基于超光譜比值輻射儀的衛星自動化場地定標與分析

劉恩超、李 新、韋 瑋、翟文超、張艷娜、鄭小兵

中國科學院安徽光學精密機械研究所、中國科學院通用光學定標與表征技術重點實驗室、安徽 合肥 230031

基于超光譜比值輻射儀的衛星自動化場地定標與分析

劉恩超、李 新、韋 瑋、翟文超、張艷娜、鄭小兵

中國科學院安徽光學精密機械研究所、中國科學院通用光學定標與表征技術重點實驗室、安徽 合肥 230031

針對我國光學遙感衛星高頻次和高精度定標的技術需求、以及目前人工方式進行定標的不足、調研國內外衛星定標的發展現狀、研制了超光譜比值輻射儀自動化定標系統、并開展了衛星傳感器自動化定標的試驗。根據場地定標中的參數需求與自動化定標的目標、比值輻射儀設計積分球測量光譜總照度、并通過遮擋的方式實現了光譜漫照度測量、獲得衛星定標中的漫總比數據； 同時、輻射儀利用光學鏡頭的方式實現地面輻亮度測量、實現了大氣-地表輻射特性的自動觀測、同時儀器集成了定標數據實時預處理和遠程傳送等功能。在2015年敦煌輻射校正場試驗中、輻射儀得到了理想的應用效果并獲得了大氣光學參數、地表反射率的數據、為衛星傳感器的定標提供了數據支持。經過與傳統測量儀器的對比、地表反射率的相對偏差在0.5%～1.5%、大氣參數中光譜輻照度的絕對偏差小于5%、漫總比的絕對偏差不大于0.015%。采用輻照度基法利用測量的數據對Aqua MODIS光學遙感器的通道1～5進行了場地定標、通道1～4的對比相對偏差小于1%、通道5的偏差結果為7.24%、驗證結果滿足了衛星傳感器自動化定標的初步需求。

遙感衛星； 自動化定標； 超光譜輻射儀； 大氣光學參數； 地表反射率

引 言

從“十二五”開始、我國光學遙感衛星的數量、種類和定標精度均有大幅度的提升需求。有效衛星載荷在軌期間的性能衰變是持續的、只有保證載荷得到及時的校準和校正、才能區分地球系統的真實變化與載荷自身的衰變。在目前的業務化場地定標過程中、地表參數的測量均采用人工方式、受天氣條件、人力、物力的限制、目前我國的地面定標試驗基本維持在每年一次的頻度、低頻度的定標難以提供及時和充足的樣本數據以判斷載荷的衰變程度。

針對光學遙感衛星高頻次、高時效和高精度定標的新技術需求、采用人工方式已難以滿足當前的定標需求、為此國際上提出了自動化定標的思路、采用無人值守的自動化觀測設備、實現場地和大氣參數的全自動觀測、實現遙感衛星實時的衰減校正能力。近年來、國內外研究機構開始研發和布設自動化觀測設備并開展了自動化定標應用試驗、初步結果表明自動化定標可以達到人工定標的精度[1-3]。

在美國航空航天署(NASA)的支持下、噴氣推進實驗室(JPL)采用通道式地面自動觀測輻射計[1,4-5]LSpec和CE318、并通過自動化定標試驗實現了對MODIS、Landsat ETM+、IKONOS的定標[6]、并與在鐵路谷(RRV)進行的人工定標結果做了交叉比對、兩者差別最大為5%。法國國家空間技術中心(CNES)在La Crau試驗場[7]設立了自動站(ROSAS)、針對SPOT的各個波段、采用CEMEL公司的太陽輻射計觀測地面反射和天空入射、已用于SPOT的在軌業務定標。美國亞利桑那大學將地面觀測光譜輻射計布設在內華達州鐵路谷輻射校正場(RadCaTS)[8-10]、實現了對Aqua MODIS、Terra MODIS、MISR、ASTER、Landsat7 ETM+和Landsat8 OLI等遙感器的定標。目前、我國對自動化定標方法的研究還在起步階段、場地定標主要采用人工操作、很難支持未來全國乃至全球衛星定標的應用需求。中國科學院安徽光學精密機械研究所針對場地自動化定標的需求、已經逐步完成了超光譜比值輻射儀、自動化觀測輻射計[11]等自動化設備的研制、并開展了自動化定標方法研究。同時、中國氣象局國家衛星氣象中心開展了敦煌輻射校正場自動化觀測試驗、于2015年建設了自動化觀測基地并投入了使用、為自動化定標奠定了基礎。

