基于哨兵衛(wèi)星數(shù)據(jù)的巴丹吉林—騰格里沙漠輻射準不變場選取與評價

王瑋，王麗娟，郭鈮，胡秀清，王玲

1.中國民用航空飛行學院 航空氣象學院,廣漢 618307;

2.中國氣象局 蘭州干旱氣象研究所,蘭州 730020;

3.國家衛(wèi)星氣象中心（國家空間天氣監(jiān)測預警中心）中國氣象局,北京 100081

1 引言

輻射定標是遙感信息定量化的前提和基礎(chǔ)，其定標精度直接決定了定量遙感產(chǎn)品的質(zhì)量。特別是在衛(wèi)星發(fā)射后，由于儀器元件老化等自身原因和外界因素的干擾，傳感器性能會與發(fā)射前的試驗結(jié)果之間存在一定的偏差（田慶久 等，1998；Smith 等，2002；盧乃錳 等，2020）。以地面目標為參照基準的場地輻射定標，不僅可以彌補無在軌星上定標技術(shù)之不足，而且還可以實現(xiàn)對衛(wèi)星遙感器運行狀態(tài)下多場景的絕對定標，是目前衛(wèi)星傳感器在軌替代定標中廣泛采用的技術(shù)方法（Ohring 等，2007；胡秀清 等，2009；孫凌 等，2013）。因此，在衛(wèi)星發(fā)射后選取理想的輻射定標場，建立統(tǒng)一的輻射定標參考標準，對改進衛(wèi)星輻射定標精度，提高遙感反演產(chǎn)品質(zhì)量，以及推動定量化產(chǎn)品應用和全球觀測系統(tǒng)的發(fā)展都具有十分重要的意義。

準不變定標場PICS（Pseudo-Invariant Calibration Sites）是指在長時間序列上輻射性能具有較小變化的地表大面積均勻目標（Helder 等，2010）。理想的PICS 不僅具有時空穩(wěn)定的輻射性能，而且還具備空間面積大、地表均一性好、大氣干潔、氣溶膠含量低，以及反射率高等特點（鞏慧 等，2010；顧行發(fā) 等，2013）。研究表明，位于沙漠、戈壁、干湖床等表面因具有長期穩(wěn)定、高反射率、云雨天氣少、面積大、地表均一等屬性，通常被選用衛(wèi)星傳感器的輻射定標場（Hu等，2012）。Cosnefroy等（1996）利用Meteosat-4衛(wèi)星影像，在北非撒哈拉沙漠和阿拉伯沙漠地區(qū)，使用空間變異系數(shù)作為度量空間均勻性的指標，篩選出20個面積≥100 km2，且空間均勻性優(yōu)于3%的區(qū)域，并廣泛應用于NOAA6/7/9 AVHRR 衛(wèi)星傳感器的輻射定標工作。Mitchell等（1997）利用亮度、時間穩(wěn)定性、光譜穩(wěn)定性和空間均勻性，并結(jié)合地形地貌、大氣環(huán)境特點，對澳大利亞的6個沙漠和戈壁場地進行比較分析，選出了澳大利亞南部戈壁區(qū)域作為AVHRR衛(wèi)星傳感器在當?shù)氐妮椛湫Ｕ龍?。Bannari 等（2004）利用不同空間分辨率的衛(wèi)星遙感資料，在評價位于美國內(nèi)華達州干鹽湖床的時空一致性時發(fā)現(xiàn)，輻射定標精度會受到區(qū)域氣候變化和湖床表面干燥度的影響，同時還指出Getis 統(tǒng)計方法可有效彌補CV 在空間局部評價時的不確定性。Odongo 等（2014）基于Getis 統(tǒng)計和CV 方法，初步建立了輻射定標場的選取依據(jù)和指標，并利用長時間序列Landsat TM 數(shù)據(jù)對土耳其境內(nèi)的季節(jié)性鹽湖進行空間一致性評估。Bacour 等（2019）在重新評估位于北非撒哈拉沙漠和阿拉伯沙漠地區(qū)準不變定標場的時空一致性時指出，受全球氣候變化影響，補充與更新輻射定標場地是確保衛(wèi)星輻射定標精度的重要環(huán)節(jié)。Khadka 等（2021）利用Mann-Kendall 檢驗方法，對全球6 個PICS 場進行時空一致性分析結(jié)果表明，氣候變化和異常天氣是引起輻射定標場時空穩(wěn)定性趨勢出現(xiàn)異?；蛲蛔兊闹匾蛩?。

