敦煌輻射校正場對地輻射計現(xiàn)場定標研究及應用

黃冬，李新，張艷娜，韋瑋，張權

（1 中國科學院合肥物質科學研究院 安徽光學精密機械研究所 安徽，合肥 230031）

（2 中國科學院通用光學定標與表征重點實驗室，合肥 230031）

（3 中國科學技術大學，合肥 230026）

0 引言

衛(wèi)星長期在軌運行時，遙感器受太空環(huán)境和元部件老化等因素的影響，會產(chǎn)生輻射響應衰變現(xiàn)象。為了滿足衛(wèi)星數(shù)據(jù)的定量化需求和遙感器的性能變化監(jiān)測，需要對遙感器進行持續(xù)精確定標［1-2］。對于沒有星上定標裝置的衛(wèi)星遙感器，目前主要采用基于“反射率基法”場地替代定標方法來獲取定標系數(shù)［3-4］。傳統(tǒng)場地替代定標方法即使用大面積均勻穩(wěn)定的目標作為定標場地，在衛(wèi)星過境時采用人工方式測量場地地表反射率及大氣參數(shù)，且在天空晴朗無云的條件下才可以獲取有效數(shù)據(jù)并進行定標［5-6］。這種方法會受到場地偏遠、人員現(xiàn)場操作、成本高等限制，基本一年進行一次定標試驗，定標頻次低。隨著衛(wèi)星數(shù)量和載荷種類的增多，傳統(tǒng)定標方法難以滿足遙感定量化和遙感器性能長期監(jiān)測應用需求。

基于高頻次、高精度、低成本等考慮，近年來國際上提出了場地自動化替代定標的方法，在場地沒有人員操作的情況下，利用自動化觀測設備進行地表反射率和大氣參數(shù)的測量，結合輻射傳輸模型進行定標［7-8］。國際衛(wèi)星對地觀測委員會（Committee on Earth Observation Satellites，CEOS）的全球自主輻射定標場網(wǎng)（RadCalNet）在美國Railroad Valley Playa、法國 La Crau、納米比亞Gobabeb 和中國包頭四個站點均部署了自動化定標觀測系統(tǒng)進行衛(wèi)星定標和驗證［9-10］。場地自動化替代定標首先需要獲得地面的目標反射率，通常使用通道式對地輻射計進行觀測，其具有結構簡單、運行穩(wěn)定等特點。國家衛(wèi)星氣象中心、中國科學院安光所等單位在敦煌輻射校正場部署了包括通道式對地輻射計（Automated Test-site Radiometer，ATR）、全自動太陽光度計（Automated Precision Solar Radiometer，PSR）等自動化觀測設備。地表反射率的觀測精度對自動化替代定標的精度有很大影響，需要對通道式對地輻射計進行精確定標［11］。通道式對地輻射計的定標方法主要為實驗室定標和現(xiàn)場定標（Solar-Radiation-Based Calibration，SRBC）。實驗室定標一般采用“燈+板”系統(tǒng)（lamp-panel calibration）即標準燈、標準參考板、消雜光光闌等完成定標［12］。定標需要返回實驗室完成，定標周期較長，會造成觀測數(shù)據(jù)的缺失，長途的運輸震動也會影響定標精度，人工進場安裝與拆卸造成對地輻射計觀測區(qū)域的破環(huán)會嚴重影響其與衛(wèi)星過境觀測區(qū)域的一致性，另外在衛(wèi)星自動化替代定標中，從儀器定標到計算地表反射率，需要引入標準燈和太陽兩個光源，兩者光譜分布存在差異。SRBC 一般是利用氣溶膠光學厚度、漫總比等大氣參數(shù)和輻射傳輸模型等進行定標，可以在現(xiàn)場完成，定標和衛(wèi)星自動化替代定標應用均將太陽作為光源，光譜分布和動態(tài)范圍相近，漫總比一般在定標時采用人工手舉擋板獲得［13］，但是人工手舉擋板時容易受到人為主觀和風沙等環(huán)境因素的影響，同時，儀器定標時采用人工擋板方式獲取漫總比進而得到天空漫射照度，衛(wèi)星自動化替代定標應用時采用輻射傳輸模型估算天空漫射照度，天空漫射照度的差異可能達到50%，這些差異帶來地表反射率變化高達10%［14］。這些差異帶來的地表反射率的計算誤差會直接影響自動化替代定標的精度。對地輻射計的高精度測量在對遙感器各個通道衰變情況的長時間連續(xù)監(jiān)視和衛(wèi)星產(chǎn)品的反演、真實性檢驗等方面有著重要意義。

