環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星大氣校正技術(shù)及效果研究

王宇軒 黃紅蓮 劉曉 孫曉兵 林軍

(1 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，合肥 230031) (2 中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094)

環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星于2020年9月27日成功發(fā)射，目前已正常在軌運(yùn)行1年多。其裝有16 m相機(jī)和大氣校正儀。其中，大氣校正儀通過同步獲取大氣參數(shù)，對16 m相機(jī)進(jìn)行大氣校正[1]。

大氣中的氣溶膠顆粒物組分多樣、光學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，且在時域和空域具有高度變化的特征，是大氣中的主要不確定因素[2]，單個譜段1 h內(nèi)氣溶膠光學(xué)厚度變化量可達(dá)到0.15以上。目前，進(jìn)行大氣校正使用的輔助數(shù)據(jù)多來自中分辨率成像光譜儀(MODIS)產(chǎn)品，需要對MODIS原始產(chǎn)品進(jìn)行時間匹配和空間匹配、分辨率重采樣及其他處理，這就造成了大氣參數(shù)的離散性，最終導(dǎo)致校正效果不理想。為了得到高精度校正圖像，16 m相機(jī)和大氣校正儀共同搭載于環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星進(jìn)行同時同地觀測，獲取用于大氣校正的時間匹配和空間匹配同步大氣參數(shù)。

因?yàn)榇髿庑Ｕ齼x可以獲取有效大氣參數(shù)，因此本文選擇6S模型作為大氣輻射傳輸模型，實(shí)現(xiàn)環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星大氣校正程序[3]。本文通過大氣校正儀數(shù)據(jù)預(yù)處理程序?qū)Νh(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星大氣校正儀在軌獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和水汽、氣溶膠參數(shù)同步反演，再基于大氣參數(shù)查找表逐像元對圖像進(jìn)行校正處理。最后，與敦煌地區(qū)和合肥地區(qū)星地同步實(shí)測地物光譜數(shù)據(jù)以及MODIS產(chǎn)品進(jìn)行對比，驗(yàn)證了大氣校正技術(shù)的精確性。

1 大氣校正技術(shù)

為排除衛(wèi)星遙感器觀測的非目標(biāo)物帶來的干擾信息，需要對遙感圖像進(jìn)行大氣校正，這也是定量遙感的一個必備環(huán)節(jié)[4]。衛(wèi)星遙感器對地面進(jìn)行觀測時，衛(wèi)星入瞳處接收到的輻亮度可分為3個部分：①目標(biāo)地表輻射；②大氣程輻射；③目標(biāo)物周圍環(huán)境反射的太陽輻射引起的地表背景輻射[5]。其中：目標(biāo)像元對衛(wèi)星遙感器入瞳信號貢獻(xiàn)一般為80%，因此使衛(wèi)星遙感器接收到的目標(biāo)地物信息真實(shí)性較低，需要進(jìn)行大氣校正，以消除大氣程輻射和地表背景輻射的干擾，從而獲取地物的真實(shí)反射率。本節(jié)主要介紹16 m相機(jī)和大氣校正儀以及大氣校正的流程和原理。

1.1 16 m相機(jī)及大氣校正儀

環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星均裝載了16 m相機(jī)。2臺相機(jī)設(shè)計(jì)原理相同，運(yùn)行軌道完全重合，經(jīng)過同一點(diǎn)時間相隔1天；采用線陣推掃式，共設(shè)置5個譜段(如表1所示)；采用四鏡頭大視場拼接，1幅圖像像元數(shù)為12 000×12 000×5。大氣校正儀的具體參數(shù)如表2所示，它共設(shè)置9個譜段，包括可見光近紅外(VNIR)譜段，針對偏振輻射具備多光譜的探測能力[6]。利用大氣校正儀與16 m相機(jī)相互對應(yīng)譜段的光譜范圍設(shè)置和同時同地觀測的特征，再經(jīng)過遙感圖像和輔助數(shù)據(jù)的像元經(jīng)緯度匹配，就可以逐像元獲取同步高精度的水汽和氣溶膠等大氣參數(shù)，用于遙感圖像的大氣校正。這一部分主要實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理目標(biāo)有：地面數(shù)據(jù)預(yù)處理，即L0級數(shù)據(jù)到L1級數(shù)據(jù)的生成；反演同步大氣參數(shù)，即L1級數(shù)據(jù)到L2級數(shù)據(jù)的生成。

