“高分一號”寬幅多光譜相機時間序列定標(biāo)

邵雯 謝勇 宦海 田傳陽

摘? 要： 在軌運行的傳感器輻射性能由于受到元部件老化、外太空輻射等因素的影響會發(fā)生變化，通過傳感器在軌定標(biāo)可以對傳感器的輻射性能進行監(jiān)測。時間序列是衡量衛(wèi)星傳感器在軌運行期間輻射性能變化的重要依據(jù)。該研究通過交叉定標(biāo)法對“高分一號”（GF1）衛(wèi)星的多光譜寬視場成像儀（WFV）開展時間序列定標(biāo)，采用MODIS作為參考衛(wèi)星，計算GF1/WFV4相機2013—2018年間的定標(biāo)系數(shù)，將定標(biāo)系數(shù)同官方定標(biāo)系數(shù)相比較，并用歸一化法計算相對增益偏差。結(jié)果表明，GF1/WFV4相機的每個波段平均相對增益偏差分別為4.18%，4.87%，4.89%和4.46%，基于交叉定標(biāo)方法獲得的定標(biāo)系數(shù)與官方公布的定標(biāo)系數(shù)具有較好的一致性，可以實現(xiàn)對GF1衛(wèi)星在軌期間輻射特性變化趨勢的監(jiān)測。

關(guān)鍵詞： 時間序列定標(biāo); GF1; 光譜相機; 交叉定標(biāo); 輻射性能監(jiān)測; 結(jié)果分析

中圖分類號： TN820.1?34; TP79? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）10?0033?05

Time?series calibration for WFV multispectral camera of GF1

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

（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 radiation performance of the sensors operating in orbit will change due to the influence of components′ aging， outer space radiation and other factors， which can be monitored by in?orbit calibration of sensors. The time?series is an important basis for measuring the radioation performance changes of satellite sensors during their in?orbit operation. The time?series calibration for the multispectral WFV （wide field of view） imager of the GF1 （Gaofen?1） satellite is performed by means of the cross?calibration method. The MODIS is taken as the reference satellite when the calibration coefficients of the GF1/WFV4 camera from the year of 2013 to 2018 are calculated. The calculated calibration coefficients are compared with the official calibration coefficients， and the relative gain deviation is calculated by means of the normalization method. The results show that the average relative gain deviations of four wavebands of GF1/WFV4 camera are： 4.18%， 4.87%， 4.89% and 4.46% respectively. The calibration coefficient obtained based on the cross?calibration method is in good agreement with the official calibration coefficient， which can realize the monitoring of the variation trend of the radiation characteristics of the GF1 satellite during its in?orbit operation.

Keywords： time?series calibration; GF1; multispectral camera; cross calibration; radiation performance detection; result analysis

0? 引? 言

“高分一號”（GF1）衛(wèi)星是我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)的首發(fā)星，該衛(wèi)星搭載了2臺2 m分辨率全色/8 m分辨率多光譜相機（WFV）和1臺16 m多光譜相機（PMS）[1]。2臺PMS相機組合幅寬為60 km，4臺WFV相機組合幅寬[2]為800 km。在不側(cè)擺的情況下，WFV相機覆蓋周期為4天，PMS相機覆蓋周期為41天，實現(xiàn)了高空間分辨率和高時間分辨率的完美結(jié)合[3]，廣泛應(yīng)用于公安執(zhí)法、災(zāi)害環(huán)保、漂物監(jiān)察和國際救災(zāi)等[4]。

GF1衛(wèi)星距今發(fā)射已有6年，由于長時間受到平臺震動、零部件松動以及外太空輻射等影響[5]，導(dǎo)致GF1的輻射性能發(fā)生衰減，通過在軌定標(biāo)可以及時追蹤GF1在軌傳感器的輻射性能，進而調(diào)整與改進輻射定標(biāo)算法，消減可見光輻射傳輸過程的影響，為提高遙感數(shù)據(jù)分析的穩(wěn)定性提供支持[6]。

在國內(nèi)，官方通常采用場地定標(biāo)方法獲得傳感器在軌絕對輻射定標(biāo)系數(shù)，由于場地定標(biāo)需要大量的同步數(shù)據(jù)測量，每次測量都需要投入大量的時間，受場地和天氣條件的限制，定標(biāo)成本大，提供的數(shù)據(jù)有限，無法及時發(fā)現(xiàn)傳感器自身的衰減且無法對場地定標(biāo)的結(jié)果進行有效的驗證[7]。國內(nèi)開展時間序列定標(biāo)的研究較晚，目前已有的研究成果中，高海亮等使用沙漠場景法、穩(wěn)定目標(biāo)法和交叉定標(biāo)法對CBERS02B星的CCD相機開展時間序列定標(biāo)，并比較了三種方法的優(yōu)缺點[8];周珂等開展了光譜匹配因子對GF1/WFV時間序列交叉定標(biāo)的影響分析[9]。因此，對衛(wèi)星的時間序列定標(biāo)，不僅可以發(fā)現(xiàn)傳感器自身的穩(wěn)定性和衰減變化，及時地反饋給地面和制造部門，還可以提高中國高分辨率衛(wèi)星遙感的應(yīng)用水平，以及國內(nèi)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在許多領(lǐng)域的應(yīng)用效果。因此對衛(wèi)星做時間序列定標(biāo)具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值[10]。

