基于GF-1/WFV與MODIS和LandSat8相機交叉定標

丁闖，謝勇，宦海，鐘雯嬌，邵雯，田傳陽

（1.南京信息工程大學 電子與信息學院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學 地理與科學學院，江蘇 南京 210044；3.南京信息工程大學 遙感衛(wèi)星應用國家工程實驗室南京研究中心，江蘇 南京 210044）

2013年4月26日，我國高分辨率對地觀測系統的首發(fā)星“高分一號”（GF-1）衛(wèi)星于酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射[1]。GF-1增加了高分辨率多光譜相機，該相機的性能在國內投入運行的對地觀測衛(wèi)星中最好。此外，GF-1的寬幅多光譜相機幅寬達到了800 km，與具有類似空間分辨率的衛(wèi)星相比，GF-1可以在更短的時間內對一個地區(qū)重復拍照，其重復周期只有4天（見表1），實現了高空間分辨率和高時間分辨率的完美結合[2]。GF-1為國土資源、農業(yè)、環(huán)保、減災部門提供了高精度、寬范圍的空間觀測數據，在地理測繪、海洋、水利、林業(yè)、交通規(guī)劃、氣象觀測等眾多科研領域發(fā)揮重要的作用[3]。

表1 GF-1，MODIS，LandSat8衛(wèi)星波段和性能介紹Table 1 Introduction for bands and performances of GF-1，MODIS，LandSat8 satellites

GF-1自發(fā)射距今已近5年，為災害環(huán)保、地球遙感、國際救災等領域提供了準確的空間信息源。由于受到平臺震動、零部件老化及運行環(huán)境劇變等因素的影響，導致輻射性能發(fā)生變化。通過在軌傳感器定標可以及時發(fā)現載荷運行期間的輻射特性的變化，進而調整與改進輻射定標算法，消減可見光輻射傳輸過程的影響，為提高遙感數據分析的穩(wěn)定性提供支持。

在國內，官方通常采用場地定標方法[4]獲得傳感器在軌絕對輻射定標系數。場地定標受場地和天氣條件的限制，定標成本大；而且每年場地定標次數有限，無法對定標的結果進行有效驗證[5]?，F階段GF-1衛(wèi)星每年只開展一次場地輻射定標使得GF-1可見光及近紅外存在一定輻射偏差，輻射精度有待提高，不能滿足GF-1定量化需求。因此，為了及時發(fā)現衛(wèi)星輻射性能變化和提高定標精度，本文以輻射定標精度高的MODIS[6]和LandSat8[7]衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星，基于我國敦煌輻射校正場及周邊均勻目標為匹配樣區(qū)，開展GF-1衛(wèi)星全覆蓋多光譜相機的交叉定標方法研究，得到可靠定標系數；并將定標結果與官方定標系數進行對比分析，以及比較以MODIS和LandSat8參考衛(wèi)星獲得的定標結果，為今后開展相關衛(wèi)星的時間序列定標提供參考。

1 交叉輻射定標方法

目前，常用的衛(wèi)星傳感器可見近紅外的在軌輻射定標主要包括場地定標[8]、星上定標[9]和交叉輻射定標[7]3種方法。交叉定標是檢查和驗證傳感器測量精度和穩(wěn)定性的有效方法，使用高輻射精度的衛(wèi)星來交叉校準輻射精度較低的衛(wèi)星。

交叉定標是利用定標精度較高的傳感器作為參考，選擇相同或相近觀測的衛(wèi)星影像。具體方法是選擇兩個傳感器同時或近同時的相同區(qū)域成像的影像對，經過光譜匹配和空間匹配，建立參考傳感器入瞳輻亮度與目標傳感器之間的關系，利用參考遙感器的定標系數，實現目標遙感的定標[10]。主要流程如圖1所示。

圖1 交叉輻射定標流程Fig.1 Flow chart of cross-radiation calibration

交叉定標方法不需要精確的實地測量數據，具有頻率高、成本少等優(yōu)點，是目前常用的定標方法之一。而且，交叉定標方法可實現對歷史影像的標定，可用于傳感器的時間序列定標。