目前中國擁有風云氣象、環(huán)境、資源和高分等多個系列的衛(wèi)星遙感資料，已被廣泛應用于天氣和氣候預報，以及環(huán)境、農(nóng)業(yè)和自然災害監(jiān)測等多個領(lǐng)域，為國家經(jīng)濟發(fā)展做出了重要貢獻（盧乃錳和谷松巖，2016；梁順林 等，2016）。中國在輻射場地定標方面，雖然已經(jīng)初步建成了敦煌陸地定標試驗場、青海湖水面定標試驗場，以及包頭高分衛(wèi)星綜合定標場，并分別針對中國風云系列氣象衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、資源衛(wèi)星和高分衛(wèi)星等開展場地輻射定標工作與方法試驗研究，但由于進場次數(shù)和天氣條件的限制，還不能完全滿足部分遙感器進行全年高頻次輻射校正的要求（胡秀清 等，2002；韓啟金 等，2015）。以敦煌陸地定標試驗場為例，雖然晴天日數(shù)較多，但卻主要集中在秋、冬兩季，很難滿足全年多季節(jié)、多場次的星地同步觀測（王玲 等，2017）。與此同時，中國已積累了20 多年來自不同系列衛(wèi)星傳感器的氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，但受數(shù)據(jù)質(zhì)量差異，以及缺少統(tǒng)一定標基準和定標精度等因素的影響，已嚴重制約了這些數(shù)據(jù)在全球大范圍尺度氣候變化和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的利用效率。因此，需要進一步選取和豐富時空穩(wěn)定性好，且符合高頻次、長歷時輻射定標要求的新場地，對精度較低和缺乏一致性的歷史氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展再定標工作。

初步研究表明，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)和甘肅境內(nèi)的巴丹吉林—騰格里兩大沙漠區(qū)域，具有氣候干旱，空間面積大、地表均一、大氣干潔，氣溶膠和水汽含量低等特點，在大氣特性和空間特征方面初步具備遴選輻射準不變場的條件和潛力（何靈莉，2020）。因此，本研究在上述研究的基礎(chǔ)上，利用高分辨率的Sentinel-2 A/B MSI 遙感數(shù)據(jù)集，參考國際同類場地評價研究指標體系，從時間穩(wěn)定性和空間一致性兩個方面對巴丹吉林—騰格里沙漠整個區(qū)域進行綜合評價；并聚合到典型光學載荷空間尺度，篩選出可用于歷史氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行可見光—短波紅外載荷輻射定標的場地，為長時間序列國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行歷史再定標工作提供參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

巴丹吉林—騰格里兩大沙漠屬于典型的大陸性干燥氣候，冬季受內(nèi)蒙古自治區(qū)高壓的控制，年降水量較小，日照充足，蒸發(fā)量大，相對濕度低，晝夜溫差大（馬寧 等，2011；張克存 等，2012）。兩大沙漠區(qū)海拔介于1200—1800 m 之間，地貌類型以沙丘沙山為主，年平均氣溫為8.6 ℃，年降水量為56.9 mm，年平均風速為3.1 m/s（李萬元 等，2015；蘇俊禮 等，2016）。由于位于河西走廊北緣，受到青藏高原西北支氣流的影響，該地區(qū)也是中國沙塵源區(qū)之一。為更廣泛和全面地評價該地區(qū)的時空一致性，本研究將巴丹吉林—騰格里兩大沙漠、以及民勤北部荒漠和黑河下游鼎新荒漠等周邊作為一個整體研究區(qū)（圖1）。

圖1 基于Sentinel-2/MSI數(shù)據(jù)的研究區(qū)真彩色合成圖Fig.1 True color composite map of the study area based on Sentinel-2/MSI data

2.2 Sentinel-2 A/B數(shù)據(jù)選取

為了避免由數(shù)據(jù)空間分辨率、衛(wèi)星重訪周期等因素引起對評價結(jié)果的不確定性，本研究在選取衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)時，盡可能按照時空分辨率高，覆蓋范圍大、光譜通道數(shù)量多和波段寬度窄等特性要求進行選擇。通過對比目前公開常用Landsat 8 OLI、HJ-1B、GF-2 和Sentinel-2 等高時空分辨率衛(wèi)星光學載荷的性能表明：在可見光—近紅外波段，Sentinel-2/MSI 數(shù)據(jù)不僅有較高的時空分辨率（10—60 m，3—5 d），而且具有較窄的多光譜通道和較寬的刈幅，適合開展環(huán)境監(jiān)測與地表精細評價方面的研究工作。

