基于MODIS的HJ-1B热红外交叉辐射定标与时间序列建立*

周方婷，冯 多，刘 鑫，谢 勇

（南京信息工程大学 地理科学学院，江苏 南京210044）

HJ-1B是用于环境与灾害监测预报小卫星星座的一颗卫星，于2008年9月6日成功发射，搭载了一台30m分辨率的CCD相机和150/300m分辨率的红外相机（IRS）[1]，其获得的影像数据主要应用在生态环境监测、减灾救灾、地表温度探测等领域[2]。

随着遥感与大数据处理技术的快速提升，定量遥感应用常需要用到历史数据去构建长时间跨度的数据序列。但是中国卫星的设计与实际运行寿命一般都在5~8年，很难构建单星长时间序列数据开展定量分析，因此必须使用已退役卫星的历史数据[3]。

本文针对HJ-1B卫星热红外谱段，选择国际上具有高辐射基准的中分辨率成像光谱仪MODIS作为参考传感器[4-5]，采用光线匹配法的单波段法开展交叉辐射定标研究[6]，并在光线匹配法基础上结合光谱间的差异性提出双波段法，同时将两种方法的定标结果进行分别分析，建立时间序列，为今后开展相关卫星的历史数据研究提供参考。

1 交叉辐射定标方法

交叉辐射定标是选择辐射精度较高的传感器对辐射精度相对较低的传感器进行定标，在不同传感器的输出之间通过光谱匹配和空间匹配建立关系，从而计算定标系数[7]。本文选择MODIS作为参考卫星，采用基于光线匹配法的单波段法，经过比较与分析参考传感器与待定标卫星HJ-1B对同一个目标区在同一时间的辐亮度，计算出待定标卫星的定标系数[8]。同时，在此基础上结合光谱之间的差异性而提出了双波段法，对两种方法的定标结果分别进行了分析。

1.1 单波段法

选择MODIS中与HJ-1B热红外谱段中心波长最接近的波段作为参考波段，实现与HJ-1B热红外谱段的光谱匹配。在进行交叉定标时，MODIS的表观辐射亮度由公式（1）计算所得：

其中，L是第i波段的表观辐射亮度；m是第i波段的增益系数；n是第i波段的偏移量；DN是第i波段的数字计数值。再根据HJ-1B的数字计数值（DN）来进行线性拟合，获得两组不同的拟合系数，拟合方程为公式（2）：

其中，aj是第j波段的增益系数；bj是第j波段的偏移量；DN是HJ-1B的红外波段的数字计数值。

1.2 双波段法

将MODIS传感器中与HJ-1B热红外谱段中心波长最接近的两个波段作为参考波段，计算光谱匹配因子，实现多波段组合与HJ-1B热红外单谱段的光谱匹配。

在进行双波段交叉定标时，用于定标的表观辐射亮度由公式（3）计算所得。其中，L是两个波段的加权表观辐射亮度；C1和C2是组合波段对应的权重因子，MODIS单个波段与HJ-1B的红外波段中心波长差的绝对值根据公式（4）、（5）分别计算得出。

2 数据处理与分析

2.1 参考卫星和研究区域的选择

本文选取定标精度高的MODIS作为参考卫星。MODIS卫星共包含36个光谱波段，范围广，幅宽大，常用作参考卫星对其他卫星进行交叉辐射定标[9]。

青海湖是我国最大的内陆高原微咸水湖。已被广泛应用于国内外遥感卫星热红外波段的在轨绝对辐射定标，也可开展可见光和近红外波段的低反射率辐射定标试验[10]。所以本文选用青海湖作为辐射定标校正场所，如图1所示。

图1 青海湖辐射校正场

2.2 数据的选取

在HJ-1B与MODIS数据选取时，要满足以下的筛选条件：（1）HJ-1B与MODIS的定标实验区域相同；（2）卫星过境时，要求时间间隔小于1小时且辐射校正场上方无云。本文选择的数据时间为2008年冬季。如表1所示，数据符合定标要求。

表1 HJ-1B与MODIS数据（2008/11/12）

2.3 光谱匹配

由于HJ-1B和MODIS热红外通道中心波长不一致，本文将两者进行光谱匹配。根据HJ-1B热红外通道的光谱范围，选择与之范围接近的MODIS谱段31、32进行交叉定标研究。HJ-1B热红外谱段和MODIS相对应的第31、32波段热红外谱段的光谱范围在表2中列出。图2所示的是HJ-1B的IRS第4波段和MODIS的第31、32波段的光谱响应曲线图[11]。

表2 HJ-1B热红外通道与MODIS谱段31&32的光谱范围

图2 光谱响应函数

通过半波宽法计算赋予MODIS通道31、32的权重分别为0.52595、0.47405，利用双波段法，使用MODIS第31、32通道的合成辐亮度对HJ-1B热红外通道进行定标。

