基于自動(dòng)化方法的光學(xué)載荷定標(biāo)跟蹤

何靈莉 胡秀清 王玲 陳林 徐娜 張鵬

基于自動(dòng)化方法的光學(xué)載荷定標(biāo)跟蹤

何靈莉1,3胡秀清2,3*王玲2,3陳林2,3徐娜2,3張鵬2,3

（1 中國(guó)氣象科學(xué)研究院，中國(guó)氣象局，北京 100081）（2 中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)氣象局，北京 100081）（3 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，中國(guó)氣象局，北京 100081）

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)傳感器在軌性能的連續(xù)監(jiān)測(cè)，文章使用敦煌場(chǎng)地的自動(dòng)化觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)“風(fēng)云三號(hào)”衛(wèi)星可見(jiàn)光紅外掃描輻射計(jì)（Visible and Infrared Radiometer，VIRR）近三年的數(shù)據(jù)進(jìn)行了連續(xù)定標(biāo)跟蹤，推算VIRR各通道的定標(biāo)斜率，基于敦煌輻射校正場(chǎng)自動(dòng)化觀測(cè)的定標(biāo)相較于傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)定標(biāo)方法具有明顯提高定標(biāo)頻次優(yōu)勢(shì)。采用搭載于Aqua衛(wèi)星的高精度的中分辨率成像光譜儀（Aqua Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，Aqua MODIS）觀測(cè)對(duì)自動(dòng)觀測(cè)定標(biāo)方法進(jìn)行精度驗(yàn)證，表明該方法在可見(jiàn)光近紅外（Visible and Near Infrared，VNIR）具有3%的定標(biāo)精度，在短波紅外（Short Wave Infrared，SWIR）具有5%的定標(biāo)精度。將該方法的結(jié)果與業(yè)務(wù)多場(chǎng)地方法的結(jié)果進(jìn)行比較，在3年尺度上均值相對(duì)偏差整體低于2%。對(duì)VIRR的跟蹤結(jié)果表明：基于場(chǎng)地自動(dòng)化觀測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期定標(biāo)監(jiān)測(cè)，可將該方法推廣應(yīng)用于其他衛(wèi)星光學(xué)載荷以真正實(shí)現(xiàn)多載荷的場(chǎng)地自動(dòng)化定標(biāo)業(yè)務(wù)化。

可見(jiàn)光紅外掃描輻射計(jì) 太陽(yáng)反射波段 自動(dòng)化輻射定標(biāo) 反射率基法 “風(fēng)云三號(hào)”衛(wèi)星 航天遙感

0 引言

對(duì)地遙感觀測(cè)衛(wèi)星的傳感器發(fā)射進(jìn)入預(yù)定軌道后，隨著時(shí)間的推移，復(fù)雜惡劣的太空環(huán)境和元器件老化會(huì)導(dǎo)致傳感器探測(cè)性能衰減。在沒(méi)有星上定標(biāo)設(shè)備的情況下，最常用的替代定標(biāo)方法就是采用地面穩(wěn)定目標(biāo)場(chǎng)對(duì)傳感器進(jìn)行絕對(duì)輻射定標(biāo)。搭載于我國(guó)“風(fēng)云三號(hào)”系列極軌氣象衛(wèi)星（FY-3）的可見(jiàn)光紅外掃描輻射計(jì)（VIRR）沒(méi)有配備可見(jiàn)光星上定標(biāo)設(shè)備，它的太陽(yáng)反射波段定標(biāo)主要采用敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)的場(chǎng)地替代定標(biāo)方法[1]。該方法是早期“風(fēng)云”衛(wèi)星太陽(yáng)波段的基線定標(biāo)方法，一般每年夏季在敦煌進(jìn)行場(chǎng)地定標(biāo)試驗(yàn)[2]，定標(biāo)精度約5%~6%，同樣的方法計(jì)算的中分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）表觀反射率，偏差約3%左右[3]。但是這種一年一次的定標(biāo)試驗(yàn)滿足不了可見(jiàn)光紅外掃描輻射計(jì)（Visible and Infrared Radiometer，VIRR）輻射性能的在軌漂移連續(xù)性監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