在進行交叉定標時，MODIS和LandSat8的表觀輻射亮度為:

式中:gainj是第j波段的增益系數；offsetj是第j波段的偏移量；是第j波段的數字計數值（j=1，2，3，4）。圖2為GF-1/WFV4，MODIS和LandSat8衛(wèi)星的光譜響應曲線。

圖2 LandSat8，MODIS和GF-1相機光譜響應Fig.2 Spectral responses for cameras of LandSat8，MODIS and GF-1

2 數據的選取及預處理

2.1 研究區(qū)

本文選取敦煌輻射校正場（40.04°N～40.28°N，94.17°E～94.05°E），敦煌輻射校正場（見圖3）具有地勢平坦、地表均一、方向特性較好等優(yōu)勢，適用于可見光近紅外遙感器的在軌絕對輻射定標[11]。

圖3 敦煌定標校正場Fig.3 Calibration correction field in Dunhuang

2.2 參考衛(wèi)星的選擇

本文選取定標精度高的MODIS和LandSat8衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星。MODIS傳感器主要搭載在Terra和Aqua星上，有36個離散光譜波段，光譜范圍寬。MODIS傳感器帶有星上定標系統，星上定標系數誤差在2%左右；LandSat8衛(wèi)星的絕對輻射定標精度為5%，常被用來做參考遙感器對其他衛(wèi)星傳感器進行交叉輻射定標研究[12]。GF-1寬幅相機的分辨率是16 m，MODIS的分辨率有250 m，500 m，1 000 m。由于MODIS的波段1和波段2是250 m的，因此本文統一選擇分辨率為500 m的MODIS衛(wèi)星影像作為參考傳感器，對GF-1衛(wèi)星進行交叉輻射定標研究。LandSat8衛(wèi)星包含陸地成像儀（OLI）和熱紅外傳感器（TIRS）兩種傳感器。OLI傳感器有9個光譜波段，與ETM+相比增加2個波段，波段范圍有所變化，其中尤以近紅外和全色波段的波長范圍變化最為明顯，空間分辨率為15 m（全色波段）和30 m（多光譜波段）[13]。

2.3 數據的選取

在開展交叉輻射定標之前，需要利用數據篩選限制條件獲取高分一號和參考衛(wèi)星有效影像對。其中數據篩選條件包括:

1）衛(wèi)星影像對在敦煌輻射校正場過境時間差在1 h左右；

2）衛(wèi)星過境時，要求同時相且輻射校正場上方無云；

3）WFV影像應該覆蓋敦煌輻射校正場中心附近的區(qū)域[14]。

本文獲取了GF-1/WFV4的2017年4月30日13時29分20秒，MODIS影像的成像時間是5時30分，Land-Sat8衛(wèi)星影像成像時間是4時25分30秒。因為GF-1采用的是北京時間，MODIS和LandSat8采用的是UTC時間，所以實際時間間隔分別是ΔT=1 min和ΔT=64 min，滿足篩選條件。

2.4 衛(wèi)星影像對預處理

首先對獲取的GF-1/WFV，MODIS和LandSat8影像對進行預處理，確定敦煌輻射校正場位置。GF-1分辨率比較高，影像的投影畸變比較小，為了降低誤差，需對GF-1影像進行幾何校正。MODIS數據因其分辨率和投影畸變，在進行影像的幾何配準之前，必須經過幾何校正[15]。本文獲取LandSat8衛(wèi)星影像已經幾何校正過了，不需要再進行幾何校正。

GF-1/WFV與MODIS的初始分辨率分別為16 m和500 m，因此需要將空間分辨率進行統一，利用三次卷積法[15]把GF-1空間分辨率降到500 m。GF-1/WFV與LandSat8的初始分辨率分別為16 m和30 m，用同樣的方法把GF-1空間分辨率降到30 m。為了降低影像空間分辨率不同而造成的誤差，本文采用SIFT算法[16]將空間匹配誤差控制在0.5以內。

