基于洋面目標(biāo)模擬的衛(wèi)星反射波段觀測(cè)質(zhì)量分析初探?

孫 凌, 高 磊, 馬艷紅, 曹丹陽(yáng)

(1. 中國(guó)氣象局中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射定標(biāo)與真實(shí)性檢驗(yàn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2. 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京100081； 3. 北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144)

衛(wèi)星遙感在大尺度環(huán)境監(jiān)測(cè)、全球和氣候變化研究中占有重要地位。中國(guó)已經(jīng)發(fā)射了氣象、海洋、陸地資源等多個(gè)系列遙感衛(wèi)星，隨著衛(wèi)星定量產(chǎn)品在全球變化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、數(shù)值預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用日益深入，對(duì)我國(guó)自主衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求也日益提升。為了提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)的輻射精度和穩(wěn)定度，需要通過(guò)發(fā)射前測(cè)試，深入了解并刻畫(huà)遙感器的輻射響應(yīng)特性，并進(jìn)行在軌的輻射定標(biāo)與檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)。

對(duì)于光學(xué)遙感器，在紅外發(fā)射波段，國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)基于星上黑體實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的絕對(duì)輻射定標(biāo)，并依靠與高精度的高光譜遙感器的互定標(biāo)，顯著提升了不同遙感器輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)間的一致性。但是，反射太陽(yáng)波段的問(wèn)題依然比較多，國(guó)內(nèi)外的差距顯著。在反射波段，遙感器在軌響應(yīng)的時(shí)間變化顯著，特別是波長(zhǎng)小于500 nm的短波部分[1-2]，同時(shí)遙感器的輻射特性復(fù)雜，具有偏振、入射角、溫度等敏感性[3-4]。

由于發(fā)射前測(cè)試有限、無(wú)可靠星上定標(biāo)等原因，為保障衛(wèi)星遙感器太陽(yáng)反射波段的在軌輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要采取替代方法進(jìn)行遙感器在軌輻射特性和質(zhì)量分析。目前，針對(duì)遙感器反射波段的定標(biāo)分析多集中在輻射響應(yīng)的時(shí)變特征上[5-9]。通過(guò)對(duì)沙漠、冰川、深對(duì)流云、月球等多種穩(wěn)定目標(biāo)的高頻次跟蹤可以獲得遙感器輻射響應(yīng)的時(shí)間變化特性，但是，無(wú)法獲得角度和偏振等響應(yīng)特性。以國(guó)外高精度遙感器為輻射參考，基于同時(shí)星下點(diǎn)數(shù)據(jù)比對(duì)，可完成相近波段的輻射精度評(píng)估[10-11]。由于極軌衛(wèi)星間的交點(diǎn)數(shù)據(jù)多集中在兩極地區(qū)，加之對(duì)星下點(diǎn)附近觀測(cè)數(shù)據(jù)的限定，評(píng)估結(jié)果存在空間代表性不足的缺陷。

通過(guò)在軌定標(biāo)檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星數(shù)據(jù)在空間分布、掃描、偏振依賴等方面的質(zhì)量問(wèn)題對(duì)于建立和完善精細(xì)化的在軌輻射定標(biāo)，提高在軌定標(biāo)精度和穩(wěn)定度是十分重要的。

地球觀測(cè)模擬是進(jìn)行遙感器指標(biāo)設(shè)計(jì)、遙感算法研制、在軌定標(biāo)檢驗(yàn)的重要手段。海洋覆蓋了地球表面約71%，其中75%以上的區(qū)域?yàn)樨汃にw。深海水體(水深> 1 000 m)和貧瘠水體(葉綠素a濃度< 0.1 mg/m3)的離水輻亮度對(duì)于大氣頂輻射的貢獻(xiàn)藍(lán)光(443 nm)約為14%和17%，綠光(551 nm)約為8%和7%，更長(zhǎng)波長(zhǎng)的貢獻(xiàn)更小[12]。該區(qū)域的水體特性單一，大氣氣溶膠含量低，具有良好的環(huán)境清潔性和時(shí)空穩(wěn)定性，有利于較可靠的模擬遙感器的入瞳觀測(cè)。

