基于MODIS的HJ-1B熱紅外交叉輻射定標(biāo)與時(shí)間序列建立*

周方婷，馮 多，劉 鑫，謝 勇

（南京信息工程大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京210044）

HJ-1B是用于環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座的一顆衛(wèi)星，于2008年9月6日成功發(fā)射，搭載了一臺(tái)30m分辨率的CCD相機(jī)和150/300m分辨率的紅外相機(jī)（IRS）[1]，其獲得的影像數(shù)據(jù)主要應(yīng)用在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、減災(zāi)救災(zāi)、地表溫度探測(cè)等領(lǐng)域[2]。

隨著遙感與大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的快速提升，定量遙感應(yīng)用常需要用到歷史數(shù)據(jù)去構(gòu)建長(zhǎng)時(shí)間跨度的數(shù)據(jù)序列。但是中國衛(wèi)星的設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)行壽命一般都在5~8年，很難構(gòu)建單星長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)開展定量分析，因此必須使用已退役衛(wèi)星的歷史數(shù)據(jù)[3]。

本文針對(duì)HJ-1B衛(wèi)星熱紅外譜段，選擇國際上具有高輻射基準(zhǔn)的中分辨率成像光譜儀MODIS作為參考傳感器[4-5]，采用光線匹配法的單波段法開展交叉輻射定標(biāo)研究[6]，并在光線匹配法基礎(chǔ)上結(jié)合光譜間的差異性提出雙波段法，同時(shí)將兩種方法的定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行分別分析，建立時(shí)間序列，為今后開展相關(guān)衛(wèi)星的歷史數(shù)據(jù)研究提供參考。

1 交叉輻射定標(biāo)方法

交叉輻射定標(biāo)是選擇輻射精度較高的傳感器對(duì)輻射精度相對(duì)較低的傳感器進(jìn)行定標(biāo)，在不同傳感器的輸出之間通過光譜匹配和空間匹配建立關(guān)系，從而計(jì)算定標(biāo)系數(shù)[7]。本文選擇MODIS作為參考衛(wèi)星，采用基于光線匹配法的單波段法，經(jīng)過比較與分析參考傳感器與待定標(biāo)衛(wèi)星HJ-1B對(duì)同一個(gè)目標(biāo)區(qū)在同一時(shí)間的輻亮度，計(jì)算出待定標(biāo)衛(wèi)星的定標(biāo)系數(shù)[8]。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合光譜之間的差異性而提出了雙波段法，對(duì)兩種方法的定標(biāo)結(jié)果分別進(jìn)行了分析。

1.1 單波段法

選擇MODIS中與HJ-1B熱紅外譜段中心波長(zhǎng)最接近的波段作為參考波段，實(shí)現(xiàn)與HJ-1B熱紅外譜段的光譜匹配。在進(jìn)行交叉定標(biāo)時(shí)，MODIS的表觀輻射亮度由公式（1）計(jì)算所得：

其中，L是第i波段的表觀輻射亮度；m是第i波段的增益系數(shù)；n是第i波段的偏移量；DN是第i波段的數(shù)字計(jì)數(shù)值。再根據(jù)HJ-1B的數(shù)字計(jì)數(shù)值（DN）來進(jìn)行線性擬合，獲得兩組不同的擬合系數(shù)，擬合方程為公式（2）：

其中，aj是第j波段的增益系數(shù)；bj是第j波段的偏移量；DN是HJ-1B的紅外波段的數(shù)字計(jì)數(shù)值。

1.2 雙波段法

將MODIS傳感器中與HJ-1B熱紅外譜段中心波長(zhǎng)最接近的兩個(gè)波段作為參考波段，計(jì)算光譜匹配因子，實(shí)現(xiàn)多波段組合與HJ-1B熱紅外單譜段的光譜匹配。

在進(jìn)行雙波段交叉定標(biāo)時(shí)，用于定標(biāo)的表觀輻射亮度由公式（3）計(jì)算所得。其中，L是兩個(gè)波段的加權(quán)表觀輻射亮度；C1和C2是組合波段對(duì)應(yīng)的權(quán)重因子，MODIS單個(gè)波段與HJ-1B的紅外波段中心波長(zhǎng)差的絕對(duì)值根據(jù)公式（4）、（5）分別計(jì)算得出。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 參考衛(wèi)星和研究區(qū)域的選擇