3 結果與分析

依據式（1）計算出MODIS和LandSat8表觀輻射亮度，由式（2）計算出傳感器的增益和偏移（見圖4、圖5）。圖4是GF-1衛(wèi)星和MODIS交叉定標結果。在圖4中x軸表示GF-1 DN值，y軸表示MODIS的表觀輻射亮度值。圖5是GF-1衛(wèi)星和LandSat8交叉定標結果。在圖5中x軸表示GF-1 DN值，y軸表示LandSat8的表觀輻射亮度值。擬合系數及誤差如表2所示。

由圖4的擬合曲線可以得到相關系數是0.967 2，0.982 8，0.979 4，0.971 3。將計算得到的定標系數與官方定標系數進行比較如表2所示。從表2可以得到，4個波段的定標精度相對誤差分別是2.99%，1.84%，2.22%，2.97%，誤差最大達到2.99%。由圖5的擬合曲線可以得到相關系數是 0.997 2，0.991 6，0.994 5，0.995 2。通過與官方定標系數的比較，從表2可以得到，4個波段的定標精度相對誤差分別是2.15%，1.45%，0.39%，1.48%，誤差最大達到2.15%。驗證了交叉定標的準確性，可以滿足部分定量化需求。

從表2中可以看出GF-1與LandSat8交叉定標獲得的定標系數比GF-1與MODIS獲得的定標系數誤差要小，定標精度都在3%以內。通過分析發(fā)現，兩個參考衛(wèi)星都屬于高輻射精度的衛(wèi)星，LandSat8（30 m）的空間分辨率比MODIS（500 m）的高；選取同名點對時，空間匹配的誤差會更小，通過擬合獲得的增益和偏移會更準確。

圖4 GF1/WFV4與MODIS交叉定標結果Fig.4 Cross-calibration results of GF1/WFV4 and MODIS

圖5 GF1/WFV4與LandSat8交叉定標結果Fig.5 Cross-calibration results of GF1/WFV4 and LandSat8

表2 GF-1與MODIS，LandSat8交叉定標結果及與官方定標系數的誤差Table 2 Cross-calibration results of GF-1 versus MODIS and LandSat8 and their calibration errors compared with official calibration coefficients

4 結論

MODIS和LandSat8具有高輻射精度，因此本文將它們作為參考衛(wèi)星，利用交叉輻射定標法，計算獲得GF-1多光譜相機4個譜段的定標系數。通過對研究成果的分析，可以得到以下結論。

1）利用交叉定標一元線性回歸的方法，計算WFV4各波段的增益和誤差，并與官方定標系數進行比較。結果表明，以MODIS和LandSat8衛(wèi)星作為輻射基準的定標結果輻射穩(wěn)定性都比較好，輻射精度都在3%以內，基于敦煌均勻場地的交叉定標獲得的定標系數穩(wěn)定可靠。

2）比較GF-1/MODIS和GF-1/LandSat8交叉定標獲得的定標系數發(fā)現，采用LandSat8衛(wèi)星作為輻射基準獲得的交叉輻射定標系數精度更高。通過分析發(fā)現Land-Sat8的空間分辨率比MDOIS的高，選取同名點對時，空間匹配的誤差會更小，通過擬合獲得的增益和偏移會更接近官方定標系數。

3）由于MODIS幅寬較寬，接近每日可以獲取一幅全球的影像。在不考慮天氣條件影響下，每4天可以獲取一組匹配影像對。因此利用MODIS可以獲取較高頻率的匹配影像對，從而開展對GF-1的時間序列定標。雖然GF-1與LandSat8衛(wèi)星交叉定標獲得的單景定標系數精確度更高，但LandSat8幅寬比較窄，回歸周期長（16天）?；诙鼗洼椛湫Ｕ龍龅钠ヅ溆跋駥Ρ容^少，無法有效地開展輻射性能穩(wěn)定性的分析。

致謝：特別感謝中國資源衛(wèi)星應用中心、南京信息工程大學遙感衛(wèi)星應用國家工程實驗室南京研究中心和美國國家宇航局（NASA）為本文研究提供GF-1影像數據和MODIS影像數據。