基于洋面目標模擬的衛(wèi)星反射波段觀測質量分析初探?

孫 凌, 高 磊, 馬艷紅, 曹丹陽

(1. 中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射定標與真實性檢驗重點實驗室，北京100081；2. 國家衛(wèi)星氣象中心，北京100081； 3. 北方工業(yè)大學，北京 100144)

衛(wèi)星遙感在大尺度環(huán)境監(jiān)測、全球和氣候變化研究中占有重要地位。中國已經發(fā)射了氣象、海洋、陸地資源等多個系列遙感衛(wèi)星，隨著衛(wèi)星定量產品在全球變化、環(huán)境監(jiān)測、數值預報預測等領域中的應用日益深入，對我國自主衛(wèi)星觀測數據質量的要求也日益提升。為了提高衛(wèi)星數據的輻射精度和穩(wěn)定度，需要通過發(fā)射前測試，深入了解并刻畫遙感器的輻射響應特性，并進行在軌的輻射定標與檢驗監(jiān)測。

對于光學遙感器，在紅外發(fā)射波段，國內外都已經基于星上黑體實現了實時的絕對輻射定標，并依靠與高精度的高光譜遙感器的互定標，顯著提升了不同遙感器輻射觀測數據間的一致性。但是，反射太陽波段的問題依然比較多，國內外的差距顯著。在反射波段，遙感器在軌響應的時間變化顯著，特別是波長小于500 nm的短波部分[1-2]，同時遙感器的輻射特性復雜，具有偏振、入射角、溫度等敏感性[3-4]。

由于發(fā)射前測試有限、無可靠星上定標等原因，為保障衛(wèi)星遙感器太陽反射波段的在軌輻射觀測數據質量，需要采取替代方法進行遙感器在軌輻射特性和質量分析。目前，針對遙感器反射波段的定標分析多集中在輻射響應的時變特征上[5-9]。通過對沙漠、冰川、深對流云、月球等多種穩(wěn)定目標的高頻次跟蹤可以獲得遙感器輻射響應的時間變化特性，但是，無法獲得角度和偏振等響應特性。以國外高精度遙感器為輻射參考，基于同時星下點數據比對，可完成相近波段的輻射精度評估[10-11]。由于極軌衛(wèi)星間的交點數據多集中在兩極地區(qū)，加之對星下點附近觀測數據的限定，評估結果存在空間代表性不足的缺陷。

通過在軌定標檢驗分析發(fā)現，衛(wèi)星數據在空間分布、掃描、偏振依賴等方面的質量問題對于建立和完善精細化的在軌輻射定標，提高在軌定標精度和穩(wěn)定度是十分重要的。

地球觀測模擬是進行遙感器指標設計、遙感算法研制、在軌定標檢驗的重要手段。海洋覆蓋了地球表面約71%，其中75%以上的區(qū)域為貧瘠水體。深海水體(水深> 1 000 m)和貧瘠水體(葉綠素a濃度< 0.1 mg/m3)的離水輻亮度對于大氣頂輻射的貢獻藍光(443 nm)約為14%和17%，綠光(551 nm)約為8%和7%，更長波長的貢獻更小[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)境清潔性和時空穩(wěn)定性，有利于較可靠的模擬遙感器的入瞳觀測。

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衛(wèi)星觀測模擬，以及基于雙差分析的太陽反射波段衛(wèi)星觀測質量分析方法，針對Aqua MODIS 和FY-3B MERSI 的可見光波段，實現了全球深海晴空目標的衛(wèi)星入瞳反射率模擬，獲得了相對于全球洋面目標觀測模擬的FY-3 BMERSI輻射偏差，以及相對于Aqua MODIS的偏差特征。

1 遙感器簡介

氣象衛(wèi)星作為中國發(fā)展時間最長的民用衛(wèi)星，是能夠提供長時間序列、全球觀測的重要天基觀測載體。第二代極軌氣象衛(wèi)星風云三號(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年以來的全球觀測資料。