基于提高定標(biāo)頻次和降低定標(biāo)成本的考慮，亞利桑那大學(xué)遙感組（Remote Sensing Group，RSG）在2004年提出了自動(dòng)化的輻射定標(biāo)試驗(yàn)場(chǎng)（Radiometric Calibration Test Site，RadCaTS）概念，在沒(méi)有人員參與的情況下對(duì)定標(biāo)場(chǎng)的地表反射率和大氣參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化觀測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空載和星載傳感器進(jìn)行輻射定標(biāo)。RSG在內(nèi)華達(dá)州的鐵路谷試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)RadCaTS進(jìn)行了驗(yàn)證，將計(jì)算得到的大氣層頂（Top of Atmosphere，TOA）光譜輻亮度與MODIS觀測(cè)進(jìn)行比較偏差小于3.6%[4]。其后，RSG致力于不斷精細(xì)化和完善RadCaTS定標(biāo)的各個(gè)環(huán)節(jié)[5-8]。使用傳統(tǒng)跑場(chǎng)方法和RadCaTS同時(shí)對(duì)業(yè)務(wù)陸地成像儀（Operational Land Imager，OLI）、“地球觀測(cè)1號(hào)”Hyperion和先進(jìn)陸地成像儀（Advanced Land Imager，ALI）進(jìn)行絕對(duì)輻射定標(biāo)，輻射穩(wěn)定性和精度評(píng)價(jià)，RadCaTS方法整體優(yōu)于人工測(cè)量方法[9-10]。RSG和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究均證實(shí)了自動(dòng)化輻射定標(biāo)方法對(duì)于星載傳感器太陽(yáng)反射波段定標(biāo)的可行性，這為后來(lái)自動(dòng)化輻射定標(biāo)技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用和布局提供了經(jīng)驗(yàn)參考。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，世界上基于裝備自動(dòng)化觀測(cè)儀器的輻射定標(biāo)場(chǎng)網(wǎng)（Radiometric Calibration Network，RadCalNet）初步形成，該定標(biāo)場(chǎng)網(wǎng)是對(duì)LANDNET定標(biāo)場(chǎng)網(wǎng)概念的繼承和延伸，它在數(shù)據(jù)品質(zhì)和場(chǎng)地管理上更加的系統(tǒng)和流程化，并為衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)方提供可溯源至國(guó)際單位SI的TOA光譜反射率，中國(guó)包頭定標(biāo)場(chǎng)是其成員之一，敦煌場(chǎng)正在加入過(guò)程中。

我國(guó)場(chǎng)地自動(dòng)化觀測(cè)定標(biāo)始于2014年，李新等對(duì)國(guó)外自動(dòng)化定標(biāo)方法和技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出了我國(guó)自動(dòng)化定標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵技術(shù)[11]；隨后，尹亞鵬等對(duì)場(chǎng)地自動(dòng)化試驗(yàn)場(chǎng)地輻射計(jì)（Automatic Test Radiometer，ATR）進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)和基于敦煌場(chǎng)地的試驗(yàn)，并初步驗(yàn)證了輻射計(jì)的設(shè)計(jì)合理性[12]；李新等基于場(chǎng)地試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了ATR的觀測(cè)性能可靠，隨著對(duì)場(chǎng)地ATR的不斷驗(yàn)證和改進(jìn)，其性能不斷提升，成為了敦煌自動(dòng)化輻射定標(biāo)體系的核心設(shè)備[13]；邱剛剛、呂佳彥等均以MODIS的觀測(cè)為輻射基準(zhǔn)，對(duì)基于敦煌場(chǎng)的自動(dòng)化定標(biāo)技術(shù)進(jìn)行了精度驗(yàn)證[14-15]。結(jié)果表明該項(xiàng)技術(shù)能夠在保證傳統(tǒng)定標(biāo)方法精度的基礎(chǔ)上有效增加定標(biāo)頻次和降低定標(biāo)成本。由于單一ATR觀測(cè)對(duì)整個(gè)敦煌場(chǎng)地表反射率的表征有限，安徽光學(xué)精密儀器研究所于2018年4月又在敦煌場(chǎng)地布設(shè)了兩臺(tái)新的ATR，張孟等基于2018年5月~11月的新ATR自動(dòng)化觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)可見(jiàn)光紅外成像儀（Visible Infrared Imaging Radiometer Suite，VIIRS）的高頻次在軌輻射定標(biāo)試驗(yàn)[16]，但目前為止尚沒(méi)有采用敦煌場(chǎng)長(zhǎng)期自動(dòng)化觀測(cè)對(duì)中國(guó)遙感衛(wèi)星開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)定標(biāo)和評(píng)估。本研究主要是基于敦煌場(chǎng)2016年9月以來(lái)近三年的數(shù)據(jù)開(kāi)展FY-3C的VIRR開(kāi)展長(zhǎng)期自動(dòng)定標(biāo)試驗(yàn)。

