基于AQUA/MODIS的FY-4A/AGRI傳感器熱紅外通道交叉輻射定標(biāo)方法

劉佳欣，高彩霞，楊治緯,3，邱 實(shí)，趙永光，馬靈玲，錢永剛

(1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 中國(guó)科學(xué)院定量遙感信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100049)

0 引言

風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星(FengYun-4A Satellite,FY-4A)是我國(guó)新一代靜止氣象衛(wèi)星，裝載多種觀測(cè)儀器，包括多通道掃描成像輻射計(jì)(Advanced Geostationary Radiation Imager,AGRI)、干涉式大氣垂直探測(cè)儀、閃電成像儀和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器等，可為天氣分析和預(yù)報(bào)、短期氣候預(yù)測(cè)、環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測(cè)、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警以及其他應(yīng)用提供服務(wù)[1]。

目前，以地面為參照的場(chǎng)地定標(biāo)和交叉定標(biāo)是我國(guó)衛(wèi)星載荷在熱紅外通道輻射定標(biāo)精度評(píng)估的2種重要手段。然而，因受限于場(chǎng)地參照目標(biāo)特性及衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻成像條件、地表及大氣參數(shù)的測(cè)量條件，場(chǎng)地定標(biāo)頻次與精度都極度受限，熱紅外譜段定標(biāo)精度難以突破1.0 K，且耗費(fèi)大量的人力和物力。因此，以國(guó)外高精度載荷為參考，通過(guò)觀測(cè)相同的地面目標(biāo)，采用交叉定標(biāo)的方式將測(cè)量基準(zhǔn)由參考載荷傳遞至待定標(biāo)載荷，以此來(lái)增加定標(biāo)頻次并有效地提升定標(biāo)精度[2-4]。AQUA衛(wèi)星搭載的中分辨率成像光譜儀(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)是用于觀測(cè)全球生物和物理過(guò)程的重要儀器，具有36個(gè)中等分辨率水平 (0.25 ～1 μm)的光譜波段，每1～2天對(duì)地球表面觀測(cè)一次。獲取陸地和海洋溫度、初級(jí)生產(chǎn)率、陸地表面覆蓋、云、氣溶膠、水汽和火情等目標(biāo)的圖像。其熱紅外31和32通道的定標(biāo)精度約為0.2 K，是國(guó)際公認(rèn)的高精度定標(biāo)光學(xué)載荷?；诖?，本文利用MODIS熱紅外31和32通道對(duì)FY-4A/AGRI熱紅外12和13通道進(jìn)行交叉定標(biāo)，以提高載荷在軌定標(biāo)精度，保證其定量遙感產(chǎn)品的可適用性[4]。

1 數(shù)據(jù)介紹

1.1 研究數(shù)據(jù)介紹

AGRI是FY-4A衛(wèi)星平臺(tái)搭載的關(guān)鍵輻射成像儀器,載荷參數(shù)如表1所示。

表1 FY-4A AGRI主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

它在可見(jiàn)光-熱紅外譜段有14個(gè)通道，其中4個(gè)通道為熱紅外探測(cè)通道，其在軌運(yùn)行狀態(tài)和輻射定標(biāo)水平的精確評(píng)估，對(duì)紅外通道產(chǎn)品的應(yīng)用有重大意義[5-6]。

1.2 研究區(qū)介紹

本文以敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)和格爾木輻射定標(biāo)場(chǎng)為地面參照目標(biāo)，利用MODIS熱紅外31和32通道對(duì)FY-4A/AGRI熱紅外12和13通道進(jìn)行交叉定標(biāo)。研究區(qū)介紹如下。

(1) 敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)

敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)是中國(guó)輻射校正場(chǎng)地之一，整個(gè)場(chǎng)地為30 km×30 km，位于穩(wěn)定的沖積扇上，地表沒(méi)有植被，主要由混合的砂礫、黏土等構(gòu)成，被地球觀測(cè)衛(wèi)星委員會(huì)(Committee on Earth Observation Satellites,CEOS)的定標(biāo)驗(yàn)證工作組(Working Group on Calibration and Validation,WGCV)選為儀器參考場(chǎng)地。在前期對(duì)場(chǎng)地紅外特性評(píng)估的基礎(chǔ)上，敦煌場(chǎng)紅外輻射特性空間均勻性優(yōu)于3%，可用于開(kāi)展FY-4A/AGRI載荷熱紅外通道定標(biāo)工作。本文以40°9′36″N，94°20′6″E為中心點(diǎn)，選擇MODIS影像10×10像元作為研究區(qū)域。圖1為敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)地表覆蓋情況[7]。