中分辨率光譜成像儀(MERSI)是FY-3上搭載的關鍵光學成像載荷，與MODIS類似，可用于陸地、海洋和大氣等方面的應用研究。MERSI采用45°掃描鏡和消旋K鏡實現跨軌多探元并掃，星下點空間分辨率為250 m(每個波段40個探元)和1 000 m(每個波段10個探元)，可在星下點±55°的視場內進行對地觀測，每次掃描區(qū)域約2 900 km(跨軌)×10 km(沿軌，星下點)，提供每天一次的全球覆蓋。MERSI具有多個反射太陽波段，覆蓋了412～2 130 nm的光譜范圍，具體設計指標參見表1(根據FY-3B MERSI)。

在每個掃描周期內MERSI完成對深冷空間(Space View，SV)、地球目標(Earth View，EV)、星上定標器和星上黑體的觀測。由于采用多探元掃描，探元間的差異導致原始數據圖像存在掃描方向的條帶。在反射波段，通過星上實時校正(基于發(fā)射前的線性校正系數)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上，采用線性定標方程完成輻射定標(輻射定標系數由替代方法確定)，獲得大氣頂反射率。表2列出了研究中采用的Aqua MODIS反射波段的主要設計指標。

表1 FY-3B MERSI反射波段主要指標

表2 Aqua MODIS反射波段主要指標

2 計算與分析方法

2.1 大氣頂觀測模擬

通過以下方案針對全球深海區(qū)域進行晴空大氣頂輻射模擬仿真：

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

(2) 衛(wèi)星數據提?。翰捎? km分辨率的L1B產品，為了降低計算的數據量，在行和列方向進行間隔5點的抽樣，采用3×3窗口像元均值進行計算。利用865 nm波段的反射率，以及波段的方差系數進行云和其他干擾的濾除；借鑒洋面云檢測時耀斑角的取值(36°)[13]，為盡可能避免太陽耀斑的影響，計算時耀斑角需大于40°。

(3) 環(huán)境數據：主要采用衛(wèi)星觀測產品，考慮到多天合成產品可以消除掃描幾何的影響，表面和大氣特性參數選用月平均產品。水體上行輻射數據采用Aqua MODIS 的遙感反射比產品(波段1、3、4，8-14)，基于中心波長信息，通過樣條插值方式獲得MERSI波段對應的遙感反射比；氣溶膠光學厚度數據采用Aqua MODIS的氣溶膠產品,氣溶膠模型采用海洋型；風場、氣壓、水汽含量等數據采用NCEP再分析產品。

(4)輻射傳輸計算：采用輻射傳輸模型6SV[14]，基于觀測幾何、遙感器光譜響應函數、表面和大氣特性參數等，計算晴空目標區(qū)的大氣頂反射率。

2.2 輻射偏差分析

對每組遙感器觀測值和模式模擬值，定義相對于模擬值的觀測偏差與相對偏差：

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是遙感器觀測值。

對于MERSI和MODIS中心波長相近的波段對，以Aqua MODIS為參考，引入大氣頂輻射的模式模擬值作為中介，通過雙差方式定義待評估遙感器MERSI相對于參考儀器MODIS的觀測偏差ΔDif，以及MERSI相對于MODIS的相對偏差ΔPDif[2]：

(3)

(4)

由于將大氣頂輻射的模式模擬值作為中介，通過雙差方式可以削弱輻射傳輸計算固有誤差的影響；若遙感器的觀測偏差Dif與觀測幾何不相關，雙差方式也將削弱將參考遙感器和待評估遙感器觀測結果進行直接比較時所存在的觀測幾何不一致的影響。

FY-3B和Aqua的赤道升交點均為當地時13:30。進行一天內的雙差計算時，觀測間差通常在1 h以內，暫不對觀測時間差進行限制。具體的匹配波段見表3。

表3 雙差分析匹配波段

3 結果與討論

以定標良好的傳感器Aqua MODIS的觀測值作為大氣頂輻射“真值”，可以評估大氣頂輻射觀測模擬的效果。采用MODIS v6版的L1B數據，對波段1、3、4、8、9、10、11和12進行了分析。