本文提出了一種基于6SV矢量輻射傳輸模式的全球洋面目標(biāo)衛(wèi)星觀測(cè)模擬，以及基于雙差分析的太陽(yáng)反射波段衛(wèi)星觀測(cè)質(zhì)量分析方法，針對(duì)Aqua MODIS 和FY-3B MERSI 的可見(jiàn)光波段，實(shí)現(xiàn)了全球深海晴空目標(biāo)的衛(wèi)星入瞳反射率模擬，獲得了相對(duì)于全球洋面目標(biāo)觀測(cè)模擬的FY-3 BMERSI輻射偏差，以及相對(duì)于Aqua MODIS的偏差特征。

1 遙感器簡(jiǎn)介

氣象衛(wèi)星作為中國(guó)發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)的民用衛(wèi)星，是能夠提供長(zhǎng)時(shí)間序列、全球觀測(cè)的重要天基觀測(cè)載體。第二代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)(FY-3)系列的四顆衛(wèi)星(A/B/C/D)可分別提供自2008、2010、2013和2017年以來(lái)的全球觀測(cè)資料。

中分辨率光譜成像儀(MERSI)是FY-3上搭載的關(guān)鍵光學(xué)成像載荷，與MODIS類似，可用于陸地、海洋和大氣等方面的應(yīng)用研究。MERSI采用45°掃描鏡和消旋K鏡實(shí)現(xiàn)跨軌多探元并掃，星下點(diǎn)空間分辨率為250 m(每個(gè)波段40個(gè)探元)和1 000 m(每個(gè)波段10個(gè)探元)，可在星下點(diǎn)±55°的視場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)，每次掃描區(qū)域約2 900 km(跨軌)×10 km(沿軌，星下點(diǎn))，提供每天一次的全球覆蓋。MERSI具有多個(gè)反射太陽(yáng)波段，覆蓋了412～2 130 nm的光譜范圍，具體設(shè)計(jì)指標(biāo)參見(jiàn)表1(根據(jù)FY-3B MERSI)。

在每個(gè)掃描周期內(nèi)MERSI完成對(duì)深冷空間(Space View，SV)、地球目標(biāo)(Earth View，EV)、星上定標(biāo)器和星上黑體的觀測(cè)。由于采用多探元掃描，探元間的差異導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)圖像存在掃描方向的條帶。在反射波段，通過(guò)星上實(shí)時(shí)校正(基于發(fā)射前的線性校正系數(shù))和基于全球直方圖匹配的查找表方式地面校正，完成了探元間的歸一化。在探元間一致性校正的基礎(chǔ)上，采用線性定標(biāo)方程完成輻射定標(biāo)(輻射定標(biāo)系數(shù)由替代方法確定)，獲得大氣頂反射率。表2列出了研究中采用的Aqua MODIS反射波段的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表1 FY-3B MERSI反射波段主要指標(biāo)

表2 Aqua MODIS反射波段主要指標(biāo)

2 計(jì)算與分析方法

2.1 大氣頂觀測(cè)模擬

通過(guò)以下方案針對(duì)全球深海區(qū)域進(jìn)行晴空大氣頂輻射模擬仿真：

(1) 計(jì)算區(qū)域選擇：特性穩(wěn)定的深海海洋，水深超過(guò)1 000 m。

(2) 衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取：采用1 km分辨率的L1B產(chǎn)品，為了降低計(jì)算的數(shù)據(jù)量，在行和列方向進(jìn)行間隔5點(diǎn)的抽樣，采用3×3窗口像元均值進(jìn)行計(jì)算。利用865 nm波段的反射率，以及波段的方差系數(shù)進(jìn)行云和其他干擾的濾除；借鑒洋面云檢測(cè)時(shí)耀斑角的取值(36°)[13]，為盡可能避免太陽(yáng)耀斑的影響，計(jì)算時(shí)耀斑角需大于40°。