因此參考借鑒團隊里韓杰、謝勇的GF1衛(wèi)星WFV影像交叉輻射定標(biāo)，根據(jù)我國“高分一號”寬幅多光譜相機的特點，針對GF1衛(wèi)星寬幅多光譜相機做時間序列定標(biāo)進行研究，以中分辨率成像光譜儀（MODIS）作為參考，基于我國首個國家輻射校正場及周邊均勻目標(biāo)為匹配樣區(qū)，通過交叉定標(biāo)方法得到GF1衛(wèi)星寬幅多光譜相機的定標(biāo)系數(shù)，進一步獲得GF1衛(wèi)星寬幅多光譜相機2013—2018年時間序列定標(biāo)結(jié)果，為今后開展相關(guān)衛(wèi)星的穩(wěn)定性分析提供參考。

1? 遙感器介紹

“高分一號”寬幅相機（WFV）單個影像的幅寬只有200 km，回歸周期時間比較長，如果選取同樣幅寬比較窄的LandSat衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星，能夠獲得的匹配影像對比較少[11]，無法有效地開展輻射性能穩(wěn)定性的分析。MODIS影像幅寬比較大，每日可以獲取一幅全球的影像，可以獲得比較多的同步影像對，從而開展衛(wèi)星輻射穩(wěn)定性的分析[12]。因此本文選取MODIS作為交叉定標(biāo)的參考衛(wèi)星，光譜響應(yīng)函數(shù)如圖1所示。

2? 定標(biāo)原理

交叉定標(biāo)方法是利用精度較高的MODIS衛(wèi)星傳感器作為參考，需要進行MODIS與GF1/WFV4對應(yīng)通道的光譜匹配、時間匹配、空間匹配以及觀測幾何匹配[13]。

本文利用MODIS大氣產(chǎn)品替代場地定標(biāo)的實測數(shù)據(jù)，選取2個傳感器同時或近同時區(qū)域成像的影像對消除時間差異[14]，選取敦煌輻射校正場，因為敦煌輻射校正場具有地勢平坦、地表特性穩(wěn)定等優(yōu)勢，可以消除空間差異，利用輻射模型將不同像元進行歸一化處理，消除觀測幾何匹配[15]。首先計算參考衛(wèi)星MODIS的表觀輻亮度，公式為：

[LiM=airad_gain·（DNiM+birad_offset）] （1）

式中：[LiM]是MODIS衛(wèi)星影像第i波段的表觀輻射亮度;[airad_gain]是第i波段的增益系數(shù);[birad_offset]是第i波段的偏移量;[DNiM]是第i波段的計數(shù)值。

接著建立參考傳感器入瞳輻亮度與目標(biāo)傳感器計數(shù)值之間的關(guān)系，公式為：

[LiM=aj·DNjGF1+bj] （2）

式中：[aj]是第j波段的增益系數(shù);[bj]是第j波段的偏移量;[DNjGF1]是第j波段的計數(shù)值。最后根據(jù)定標(biāo)增益相對誤差分析GF1在軌運行的輻射性能，公式為：

[Realative_errori=（Gaini-Gainre）Gainre·100%] （3）

式中：[Gainre]是參考值;i是衛(wèi)星影像按時間排列總個數(shù)中的第i幅影像;Gaini是第i幅影像對的增益;Relative_errori是第i幅匹配影像對的相對誤差增益。本文中所用官方定標(biāo)系數(shù)是由中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心發(fā)布的官方定標(biāo)系數(shù)。

該方法的優(yōu)勢在于：采用MODIS大氣產(chǎn)品數(shù)據(jù)代替場地實測數(shù)據(jù)，降低了場地定標(biāo)的測量成本;通過時間序列定標(biāo)可以實現(xiàn)對GF1在軌輻射性能的實施監(jiān)測和校正;高頻次定標(biāo)驗證了交叉定標(biāo)方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

3? 結(jié)果與分析

3.1? 單景輻射定標(biāo)結(jié)果

根據(jù)式（1）和式（2）計算MODIS的輻射亮度值和GF1/WFV4相機的DN值，并將GF1的DN值與MODIS的輻射亮度值進行一元線性擬合，獲得相應(yīng)的增益與偏移。圖2給出具體的擬合結(jié)果例子。其中GF1的影像獲取時間為2016?11?01 13：38：40，MODIS影像的成像時間為2016?11?01 05：55：00。因為GF1采用的是北京時間，MODIS采用的是UTC時間，所以實際時間間隔ΔT=17 min。在圖2中x軸表示GF1的DN值，y軸表示MODIS的輻射亮度值，擬合結(jié)果如圖2所示，擬合系數(shù)及誤差如表1所示。