本文針對上述問題利用敦煌輻射校正場布設的自動化替代定標設備，開展對通道式對地輻射計現(xiàn)場定標的研究。在SRBC 現(xiàn)場定標中引入超光譜輻照度儀自動化觀測數(shù)據(jù)計算天空漫射照度，將ATR 定標和衛(wèi)星自動化替代定標使用的光源、氣溶膠光學厚度、漫總比等參數(shù)的獲取方式和計算過程保持一致，用SRBC法計算了定標系數(shù)和地表反射率，將計算地表反射率與人工利用ASD 型光譜儀測量地表反射率進行比對，并對地表反射率計算的不確定度進行分析。以AQUA/MODIS 為例，利用2018 年8 月到2021 年9 月的觀測數(shù)據(jù)，比對自動化替代定標結果與星上定標系數(shù)的相對偏差和變化趨勢，驗證SRBC 法的有效性和適用性。

1 研究方法和原理

1.1 觀測儀器

2018 年在敦煌輻射校正場布設了自動化定標系統(tǒng)，包括通道式對地輻射計（Automated Test-site Radiometer，ATR）、全自動太陽光度計（Automated Precision Solar Radiometer，PSR）和超光譜輻照度儀（Automated Hyperspectral Irradiance Meter，HIM），如圖1。三臺儀器均布置在敦煌場地長期運行觀測，可以獲得連續(xù)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。觀測數(shù)據(jù)通過北斗和4G 遠程通信模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心。

圖1 自動化觀測儀器Fig.1 Automated observation instrument

ATR 儀器覆蓋可見光至短波紅外的8 個通道，采用了硅和銦鎵砷探測器，ATR 光學頭部在支架上以10°視場角每3 min 采集一次輻亮度數(shù)據(jù)，用于測量地表反射率，ATR 布置在敦煌輻射校正場中心點。PSR 儀器覆蓋可見光至近紅外光譜的9 個通道，各通道全固化觀測，全自動跟蹤太陽觀測，同時測量地表溫度、濕度、壓強等環(huán)境參數(shù)，用于反演氣溶膠光學厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）、大氣水汽含量等大氣參數(shù)，觀測周期為3 min。HIM 儀器布置在敦煌輻射校正場觀測基地樓頂，通過驅動四連桿上的小球遮擋太陽直射光進入積分球玻璃罩，從而實現(xiàn)自動獲取實時下行總照度、漫照度、直射照度、漫總比等參數(shù)，6 min 測量一次。PSR、ATR、HIM 均進行精密溫控，技術參數(shù)如表1 所示。

表1 儀器的技術參數(shù)Table 1 Technical parameter of instruments

1.2 現(xiàn)場定標SRBC 原理

SRBC 方法的原理是將太陽作為輻射源，如圖2 所示，在參考板上形成均勻已知的輻亮度場，ATR 觀測參考板可獲取其輻亮度對應的DN 信號，從而得到輻亮度與ATR 儀器觀測DN 值對應的定量關系。

圖2 SRBC 示意圖Fig.2 The diagram of SRBC

定標系數(shù)可以通過式（1）進行計算

式中，E(λ)為地面總輻射照度，為下行直射照度和天空漫射照度之和，θ為太陽天頂角［15］，ρpannel(λ，θ)為標準參考板的反射率。

式中，E0為大氣層頂?shù)妮椛湔斩?，來源?SV 輻射傳輸模型，S為日地校正因子，Esky天空漫射照度，T為太陽直射透過率，根據(jù)式（3）計算［15］。

