基于FY?4 AGRI與Himawari?8 AHI的平均太陽(yáng)光譜輻照度研究

李亞男 于文金

摘? 要： 文中選取ASTM?E490太陽(yáng)光譜來計(jì)算AGRI和AHI數(shù)據(jù)的可見光和近紅外波段的ESUNb值，并經(jīng)已發(fā)布ESUNb值的HJ?1A/1B CCD1傳感器驗(yàn)證了計(jì)算值的可靠性，最后將其應(yīng)用于數(shù)據(jù)的預(yù)處理中。結(jié)果表明：通過ASTM?E490太陽(yáng)光譜計(jì)算得到了AGRI和AHI數(shù)據(jù)可見光和近紅外波段的ESUNb值可用于AGRI和AHI數(shù)據(jù)預(yù)處理中;經(jīng)驗(yàn)證，基于ASTM?E490太陽(yáng)光譜計(jì)算得到的ESUNb值與官方值的絕對(duì)誤差在10以內(nèi)，相對(duì)誤差僅在0.191%～0.571%之間;計(jì)算得到的ESUNb值可用于數(shù)據(jù)的預(yù)處理中，經(jīng)定標(biāo)和大氣校正后發(fā)現(xiàn)，校正后影像的對(duì)比性更清晰，且AGRI數(shù)據(jù)的地物邊界更為清晰，變化更加明顯。

關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)光譜; 光譜輻照度; 可靠性計(jì)算; 數(shù)據(jù)預(yù)處理; 絕對(duì)誤差; 清晰度計(jì)算

Abstract： The ASTM?E490 solar spectrum is chosen to calculate the ESUNb values for the visible and near?infrared bands of AGRI and AHI data， the reliability of the calculated value is verified by the HJ?1A/1B CCD1 sensor with the published ESUNb value， and then it is applied to the data preprocessing. The results show that the ESUNb values for the visible and near?infrared bands of AGRI and AHI data obtained by the ASTM?E490 solar spectrum calculation can be used in the AGRI and AHI data preprocessing; the absolute error of the ESUNb value calculated based on ASTM?E490 solar spectrum with the official value is within 10， and the relative error is only between 0.191% and 0.571%; the calculated ESUNb value can be used in the data preprocessing， the clearer contrast of the corrected images are revealed after the calibration and atmospheric correction， and the object boundary of the AGRI data is clearer and the changes are more pronounced.

Keywords： solar spectrum; spectral irradiance; reliability calculation; data preprocessing; absolute error; definition calculation

0? 引? 言

“風(fēng)云四號(hào)”是我國(guó)于2016年12月發(fā)射的靜止軌道氣象衛(wèi)星，其接替第一代靜止衛(wèi)星“風(fēng)云二號(hào)”，能大幅度提高我國(guó)對(duì)天氣、災(zāi)害和環(huán)境的監(jiān)測(cè)能力，經(jīng)過將近1年的在軌測(cè)試，于2018年3月開始面向全球提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品。AGRI（Advanced Geostationary Radiation Imager）是FY?4衛(wèi)星上搭載的傳感器之一，用于對(duì)地球氣象、環(huán)境的二維成像觀測(cè)，其設(shè)有14個(gè)探測(cè)波段，探測(cè)波長(zhǎng)在0.45～13.8 μm之間，可探測(cè)到大氣、陸表和海洋的可見光至熱紅外的發(fā)射輻射[1]。作為新型的國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，應(yīng)用時(shí)間短，傳感器還未提供波段平均太陽(yáng)光譜輻照度（ESUNb）參數(shù)，這給數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作造成一定困難，一定程度上會(huì)影響衛(wèi)星數(shù)據(jù)的使用和推廣。Himawari?8衛(wèi)星是日本的靜止軌道氣象衛(wèi)星，于2014年發(fā)射，其搭載的16通道的葵花衛(wèi)星高級(jí)成像儀AHI （Advanced Himawari Imager）有與AGRI傳感器相似的通道設(shè)置[2]，具有高精度、高光譜、高空間分辨率等特點(diǎn)，對(duì)于AGRI數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究具有重要的參考價(jià)值。

遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理的關(guān)鍵問題是輻射定標(biāo)和大氣校正。這一過程中需要進(jìn)行大氣層頂反射率和輻亮度的轉(zhuǎn)換。大氣層外平均太陽(yáng)光譜輻照度（ESUNb）是這一轉(zhuǎn)換過程中不可或缺的參數(shù)[3?4]，AGRI和AHI傳感器均未給出這一參數(shù)。本文選取了ASTM?E490太陽(yáng)光譜來計(jì)算AGRI和AHI可見光和近紅外波段的ESUNb值，同時(shí)計(jì)算HJ?1A/1B CCD1的ESUNb值，與已有的官方值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證計(jì)算值的可靠性，并將基于AGRI和AHI傳感器計(jì)算得到的ESUNb值應(yīng)用于數(shù)據(jù)的預(yù)處理中。

1? 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1? 研究數(shù)據(jù)

本文的研究數(shù)據(jù)分別為中日兩國(guó)的新型靜止軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)FY?4 AGRI和Himawari?8 AHI，數(shù)據(jù)的預(yù)處理常常需要對(duì)可見光和近紅外波段進(jìn)行大氣校正。因此，本文僅針對(duì)傳感器的可見光和近紅外波段計(jì)算平均太陽(yáng)光譜輻照度值，包括AGRI傳感器的藍(lán)、紅、近紅外波段（第1，2，3波段）和AHI傳感器的藍(lán)、綠、紅、近紅外波段（第1，2，3，4波段），光譜參數(shù)見表1。

傳感器的光譜響應(yīng)反映了不同傳感器在特定通道的光譜區(qū)間內(nèi)對(duì)太陽(yáng)光譜輻射的響應(yīng)能力，是傳感器的主要特性之一[5]。國(guó)家衛(wèi)星氣象中心和JMA官網(wǎng)均提供了傳感器的光譜響應(yīng)參數(shù)，圖1為AGRI傳感器第1，2，3波段和AHI傳感器第1，2，3，4波段的光譜響應(yīng)曲線，從圖中可以看出各傳感器間不同波段的光譜響應(yīng)范圍均有所不同。

1.2? ESUNb值計(jì)算方法

ESUNb值可通過傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)和太陽(yáng)光譜數(shù)據(jù)積分得來，其公式為[6]：

大氣層外太陽(yáng)光譜輻照度[E（λ）]是[ESUNb]值計(jì)算的重要參數(shù)，它是指在大氣層頂，垂直于太陽(yáng)入射方向上單位時(shí)間和單位面積內(nèi)所接收的太陽(yáng)輻射能，與波長(zhǎng)和日地平均距離有關(guān)，不受大氣的影響。但由于觀測(cè)手段和方法的差異，不同太陽(yáng)光譜數(shù)據(jù)也存在一些差別[7]。常用的太陽(yáng)光譜及其光譜范圍見表2。

參考已有的研究基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于中等分辨率的傳感器，WRC太陽(yáng)光譜計(jì)算出來的ESUNb值與傳感器官方發(fā)布的值之間平均絕對(duì)誤差最小，而ASTM?E490太陽(yáng)光譜計(jì)算出來的絕對(duì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)值最小[13]。二者均是適合計(jì)算ESUNb值的太陽(yáng)光譜，但考慮到ASTM?E490太陽(yáng)光譜數(shù)據(jù)獲取的難度更低，且被《中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》所采用，因此本次研究決定使用ASTM?E490太陽(yáng)光譜來計(jì)算FY?4 AGRI和Himawari?8 AHI的ESUNb值。ASTM是美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（American Society for Testing Materials）的簡(jiǎn)稱，該協(xié)會(huì)的主要工作就是制定與材料、產(chǎn)品和系統(tǒng)等相關(guān)的試驗(yàn)方法和性能標(biāo)準(zhǔn)。ASTM?E490太陽(yáng)光譜輻照度是根據(jù)航天飛機(jī)等航天器和地球表面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及太陽(yáng)光譜輻照度模型得出的[14]，光譜范圍在0.2～1 000 μm之間，主要用于航天器件和材料的熱分析試驗(yàn)、熱平衡試驗(yàn)和其他試驗(yàn)，應(yīng)用包括通過光譜反射率數(shù)據(jù)計(jì)算太陽(yáng)吸收率、規(guī)定模擬空間測(cè)試中材料的太陽(yáng)紫外線照射量。

