HY-1B／COCTS热红外波段的交叉辐射定标方法研究

阚 煜，龚 绍 琦，刘 朝 顺

（1.华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室，上海 200241；2.华东师范大学环境遥感与数据同化联合实验室，上海 200241；3.南京信息工程大学地理与遥感学院，江苏 南京 210044）

0 引言

HY-1B卫星是我国继HY-1A之后的第二颗海洋卫星，于2007年4月11日在太原卫星发射中心发射成功，卫星轨道为798 km。星上载有一台10波段海洋水色扫描仪COCTS（Chinese Ocean Color＆Temperature Scanner）和一台4波段的海岸带成像仪CZI（Coastal Zone Imager）。该卫星主要用于叶绿素、悬浮泥沙、海表层温度及海岸带动态监测［1］。与HY-1A卫星相比，其性能有了进一步增强和提高，并且改善了过境降交点地方时，更有利于海洋水色环境信息的探测。

辐射定标是卫星定量遥感应用的基础。HY-1B／COCTS卫星发射后，由于工作环境和状态改变，设备老化等要素的影响，均可能导致传感器定标系数发生变化［2］，因此为了保证海洋卫星遥感数据应用的准确度与可靠性，需要对HY-1B／COCTS进行精确的辐射定标。

利用高辐射精度的卫星对精度相对较低的卫星遥感器进行交叉辐射校正（cross-calibration，简称“交叉定标”）是一种很好的方法［3］。国内外关于星—星交叉定标的研究工作已经开展了许多，并得到了很好的结果。Li等利用中分辨率成像光谱仪MODIS的海洋表面温度（Sea Surface Temperature，SST）产品检索算法对 HY-1A 进行交叉定标［4］。Gunshor等利用大气红外探测仪AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）数据对地球同步运行环境卫星（GOES）、地球同步气象卫星 Meteosat-8和多功能气象观测和飞行控制卫星MTSAT的水汽通道和分裂窗通道进行交叉辐射定标，取得了很好的效果［5］。蒋耿明等利用AIRS数据对可见光和红外自旋转扫描辐射计SVISSR（Stretched Visible and Infrared Spin Scan Radiometer）分裂窗通道进行交叉辐射定标，结果表明SVISSR数据与卷积得到的AIRS数据高度线性相关［6］。杨忠东等人建立了中巴地球资源卫星CBERS-1上搭载的红外多光谱扫描仪（IRMSS，Infrared Multispectral Scanner）与 FY-1C第4通道及Landsat-7／ETM＋ 第6通道多星热红外遥感仪器交叉定标的算法模型，利用这两个通道分别对IRMSS热红外通道进行交叉定标，得到二组定标结果［7］。张勇等以TERRA／MODIS传感器热红外31通道为参考标准，完成对CBERS-02／IRMSS传感器热红外通道的交叉辐射定标［8］，以上研究表明在轨交叉定标技术是一种经济实用的定标技术。但在交叉定标过程中，为了保证大气对两传感器观测结果影响的一致性，需要对观测时间和观测几何进行严格的匹配。数据处理工作量较大，而往往能够完全匹配的像元数很少，影响辐射定标的结果。本文在综合考虑交叉定标和场地定标各自优缺点的基础上，提出交叉定标法对海洋卫星HY-1B／COCTS热红外波段进行辐射定标。

由于MODIS第31、32波段的辐射定标精度较高（定标误差小于0.4%），能满足地表温度遥感精度的要求［9］，而且与海洋卫星 HY-1B／COCTS第9、10 通道光谱相匹配，HY-1B与TERRA卫星过境时间相当，前后不超过半小时。因此，本文以我国太湖为目标，以准同步过境的TERRA／MODIS传感器热红外31、32通道数据为参考标准，分别对 HY-1B／COCTS传感器热红外9、10通道进行目标跟踪交叉定标。

1 目标跟踪交叉定标的基本方法

根据热辐射传输原理，当热红外探测器观测湖面时，入瞳辐亮度有3个来源［10］：第一部分是来源于水面的热红外辐射L1（λ），这部分能量取决于水面的温度、水面的发射率e以及水体和传感器之间的大气传输路径中的透过率τα（λ）；第二部分能量是大气自身发射的上行热辐射Lup（λ），直接进入传感器的辐射，记为L2；第三部分的辐射是大气自身发射的下行热辐射Ldown（λ），到达水面反射后，穿过大气层，被传感器所接收到的辐射，记为L3。因此，传感器接收到总的入瞳辐亮度LT可表示为：

式中：λ为波长，传感器接收的水面热红外辐射L1（λ）可以表示为：

其中：τα（λ）是波长为λ时从目标到大气顶层的大气透过率；Llake（λ）是观测角内水面发射的辐射，Llake（λ）＝eB（λ），e为水的发射率，B（λ）为与水面温度相同的黑体发射辐射。

水面反射的大气下行热辐射L1在波长为λ时表示为：

其中：ρlake（λ）是水面的反射率，即（1-e）。查 ASTER光谱库得到，水在热红外波段的发射率e都在0.99以上，所以水体在热红外波段可以近似地认为是黑体，反射率接近于0，因此L3（λ）可以忽略。最后传感器接收到总的入瞳辐亮度LT可以表示为：