式中，m(θ)為大氣質量數(shù)，τ大氣光學厚度。

式中，τaer為氣溶膠光學厚度，τray為瑞利散射光學厚度，τozo為臭氧吸收，其中氣溶膠光學厚度、大氣水汽含量等大氣參數(shù)由太陽光度計得到。非太陽光度計觀測通道氣溶膠光學厚度可以通過式（5）得到［16-17］。

式中，β為大氣渾濁度系數(shù)，是λ=1 μm 處的氣溶膠光學厚度，α是波長指數(shù)。對公式兩邊取對數(shù)有

根據(jù)式（6）和觀測波段的氣溶膠光學厚度可以線性插值獲得其他波段的氣溶膠光學厚度。瑞利散射光學厚度由式（7）計算［18］有

式中，H是觀測點的海拔高度（km），P為該點的氣壓（Hpa），從太陽光度計PSR 氣壓傳感器獲取。

臭氧的光學厚度由式（8）計算［19］有

式中，k(λ）為臭氧的吸收系數(shù)，U為測量點的O3總含量，單位為Dobson，由OMI 的臭氧產(chǎn)品獲得。

利用直射照度和HIM 漫總比計算地面總輻射照度E(λ)，有

式中，α為漫總比。

2 定標計算

2.1 定標結果

2020 年9 月在合肥實驗室采用“燈+板”方法完成定標。隨后分別在2020 年10 月和2021 年9 月在敦煌輻射較正場采用SRBC 方法完成定標。如圖3（a）所示，用實驗室“燈+板”的定標結果作為基準，SRBC 的結果與其相比一致性較好，最大相對偏差約為3.6%。如圖3（b）所示，2020 年10 月和2021 年9 月采用SRBC 方法定標，操作方法、步驟和使用設備等完全一致，相對于2020年的定標結果，各通道年際變化小于1.5%，810 nm通道定標系數(shù)衰變2.3%，各通道響應相對穩(wěn)定。

圖3 定標系數(shù)相對偏差Fig.3 The relative deviation of calibration coefficient

2.2 反射率驗證

為了驗證定標效果和精度，選擇一個非定標日（2020 年10 月20 日）用ASD 與ATR 進行同步觀測反射率比對。在ASD 光纖處安裝了一個10°的透鏡，使ASD 和ATR 觀測情況盡可能一致。在ATR 3 min 測量間隔內，將ASD 光纖槍頭垂直放在ATR 鏡頭下方，使之觀測同一區(qū)域，連續(xù)測量5 次，ASD 在測量地面前后均測量了標準板共2 次，標準板與ATR 定標時使用的是同一塊。

ASD 的反射率根據(jù)式（10）計算，式中Mean(DNland)為ASD 5 次測量地面的平均DN 值，Mean(DNpannel)為2 次測量標準板的DN 值，ρpanel(λ，θ)為對應太陽天頂角時的反射率。

根據(jù)式（1）可以得到式（11），ATR 觀測地表反射率為

式（11）各參數(shù)獲取、計算與SRBC 定標計算方法保持一致。其中CATR_i為SRBC 的定標系數(shù)。如圖4 所示，利用SRBC 定標系數(shù)計算的地表反射率與ASD 同步觀測的地表反射率具有很好的一致性，500 nm～1 000 nm 的反射率相對偏差基本在1.4%以內，短波相對偏差約為3.7%。圖中1 380 nm 和1 870 nm 附近由于水汽強吸收帶的擾動影響出現(xiàn)明顯波動。

圖4 反射率的測量對比Fig.4 Reflectance measurement comparison

2.3 地表反射率不確定度

利用SRBC（Solar Radiation-Based Calibration）定標系數(shù)計算地表反射率

根據(jù)式（1）、（2）、（9），當ATR 采用SRBC 定標時

自動化替代定標應用計算ATR 通道反射率時有

式（12）～式（15）中，下標1、2 分別代表ATR 定標時儀器測量值和自動化替代定標計算地表反射率時的測量值，T(λ)為大氣透過率。ρ(λ，θ1)為標準參考板ATR 定標時對應天頂角度方向的反射率，α為漫總比，S日地校正因子，ρATR_i為自動化替代定標應用時ATR 觀測的地表反射率。

