海洋水色遙感交叉定標(biāo)精度分析與仿真

高慧婷 馬越 劉薇 何紅艷

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

海洋水色遙感交叉定標(biāo)精度分析與仿真

高慧婷 馬越 劉薇 何紅艷

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

交叉定標(biāo)是解決海洋水色遙感器在軌高頻次、業(yè)務(wù)化絕對(duì)輻射定標(biāo)問題的重要手段，為了研究交叉定標(biāo)方法對(duì)定標(biāo)精度的影響，文章介紹了基于譜段匹配和光譜重構(gòu)兩種交叉定標(biāo)方法并分析其影響因素。仿真方案針對(duì)我國(guó)“海洋一號(hào)”系列衛(wèi)星海洋水色水溫掃描儀（COCTS）可見近紅外譜段交叉定標(biāo)，結(jié)合國(guó)際典型參考遙感器光譜響應(yīng)特性，基于實(shí)測(cè)水體光譜反射率數(shù)據(jù)，對(duì)比了在不同水體反射特性、大氣條件及遙感器光譜響應(yīng)下兩種交叉定標(biāo)模型引入的誤差。仿真結(jié)果表明：光譜重構(gòu)法交叉定標(biāo)精度總體上優(yōu)于譜段匹配法，參考遙感器光譜分辨率為 5nm時(shí)，光譜重構(gòu)法模型引入誤差小于0.05%，對(duì)比結(jié)果為海洋水色遙感器交叉定標(biāo)方法選擇提供支持。

海洋水色遙感 交叉定標(biāo) 譜段匹配 光譜重構(gòu) 航天遙感

0 引言

海洋衛(wèi)星水色遙感是海洋環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的重要獲取手段，遙感器在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)精度直接影響遙感數(shù)據(jù)的定量化應(yīng)用水平[1]。我國(guó)已經(jīng)發(fā)射了2顆海洋水色遙感衛(wèi)星“海洋1A”（2002年5月）和“海洋1B”（2007年4月），計(jì)劃2017年后發(fā)射后續(xù)海洋水色衛(wèi)星“海洋1C”和“海洋1D”，主載荷水色水溫掃描儀繼承了“海洋1A/1B”星水色水溫掃描儀（COCTS）譜段設(shè)置，在我國(guó)水色遙感衛(wèi)星目前沒有配置載荷專用星上定標(biāo)系統(tǒng)的情況下，場(chǎng)地定標(biāo)無(wú)法滿足水色遙感器高頻次業(yè)務(wù)化定標(biāo)需求，交叉定標(biāo)成為水色遙感在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)的主要手段之一，蔣興偉等[2]、潘德爐[3]利用美國(guó)寬視場(chǎng)掃描儀 SeaWiFS對(duì)“海洋 1A/1B”星 COCTS進(jìn)行交叉定標(biāo)，并對(duì)交叉定標(biāo)后 COCTS數(shù)據(jù)反演與準(zhǔn)同步SeaWiFS數(shù)據(jù)反演的歸一化離水輻亮度進(jìn)行了比較。在海洋環(huán)境遙感相關(guān)領(lǐng)域，唐軍武[4]利用 MODIS對(duì)“中巴資源”衛(wèi)星CBER-02上的4波段CCD相機(jī)進(jìn)行交叉定標(biāo)，獲得絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)；周冠華[5]等利用EO-1/Hyperion對(duì)環(huán)境小衛(wèi)星超光譜成像儀（HJ1A/HSI）進(jìn)行交叉定標(biāo)，解決了星載成像光譜儀光譜通道設(shè)置差異大導(dǎo)致的交叉定標(biāo)精度低的問題。

“海洋1C/1D”星計(jì)劃攜帶用于水色水溫掃描儀交叉定標(biāo)的參考遙感器，本文以參考遙感器定標(biāo)模式為研究背景，對(duì)基于譜段匹配和光譜重構(gòu)交叉定標(biāo)方法進(jìn)行了建模仿真，基于實(shí)測(cè)水體光譜反射率數(shù)據(jù)開展交叉定標(biāo)方法對(duì)輻射定標(biāo)精度的影響分析，分析兩種方法的影響因素，比較兩種不同定標(biāo)模型引起的交叉定標(biāo)不確定性，為水色遙感器業(yè)務(wù)化在軌交叉定標(biāo)方案確定提供依據(jù)。