輻射傳輸正演模擬能力在大天頂角和高氣溶膠含量時的不確定度較大，因此，在進行數據分析時對天頂角和氣溶膠光學厚度進行了限定，太陽和衛(wèi)星天頂角需小于70°，這會損失部分掃描邊緣的數據；550 nm氣溶膠光學厚度需小于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日觀測反射率、模擬反射率以及兩者偏差的全球分布圖。由圖可見，觀測模擬可以很好的復現實際觀測的空間分布特征。平均來看，對地掃描時，由于大氣后向散射效應，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(自西向東)。對觀測與模擬輻射值的線性相關分析則表明兩者具有良好的一致性(見圖3),圖中紅線為線性回歸擬合結果，各波段回歸分析的參數列于表4。系數a,b分別是線性回歸方程的斜率和截矩項(y=ax+b)，R是相關系數，mRsim和mRmea分別為模擬與觀測值的均值，mDif和mPDif分別為觀測與模擬值的偏差和相對偏差的均值。可以看出，相關系數隨著波長的增大而減小，在藍波段均高于0.97；模擬值通常較觀測值略偏低。紅光波段1的模擬效果相對最差，高值區(qū)的模擬結果偏低明顯，導致擬合斜率最小，截距為正值。

圖1 Aqua MODIS波段3 (469 nm)模擬(Rsim)與觀測(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MERSI的波段1、2、3、8、9、10、11和12進行了分析。MERSI沒有可靠的反射波段星上定標，其業(yè)務產品采用替代的定標方案，由于定標參數更新不及時和定標輻射基準采用等問題導致產品存在一定的輻射偏差?；谟^測模擬開展MERSI在空間方面的偏差特性分析時，為避免MERSI輻射觀測系統性偏差的影響，對業(yè)務產品的定標截距進行了微調，使得星下點對應的觀測偏差均值與MODIS的相當。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為觀測與模擬的散點圖。各波段回歸分析的參數列于表5。與MODIS的結果類似，觀測與模擬輻射值的相關系數隨著波長的增大而減小，藍波段的相關系數均高于0.97。但是，MERSI觀測與模擬的擬合斜率相對于相近波段的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觀測與模擬反射率的線性回歸和偏差統計結果

圖4 FY-3B MERSI波段1(470 nm)模擬(Rsim)與觀測(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觀測與模擬的偏差(Dif)分布

圖6 MERSI波段1觀測與模擬大氣頂反射率散點圖

為了進一步分析偏差隨掃描方向的變化特征，分別將MODIS和MERSI的觀測與模擬的偏差針對不同的對地掃描角進行了統計。圖7以藍、綠波段為例給出了MODIS和MERSI隨著掃描角變化的Dif均值曲線。可以看出，MERSI和MODIS類似，觀測與模擬的偏差在星下點的兩側不同，起始側(掃描角為負)的偏差較結束側(掃描角為正)的偏低；在星下點附近±20°的掃描范圍內，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，相同掃描角對應的實際太陽/衛(wèi)星觀測幾何有差異(主要在掃描的起止邊緣位置)，兩者的觀測幾何在統計意義上是接近的。同時，由于MERSI采用45°掃描鏡，掃描時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的特征應主要來自于儀器偏振響應的影響。已有研究表明，偏振影響的輻射校正系數(pc=Refmea/Reftrue，Reftrue為校正值) 通常在掃描結束側大于1，而在掃描起始側小于1[1,16]。這種校正趨勢與圖7所反映的不同掃描側的誤差特征相互補，通過校正可以使得偏差對掃描角的依賴性降低。