Sentinel-2 A/B 衛(wèi)星是歐空局“哥白尼計劃”中發(fā)射的第二組衛(wèi)星，其搭載的有效載荷為多光譜成像儀MSI（Multispectral Instrument）。MSI 的幅寬為290 km，可覆蓋從可見光至短波紅外的13 個波段，空間分辨率依波段的不同分為10 m、20 m和60 m 等3 種，雙星組合后的重訪周期為4—6 d，具有空間分辨率高、重訪周期短、光譜波段通道數(shù)目多，以及波段寬度窄等特點（表1）。

表1 Sentinel-2 A/B衛(wèi)星光譜波段屬性信息Table 1 Sentinel-2 A/B satellite property information in spectral bands

通過歐空局哥白尼數(shù)據(jù)中心（https：//scihub.copernicus.eu/dhus/#/home/［2021-11-01］），下載了2018年11月—2021年10月覆蓋整個研究區(qū)，且經(jīng)過UTM/WGS84 投影正射校正的Sentinel-2 A/B MSI L1C 級遙感影像數(shù)據(jù)。利用官方發(fā)布的SNAP 軟件，首先對L1C 級別數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)格式的讀取，然后利用Sen2cor 插件，對L1C 級產(chǎn)品進行基于查找表法LUT（Look Up Table）的不同復雜大氣條件下的氣溶膠光學厚度、反射率和相函數(shù)等指標計算，進行大氣、地形、卷云和大氣下墊面發(fā)射率校正處理，完成大氣校正和幾何精校正預處理工作，最后輸出生成空間分辨率為10 m，且校正級別更高的L2A 級大氣下墊面反射率影像數(shù)據(jù)（SR），同時生成了氣溶膠厚度分布圖、水汽分布圖和場景分類圖等環(huán)境質(zhì)量空間分析輔助數(shù)據(jù)。

為了便于計算，以及避免數(shù)據(jù)質(zhì)量和天氣等因素對研究結(jié)果的影響：（1）本研究利用ENVI5.4軟件將B2、B3、B4、B8可見光和近紅外波段處理為Geo-TIFF格式，投影方式轉(zhuǎn)為阿伯斯投影（Albers），空間分辨率定義為10 m；（2）根據(jù)Sentinel-2 A/B自帶的質(zhì)量控制文件QA（Quality Assessment），剔除每幅影像上的空值、異常值和云像素；（3）結(jié)合研究區(qū)周邊民勤、額濟納旗、巴彥諾日公等國家高空氣象觀測站資料，選取無沙塵和降水天氣時段的遙感影像，建立了2018 年11 月—2021 年8 月覆蓋整個研究區(qū)，且可用于場地精細評價的Sentinel-2 A/B有效數(shù)據(jù)集，共計446幅。

2.3 選場指標和方法

（1）時空CV評價。變異系數(shù)CV（Coefficient of Variation）是概率分布離散程度的歸一化度量，可反映數(shù)據(jù)的離散程度。已有研究表明，在給定圖像區(qū)域范圍內(nèi)，可以通過CV 數(shù)值的變化程度來衡量選定位點觀測值的穩(wěn)定性（Rondeaux 等，1998）。場地的空間均勻性和時間穩(wěn)定評價實質(zhì)是對地表輻射特性在時間和空間兩個維度的評價，本研究利用變異系數(shù)衡量場地的時空穩(wěn)定性（式（1））。

式中，當公式用于評價空間均勻性時，S為計算窗口中各像元反射率的標準偏差（Ss），是計算窗口中所有參與運算像元的平均值，空間變異系數(shù)記作CVs；當公式用于評價時間序列穩(wěn)定性時，此時S為計算窗口中時間序列像元平均反射率的標準偏差（St），是計算窗口中時間序列像元的平均值時間變異系數(shù)記作CVt。

CVs值與計算窗口中各像元反射率的變化程度成正比，即CV 值越大表明時空間穩(wěn)定性越差。為匹配國產(chǎn)風云衛(wèi)星典型光學載荷的空間分辨率（250 m），本研究選擇25×25 像元的計算窗口，以1 個像元（即250 m）的滑動步長分別計算空間平均值和標準偏差（Ss）。為彌補研究區(qū)影像空間缺失，以及提高空間CVs評價結(jié)果的可靠性，首先對研究區(qū)Sentinel-2 A/B 有效數(shù)據(jù)集中每幅圖像進行上述處理，生成空間CVs圖像，然后分別對B2、B3、B4、B8 波段的所有空間CVs圖像進行時間序列像素空間疊加均值處理，最后生成覆蓋整個研究區(qū)的平均時空CVst圖像。