1 水色儀在軌交叉定標(biāo)

1.1 交叉定標(biāo)及影響因素分析

交叉定標(biāo)法是利用輻射定標(biāo)精度較高的參考遙感器對(duì)目標(biāo)遙感器進(jìn)行定標(biāo)，選擇參考遙感器和目標(biāo)遙感器對(duì)同一區(qū)域同步或準(zhǔn)同步獲取的影像，通過幾何配準(zhǔn)和光譜響應(yīng)匹配，建立兩個(gè)遙感器圖像之間的聯(lián)系，利用參考遙感器定標(biāo)系數(shù)計(jì)算目標(biāo)遙感器的定標(biāo)系數(shù)。

影響交叉定標(biāo)精度的因素包括：

1）定標(biāo)源誤差：參考遙感器絕對(duì)輻射定標(biāo)誤差；

2）光譜匹配誤差：包括數(shù)據(jù)匹配誤差（軌道匹配、空間匹配、時(shí)間匹配、觀測(cè)幾何匹配誤差）和光譜響應(yīng)誤差（由光譜參數(shù)包括譜段差異和光譜響應(yīng)函數(shù)差異引起的光譜響應(yīng)誤差）[6]；

3）相對(duì)定標(biāo)誤差：由于交叉定標(biāo)只對(duì)圖像局部小區(qū)域進(jìn)行絕對(duì)定標(biāo)，如果以局部輻射定標(biāo)結(jié)果代替全視場(chǎng)定標(biāo)結(jié)果，絕對(duì)輻射精度受其相對(duì)輻射校正精度影響；

4）其他因素引起的誤差。其中，參考遙感器絕對(duì)輻射定標(biāo)誤差和目標(biāo)遙感器相對(duì)輻射定標(biāo)誤差是由遙感器本身輻射定標(biāo)誤差決定的，是交叉定標(biāo)的固有誤差，為了對(duì)比兩種模型的精度，本文假設(shè)在兩個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)交叉點(diǎn)進(jìn)行定標(biāo)，此時(shí)兩臺(tái)遙感器同時(shí)對(duì)同地物成像，則光譜匹配不確定性中的地物匹配、時(shí)間匹配和幾何匹配不確定性可以忽略，主要考慮由光譜響應(yīng)匹配不確定性引起的交叉定標(biāo)方法誤差。

1.2 基于譜段匹配的交叉定標(biāo)

基于譜段匹配的交叉定標(biāo)是目前應(yīng)用最多的交叉定標(biāo)方法，要求參考遙感器與目標(biāo)遙感器具有近似的光譜響應(yīng)函數(shù)或接近的譜段中心波長(zhǎng)[7]。

基于譜段匹配的交叉定標(biāo)輻亮度基法為：根據(jù)參考遙感器各通道定標(biāo)系數(shù)krei、crei與定標(biāo)區(qū)域響應(yīng)灰度值DNrei，計(jì)算其等效輻亮度Lrei，Lrei與光譜匹配因子Q相乘得到目標(biāo)遙感器等效輻亮度Ltai，最后根據(jù)目標(biāo)遙感器定標(biāo)區(qū)域響應(yīng)灰度值DNtai，利用最小二乘法計(jì)算各通道定標(biāo)系數(shù)ktai、ctai。交叉定標(biāo)公式為：

基于譜段匹配的交叉定標(biāo)關(guān)鍵是計(jì)算匹配因子，匹配因子表征不同地物、大氣條件、光譜參數(shù)差異引起探測(cè)器等效輻亮度的變化。在業(yè)務(wù)化交叉定標(biāo)過程中，每次交叉定標(biāo)時(shí)同步或準(zhǔn)同步測(cè)量水體反射率特性和大氣條件能夠保證定標(biāo)精度，但也使得應(yīng)用受到限制，本文將對(duì)不同條件下匹配因子進(jìn)行回歸分析獲得匹配因子變化規(guī)律，提高該交叉定標(biāo)方法的工程適用性。

1.3 基于光譜重構(gòu)的交叉定標(biāo)