光學載荷場地定標技術經過近30年的發展、形成了以反射率基法、輻照度基法為核心的基本定標方法。針對光學遙感衛星自動化場地定標的新技術需求、安徽光機所研制了一套自動化地面定標系統-超光譜比值輻射儀、實現大氣-地表輻射特性的自動觀測、定標數據實時預處理、智能自主控制、遠程傳送等功能集成、為實現衛星遙感器的自動化定標奠定了技術基礎。針對場地定標中對大氣光學參數、地表反射率的需求、超光譜比值輻射儀利用積分球測量光譜總照度[12]、并通過遮擋的方式實現了光譜漫照度的測量、同時、利用光學鏡頭的方式實現了地面輻亮度的測量、為衛星傳感器的輻射定標提供了數據支持。超光譜比值輻射儀在2015年8月參加了國家衛星氣象中心組織的敦煌輻射校正場衛星定標試驗、得到了理想的應用效果并測量到正確的數據。針對測量的數據、利用輻照度基法對Aqua MODIS光學遙感器進行了場地定標[13]、對比驗證結果滿足儀器滿足設計要求、初步實現了衛星傳感器自動化定標的功能需求。

1 超光譜比值輻射儀介紹

針對衛星遙感器場地定標的地表參數的需求、超光譜比值輻射儀可以實現地面光譜反射率觀測、天空光漫射照度/總照度比(漫總比)測量； 為了保證儀器運行過程中的實時校正、輻射儀開發了輻射/光譜自校準功能； 為了實現輻射儀無人值守的自動化運行目標、結合敦煌輻射校正場位置偏僻、信號弱的功能、儀器開發了基于北斗無線通信的遠距離數據傳輸與控制功能、并為輻射儀配備了太陽能供電、實現儀器的單機自動化運行。系統的結構組成如圖1所示。

圖1 超光譜輻射儀系統圖

超光譜比值輻射儀的入射光勻光積分球設計有兩個入光孔和一個出光口、其中上入光孔用于觀測天空入射光、下入光孔與反射觀測鏡頭相連接用于觀測地面反射、采用切換方式分時切入兩路入射光、通過出光口處的光纖束導入分光探測模塊。儀器設計的特點是天空輻照度觀測和地面反射輻亮度觀測共用一套積分球和分光探測系統、一套觀測設備可以實現天空光漫射輻照度/總輻照度比值及地面反射率的全自動測量、避免了光譜匹配誤差和傳統測量方式的儀器間系統誤差、可以提高現場的觀測精度和輻射傳輸計算及定標應用的精度。

超光譜比值輻射儀的工作模式主要采用如下兩種：

(1)大氣特性觀測模式：包括天空總照度、漫射照度、天空光漫總比和大氣光學厚度觀測、該觀測模式全面的反映了場地大氣光學特性、準確表征場地的大氣類型、有效提高輻射傳輸計算的精度。

大氣光學特性觀測要求儀器處于水平狀態、在天空光切入、不遮擋情況下實現入射總照度Et(λ)的測量、如圖2(a)所示； 在遮擋積分球入光孔直射情況下、實現測量天空漫射光照度Edif(λ)的測量、如圖2(b)所示； 漫射照度與總照度測量值之比即為漫總比R(λ)、見式(1)。全照度、漫射照度、直射照度及漫總比的現場測量直接反映了場地的氣溶膠類型、輻射傳輸計算時不需要假定氣溶膠模式參數、減小了輻射傳輸計算的不確定度。

(1)

圖2 大氣特性觀測模式

總照度測量與漫射照度值之差為太陽光透過大氣層到達地面的直射照度、見式(2)、太陽光照度的衰減符合郎伯-比爾定律、如式(3)所示。

E(λ)=Et(λ)-Edif(λ)

(2)

E(λ)/cos(θs)=E0(λ)(d0/d)2exp[-mτ(λ)]

(3)

式中、E(λ)為地面測量的太陽直射輻照度、E0(λ)為大氣上界的太陽直射輻照度、d0/d為日地平均距離修正因子、m為大氣質量、τ(λ)為大氣光學厚度、θs為測量時刻的太陽天頂角。式(3)中、儀器經過定標后僅τ(λ)為未知量、根據地面測量值即可得到現場的大氣光學厚度、計算方法如式(4)所示。