出于評價結(jié)果可對比等方面的考慮，國內(nèi)外相關(guān)研究普遍使用CV 作為度量空間均勻性的指標，并將CV≤3%作為評價場地時空均勻性的閾值，并廣泛應用于NOAA6/7/9 AVHRR 衛(wèi)星傳感器的輻射定標工作（Cosnefroy 等，1996；Odongo 等，2014）。因此，為了與國內(nèi)外同類研究具有可比性，本研究選用CV≤3%作為評價研究區(qū)時空穩(wěn)定性的閾值。

式中，xj是要素j的屬性值，ωi，j是要素和j之間的空間權(quán)重，n為要素總數(shù)，統(tǒng)計是Z得分，因此無需做進一步的計算。

表2 Getis-Ord G*i 統(tǒng)計結(jié)果屬性表Table 2 Getis-Ord G*i statistical results attribute table

在此基礎(chǔ)上，通過選取CVst≤0.03且＜-2.0的空間統(tǒng)計結(jié)果，篩選出研究區(qū)同時具有時空穩(wěn)定性和空間一致性的場地；然后利用2018 年11 月—2021 年8 月Sentinel-2 A/B MSI 數(shù)據(jù)集中所有波段的平均地表反射率數(shù)據(jù)（除大氣頂部反射率的B10波段），并結(jié)合字高程模型等空間輔助信息，對擬選取的PICS場進行綜合評價（圖2）。

圖2 技術(shù)路線圖Fig.2 Technical flow chart

3 結(jié)果與分析

3.1 時空CV結(jié)果分析

從2018 年11 月—2021 年10 月B2、B3、B4 和B8波段的CVst時空分布結(jié)果可以看出（圖3）：各波段具有時空穩(wěn)定的區(qū)域基本一致，其中CVst≤3%的區(qū)域主要分布在巴丹吉林—騰格里沙漠的西部、北部、以及其邊緣與中衛(wèi)—河西走廊之間的連接處。從B2 到B8 隨著地表反射率數(shù)值的逐漸升高，CVst低值區(qū)的空間分布范圍基本保持不變，但CVst＞3%的高值區(qū)域變化明顯，其中位于巴丹吉林沙漠腹地，以及額濟納、民勤、吳忠和烏海沙漠綠洲等地的CVst在逐漸升高，且數(shù)值變化較大。由此可見，研究區(qū)CVst具有時空穩(wěn)定性的區(qū)域主要位于巴丹吉林—騰格里沙漠周圍，以及沙漠邊緣與周邊綠洲之間的連接處，而巴丹吉林和騰格里沙漠腹地的時空異質(zhì)性較大，CVst數(shù)值普遍較高。

圖3 2018年11月—2021年10月B2、B3、B4、B8波段的平均時空CVst空間分布Fig.3 Average spatial distribution of temporal CVst in bands B2，B3，B4，and B8 from November 2018 to October 2021

通過對B2 到B8 波段的CVst面積統(tǒng)計結(jié)果可以看出（圖4）：除B2 波段外，B3、B4 和B8 波段具有時空穩(wěn)定性的區(qū)域面積基本保持穩(wěn)定，分別為3.20E+5 km2、3.21E+5 km2和3.29E+5 km2，分別占研究區(qū)總面積的67.39%、67.51%和68.49%。與此同時，由于B2 波段地表反射率數(shù)值較低，微弱的數(shù)值變化都會對CVst計算產(chǎn)生影響，因此導致B2波段的時空穩(wěn)定性區(qū)域面積統(tǒng)計結(jié)果相對較低，為2.25E+5 km2，占研究區(qū)總面積比例的56.13%。以上結(jié)果表明，研究區(qū)各波段CVst結(jié)果具有相似的時空分布特征，其中CVst≤3%，且具有時空穩(wěn)定性的區(qū)域占研究區(qū)總面積比例的一半以上，具備選取輻射準不變場的條件和潛力。

圖4 不同波段的CVst面積統(tǒng)計結(jié)果Fig.4 Area statistics results of CVst for different bands

