基于宽动态目标的高分辨率光学卫星相机在轨辐射定标 
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show that the uncertainty of the calibration approach is less than 3.6%. The difference in calibration coefficient between the WDTMLR method and the reflectance-based method is less than 5.5%. Moreover, the difference between the reflectivity and radiance of ground object obtained by the satellite sensor and that of field measured value is less than 6%, which demonstrate the effectiveness of on-orbit radiometric calibration. The WDTMLR method can satisfy with the application requirements for high-precision on-orbit calibration in complex environmental conditions.
1 引言
遥感信息定量化应用对于我国的经济高速发展、生态环境保护、自然资源调查、应急管理决策、减灾防灾与**安全等具有不可替代的重要作用。近年来,我国相继实施了高分专项与空间基础设施建设等,发射了多颗高空间分辨率光学遥感卫星(或星座),遥感数据在国民经济建设与信息安全等领域都发挥了关键性作用。辐射定标技术是实现卫星遥感数据定量化的必要环节和基础,提高其定标精度与稳定性,对于充分发挥高分辨率卫星的综合效能,提高卫星遥感定量化应用水平具有重要意义[1-3]。
辐射定标就是将光学卫星相机以数字化方式记录的观测值转换为所观测目标的辐射量值(辐亮度或反射率),光学遥感卫星全寿命期定标体系主要由发射前实验室定标与在轨定标组成。实验室定标可以模拟遥感器在空间运行环境下最完备的定标与性能测试,并建立遥感器的辐射响应模型,但由于卫星发射(冲击、振动、加速度)、空间运行环境(紫外辐照、粒子轰击、原子氧)、成像系统(透射系数、光谱响应)、元器件老化(电子学、探测器)等诸多因素影响,光学卫星相机性能可能发生衰变,因此有必要进行定期或不定期的在轨定标
本文提出一种在相同大气背景条件下基于宽动态目标的高精度定标方法,即在对地观测的高分辨率光学遥感器的动态范围内设置光学特性优异、参照包含少量高反射率目标的多种宽动态目标,以提高高分辨率光学卫星相机的在轨绝对辐射定标精度。
基于宽动态目标的在轨辐射定标是以反射率为5%、20%、40%、60%的靶标为检测参照目标,并以地面准同步的实际测量代替气溶胶散射特性假设,辅以简化的辐射传输计算,以实现高分辨率光学卫星相机全动态范围内的高精度定标。在介绍该定标原理的基础上,利用在轨试验所获取的资源三号遥感影像,对其数据处理方法、定标结果及不确定度进行了分析讨论。
2 基本原理
对地观测卫星遥感中,航天光学遥感器接收的入瞳辐亮度是太阳辐射、地球周围大气及地物目标间辐射传输的结果,如
对于非均匀地物目标(宽动态反射率靶标),需
图 1. 太阳、大气、地表间辐射传输示意图
Fig. 1. Schematic of radiative transfer for sun, atmospheric and the earth's surfaces
要考虑靶标反射率及背景反射率,因此光学卫星相机的入瞳辐亮度可表示为
式中:
宽动态反射率靶标布设场区背景环境均匀且辐射特性单一,背景反射率可以看作是常数,则定标场区的地面总照度保持不变,反射率靶标目标上空的程辐射与地气耦合辐射相同。通过引入漫射辐射/总辐射比来表征光学卫星相机定标场区的大气散射,则入瞳辐亮度可化简为
式中:
由此可知,宽动态目标(多种反射率靶标)反射至星载遥感器的入瞳辐亮度与目标反射率成正比,因此根据遥感器的动态范围,可以在一种大气背景条件下,设置多种不同反射率的地面检测参照,如反射率分别为5%、20%、40%与60%的线性目标,进而在数据处理中将遥感器入瞳辐亮度或响应值与参照目标反射率进行线性拟合,扣除大气程辐射与地-气耦合辐射等的影响,提高光学遥感卫星在轨定标精度。结合在轨检测试验时地面同步测量的反射率、大气光学特性及气象参数等,采用简化辐射传输(大气吸收透过率部分)计算可得宽动态反射率靶标的入瞳辐亮度,进而根据遥感器的动态范围设计实验室的定标结果,预估遥感器的辐射响应及线性特性,以评价其辐射响应特性。
光学卫星相机的辐射定标方程为
式中:
根据(3)式可知,光学卫星相机对宽动态目标的响应值与其反射率成正比,对地面同步(或准同步)测量的宽动态目标反射率与遥感影像响应值进行线性回归,可将宽动态目标辐射响应与程辐射、地-气耦合及暗电流等背景辐射响应分离。将分离的宽动态目标辐射响应值与简化辐射传输计算的经宽动态目标反射至遥感器的入瞳辐亮度相结合,经线性拟合就可得在轨辐射定标系数。
3 试验与数据处理
高分辨率资源三号光学卫星共搭载四台光学相机,其中三台全色相机按照前视、正视和后视(分别以FWD、NAD与BWD表示)设计安装构成三线阵立体相机,完成立体测绘功能;另一台多光谱相机包含蓝、绿、红和近红外四个谱段(分别以B1、B2、B3与B4表示),用于与正视全色影像的融合和地物判读解译。2012年7月在新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市附近的辐射定标场开展了资源三号卫星遥感器基于宽动态目标的在轨辐射定标与性能检测试验,如
