射以来，迄今为止共开展了10次场地定标试验。当其过境敦煌国家辐射校正场时，同步进行了地面反射率光谱测量，测得数据如图2所示。图2中波长1 800nm和2 500nm处有明显的奇异值出现，其原因主要来自于地面光谱仪的硬件（测量使用的地物光谱仪由波长测量范围为1 000~1 850nm和1 850~2 500nm的两组探测器拼接而成）。利用式（2），将光谱仪测得的地表反射率值与MUX相机对应波段的光谱响应函数卷积得到地表等效反射率，如图3所示。

图2 地表反射率

图3 地表等效反射率

大气光学厚度参数由CE318太阳光度计获取，光度计在550nm处瞬时气溶胶光学厚度结果如表2所示。大气光学厚度（AOD），是大气的消光系数在垂直方向上的积分，用来描述气溶胶对光的消减作用，是大气辐射传输中的重要输入参数之一。

然后利用辐射传输模型计算MUX相机入瞳处辐射亮度值，结果如图4所示。其中主场指由砾石组成的具有中等反射率的敦煌国家辐射校正场，高亮场指位于国家辐射校正场北部的由石膏晶体构成的具有高反射率的定标场地。

根据图4和表3中MUX相机入瞳处等效辐亮度值和相机影像灰度值，利用式（3）进行线性拟合，得到MUX相机2012~2016年在轨场地定标系数（图5）。

表2 CE318大气光学厚度观测数据处理结果

Tab.2 AOD results of CE318

（a）高亮场等效入瞳辐亮度 （b）主场等效入瞳辐亮度

表3 MUX相机影像灰度值

Tab.3 DNs of the sensor image of MUX camera

计算MUX相机历年（2012~2016年）在轨场地定标系数，并通过离散系数来分析MUX相机在轨辐射性能的历史变化特征。离散系数是衡量数据资料中各样本值变异程度的统计量，通常采用标准偏差与平均值的比值来表示[16]。MUX相机B1~B4波段定标系数的离散系数计算结果见表4。由表4可知，ZY-3卫星MUX相机自发射以来，蓝绿波段衰减小于5%，辐射性能变化相对稳定；红光波段和近红外波段衰减大于5%，相对蓝绿波段变化略大，但仍小于6%，可见相机整体性能相对稳定。

图5 ZY-3卫星MUX相机历年场地定标系数

表4 MUX相机场地定标系数

Tab.4 Site calibration coefficient of MUX camera

3 结论

本文首次提出针对ZY-3卫星MUX相机2012~2016年在轨期间的辐射特性进行评价分析，利用中国敦煌辐射校正场的敦煌石膏场和戈壁场的历史实测数据，开展基于中国敦煌辐射校正场地的ZY-3卫星MUX相机历史数据再定标，得到时间序列定标系数，并通过统计变量离散系数对MUX相机定标系数进行分析评价。结果表明：1）利用离散系数能够评价MUX相机辐射性能变化；2）ZY-3卫星MUX相机自2012年发射以来辐射特性的衰变在5%左右。本文提出的辐射性能在轨监测方法弥补了国内卫星长时间性能变化监测的缺失，对后续国产陆地观测卫星开展长时间序列的在轨辐射性能监测具有借鉴意义。

[1] 唐新明, 张过, 祝小勇, 等. “资源三号”测绘卫星三线阵成像几何模型构建与精度初步验证[J]. 测绘学报, 2012, 41(2): 191-198. TANG Xinming, ZHANG Guo, ZHU Xiaoyong, et al. Triple Linear-array Imaging Geometry Model of Ziyuan-3 Surveying Satellite and Its Validation[J]. Acta Geodaeticaet Catographica Sinica, 2012, 41(2): 191-198. (in Chinese)

[2] 李德仁, 王密. “资源三号”卫星在轨几何定标及精度评估[J]. 航天返回与遥感, 2012, 33(3): 1-6. LI Deren, WANG Mi. On-orbit Geometric Calibration and Accuracy Assessment of ZY-3[J]. Spacecraft Recovery &Remote Sensing, 2012, 33(3): 1-6. (in Chinese)

[3] THOME K J. Absolute Radiometric Calibration of Landsat-7 ETM+ Using the Reflectance-based Method[J]. Remote Sensing of Environment, 2001, 78: 27-38.

[4] MISHRA N, HELDER D, ANGAL A. Absolute Calibration of Optical Satellite Sensors Using Libya-4 Pseudo Invariant Calibration Site[J]. Remote Sensing, 2014, 6(2): 1327-1346.

[5] XIONG X. An Overview of MODIS Radiometric Calibration and Characterization[J]. Adv. Atmos. Sci., 2006, 23(1): 69-79.

[6] CHANDER G, HEWISON T J, FOX N, et al. Overview of Intercalibration of Satellite Instruments[J]. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 2013, 51(3): 1056-1080.