3.2 Getis-Ord 統(tǒng)計結(jié)果分析

根據(jù)2018 年11 月—2021 年10 月B2、B3、B4和B8波段的指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果可以看出（圖5）：各波段具有空間一致性的分布區(qū)域基本相同，同時低值聚集區(qū)與CVst≤3%的空間分布結(jié)果也較為相似。其中，＜-2.0，且具有顯著一致性的低值聚集區(qū)域主要分布在巴丹吉林—騰格里沙漠的西北部、北部、東北部，以及沙漠邊緣與民勤、中衛(wèi)和河西走廊之間的連接處；＞2.0，且具有顯著性的高值聚集區(qū)則主要分布巴丹吉林和騰格里兩大沙漠的腹地，以及黑河下游的內(nèi)蒙額濟納、石羊河下游甘肅民勤、寧夏吳忠到內(nèi)蒙烏海沙漠綠洲區(qū)域。-1.0＜＜1.0 的聚集區(qū)主要位在兩大沙漠腹地，且從B2到B8隨著平均地表反射率數(shù)值的逐漸升高，該聚集區(qū)域面積在逐漸減少，并逐步向高值聚集區(qū)轉(zhuǎn)變。

圖5 2018年11月—2021年10月B2、B3、B4、B8波段的指數(shù)統(tǒng)計的空間分布Fig.5 Spatial distribution of statistics for bands B2，B3，B4，and B8 from November 2018 to October 2021

圖6 不同波段的指數(shù)面積統(tǒng)計結(jié)果Fig.6 Area statistics results of for different bands

3.3 氣溶膠與降水特征分析結(jié)果

利用場地評價同期的Sentinel-2 氣溶膠數(shù)據(jù)AOT（Aerosol Optical Thickness），以及近30 年（1991年—2021年）研究區(qū)內(nèi)氣象臺站記錄的降水量資料，通過分析氣溶膠含量和降水量的月變化，結(jié)果表明：研究區(qū)逐月的AOT 含量較低，數(shù)值區(qū)間變化微弱，在0.15—0.17 之間，月均值為0.16。在3—4月雖受沙塵等天氣因素影響，導致AOT含量的極值變程較大，但其均值和中位數(shù)變化幅度微弱，與其他月份的數(shù)值較為接近，且AOT含量保持穩(wěn)定（圖7）。與此同時，研究區(qū)內(nèi)降水主要出現(xiàn)在7—8 月份，分別為12.17 mm 和13.15 mm，其他月份的累計降水量均小于10 mm，其中11 月到次年2 月份，降水量不足1 mm。近30 年歷史同期的月降水量變異系數(shù)較低，數(shù)值變化范圍在1.09%—1.74%之間，月均值為1.45%。在全年中，雖然7—8月份的累計降水量相對較高，但其歷史同期降水量的變異系數(shù)是所有月份中最低的，僅為1.09%和1.21%，其月降水量變化具有較高的時空穩(wěn)定性（圖8）。由此可見，研究區(qū)降水量少，氣溶膠含量低，其月變化不明顯，且具有較高的時空穩(wěn)定性。研究結(jié)果與前期該區(qū)域大氣特征研究結(jié)論相一致（蘇俊禮 等，2016；何靈莉，2020）。因此，本研究區(qū)的大氣環(huán)境具備選取輻射準不變場的條件。

圖7 基于2018年11月—2021年10月Sentinel-2數(shù)據(jù)統(tǒng)計的逐月AOT含量變化情況Fig.7 Results of monthly changes in AOT content based on Sentinel-2 data statistics from November 2018 to October 2021

圖8 基于臺站資料的研究區(qū)逐月累計降水量和歷史同期降水量變異系數(shù)Fig.8 Coefficients of variation of cumulative monthly precipitation and historical contemporaneous precipitation in the study area based on meteorological stations data

3.4 場地選取與特征分析結(jié)果

通過選取CVst≤3%且＜-2.0的空間統(tǒng)計結(jié)果，獲取研究區(qū)同時具有時空穩(wěn)定性和空間一致性的區(qū)域范圍。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮空間代表性、交通便利性等因素，篩選出地表均一、云雨和沙塵天氣少，且面積較大（約20 km）的輻射準不變場16個（圖9）。