3.1 地面测试数据
根据卫星轨道预报参数,在卫星过顶宽动态目标布设场前后0.5 h采用地物光谱仪(ASD)对目标及场区背景反射率进行准同步测量,通过比对法及多点统计法计算目标反射率,结果如
图 3. 地面测试数据。(a)目标反射率;(b)大气参数
Fig. 3. Field measurement data. (a) Targets' reflectance; (b) atmospheric parameters
3.2 目标背景分离
利用光学卫星相机的光谱响应函数对地面准同步测量的目标反射率进行归一化处理可得宽动态目标的等效反射率,将其与遥感影像响应值进行线性回归,
3.3 辐射定标系数
结合地面准同步测量的宽动态目标反射率、大气透过率、漫射辐射/总辐射比、气象参数等,以及大气外太阳常数,根据(2)式可得卫星过顶时刻地面总照度,进而求得宽动态目标反射至遥感器的入瞳辐亮度,将其对光学卫星相机的光谱响应函数归一化就可得等效辐亮度。利用最小二乘法对宽动态目标响应值与计算的等效入瞳辐亮度进行线性拟合,以得光学卫星相机的在轨辐射定标系数,如
3.4 定标结果检验
为对光学卫星相机在轨辐射定标结果进行检验,选取了定标场区中宽动态目标附近的典型地物目标——草地与石子路,利用计算得到的定标系数、卫星遥感影像数据及定标场区的大气参数,对典型地物目标进行反射率与辐亮度反演,并将反演结果分别与实测结果及辐射传输计算结果进行比较,结果如
表 1. 典型地物反演结果
Table 1. Results of typical ground object inversion
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4 分析讨论
将定标结果与反射率基法定标结果相比较,并对基于宽动态目标的高分辨率光学卫星相机定标进行不确定度分析,进一步验证该定标方法的有效性。
4.1 定标系数对比
反射率基法以大面积辐射校正场作为观测目标,并通过地面准同步测量场地反射率与大气光学特性参数等,利用辐射传输计算星载遥感器入瞳辐亮度,将其对光学卫星相机光谱响应函数进行归一化处理得到等效辐亮度,进而与场地遥感影像计数值依据定标方程得到定标系数[19,22-23]。基于宽动态目标的高分辨率光学卫星相机的在轨辐射定标结果与反射率基法定标结果如
4.2 不确定度分析
基于宽动态目标的高分辨率光学卫星相机在轨辐射定标方法的不确定度主要来源于宽动态目标反射率与大气光学特性(漫射辐射/总辐射比、光学厚度、透过率)的现场测量误差,另外,太阳常数、大气模式等因素也会引入一定的定标误差。宽动态目标反射率测量采用比对法与统计法相结合,误差由作为标准传递的漫射板实验室定标精度、天空漫射辐射修正与遮挡误差等组成,其中的漫射板实验室定标精度为2%,天空漫射修正引入的误差约为1%;漫射辐射/总辐射比的测量采用遮挡法,天空漫射测量时,遮挡太阳直射的同时也会遮挡部分漫射辐射,统计分析得测量误差约2%;采用经定标的太阳光度计测量大气光学厚度误差约1%,吸收透过率主要受水汽、氧气等特征吸收气体影响,可根据定标场区海拔与气象信息及环境等因素,选择合适的大气模式计算获得可见-近红外波段的吸收透过率误差约为1%。高分辨率光学卫星相机基于宽动态目标的在轨辐射定标方法的不确定度分析结果如
表 2. 定标系数比较
Table 2. Comparison of calibration coefficient
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表 3. 不确定度分析
Table 3. Uncertainty analysis
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5 结论
基于宽动态目标的高分辨率光学卫星相机在轨辐射定标方法以光学特性优异的多种反射率靶标作为检测参照目标,在半程辐照度基法的基础上,实现星载光学遥感器全动态范围定标与响应线性检测;以地面准同步实际测量的大气光学特性代替辐射传输计算中的气溶胶散射特性假设;通过宽动态目标反射率与其遥感影像响应值的线性回归,将背景辐射(程辐射与地-气耦合辐射及暗电流等)扣除,以降低在轨辐射定标对试验场背景环境的要求。试验分析表明:基于宽动态目标的高分辨率光学卫星相机在轨辐射定标的综合不确定度优于3.6%,与大面积辐射校正场的反射率基法定标结果之间的差异小于5.5%。相对于大面积辐射校正场,宽动态目标法不仅能够突破时空与天气条件限制,避免单点辐亮度定标与暗电流或自身偏移量检测,还能够在复杂环境条件下,实现光学卫星相机在全动态范围内的高精度移动定标,简化定标流程的同时提高定标精度,对我国光学卫星相机的辐射定标与遥感数据的定量化应用水平的提高具有重要意义。
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徐伟伟, 张黎明, 李鑫, 杨宝云. 基于宽动态目标的高分辨率光学卫星相机在轨辐射定标[J]. 光学学报, 2019, 39(10): 1028004. Weiwei Xu, Liming Zhang, Xin Li, Baoyun Yang. On-Orbit Radiometric Calibration of High-Resolution Optical Satellite Camera Based on Wide Dynamic Targets[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(10): 1028004.
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