表1 16 m相機(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of 16m camera

表2 大氣校正儀參數(shù)Table 2 Parameters of PSAC

1.2 大氣校正過程

對于環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星的大氣校正，首先將有云圖像剔除，再使用大氣校正儀同步數(shù)據(jù)根據(jù)經(jīng)緯度信息與L1級圖像進(jìn)行范圍精匹配。將大氣校正儀同步反演得到的水汽含量和氣溶膠L2級產(chǎn)品參數(shù)，分別針對大氣吸收和大氣散射影響作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行大氣校正中的輻射校正部分和目標(biāo)區(qū)域的鄰近效應(yīng)校正部分，最終實(shí)現(xiàn)圖像的大氣同步校正。處理過程如圖1所示。

圖1 大氣校正過程Fig.1 Process of atmospheric correction

1.3 大氣輻射校正

對于本文選擇的6S輻射傳輸模型，首先將地面假設(shè)為表面均一、各向同性的朗伯體，則衛(wèi)星遙感器接收到的表觀輻亮度可表示為[7]

(1)

式中：Lp為程輻射；τv為接收到的大氣透射率，即直接透射率和漫透射率之和；ρ為像元反射率；ρ1為地面綜合反射率；Eg為ρ=0時水平地表上的總輻射通量；S為大氣半球反照率。

根據(jù)式(1)可解出地面綜合反射率為

(2)

大氣校正整個過程可分為2步：①根據(jù)大氣校正儀同步反演的水汽含量、氣溶膠參數(shù)，以及16 m相機(jī)的譜段設(shè)置、光譜響應(yīng)函數(shù)、觀測幾何，使用大氣輻射傳輸模型計(jì)算大氣中的透過率、程輻射和L1級產(chǎn)品中所包含的太陽天頂角、太陽方位角、衛(wèi)星天頂角、衛(wèi)星方位角等參數(shù)，針對每個譜段構(gòu)建大氣校正查找表，針對每個像元進(jìn)行查找，得到輻射程、總透過率、地面輻照度等參數(shù)。②根據(jù)式(2)，對16 m相機(jī)的L2級輻亮度圖像和①中查詢到的參數(shù)，從入瞳處的輻亮度中扣除大氣程輻射，并且去除大氣衰減影響，反演出含鄰近效應(yīng)的地面綜合反射率。

1.4 鄰近效應(yīng)校正

在成像過程中，衛(wèi)星入瞳處接收到的輻亮度不僅有目標(biāo)像元的貢獻(xiàn)，更包含周圍自然環(huán)境反射太陽輻射帶來的干擾，這種現(xiàn)象被稱為鄰近效應(yīng)。在衛(wèi)星定量化遙感過程中，鄰近效應(yīng)會影響衛(wèi)星對地面目標(biāo)的遙感能力[8]。目標(biāo)像元貢獻(xiàn)的這部分輻射信息不包含地面目標(biāo)物的光譜信息，因此要提高衛(wèi)星圖像質(zhì)量及定量化遙感的精度，就必須去除掉周圍像元的干擾，進(jìn)行鄰近效應(yīng)校正。當(dāng)目標(biāo)像元與周圍像元反射率較為均一、差別較小時，目標(biāo)像元反射的太陽輻射和周圍像元反射的太陽輻射近似，鄰近效應(yīng)的影響相對較小；當(dāng)目標(biāo)地表周圍反射率組合較為復(fù)雜，目標(biāo)像元反射的太陽輻射和周圍像元反射的太陽輻射就會有較大差異，鄰近效應(yīng)的影響也會增大。研究表明：圖像鄰近效應(yīng)的影響因素還有很多，如觀測波長、衛(wèi)星分辨率、大氣能見度、氣溶膠類型及大氣分子的散射相函數(shù)[9]。鄰近效應(yīng)中周圍干擾像元的影響可以看作目標(biāo)表面的輻射場和大氣點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的卷積。因此，背景反射率可由周圍像元反射率的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)近似求得[10]，如式(3)所示。