2? 結(jié)果與確定性分析

2.1? ESUNb值計(jì)算結(jié)果

選取ASTM?E490太陽(yáng)光譜和傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)，光譜數(shù)據(jù)波長(zhǎng)單位為?m，輻照度單位為W·m?2·?m?1。由于太陽(yáng)光譜數(shù)據(jù)和光譜響應(yīng)函數(shù)都是由特定波長(zhǎng)和所對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)輻照度構(gòu)成的，因此本文采用拆分法，將波長(zhǎng)步長(zhǎng)統(tǒng)一為0.001 ?m，根據(jù)式（1）計(jì)算得到FY?4 AGRI第1，2，3波段和Himawari?8 AHI第1，2，3，4波段的ESUNb值，結(jié)果見表3。

2.2? 確定性分析

為了驗(yàn)證AGRI和AHI傳感器波段ESUNb值的計(jì)算精度，本次研究計(jì)算了環(huán)境衛(wèi)星HJ?1A/CCD1和HJ?1B/CCD1兩個(gè)傳感器的ESUNb值。將計(jì)算結(jié)果與中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心發(fā)布的ESUNb值進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如表4、表5所示。

可以看出，基于ASTM?E490太陽(yáng)光譜計(jì)算得到的HJ?1A/1B CCD1傳感器的ESUNb值與中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心發(fā)布的平均太陽(yáng)輻照度值有所差異，但大體相同。計(jì)算二者的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，結(jié)果顯示，HJ?1A/1B CCD1傳感器ESUNb的計(jì)算值與官方值誤差絕對(duì)值在10以內(nèi)，最大值為8.311，最小值為2.431;相對(duì)誤差最大為0.571%，最小僅為0.191%。

圖2為各傳感器同一波段下的ESUNb值，比較HJ?1A/1B CCD1和AGRI，AHI傳感器可見光波段和近紅外波段的ESUNb值發(fā)現(xiàn)，同一波段下，由于各傳感器的光譜響應(yīng)不同，ESUNb值略有區(qū)別，但總體差別不大。藍(lán)光波段，傳感器間ESUNb值的最大差值為64.7，Himawari?8數(shù)值最大，HJ?1B/CCD1數(shù)值最小;紅光波段，傳感器間ESUNb值的最大差值為47.24，F(xiàn)Y?4數(shù)值最大，HJ?1A/CCD1數(shù)值最小;近紅外波段，傳感器間ESUNb值的最大差值為39.935，HJ?1B/CCD1數(shù)值最大，Himawari?8數(shù)值最小。綜上，可以認(rèn)為基于ASTM?E490太陽(yáng)光譜計(jì)算得出的AGRI和AHI的ESUNb值是可靠的。

3? ESUNb值在遙感數(shù)據(jù)中的應(yīng)用

3.1? FY?4 AGRI和Himawari?8 AHI定標(biāo)與輻亮度計(jì)算

輻射定標(biāo)是指將影像的原始DN值轉(zhuǎn)化為具有實(shí)際意義的輻亮度或表觀反射率數(shù)據(jù)。不同于一般傳感器利用定標(biāo)系數(shù)和偏移系數(shù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，F(xiàn)Y?4 AGRI數(shù)據(jù)通過其自帶的輻射定標(biāo)通道表進(jìn)行定標(biāo)。在HDFview中打開定標(biāo)通道表，原始DN值0～4 095分別對(duì)應(yīng)不同的反射率值或輻亮度值，通過IDL逐個(gè)獲取影像的像元值并將其與輻射定標(biāo)通道表中的值一一對(duì)應(yīng)，可直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行DN值到表觀反射率/輻亮度值的轉(zhuǎn)換，完成定標(biāo)。對(duì)AGRI數(shù)據(jù)的第1，2，3通道進(jìn)行輻射定標(biāo)后，原始DN值轉(zhuǎn)換為表觀反射率。

