基于多遙感器的GF4交叉輻射定標

田傳陽 謝勇 宦海 邵雯

摘? 要： 在定量遙感的分析與應用中，輻射定標是基礎。文中以敦煌輻射校正場為實驗場地開展GF1，MODIS，LandSat8與GF4可見光及近紅外的交叉定標，中波紅外波段采用基于Atmospheric Infrared Sounder（AIRS）的中波紅外交叉定標。通過對4個遙感器的可見光及近紅外波段的匹配以及GF4與AIRS中波紅外波段的匹配，選取遙感器相互匹配的波段。對衛(wèi)星拍攝的同時對相同區(qū)域的影像開展交叉定標，結果表明，可見光及近紅外交叉定標獲得的定標系數(shù)誤差均在5%以內(nèi)，中波紅外交叉輻射定標的定標系數(shù)誤差在8%以內(nèi)。通過GF4可見光及近紅外、中波紅外的定標系數(shù)誤差，表明GF4的定標精度相對較高，滿足遙感定量的需求。

關鍵詞： 交叉定標; 輻射定標; 遙感圖像; 遙感器; 波段匹配; 定標精度

中圖分類號： TN215?34; TP79? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）10?0001?05

GF4 cross radiometric calibration based on multiple remote sensors

TIAN Chuanyang1， XIE Yong2，3， HUAN Hai1， SHAO Wen1

（1. School of Electronic & Information Engineering， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China;

2. School of Geography & Science， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China;

3. Nanjing Research Center， National Engineering Laboratory for Remote Sensing Satellite Applications， Nanjing 210044， China）

Abstract： The radiometric calibration is the basis for the analysis and application of quantitative remote sensing. The GF4 cross calibration in near infrared and visible light wavebands are carried out in the Dunhuang radiometric calibration field， in which GF1， moderate?resolution imaging spectroradiometer （MODIS） and LandSat8 are taken as the reference satellites， and the mid?wave infrared cross calibration in the mid?wave infrared waveband is based on atmospheric infrared sounder （AIRS）. The matching wavebands of the remote sensors are selected by matching the visible light and near?infrared wavebands of the four remote sensors， and the mid?wave infrared wavebands of GF4 and AIRS. The cross?calibration of the image taken by the satellites in the same time and area is carried out. The results show that the calibration coefficient errors obtained by cross?calibration of visible light and near?infrared wavebands are all within 5%， and the cross radiometric calibration of mid?wave infrared wavebands is within 8%. The calibration coefficient errors of GF4 at visible light， near infrared and mid?wave infrared wavebands indicate that the calibration accuracy of GF4 is relatively high， which can meet the requirements of remote sensing quantification.

Keywords： cross calibration; radiometric calibration; remote sensing image; remote sensor; wavebands matching; calibration precision

“高分四號”（GF4）于2015年成功發(fā)射，經(jīng)過4次變軌到達預定軌道，于2016年6月開始投入使用[1]。GF4是“國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項”中唯一的一顆高軌遙感衛(wèi)星，軌道高度為36 000 km，具備全色、多光譜和中波紅外譜段成像的能力，搭載一臺可見光50 m分辨率、中波紅外400 m分辨率、幅寬400 km以上的凝視相機。該相機具有3種成像方式：凝視成像、區(qū)域成像、巡查成像[2]，與此同時，GF4具有長期駐留固定區(qū)域的能力。利用GF4這一特性和快速指向調(diào)整的優(yōu)勢，可快速對我國及周邊地區(qū)的觀測任務進行響應，實現(xiàn)高時間分辨率和較高空間分辨率的結合。目前GF4主要應用于減災、林業(yè)、地震、氣象、火災等方面，并可為海洋、國土、水利等方面提供遙感數(shù)據(jù)[3]。