(3) 環(huán)境數(shù)據(jù)：主要采用衛(wèi)星觀測(cè)產(chǎn)品，考慮到多天合成產(chǎn)品可以消除掃描幾何的影響，表面和大氣特性參數(shù)選用月平均產(chǎn)品。水體上行輻射數(shù)據(jù)采用Aqua MODIS 的遙感反射比產(chǎn)品(波段1、3、4，8-14)，基于中心波長(zhǎng)信息，通過(guò)樣條插值方式獲得MERSI波段對(duì)應(yīng)的遙感反射比；氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)采用Aqua MODIS的氣溶膠產(chǎn)品,氣溶膠模型采用海洋型；風(fēng)場(chǎng)、氣壓、水汽含量等數(shù)據(jù)采用NCEP再分析產(chǎn)品。

(4)輻射傳輸計(jì)算：采用輻射傳輸模型6SV[14]，基于觀測(cè)幾何、遙感器光譜響應(yīng)函數(shù)、表面和大氣特性參數(shù)等，計(jì)算晴空目標(biāo)區(qū)的大氣頂反射率。

2.2 輻射偏差分析

對(duì)每組遙感器觀測(cè)值和模式模擬值，定義相對(duì)于模擬值的觀測(cè)偏差與相對(duì)偏差：

Dif=RMea-RSim，

(1)

PDif=RMea/RSim-1。

(2)

其中：RSim是模擬的大氣頂表觀反射率；RMea是遙感器觀測(cè)值。

對(duì)于MERSI和MODIS中心波長(zhǎng)相近的波段對(duì)，以Aqua MODIS為參考，引入大氣頂輻射的模式模擬值作為中介，通過(guò)雙差方式定義待評(píng)估遙感器MERSI相對(duì)于參考儀器MODIS的觀測(cè)偏差ΔDif，以及MERSI相對(duì)于MODIS的相對(duì)偏差ΔPDif[2]：

(3)

(4)

由于將大氣頂輻射的模式模擬值作為中介，通過(guò)雙差方式可以削弱輻射傳輸計(jì)算固有誤差的影響；若遙感器的觀測(cè)偏差Dif與觀測(cè)幾何不相關(guān)，雙差方式也將削弱將參考遙感器和待評(píng)估遙感器觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行直接比較時(shí)所存在的觀測(cè)幾何不一致的影響。

FY-3B和Aqua的赤道升交點(diǎn)均為當(dāng)?shù)貢r(shí)13:30。進(jìn)行一天內(nèi)的雙差計(jì)算時(shí)，觀測(cè)間差通常在1 h以內(nèi)，暫不對(duì)觀測(cè)時(shí)間差進(jìn)行限制。具體的匹配波段見(jiàn)表3。

表3 雙差分析匹配波段

3 結(jié)果與討論

以定標(biāo)良好的傳感器Aqua MODIS的觀測(cè)值作為大氣頂輻射“真值”，可以評(píng)估大氣頂輻射觀測(cè)模擬的效果。采用MODIS v6版的L1B數(shù)據(jù)，對(duì)波段1、3、4、8、9、10、11和12進(jìn)行了分析。

輻射傳輸正演模擬能力在大天頂角和高氣溶膠含量時(shí)的不確定度較大，因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)對(duì)天頂角和氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行了限定，太陽(yáng)和衛(wèi)星天頂角需小于70°，這會(huì)損失部分掃描邊緣的數(shù)據(jù)；550 nm氣溶膠光學(xué)厚度需小于0.2，這可以濾除非洲西海岸、印度大陸周邊等陸源影響較大的深水區(qū)域。