多場(chǎng)地定標(biāo)方法基于具有不同亮度等級(jí)的地表穩(wěn)定目標(biāo)和輻射傳輸模式對(duì)衛(wèi)星傳感器進(jìn)行定標(biāo)，孫凌等使用該方法對(duì)FY-3A中分辨率光譜成像儀（Medium Resolution Spectral Imager，MERSI）進(jìn)行了定標(biāo)跟蹤[17]；王玲等使用該方法對(duì)FY-3A、FY-3B、FY-3C VIRR進(jìn)行了再定標(biāo)[18]，均表明該方法具有高頻和高精度優(yōu)勢(shì)。

本文基于2016年9月~2019年6月的敦煌場(chǎng)自動(dòng)化觀測(cè)數(shù)據(jù)，使用自動(dòng)化輻射定標(biāo)方法對(duì)FY-3C VIRR進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間序列輻射定標(biāo)，并將所得的定標(biāo)結(jié)果與多場(chǎng)地定標(biāo)方法的結(jié)果進(jìn)行比較。

1 場(chǎng)地與儀器介紹

1.1 敦煌場(chǎng)地及觀測(cè)儀器

敦煌場(chǎng)（東經(jīng)94.27°，北緯40.18°）是中國(guó)輻射校正場(chǎng)地之一，坐落在中國(guó)甘肅省敦煌市中心西部35km處。整個(gè)場(chǎng)地約30km×30km，位于穩(wěn)定的沖積扇中，地表沒(méi)有植被，主要由混合的砂礫和黏土等構(gòu)成。在場(chǎng)地中心的10km×10km區(qū)域內(nèi)（東經(jīng)94.2°~東經(jīng)94.3°，北緯40.05°~北緯40.15°），表征場(chǎng)地空間均勻性和時(shí)間穩(wěn)定性的變異系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)差/平均值）分別小于2%和3%；可見(jiàn)光近紅外波段的地表反射率大約在15%~30%；場(chǎng)地地表具有非朗伯特性；場(chǎng)地大氣干潔氣溶膠含量較低，除沙塵季節(jié)外，550nm的平均光學(xué)厚度小于0.2。敦煌場(chǎng)的上述各項(xiàng)特性，使其成為較為理想的替代定標(biāo)場(chǎng)地。2008年，敦煌場(chǎng)被地球觀測(cè)衛(wèi)星委員會(huì)（CEOS）的定標(biāo)驗(yàn)證工作組（WGCV）選為了儀器參考場(chǎng)地[3]。

2016年9月，在敦煌定標(biāo)場(chǎng)的試驗(yàn)觀測(cè)基地樣地里布設(shè)了1臺(tái)自動(dòng)化觀測(cè)的通道式輻射計(jì) ATR00，其波段覆蓋了可見(jiàn)光近紅外波段的8個(gè)通道（405nm、450nm、555nm、610nm、700nm、808nm、980nm、1 540nm），光學(xué)頭部位于1.8m高的支架上，采用天底觀測(cè)方式獲取正下方直徑為30cm圓形區(qū)域內(nèi)的上行輻射亮度，視場(chǎng)角為10°，每三分鐘采集一次數(shù)據(jù)。2018年4月在敦煌場(chǎng)中心布設(shè)了另外一臺(tái)儀器ATR01。