本文選取定標(biāo)精度高的MODIS作為參考衛(wèi)星。MODIS衛(wèi)星共包含36個(gè)光譜波段，范圍廣，幅寬大，常用作參考衛(wèi)星對(duì)其他衛(wèi)星進(jìn)行交叉輻射定標(biāo)[9]。

青海湖是我國最大的內(nèi)陸高原微咸水湖。已被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外遙感衛(wèi)星熱紅外波段的在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)，也可開展可見光和近紅外波段的低反射率輻射定標(biāo)試驗(yàn)[10]。所以本文選用青海湖作為輻射定標(biāo)校正場(chǎng)所，如圖1所示。

圖1 青海湖輻射校正場(chǎng)

2.2 數(shù)據(jù)的選取

在HJ-1B與MODIS數(shù)據(jù)選取時(shí)，要滿足以下的篩選條件：（1）HJ-1B與MODIS的定標(biāo)實(shí)驗(yàn)區(qū)域相同；（2）衛(wèi)星過境時(shí)，要求時(shí)間間隔小于1小時(shí)且輻射校正場(chǎng)上方無云。本文選擇的數(shù)據(jù)時(shí)間為2008年冬季。如表1所示，數(shù)據(jù)符合定標(biāo)要求。

表1 HJ-1B與MODIS數(shù)據(jù)（2008/11/12）

2.3 光譜匹配

由于HJ-1B和MODIS熱紅外通道中心波長(zhǎng)不一致，本文將兩者進(jìn)行光譜匹配。根據(jù)HJ-1B熱紅外通道的光譜范圍，選擇與之范圍接近的MODIS譜段31、32進(jìn)行交叉定標(biāo)研究。HJ-1B熱紅外譜段和MODIS相對(duì)應(yīng)的第31、32波段熱紅外譜段的光譜范圍在表2中列出。圖2所示的是HJ-1B的IRS第4波段和MODIS的第31、32波段的光譜響應(yīng)曲線圖[11]。

表2 HJ-1B熱紅外通道與MODIS譜段31&32的光譜范圍

圖2 光譜響應(yīng)函數(shù)

通過半波寬法計(jì)算賦予MODIS通道31、32的權(quán)重分別為0.52595、0.47405，利用雙波段法，使用MODIS第31、32通道的合成輻亮度對(duì)HJ-1B熱紅外通道進(jìn)行定標(biāo)。

2.4 衛(wèi)星影像對(duì)預(yù)處理

將獲取的青海湖輻射校正場(chǎng)HJ-1B和MODIS遙感影像分別進(jìn)行預(yù)處理。HJ-1B/IRS與MODIS初始空間分辨率分別為300m和1000m，本文需要將空間分辨率進(jìn)行統(tǒng)一，使用三次內(nèi)插法把HJ-1B空間尺度降到1000m[12]。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，將空間匹配誤差控制在0.5像元以內(nèi)[13]，依然能夠很好地匹配出同名點(diǎn)[14]。

3 結(jié)果分析

3.1 基于青海湖的交叉定標(biāo)

本文將影像對(duì)中80個(gè)同名匹配點(diǎn)HJ-1B的DN值與MODIS的輻亮度值進(jìn)行線性擬合，獲得相應(yīng)的增益與偏差。MODIS的31波段和雙波段組合與HJ-1B的IRS第4波段的交叉定標(biāo)結(jié)果分別展示在圖3與圖4中，x軸表示的是HJ-1B熱紅外波段的DN值，y軸表示的是MODIS熱紅外波段的表觀輻射亮度值，擬合的gain（增益值）分別是0.01429和0.01391。

圖3 2008年青海湖地區(qū)MODIS 31波段的擬合結(jié)果

圖4 2008年青海湖MODIS 31和32波段的擬合結(jié)果

3.2 結(jié)果驗(yàn)證

由于系統(tǒng)文件中給出的參考定標(biāo)系數(shù)為實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)，在衛(wèi)星發(fā)射后發(fā)生了較大的衰變，無法作為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。因此本文采用與其他研究人員的成果進(jìn)行比較，將定標(biāo)結(jié)果與孫珂《HJ-1B衛(wèi)星IRS傳感器熱紅外通道交叉定標(biāo)》[15]進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。

選取時(shí)間為2008年11月12日MODIS和IRS兩傳感器過境時(shí)青海湖地區(qū)的影像，對(duì)上述交叉定標(biāo)方法所獲得的絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)。用MODIS第31波段大氣層頂（TOA）輻射亮度反演得到的TOA亮溫為假定真值來評(píng)價(jià)上述定標(biāo)方法獲得的絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)，并標(biāo)定反演獲得的HJ-1B的TOA亮溫的精度。