τ(λ)=(1/m)×[lnE0(λ)-ln(E(λ)/cosθs)+2ln(d0/d)]

(4)

(2)地表反射率觀測模式：該模式測量地面輻亮度、根據天空總照度的測量結果、計算得到地表反射率數據、為場地定標提供必要的輸入參數。

地面反射率觀測需要儀器水平放置并保證地面反射光切入、測量獲得地面反射亮度L(λ)、如圖3所示。反射測量值與模式(1)總照度測量值之比即為地表反射率、見式(5)。由觀測原理可知、對地反射率測量與天空光測量在進入光纖束之后的光路完全一致、測量過程通過一個儀器完成地表反射率的測量、可以避免測量引起其他的儀器或設備誤差對測量結果造成影響、且儀器自主運行過程中實現地表反射率的單機測量、實現了自動化測量功能、為輻射儀的一個創新點。

(5)

圖3 地表反射率觀測模式

2 自動化定標數據分析

2.1 輻照度基法簡介[14]

衛星遙感器絕對輻射定標的最基本方法為反射率基法、這種方法以測量的地表反射率和大氣參數計算得到表觀輻亮度、不過引入了氣溶膠散射的一些近似。近年來、隨著敦煌輻射校正場周圍的開發、場地定標期間氣溶膠的變化較大、我們在衛星定標中多采用輻照度基法進行計算、這種方法在測量需要的地面反射率、大氣特性參數外、還需要漫總比的測量、下面對輻照度基法的定標原理做簡單說明、為后續數據說明應用原理。

衛星傳感器在空間測量波長λ處的輻亮度Lλ(θv,θs,φv-φs)、可以表示為表觀反射率、如式(6)所示，

(6)

其中E0λ是大氣外界的太陽輻照度、θv,θs,φv和φs分別代表觀測的和太陽的天頂角和方位角、μs=cosθs。

對于反射率為ρ的均勻朗伯地表、衛星傳感器的表觀反射率為式(7)，

ρ*(θv，θs，φv-φs)=Tg(μs，μv)×

(7)

其中τ是總的大氣散射透過率、ρA是大氣內反射率、S是大氣的球面反照率、Tg是氣體吸收透過率。

根據輻射傳輸方程和地面接收輻照度的分解、太陽-目標的透過率、衛星-目標的透過率可以表示為式(8)和式(9)，

(8)

(9)

其中δ為大氣光學厚度、αs和αv分別為太陽方向和觀測方向的漫總比。

將式(8)和式(9)代入式(7)中、可以得到式(10)、輻照度基法就是將測量的地表反射率、大氣參數、漫總比代入式(10)中、Tg、ρA和S利用6S模式進行計算、最終根據表觀反射率數據得到衛星傳感器入瞳處的表觀輻亮度、完成衛星傳感器的定標過程。

ρ*(θv，θs，φv-φs)=Tg×

(10)

2.2 地表反射率自動化測量

衛星傳感器的場地定標是基于地表反射率的實測值、利用輻射傳輸模式推算到傳感器入瞳處得到表觀反射率、根據傳感器測量的DN值完成輻射定標。我國在場地定標開始至今、地表反射率的測量多采用ASD[15]、SVC[16]等手動測量儀器、這種儀器是國內外定標中常用的儀器、在歷年來的場地定標中也得到了驗證、不過儀器的操作一直采用人工控制的測量方式、測量原理是基于地表輻亮度和漫反射板的輻亮度結果進行比值得到。超光譜比值輻射儀的研發首要就是解決地表反射率的自動化測量問題、根據漫反射板輻亮度和總照度的理論關系、設計了一個儀器、兩個入光孔的設計思路、分別測量地表輻亮度和入射總照度的結果、最終推算出地表反射率的測量值、實現自動化測量的目的。

在2015年敦煌輻射校正場的試驗中、選取了8月19日的數據進行了對比分析 、如圖4所示。圖中給出了超光譜輻射儀、SVC和自動化觀測輻射計[11]相同時間的地表反射率的測量結果、其中在400～1 000nm波段超光譜輻射儀與SVC的偏差小于0.5%、在1 000～1 600nm之間兩者的偏差小于1.5%、近紅外波段的偏差較大是由于測量地面的差異對紅外波段影響較大引起。從數據比對結果可以得出、超光譜比值輻射儀自動化測量的地表反射率基本可以代替SVC人工測量的數據進行應用、在利用輻射儀的地表反射率對Aqua MODIS進行定標時、測量值需與Aqua的光譜響應函數進行卷積、得到不同通道的地表反射率、計算得到的Aqua MODIS的通道1～5的地表反射率如表1所示。