表5 MERSI觀測與模擬反射率的線性回歸和偏差統計結果

圖7 MODIS與MERSI觀測與模擬的偏差(Dif)隨掃描角的變化

鑒于輻射傳輸模式模擬結果存在不確定性，因此采用雙差方式查看MERSI相對于MODIS的偏差。圖8給出了基于洋面目標輻射觀測模擬的MERSI波段1、2、3和9與MODIS對應波段的雙差分布ΔPDif。圖中明顯呈現了與掃描相關的空間分布特征。基于數據分析發(fā)現，ΔPDif的正負與兩者掃描角的一致性有關。與圖7所反映的現象一致，當MERSI和MODIS的掃描處于不同方向時，如MERSI掃描角為負，MODIS掃描角為正，則ΔPDif偏負；如MERSI掃描角為正，MODIS掃描角為負，則ΔPDif偏正。因此，只選取±20°掃描角范圍內的數據進行雙差統計，結果如圖9所示。以輻射傳輸模擬作為橋梁，晴空洋面觀測時，FY-3B MERSI可見光波段的輻射觀測值與Aqua MODIS的相對偏差(ΔPDif)均值可在5%以內。

圖8 MERSI波段1、2、3和9與MODIS對應波段的雙差(ΔPDif)空間分布圖

圖9 MERSI與MODIS對應波段的雙差(ΔPDif)均值

4 結語

基于快速輻射傳輸模式，大洋區(qū)作為相對穩(wěn)定、均勻的大面積目標，已被成功用于微波和熱紅外波段的衛(wèi)星數據質量診斷監(jiān)測，促進了衛(wèi)星數據質量的提升。反射波段由于快速輻射傳輸模式的發(fā)展問題，同類應用相對滯后。本文提出了一種基于全球洋面目標觀測模擬的遙感器反射波段觀測質量分析方法，并針對FY-3B MERSI和Aqua MODIS進行了初步應用，可針對輻射低端目標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雜散干擾等原因的影響，觀測模擬值有系統性低估的趨勢，通過與參考儀器MODIS的偏差特征進行對比分析，發(fā)現MERSI存在與對地掃描角相關的誤差特征，主要由儀器響應的偏振影響所致。以全球深海區(qū)域晴空入瞳觀測模擬為輻射參考，基于大樣本統計，可完成基于目標觀測模擬的輻射質量比對評估，考慮到觀測模擬可能存在的誤差，進一步引入參考儀器，以模式觀測模擬為橋梁，基于雙差分析可獲得相對于參考儀器的誤差分布(需對掃描角進行限定)。雖然基于輻射傳輸的觀測模擬存在不確定性，但是相對于傳統的定標檢驗方法，該方法可以提供具有足夠時空覆蓋的分析樣本，用以分析輻射偏差的分布特征，發(fā)現衛(wèi)星數據在空間分布、掃描、偏振依賴等方面的質量缺陷，進而推進國產遙感器反射波段定標檢驗研究的精細化。

可靠的大氣頂輻射模擬是該方法的基礎。作為輸入的環(huán)境參數數據，如水體遙感反射比是可能的計算誤差源。水體遙感反射比是采用MODIS產品的10個波段，基于中心波長信息，通過樣條插值方式獲得MERSI波段對應值。對于計算的大部分波段，MERSI(波段1、2、3、8、9、10、13)和MODIS最臨近的中心波長差異較小(5 nm以內)，而MERSI 波段11(520 nm)和12(565 nm)，與MODIS最臨近的中心波長差異相對較大(約10 nm)。根據實測光譜和Wei & Li(2016)進行的全球水體分類結果，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，600～700 nm基本為單調遞減變化，因此水體光譜插值不會對結果帶來顯著影響，但仍需基于實測光譜和波段光譜響應函數進行量化評估。

數據質量的篩選控制是影響基于觀測模擬比對的數據質量分析的重要因素，包括對觀測和模擬結果的篩選。雖然文中利用觀測反射率和空間均勻性進行云污染的剔除，對水深、氣溶膠光學厚度、天頂角、耀斑角等參數進行了限定，但是對氣溶膠類型、水體光譜等影響輻射傳輸計算的因素尚未作具體約束，后續(xù)擬引入氣溶膠波長指數、葉綠素濃度等作為補充約束條件，細化質控篩選，進一步提高結果的可靠性。同時，結合MERSI的再定標處理，擬深入開展數據質量問題診斷分析，在冷空數據污染、非線性分析的基礎上，為輻射定標質量的多側面評估反饋提供支持。