天绘一号卫星相机的辐射交叉定标研究

窦乃英，丛 琳，黄令勇

（1.中国天绘卫星中心，北京 102102）

天绘一号（TH-1）卫星开展长期在轨业务运行，已为国民经济建设提供了准确的空间信息源。由于卫星在轨运行期间外部环境将发生变化，所以必须对其进行绝对辐射定标。我国主要通过卫星辐射定标场对遥感卫星开展场地定标实验，但运用场地法定标需要大量的地面实际测量数据，财力、物力、人力消耗较大，不能满足TH-1卫星业务化定标的需要[1]。

目前，国内外积极开展交叉定标实验，进行多传感器、多时相卫星数据的交叉定标，以满足卫星业务化定标需求。国内外专家[2-4]均利用交叉定标方法对遥感卫星进行绝对辐射定标。Landsat8是国际上业务稳定运行、数据广泛应用的高精度遥感卫星，绝对辐射定标精度为5%。利用Landsat8的观测数据对TH-1卫星相机进行交叉定标，建立稳定可靠的TH-1卫星与Landsat8之间的交叉定标模型，能得到可靠的定标系数，以满足TH-1卫星业务化定标需求。

1 交叉辐射定标原理

交叉定标法是以定标精度高的传感器为参考标准，选择相同或相近观测的卫星影像，建立参考传感器入瞳辐亮度与目标传感器之间的关系[5]。基于Landsat8的TH-1卫星交叉定标方法主要分为3个步骤：①数据选取，选择时间、空间和观测几何接近的数据；②分析Landsat 8传感器和TH-1传感器的光谱差异，确定TH-1传感器的入瞳辐亮度值；③定标计算，将经过挑选和修正的样本数据建立关系，获取定标系数。利用Landsat8标定TH-1卫星的流程如图1所示。

图1 TH-1卫星和Landsat8交叉定标流程图

利用Landsat8的OLI 相机对TH-1卫星交叉定标，TH-1卫星的相机辐射特性采用线性设计，即具有式（1）的关系，则可通过计算TH-1卫星相机波段i的表观辐亮度和对应波段的灰度值DN，得到相机波段i的绝对辐射定标系数G和b，从而完成相机的绝对辐射定标。

式中，G为定标增益；b为定标截距，单位为W.m-2.s-1.um-1；DNi为TH-1卫星相机波段i的灰度值。

由于Landsat8的OLI相机与TH-1卫星相机的光谱响应函数存在差异，因此需建立两个相机光谱辐亮度之间的关系。考虑到两个相机对大气条件、地物响应的差异和不同观测角度等因素，得到两个相机入瞳辐亮度的关系。TH-1卫星多光谱相机表观辐亮度的绝对辐射定标公式为：

TH-1卫星多光谱相机表观反射率的绝对辐射定标公式为：

表观反射率与表观辐亮度的关系为：

即

由式（2）、式（5）可得：

Landsat8表观反射率的绝对辐射定标关系为：

式中，为光谱匹配因子，本文利用6S辐射传输模型计算得到；= ρ cosθ 、= ρ c osθ 分 TH i TH Li L别为TH-1卫星和Landsat8多光谱相机过顶时通道i的表观反射率；θTH、θL分别为TH-1卫星和Landsat8相机过顶时的太阳天顶角；ECi为第i通道的日地平均距离处太阳辐照度；d2为太阳辐照度的日地距离修正因子；CLi和PLi为Landsat8的表观反射率定标系数，可在Landsat8数据头文件中获取；DNLi、DNTHi分别为Landsat8和TH-1卫星对应波段处的灰度值；GTHi、bTHi分别为TH-1卫星绝对辐射定标的增益和偏置。

2 定标实验与结果

2.1 定标靶区的选择

在提取影像中定标点数字计数值的过程中，像元定位会存在一定偏差，因此交叉辐射定标的定标靶区一般选用大部分均匀场地，地势平坦，地物变化和BRDF的影响较小，具有较高的稳定性和均匀性[6]。本文选用的定标靶区为云南均匀场，场点属于高原山地气候兼亚热带季风气候，属海洋型气溶胶模式，地物的光谱特性如图2所示。云南均匀场不仅能满足交叉定标对场地光谱特性等方面的要求，而且每年国内相关部门在该地均有实地同步数据测量，因此可以有大量历史数据进行参考和使用。