1.2 VIRR簡(jiǎn)介

可見(jiàn)光紅外掃描輻射計(jì)VIRR，具有10個(gè)波段，其中7個(gè)太陽(yáng)反射波段覆蓋了從0.4~1.65μm的波段范圍，3個(gè)熱發(fā)射通道覆蓋了3.5~12.5μm的波段范圍（如表1所示）。VIRR進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)時(shí)使用45°的掃描鏡，采用跨軌掃描方式，對(duì)地掃描角為±55.1°，星下點(diǎn)空間分辨率為1 100m，幅寬在跨軌方向?yàn)? 800km，較大的幅寬使其能夠在一天內(nèi)對(duì)全球進(jìn)行覆蓋。

2 場(chǎng)地均勻性驗(yàn)證

ATR對(duì)直徑為30cm的圓形區(qū)域進(jìn)行采樣，局部區(qū)域地表反射率對(duì)整個(gè)場(chǎng)地反射率的可表征性需要進(jìn)行驗(yàn)證?？梢酝ㄟ^(guò)使用MODIS衛(wèi)星觀測(cè)對(duì)場(chǎng)地空間均勻性進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)比相距較遠(yuǎn)的ATR00和ATR01采集的地表反射率，雙管齊下地評(píng)價(jià)局部觀測(cè)對(duì)場(chǎng)地整體的可表征性。

對(duì)場(chǎng)地空間均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)必須考慮尺度效應(yīng)，在不同的尺度下評(píng)價(jià)均勻性會(huì)有不同的結(jié)果。為適應(yīng)VIRR 1.1km的空間分辨率評(píng)價(jià)需求，使用1km空間分辨率的MODIS地表反射率產(chǎn)品MOD09對(duì)敦煌場(chǎng)的空間均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)使用空間變異系數(shù)（Coefficient of Variation，CV）作為指標(biāo)，計(jì)算時(shí)的滑動(dòng)窗口為10km×10km。在可見(jiàn)光近紅外波段，除了通道3（469nm）的空間變異系數(shù)在10%以上，通道4（555nm）在4%左右，其余通道的空間變異系數(shù)均小于3%（如圖1）。在進(jìn)行輻射定標(biāo)場(chǎng)的空間均勻性評(píng)價(jià)中，通常以空間變異系數(shù)小于3%認(rèn)定場(chǎng)地的均勻性[19-20]。通道3表現(xiàn)出的不均勻性可能是大氣強(qiáng)散射作用造成的。

表1 VIRR通道特性

Tab.1 The VIRR channel characteristics

注：3、4、5通道的靈敏度單位含義為300K的環(huán)境下變化溫度。

圖1 0.858μm和1.640μm空間均勻性評(píng)價(jià)結(jié)果

選取2018年4月~2019年4月滿足定標(biāo)要求的ATR00和ATR01觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算ATR通道地表反射率并進(jìn)行比較（圖2），通道1~3和通道8的百分偏差整體低于5%，年平均百分偏差在2%~3.8%之間；通道4~7整體高于5%，年均值在6%~8%。百分偏差與季節(jié)變化相關(guān)，敦煌場(chǎng)在8~10月份云量較少，大氣較為穩(wěn)定，最為適合定標(biāo)，因此偏差相對(duì)較小，定標(biāo)結(jié)果較為穩(wěn)定，波動(dòng)性較小。

綜上，敦煌定標(biāo)場(chǎng)空間均勻，且ATR00與ATR01觀測(cè)的地表反射率相對(duì)百分偏差在通道1~3和8小于5%，表明ATR00觀測(cè)的地表反射率能夠以小于5%的精度表征以ATR00為中心10km×10km區(qū)域的反射率。雖然通道4~7具有6%~8%的偏差，但可以減小這幾個(gè)通道在后續(xù)光譜平移中的權(quán)重以消除影響。