自動化替代定標計算地表反射率不確定度來源于大氣層外太陽輻射照度、ATR 輸出信號的非線性、標準參考板的方向反射率、直射透過率和漫總比等。其中，大氣層外太陽輻射照度需要從幾個太陽模型中獲得一個，各自具有不同的精度，不確定度約為1.1%［20-22］，本文使用的是6SV 輻射傳輸模型中提取的大氣層外太陽輻射照度，從式（15）可以發(fā)現(xiàn)，ATR 定標和自動化替代定標應用時使用同一光源，E0(λ)被消除。ATR測量的不確定度包括儀器的非穩(wěn)定性和非線性，約為0.19%［23］。標準參考板比對測量的標準為中國國家計量院傳遞標準，不確定度優(yōu)于1%［24］。

直射透過率T的不確定度主要受氣溶膠光學厚度、瑞利散射、臭氧含量等大氣參數(shù)的不確定度影響，其中，AOD 來源于現(xiàn)場自動觀測的太陽光度計PSR。PSR 采用交叉定標的方法定標和氣溶膠觀測網(wǎng)AERONET 推薦算法反演AOD，AOD 的不確定度是＜0.01（λ＞440 nm）、＜0.02（λ＜440 nm）［15］，ATR 500 nm、675 nm 兩個通道的AOD 由太陽光度計測量，其不確定度＜0.01。PSR 9 個觀測通道波段范圍從340 nm～1 640 nm，覆蓋ATR 的觀測通道，對于ATR 部分非太陽光度計觀測通道采用式（5）插值得到，ATR 定標和自動化替代定標均選擇低氣溶膠、晴好的天氣條件，氣溶膠類型較為穩(wěn)定，假設ATR 非太陽光度計觀測通道氣溶膠光學厚度不確定度為0.015（0.025@400 nm）。臭氧含量使用的是OMI 數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的不確定度為約為3%［25］。在可見到近紅外范圍內瑞利散射光學厚度相對誤差小于1.2%［19］，1.14 km 觀測點帶來瑞利光學厚度變化約為0.003 7@400 nm、0.001 5@500 nm、0.000 7@600 nm 和0.000 089@1 000 nm，由此可見，短波影響稍大，ECKT F 認為瑞利散射光學厚度的不確定性來源于觀測點氣壓變化［26］，本文氣壓數(shù)據(jù)由現(xiàn)場氣壓傳感器實時提供，這部分實際影響很小。ATR 定標和自動化替代定標應用時均在晴好天氣、太陽天頂角小的條件下進行，當太陽天頂角為40°、海拔1.14 km、AOD 范圍為0.1～0.3（波動0.01～0.025）、瑞利散射光學厚度波動1.2%、臭氧含量為300±3%DU 時計算的直射透過率受AOD、瑞利散射和臭氧不確定度的影響約為1.3%～3.6%，繼續(xù)計算發(fā)現(xiàn)隨天頂角的變小而減小，本文認為直射透過率的不確定度約為1.3%～3.6%。

漫總比使用HIM 獲得，當四連桿帶動黑球遮擋積分球口時，可以遮住太陽的直射照度，但也遮住了黑球所在方向的散射光，這一部分取決于氣溶膠粒子譜、復折射指數(shù)等特性和球的大小，黑球比較小，不確定度約為2%［27］。根據(jù)式（15），直射透過率等影響的不確定度是個相對量，氣溶膠光學厚度和漫總比等均由同一PSR 和HIM 測量得到，可以消除部分系統(tǒng)誤差，不確定度會進一步降低。ATR 采用SRBC 定標系數(shù)計算地表反射率總不確定度根據(jù)式（16）計算，不確定度主要來源如表2 所示，總不確定度約為2.78%～4.35%。

表2 SRBC 法定標系數(shù)不確定度Table 2 The uncertainty estimates of the calibration coefficient for SRBC method

綜上，利用SRBC 定標系數(shù)計算的地表反射率與ASD 人工同步觀測的地表反射率具有很好的一致性。SRBC 中光譜形狀與動態(tài)范圍與實際使用時更接近，這種將ATR 定標時的光源、參數(shù)觀測設備、計算過程等和實際應用時保持一致的方法具有系統(tǒng)優(yōu)勢。