图2 交叉定标靶区光谱反射率

2.2 匹配数据的获取

TH-1卫星和Landsat8均为太阳同步轨道，综合考虑地面场地条件和卫星观测几何等因素，以TH-1卫星的实际过场时间为标准，在USGS官网上下载最相邻时间的Landsat8过场影像；并下载同时间的MODIS气溶胶和反射率产品。目前，MODIS数据产品已经过多次对比和验证，确保了其数据的准确性和适用性，因此本文以它提供的气溶胶和反射率数据作为已知可信数据使用[7]。TH-1卫星与Landsat8的过境时间与观测几何如表1所示。

表1 TH-1卫星与Landsat8的过境时间与观测几何

2.3 光谱匹配因子的计算

光谱匹配因子计算是交叉定标的关键环节。TH-1卫星与Landsat8相匹配的4个多光谱波段的光谱范围如表2所示。

表2 Landsat8与TH-1卫星相应的光谱范围

为了比较不同相机光谱响应对表观辐亮度的影响，利用6S辐射传输模型计算对应各通道的表观反射率，其中定标点的海拔确定为2.476 km，地表反射率和550 nm处的气溶胶光学厚度采用定标场的实时MODIS数据。

交叉定标包括单点法交叉定标、双点法交叉定标和多点法交叉定标3种方法，若传感器各通道的偏移量为零，则只需一个点即可计算传感器某通道的辐亮度定标系数增益；若传感器各通道的偏移量不为零，那么至少需要两个点才能计算辐亮度定标系数增益。由于TH-1卫星交叉定标系统的研究尚处于起步阶段，自动化程度极低，为了使结果更具科学性和普适性，兼顾工作量能够负担的情况下，本文在云南均匀场选取了10对广泛离散分布的同名点，光谱匹配因子计算结果如表3所示。

通过光谱匹配因子的计算，即可实现利用归一化的表观反射率代替表观辐亮度来进行交叉定标，从而消除了TH-1卫星和Landsat8两个传感器不同成像时间对太阳天顶角余弦值的影响以及不同的光谱响应带来的表观辐亮度差异[2]。

表3 TH-1卫星与Landsat8相应通道光谱匹配因子值

2.4 定标系数的计算

根据影像成像日期计算得到日地平均距离修正因子为0.966 8；日地平均距离处TH-1卫星CCD各通道等效太阳辐照度ECi的计算结果分别为1 913.75、1 840.08、1 671.59和1 412.09，具体计算过程在此不赘述。本文在定标区域采集10个样本点数据，根据计算公式，最终得到TH-1卫星的等效入瞳辐亮度以及对应的DN值如表4所示。

表4 10个采样点各通道的入瞳辐亮度以及对应的DN值

根据入瞳辐亮度以及与对应传感器计数值之间的线性关系，利用线性回归分析，得到绝对定标系数结果如表5所示。

表5 各波段定标系数结果

2015年9月13日国内相关部门基于固定辐射靶标对TH-1卫星的多光谱载荷进行了在轨绝对辐射定标，定标结果如表6所示。

表6 TH-1卫星场地定标结果

由表5、6可知，交叉定标结果和野外实验检测得到的在轨绝对辐射定标系数K和B都相差不大，增益的相对误差分别为5.5%、7.1%、7%和4.2%。笔者认为出现误差可能的原因包括：①采样点数非最优；②Landsat8标准传感器自身定标系数误差；③像元匹配误差；④光谱匹配因子计算误差，其中替代模型使得参数与真实值之间存在偏差；⑤MODIS数据产品误差；⑥传感器之间存在差异，如获取时间、拍摄角度等。因此，本文在进行影像对选择时尽量保证成像时间和观测几何一致，但由于不同系列卫星其相应条件不可能完全一致，因此其相关性上必然存在一定误差。

3 结 语

基于定标靶标场的均匀场地交叉定标，综合考虑了光谱响应差异、观测时间等因素，获得的交叉定标系数精度可靠；因此可认为以定标精度较高的标准传感器为标准，利用线性回归方法获取的相机交叉定标精度与TH-1卫星在轨场地定标精度有很好的一致性，达到了业务化运行的定标精度要求。今后的研究中，将在不确定度的分析、定标点数最优选择上下功夫，以期进一步提高交叉定标的普适性。