ρm=?f(r(x,y))·ρ(x,y)dxdy

(3)

式中：ρm為背景反射率；f(r(x,y))為大氣點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；ρ(x,y)為坐標(biāo)為(x,y)的點(diǎn)的反射率；x為水平方向距離；y為豎直方向距離。

考慮到求解大氣點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的復(fù)雜性，一般選擇基于經(jīng)驗(yàn)的近似方法代替大氣點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的精確求解，以離散形式求背景反射率[11]，如式(4)所示。

(4)

式中：p(x,y)為鄰近效應(yīng)中的權(quán)重函數(shù)，它描述了與目標(biāo)像元的距離為r(由x,y求出)的點(diǎn)對目標(biāo)像元的貢獻(xiàn)率；k和l分別為橫向和縱向的像元數(shù)。

為了更好地進(jìn)行鄰近效應(yīng)校正，一般采用漫射與直射透過率之比作為鄰近效應(yīng)校正系數(shù)[12]。本文根據(jù)遙感器空間分辨率越高鄰近效應(yīng)的影響越強(qiáng)的理論，增加校正系數(shù)以提高校正效果，如式(5)所示。

ρt=ρ1+q(ρ1+ρm)

(5)

式中：ρt為地面真實(shí)反射率；q為校正系數(shù)。

2 校正結(jié)果與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星快速監(jiān)控環(huán)境變化、快速獲取災(zāi)害圖像的能力，本文選擇火山噴發(fā)和浮塵天氣2個典型災(zāi)害場景進(jìn)行對比驗(yàn)證。數(shù)據(jù)分別來源于2021年2月23日環(huán)境減災(zāi)二號B衛(wèi)星16 m相機(jī)CCD3于意大利埃特納附近(15°9′E，37°6′N)和2021年4月15日環(huán)境減災(zāi)二號A衛(wèi)星16 m相機(jī)CCD3相機(jī)于中國北京(115°6′E，40°4′N)拍攝的2組圖像。圖2為大氣校正前后假彩色合成后的典型地物場景對比，由藍(lán)譜段(B1)、綠譜段(B2)、紅譜段(B3)3個譜段合成。需要校正的圖像尺寸為192 km×192 km，整個校正過程平均時間為27 min。可以看出：2組對比圖像相較于校正前變得清晰且銳化，對比度增加，信息熵增加，校正效果顯著，能較好地去除衛(wèi)星入瞳處非目標(biāo)物的干擾，具體參數(shù)信息如表3所示。

圖2 多光譜圖像大氣校正前后對比Fig.2 Comparison of multispectral images before and after atmospheric correction

表3 校正結(jié)果Table 3 Correction results

2.1 與MODIS反射率產(chǎn)品對比

為驗(yàn)證校正效果，本文利用MODIS同時同地生產(chǎn)的反射率產(chǎn)品與校正后的圖像進(jìn)行對比驗(yàn)證。MODIS地表反射率產(chǎn)品較為常用的有2種，分別是土(Terra)衛(wèi)星生產(chǎn)的MOD09GA和水(Aqua)衛(wèi)星生產(chǎn)的MYD09GA反射率產(chǎn)品[13]，由于需要圖像各個譜段對應(yīng)才能進(jìn)行對比驗(yàn)證，選擇將同期過境的MOD09GA產(chǎn)品和MYD09GA產(chǎn)品中的4個譜段組合后與環(huán)境減災(zāi)二號衛(wèi)星16 m相機(jī)前4個譜段實(shí)現(xiàn)一一對應(yīng)。因?yàn)镸OD09GA和MYD09GA反射率產(chǎn)品空間分辨率為500 m，數(shù)據(jù)格式為HDF5，所以需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。在預(yù)處理流程中，首先進(jìn)行WGS84投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再對圖像重采樣處理，最后進(jìn)行譜段合成[14]。在預(yù)處理后的圖像中，對戈壁灘和植被這2種典型地物的區(qū)域分別隨機(jī)選取1個像元，提取2種產(chǎn)品每個譜段在所選位置的反射率值，環(huán)境減災(zāi)二號衛(wèi)星16 m相機(jī)產(chǎn)品和MODIS產(chǎn)品反射率對比如圖3所示，數(shù)據(jù)來源分別為2021年4月4日環(huán)境減災(zāi)二號A衛(wèi)星16 m相機(jī)CCD3拍攝于合肥(118°1′E，31°5′N)和2020年11月27日環(huán)境減災(zāi)二號A衛(wèi)星16 m相機(jī)CCD1拍攝于敦煌(93°8′E，41°1′N)。