圖4 地表反射率測量數據

表1 Aqua MODIS通道1～5的等效地表反射率

2.3 大氣特性測量

大氣特性可以完全反應衛星傳感器定標過程中的天氣狀況、為了對比值輻射儀的輻照度結果做出評價、選定無云、氣溶膠較小的天氣條件下、通過實驗與光譜輻照度儀的光譜測量結果、MODTRAN模擬結果作了對比。超光譜比值輻射儀、光譜輻照度儀都經過了實驗室輻射定標、可以推算出不同波長下的地面太陽光譜輻照度。利用MODTRAN進行總照度模擬時、選用了與6S計算相同的550 nm的氣溶膠光學厚度(0.170)作為輸入參數。

圖5中給出了400～2 400 nm波段的對比輻照度值、由圖中可以看出、三者得到的地面光譜輻照度結果太陽輻照度趨勢一致、在水汽吸收峰和氧氣吸收峰上測量輻照度值明顯減小、吸收峰的波長值相同、證明了儀器在設計原理和波長定標中的正確性。不過兩個儀器的測量絕對值存在5%的偏差、考慮到兩者測量的時間、地點一致、判斷為輻射定標引起的偏差。與MODTRAN的模擬結果偏差考慮是由輻射傳輸模式計算引起、計算是大氣類型、臭氧、水汽的絕對量的偏差都會造成最終結果的偏差。

圖5 太陽光譜總照度的對比

2.4 漫照度/總照度測量

在利用輻照度基法進行衛星傳感器的場地定標時、通過漫總比數據來描述下行和上行路徑上的大氣透過率、即太陽方向漫總比和衛星觀測方向漫總比。太陽方向漫總比利用輻射儀直接觀測的數據、與衛星傳感器的光譜響應函數進行卷積得到。設定衛星過頂時刻的太陽天頂角和衛星觀測天頂角分別為θs和θv、在大氣條件穩定時衛星觀測方向漫總比等同于太陽天頂角θs=θv時刻的漫總比、根據漫總比與大氣質量數的線性關系、需要經過外推或內插得到衛星觀測方向漫總比。

圖6中給出了衛星過頂時刻輻射儀測量的漫總比數據、圖6(b)中為輻射儀與太陽輻照度儀的漫總比對比曲線、根據數據比對、400～900 nm波段兩者的絕對偏差不大于0.015%、900～1 300 nm波段的數據對比不太理想、這是由于太陽輻照度儀的線性定標引起、比值輻射儀數據符合漫總比數據規律、最終采用過頂衛星與漫總比數據如表2所示。

圖6 漫總比測量數據

表2 漫總比數據

2.5 儀器自動化測量數據

如前面多次提到、超光譜比值輻射儀設計的目的是實現自動化的場地定標、這對儀器的可靠性、穩定性要求很高、在2015年為期14天的敦煌試驗中、輻射儀經受了高溫、高風沙的惡劣環境考驗、測量得到了場地定標需要的有效數據。前面已經給出了關于場地定標需要參數的數據結果、并進行了對比、圖7給出了定標測量時間內測量的數據、在圖7(a)中給出了不同時刻的總照度的結果、可以看出儀器在12點15分到19點13分的時間內工作穩定、并且從圖7(a)的幾個波長隨時間的變化可以看出、光譜總照度隨時間呈余弦特性、并且測量數據平滑、其中在18點30分天氣有云時、儀器也有相應的變化。

圖7 自動化測量數據

3 衛星場地定標應用

為了驗證超光譜比值輻射儀在衛星自動化場地定標中的應用效果、利用8月19號的測量數據對Aqua MODIS進行了定標。根據衛星過頂時刻的大氣參數、如表3所示、結合計算的表1中的MODIS的等效地表反射率、表2中的太陽和衛星角度的漫總比數據、利用6S輻射傳輸模型、基于輻照度基法進行了計算、得到了各波段的表觀輻亮度、如表4中所示。