得到表觀反射率后，將1，2，3通道的反射率繼續(xù)轉(zhuǎn)換為輻亮度值，式（2）為輻亮度與表觀反射率的轉(zhuǎn)換公式[15]：

式中：[Lλ]為[λ]波段處的輻亮度值;[ρ]為輻射定標(biāo)后的表觀反射率;[ESUNλ]為第2節(jié)中計(jì)算得到的[λ]波段大氣層外平均太陽(yáng)光譜輻照度;[θ]為太陽(yáng)天頂角（[θ=90°-β]，[β]為太陽(yáng)高度角，可由當(dāng)時(shí)經(jīng)緯度和時(shí)間計(jì)算得到）;[d]為天文單位，表示日地距離。

Himawari?8 AHI L1級(jí)數(shù)據(jù)采用NetCDF的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，包括1～6波段的反射率數(shù)據(jù)和7～16波段的亮溫?cái)?shù)據(jù)。因此，Himawari?8 AHI可見光和近紅外波段無需進(jìn)行輻射定標(biāo)，且輻亮度計(jì)算方法同F(xiàn)Y?4 AGRI數(shù)據(jù)。

3.2? 基于FY?4 AGRI和Himawari?8 AHI數(shù)據(jù)的6S大氣校正

對(duì)于AGRI和AHI數(shù)據(jù)的大氣校正采用6S大氣校正模型。本文以2018年9月8日的AGRI和AHI數(shù)據(jù)為例，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正并裁剪出河北省地區(qū)后，利用式（3）計(jì)算校正后的反射率：

式中：[ρ]為校正后的地表反射率;[xa]，[xb]，[xc]為模擬得到的大氣校正參數(shù);[Lλ]為[λ]波段的輻亮度數(shù)據(jù)。

圖3為FY?4 AGRI和Himawari?8 AHI校正前后的結(jié)果比較。以兩個(gè)傳感器的紅光波段為例，對(duì)比FY?4和Himawari?8的影像，可以看到AGRI數(shù)據(jù)的地物邊界更為清晰，變化更加明顯;對(duì)比同一傳感器校正前后的影像，可以發(fā)現(xiàn)兩幅圖的一致性較好，且校正后影像的對(duì)比性更清晰，表明大氣校正的結(jié)果較好，基本滿足應(yīng)用需求。

4? 結(jié)? 論

本文探討了新型國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)FY?4 AGRI預(yù)處理中的關(guān)鍵問題，創(chuàng)造性地選取了ASTM?E490太陽(yáng)光譜，結(jié)合傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)，計(jì)算了兩種傳感器可見光波段和近紅外波段的大氣層外太陽(yáng)平均光譜輻照度值，這個(gè)值作為表觀反射率轉(zhuǎn)換輻亮度的參數(shù)被用于之后的遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理中，得到以下結(jié)論：

1） 經(jīng)ASTM?E490太陽(yáng)光譜計(jì)算得到了AGRI和AHI數(shù)據(jù)可見光和近紅外波段的ESUNb值，這一參數(shù)可用于AGRI和AHI數(shù)據(jù)輻亮度與表觀反射率的轉(zhuǎn)換中，對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理起著至關(guān)重要的作用。

2） 通過計(jì)算HJ?1A/1B CCD1傳感器的ESUNb值，發(fā)現(xiàn)基于ASTM?E490太陽(yáng)光譜計(jì)算得到的ESUNb值與官方值的絕對(duì)誤差在10以內(nèi);相對(duì)誤差僅在0.191%～0.571%之間，并且同一波段上，4種傳感器的計(jì)算值差別不大，這表明計(jì)算得到的平均太陽(yáng)光譜輻照度是可靠的。

3） 基于AGRI和AHI計(jì)算得到的ESUNb值可用于數(shù)據(jù)的預(yù)處理中，經(jīng)定標(biāo)和大氣校正后發(fā)現(xiàn)校正后影像的對(duì)比性更清晰，且AGRI數(shù)據(jù)的地物邊界更為清晰，變化更加明顯。

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