基于AQUA/MODIS的FY-4A/AGRI传感器热红外通道交叉辐射定标方法

刘佳欣，高彩霞，杨治纬,3，邱 实，赵永光，马灵玲，钱永刚

(1.中国科学院空天信息创新研究院 中国科学院定量遥感信息技术重点实验室，北京 100094；2.中国科学院大学 资源与环境学院，北京 100049；3.中国科学院大学 光电学院，北京 100049)

0 引言

风云四号卫星(FengYun-4A Satellite,FY-4A)是我国新一代静止气象卫星，装载多种观测仪器，包括多通道扫描成像辐射计(Advanced Geostationary Radiation Imager,AGRI)、干涉式大气垂直探测仪、闪电成像仪和空间环境监测仪器等，可为天气分析和预报、短期气候预测、环境和灾害监测、空间环境监测预警以及其他应用提供服务[1]。

目前，以地面为参照的场地定标和交叉定标是我国卫星载荷在热红外通道辐射定标精度评估的2种重要手段。然而，因受限于场地参照目标特性及卫星过境时刻成像条件、地表及大气参数的测量条件，场地定标频次与精度都极度受限，热红外谱段定标精度难以突破1.0 K，且耗费大量的人力和物力。因此，以国外高精度载荷为参考，通过观测相同的地面目标，采用交叉定标的方式将测量基准由参考载荷传递至待定标载荷，以此来增加定标频次并有效地提升定标精度[2-4]。AQUA卫星搭载的中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)是用于观测全球生物和物理过程的重要仪器，具有36个中等分辨率水平 (0.25 ～1 μm)的光谱波段，每1～2天对地球表面观测一次。获取陆地和海洋温度、初级生产率、陆地表面覆盖、云、气溶胶、水汽和火情等目标的图像。其热红外31和32通道的定标精度约为0.2 K，是国际公认的高精度定标光学载荷。基于此，本文利用MODIS热红外31和32通道对FY-4A/AGRI热红外12和13通道进行交叉定标，以提高载荷在轨定标精度，保证其定量遥感产品的可适用性[4]。

1 数据介绍

1.1 研究数据介绍

AGRI是FY-4A卫星平台搭载的关键辐射成像仪器,载荷参数如表1所示。

表1 FY-4A AGRI主要设计技术指标

它在可见光-热红外谱段有14个通道，其中4个通道为热红外探测通道，其在轨运行状态和辐射定标水平的精确评估，对红外通道产品的应用有重大意义[5-6]。

1.2 研究区介绍

本文以敦煌辐射定标场和格尔木辐射定标场为地面参照目标，利用MODIS热红外31和32通道对FY-4A/AGRI热红外12和13通道进行交叉定标。研究区介绍如下。

(1) 敦煌辐射定标场

敦煌辐射定标场是中国辐射校正场地之一，整个场地为30 km×30 km，位于稳定的冲积扇上，地表没有植被，主要由混合的砂砾、黏土等构成，被地球观测卫星委员会(Committee on Earth Observation Satellites,CEOS)的定标验证工作组(Working Group on Calibration and Validation,WGCV)选为仪器参考场地。在前期对场地红外特性评估的基础上，敦煌场红外辐射特性空间均匀性优于3%，可用于开展FY-4A/AGRI载荷热红外通道定标工作。本文以40°9′36″N，94°20′6″E为中心点，选择MODIS影像10×10像元作为研究区域。图1为敦煌辐射定标场地表覆盖情况[7]。

图1 敦煌辐射定标场Fig.1 Dunhuang radiometric calibration field

(2) 格尔木辐射定标场

青海省平均海拔在3 km以上，其气溶胶、水汽和臭氧等参数相较于其他省份要低。2019年和2020年，中国空天信息创新研究院及国家卫星气象中心等多家科研院所在青海格尔木开展了联合试验，获取了大量的地面同步测量数据及无人机观测数据[8]。此外，在前期对场地红外特性评估的基础上，其均一性指标均优于3%，可用于开展FY-4A/AGRI载荷热红外通道定标。本文以36°25′30″N，94°12′E为中心点，选择MODIS影像10×10像元作为研究区域。图2为格尔木辐射定标场图片[8]。