3 衛(wèi)星定標應用

為進一步驗證SRBC 定標的有效性和適用性，將其應用于AQUA/MODIS 自動化替代定標［14，28］中，AQUA/MODIS 波段參數(shù)如表3 所示。

表3 AQUA/MODIS 波段參數(shù)Table 3 The band parameters of AQUA/MODIS

選取2018 年8 月到2021 年9 月的自動化觀測數(shù)據(jù)，利用SRBC 定標方法得到的系數(shù)計算ATR 觀測通道的地表反射率，在2015-2021 年現(xiàn)場采集的地表反射率庫中根據(jù)式（17）匹配最合適的參考高光譜反射率，當W最小時，對應的k為放縮平移系數(shù)，用平移系數(shù)k對參考高光譜反射率進行放縮平移得到實時高光譜地表反射率［14］。

式中，i為ATR 的通道數(shù)，ρi和σi為衛(wèi)星過境前后6 min 的ATR 觀測的地表反射率的平均值和標準偏差，ρRef_i為參考高光譜反射率在ATR 通道卷積后的等效反射率，k為放縮平移系數(shù)。利用BRDF 模型對實時高光譜地表反射率進行角度校正得到衛(wèi)星過境時觀測方向的高光譜地表反射率［29］，

式中，φ=φv-φs，θv，φv，θs，φs分別為衛(wèi)星觀測天頂角、方位角和太陽天頂角、方位角。RM(θv，θs，φ)為二向反射率，fiso、fvol、fvol分別為各向均勻散射、幾何光學散射、體散射在這三部分所占比例。kgeo為幾何光學核，kvol體散射核。ρAVCS為上文放縮后得到的地表高光譜反射率，ρv(θv，θs，φ)為BRDF 校正后衛(wèi)星過境時觀測方向的高光譜地表反射率。

通過ATR 觀測的多通道地表反射率和參考地表高光譜反射率放縮平移后得到實時地表高光譜反射率，如圖5 所示，為2018 年8 月7 日和2020 年4 月26 日AQUA/MODIS 過頂時實時地表高光譜反射率經(jīng)過BRDF 方向校正得到的衛(wèi)星觀測方向的高光譜地表反射率。

圖5 衛(wèi)星觀測方向地表反射率Fig.5 The Surface reflectance in the direction of satellite transit observation

將衛(wèi)星觀測方向的高光譜地表反射率、大氣參數(shù)、幾何參數(shù)、日期等輸入6S 模型計算得到高光譜表觀反射率，結合AQUA/MODIS 的通道光譜響應函數(shù)通過式（20）進行卷積，獲得AQUA/MODIS 各通道的表觀反射率。

式中，ρTOAi是AQUA/MODIS 通道表觀反射率，ρTOA是高光譜表觀反射率，T(λ)是AQUA/MODIS 的通道光譜響應函數(shù)。

考慮到敦煌輻射校正場的均勻性，選擇敦煌輻射校正場10 km×10 km 的中心位置為中心像元，中心周圍3×3 像元的窗口平均DN 進行星地匹配。為保證觀測數(shù)據(jù)質量和有效性，對觀測數(shù)據(jù)進行質量控制，衛(wèi)星觀測方向，衛(wèi)星數(shù)據(jù)選取的像元變異系數(shù)小于2.5%，衛(wèi)星觀測天頂角＜40°；用550 nm AOD 小于0.3 和衛(wèi)星過境前后45 minATR 觀測信號對數(shù)與大氣質量數(shù)線性相關性大于0.99 來進行晴好天氣篩選。如圖6 所示，2018 年8 月7 日，AQUA/MODIS 過境前后ATR 觀測ln（DN）與大氣質量數(shù)m線性相關性超過0.997。

圖6 ATR 觀測ln（DN）與大氣質量數(shù)m 線性相關性Fig.6 The linear correlation between the logarithm of DN observed by ATR and airmass