截至目前，GF4在軌運行已有4年之久。衛(wèi)星上搭載的光學器件隨著在軌運行時間的推移以及太空環(huán)境的變化，光學元件逐漸老化[4?5]，譜段的輻射特性發(fā)生改變，發(fā)射前實驗室定標的結果已不能反映此時GF4光學器件的輻射特性。而且星上搭載定標黑體的光路結構差異、性能穩(wěn)定性下降以及性能變化監(jiān)測手段的匱乏等造成了星上定標結果精度受限和時間有效性的縮短，這些都導致輻射性能發(fā)生變化[6]。通過交叉定標可以隨時對傳感器進行性能監(jiān)測，進而根據(jù)監(jiān)測結果進行調(diào)整與改進，從而減少誤差對定標的影響。

當前國際上在軌輻射定標主要有場地定標[7]、星上定標[8]和交叉定標[9]等3種方法，官方通常以場地定標法為基準，獲取場地輻射定標系數(shù)。但由于場地定標的影響因素較多，費時費力，國外通常1年只進行兩次場地定標實驗，國內(nèi)為一次。場地定標的次數(shù)有限，無法動態(tài)地監(jiān)測傳感器的輻射性能變化[10]。交叉定標是使用高輻射精度的衛(wèi)星來校準輻射精度較低的衛(wèi)星，是目前檢查與驗證傳感器測量精度和穩(wěn)定性的有效方法。現(xiàn)階段GF4每年只開展一次場地定標，不能動態(tài)地監(jiān)測傳感器的輻射特性。而采用交叉輻射定標可以及時了解衛(wèi)星傳感器的性能變化情況，有助于提高定標精度。本文選取我國的GF1以及國外的MODIS（Moderate?resolution Imaging Spectroradiometer），LandSat8，AIRS[11]作為參考衛(wèi)星，開展與GF4的交叉定標。通過多顆高精度衛(wèi)星對GF4進行交叉輻射定標，綜合對比多顆衛(wèi)星的定標結果，全面了解GF4運行的輻射特性。

1? 基本原理

1.1? 交叉輻射定標方法

交叉輻射定標是一種定標方法，該方法是以精度較高的衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星，以同時或近同時的相同影像區(qū)域為基準，進行傳感器間的光譜通道匹配，建立參考傳感器與待定標傳感器之間的線性關系，通過線性定標系數(shù)，實現(xiàn)交叉輻射定標。

交叉輻射定標流程如圖1所示。

交叉定標方法只需要通過影像數(shù)據(jù)即可完成定標，不需要實地觀測數(shù)據(jù)，提高了定標頻率，減少了人力物力的損耗，是目前較方便的定標方法。而且該方法還可用于對過去影像的定標，了解傳感器定標隨時間的變化。GF1，GF4，MODIS，LandSat8衛(wèi)星各波段對比如表1所示。

在進行交叉定標時，MODIS和LandSat8的表觀輻射亮度公式為：

[RiMLGF1=Wigain（DNiMLGF1-Bioffset）] （1）

式中：[RiMLGF1]是MODIS，LandSat8，GF1衛(wèi)星影像的第i波段的表觀輻射亮度;[Wigain]是第i波段的增益系數(shù);[Bioffset]是第i波段的偏移量;[DNiMLGF1]是第i波段的數(shù)字計數(shù)值（MODIS的可見近紅外波段是1，2，3，4，LandSat8是波段2，3，4，5）。再根據(jù)GF4的DN（Digital Number）建立一元線性擬合，獲取定標系數(shù)，方程為：

[RjMLGF1=gainj·DNjGF4-offsetj] （2）

式中：[gainj]是第j波段的增益系數(shù);offsetj是第j波段的偏移量;[DNjGF4]是GF4第j波段的數(shù)字計數(shù)值，j=1，2，3，4。

在進行中波紅外定標時，由于GF4中波紅外波段帶寬較寬，與GF4相匹配的AIRS有234個波段，其中有效波段有222個。本文根據(jù)GF4的中心波長為3.80 ?m，選取AIRS在3.80 ?m附近的3個波段，根據(jù)3個波段與GF4光譜響應函數(shù)的交點分別計算對應的權重，以及將3個波段擬合成1個波段與GF4進行交叉輻射定標。

