FY_3D卫星中分辨率成像仪（MERSI-II型）自发射以来，主要应用在气象观测、环境监测、防灾减灾等方面。FY_3D卫星过境时的观测角度会影响定标精度，基于此，提出一种基于双向反射分布函数（BRDF）模型的场地定标方法。2022年7月在敦煌校正场开展星地同步测量实验，并利用2020年7组不同时刻的无人机多角度观测数据基于6种核函数组合方式建立42种BRDF模型。针对不同观测角度下的FY_3D影像，对构建的BRDF模型进行适用性分析。并计算基于BRDF模型传感器各波段的表观反射率与卫星实测的表观反射率相对偏差。结果显示：敦煌场地BRDF模型校正地表反射率时会受卫星观测角度影响，不同模型校正地表反射率之间的差异，受时间及太阳角度的影响不超过1%，受不同核函数组合方式的影响不超过3%。FY_3D MERSI-II型2021年B1~B12波段模型计算的与卫星观测的表观反射率平均相对偏差均小于5.22%，2022年B1、B2波段模型计算的与卫星观测的表观反射率平均相对偏差超过8%，其余波段均小于5.74%。

敦煌校正场是我国最重要的辐射校正场，地面目标的方向反射特性是影响场地定标精度的重要参数。对于在什么情况下需要校正地表反射率及采用哪种双向反射分布函数（BRDF）进行校正，尚无明确的研究。由于中等分辨率成像光谱仪（MODIS）精度较高，对MODIS影像进行了分析。首先利用2020年9月敦煌场地6组不同测量时刻下的无人机多角度观测数据，分别以6种不同核函数组合方式建立36个不同的BRDF模型，针对不同观测角度下的MODIS影像，分别计算BRDF校正前和BRDF校正后的表观反射率；而后与卫星实测表观反射率进行相对偏差的比较。实验结果表明，以28°的观测角度为界，当观测角度大于28°时相对偏差较大，且BRDF校正对结果的影响较大；在所建立的BRDF模型中，采用接近卫星过境时刻测量的多角度观测数据所建立的BRDF模型校正效果更好；且基于Rossthick-Lidense、RossThick-LiSparseR和Rossthin-LisparseR这三种核函数组合方式的BRDF模型所计算的表观反射率与卫星观测值的相对偏差都比较小。

为保障大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)二级反演数据的有效性和可靠性,需长期监测仪器在轨辐射定标准确性和稳定性。首先,根据EMI在轨测量的太阳光谱和星下点辐亮度,计算了南极洲和格陵兰岛永久冰雪地面选定数据区域的表观反射率时间序列,并建立了太阳天顶角和表观反射率的4阶双向反射分布函数(BRDF)模型。然后,利用4阶BRDF模型对2018~2020年的表观反射率数据序列进行归一化处理,得到了表征EMI定标准确性和稳定性的指标。结果表明,基于BRDF模型得到的表观反射率预测值与实测值相关系数高于0.9;用BRDF模型对表观反射率进行归一化处理后,得到的仪器辐射定标不确定度范围为2%~5%;UV2、VIS1通道两年总衰减的范围为-0.5%~0.5%,VIS2通道的两年总衰减约为1.9%,即EMI在轨运行两年间的辐射响应稳定性较高。

高分五号(GF-5)卫星上荷载的可见短波红外高光谱相机(AHSI)能够同时获取330个谱段的光谱信息,对大气和陆地进行综合高光谱观测,能有效获取地物的精确信息。云的存在会对遥感影像造成污染,为了提高GF-5数据的利用率,本文结合AHSI的地物高光谱特性,研究多种下垫面背景下的云检测方法。对得到的1级产品,利用产品配套的定标系数以及光谱响应函数文件,得到各波段的大气顶层表观反射率数据。使用多种典型地物与云像元进行表观反射率的对比后发现,厚云与其他类型的像元在可见光波段具有显著差异。高光谱数据由于波段宽度窄,易受到噪声的影响,因此在进行厚云像元判定时,使用多个窄波段数据进行等效计算,得到对应的宽波段表观反射率,在此基础上使用简单的检测阈值可以将厚云筛选出来。之后使用卷云波段,筛选出潜在的薄云像元。高亮地表作为薄云检测的重点研究对象,检测时极易与薄云造成混淆,为了将薄云区域与高亮地表进行有效区分,统计不同波段之间表观反射率比值的变化,将薄云与易造成误判的高亮区域进行对比,确定最优判定波段与阈值。为了验证算法的精度,对多景AHSI影像进行目视解译,勾选出云像元区域作为基准数据。实验结果表明,本文所提方法的云检测总体精度可达91%以上,可以准确区分云与晴空区域,实现高精度的高光谱遥感影像云检测。

为提升光学卫星遥感器的定标频次,提出一种基于场地高光谱BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)模型的高频次绝对辐射定标方法,实现了Suomi-NPP (Suomi-National Polar-Orbiting Partnership Spacecraft) VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)的长时序高频次绝对辐射定标。介绍了基于场地高光谱BRDF模型的绝对辐射定标原理,于2018年4月和8月利用场地高光谱BRDF手动测量系统分别对敦煌场的方向特性进行测量试验,并基于半经验核驱动反演敦煌场的地表高光谱BRDF模型参数。基于BRDF模型计算2018年全年VIIRS M1~M11波段的表观反射率,并与卫星观测表观反射率进行比对。结果表明:Suomi-NPP VIIRS遥感器 2018年全年的有效定标频次为51次,其中M1~M7波段模型计算的表观反射率与卫星观测的相对偏差均小于3.23%。基于场地BRDF模型的高频次绝对辐射定标方法可有效地提高卫星载荷的定标频次,及时跟踪载荷的辐射特性变化。