從圖3中可以看出：經(jīng)過大氣校正后，環(huán)境減災(zāi)二號衛(wèi)星16 m相機(jī)所選的2種典型地物絕大部分譜段整體與MODIS光譜曲線基本一致，植被由于葉綠素產(chǎn)生的550 nm處的小反射峰和其兩側(cè)460 nm，670 nm的2個吸收帶都能得到較好的體現(xiàn)；戈壁灘除B1譜段存在誤差外，其余譜段誤差都相對較小。

圖3 16 m相機(jī)產(chǎn)品和MODIS產(chǎn)品反射率對比Fig.3 Reflectance comparison of 16m camera and MODIS products

如圖4所示，分別選取敦煌戈壁灘、合肥小麥田和水體(5像元×4個譜段)作為典型地物對比反射率，可以看出相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98以上。

圖4 3種典型地物的16 m相機(jī)產(chǎn)品與MODIS產(chǎn)品反射率對比Fig.4 Reflectance comparison of three typical features of 16m camera and MODIS products

2.2 與地面實(shí)測數(shù)據(jù)對比

第1組地面實(shí)測數(shù)據(jù)來源于2021年1月27日對敦煌戈壁灘(94°24′E，40°17′N)的測量，氣溶膠模式為沙漠氣溶膠模式。由于敦煌地區(qū)冬季干旱少雨，測量時大氣模式為中緯度冬季大氣，實(shí)測時間與衛(wèi)星圖像拍攝時間帶來的反射率誤差可以忽略不計(jì)[15]；第2組地面實(shí)測數(shù)據(jù)來源于2021年3月25日對合肥附近小麥田(117°50′E，31°26′N)的測量。

如表4和表5所示，經(jīng)過校正后，戈壁灘和小麥田反射率更接近地面實(shí)測，整體來看2組光譜變化趨勢具有較好一致性，每個譜段反射率誤差值相比于校正前都有明顯減小。敦煌戈壁灘校正后誤差均小于18%；合肥小麥田因植物某些譜段反射率較小，造成相對誤差較大，但誤差仍在可接受范圍內(nèi)。校正后的光譜曲線與地面實(shí)測光譜曲線相關(guān)性較高，且相關(guān)系數(shù)均高于0.95。

表4 合肥小麥田大氣校正前后反射率與地面實(shí)測數(shù)據(jù)Table 4 Reflectance of Hefei wheat field before and after atmospheric correction and measurement data

表5 敦煌戈壁灘大氣校正前后反射率與地面實(shí)測數(shù)據(jù)Table 5 Reflectance of Dunhuang Gobi before and after atmospheric correction and measurement data

3 結(jié)論

本文對于環(huán)境減災(zāi)二號衛(wèi)星16 m相機(jī)結(jié)合大氣校正儀，基于6S輻射傳輸模型實(shí)現(xiàn)了大氣校正，并選擇合肥地區(qū)和敦煌地區(qū)衛(wèi)星圖像根據(jù)MODIS產(chǎn)品和地面實(shí)測數(shù)據(jù)對校正后的圖像進(jìn)行校正效果研究，主要結(jié)論如下。

(1)大氣校正儀能提供較高精度的大氣參數(shù)，對提高大氣校正精度具有重要意義。

(2)基于6S模型和大氣校正儀獲取高精度同步大氣參數(shù)完成了大氣校正，并對16 m相機(jī)進(jìn)行逐像元校正。

(3)將校正后的圖像分別與MODIS產(chǎn)品和地面實(shí)測地表反射率進(jìn)行對比，光譜曲線具有較好的一致性，大氣校正效果明顯。