圖1 敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)Fig.1 Dunhuang radiometric calibration field

(2) 格爾木輻射定標(biāo)場(chǎng)

青海省平均海拔在3 km以上，其氣溶膠、水汽和臭氧等參數(shù)相較于其他省份要低。2019年和2020年，中國(guó)空天信息創(chuàng)新研究院及國(guó)家衛(wèi)星氣象中心等多家科研院所在青海格爾木開(kāi)展了聯(lián)合試驗(yàn)，獲取了大量的地面同步測(cè)量數(shù)據(jù)及無(wú)人機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)[8]。此外，在前期對(duì)場(chǎng)地紅外特性評(píng)估的基礎(chǔ)上，其均一性指標(biāo)均優(yōu)于3%，可用于開(kāi)展FY-4A/AGRI載荷熱紅外通道定標(biāo)。本文以36°25′30″N，94°12′E為中心點(diǎn)，選擇MODIS影像10×10像元作為研究區(qū)域。圖2為格爾木輻射定標(biāo)場(chǎng)圖片[8]。

圖2 格爾木輻射定標(biāo)場(chǎng)Fig.2 Golmud radiometric calibration field

2 交叉定標(biāo)原理與方法

交叉定標(biāo)是采用定標(biāo)精度高的參考傳感器對(duì)待定標(biāo)傳感器進(jìn)行輻射校正的一種方式。參考傳感器與待定標(biāo)傳感器同時(shí)觀測(cè)同一目標(biāo)，利用參考傳感器獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)校正待定標(biāo)傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)，提高待定標(biāo)傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度。交叉定標(biāo)具有高頻次、時(shí)序性的特點(diǎn)，能夠及時(shí)對(duì)載荷因元件老化、儀器靈敏度下降和外界因素干擾等原因產(chǎn)生的輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)偏差進(jìn)行校正[9-12]。在人力、物力和財(cái)力等方面，交叉定標(biāo)相較于場(chǎng)地定標(biāo)需求較低，能夠節(jié)省大量資源。

參考載荷的選取決定交叉定標(biāo)結(jié)果的可靠性，參考載荷應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件：自身定標(biāo)精度高且?guī)в行巧隙?biāo)裝置，滿足定標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新；與待定標(biāo)衛(wèi)星傳感器具有相似的光譜響應(yīng)；空間分辨率與待定標(biāo)傳感器的空間分辨率相近；對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)交叉定標(biāo)有充足的影像資源。MODIS掃描線對(duì)地觀測(cè)前后都會(huì)獲取高精度的星上黑體定標(biāo)數(shù)據(jù)，熱紅外通道31和32的定標(biāo)精度為0.5%左右[9]，可獲取高精度的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，滿足作為參考傳感器對(duì)輻射定標(biāo)的精度要求。因此，本文將MODIS傳感器31和32熱紅通道作為參考基準(zhǔn)，對(duì)AGRI傳感器12和13熱紅外通道進(jìn)行輻射定標(biāo)。MODIS傳感器31通道(B31)的波長(zhǎng)為10.78～11.28 μm，32通道(B32)的波長(zhǎng)為11.77～ 12.27 μm，AGRI傳感器12通道(B12)的波長(zhǎng)為10.3～11.3 μm，13通道(B13)的波長(zhǎng)為11.5～12.5 μm，圖3顯示了AQUA/MODIS傳感器31和32通道與FY-4A/AGRI傳感器12和13通道的光譜響應(yīng)函數(shù)。

圖3 FY-4A/AGRI 12，13通道與AQUA/MODIS 31，32 通道光譜響應(yīng)對(duì)比Fig.3 Spectral response comparisons of FY-4A/AGRI B12,B13 and AQUA/MODIS B31,B32