式中：大气上行热辐射亮度Lup（λ）和大气透过率τα（λ）可以由大气辐射传输模型 MODTRAN模拟得到，因此根据式（4）可从MODIS图像中计算得到水面的Llake（λ）。

考虑到 HY-1B／COCTS、TERRA／MODIS两传感器对应通道光谱响应函数S的差异（图1），需要借助光谱匹配因子K消除两个传感器之间的光谱差异：

其中：LCOCTS（λ）和LMODIS（λ）分别是由实测水温、根据普朗克函数模拟COCTS和MODIS传感器观测的水面辐亮度；SCOCTS（λ）和SMODIS（λ）分别为COCTS和MODIS相应波段的光谱响应函数。

考虑到传感器不同观测天顶角对接收水面热辐射的影响，当两传感器对同一水面进行观测时应满足：

式中：θM和θC分别为MODIS和COCTS的观测天顶角。因为两个传感器的上行热辐射和透射率可以通过大气辐射传输模型MODTRAN模拟得到，根据式（4）可从MODIS图像中计算得到水面发射的热辐射Llake（MODIS）。因此，根据式（6）可以计算出COCTS接收水面热辐射Llake（COCTS）。结合MOTRAN辐射模拟的COCTS传感器大气上行热辐射Lup（λ）和透射率τα（λ），同样根据式（4）最终可计算出COCTS的入瞳辐亮度LT（λ），由此可以建立COCTS的辐射定标模型。热红外通道i的辐射定标系数可由下式得到：

其中：LASRi代表以 Wm－2sr－1μm－1为单位的入瞳辐亮度，DNi代表数字信号的数值，Gi和Ii分别表示以 Wm－2sr－1μm－1／DN 和 Wm－2sr－1μm－1为单位的增益和偏置。

2 研究区域数据和处理

2.1 研究区域和定标点的选取

太湖是我国第三淡水湖，湖泊面积2 338.1 km2，平均深度2 m，水域广阔均匀，水温变化不大，水的发射率高、几乎接近黑体，可用作热红外辐射定标场。在定标点的选取上，本文以具有代表性、有效性和准确性为原则，同时避免有云层干扰，减少偶然性造成的误差。因此，选取湖中25个不被云覆盖且清晰的点进行研究（图2）。

2.2 数据来源

研究数据包括MODIS影像、COCTS影像、气象资料等，数据日期为2009年4月17、21、22、25、26日，共5天。HY-1B／COCTS影像资料从国家卫星海洋应用中心申请获得，数据为L1A级；TERRA／MODIS影像资料可从 NASA网站下载（http：／／ladsweb.nascom.nasa.gov／data／search.html），数据为L1B级；太湖地区没有探空资料，MODTRAN模拟所需的水汽廓线用大气含水量代替，该数据来自气溶胶自动观测网 Aeronet（http：／／aeronet.gsfc.nasa.gov／）的太湖站点，由太阳光度计CE318每隔5 min观测得到；MODTRAN模拟所用的近地层气温和能见度数据来自气象观测站（东山站58358）。水温数据是卫星过境期间水温计实测数据。

2.3 遥感图像预处理

2.3.1 COCTS图像的预处理

（1）条带噪声去除。本文采用矩匹配法，利用可视化编程软件IDL编写条带去除的相关程序以去除条带。实验表明经处理后的影像的条带得到了很好去除（图3），为下一步的辐射定标提供高质量的数据支持。

（2）几何校正。COCTS图像属于低空间分辨率图像，利用其自带的地理坐标进行几何校正。COCTS图像中每条扫描行的像元数为1 664，有166个经纬度坐标对，就是第1个经纬度坐标对对应扫描行图像像元号为7，以后每隔10个像元给出一个经纬度坐标对。由此可以确定图像像元的行列值与经纬度坐标对之间的一一对应关系。采用不规则三角网方法计算图像像元校正后的新坐标位置，并用最邻近插值法得到新像元的DN值。COCTS图像几何校正前后对比如图3。

2.3.2 MODIS图像的预处理 由于MODIS L1B数据已经过辐射校正，且自带详细的经纬度信息，因此，本文利用遥感图像处理软件ENVI只对MODIS数据做几何校正［11，12］。

2.4 大气透过率与大气上行热辐射的模拟

本文选择辐射传输模型MODTRAN模拟HY－1B／COCTS和 TERRA／MODIS的大气透过率τα（λ）和大气上行辐射Lup（λ）。模型需要输入的主要参数有：大气模型、气溶胶模型、大气能见度、水汽量、近地层温度、观测天顶角、波长等［13］。这里的大气模型选择中纬夏季；气溶胶模型为城市型。各参数的值见表1。在模拟出大气透过率和大气上行辐射后，利用COCTS和MODIS相应通道的光谱响应函数，对大气透过率和大气上行辐射进行卷积运算，计算出COCTS和MODIS相应通道的大气透过率和大气上行辐射亮度。