2.4 卫星影像对预处理

将获取的青海湖辐射校正场HJ-1B和MODIS遥感影像分别进行预处理。HJ-1B/IRS与MODIS初始空间分辨率分别为300m和1000m，本文需要将空间分辨率进行统一，使用三次内插法把HJ-1B空间尺度降到1000m[12]。为了降低影像空间分辨率不同而造成的误差，本文采用SIFT算法，将空间匹配误差控制在0.5像元以内[13]，依然能够很好地匹配出同名点[14]。

3 结果分析

3.1 基于青海湖的交叉定标

本文将影像对中80个同名匹配点HJ-1B的DN值与MODIS的辐亮度值进行线性拟合，获得相应的增益与偏差。MODIS的31波段和双波段组合与HJ-1B的IRS第4波段的交叉定标结果分别展示在图3与图4中，x轴表示的是HJ-1B热红外波段的DN值，y轴表示的是MODIS热红外波段的表观辐射亮度值，拟合的gain（增益值）分别是0.01429和0.01391。

图3 2008年青海湖地区MODIS 31波段的拟合结果

图4 2008年青海湖MODIS 31和32波段的拟合结果

3.2 结果验证

由于系统文件中给出的参考定标系数为实验室测量数据，在卫星发射后发生了较大的衰变，无法作为标准值进行比较。因此本文采用与其他研究人员的成果进行比较，将定标结果与孙珂《HJ-1B卫星IRS传感器热红外通道交叉定标》[15]进行对比检验。

选取时间为2008年11月12日MODIS和IRS两传感器过境时青海湖地区的影像，对上述交叉定标方法所获得的绝对辐射定标系数进行真实性检验。用MODIS第31波段大气层顶（TOA）辐射亮度反演得到的TOA亮温为假定真值来评价上述定标方法获得的绝对辐射定标系数，并标定反演获得的HJ-1B的TOA亮温的精度。

对两幅影像进行几何精度校正，精确配准后进行插值。使HJ-1B与MODIS图像分辨率相同为1000m。利用MODIS定标系数和HJ-1B交叉定标结果分别计算两景TOA亮温图像作差。根据普朗克公式，推出亮温的计算公式（6）。

其中：Ti是MODIS第i波段的亮度温度，λi是波段i的中心波长，C1和C2是常量，分别取C1=1.19104356e-16W·m2和C2=1.4387685e4μm·K。

反演亮温检验差值结果如表3所示。两者的结果接近，经考量，该次MODIS定标结果有价值。

表3 HJ-1B反演亮温检验差值结果

3.3 对HJ-1B的时间序列定标

因为MODIS成像幅宽大，每天近似可获取全球的影像，在不考虑天气的影响并结合HJ-1B重访周期的情况下，每四天就可获取一组匹配影像对。因此利用MODIS可以获取较高频率的匹配影像对，开展与HJ-1B的IRS第4波段进行交叉定标时间序列的研究，结果如表4所示。

表4 2008年11月MODIS的31波段和双波段组合与与HJ-1B的IRS第4波段交叉定标结果

利用2008-2013年的MODIS连续多年数据（2009年数据暂无）对HJ-1B的时间序列进行定标，结果如表5所示。

表5 2008-2013年HJ-1B时间序列定标结果

由于不同季节、时相、轨道和传感器所受大气条件、光照影响、地形的不同，同一地区所获取的卫星遥感影像具有较大的辐射亮度变化差异。为了使时间序列结果更加直观并具有一致性和可比性，使其能应用于多种领域，需要对时间序列上的定标结果进行归一化处理，如图5所示。

图5 增益系数归一化结果

4 结论

由于MODIS卫星具有高辐射精度，因此本文将其热红外通道31、32作为参考，利用交叉辐射定标法，进行HJ-1B的热红外通道的辐射定标研究，计算获得HJ-1B热红外谱段的定标系数，通过对研究成果的分析，可以初步得到以下结论：

（1）基于MODIS单波段的HJ-1B红外波段再定标技术，计算HJ-1B的红外波段的定标系数。将获得的定标系数反演到HJ-1B的IRS第4通道上后与MODIS的31谱段的表观辐射亮度进行比较，得到了较好的相关性。由此看出，MODIS的热红外通道31与HJ-1B红外波段具有良好的相关性，定标系数较为可靠，可以满足遥感影像定量化应用的需求。

（2）基于MODIS双波段的HJ-1B红外波段再定标技术，对比单波段法，本文用多年相同试验区域的数据进行验证，所得到的定标系数较可靠。结果表明，MODIS的第31、32组合波段与HJ-1B红外波段有更好的相关性，拟合系数更具有实际价值。

（3）利用MODIS较高频率的匹配影像对，开展对HJ-1B卫星的时间序列定标。时间序列的建立，有利于卫星历史数据的利用，也能对传感器辐射性能稳定性进行进一步分析。