基于光譜重構(gòu)的交叉定標(biāo)是基于高光譜/超光譜參考遙感器探測(cè)器的交叉定標(biāo)方法，要求參考遙感器連續(xù)光譜覆蓋目標(biāo)遙感器譜段[8]。遙感器探測(cè)過程表示為：

式中 y、S(λ)和x(λ)分別表示等效輻亮度、歸一化光譜響應(yīng)函數(shù)和入瞳光譜輻亮度。光譜重構(gòu)是已知y和S(λ)條件下，考慮信號(hào)非負(fù)和噪聲有界先驗(yàn)知識(shí)約束，采用規(guī)整化方法將反卷積問題轉(zhuǎn)變?yōu)樽钚』瘑栴}，即迭代搜索x(λ)使得[9]：

反卷積具體計(jì)算過程如下：

1）初始化

式中 spline_interp(·)表示三次樣條插值，x0(λ)為y0經(jīng)過三次樣條插值后得到的光譜間隔為 1nm的光譜輻亮度，作為迭代計(jì)算的初始值。

2）迭代計(jì)算[10]

第k次迭代逼近過程為：

式中 yk和yk+1為第k次、k+1次迭代的等效光譜輻亮度； xk、xk+1為第k次、k+1次入瞳光譜輻亮度；(k()) r xλ 為松弛函數(shù)，用于抑制迭代過程對(duì)噪聲的放大：

3）迭代終止判據(jù)

當(dāng)入瞳光譜輻亮度兩次差異小于規(guī)定閾值c，認(rèn)為重構(gòu)得到近似等于真實(shí)的入瞳光譜輻亮度，以下式表示：

經(jīng)過插值后得到1nm光譜間隔的光譜輻亮度，作為連續(xù)光譜輻亮度，已知目標(biāo)遙感器光譜響應(yīng)函數(shù)的情況下，根據(jù)式（2）計(jì)算等效輻亮度，根據(jù)等效輻亮度和圖像灰度值計(jì)算絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)。

由于光譜重構(gòu)方法通過反卷積處理復(fù)原信號(hào)的高頻成分，復(fù)原過程不可避免放大高頻噪聲[11]，盡管規(guī)整化反卷積利用物理約束對(duì)噪聲加以抑制，但探測(cè)器信噪比仍然是影響光譜重構(gòu)精度的重要因素。

2 仿真實(shí)例

2.1 仿真方案

1）譜段匹配交叉定標(biāo)：計(jì)算不同水體反射率、大氣條件下參考遙感器和目標(biāo)遙感器的等效光譜輻亮度，對(duì)各譜段進(jìn)行光譜匹配因子回歸分析，計(jì)算光譜匹配因子的回歸誤差；

2）光譜重構(gòu)交叉定標(biāo)：統(tǒng)計(jì)分析不同水體反射率、大氣條件下由復(fù)原光譜輻亮度與實(shí)際光譜輻亮度計(jì)算的目標(biāo)遙感器等效輻亮度相對(duì)誤差。

交叉定標(biāo)仿真方案如圖1所示。

圖1 交叉定標(biāo)仿真方案Fig.1 Simulation scheme of cross-calibration

2.2 仿真輸入

（1）水體反射率

圖2所示為從中選取的10條典型光譜反射率曲線。

圖2 水體光譜反射率Fig.2 Curves of ocean spectral reflectivity

（2）仿真大氣條件

考慮季節(jié)、氣溶膠、光照條件等對(duì)大氣傳輸?shù)挠绊懀_定三種典型大氣條件，見表1所示。

表1 仿真大氣條件Tab.1 Atmospheric condition for simulation

（3）譜段匹配法遙感器光譜參數(shù)

1）譜段范圍：以美國(guó)寬視場(chǎng)掃描儀 SEAWiFS、新型紅外成像輻射儀套件 VIIRS、歐盟新一代海洋水色遙感儀OLCI和韓國(guó)新一代海洋水色遙感器GOCI作為參考遙感器[12]，以“海洋一號(hào)”系列衛(wèi)星水色水溫掃描儀作為目標(biāo)遙感器，詳細(xì)譜段設(shè)置見表2所示。