表1 MODTRAN模型的参数值Table 1 The parameter value of MODTRAN

3 结果与分析

3.1 HY-1B／COCTS热红外通道辐射定标模型的构建与定标系数的确定

根据本文所述的目标跟踪交叉定标方法，可以计算出COCTS的入瞳辐亮度LT，并从COCTS影像上提取对应的DN值，利用线性回归方法，构建COCTS热红外通道的辐射定标模型（图4）。如图4所示，COCTS的入瞳辐亮度和DN值之间表现出良好的线性关系，其回归的决定系数R2分别为0.908和0.772。由此获得的COCTS热红外通道辐射定标模型：第9波段：L9＝0.008＊DN＋2.873（R2＝0.907，N＝50）；第10波段：L10＝0.006＊DN＋3.913（R2＝0.757，N＝50）。

3.2 辐射校正结果验证

3.2.1 COCTS辐亮度的比较 为了进一步验证本文的辐射定标结果，将利用定标系数反演的入瞳辐亮度Lt和MODIS交叉等效模拟的入瞳辐亮度Lt进行对比分析，通过计算平均偏差MPE、均方根误差RMSE等衡量辐射定标的精度。计算结果表明：第9、10波段的 MPE分别为－0.070、－0.008，RMSE分别为0.532、0.083，第10波段的 RMSE远小于第9波段，该波段辐射定标模型的精确度更高。COCTS两个通道的MPE和RMSE均较小，说明两个通道的辐射定标模型精确度均较高。两者之间的平均偏差也都小于10%，对于影像数据质量不高的HY-1B卫星而言，结果足以说明本文得到的COCTS两个热红外通道辐射定标模型的可靠性。

为更直观更清楚地表示表2所示两种辐亮度之间差异情况，图5给出了COCTS交叉等效模拟的入瞳辐亮度和辐射定标反演的入瞳辐亮度之间的散点图。如图5所示，两个波段分别对应的两个辐亮度之间的相关性较好。第9波段两个入瞳辐亮度之间的决定系数为0.716，第10波段两个入瞳辐亮度之间的决定系数为0.516。总体而言，两个热红外通道辐射定标模型的精确度都满足要求，结果比较理想。因此，利用 MODIS第31、32通道对 HY-1B／COCTS第9、10通道进行交叉定标这种方法可行，并且这两组定标系数理论上都可用于 HY-1B／COCTS的辐射定标，可以满足定量化应用的需求。

3.2.2 基于COCTS图像的太湖水温反演 基于前文所述的COCTS的辐射定标模型和定标系数的定标结果，利用分裂窗算法［14］，反演得到2009年4月21日太湖区域白天的水温数据如图6（见封2）。为验证辐射定标模型的精度，选取湖中6个验证点，将太湖的水温反演值与实测值进行对比（表2），两者之差最大为1.9 K，最小为0.3 K，平均偏差1.47 K。这种误差来源有分裂窗反演算法带来的误差和辐射定标系数带来的误差［15］，具体哪种原因引起的误差较大，还有待研究。两者的决定系数为－0.445，虽相关性不高，但对于影像数据精度不高的HY卫星而言结果可以接受，因此可以认为HY-1B／COCTS两个通道的辐射定标系数在一定程度上是可靠的，可用于后续的HY-1B／COCTS数据应用。

图5 COCTS第9、10波段两个辐亮度的散点图（单位：Wm－2 sr－1μm－1）Fig.5 Scatter plot between pupil radial brightness of two methods of COCTS band 9 and band 10

4 结论

本文以具有高辐射精度的TERRA／MODIS传感器热红外第31、32通道为参考，采用目标跟踪交叉定标法开展HY-1B／COCTS传感器热红外第9、10通道的辐射定标研究，初步得到以下结论：

（1）通过一元线性回归方法，确定了 HY-1B／COCTS传感器热红外第9、10通道的辐射定标系数；将定标系数反演到COCTS第9和第10通道上，并与MODIS等效的入瞳辐亮度进行比较，得到两者有很好的相关性，相关系数分别为0.846和0.718，均方根误差分别为0.532 Wm－2sr－1μm－1和0.083 Wm－2sr－1μm－1。说明本研究得到的定标精度较高，定标系数可靠，可用于我国海洋Y-1B卫星的红外遥感观测。

（2）将定标所得的结果反演到COCTS第9和第10通道上，得到两通道的辐射亮度。在此基础上，根据分裂窗方法反演了2009年4月21日白天太湖区域的水温，通过与实测水温比较发现，两者有很好的相关性，相关系数为0.667，水温反演的均方根误差为1.47 K。说明本文得到辐射定标结果较为理想，基本可以满足 HY-1B／COCTS海洋水温遥感的定量化需求，但其业务精度尚有提高的空间。

本文使用的HY-1B／COCTS影像资料来自国家卫星海洋应用中心，气温和能见度数据来自中国气象科学数据共享服务网，水汽量来自全球气溶胶Aeronet网的太湖站点，该站点是由中科院地理与湖泊研究所马荣华研究员负责采集，对以上数据提供部门表示衷心感谢！

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