HJ－1A星輻射定標(biāo)及近海水體大氣校正的精度驗(yàn)證＊

肖艷芳，朱 琳，趙文吉

（首都師范大學(xué) 三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100048）

HJ－1A星輻射定標(biāo)及近海水體大氣校正的精度驗(yàn)證＊

肖艷芳，朱 琳，趙文吉

（首都師范大學(xué) 三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100048）

以應(yīng)用HJ－1A星數(shù)據(jù)進(jìn)行近海水體定量反演為目的，對(duì)HJ－1A星CCD的星上定標(biāo)系數(shù)的精度進(jìn)行驗(yàn)證，并基于Landsat－5TM數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行交叉定標(biāo)。在此基礎(chǔ)上反演近海水體的反射率，將反演結(jié)果與實(shí)測(cè)水體反射率進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：對(duì)HJ－1A星CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉定標(biāo)能在一定程度上能提高近海水體反射率反演的精度。結(jié)果表明，HJ－1A星CCD影像的星上定標(biāo)系數(shù)不夠精確，在利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行近海水體的定量反演研究時(shí)，需要利用交叉定標(biāo)對(duì)星上定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行修正。

交叉定標(biāo)；星上定標(biāo)；反射率反演；近海水體；HJ－1A；Landsat－5TM

HJ－1A／B衛(wèi)星是HJ－1星座的2顆光學(xué)小衛(wèi)星，2008－09－06在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。2顆衛(wèi)星上都搭載2臺(tái)寬覆蓋多光譜可見光CCD相機(jī)。同時(shí)，A星上搭載一臺(tái)超廣譜成像儀，B星上搭載一臺(tái)紅外相機(jī)。CCD相機(jī)共設(shè)置4個(gè)波段，地面像元分辨率為30m，單臺(tái)相機(jī)幅寬360km，48h即可對(duì)全球覆蓋一次。作為我國首顆環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國際合作衛(wèi)星，HJ－1星座在環(huán)境與災(zāi)害事件的應(yīng)急觀測(cè)與快速評(píng)估、資源調(diào)查與管理、林業(yè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，對(duì)我國及周邊國家的遙感應(yīng)用起到極大的作用。

衛(wèi)星發(fā)射后，一些研究者對(duì)衛(wèi)星的應(yīng)用潛力進(jìn)行了分析［1－2］，目前環(huán)境一號(hào)小衛(wèi)星的數(shù)據(jù)已經(jīng)應(yīng)用在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)［3］、水質(zhì)監(jiān)測(cè)［4－5］、大氣監(jiān)測(cè)［6］和農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測(cè)［7］方面，對(duì)于數(shù)據(jù)星上定標(biāo)質(zhì)量的評(píng)價(jià)主要集中熱紅外數(shù)據(jù)［8－9］和高光譜數(shù)據(jù)［10］上，關(guān)于CCD相機(jī)星上定標(biāo)精度的驗(yàn)證鮮有研究。本研究利用Landsat－5的TM數(shù)據(jù)對(duì)HJ－1A星CCD相機(jī)的星上定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)其進(jìn)行基于TM的交叉定標(biāo)計(jì)算；利用基于MODIS數(shù)據(jù)的大氣校正方法，反演近海水體的反射率?；趯?shí)測(cè)的水體反射率，分析交叉定標(biāo)對(duì)HJ－1A星的CCD影像反演近海水體反射率的影響。

1 輻射定標(biāo)

輻射定標(biāo)主要是指將星上觀測(cè)到的遙感計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為物理量絕對(duì)值的過程［11］。在大氣層外，太陽的輻照度可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，因此可以選擇太陽作為基準(zhǔn)光源，通過太陽定標(biāo)系統(tǒng)對(duì)星載成像光譜儀器進(jìn)行輻射定標(biāo)，即星上定標(biāo)，如TM、MODIS等數(shù)據(jù)。在這類數(shù)據(jù)的頭文件中都會(huì)提供相應(yīng)的定標(biāo)系數(shù)，HJ－1A的CCD也提供了定標(biāo)系數(shù)，但定標(biāo)系數(shù)的精確程度是否能夠滿足近海水體定量反演的要求還有待商討。對(duì)沒有提供定標(biāo)系數(shù)或定標(biāo)系數(shù)不精確的衛(wèi)星影像，需要用定標(biāo)精度較高的衛(wèi)星對(duì)其進(jìn)行交叉定標(biāo)［12］。Landsat－5衛(wèi)星經(jīng)過精確的標(biāo)定和嚴(yán)格的在軌測(cè)試，運(yùn)行期間為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性和數(shù)據(jù)精度而不斷更新定標(biāo)算法。同時(shí)，HJ－1ACCD的波段設(shè)置與Landsat－5TM前4個(gè)波段的設(shè)置相似（表1）。