利用GPS數據進行星地測區幾何校準、提取測區的2×2像元并取平均值、結合星上定標系數可獲得MODIS觀測到的表觀輻亮度、同時利用人工測量的數據進行了Aqua MODIS的場地定標、同樣得到了傳感器入瞳處的表觀輻亮度、如表4中所示。根據超光譜比值輻射儀自動化測量數據的定標結果、人工測量的定標結果以及計算得到的相對偏差可以看出、通道1～4的相對偏差在1%以內、定標結果的一致性很好、通道5波段的偏差較大、誤差主要來源于測量過程中地表反射率的差異對近紅外波段的影響。

表3 衛星過頂時刻的大氣參數

表4 定標計算的與Aqua測量的表觀輻亮度

Table 4 Top-of-atmosphere spectral radiance between Aqua MODIS and calibration results

通道表觀輻亮度/(W·m-2·sr-1·μm-1)MODIS輻射儀人工測量Relativedeviation/%198.330100.0299.840.18265.10767.1866.630.823108.577108.85108.690.154103.013104.19103.280.87533.81237.9835.237.24

4 結 論

近年來隨著我國光學遙感衛星的數量、種類和定標精度的提升、采用人工方式進行的業務化場地定標已不能及時反映衛星載荷的衰變。通過調研國際上開展的自動化定標思路、安光所開展了衛星傳感器的自動化定標試驗、并研制了超光譜比值輻射儀自動化定標系統。比值輻射儀實現了大氣-地表輻射特性的自動觀測、儀器的智能控制、數據遠程傳輸的自動化功能。針對場地定標中對大氣光學參數、地表反射率的需求、超光譜比值輻射儀利用光學鏡頭的方式實現了地面輻亮度的測量、與SVC的測量相對偏差在0.5%～1.5%。利用積分球測量光譜總照度、并通過遮擋的方式實現了光譜漫照度的測量、與光譜輻照度儀的總照度偏差小于5%、漫總比絕對偏差不大于0.015%。

超光譜比值輻射儀在2015年8月參加了敦煌輻射校正場衛星定標試驗、得到了理想的應用效果并測量到正確的數據。針對測量的數據、利用輻照度基法對Aqua MODIS光學遙感器的通道1～5進行了場地定標、通道1～4的對比相對偏差小于1%、通道5的偏差結果為7.24%、驗證結果滿足了衛星傳感器自動化定標的初步需求。不過輻射儀在1 600～2 500 nm波段的信號還沒有達到完全應用的效果、下一步的工作中需要繼續改進、盡早實現衛星傳感器的自動化定標業務運行。

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Automatic Field Calibration and Analysis of Satellite Based on Hyper-Spectral Ratio Radiometer

LIU En-chao,LI Xin,WEI Wei,ZHAI Wen-chao,ZHANG Yan-na,ZHENG Xiao-bing

Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization,Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China

With the demand of calibration technology of high frequency and high precision in terms of the optical remote sensing satellite of China,and the deficiency of the artificial work,the automatic system of hyper-spectral ratio radiometer was developed by investigation the calibration situation of domestic and abroad satellite,then the automatic calibration of satellite sensor was carried out. According to the parameters demand of field calibration and the goal of automation,the ratio radiometer was designed to measure global spectral irradiance by integrating sphere,and the diffuse spectral irradiance was measure by the shelter,so the diffuse-global ratio was calculated by these data. Simultaneity the ground radiation was measured with radiometer optical-lens and the automatic observation of atmospheric and surface radiation characteristics was achieved,In addition,the data pre-processing of real-time and remote transmission were integrated in the system. With the field test on the Dunhuang radiometric calibration sites in 2015,the radiometer worked in an ideal way,and the atmospheric optical parameters and surface reflectance data were acquired,which support the calibration of satellite sensor. The comparison with the traditional measurement was carried,the relative deviation of the surface reflectance is less than 5%,and the absolute deviation of the atmospheric parameters is less than 5% and the diffuse ratio is less than 0.015%. According to the measured data and based on irradiance-based method,the field calibration applied to the band 1～5 of Aqua MODIS,the relative deviation of band 1～4 is less than 1% while the band 57.24%,so the requirement of the automatic calibration of the satellite sensor was satisfied preliminarily.

Remote sensing satellite； Automatic calibration； Hyper-spectral radiometer； Atmospheric optical parameters； Surface reflectance

Nov. 9,2015; accepted Apr. 9,2016)

2015-11-09、

2016-04-09

國家(863計劃)項目(2015AA123702)和安徽省自然科學基金青年項目(1508085QD80)資助

劉恩超、1985年生、中國科學院合肥物質科學研究院助理研究員 e-mail: liuech@aiofm.ac.cn

TP722

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-4076-06