根據(jù)傳感器獲取的研究區(qū)衛(wèi)星數(shù)據(jù)篩選出無(wú)云影像，對(duì)參考載荷與待定標(biāo)載荷的無(wú)云影像對(duì)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)間與觀測(cè)角度匹配，篩選出符合條件的匹配數(shù)據(jù)對(duì)。為了降低參考載荷和待定標(biāo)載荷因光譜差異引起的表觀(Top of Atmosphere,TOA)輻亮度變化，本文基于模擬數(shù)據(jù)計(jì)算MODIS和AGRI數(shù)據(jù)對(duì)的光譜匹配因子。在此基礎(chǔ)上，利用提取的參考載荷(MODIS)研究區(qū)目標(biāo)TOA輻亮度值，計(jì)算得到相應(yīng)通道待定標(biāo)載荷(AGRI)TOA輻亮度參考值，并與研究區(qū)目標(biāo)觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算參考值和觀測(cè)值的相對(duì)差異，以此來(lái)驗(yàn)證待定標(biāo)載荷輻射觀測(cè)值的準(zhǔn)確性。交叉定標(biāo)流程如圖4所示。

圖4 交叉定標(biāo)流程Fig.4 Cross calibration flow chart

2.1 觀測(cè)樣本時(shí)間、空間匹配

FY-4A于2016年12月11日發(fā)射升空，12月17日定點(diǎn)于99.5°E赤道上空，成像儀每日獲取中國(guó)區(qū)域觀測(cè)范圍為3°N～55°N，60°E～137°E的影像數(shù)據(jù)。AQUA衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡為白晝由南向北斜穿赤道，夜晚由北向南斜穿赤道[13]。因此，根據(jù)衛(wèi)星軌道特征、觀測(cè)時(shí)間和掃描區(qū)域可定位出交叉區(qū)域，對(duì)交叉區(qū)域進(jìn)行地理位置匹配，像元投影重合區(qū)域選擇為匹配像元。由于不同傳感器的空間分辨率不同，MODIS傳感器熱紅外通道的空間分辨率為1 km×1 km，AGRI傳感器熱紅外通道的空間分辨率為4 km×4 km。因此，像元數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，需要對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行空間聚合處理。此外，觀測(cè)時(shí)間是影響交叉定標(biāo)中參考載荷與待定標(biāo)載荷觀測(cè)TOA輻亮度差異的重要因素之一。綜合考慮觀測(cè)時(shí)間差異導(dǎo)致的地氣熱輻射瞬態(tài)變化以及參考載荷和待定標(biāo)載荷匹配數(shù)據(jù)對(duì)的數(shù)量，本文將參考載荷和待定標(biāo)載荷的觀測(cè)時(shí)間差異設(shè)置為小于20 min[14-19]。

由于FY-4A是靜止氣象衛(wèi)星，對(duì)于同一研究區(qū)的觀測(cè)天頂角(Viewing Zenith Angle,VZA)不隨時(shí)間產(chǎn)生變化，根據(jù)研究區(qū)經(jīng)緯度分別提取觀測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)MODIS傳感器和AGRI成像儀天頂角數(shù)據(jù)，設(shè)置VZA差|VZAMODIS-VZAFY-4|的閾值為10°,20°和30°篩選影像，以此來(lái)分析觀測(cè)角度差異對(duì)交叉定標(biāo)結(jié)果的影響。篩選符合觀測(cè)衛(wèi)星天頂角的影像景數(shù)如表2所示。

表2 符合篩選要求的研究區(qū)影像景數(shù)

2.2 光譜匹配因子計(jì)算

為了降低參考載荷和待定標(biāo)載荷光譜差異對(duì)交叉定標(biāo)精度的影響，針對(duì)MODIS和AGRI匹配數(shù)據(jù)對(duì)，基于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)再分析數(shù)據(jù)提取大氣廓線(如圖5所示)，并從霍普金斯大學(xué)光譜庫(kù)提取研究區(qū)對(duì)應(yīng)下墊面光譜反射率值，根據(jù)基爾霍夫定律轉(zhuǎn)換為發(fā)射率光譜(如圖6所示)，同時(shí)結(jié)合載荷的成像幾何，利用4A/OP大氣輻射傳輸模型模擬得到溫度范圍為280～320 K、間隔5 K的不同溫度變化下TOA光譜輻亮度值，并將其與MODIS和AGRI載荷光譜響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行光譜卷積(如式(1)和式(2)所示)，獲取相應(yīng)通道TOA輻亮度值，對(duì)二者進(jìn)行線性回歸，擬合直線的斜率即為光譜匹配因子(如式(3)所示)。

(1)

(2)

(3)