圖1和2以MODIS波段3(469 nm)為例給出了2011年1月1日觀測(cè)反射率、模擬反射率以及兩者偏差的全球分布圖。由圖可見(jiàn)，觀測(cè)模擬可以很好的復(fù)現(xiàn)實(shí)際觀測(cè)的空間分布特征。平均來(lái)看，對(duì)地掃描時(shí)，由于大氣后向散射效應(yīng)，晴空總輻射在掃描起始最大，隨著掃描角的增大呈先降后增趨勢(shì)(自西向東)。對(duì)觀測(cè)與模擬輻射值的線性相關(guān)分析則表明兩者具有良好的一致性(見(jiàn)圖3),圖中紅線為線性回歸擬合結(jié)果，各波段回歸分析的參數(shù)列于表4。系數(shù)a,b分別是線性回歸方程的斜率和截矩項(xiàng)(y=ax+b)，R是相關(guān)系數(shù)，mRsim和mRmea分別為模擬與觀測(cè)值的均值，mDif和mPDif分別為觀測(cè)與模擬值的偏差和相對(duì)偏差的均值。可以看出，相關(guān)系數(shù)隨著波長(zhǎng)的增大而減小，在藍(lán)波段均高于0.97；模擬值通常較觀測(cè)值略偏低。紅光波段1的模擬效果相對(duì)最差，高值區(qū)的模擬結(jié)果偏低明顯，導(dǎo)致擬合斜率最小，截距為正值。

圖1 Aqua MODIS波段3 (469 nm)模擬(Rsim)與觀測(cè)(Rmea)大氣頂反射率的空間分布圖(2011年1月1日)

圖2 MODIS波段3觀測(cè)與模擬的偏差(Dif)分布

(紅色直線為線性回歸線。Red line is the linear regression line.)

對(duì)MERSI的波段1、2、3、8、9、10、11和12進(jìn)行了分析。MERSI沒(méi)有可靠的反射波段星上定標(biāo)，其業(yè)務(wù)產(chǎn)品采用替代的定標(biāo)方案，由于定標(biāo)參數(shù)更新不及時(shí)和定標(biāo)輻射基準(zhǔn)采用等問(wèn)題導(dǎo)致產(chǎn)品存在一定的輻射偏差?；谟^測(cè)模擬開(kāi)展MERSI在空間方面的偏差特性分析時(shí)，為避免MERSI輻射觀測(cè)系統(tǒng)性偏差的影響，對(duì)業(yè)務(wù)產(chǎn)品的定標(biāo)截距進(jìn)行了微調(diào)，使得星下點(diǎn)對(duì)應(yīng)的觀測(cè)偏差均值與MODIS的相當(dāng)。圖4和5以FY-3B MERSI波段1(470 nm)為例分別給出了2011年1月1日觀測(cè)反射率、模擬反射率以及兩者偏差的全球分布圖，圖6為觀測(cè)與模擬的散點(diǎn)圖。各波段回歸分析的參數(shù)列于表5。與MODIS的結(jié)果類似，觀測(cè)與模擬輻射值的相關(guān)系數(shù)隨著波長(zhǎng)的增大而減小，藍(lán)波段的相關(guān)系數(shù)均高于0.97。但是，MERSI觀測(cè)與模擬的擬合斜率相對(duì)于相近波段的MODIS通常更偏離1。與MODIS類似，MERSI在紅光波段的模擬結(jié)果最差，擬合斜率最小，截距為正值，究其原因可能為氣溶膠模型適用性的影響。

表4 MODIS觀測(cè)與模擬反射率的線性回歸和偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖4 FY-3B MERSI波段1(470 nm)模擬(Rsim)與觀測(cè)(Rmea)大氣頂反射率的空間分布圖(2011年1月1日)