圖9 研究區(qū)輻射準不變場空間分布圖Fig.9 Spatial distribution of PICS in study area

利用Sentinel-2 A/B MSI 時間序列數(shù)據(jù)集中所有波段的地表反射率產(chǎn)品，結(jié)合數(shù)字高程模型等空間輔助信息，對選取的16 個PICS 進行綜合評價和排序。結(jié)果表明：所有場地的平均時空變異系數(shù)CVSR_b1-12_avg為1.59%，數(shù)值介于1.18%—2.11%之間，其中TNGR_3場地（38.13°N，105.35°E）的平均時空CVSR_b1-12_avg數(shù)值最低，為1.18%，平均地表反射率為0.24；DXIN_N 場地（41.95°N，100.29°E）的平均時空CVSR_b1-12_avg數(shù)值最高，為2.11%（表3）?？傮w而言，騰格里沙漠周圍TNGR_3、TNGR_5、WULBHE、TNGR_1 這4 個場地，以及巴丹吉林沙漠西北部JINT_1、BDJL_5，以及東南部WUWI_E這3 個場地的CVSR_b1-12_avg數(shù)值較低，云雨和沙塵天氣少，反射率高，且具有較好的時空穩(wěn)定性。

利用16 個場地各波段的CVst評價結(jié)果，分析每個場地的適用性，結(jié)果表明：B1-B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B8A、B9和B11-B12波段CVst數(shù)值最低的場地分別是JINT_1，WULBHE、BDJL_5、

TNGR_1、TNGR_3、WUWI_E、TNGR_5、TNGR_1、JINT_1和TNGR_3（圖10）。由此可見，不同場地對各波段的時空穩(wěn)定性和適用性也表現(xiàn)出較大的差異。總體而言，騰格里沙漠周圍TNGR_3、TNGR_5、WULBHE、TNGR_1 這4 個場地，以及巴丹吉林沙漠西北部JINT_1、BDJL_5，以及東南部WUWI_E這3 個場地的CVSR_b1-12_avg數(shù)值較低，云雨和沙塵天氣少，反射率高，且具有較好的時空穩(wěn)定性。

圖10 16個場地各波段的CVSR結(jié)果比較Fig.10 Comparison of CVSR results for each band based on 16 PICS

通過分析16 個PICS 在不同季節(jié)的時空CV 變化情況，結(jié)果表明（圖11）：在每年6—8 月夏季，PICS 的CV 數(shù)值變化最小，所有場地的平均CV 為1.59%，其中TNGR_3 和TNGR_5 場地的CV 數(shù)值相對較低，分別為1.14%和1.19%，DXIN_N 場地的CV 數(shù)值相對較高，為1.88%。在每年12 月到次年2 月冬季，所有場地的平均CV 數(shù)值達到最大，為1.84%，其中JINT_1、WULBHE 和TNGR_1 場地的CV 數(shù)值較低，分別為1.28%、1.29% 和1.32%，JINC_W、DXIN_N 和BDJL_4 場地的CV 數(shù)值較高，分別達到1.85%、1.88%和1.89%；在春秋兩個季節(jié)，所有場地的平均CV 數(shù)值較為接近，分別為1.19%和1.17%，其中TNGR_3、TNGR_5和TNGR_1場地的平均CV 數(shù)值較低，分別為1.19%、1.20%和1.21%?？傮w而言，16個輻射準不變場在不同季節(jié)均表現(xiàn)出較好的時空穩(wěn)定性，CV 數(shù)值均低于2.11%，其中TNGR_3 和TNGR_5 兩個場地的全年CV 數(shù)值均低于1.19%，相對具有更好的時空穩(wěn)定性和空間一致性且更加適合開展全年多季節(jié)、多場次星地同步觀測試驗。

圖11 研究區(qū)輻射準不變場在不同季節(jié)時空CV變化情況Fig.11 Spatial and temporal CV variation of PICS in the study area during different seasons