式中，R′FY-4A為FY-4A/AGRI傳感器歸一化輻亮度；R′MODIS為MODIS傳感器歸一化輻亮度；L(λ)為模擬TOA輻亮度值；f(λ) 為光譜響應(yīng)函數(shù)；K為光譜匹配因子。

(a) 濕度廓線

圖6 地物發(fā)射率光譜Fig.6 Terrestrial emissivity spectrum

2.3 定標(biāo)結(jié)果計(jì)算

根據(jù)參考載荷和待定標(biāo)載荷影像對(duì)數(shù)據(jù)分別提取研究區(qū)影像計(jì)數(shù)均值(Digital Number,DN)和對(duì)應(yīng)的定標(biāo)系數(shù)，計(jì)算得到相應(yīng)通道入瞳輻亮度：

Ri,MODIS=ai,M×(DNi,M-bi,M)，

(4)

Ri,AGRI=ai,A×DNi,A-bi,A，

(5)

式中，Ri,MODIS為MODIS載荷通道i觀測(cè)的目標(biāo)輻亮度；DNi,M為MODIS載荷通道i目標(biāo)圖像計(jì)數(shù)均值；ɑi,M和bi,M分別為MODIS載荷通道i定標(biāo)增益和偏置；Ri,AGRI為AGRI載荷通道i觀測(cè)的目標(biāo)輻亮度；DNi,A為AGRI載荷通道i目標(biāo)圖像計(jì)數(shù)均值；ɑi,A和bi,A分別為AGRI載荷通道i定標(biāo)增益和偏置。

在此基礎(chǔ)上，基于參考載荷MODIS的目標(biāo)觀測(cè)輻亮度值和光譜匹配因子，推算待定標(biāo)載荷AGRI相應(yīng)通道目標(biāo)TOA輻亮度模擬值，并將其與AGRI相應(yīng)通道目標(biāo)觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算二者相對(duì)差異RE(如式(6)所示)，以此指標(biāo)來(lái)檢驗(yàn)AGRI傳感器熱紅外通道的輻射觀測(cè)精度。

(6)

3 AGRI傳感器交叉定標(biāo)結(jié)果分析

本文利用參考載荷AQUA/MODIS和待定標(biāo)載荷FY-4A/AGRI相應(yīng)通道大氣層頂輻射亮度進(jìn)行線性回歸，獲取參考載荷和待定標(biāo)載荷相應(yīng)通道的光譜匹配因子，并利用匹配因子對(duì)AQUA/MODIS 31，32通道獲得的輻亮度值進(jìn)行修正，從而推算出FY-4A/AGRI對(duì)應(yīng)通道的輻亮度值。圖7展示了敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)2019年5月20日對(duì)應(yīng)通道的光譜匹配因子，表3為獲取對(duì)應(yīng)通道的光譜匹配因子。從圖7可以看出，AGRI 通道12與MODIS通道31的光譜匹配因子為1.020 32；AGRI 通道13與MODIS通道32的光譜匹配因子為0.973 77。

(a) AGRI B12與MODIS B31光譜響應(yīng)回歸

表3 敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)2019年5月20日FY-4A/AGRI與 AQUA/MODIS熱紅外通道光譜匹配因子

本文基于2019年敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)與格爾木輻射定標(biāo)場(chǎng)遙感影像匹配數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)行模擬計(jì)算，圖8(a)和(b)分別顯示了敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)103景影像匹配數(shù)據(jù)對(duì)和格爾木輻射定標(biāo)場(chǎng)46景影像匹配數(shù)據(jù)對(duì)的光譜匹配因子。從圖8可以看出，12通道光譜匹配因子相較于13通道光譜匹配因子起伏變化較小，12通道光譜匹配因子基本保持在1.02～1.06，13通道光譜匹配因子基本保持在0.92～1.0。

(a) 敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)光譜匹配因子

圖9展示了敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)觀測(cè)角度在10°以內(nèi)和格爾木輻射定標(biāo)場(chǎng)觀測(cè)角度在20°以內(nèi)經(jīng)空間聚合、光譜匹配、時(shí)間匹配后FY-4A/AGRI傳感器TOA輻亮度模擬值和觀測(cè)值之間的對(duì)比散點(diǎn)圖。從圖9可以看出，F(xiàn)Y-4A/AGRI傳感器的觀測(cè)輻亮度值和模擬輻亮度值分布在1∶1線附近。

(a) 敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)

