高分六号卫星的交叉辐射定标研究

纪 睿 谢 勇,2* 余 涛 陈雪薇 邵 雯

1(南京信息工程大学地理科学学院 江苏 南京 210044) 2(遥感卫星应用国家工程实验室南京研究中心 江苏 南京 210044) 3(中国科学院遥感与数字研究所 北京 100101) 4(南京信息工程大学电子与信息学院 江苏 南京 210044)

0 引 言

高分六号(GF6)卫星是我国发射的首颗精准农业观测卫星[1]，具备高分辨率、宽覆盖成像的特点，与2013年发射的高分一号(GF1)卫星完成组网运行后，使高分遥感数据的时间分辨率从4天缩短到2天。GF6卫星发射至今已有一年半时间，作为一颗新卫星，其辐射性能的变化值得我们注意，通过在轨辐射定标可以及时得到高分六号卫星在轨传感器的辐射性能，进而对已有的定标算法进行调整和改进，为提高遥感数据分析的准确性和稳定性提供支持。

目前，国内外常用的卫星传感器的在轨辐射定标主要是场地定标和交叉定标。场地定标是通过投入大量时间、金钱来获取大量的同步数据测量，从而达到准确定标的效果，定标时容易受到定标场地和天气变化的影响并且定标所消耗的人力、物力也非常大，不能提供足够数据，无法及时发现传感器自身的衰减。现阶段，高分系列卫星每年只展开一次场地定标。较少的辐射定标频次和定标过程中产生的误差，导致高分系列卫星辐射定标精度较低[2]。利用高辐射基准的卫星传感器对相对辐射性能差的卫星传感器进行交叉辐射定标校正是较好地提高辐射定标精度的方法。丁闯等[3]用MODIS数据对GF1/WFV进行交叉辐射定标研究，得到了4个波段的定标系数，与官方定标系数精度相近，可满足定量化需求。本文根据GF6卫星的特点选取高辐射性能的中分辨率成像光谱仪(MODIS)作为参考分别使用单场地和多场地交叉定标法对高分六号卫星的宽覆盖多光谱相机进行交叉定标的研究，全面地了解GF6/WFV传感器在轨运行的辐射特性。

1 基于MDOIS和GF6的交叉辐射定标

1.1 定标原理

交叉定标方法的主要原理是利用相同光谱响应函数的高精度卫星传感器来标定待定标卫星传感器的一个过程(主要流程如图1所示)[4]。交叉定标方法不需要场地定标那样精确的数据测量，进行定标研究时频率比较高、成本比较低，是当前常用的定标方法之一。而且，交叉辐射定标方法可以对历史影像进行再定标，分析传感器辐射性能的长期变化情况[5]。在进行交叉定标时，MODIS和GF6/WFV的表观辐射亮度如下：

(1)

(2)

1.2 光谱匹配

在开展MODIS[6]和GF6交叉辐射定标前，由于两颗卫星在不同条件下成像，为了能够缩小因成像条件不同而产生的误差，要对两颗卫星进行光谱匹配。光谱响应函数如图2所示。

GF6卫星WFV相机与Terra卫星MODIS[7]相机光谱响应函数拟合较为接近，但不完全对应。因此需要校正光谱特性不一致产生的辐射定标误差。利用卫星传感器的光谱特性，计算卫星传感器在第i波段处的入瞳处等效表观辐亮度[8]。

(3)

式中：λi是卫星传感器第i波段的有效波长；Re(λi)为卫星传感器第i波段的等效辐亮度；fi(λ)是卫星传感器第i波段的光谱响应函数；Ri(λ)是卫星传感器第i波段的表观辐亮度。

1.3 几何校正

光谱匹配后由于传感器响应特性、地球表面曲率、地球自转及其他随机因素影响，导致图像模糊失真，使得卫星传感器成像会产生几何畸变。因此均需要通过空间几何匹配来进行校正[9]。本文使用(Rational Polynomial Coefficient)有理函数模型结合2019年9月在敦煌实测的GCP(Ground Control Point)数据对GF6/WFV数据进行几何校正，GF6/WFV数据从资源卫星应用中心获得，解压前9.9 GB，解压后约20 GB,空间分辨率为16 m。再加入实测GCP数据的几何校正时间为36 min，校正后的图像如图3所示。