由圖2的擬合曲線可以得到，GF1/WFV4相機4個波段的相關(guān)系數(shù)分別是：0.949 8，0.932 8，0.949 4，0.951 3，將計算得到的定標(biāo)系數(shù)與官方定標(biāo)系數(shù)進行比較，從表1可以得到：4個波段的增益誤差分別是1.32%，0.93%，2.8%，3.75%，誤差最大的為第4波段，達(dá)到3.75%。所得結(jié)果與官方公布的定標(biāo)系數(shù)有較好的一致性，驗證了交叉定標(biāo)方法的準(zhǔn)確性。

通過分析，第4波段誤差達(dá)到3.75%的原因可能是：

1） 在進行光譜匹配時，第4波段的MODIS與GF1/WFV4光譜匹配差異較大;

2） 在GF1/WFV4與MODIS幾何校正時，進行3次插值算法，仍存在空間的差異性;

3） 單次定標(biāo)具有偶然性。

3.2? 時間序列定標(biāo)結(jié)果

本文獲取2013—2018年的GF1/WFV4基于敦煌輻射校正場的所有有效影像，根據(jù)數(shù)據(jù)篩選條件得到衛(wèi)星發(fā)射后到2018年底的有效匹配影像對共有58組。忽略2個衛(wèi)星經(jīng)過場地時刻大氣和地表的變化，采用交叉定標(biāo)方法，對GF1/WFV4進行時間序列定標(biāo)，并與官方公布的定標(biāo)系數(shù)進行比較，如圖3所示，x軸為GF1衛(wèi)星發(fā)射的時間，y軸為GF1的增益。GF1/WFV4相機5年半內(nèi)的輻射性能整體趨于穩(wěn)定，從2017—2018年年底增益系數(shù)有一個緩慢的下降趨勢，但整體幅度不大，可能的原因有：

1） GF1衛(wèi)星距今發(fā)射已有6年，由于傳感器元部件長時間震動，導(dǎo)致傳感器的輻射性能發(fā)生衰減;

2） 長時間的外太空輻射對傳感器造成的影響等。

為了比較GF1/WFV4相機本身的相對增益誤差變化，根據(jù)式（3），本文選取在軌測試階段后的第一幅匹配影像的時間作為參考日，以參考日的增益作為參考值，對定標(biāo)結(jié)果進行歸一化處理，結(jié)果如圖4所示。

通過比較不同時間定標(biāo)結(jié)果歸一化的變化趨勢，可以看出“高分一號”寬幅多光譜各相機各波段的本身相對增益誤差的變化，計算得到的參數(shù)，前180天出現(xiàn)了明顯的波動。通過分析發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星在發(fā)射之后半年內(nèi)為在軌測試階段，相機在進行各項性能測試與微調(diào)整，參數(shù)的波動變化相對較大。所以為了保證時間序列的完整性及直觀性，本文主要針對衛(wèi)星發(fā)射180天之后的數(shù)據(jù)進行分析。GF1官方增益變化量和本研究增益變化量如表2所示。

從表2中可以得到WFV4相機的波段1的增益是上升的，上升了4.18%，其余波段都是下降趨勢。相比于官方定標(biāo)5年半的波動趨勢，本文選取定標(biāo)景數(shù)多，定標(biāo)結(jié)果更精準(zhǔn)，比官方一個點的時間序列更趨于穩(wěn)定。

本文通過對1年定標(biāo)系數(shù)的平均值、官方定標(biāo)時間段內(nèi)左右兩次定標(biāo)系數(shù)的平均值和官方定標(biāo)系數(shù)做比較，結(jié)果如表3所示，發(fā)現(xiàn)官方定標(biāo)時間段內(nèi)左右兩次定標(biāo)系數(shù)的平均值和官方定標(biāo)系數(shù)誤差更小。GF1相機各波段的定標(biāo)誤差均在5.5%以內(nèi)，說明了交叉定標(biāo)方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

4? 結(jié)? 論

GF1衛(wèi)星壽命為5～8年，至今已使用6年。本文是針對“高分一號”衛(wèi)星可見光譜段的穩(wěn)定性進行研究，忽略大氣傳輸環(huán)境、地表光譜特征等誤差，采用MODIS大氣產(chǎn)品代替場地定標(biāo)的實測數(shù)據(jù)，對GF1衛(wèi)星進行交叉定標(biāo)，獲取GF1/WFV4相機2013—2018年年底的絕對輻射定標(biāo)系數(shù)，計算各波段的增益相對偏差，與官方增益變化量進行定量比較。GF1/WFV4定標(biāo)誤差在5.5%以內(nèi)，驗證了交叉定標(biāo)的可靠性和穩(wěn)定性。計算得到的時間序列定標(biāo)系數(shù)與官方公布的定標(biāo)系數(shù)具有較好的一致性，滿足基本的遙感定量需求。

GF1/WFV4相機各波段輻射性能隨著平臺的震動，長時間外太空輻射等，均有衰減趨勢，平均相對增益偏差在5%以內(nèi)，但總體趨于穩(wěn)定。在本文研究的基礎(chǔ)上，后續(xù)會跟進對GF1衛(wèi)星影像時間序列定標(biāo)進行研究，分析相機的輻射穩(wěn)定性變化，及時地反饋給地面的研發(fā)中心，對后續(xù)高分系列衛(wèi)星的輻射性能監(jiān)測具有參考價值。

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