圖2 ATR00相對(duì)于ATR01地表反射率的長(zhǎng)序列（2018年4月~2019年4月）百分偏差

3 自動(dòng)化輻射定標(biāo)方法

場(chǎng)地自動(dòng)化觀測(cè)的輻射定標(biāo)方法與傳統(tǒng)的場(chǎng)地地表試驗(yàn)沒(méi)有本質(zhì)差異，仍舊采用反射率基法，包括地表反射率計(jì)算，大氣參數(shù)獲取，輻射傳輸計(jì)算等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，自動(dòng)化輻射定標(biāo)技術(shù)流程如圖3所示。其中MYD08_D3為MODIS的大氣參數(shù)日產(chǎn)品，TOA表示大氣層頂，BRDF（Bidirectional Reflection Distribution Function）為雙向反射分布函數(shù)，6S為Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum的簡(jiǎn)寫(xiě)。

圖3 自動(dòng)化輻射定標(biāo)處理流程圖

3.1 數(shù)據(jù)品質(zhì)控制及篩選

數(shù)據(jù)品質(zhì)控制主要包括以下三個(gè)方面：判斷衛(wèi)星觀測(cè)是否被云、積雪等影響；輔助大氣參數(shù)是否滿足適用條件；自動(dòng)化儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)是否異常。要求VIRR衛(wèi)星數(shù)據(jù)觀測(cè)天頂角小于30°，定位誤差小于1km，觀測(cè)點(diǎn)10像元×10像元窗口的變異系數(shù)小于3%，較大的變異系數(shù)表明可能有云、沙塵暴、積雪等影響空間均勻性。較高的氣溶膠含量會(huì)增加輻射傳輸計(jì)算的不確定性，若氣溶膠含量高于0.2便不適于定標(biāo)。ATR是自動(dòng)化輻射定標(biāo)方法的核心儀器，其數(shù)據(jù)品質(zhì)對(duì)定標(biāo)精度有較大影響，其數(shù)據(jù)品質(zhì)控制主要包括剔除負(fù)值、跳變等，如圖4所示（a）是ATR的原始計(jì)數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)具有非常明顯的數(shù)據(jù)跳變，（b）是進(jìn)行品質(zhì)控制后的數(shù)據(jù)，線型連續(xù)且平滑。基于數(shù)據(jù)品質(zhì)控制后的ATR觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可定標(biāo)性判定，其思路是利用衛(wèi)星過(guò)境前后1小時(shí)的ATR觀測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)性判斷大氣狀況穩(wěn)定性。大氣質(zhì)量是指光穿過(guò)大氣的路徑長(zhǎng)度，大氣不穩(wěn)定會(huì)破壞ATR觀測(cè)計(jì)數(shù)值的對(duì)數(shù)值與大氣質(zhì)量之間的強(qiáng)線性關(guān)系，可以通過(guò)二者線性關(guān)系的強(qiáng)弱程度判斷當(dāng)日是否適合定標(biāo)。

圖4 數(shù)據(jù)品質(zhì)控制過(guò)程

3.2 計(jì)算ATR通道等效地表反射率

對(duì)衛(wèi)星過(guò)境前后10min的ATR觀測(cè)進(jìn)行輻射校正獲得地表上行輻射亮度，利用6S大氣輻射傳輸模式計(jì)算總下行輻照度，模式運(yùn)算所需要的氣溶膠、水汽和臭氧含量等大氣參數(shù)來(lái)自于Aqua MODIS的全球日平均產(chǎn)品MYD08_D3，地表反射率的計(jì)算可表達(dá)為式（1）

3.3 獲取高光譜地表反射率

由ATR通道地表反射率推導(dǎo)衛(wèi)星觀測(cè)方向高光譜地表反射率，必須首先明確一個(gè)基本的前提：敦煌場(chǎng)地的地表特性具有時(shí)間穩(wěn)定性，即隨著時(shí)間變化，地表反射率光譜只產(chǎn)生幅度的變化，而形狀不發(fā)生變化，這是基于通道儀器觀測(cè)推算高光譜反射率的一個(gè)假定條件[21]?；谠撉疤?，可以通過(guò)平移先驗(yàn)地表反射率光譜擬合ATR推算的通道地表反射率，獲得平移光譜。由于敦煌場(chǎng)地不是朗伯表面，反射率具有方向特性，需要利用BRDF將天底觀測(cè)的平移光譜校正到衛(wèi)星觀測(cè)方向獲得衛(wèi)星觀測(cè)方向光譜（見(jiàn)圖5）。這里使用的BRDF模型是中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心基于2008年夏季的場(chǎng)地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和Ross-Li驅(qū)動(dòng)核構(gòu)建的[3]。