圖5 MERSI波段1觀測(cè)與模擬的偏差(Dif)分布

圖6 MERSI波段1觀測(cè)與模擬大氣頂反射率散點(diǎn)圖

為了進(jìn)一步分析偏差隨掃描方向的變化特征，分別將MODIS和MERSI的觀測(cè)與模擬的偏差針對(duì)不同的對(duì)地掃描角進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。圖7以藍(lán)、綠波段為例給出了MODIS和MERSI隨著掃描角變化的Dif均值曲線?？梢钥闯?，MERSI和MODIS類似，觀測(cè)與模擬的偏差在星下點(diǎn)的兩側(cè)不同，起始側(cè)(掃描角為負(fù))的偏差較結(jié)束側(cè)(掃描角為正)的偏低；在星下點(diǎn)附近±20°的掃描范圍內(nèi)，MERSI與MODIS的誤差接近，在掃描的兩端，兩者存在明顯的差異。雖然MERSI的掃描幅寬大于MODIS，相同掃描角對(duì)應(yīng)的實(shí)際太陽(yáng)/衛(wèi)星觀測(cè)幾何有差異(主要在掃描的起止邊緣位置)，兩者的觀測(cè)幾何在統(tǒng)計(jì)意義上是接近的。同時(shí)，由于MERSI采用45°掃描鏡，掃描時(shí)地物入射到鏡面的夾角不變，因此，忽略掃描鏡入射角的影響，偏差所反映出的與掃描角相關(guān)的特征應(yīng)主要來(lái)自于儀器偏振響應(yīng)的影響。已有研究表明，偏振影響的輻射校正系數(shù)(pc=Refmea/Reftrue，Reftrue為校正值) 通常在掃描結(jié)束側(cè)大于1，而在掃描起始側(cè)小于1[1,16]。這種校正趨勢(shì)與圖7所反映的不同掃描側(cè)的誤差特征相互補(bǔ)，通過(guò)校正可以使得偏差對(duì)掃描角的依賴性降低。

表5 MERSI觀測(cè)與模擬反射率的線性回歸和偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖7 MODIS與MERSI觀測(cè)與模擬的偏差(Dif)隨掃描角的變化

鑒于輻射傳輸模式模擬結(jié)果存在不確定性，因此采用雙差方式查看MERSI相對(duì)于MODIS的偏差。圖8給出了基于洋面目標(biāo)輻射觀測(cè)模擬的MERSI波段1、2、3和9與MODIS對(duì)應(yīng)波段的雙差分布ΔPDif。圖中明顯呈現(xiàn)了與掃描相關(guān)的空間分布特征?；跀?shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，ΔPDif的正負(fù)與兩者掃描角的一致性有關(guān)。與圖7所反映的現(xiàn)象一致，當(dāng)MERSI和MODIS的掃描處于不同方向時(shí)，如MERSI掃描角為負(fù)，MODIS掃描角為正，則ΔPDif偏負(fù)；如MERSI掃描角為正，MODIS掃描角為負(fù)，則ΔPDif偏正。因此，只選取±20°掃描角范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行雙差統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖9所示。以輻射傳輸模擬作為橋梁，晴空洋面觀測(cè)時(shí)，F(xiàn)Y-3B MERSI可見(jiàn)光波段的輻射觀測(cè)值與Aqua MODIS的相對(duì)偏差(ΔPDif)均值可在5%以內(nèi)。

圖8 MERSI波段1、2、3和9與MODIS對(duì)應(yīng)波段的雙差(ΔPDif)空間分布圖

圖9 MERSI與MODIS對(duì)應(yīng)波段的雙差(ΔPDif)均值

4 結(jié)語(yǔ)