表1 HJ－1A星CCD和Landsat－5TM對(duì)應(yīng)波段帶寬（μm）Table 1 Bandwidth of CCD and Landsat－5TM（μm）

1.1 星上定標(biāo)精度驗(yàn)證

選取2009－06－25北京延慶盆地的HJ－1A星CCD數(shù)據(jù)和同日該地區(qū)的Landsat－5TM數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)比對(duì)及交叉定標(biāo)研究。兩景影像資料過境時(shí)間基本一致，且天空晴朗無云，完全可以用于進(jìn)行對(duì)比分析。

利用式（1）將HJ－1A星CCD圖像的計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為輻亮度值：

式中，L為某個(gè)波段的光譜輻亮度；DN為圖像計(jì)數(shù)值；g和L0為輻射定標(biāo)參數(shù)，可在圖像數(shù)據(jù)的頭文件中查找，見表2。

表2 HJ－1A星CCD波段1～4的星上定標(biāo)系數(shù)Table 2 Radiance calibration coefficients of HJ－1Aband 1～4

本次研究使用的Landsat－5TM數(shù)據(jù)為1級(jí)產(chǎn)品，1級(jí)產(chǎn)品的DN值是由輻射亮度經(jīng)線性變換得到的，輻亮度的計(jì)算公式如下

式中，DN代表1級(jí)產(chǎn)品的像元值；Grescale和Brescale分別為變換的增益和偏置，見表3。

表3 Landsat－5TM波段1～4的輻射定標(biāo)系數(shù)Table 3 Radiance calibration coefficients of Landsat－5TM band 1～4

以Landsat－5TM為基準(zhǔn)，對(duì)兩景影像進(jìn)行精確的幾何糾正，精度控制在0.5個(gè)像元以內(nèi)，確保2種數(shù)據(jù)的目標(biāo)基本一致。然后在兩景影像對(duì)應(yīng)區(qū)域選取建筑物、裸地、水體和植被四類地物，每類地物分別采集10個(gè)樣點(diǎn)，樣點(diǎn)各波段的平均值作為此類地物在相應(yīng)波段的輻亮度值。由表4可知，對(duì)HJ－1A的CCD影像進(jìn)行星上定標(biāo)得到的輻亮度與Landsat－5TM的輻亮度存在較大差異，這說明HJ－1A的CCD影像所提供的星上定標(biāo)系數(shù)達(dá)不到進(jìn)行一系列水體定量反演的精度要求。

表4 HJ－1A星CCD星上定標(biāo)與Landsat－5TM輻射定標(biāo)結(jié)果比較Table 4 Comparison between the satellite Radiance calibration of CCD mounted on Satellite HJ－1A and the Radiance calibration of Landsat－5TM

1.2 交叉定標(biāo)及精度分析

分別在兩景影像對(duì)應(yīng)位置選擇高、低計(jì)數(shù)值均勻的兩塊區(qū)域（每塊區(qū)域多于50個(gè)像元，均方根差小于3）［13－14］，應(yīng)用兩點(diǎn)法，建立Landsat－5TM 和 HJ－1A的CCD各對(duì)應(yīng)波段DN值之間的一元線性回歸方程如下

利用式（1），（3），（4），（5），（6）可計(jì)算得到 HJ－1ACCD數(shù)據(jù)1～4波段的交叉輻射定標(biāo)系數(shù)，見表5。

表5 HJ－1A星CCD2數(shù)據(jù)1～4波段交叉定標(biāo)系數(shù)Table 5 Coefficients of cross radiance calibration for HJ－1ACCD 1～4bands

2 基于MODIS影像的近岸水體反射率反演

2.1 模型計(jì)算

衛(wèi)星接收的總輻射亮度可表示為［15］

式中，Lr為大氣分子Rayleigh散射；La為大氣氣溶膠散射；Lw為離水輻亮度；Lf為海面白帽信號(hào)；Lg為海面對(duì)太陽光的直射反射；Lb為水底的反射；t為大氣漫射透過率；T為大氣直射透過率；λ為波段。