對(duì)兩幅影像進(jìn)行幾何精度校正，精確配準(zhǔn)后進(jìn)行插值。使HJ-1B與MODIS圖像分辨率相同為1000m。利用MODIS定標(biāo)系數(shù)和HJ-1B交叉定標(biāo)結(jié)果分別計(jì)算兩景TOA亮溫圖像作差。根據(jù)普朗克公式，推出亮溫的計(jì)算公式（6）。

其中：Ti是MODIS第i波段的亮度溫度，λi是波段i的中心波長(zhǎng)，C1和C2是常量，分別取C1=1.19104356e-16W·m2和C2=1.4387685e4μm·K。

反演亮溫檢驗(yàn)差值結(jié)果如表3所示。兩者的結(jié)果接近，經(jīng)考量，該次MODIS定標(biāo)結(jié)果有價(jià)值。

表3 HJ-1B反演亮溫檢驗(yàn)差值結(jié)果

3.3 對(duì)HJ-1B的時(shí)間序列定標(biāo)

因?yàn)镸ODIS成像幅寬大，每天近似可獲取全球的影像，在不考慮天氣的影響并結(jié)合HJ-1B重訪周期的情況下，每四天就可獲取一組匹配影像對(duì)。因此利用MODIS可以獲取較高頻率的匹配影像對(duì)，開展與HJ-1B的IRS第4波段進(jìn)行交叉定標(biāo)時(shí)間序列的研究，結(jié)果如表4所示。

表4 2008年11月MODIS的31波段和雙波段組合與與HJ-1B的IRS第4波段交叉定標(biāo)結(jié)果

利用2008-2013年的MODIS連續(xù)多年數(shù)據(jù)（2009年數(shù)據(jù)暫無）對(duì)HJ-1B的時(shí)間序列進(jìn)行定標(biāo)，結(jié)果如表5所示。

表5 2008-2013年HJ-1B時(shí)間序列定標(biāo)結(jié)果

由于不同季節(jié)、時(shí)相、軌道和傳感器所受大氣條件、光照影響、地形的不同，同一地區(qū)所獲取的衛(wèi)星遙感影像具有較大的輻射亮度變化差異。為了使時(shí)間序列結(jié)果更加直觀并具有一致性和可比性，使其能應(yīng)用于多種領(lǐng)域，需要對(duì)時(shí)間序列上的定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，如圖5所示。

圖5 增益系數(shù)歸一化結(jié)果

4 結(jié)論

由于MODIS衛(wèi)星具有高輻射精度，因此本文將其熱紅外通道31、32作為參考，利用交叉輻射定標(biāo)法，進(jìn)行HJ-1B的熱紅外通道的輻射定標(biāo)研究，計(jì)算獲得HJ-1B熱紅外譜段的定標(biāo)系數(shù)，通過對(duì)研究成果的分析，可以初步得到以下結(jié)論：

（1）基于MODIS單波段的HJ-1B紅外波段再定標(biāo)技術(shù)，計(jì)算HJ-1B的紅外波段的定標(biāo)系數(shù)。將獲得的定標(biāo)系數(shù)反演到HJ-1B的IRS第4通道上后與MODIS的31譜段的表觀輻射亮度進(jìn)行比較，得到了較好的相關(guān)性。由此看出，MODIS的熱紅外通道31與HJ-1B紅外波段具有良好的相關(guān)性，定標(biāo)系數(shù)較為可靠，可以滿足遙感影像定量化應(yīng)用的需求。

（2）基于MODIS雙波段的HJ-1B紅外波段再定標(biāo)技術(shù)，對(duì)比單波段法，本文用多年相同試驗(yàn)區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，所得到的定標(biāo)系數(shù)較可靠。結(jié)果表明，MODIS的第31、32組合波段與HJ-1B紅外波段有更好的相關(guān)性，擬合系數(shù)更具有實(shí)際價(jià)值。

（3）利用MODIS較高頻率的匹配影像對(duì)，開展對(duì)HJ-1B衛(wèi)星的時(shí)間序列定標(biāo)。時(shí)間序列的建立，有利于衛(wèi)星歷史數(shù)據(jù)的利用，也能對(duì)傳感器輻射性能穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步分析。