基于快速輻射傳輸模式，大洋區(qū)作為相對(duì)穩(wěn)定、均勻的大面積目標(biāo)，已被成功用于微波和熱紅外波段的衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量診斷監(jiān)測(cè)，促進(jìn)了衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的提升。反射波段由于快速輻射傳輸模式的發(fā)展問(wèn)題，同類應(yīng)用相對(duì)滯后。本文提出了一種基于全球洋面目標(biāo)觀測(cè)模擬的遙感器反射波段觀測(cè)質(zhì)量分析方法，并針對(duì)FY-3B MERSI和Aqua MODIS進(jìn)行了初步應(yīng)用，可針對(duì)輻射低端目標(biāo)獲得輻射偏差的空間分布特征，特別是掃描方向的。研究表明，雖然由于遙感器目標(biāo)雜散干擾等原因的影響，觀測(cè)模擬值有系統(tǒng)性低估的趨勢(shì)，通過(guò)與參考儀器MODIS的偏差特征進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)MERSI存在與對(duì)地掃描角相關(guān)的誤差特征，主要由儀器響應(yīng)的偏振影響所致。以全球深海區(qū)域晴空入瞳觀測(cè)模擬為輻射參考，基于大樣本統(tǒng)計(jì)，可完成基于目標(biāo)觀測(cè)模擬的輻射質(zhì)量比對(duì)評(píng)估，考慮到觀測(cè)模擬可能存在的誤差，進(jìn)一步引入?yún)⒖純x器，以模式觀測(cè)模擬為橋梁，基于雙差分析可獲得相對(duì)于參考儀器的誤差分布(需對(duì)掃描角進(jìn)行限定)。雖然基于輻射傳輸?shù)挠^測(cè)模擬存在不確定性，但是相對(duì)于傳統(tǒng)的定標(biāo)檢驗(yàn)方法，該方法可以提供具有足夠時(shí)空覆蓋的分析樣本，用以分析輻射偏差的分布特征，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在空間分布、掃描、偏振依賴等方面的質(zhì)量缺陷，進(jìn)而推進(jìn)國(guó)產(chǎn)遙感器反射波段定標(biāo)檢驗(yàn)研究的精細(xì)化。

可靠的大氣頂輻射模擬是該方法的基礎(chǔ)。作為輸入的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，如水體遙感反射比是可能的計(jì)算誤差源。水體遙感反射比是采用MODIS產(chǎn)品的10個(gè)波段，基于中心波長(zhǎng)信息，通過(guò)樣條插值方式獲得MERSI波段對(duì)應(yīng)值。對(duì)于計(jì)算的大部分波段，MERSI(波段1、2、3、8、9、10、13)和MODIS最臨近的中心波長(zhǎng)差異較小(5 nm以內(nèi))，而MERSI 波段11(520 nm)和12(565 nm)，與MODIS最臨近的中心波長(zhǎng)差異相對(duì)較大(約10 nm)。根據(jù)實(shí)測(cè)光譜和Wei & Li(2016)進(jìn)行的全球水體分類結(jié)果，水體光譜較為平滑，通常不同類型水體光譜在488和555 nm附近存在拐點(diǎn)，600～700 nm基本為單調(diào)遞減變化，因此水體光譜插值不會(huì)對(duì)結(jié)果帶來(lái)顯著影響，但仍需基于實(shí)測(cè)光譜和波段光譜響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行量化評(píng)估。

數(shù)據(jù)質(zhì)量的篩選控制是影響基于觀測(cè)模擬比對(duì)的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的重要因素，包括對(duì)觀測(cè)和模擬結(jié)果的篩選。雖然文中利用觀測(cè)反射率和空間均勻性進(jìn)行云污染的剔除，對(duì)水深、氣溶膠光學(xué)厚度、天頂角、耀斑角等參數(shù)進(jìn)行了限定，但是對(duì)氣溶膠類型、水體光譜等影響輻射傳輸計(jì)算的因素尚未作具體約束，后續(xù)擬引入氣溶膠波長(zhǎng)指數(shù)、葉綠素濃度等作為補(bǔ)充約束條件，細(xì)化質(zhì)控篩選，進(jìn)一步提高結(jié)果的可靠性。同時(shí)，結(jié)合MERSI的再定標(biāo)處理，擬深入開(kāi)展數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題診斷分析，在冷空數(shù)據(jù)污染、非線性分析的基礎(chǔ)上，為輻射定標(biāo)質(zhì)量的多側(cè)面評(píng)估反饋提供支持。