图2 格尔木辐射定标场Fig.2 Golmud radiometric calibration field

2 交叉定标原理与方法

交叉定标是采用定标精度高的参考传感器对待定标传感器进行辐射校正的一种方式。参考传感器与待定标传感器同时观测同一目标，利用参考传感器获取的观测数据校正待定标传感器的观测数据，提高待定标传感器观测数据的精度。交叉定标具有高频次、时序性的特点，能够及时对载荷因元件老化、仪器灵敏度下降和外界因素干扰等原因产生的辐射观测数据偏差进行校正[9-12]。在人力、物力和财力等方面，交叉定标相较于场地定标需求较低，能够节省大量资源。

参考载荷的选取决定交叉定标结果的可靠性，参考载荷应满足以下几个条件：自身定标精度高且带有星上定标装置，满足定标数据实时更新；与待定标卫星传感器具有相似的光谱响应；空间分辨率与待定标传感器的空间分辨率相近；对于长时间序列数据交叉定标有充足的影像资源。MODIS扫描线对地观测前后都会获取高精度的星上黑体定标数据，热红外通道31和32的定标精度为0.5%左右[9]，可获取高精度的对地观测数据，满足作为参考传感器对辐射定标的精度要求。因此，本文将MODIS传感器31和32热红通道作为参考基准，对AGRI传感器12和13热红外通道进行辐射定标。MODIS传感器31通道(B31)的波长为10.78～11.28 μm，32通道(B32)的波长为11.77～ 12.27 μm，AGRI传感器12通道(B12)的波长为10.3～11.3 μm，13通道(B13)的波长为11.5～12.5 μm，图3显示了AQUA/MODIS传感器31和32通道与FY-4A/AGRI传感器12和13通道的光谱响应函数。

图3 FY-4A/AGRI 12，13通道与AQUA/MODIS 31，32 通道光谱响应对比Fig.3 Spectral response comparisons of FY-4A/AGRI B12,B13 and AQUA/MODIS B31,B32

根据传感器获取的研究区卫星数据筛选出无云影像，对参考载荷与待定标载荷的无云影像对进行观测时间与观测角度匹配，筛选出符合条件的匹配数据对。为了降低参考载荷和待定标载荷因光谱差异引起的表观(Top of Atmosphere,TOA)辐亮度变化，本文基于模拟数据计算MODIS和AGRI数据对的光谱匹配因子。在此基础上，利用提取的参考载荷(MODIS)研究区目标TOA辐亮度值，计算得到相应通道待定标载荷(AGRI)TOA辐亮度参考值，并与研究区目标观测值进行对比分析，计算参考值和观测值的相对差异，以此来验证待定标载荷辐射观测值的准确性。交叉定标流程如图4所示。

图4 交叉定标流程Fig.4 Cross calibration flow chart

2.1 观测样本时间、空间匹配

FY-4A于2016年12月11日发射升空，12月17日定点于99.5°E赤道上空，成像仪每日获取中国区域观测范围为3°N～55°N，60°E～137°E的影像数据。AQUA卫星的运行轨迹为白昼由南向北斜穿赤道，夜晚由北向南斜穿赤道[13]。因此，根据卫星轨道特征、观测时间和扫描区域可定位出交叉区域，对交叉区域进行地理位置匹配，像元投影重合区域选择为匹配像元。由于不同传感器的空间分辨率不同，MODIS传感器热红外通道的空间分辨率为1 km×1 km，AGRI传感器热红外通道的空间分辨率为4 km×4 km。因此，像元数据处理过程中，需要对图像数据进行空间聚合处理。此外，观测时间是影响交叉定标中参考载荷与待定标载荷观测TOA辐亮度差异的重要因素之一。综合考虑观测时间差异导致的地气热辐射瞬态变化以及参考载荷和待定标载荷匹配数据对的数量，本文将参考载荷和待定标载荷的观测时间差异设置为小于20 min[14-19]。