圖5 ATR多通道地表反射率擬合推導(dǎo)衛(wèi)星觀測(cè)方向地表反射率光譜

3.4 計(jì)算定標(biāo)斜率

計(jì)算定標(biāo)斜率需要將衛(wèi)星觀測(cè)方向的地表光譜卷積為VIRR通道等效地表反射率，并輸入6S輻射傳輸模式，計(jì)算獲得VIRR通道等效TOA反射率TOA。定標(biāo)斜率的計(jì)算如式（2）

求取定標(biāo)系數(shù)涉及衛(wèi)星和地面觀測(cè)的空間匹配。一般來(lái)講，定標(biāo)精度同具體的定標(biāo)點(diǎn)選取相關(guān)[22]，本文中采用ATR00觀測(cè)地表反射率正演的VIRR通道等效TOA反射率與以ATR01為中心10km×10km區(qū)域的VIRR衛(wèi)星觀測(cè)進(jìn)行匹配。中心像元的經(jīng)緯度定位誤差要小于1km，窗口的變異系數(shù)需小于3%。

4 精度驗(yàn)證

本研究使用自動(dòng)化輻射定標(biāo)方法在近三年的時(shí)間跨度上對(duì)VIRR進(jìn)行定標(biāo)跟蹤，該方法的不確定性可能來(lái)自于ATR儀器性能衰減、輻射傳輸模式計(jì)算、BRDF模型在敦煌場(chǎng)地的季節(jié)變化[23]等。為了驗(yàn)證本研究方法的精度和不確定性，使用搭載于Aqua衛(wèi)星的MODIS的1級(jí)產(chǎn)品對(duì)方法整體精度進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證?；谠摲椒ㄓ?jì)算Aqua MODIS的表觀反射率相對(duì)于衛(wèi)星觀測(cè)值的百分偏差。從表2可以發(fā)現(xiàn)在VNIR具有3%的定標(biāo)精度，在SWIR具有5%的定標(biāo)精度，標(biāo)準(zhǔn)差范圍從1.95%到3.67%。

表2 MODIS驗(yàn)證結(jié)果

Tab.2 The MODIS validation results %

5 結(jié)果與討論

5.1 時(shí)間序列定標(biāo)斜率

利用2016年9月~2019年6月的敦煌場(chǎng)自動(dòng)化觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)FY-3C VIRR太陽(yáng)反射波段進(jìn)行定標(biāo)，通道10受水氣影響較大，此處不納入討論。自動(dòng)化輻射定標(biāo)的結(jié)果表現(xiàn)出不平穩(wěn)性是因?yàn)槎?biāo)鏈路中不確定性來(lái)源較多，如：自動(dòng)化儀器觀測(cè)和大氣參數(shù)的準(zhǔn)確性、地表滯留水等，長(zhǎng)時(shí)序變化突顯了這種不確定性。雖然衛(wèi)星傳感器的輻射性能會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生一定程度的衰減，但在短時(shí)間內(nèi)卻可以假設(shè)它保持不變?；谏鲜黾僭O(shè)以可定標(biāo)天為中心對(duì)前后15天之內(nèi)的結(jié)果進(jìn)行平均，平滑后的定標(biāo)斜率時(shí)序變化如圖6所示。在近3年的時(shí)間尺度上，F(xiàn)Y-3C VIRR在敦煌場(chǎng)共有753次觀測(cè)，最終可定標(biāo)100天。敦煌自動(dòng)化輻射定標(biāo)方法的頻次主要受天氣狀況制約，冬季受降雪影響，春季受高發(fā)沙塵暴影響，夏秋季節(jié)云少大氣穩(wěn)定，因而具有較高的定標(biāo)頻次。各通道定標(biāo)斜率隨著時(shí)間變化趨勢(shì)一致，存在季節(jié)性波動(dòng)，但變化趨勢(shì)整體平穩(wěn)，顯示出FY-3C VIRR輻射響應(yīng)性能的穩(wěn)定，表明自動(dòng)化輻射定標(biāo)方法具有對(duì)VIRR傳感器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列定標(biāo)跟蹤的能力。