3.5 討論

以上結(jié)果可以看出，研究區(qū)CVst≤3%的時空穩(wěn)定區(qū)域主要分布在巴丹吉林—騰格里沙漠的西部、北部、以及沙漠南部邊緣與中衛(wèi)、河西走廊之間的連接地帶，而巴丹吉林和騰格里兩大沙漠腹地的CVst數(shù)值較高，時空穩(wěn)定性較差。與此同時，由于B2 波段地表反射率數(shù)值較低，微弱的數(shù)值變化都會對CVst計算產(chǎn)生影響，因此導致B2 波段計算出的時空穩(wěn)定性區(qū)域面積低于其他波段的統(tǒng)計結(jié)果，這與何靈莉（2020）的研究結(jié)果一致。雖然時空變異系數(shù)CVst可以從時間和空間兩個維度評價研究區(qū)的穩(wěn)定情況，但該系數(shù)不僅受變量值離散程度的影響，而且還受變量值平均值大小的影響，因此當?shù)乇矸瓷渎试降蜁r，微小的擾動也會對變異系數(shù)產(chǎn)生巨大的影響，造成評價結(jié)果精確度不足。通過選取每個場地等效半徑為20 km 的區(qū)域，對比本研究選場方法與只用單一變異系數(shù)指標評價結(jié)果可以看出，采用單一變異系數(shù)法計算的CV'SR_b1-12_avg數(shù)值介于2.62%—3.62%之間，平均數(shù)值為3.17%，而綜合指標法的CVSR_b1-12_avg數(shù)值介于1.18%—2.11%，所有場地的平均數(shù)值為1.59%，可將16 個場地平均CVSR_b1-12_avg數(shù)值整體由3.17%降到了1.59%（表4）。由此可見，當采用單一空間變異系數(shù)法進行場地時空穩(wěn)定性評價時，區(qū)內(nèi)零散或破碎的異常值會對評價結(jié)果產(chǎn)生巨大的影響，從而會導致可見光-短波紅外載荷的輻射定標工作出現(xiàn)偏差。本研究通過Getis-OrdG*i空間聚類評價方法與時空CV 評價指標相結(jié)合的方式，從時空穩(wěn)定性和空間一致性兩個方面進行綜合評價，有效彌補了使用單一CV 指標引起空間局部評價結(jié)果較為離散，空間區(qū)域面積較為破碎的問題。因此，通過本研究改進的場地篩選方法，以及選取的可用于輻射定標的沙漠區(qū)域和場地位置具有更好的穩(wěn)定性和參考價值。與此同時，本研究也是對Bannari等（2004）在北美干鹽湖床建立的場地選取方法和應用范圍做了進一步豐富和擴展。

表4 綜合指標法和單一指標法在每個PICS場地的評價結(jié)果對比Table 4 Comparison of the evaluation results of the integrated index method and the single index method at PICS

本研究選取的16 個輻射準不變場平均時空變異系數(shù)CVSR_b1-12_avg為1.59%，數(shù)值介于1.18%—2.11%之間（表3）。利用同時期Sentinel-2 A/B MSI 數(shù)據(jù)計算敦煌（Dunhuang）定標場（40.15°N，94.335°E）的平均時空變異系數(shù)CVSR_b1-12_avg為1.21%。通過進一步對比TNGR_3、TNGR_5 和Dunhuang 場地各波段的CVSR發(fā)現(xiàn)，3 個場地在B1 和B2 波段的CVSR數(shù)值較高，其中Dunhuang 場地的CVSR最高，分別達到10.26%和8.84%。3 個場地在B3—B12 波段CVSR數(shù)值相對較低，且數(shù)值較為接近。由此可見，3個場的時空穩(wěn)定性均會受到B1 波段和B2 波段的影響，但Dunhuang 場地的時空穩(wěn)定性更易受到來自B1、B2 波段等低反射率數(shù)值頻繁波動的影響，最終導致其CVSR_b1-12_avg結(jié)果低于TNGR_3 和TNGR_5 這兩個場地的（圖12）。因此，本研究選取的TNGR_3和TNGR_5場地具有更好的時空穩(wěn)定性，且優(yōu)于國際同類場地的評價結(jié)果。

圖12 TNGR_3、TNGR_5和Dunhuang場地13個波段的CVSR結(jié)果比較Fig.12 Comparison of CVSR results in 13 bands at TNGR_3，TNGR_5 and Dunhuang sites

通過分析同時期Sentinel-2 A/B MSI 數(shù)據(jù)的QA文件發(fā)現(xiàn)，本研究提取16 個場地共計地表反射率樣本數(shù)為3610 個，其中含云雨或沙塵像素的樣本數(shù)為652 個，僅占總樣本數(shù)的18.06%，全年平均無云天數(shù)接近300 d。而Dunhuang 場地共計提取地表反射率樣本數(shù)為231個，其中含云雨或沙塵像素的樣本數(shù)為97 個，占總樣本數(shù)的41.99%，全年平均無云天數(shù)為210 d。由此可見，天氣是引起輻射定標場時空穩(wěn)定性趨勢出現(xiàn)異常的重要因素，在選取場地時，應充分考慮天氣氣候條件因素，同時該結(jié)論與Khadka等（2021）研究結(jié)果相一致。