由于FY-4A是静止气象卫星，对于同一研究区的观测天顶角(Viewing Zenith Angle,VZA)不随时间产生变化，根据研究区经纬度分别提取观测时间范围内MODIS传感器和AGRI成像仪天顶角数据，设置VZA差|VZAMODIS-VZAFY-4|的阈值为10°,20°和30°筛选影像，以此来分析观测角度差异对交叉定标结果的影响。筛选符合观测卫星天顶角的影像景数如表2所示。

表2 符合筛选要求的研究区影像景数

2.2 光谱匹配因子计算

为了降低参考载荷和待定标载荷光谱差异对交叉定标精度的影响，针对MODIS和AGRI匹配数据对，基于欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)再分析数据提取大气廓线(如图5所示)，并从霍普金斯大学光谱库提取研究区对应下垫面光谱反射率值，根据基尔霍夫定律转换为发射率光谱(如图6所示)，同时结合载荷的成像几何，利用4A/OP大气辐射传输模型模拟得到温度范围为280～320 K、间隔5 K的不同温度变化下TOA光谱辐亮度值，并将其与MODIS和AGRI载荷光谱响应函数进行光谱卷积(如式(1)和式(2)所示)，获取相应通道TOA辐亮度值，对二者进行线性回归，拟合直线的斜率即为光谱匹配因子(如式(3)所示)。

(1)

(2)

(3)

式中，R′FY-4A为FY-4A/AGRI传感器归一化辐亮度；R′MODIS为MODIS传感器归一化辐亮度；L(λ)为模拟TOA辐亮度值；f(λ) 为光谱响应函数；K为光谱匹配因子。

(a) 湿度廓线

图6 地物发射率光谱Fig.6 Terrestrial emissivity spectrum

2.3 定标结果计算

根据参考载荷和待定标载荷影像对数据分别提取研究区影像计数均值(Digital Number,DN)和对应的定标系数，计算得到相应通道入瞳辐亮度：

Ri,MODIS=ai,M×(DNi,M-bi,M)，

(4)

Ri,AGRI=ai,A×DNi,A-bi,A，

(5)

式中，Ri,MODIS为MODIS载荷通道i观测的目标辐亮度；DNi,M为MODIS载荷通道i目标图像计数均值；ɑi,M和bi,M分别为MODIS载荷通道i定标增益和偏置；Ri,AGRI为AGRI载荷通道i观测的目标辐亮度；DNi,A为AGRI载荷通道i目标图像计数均值；ɑi,A和bi,A分别为AGRI载荷通道i定标增益和偏置。

在此基础上，基于参考载荷MODIS的目标观测辐亮度值和光谱匹配因子，推算待定标载荷AGRI相应通道目标TOA辐亮度模拟值，并将其与AGRI相应通道目标观测值进行对比分析，计算二者相对差异RE(如式(6)所示)，以此指标来检验AGRI传感器热红外通道的辐射观测精度。

(6)

3 AGRI传感器交叉定标结果分析

本文利用参考载荷AQUA/MODIS和待定标载荷FY-4A/AGRI相应通道大气层顶辐射亮度进行线性回归，获取参考载荷和待定标载荷相应通道的光谱匹配因子，并利用匹配因子对AQUA/MODIS 31，32通道获得的辐亮度值进行修正，从而推算出FY-4A/AGRI对应通道的辐亮度值。图7展示了敦煌辐射定标场2019年5月20日对应通道的光谱匹配因子，表3为获取对应通道的光谱匹配因子。从图7可以看出，AGRI 通道12与MODIS通道31的光谱匹配因子为1.020 32；AGRI 通道13与MODIS通道32的光谱匹配因子为0.973 77。