针对遥感卫星高频次、高时效和高精度定标的技术需求, 利用布设在敦煌辐射校正场自动化定标系统, 对SNPP VIIRS遥感器的可见光到短波红外波段开展了高频次自动化绝对辐射定标试验, 详细描述了自动化定标的原理和方法, 明确了定标流程.针对长时间跨度中, 地表光谱反射率光谱形状的变化, 建立了参考反射率数据库, 以解决通道反射率与参考反射率光谱形状不匹配问题.在2018年5月～11月, 对SNPP VIIRS共完成了13次有效的自动化定标, 并与SNPP VIIRS星上观测的表观反射率进行了比对验证.结果表明, 场地自动化定标得到的表观反射率与卫星观测的表观反射率相对偏差小于5%, 均方根小于3.2%, 表明场地自动化定标结果与星上定标结果具有较高的一致性和稳定性, 可以用于高频次在轨辐射定标.

近年来随着我国新型国产高分影像的相继问世以及相关应用的逐步展开, 不少研究涉及了不同国产高分影像多光谱数据之间的交互对比, 但两种国产分辨率最高的GF-2 PMS2与ZY-3 MUX传感器多光谱数据之间的对比仍未见报道。 为了使这两种国产主力高分辨率传感器的多光谱数据能够在实际应用中相互补充使用, 发挥更大的作用, 基于它们的3对同日过空影像, 采用两种方法对其进行交互对比。 第一种方法是对整个试验区采用逐像元光谱比较法进行对比, 第二种是采用样区光谱均值比较法进行对比, 即在试验影像上选择一系列的样区, 然后以各样区的均值进行对比。 通过对两种传感器同步影像对的表观反射率进行回归分析, 获得各对应波段的回归散点图, 查明它们之间的定量关系, 并据此提出相互转换的关系方程。 研究结果表明, 两种对比方法得出的结果相一致, 但使用样区光谱均值比较法进行交互对比的结果的准确性更高。 GF-2 PMS2与ZY-3 MUX各对应波段具有很强的相关性, 其线性回归方程的决定系数(R2)都大于0.9, 但其值在蓝绿波段较高, 在红光和近红外波段有所下降, 表明两种传感器的表观反射率在蓝绿波段的一致性好于红光和近红外波段。 总体上看, GF-2 PMS2的信号强于ZY-3 MUX, 二者的信号差异在蓝、 绿光波段较大, 在红光和近红外波段较小, 但却明显受到地物类型的影响。 对于以裸土为主的影像, 两种传感器之间的差异随着波长的增大而逐渐减小, 而对于以植被为主的影像, 二者之间的差异却随着波长的增大而逐渐增大。 将纯植被与纯裸土的样区单独提取出来做进一步分析, 结果表明, 两种传感器的信号差异程度在红光波段主要受裸土影响, 而在近红外波段则主要是受植被影响, 且植被长势越旺盛, 两种传感器的表观反射率差异越大。 通过研究获得了两种传感器多光谱波段数据之间的相互转换方程, 并对其进行验证, 结果表明: 经过转换后的GF-2 PMS2数据与ZY-3 MUX数据之间的差异大大减小, 各波段均方根误差的均值降幅可达64.79%, 平均相对偏差率也有明显的降低。 这表明, 所查明的两种传感器的定量关系是有效的, 其对应波段的转换方程可以用于两种传感器数据的相互转换, 经转换后的数据更有利于这两种传感器数据的协同使用。 分析两种传感器数据的差异原因表明: 二者数据的差异主要是由于它们的光谱响应函数的差异和空间分辨率的差异引起的。 ZY-3 MUX的光谱响应函数曲线相对平缓, 没有明显的起伏波动, 而GF-2 PMS2则较不稳定, 在四个波段呈现出程度不同的起伏变化, 从而影响了二者表观反射率信号的一致性; 而GF-2 PMS2具有的4 m空间分辨率明显高于ZY-3 MUX的6m空间分辨率, 因此更容易捕捉到细小地物的光谱信息, 这也使得二者信号出现不一致。

针对高反射率地区地表反射率难以确定的难点,假设在不同年间同一天相同地物的两个不同波段的比值近 似相等的前提下,借助几何光学模型理论,应用MODIS历史产品和数据,即MODIS地表反射率产品(MOD09)、历 史MODIS图像第七波段的地表反射率和待反演地区的MODIS第七波段的地表反射率数据计算出待反演地区 的MODIS其他波段的地表反射率,然后结合利用6S辐射传输模式计算建立的查找表,可实现待反演区域的 气溶胶光学厚度的反演。以北京市区为例,应用该方法实现了北京市区的气溶胶光学厚度反演,并把 反演结果与AERONET观测站的结果进行了对比,对比发现该反演方法对亮区域有效,其误差在30%以内。

20世纪末以来, 多种新型传感器的升空使得不同传感器之间的互为比较成为一个新的研究热点, 但是ASTER和Landsat-7 ETM+传感器多光谱数据之间的全面对比在国内外尚未报道, 为此, 该文对ASTER和Landsat-7 ETM+传感器影像数据进行了对比互补研究。 文章从传感器的轨道特征、 扫描方式、 光谱范围和光谱响应特征等方面对二者进行机理上的分析和对比。 在此基础上, 基于3对同步过空的影像对和大面积同质感兴趣区的实验和统计分析, 研究了ASTER与Landsat-7 ETM+传感器在可见光-近红外、 短波红外各对应光谱波段之间的关系, 提出了各对应波段相互转换的关系方程式, 验证了所求的关系方程的有效性。 最后对两种传感器影像对应光谱波段的差异进行了分析。 验证结果表明, 所求的关系转换方程具有较高的精度。