圖10為敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)(40.11°N～ 40.21°N，94.28°E～ 94.4°E)天頂角閾值分別為30°,20°與10°的影像對(duì)計(jì)算得到的相對(duì)差異。如圖10所示，隨著觀測(cè)角度差異減小，參考值與觀測(cè)值的TOA輻亮度相對(duì)差異也隨之減小。VZA閾值為10°時(shí)，TOA輻亮度相對(duì)差異最小，基本保持在±5%以內(nèi)。隨著VZA閾值范圍增大，輻亮度相對(duì)差異在±5%～±10%的數(shù)據(jù)量增大。當(dāng)VZA閾值為10°時(shí)，AGRI傳感器12波段的平均相對(duì)差異為1.75%，13波段的平均差異為1.65%。圖11為格爾木輻射定標(biāo)場(chǎng)(36.38°N～36.47°N,94.14°E～ 94.26°E)天頂角閾值分別為30°與20°的影像對(duì)相對(duì)差異。格爾木輻射定標(biāo)場(chǎng)VZA進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配時(shí)，未篩選出天頂角閾值為10°的數(shù)據(jù)對(duì)，因此僅對(duì)天頂角閾值為20°和30°的數(shù)據(jù)對(duì)開(kāi)展定標(biāo)工作。如圖11所示，隨著觀測(cè)角度差異減小，參考值與觀測(cè)值的TOA輻亮度相對(duì)差異也隨之減小，VZA閾值為20°時(shí)，輻亮度相對(duì)差異在±5%～±10%的數(shù)據(jù)量相較于VZA閾值為30°時(shí)的數(shù)據(jù)量減小。當(dāng)VZA閾值為20°時(shí)，AGRI傳感器12波段的平均相對(duì)差異為3.39%，13波段的平均差異為1.96%。

(a) 敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)天頂角差異小于30°時(shí)輻亮度值相對(duì)差異

(a) 格爾木輻射定標(biāo)場(chǎng)天頂角差異小于30°時(shí)輻亮度值相對(duì)差異

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于國(guó)外高精度定標(biāo)參考衛(wèi)星AQUA/MODIS，利用交叉定標(biāo)方法對(duì)我國(guó)第二代靜止氣象衛(wèi)星FY-4A/AGRI熱紅外通道的輻射定標(biāo)精度進(jìn)行評(píng)估，分析結(jié)果表明：

① 對(duì)于敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)，在參考載荷和待定標(biāo)載荷VZA差異為10°時(shí)，AGRI傳感器12和13通道的目標(biāo)TOA觀測(cè)值和模擬值的相對(duì)差異分別為1.75%,1.65%；在參考載荷和待定標(biāo)載荷VZA差異為20°時(shí)，AGRI傳感器通道12和13的目標(biāo)TOA觀測(cè)值和模擬值的相對(duì)差異分別為2.27%，2.12%；在參考載荷和待定標(biāo)載荷VZA差異為30°時(shí)，AGRI傳感器通道12和13的目標(biāo)TOA觀測(cè)值和模擬值的相對(duì)差異分別為2.62%,1.95%。

② 對(duì)于格爾木輻射定標(biāo)場(chǎng)，在參考載荷和待定標(biāo)載荷VZA差異為20°時(shí)，AGRI傳感器通道12和13的目標(biāo)TOA觀測(cè)值和模擬值的相對(duì)差異分別為3.39%,1.96%；在參考載荷和待定標(biāo)載荷VZA差異為30°時(shí)，AGRI傳感器通道12和13的目標(biāo)TOA觀測(cè)值和模擬值的相對(duì)差異分別為3.73%,1.94%。

③ 通過(guò)對(duì)比分析可知，當(dāng)數(shù)據(jù)對(duì)滿足約束條件時(shí)，隨著天頂角差異減小，輻亮度相對(duì)差異值減小，當(dāng)天頂角差異為10°時(shí)，輻亮度相對(duì)差異值基本保持在±5%以內(nèi)。由此可知，VZA差異會(huì)影響交叉定標(biāo)結(jié)果的精度，并且，隨著VZA差異減小，定標(biāo)精度不斷增高。FY-4A/AGRI傳感器經(jīng)交叉定標(biāo)后，輻亮度相對(duì)差異較定標(biāo)前差異值減小，本文分析有助于對(duì)FY-4A/AGRI傳感器觀測(cè)值適用性的評(píng)估。