(a) AGRI B12与MODIS B31光谱响应回归

表3 敦煌辐射定标场2019年5月20日FY-4A/AGRI与 AQUA/MODIS热红外通道光谱匹配因子

本文基于2019年敦煌辐射定标场与格尔木辐射定标场遥感影像匹配数据对进行模拟计算，图8(a)和(b)分别显示了敦煌辐射定标场103景影像匹配数据对和格尔木辐射定标场46景影像匹配数据对的光谱匹配因子。从图8可以看出，12通道光谱匹配因子相较于13通道光谱匹配因子起伏变化较小，12通道光谱匹配因子基本保持在1.02～1.06，13通道光谱匹配因子基本保持在0.92～1.0。

(a) 敦煌辐射定标场光谱匹配因子

图9展示了敦煌辐射定标场观测角度在10°以内和格尔木辐射定标场观测角度在20°以内经空间聚合、光谱匹配、时间匹配后FY-4A/AGRI传感器TOA辐亮度模拟值和观测值之间的对比散点图。从图9可以看出，FY-4A/AGRI传感器的观测辐亮度值和模拟辐亮度值分布在1∶1线附近。

(a) 敦煌辐射定标场

图10为敦煌辐射定标场(40.11°N～ 40.21°N，94.28°E～ 94.4°E)天顶角阈值分别为30°,20°与10°的影像对计算得到的相对差异。如图10所示，随着观测角度差异减小，参考值与观测值的TOA辐亮度相对差异也随之减小。VZA阈值为10°时，TOA辐亮度相对差异最小，基本保持在±5%以内。随着VZA阈值范围增大，辐亮度相对差异在±5%～±10%的数据量增大。当VZA阈值为10°时，AGRI传感器12波段的平均相对差异为1.75%，13波段的平均差异为1.65%。图11为格尔木辐射定标场(36.38°N～36.47°N,94.14°E～ 94.26°E)天顶角阈值分别为30°与20°的影像对相对差异。格尔木辐射定标场VZA进行数据匹配时，未筛选出天顶角阈值为10°的数据对，因此仅对天顶角阈值为20°和30°的数据对开展定标工作。如图11所示，随着观测角度差异减小，参考值与观测值的TOA辐亮度相对差异也随之减小，VZA阈值为20°时，辐亮度相对差异在±5%～±10%的数据量相较于VZA阈值为30°时的数据量减小。当VZA阈值为20°时，AGRI传感器12波段的平均相对差异为3.39%，13波段的平均差异为1.96%。

(a) 敦煌辐射定标场天顶角差异小于30°时辐亮度值相对差异

(a) 格尔木辐射定标场天顶角差异小于30°时辐亮度值相对差异

4 结束语

本文基于国外高精度定标参考卫星AQUA/MODIS，利用交叉定标方法对我国第二代静止气象卫星FY-4A/AGRI热红外通道的辐射定标精度进行评估，分析结果表明：

① 对于敦煌辐射定标场，在参考载荷和待定标载荷VZA差异为10°时，AGRI传感器12和13通道的目标TOA观测值和模拟值的相对差异分别为1.75%,1.65%；在参考载荷和待定标载荷VZA差异为20°时，AGRI传感器通道12和13的目标TOA观测值和模拟值的相对差异分别为2.27%，2.12%；在参考载荷和待定标载荷VZA差异为30°时，AGRI传感器通道12和13的目标TOA观测值和模拟值的相对差异分别为2.62%,1.95%。

② 对于格尔木辐射定标场，在参考载荷和待定标载荷VZA差异为20°时，AGRI传感器通道12和13的目标TOA观测值和模拟值的相对差异分别为3.39%,1.96%；在参考载荷和待定标载荷VZA差异为30°时，AGRI传感器通道12和13的目标TOA观测值和模拟值的相对差异分别为3.73%,1.94%。

③ 通过对比分析可知，当数据对满足约束条件时，随着天顶角差异减小，辐亮度相对差异值减小，当天顶角差异为10°时，辐亮度相对差异值基本保持在±5%以内。由此可知，VZA差异会影响交叉定标结果的精度，并且，随着VZA差异减小，定标精度不断增高。FY-4A/AGRI传感器经交叉定标后，辐亮度相对差异较定标前差异值减小，本文分析有助于对FY-4A/AGRI传感器观测值适用性的评估。