圖6 FY-3C VIRR的定標(biāo)斜率時(shí)序變化圖

對(duì)于敦煌場(chǎng)，季節(jié)性的降雪、沙塵等會(huì)對(duì)地表均勻性產(chǎn)生影響，其BRDF也存在季節(jié)性變化[23]，季節(jié)性沙塵還會(huì)造成氣溶膠含量的季節(jié)性變化，當(dāng)自動(dòng)化輻射定標(biāo)算法對(duì)這些因素控制不夠全面時(shí)，結(jié)果就呈現(xiàn)出一定的季節(jié)性。通道1和2相較于其他通道波動(dòng)性更明顯，因?yàn)檫@兩個(gè)通道對(duì)云等更加敏感。本研究選取ATR00測(cè)量點(diǎn)的觀測(cè)與以ATR01為中心的10km×10km區(qū)域進(jìn)行匹配，因?yàn)锳TR00與場(chǎng)地有一定的距離，匹配時(shí)對(duì)空間均勻性有一定要求，理論上選取ATR01測(cè)量點(diǎn)更為合理，但對(duì)于跟蹤衛(wèi)星傳感器的輻射性能來(lái)講，使用具有更長(zhǎng)時(shí)間序列可用數(shù)據(jù)的ATR00更有意義，如能夠使用10km×10km區(qū)域內(nèi)的多臺(tái)ATR觀測(cè)平均，想必能夠進(jìn)一步提高定標(biāo)精度與定標(biāo)穩(wěn)定性。前文在1km的空間分辨率下對(duì)10km×10km的區(qū)域進(jìn)行空間均勻性驗(yàn)證，結(jié)果表明敦煌場(chǎng)足夠均勻，能夠以局部觀測(cè)表征場(chǎng)地整體的平均反射率。由于尺度效應(yīng)的存在，對(duì)于具有更高空間分辨率的衛(wèi)星傳感器，不均勻性會(huì)增加，因此需要重新驗(yàn)證場(chǎng)地均勻性。

5.2 與多場(chǎng)地定標(biāo)方法的比較

多場(chǎng)地定標(biāo)方法基于多個(gè)地球穩(wěn)定目標(biāo)對(duì)傳感器進(jìn)行定標(biāo)，該方法同樣是對(duì)反射率基法的應(yīng)用，在假設(shè)傳感器定標(biāo)系數(shù)在短時(shí)間內(nèi)（如30天）不變的前提下，模擬全球多個(gè)場(chǎng)地的TOA反射率，并與衛(wèi)星實(shí)際觀測(cè)TOA反射率進(jìn)行線性回歸，得到目標(biāo)傳感器的定標(biāo)系數(shù)。它與本文方法都具有較高的定標(biāo)頻次。

圖7是FY-3C VIRR自動(dòng)化輻射定標(biāo)方法與多場(chǎng)地定標(biāo)方法的時(shí)間序列定標(biāo)斜率對(duì)比結(jié)果。表3是自動(dòng)化方法相對(duì)多場(chǎng)地方法的百分偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。多場(chǎng)地定標(biāo)方法使用不同定標(biāo)場(chǎng)地30天內(nèi)的TOA反射率來(lái)計(jì)算定標(biāo)系數(shù)，而自動(dòng)化輻射定標(biāo)方法使用敦煌單場(chǎng)地單天的觀測(cè)數(shù)據(jù)，所以自動(dòng)化方法的斜率沒(méi)有多場(chǎng)地定標(biāo)斜率平滑，按天比較兩種方法的結(jié)果具有較大差異，但在整個(gè)時(shí)間尺度上的平均值卻具有較好的一致性。除通道8（0.505μm）和9（0.555μm）在5%左右，其余通道平均相對(duì)百分偏差在2%。

表3 FY-3C VIRR多場(chǎng)地與自動(dòng)化定標(biāo)方法比較的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

Tab.3 Statistical results of the comparison between the multi-site and automated radiometric calibration methods of FY-3C VIRR %