與此同時，由于地表空間的復雜性，在某一尺度上總結(jié)出的結(jié)果或規(guī)律，應用在另一空間尺度上可能是有效和相似的，但更需要發(fā)現(xiàn)差異和去修正（李小文和王祎婷，2013；劉良云，2014）。本研究利用所有場地中心區(qū)的Sentinel-2 A/B MSI數(shù)據(jù)，對比每個波段在原空間分辨率（10 m、20 m和60 m）的地表反射率數(shù)值，以及將其空間聚合至氣象衛(wèi)星空間分辨率（250 m 和500 m）的平均地表反射率數(shù)值?？梢钥闯?，在滿足相同區(qū)域、時間和成像等條件下，隨著空間尺度升高和分辨率降低，相同波段的地表反射率數(shù)值也隨之降低（圖13）。同一區(qū)域采用相同方法計算出來的不同空間尺度數(shù)據(jù)也會存在差異，其中原空間尺度所有波段的地表反射率數(shù)值介于0.14—0.33之間，累計標準差分別為1.14；當升尺度到250 m 和500 m時，兩種空間尺度的地表反射率數(shù)值分別介于0.13—0.31 和0.12—0.29 之間，累計標準差分別為1.39 和1.52（圖14）。因此，在利用本研究所選場地開展歷史氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)再定標研究之前，需要定量分析空間尺度效應的影響，并加以修正。但鑒于本研究目標和內(nèi)容，上述工作將是我們未來要開展的研究方向之一。

圖13 不同空間尺度下的Sentinel-2各波段地表反射率數(shù)值Fig.13 Surface reflectance values of Sentinel-2 at different spatial scales for each spectral band

圖14 不同空間尺度地表反射率數(shù)值的累計標準差Fig.14 Cumulative standard deviation of surface reflectance values at different spatial scales

綜上所述，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)和甘肅境內(nèi)的巴丹吉林—騰格里兩大沙漠時空穩(wěn)定性區(qū)域不僅具有氣候干旱，空間面積大、時空穩(wěn)定性好、地表均一、大氣干潔，氣溶膠和水汽含量低等特點，而且具備開展高頻次、長歷時衛(wèi)星數(shù)據(jù)再定標工作的外場條件。然而，本研究仍存在研究數(shù)據(jù)時間序列短、使用數(shù)據(jù)源單一等問題，研究結(jié)果還有待更長時間序列，多源遙感和其他觀測數(shù)據(jù)加以驗證和完善。

4 結(jié)論

本研究利用2018 年11 月—2021 年10 月覆蓋整個研究的Sentinel-2 A/B MSI 時間序列遙感數(shù)據(jù)集，結(jié)合時空CV 評價指標和Getis-Ord G*i空間聚類方法，從時空穩(wěn)定性和空間一致性兩個方面對研究區(qū)進行綜合評價，篩選和評價可用于歷史氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行輻射定標的場地，得出如下結(jié)論：

（1）研究區(qū)具有時空穩(wěn)定性和空間均一性的區(qū)域主要分布在巴丹吉林—騰格里沙漠的西部、北部、以及沙漠南部邊緣與中衛(wèi)、河西走廊之間的連接地帶，而巴丹吉林和騰格里兩大沙漠腹地的CVst數(shù)值較高，時空穩(wěn)定性較差。除B2波段外，其他波段CVst≤3%的結(jié)果具有相似的時空分布特征，且區(qū)域面積基本保持一致。

（2）通過Getis-Ord G*i空間聚類方法與時空CV指標組合選取場地的方法，可進一步降低單一指標評價結(jié)果的不確定性，提高場地選取的精度。本研究選取16 個場地的平均時空變異系數(shù)CVSR_b1-12_avg為1.59%，CVSR_b1-12_avg數(shù)值介于1.18%—2.11%之間，場地具有空間面積大、時空穩(wěn)定性好、地表均一、大氣干潔，云雨和沙塵天氣少等特點，為開展歷史氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)再定標研究提供了更豐富亮度的準不變定標場地。

（3）TNGR_1 和TNGR_3 場地的時空CVSR_b1-12_avg分別為1.18%和1.19%。在不同季節(jié)的CV 數(shù)值均低于Dunhuang 場，且全年平均無云或沙塵天數(shù)接近300 d，因此這兩個場地更加適合開展高頻次、長歷時衛(wèi)星輻射數(shù)據(jù)再定標工作。

志 謝文中使用的Sentinel-2 A/B MSI 數(shù)據(jù)來源于歐空局Sentinel Online 網(wǎng)站（https：//sentinels.copernicus.eu/web/sentinel/home），在此表示衷心的感謝！