權重計算公式為：

[bx=yxy1+y2+y3，? x=1，2，3] （3）

式中：x表示波段;[bx]表示第x波段的權重;y表示對應的3個光譜響應函數(shù)的交點值。

擬合輻亮度計算公式為：

[Rfitting=x=13bx·rx] （4）

式中：[Rfitting]表示三波段擬合計算的輻亮度值;[bx]表示第x波段的權重;rx表示第x波段的輻亮度值。

1.2? 研究區(qū)域

本文選取敦煌輻射校正場（93°42′56″E～95°3′35″E，39°34′8″N～40°38′28″N）作為可見光及近紅外定標場地[4]。作為我國國家級輻射校正場，敦煌地處甘肅，明顯的特點是氣候干燥、降雨量少、蒸發(fā)量大、晝夜溫差大。敦煌區(qū)域地表均勻，生物多樣性較少，輻射特性較為穩(wěn)定不易變化，適合進行絕對輻射定標。中波紅外定標場選取的是河北的草場和福建的沙灘等地，都具有區(qū)域輻射特性均勻穩(wěn)定的特性，適合開展定標研究。

1.3? 參考衛(wèi)星的選擇

本文選取國外的MODIS和LandSat8衛(wèi)星作為可見光及近紅外波段的參考衛(wèi)星。在Terra和Aqua衛(wèi)星上都有搭載MODIS相機，有36個波段，光譜范圍較寬[12]，單波段帶寬較窄，且具有星上定標的能力，誤差在2%左右;LandSat8衛(wèi)星的定標精度為5%左右，精度較高，選取作為參考遙感器。AIRS是國際上第一個真正意義上的星載高光譜紅外大氣探測儀器。其光譜分辨率優(yōu)于1 200 m，輻射測量精度優(yōu)于0.2 K，使星載大氣探測儀探測能力滿足當前精度水平，適合作為參考衛(wèi)星[13]。GF1衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)通過多種參考目標法實現(xiàn)寬動態(tài)定標，定標精度相對較高，精度為5%，也被選作為參考衛(wèi)星[14]，進行國內(nèi)衛(wèi)星之間的交叉定標。

1.4? 數(shù)據(jù)的選取

在開展交叉輻射定標之前，根據(jù)可見光及近紅外波段選擇GF1，GF4，MODIS，LandSat8四個衛(wèi)星的有效影像對，根據(jù)中波紅外波段選擇GF4與AIRS匹配的影像對。其中數(shù)據(jù)選取有以下幾個條件：相同區(qū)域的時間差要控制在1 h以內(nèi)，時間差過長將會導致區(qū)域氣候發(fā)生變化以及光譜特性改變，對定標產(chǎn)生影響;要求區(qū)域上方無云，云會對光的傳輸產(chǎn)生影響而且云在短時間內(nèi)可能會發(fā)生劇烈變化;盡量選取影像的中心區(qū)域[15]。

1.5? 光譜響應函數(shù)匹配

本文針對GF4的可見光及近紅外通道與GF1，MODIS，LandSat8進行光譜匹配，光譜匹配的關鍵環(huán)節(jié)是選擇與GF4衛(wèi)星相機的4個多光譜波段相匹配的GF1，MODIS和LandSat8衛(wèi)星波段。

從圖3四顆衛(wèi)星的光譜響應曲線可以看出，GF1和GF4前3個波段和MODIS，LandSat8的波段匹配比較好，第4波段匹配相對有所偏移，但是GF1和GF4的波段匹配的很好。同時也可以看出，MODIS與LandSat8的波段相對匹配較好[16]，帶寬相對國產(chǎn)衛(wèi)星的較窄。