1.4 尺度转换

几何校正后为了提高交叉定标结果的精度，将待定标的GF6/WFV传感器的空间分辨率转换成MODIS传感器的空间分辨率。比较最近邻法、双线性插值法、二维三次内插卷积法后[10]。发现使用最近邻法处理的速度快，但处理后的影像不够平滑。双线性插值法相较于最近邻法更加光滑，但会丢失一些特征。用二维三次卷积法对图像进行处理时，处理结果较光滑，效果也较好[11]。因此本文选取二维三次内插卷积法进行重采样。

1.5 特征点匹配

尺度转换后为了能够减少因特征点匹配造成的定标误差，本文选用Sift算法[12]提取GF6/WFV和MODIS的图像特征点，结合MATLAB算法处理软件，进行两颗卫星影像配准。此外，由于高分卫星影像幅宽较大，对应的数据量较大，若全景进行特征点匹配耗时较长，本文仅需对研究区域进行配准即可。图4是敦煌地区卫星影像特征点初步提取的图。图5是误差剔除后的卫星影像配准图。部分代码如下。

%参数设置

intervals=3;

%每阶层数

scl=1.5;

dist_ratio=0.8;

octaves1=floor(log(min(size(im1)))/log(2)-2);

%阶数

octaves2=floor(log(min(size(im2)))/log(2)-2);

object_mask1=ones(size(im1));

%掩模

object_mask2=ones(size(im2));

contrast_threshold=0.02;

%去除低对比度特征点阈值大小

curvature_threshold=10;

%去除边缘特征点阈值大小

interactive=2;

%迭代次数

2 定标研究的实验与结果分析

2.1 参考传感器的介绍

中分辨率成像光谱仪MODIS凭借自带星上定标系统，精度高达2%且光谱辐射范围较广，因此被众多中高分辨率卫星传感器作为参考传感器辐射定标研究。本文选取的MODIS数据产品为MOD22HKM，数据从NASA官网进行下载，大小为143 MB,空间分辨率1-2波段为250 m,3-4波段为500 m,具体参数如表1所示。

表1 GF-6、MODIS卫星波段和性能介绍

2.2 研究区

开展交叉定标的基础和前提是选取合理的研究区，在以往的交叉定标方法中，大多数选择单一的定标场作为定标区域，其反射率比较单一，对定标精度有一定的影响。因此本文对研究区域选择遵循以下规则：(1) 定标区域的地表特性具有稳定性；(2) 表观辐亮度全年的变化不大具有时间稳定性；(3) 定标区域的天气晴朗无云，且全年降雨量低。

本文对高分六号进行多场地交叉定标，选择了敦煌辐射校正场、青海湖、塔克拉玛干沙漠作为研究区域。国内多场地反射率如图6所示。

敦煌辐射校正场位于甘肃省敦煌市，校正场表面地势均匀，由多种碎石、沙砾及少量黏土组成[13]。它的地表反射率属于中高频，满足定标要求。

塔克拉玛干沙漠位于塔里木盆地[14]，是世界第二大流动沙漠，它的反射率较高，场地均匀单一，适合中高频次交叉辐射定标的研究。

青海湖作为中国最大的内陆湖[15]，湖面面积大，水面光谱特性稳定，反射率较低，因此选择青海湖作为低频定标区域。

通常做传感器交叉辐射定标时，对定标场地的选择需要一个评价标准，即非空间均匀性低于5%。本文利用GF6卫星WFV相机的影像数据计算研究区域的非空间均匀性。计算公式如下：

(4)