在不考慮來自水底反射的影響，同時(shí)避開太陽耀斑和白帽的條件下，衛(wèi)星接收到的總輻亮度可簡化為

二類水體大氣校正的目的就是要從衛(wèi)星接收的總輻亮度中去除大氣散射Lr，氣溶膠散射La，得到離水輻亮度Lw。

2.1.1 大氣散射Lr

根據(jù) Gordon單次散射，可推導(dǎo)出 Rayleigh散射［16－17］：

式中，cos（α±）＝±cosθcosθ0＋sinθsinθ0cos（φ－φ0），θ，φ分別為對(duì)應(yīng)像元到遙感器之間連線所構(gòu)成的向量的天頂角和方位角；θ0，φ0分別為對(duì)應(yīng)像元與太陽之間連線所構(gòu)成的向量的天頂角和方位角；α為兩個(gè)向量之間的夾角。在本研究中，以影像頭文件中衛(wèi)星的天頂角和方位角近似代替θ和φ，以太陽的天頂角和方位角近似代替θ0和φ0；ω0為瑞利單次散射反照率，在避開水汽和氧氣吸收的波段可近似為1［18］。

Pr（α）為瑞利散射相函數(shù)，公式如下

式中，τr為大氣瑞利光學(xué)厚度：τr（λ）＝（P／P0）τr0（λ）；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；P為實(shí)際大氣壓［19］。

在本研究中，所使用的瑞利光學(xué)厚度應(yīng)為“波段等效光學(xué)厚度”［18］：

式中，Si（λ）為HJ－1A星CCD數(shù)據(jù)的波段響應(yīng)函數(shù)；λ1，λ2分別為波譜響應(yīng)函數(shù)中對(duì)應(yīng)波段的最大值和最小值；為經(jīng)過臭氧吸收修訂的大氣層外太陽輻照度［20］。

式中，＜F0＞為平均日地距離處的大氣層外太陽輻照度；D為從1月1日算起的相應(yīng)日期的公歷天數(shù)；τoz（λ）為臭氧層光學(xué)厚度，可通過NASA網(wǎng)站的實(shí)時(shí)大氣臭氧含量計(jì)算得到［18］。

ρ為氣水表面對(duì)天空光的反射率，由于清潔水體對(duì)近紅外波段幾乎全部吸收，這些波段的水體信號(hào)就是天空光的反射信號(hào)，因此可以通過式（14）確定氣水表面的反射率［21］：

本研究于衛(wèi)星過境當(dāng)天在曹妃甸附近海域進(jìn)行了水體光譜的測(cè)量，選取其中最為清潔的水體計(jì)算得到ρ為0.029；Lsw為光譜儀測(cè)量得到的水體輻亮度；Lsky為光譜儀測(cè)量得到的天空光輻亮度。

2.1.2 氣溶膠散射La

選取研究區(qū)內(nèi)遠(yuǎn)離海岸線的清潔水體像元，其近紅外波段的離水輻亮度近似為0，即Lw（λ4）～0，忽略太陽直射反射和白帽的影響，第4波段的氣溶膠散射為

其他波段氣溶膠散射的計(jì)算根據(jù)Wang和Gordon修改的Angstrom定律［22］：

式中，c為常數(shù)，可利用同一塊清潔水體的HJ－1A星CCD圖像近紅外波段和對(duì)應(yīng)MODIS的近紅外波段數(shù)據(jù)得到［23－24］。

2.1.3 大氣漫射透過率t

式中，τr（λ）為瑞利散射光學(xué)厚度；τoz（λ）為臭氧光學(xué)厚度；ta（θ，λ）為氣溶膠散射透過率，由于其與氣溶膠光學(xué)厚度關(guān)系不大，通常都將其作為一個(gè)常數(shù)，取值為1［22］。

遙感反射率Rrs可通過式（18）計(jì)算：

Lwn（λ）為歸一化離水輻亮度：

2.2 數(shù)據(jù)處理

本研究以位于渤海灣西北的曹妃甸附近海域?yàn)檠芯繀^(qū)，區(qū)域示意圖及實(shí)測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。本研究的第1部分對(duì)2009－06－25的HJ－1A星CCD影像分別進(jìn)行了基于星上定標(biāo)系數(shù)的輻射定標(biāo)和基于Landsat－5TM的交叉輻射定標(biāo)，對(duì)上述2種輻射定標(biāo)的結(jié)果，分別利用第2部分的基于MODIS的近海水體大氣校正模型反演水體反射率。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 A sketch map of study area and sampling locations

水體光譜的測(cè)量與分析參照唐軍武的“水面以上測(cè)量法”［21］。對(duì)于未嚴(yán)格定標(biāo)的光譜儀，遙感反射率可通過式（20）計(jì)算：

式中，Ssw（λ），Ssky（λ），Sp（λ）分別為光譜儀測(cè)得的水體、天空光以及白板的信號(hào)值；rs為標(biāo)準(zhǔn)板的反射率；ρ為水氣界面反射率，取值0.029，實(shí)測(cè)水體樣點(diǎn)的反射率曲線見圖2。