而GF4中波紅外通道與AIRS進行波段匹配時，由圖3可知在GF4中波紅外通道范圍內(nèi)，AIRS有234個波段（12個波段損壞）。由于匹配通道較多，本文選取GF4中心波長處的3個波段。

1.6? 數(shù)據(jù)的處理

由于GF4/PMS的分辨率為50 m，MODIS的分辨率為250 m，LandSat8的空間分辨率為30 m，GF1的分辨率為16 m，因此需要統(tǒng)一4個傳感器的空間分辨率。通過3次內(nèi)插方法把GF4，GF1，MODIS，LandSat8空間分辨率統(tǒng)一降為250 m。在進行中波紅外定標時將GF4空間分辨率降為1 000 m，在此基礎上與AIRS進行定標。本文采用SIFT算法進行GF4與MODIS，LandSat8，GF1以及AIRS的數(shù)據(jù)匹配，通過該算法選取極值點（具有極強的局部穩(wěn)定性的點）作為影像對的同名點。

2? 實驗結果

依據(jù)式（1）、式（2）計算出GF1，MODIS，LandSat8，AIRS的輻亮度值以及傳感器相應的增益和偏移量。圖4～圖6是GF4衛(wèi)星和MODIS，LandSat8，GF1的交叉輻射定標擬合圖。圖中，x軸表示GF4的DN值，y軸表示MODIS、LandSat8、GF1的表觀輻射亮度值，擬合系數(shù)及誤差如表2所示。

定標 增益 誤差 /% 增益 誤差 /% 增益 誤差 /% Band2 0.174 9 0.170 5 2.50 0.177 5 1.49 0.180 5 3.20 Band3 0.190 3 0.182 3 4.20 0.192 2 0.99 0.187 2 1.63 Band4 0.153 2 0.148 6 3.00 0.157 4 2.74 0.160 2 4.57 Band5 0.107 3 0.103 4 3.58 0.110 3 2.80 0.105 7 1.52 ]

圖7是GF4與AIRS在河北等地的交叉輻射定標結果。在圖7中，x軸表示GF4 DN值，y軸表示三波段的擬合輻亮度值。從表2中可以看出，通過GF4與MODIS，LandSat 8，GF1交叉定標結果，可以得到以下結論：

2） 比較GF4?MODIS，GF4?GF1和GF4?LandSat8交叉定標獲得的定標系數(shù)及誤差可知，以LandSat8為參考衛(wèi)星的可見光及近紅外的定標結果最好，且都在3%以內(nèi)。

3） 通過GF1衛(wèi)星對GF4衛(wèi)星進行定標，結果與官方定標系數(shù)相比誤差分別是3.2%，1.63%，4.57%，1.52%。并由圖6可以看出，GF4和GF1的光譜匹配效果比其他兩顆衛(wèi)星要好，且都是國產(chǎn)衛(wèi)星沒有跨時區(qū)的問題，適合開展我國自主同類衛(wèi)星遙感器間的交叉定標研究。

4） 從圖7可知GF4中波紅外波段的定標誤差分別為6.6%，1.3%，1.8%，7.8%，表明GF4中波紅外波段的精度是比較高的。

3? 結? 論

通過對GF4可見光及近紅外、中波紅外波段的交叉輻射定標研究，結果表明GF4的輻射定標精度是比較高的。無論是可見光及近紅外波段還是中波紅外波段，定標精度都滿足定量遙感的需求。同時，通過GF1對GF4的定標結果來看，GF1的定標精度在5%以內(nèi)，而且GF1與GF4波段匹配較好，且在相同的時區(qū)，適合開展我國自主同類衛(wèi)星遙感器間的交叉定標研究。目前為止，針對GF4與AIRS的中波紅外定標研究還有許多不足，本文只是對AIRS的222個匹配波段中的3個波段，做了一個擬合定標，并未對所有匹配波段進行細致的研究，接下來將會對AIRS的222個有效波段進行總體的分析與研究。

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