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用基于反射率基法的場(chǎng)地自動(dòng)化觀測(cè)輻射定標(biāo)方法對(duì)FY-3C VIRR進(jìn)行了2016年9月~2019年6月的連續(xù)定標(biāo)跟蹤，結(jié)果顯示平均每7天能實(shí)現(xiàn)一次有效定標(biāo)，有效定標(biāo)主要集中在夏秋季節(jié)，部分通道的定標(biāo)系數(shù)具有季節(jié)波動(dòng)性。與傳統(tǒng)場(chǎng)地定標(biāo)方法相比該方法極大地提高了定標(biāo)頻次，節(jié)約了人力財(cái)力物力。使用Aqua MODIS觀測(cè)對(duì)本文所使用的方法進(jìn)行了精度驗(yàn)證，大部分通道精度在3%以內(nèi)。將FY-3C VIRR的自動(dòng)化定標(biāo)結(jié)果與多場(chǎng)地定標(biāo)結(jié)果相比較，相對(duì)百分偏差除8、9通道外，其余均在2%以下。以上結(jié)果表明：敦煌場(chǎng)自動(dòng)化輻射定標(biāo)方法具有在可靠精度下對(duì)衛(wèi)星光學(xué)載荷探測(cè)性能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列定標(biāo)和跟蹤的能力，可以推廣應(yīng)用于其它同類型衛(wèi)星載荷。跟蹤結(jié)果顯示出一定的季節(jié)性，原因可能來(lái)自諸多方面，如：場(chǎng)地光學(xué)特性的季節(jié)變化、數(shù)據(jù)品質(zhì)控制不夠嚴(yán)格等等，具體還需做進(jìn)一步分析。

致 謝

感謝中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所張艷娜、韋瑋等提供的數(shù)據(jù)支持和幫助。

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Calibration Tracking of the Optical Payload Based on Automatic Methods

HE Lingli1,3HU Xiuqing2,3*WANG Ling2,3CHEN Lin2,3XU Na2,3ZHANG Peng2,3

（1 Chinese Academy of Meteorological Science, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China）（2 Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellite, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China）（3 National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China）

In order to achieve continuous performance monitoring for the optical sensor in orbit, this paper uses the automatic observation data of the Dunhuang site to continuously calibrate and track the data of the Fengyun-3 satellite Visible and Infrared Radiometer (VIRR) for three years and calculate the calibration slope for each channel of VIRR. The calibration based on the automatic observation has the advantage in significantly increasing the calibration frequency over the traditional calibration methods. The accuracy of the automatic calibration method is verified by the observation data of American high-precision Aqua Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), which shows that the method has a 3% calibration accuracy in the visible and near infrared (VNIR) and a 5% calibration accuracy in short wave infrared (SWIR). Comparing to the operational multi-site method, the relative deviation of mean value on the three-year scale is less than 2%. The tracking results of VIRR show that long-term calibration monitoring can be achieved based on automatic site observations. This method can be extended to other space optical payloads to truly realize the operation of automatic site calibration with multiple payloads.

Visible and Infrared Radiometer; reflective solar bands; automatic radiometric calibration; reflectance-based method; FY-3 satellite; space remote sensing

TP722.4

A

1009-8518(2020)06-0103-11

10.3969/j.issn.1009-8518.2020.06.010

2019-12-03

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB0504900，2018YFB0504901）；國(guó)家自然科學(xué)基金（41871249，41471302）

何靈莉, 胡秀清, 王玲, 等. 基于自動(dòng)化方法的光學(xué)載荷定標(biāo)跟蹤[J]. 航天返回與遙感, 2020, 41(6): 103-113.

HE Lingli, HU Xiuqing, WANG Ling, et al. Calibration Tracking of the Optical Payload Based on Automatic Methods[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2020, 41(6): 103-113. (in Chinese)

何靈莉，女，1994年生，2020年獲中國(guó)氣象科學(xué)研究院大氣物理與大氣環(huán)境專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)在中國(guó)氣象科學(xué)研究院攻讀氣象博士學(xué)位。研究方向?yàn)楹Ｑ筝椛鋫鬏斃碚摗-mail：hllsat@163.com。

（編輯：龐冰）