由于光譜響應(yīng)函數(shù)的不同，對(duì)于相同的入射光，不同傳感器在同一波長位置處接收的輻亮度會(huì)有較大差異。因此，為了便于比較，需要計(jì)算實(shí)測(cè)水體的等效波段反射率（圖3）：

式中，Si（λ）為HJ－1A星CCD的波段響應(yīng)函數(shù)；λ1，λ2分別為響應(yīng)函數(shù)對(duì)應(yīng)波段的最大值和最小值。

2.3 大氣校正結(jié)果分析

為了驗(yàn)證交叉輻射定標(biāo)對(duì)HJ－1A星CCD影像近海水體反射率反演的影響，下面結(jié)合實(shí)測(cè)水體反射率對(duì)大氣校正的結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證。圖4和圖5分別與圖3相比顯示，交叉定標(biāo)結(jié)果經(jīng)大氣校正后得到的水體反射率的波段1和波段4的反射率明顯降低，比星上定標(biāo)結(jié)果經(jīng)大氣校正得到的水體反射率更接近于實(shí)測(cè)的水體反射率；波段2和波段3的差異不明顯。從水體反射率曲線上看，交叉定標(biāo)得到的反射率曲線更接近實(shí)測(cè)的反射率曲線。表6給出了每個(gè)樣點(diǎn)的星上定標(biāo)反射率和交叉定標(biāo)反射率與實(shí)測(cè)反射率的相對(duì)誤差，其中，對(duì)HJ－1A星CCD影像進(jìn)行交叉定標(biāo)后，反演得到的波段1的反射率比進(jìn)行星上定標(biāo)得到的結(jié)果相對(duì)誤差降低了10%，波段4的反射率相對(duì)誤差則降低了120%左右，波段2和波段3沒有較大變化?？梢?，HJ－1A星CCD影像的星上定標(biāo)參數(shù)對(duì)于反演近海水體反射率是相對(duì)不穩(wěn)定的，在進(jìn)行近海水體一系列定量反演時(shí)，對(duì)其進(jìn)行交叉輻射定標(biāo)是必要的。

表6 HJ－1A星CCD星上定標(biāo)反射率、交叉定標(biāo)反射率與實(shí)測(cè)反射率的結(jié)果比較Table 6 Comparison among the reflectivities resulting from satellite radiance calibration of CCD，cross radiance calibration and in－situ measurements

3 結(jié) 語

本研究基于Landsat－5TM數(shù)據(jù)對(duì)HJ－1A星CCD的定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，認(rèn)為在利用HJ－1A星CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度水體反演時(shí)直接使用星上定標(biāo)系數(shù)會(huì)存在較大誤差，需要對(duì)星上定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行修正，基于Landsat－5TM數(shù)據(jù)對(duì)HJ－1A星CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉定標(biāo)在一定程度上提高了水體反射率反演的精度。由于輻射定標(biāo)是進(jìn)行定量遙感需要解決的首要問題，因此本研究為今后利用HJ－1A星CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行近海水體懸浮泥沙等的定量反演提供了基礎(chǔ)。

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Precision Verifications of Radiance Calibration and Coastal Water Atmospheric Correction for Satellite HJ－1A

XIAO Yan－fang，ZHU Lin，ZHAO Wen－ji
（Key Lab of Three Dimension Information Acquisition and Application，Capital Normal University，Beijing 100048，China）

For the purpose of quantitative inversion in coastal waters by using the CCD data of Satellite HJ－1A，the precision of radiance calibration coefficients of the CCD mounted on Satellite HJ－1Awas validated and a cross radiance calibration was performed based on the data from Landsat－5TM.And then，an inversion was made of the reflectivity of coastal waters on the basis of all these data.By comparing the results from the inversion and those from the measurements，it has been found that the cross radiance calibration for the CCT data of Satellite HJ－1Acan，to a certain extent，improve the precision of the inversion of the reflectivity of coastal waters.These results indicate that the onboard radiance calibration coefficients of the CCD images on Satellite HJ－1Aare not precise so enough that the cross radiance calibration should be also applied when the CCD data from Satellite HJ－1Aare used to carry out the quantitative inversion in the coastal waters.

cross radiance calibration；onboard radiance calibration；reflectivity inversion；coastal waters；HJ－1A；Landsat－5TM

September 6，2010

TP79

A

1671－6647（2012）01－0054－09

2010－09－06

國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目——環(huán)北京區(qū)域遙感綜合監(jiān)測(cè)信息服務(wù)系統(tǒng)（2007BAH15B02）

肖艷芳（1985－），女，山東濰坊人，博士研究生，主要從事生態(tài)遙感方面研究.E－mail：xiaoyanfang2006＠126.com

（張 騫 編輯）