[7] WANG Zuo, XIAO Pengfeng, GU Xingfa, et al. Uncertainty Analysis of Cross-calibration for HJ-1 CCD Camera[J]. Science China (Technological Sciences), 2013, 56(3): 713-723.

[8] ANGAL A, XIONG X, WU A, et al. Multitemporal Cross-calibration of the Terra MODIS and Landsat 7 ETM+ Reflective Solar Bands[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2013, 51(4): 1870-1882.

[9] LI Xiaoying, GU Xingfa, MIN Xiangjun, et al. Radiometric Cross-calibration of the CBERS-02 CCD Camera with the TERRA MODIS[J]. Science China Technological Sciences, 2005, 48(S2): 44-60.

[10] ROY D P, WULDER M A, LOVELAND T R, et al. Landsat-8: Science and Product Vision for Terrestrial Global Change Research[J]. Remote Sens. Environ., 2014, 145: 154-172.

[11] 张学文, 傅俏燕, 韩启金, 等. “资源三号”多光谱传感器场地辐射定标与验证[J]. 光谱学与光谱分析, 2014, 34(9): 2476-2480. ZHANG Xuewen, FU Qiaoyan, HAN Qijin, et al. The Field Radiometric Calibration and Validation of ZY-3 Multispectral Sensor[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2014, 34(9): 2476-2480. (in Chinese)

[12] 韩启金, 傅俏燕, 潘志强, 等. “资源三号”卫星靶标法绝对辐射定标与验证分析[J]. 红外与激光工程, 2013, 42(S1): 167-173. HAN Qijin, FU Qiaoyan, PAN Zhiqiang, et al. Absolute Radiometric Calibration and Validation Analysis of ZY-3 Using Artificial Targets[J]. Infrared and Laser engineering, 2013, 42(S1): 167-173. (in Chinese)

[13] CHANDER G, MARKHAM B L, HELDER D L. Summary of Current Radiometric Calibration Coefficients for Landsat MSS, TM, ETM+, and EO-1 ALI Sensors[J]. Remote Sens. Environ., 2009, 113(5): 893-903.

[14] HUANG C, GOWARD S N, MASEK J G, et al. An Automated Approach for Reconstructing Recent Forest Disturbance History Using Dense Landsat Time Seriesstacks[J]. Remote Sens. Environ., 2010, 114(1): 183-198.

[15] THOME K J, HELDER D L, AARON D, et al. Landsat-5 TM and Landsat-7 ETM+ Absolute Radiometric Calibration Using the Reflectance-Based Method[J]. IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing, 2004, 42(12): 2777-2785.

[16] 韩启金, 潘志强, 王爱春. 民用遥感卫星载荷在轨辐射定标与定量应用[J]. 航天返回与遥感, 2013, 34(2): 57-65. HAN Qijin, PAN Zhiqiang, WANG Aichun. In-orbit Radiometric Calibration and Quantitative Application for Civil Remote Sensing Satellite Payloads[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2013, 34(2): 57-65. (in Chinese)

[17] ANGAL A, XIONG X, CHOI T, et al. Using the Sonoran and Libyan Desert Test Sites to Monitor the Temporal Stability of Reflective Solar Bands for Landsat-7 Enhanced Thematic Mapper Plus and Terra Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer Sensors[J]. Journal of Applied Remote Sensing, 2010, 4(1): 925-939.

[18] THOME K J, CROWTHER B G, BIGGAR S F. Reflectance- and Irradiance-based Calibration of Landsat-5 Thematic Mapper[J]. Canadian Journal of Remote Sensing, 1997, 23(4): 309-317.

（编辑：夏淑密）

In-orbit Radiometric Performance Change Monitoring of ZY-3 MUX Camera

LIU Li1ZHANG Xuewen1HAN Qijin1PAN Zhiqiang1ZENG Yan2

（1 China Centre for Resources Satellite Data and Application, Beijing 100094, China）（2 Space Star Technology CO., LTD., Beijing 100190, China）

For better quantitative application of remote sensing data and changes monitoring of the radiometric performance for in-orbit payload, this paper analyses the calibration coefficients since the launch of ZY-3 in 2012. The coefficients of variation is calculated to evaluatethe radiometric characteristics changes of MUX. Totally, 10 synchronous in situ measurements are used for the calculation of ZY-3 MUX based on the reflectance- based method. The results show that the decay of radiometric performanceis around 5% since ZY-3’s launch.

multispectral camera; radiometric performance; change monitoring; ZY-3 satellite

TP732

A

1009-8518(2017)04-0090-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.04.011

刘李，男，1984年生，2013年获中国科学院遥感与数字地球研究所地图学与地理信息专业博士学位，高级工程师。主要从事卫星传感器辐射定标及定量化应用方面的研究工作。Email：liulicugb@126.com。

2016-10-27

国家自然科学基金（41401424）；中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室开放课题（KLOCC2016-1）