表2 典型水色遙感器波段設(shè)置Tab.2 Band of typical ocean color remote sensor

2）光譜響應(yīng)函數(shù)：考慮光譜響應(yīng)函數(shù)差異，參考遙感器和目標(biāo)遙感器的光譜響應(yīng)函數(shù)分別假設(shè)為高斯函數(shù)和矩形函數(shù)。

（4）光譜重構(gòu)法遙感器光譜參數(shù)

參考遙感器光譜參數(shù)參照 Hyperion、NEMO、Enmap等超光譜成像儀設(shè)計(jì)指標(biāo)[13]，光譜分辨率5nm/10nm，信噪比指標(biāo)均可以達(dá)到 100dB以上[14]，參考遙感器和目標(biāo)遙感器光譜響應(yīng)函數(shù)分別假設(shè)為高斯函數(shù)和矩形函數(shù)[15]。

2.3 入瞳輻亮度

采用6S輻射傳輸模型，根據(jù)以上3種大氣條件進(jìn)行入瞳光譜輻亮度仿真，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同條件下的入瞳光譜輻亮度Fig.3 Apparent spectral radiance under different conditions

2.4 譜段匹配交叉定標(biāo)誤差

綜合以上大氣條件和水表反射率變化條件下參考遙感器和目標(biāo)遙感器等效輻亮度計(jì)算結(jié)果，仿真樣本S對(duì)應(yīng)目標(biāo)遙感器和參考遙感器各譜段等效光譜輻亮度Li, s和分別為：

式中 Si(λ)和分別為目標(biāo)遙感器和參考遙感器波段i的光譜響應(yīng)函數(shù)；波段響應(yīng) Ls(λ)為入瞳光譜輻亮度。

通過對(duì)Li, s和變化特性分析，構(gòu)建各譜段等效光譜輻亮度序列線性回歸模型：

式中 ai、bi為線性回歸模型系數(shù)；Li、分別為目標(biāo)遙感器和參考遙感器各譜段等效光譜輻亮度，使用最小二乘法求解，得到各譜段光譜匹配因子回歸誤差平均誤差和最大誤差：

光譜匹配因子回歸誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3、表4。

表3 回歸分析平均誤差Tab.3 Average error of regression 單位：%

表4 回歸分析最大誤差Tab.4 Maximal error of regression 單位：%

譜段匹配法交叉定標(biāo)仿真計(jì)算結(jié)果表明：

1）譜段匹配法光譜響應(yīng)等因素引起的各譜段光譜匹配因子基本符合線性變化，驗(yàn)證了光譜匹配因子回歸分析法在水體交叉定標(biāo)應(yīng)用中的可行性。

2）采用光譜匹配法交叉定標(biāo)，定標(biāo)誤差主要與光譜響應(yīng)差異有關(guān)，光譜響應(yīng)差異表現(xiàn)為譜段寬度、中心波長(zhǎng)和函數(shù)類型差異，光譜響應(yīng)差異越大，定標(biāo)誤差越大。仿真結(jié)果表明，SEAWIFS的B7譜段中心波長(zhǎng)相差15nm，交叉定標(biāo)平均誤差和最大誤差分別大于1.24%和3.66%，GOCI的B7譜段中心波長(zhǎng)相差5nm，譜段寬度相差20nm，交叉定標(biāo)平均誤差和最大誤差分別大于1.16%和3.34%，OLCI 的B8譜段中心波長(zhǎng)相差15nm，譜段寬度相差10nm，交叉定標(biāo)平均誤差和最大誤差分別大于0.92%和3.42%，其他譜段定標(biāo)平均誤差在0.05%～0.77%，最大誤差在0.1%～2%。