衛(wèi)星的定標系數(shù)用式（21）來計算有

式中，ρTOAi為AQUA/MODIS 通道表觀反射率，DN 為衛(wèi)星通道觀測凈信號，θs為太陽天頂角，S為日地距離校正因子。

連續(xù)近3 年的觀測數(shù)據(jù)，自動化替代定標的定標系數(shù)與星上定標系數(shù)相對偏差由式（22）計算有

結果如圖7 所示，自動化替代定標的定標系數(shù)與星上定標系數(shù)隨時間的變化趨勢基本一致，能很好監(jiān)測衛(wèi)星載荷在軌運行性能狀況。其中部分時間上的數(shù)據(jù)缺失主要有：1）自動化設備觀測問題，如ATR 信號和溫控異常、HIM 四連桿跟蹤驅動異常等；2）設備定標，返回實驗室進行輻射定標等；3）環(huán)境問題，包括敦煌場天氣變化或者受沙塵的影響較為嚴重，使得天氣穩(wěn)定性、氣溶膠含量等不滿足定標條件，冬季春季積雪，造成地表反射率異常偏大，衛(wèi)星觀測角度偏大等。

圖7 自動化替代定標與AQUA/MODIS 星上定標系數(shù)對比Fig.7 Comparison of calibration coefficient of AQUA/MODIS between on-board calibration and the automated vicarious calibration

圖8 是AQUA/MODIS 前12 通道自動化替代定標系數(shù)與其星上定標系數(shù)的相對偏差隨時間的變化，從中可以看出各通道單次定標相對偏差基本在5%以內，ch8-ch12 通道定標相對偏差優(yōu)于3%，其中ch11 和ch12 通道是海洋水色通道，過境敦煌大部分時間處于飽和狀態(tài)，數(shù)據(jù)量較少，集中在冬季，低頻率的傳統(tǒng)人工定標很難及時完成。圖9 是各通道自動化替代定標系數(shù)與其星上定標系數(shù)的平均百分偏差，平均圖中的不確定度條是所有數(shù)據(jù)平均值的1σ 標準偏差，如圖9 所示，除了ch7 2 105～2 135nm 通道以外，其余通道的平均百分偏差范圍為-0.46%到3.58%之間，百分偏差不確定條基本在3%以下。2 105～2 135 nm 通道誤差可能是該通道處于ATR 400～1 550 nm 波段觀測范圍外，在高光譜反射率放縮過平移程中無長波的權重參與放縮匹配，同時敦煌戈壁灘該通道信號非常低且少量的水汽吸收擾動也會產(chǎn)生影響。

圖8 自動化替代定標與AQUA/MODIS 星上定標系數(shù)相對偏差Fig.8 The relative deviation of calibration coefficient of AQUA/MODIS between on-board calibration and automated vicarious calibration

圖9 自動化替代定標與AQUA/MODIS 星上定標系數(shù)平均相對偏差Fig.9 The average relative deviation of AQUA/MODIS between on-board calibration and the automated vicarious calibration

4 結論

針對自動化替代定標中ATR 定標周期長、運輸過程影響精度等問題，本文利用ATR 觀測數(shù)據(jù)，開展了觀測通道的現(xiàn)場定標方法研究。在SRBC 定標中引入超光譜輻照度儀自動觀測數(shù)據(jù)來計算天空漫射照度，將ATR 定標過程和衛(wèi)星自動化替代定標應用過程保持一致，SRBC 法定標系數(shù)計算ATR 反射率與人工ASD 測量相對偏差優(yōu)于1.4%，計算反射率不確定度優(yōu)于2.78%～4.35%，SRBC 法在實際應用中具有較高的精度和系統(tǒng)優(yōu)勢。將SRBC 定標系數(shù)應用于衛(wèi)星自動化替代定標，與AQUA/MODIS 星上定標系數(shù)比較，近3 年的運行觀測結果表明敦煌自動化替代定標能很好監(jiān)測跟蹤衛(wèi)星載荷的運行情況，各通道單次定標相對偏差基本在5%以內，平均百分偏差優(yōu)于3.58%，SRBC 法具有較好的有效性和適用性。未來將進一步提高自動化替代定標設備的穩(wěn)定性，提高定標精度，具體研究分析各種衛(wèi)星載荷的運行和衰變情況。