式中：UN为空间非均匀性；stedv为评价区域的标准偏差值；Mean为定标区域灰度值的平均值[7]。

表2 国内定标场地及其非均匀值

2.3 数据选取

在开展交叉辐射定标之前，首先要选取MODIS相机与GF-6/WFV相机的有效影像对，筛选条件包括：(1) 卫星过境时，要求时间间隔小于1 h且辐射校正场上方无云；(2) 所选区域在影像的中心区域[11]。本文选取敦煌辐射校正场、青海湖、塔克拉玛干沙漠2019年07月14日12:53:00影像，Terra/MODIS卫星成像时间是2019年07月14日05:10:00，Terra/MODIS采用的是协调世界时(Universal Time Coordinated)，GF6卫星则采用北京时间，所以两幅影像的相差时间为17 min。卫星影像时间如表3所示。

2.4 结果与分析

图7、图8是GF6/WFV数据分别基于MODIS数据进行单场地和多场地交叉定标的拟合结果，其中：x轴表示GF6的DN值；y轴表示MODIS和GF6的等效表观辐射亮度值。图7选择了敦煌辐射校正场作为单场地定标场地，一共选择39个点，其中：R为决定系数，其越高拟合效果越好；N为拟合点数。依据式(1)、式(2)和式(4)计算出MODIS和GF6/WFV传感器的等效表观辐亮度、增益和偏移。图8是GF6/WFV数据和MODIS数据基于敦煌辐射校正场、塔克拉玛干沙漠、青海湖的多场地交叉定标结果，一共在三块定标区域选取了109个点，其定标系数及获得的不确定度如表4所示。

表4 GF6与MODIS交叉定标结果与不确定度

根据图7的拟合曲线可以看出只针对敦煌辐射校正场进行单场地交叉定标的时候，波段的定标系数分别是0.075 0、0.055 3、0.050 1、0.031 4，将得到的定标系数和中国资源卫星公布的2019年GF6/WFV官方定标系数相比较，从表4可以得到4个波段的不确定度分别为3.88%、4.00%、3.84%和3.59%，都不超过4.00%，证明了用等效表观辐亮度代替表观辐亮度和加入实测GCP点对几何校正的交叉定标方法进行GF6/WFV定标的可靠性和准确性。根据GF6/WFV的成像特点，在相同时间的基础上，选取了敦煌辐射校正场、青海湖、塔克拉玛干沙漠等多块定标场地进行多场地交叉定标的研究。

多场地交叉定标的结果如图8所示，4个波段的拟合程度分别为：0.998、0.993、0.997和0.998，拟合程度十分接近1，相较于7的单场地交叉定标法的拟合效果要更好。将图8拟合得到的定标系数与官方定标系数相比较，从表4可以得到多场地定标的4个波段的不确定度为1.94%、1.91%、1.92%和2.77%，都在3%以内，并且每个波段的定标结果都比单场地定标的结果更好，体现出多场地定标法在进行交叉定标时精度更高，拟合效果更好。

3 结 语

GF6卫星发射于2018年，是高分专项工程的一颗重要卫星，本文分析GF6/WFV传感器后对其进行交叉定标的研究，采用国际上具有高辐射基准的MODIS数据对GF6/WFV数据进行交叉定标研究，分别采用单场地和多场地交叉定标对其进行交叉定标研究，获得GF6/WFV四个波段的定标系数。结果表明：

(1) GF6/WFV基于MODIS的交叉定标的单场地交叉定标和多场地交叉定标的误差都在4%以内，说明了用MODIS数据对GF6卫星数据进行辐射定标的准确性较高。

(2) 多场地交叉定标的拟合程度更好，不确定度更低说明多场地交叉定标比单场地交叉定标更好，更值得我们研究和探讨。

(3) MODIS数据的幅宽达到2 330 km，GF6/WFV数据幅宽超过800 km，两个传感器的幅宽都比较大，时间分辨率MODIS为1天，GF6/WFV为4天，两个传感器符合定标条件的数据多，可以做GF6/WFV基于MODIS的时间序列定标来及时反映GF6辐射性能的变化。

(4) 丁闯等曾用此算法对高分1号、高分4号卫星进行交叉定标研究，得到了很好的效果，本文在原算法前提下增加了实测数据RPC校正，也非常适用于高分六号卫星进行交叉定标的研究。未来将继续研究争取满足所有高分辨率卫星交叉定标。