2.5 光譜重構(gòu)法誤差

圖4所示為對(duì)于大氣條件I、不同水體光譜反射率下參考遙感器光譜分辨率5nm、10nm光譜重構(gòu)結(jié)果。

根據(jù)式（8）得到目標(biāo)遙感器和參考遙感器各譜段等效光譜輻亮度Li,s和，光譜重構(gòu)法相對(duì)誤差和最大誤差：

對(duì)不同大氣條件和水體反射率進(jìn)行光譜重構(gòu)法誤差分析，光譜重構(gòu)法計(jì)算等效輻亮度平均誤差和最大誤差見表5～6。

圖4 光譜重構(gòu)仿真Fig.4 Simulation of spectral reconstruction

表5 平均誤差Tab.5 Average error 單位：%

表6 最大誤差Tab.6 Maximal error 單位：%

為了分析信噪比的影響，對(duì)參考遙感器等效輻亮度疊加不同的高斯噪聲，并統(tǒng)計(jì)分析不同輸入條件下仿真結(jié)果，圖5所示為誤差隨信噪比變化情況。

圖5 信噪比對(duì)定標(biāo)誤差的影響Fig.5 SNR influence on calibration error

光譜重構(gòu)法交叉定標(biāo)仿真計(jì)算結(jié)果表明：

1）采用光譜重構(gòu)法交叉定標(biāo)，定標(biāo)誤差主要與參考遙感器光譜分辨率有關(guān)，光譜分辨率越高，定標(biāo)誤差越小。從仿真結(jié)果看，參考遙感器光譜分辨率為 5nm時(shí)，各譜段平均誤差小于0.03%，最大譜段誤差小于0.04%；參考遙感器光譜分辨率為10nm時(shí)，各譜段平均誤差小于1.4%，最大譜段誤差小于1.8%；

2）參考遙感器信噪比影響光譜重構(gòu)法交叉定標(biāo)誤差，定標(biāo)誤差隨信噪比降低呈指數(shù)下降。從仿真結(jié)果看，當(dāng)信噪比優(yōu)于80dB時(shí)，5nm和10nm光譜分辨率下噪聲對(duì)光譜重構(gòu)精度影響可以忽略。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從海洋水色遙感器譜段匹配和光譜重構(gòu)兩種交叉定標(biāo)方法原理出發(fā)，基于實(shí)測(cè)水體光譜反射率，綜合考慮水體反射特性、大氣條件及光譜響應(yīng)變化，定量仿真分析了交叉定標(biāo)誤差，通過結(jié)果比較和分析得到以下結(jié)論：

1）參考遙感器光譜分辨率達(dá)到 5nm時(shí)，水色遙感各譜段光譜重構(gòu)法定標(biāo)精度優(yōu)于譜段匹配法；當(dāng)參考遙感器光譜分辨率為10nm時(shí)，兩種方法的交叉定標(biāo)誤差相當(dāng)；

2）在水色遙感器交叉定標(biāo)中，光譜重構(gòu)法比譜段匹配法在各譜段誤差更為穩(wěn)定；

3）在遙感器光譜通道差異較大的情況下，光譜重構(gòu)法更能保證交叉定標(biāo)精度。

該結(jié)論可以為即將發(fā)射的海洋1C/1D星及后續(xù)海洋衛(wèi)星水色遙感器星上定標(biāo)方案決策提供參考。

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Analysis and Simulation of Cross Calibration Precision of Ocean Color Remote Sensing

GAO Huiting MA Yue LIU Wei HE Hongyan

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Cross calibration is an important method for solving the high-frequency operational on-orbit calibration of ocean color remote sensor. In order to analyses the influence of two different kinds of cross calibration method on calibration precision, spectral matching and spectral reconstruction method and their influence factors are introduced. Aiming at cross calibration for COCTS of “HY-1” series satellites, and based on existing reference sensor and measured reflectance of ocean, cross calibration uncertainty of the two methods in difference ocean、atmosphere and spectral response conditions are compared. Results show that precision of spectral reconstruction method is better than that of spectral matching method as a whole, and when spectral resolution of reference sensor is 5nm, error introduced by spectral reconstruction model is less than 0.05%, providing a reference for selection of cross calibration method.

ocean color remote sensing; cross calibration; spectral matching; spectral reconstruction; space remote sensing

TP714

: A

: 1009-8518(2016)02-0116-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.02.015

高慧婷，女，1981年生，2007年獲北京信息科技大學(xué)碩士學(xué)位，工程師。研究方向?yàn)樾禽d光學(xué)遙感器輻射定標(biāo)技術(shù)。E-mail: gaohuiting_1100@126.com。

（編輯：毛建杰）

2015-10-20

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程