敦煌戈壁地表反射率光谱的旋翼无人机测量及定标评估

利用敦煌中国遥感卫星辐射校正场的星地同步观测试验,实现对我国在轨气象、海洋、陆地资源、环境减灾、测绘地震、高分、军事等系列卫星光学成像载荷太阳反射波段的绝对辐射定标,是目前的重要手段之一。然而,中国遥感卫星辐射校正场传统的地表反射率光谱星地同步测量方法是基于汽车跑场观测,不仅耗费较大的人力物力、容易造成场地破坏,而且获取的测量数据缺乏区域代表性。鉴于此,自2016年起,在敦煌星地同步观测试验中以旋翼无人机低空同步测量为主,跑场测量为辅,完成从航线设计、航高选择、仪器参数配置、采样策略、航空数据处理的全链路摸底测试。多次飞行试验表明,采用多旋翼无人机低空飞行来代替汽车跑场同步测量,不仅提高了地表反射特性测量的空间一致性和代表性,还提高了地表反射率光谱的测量效率,也对宝贵的中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区地表进行了有效保护,极大的节约了人力物力成本。通过传统跑场测量和航飞测量的地表反射率光谱数据对比分析,发现多次测量数据的均值一致性较好,并且航飞测量的数据标准差更小。利用TERRA MODIS的同步观测来对无人机测量数据开展辐射定标评估,结果表明航飞数据的相对偏差均在5%以内,可以代替跑场数据完成定标,精度满足要求。随着无人机性能的进一步优化和提高,在不久的将来必将得到更加广泛和深入的应用,在外场定标试验领域也将发挥更大更重要的作用。

基于多角度表观反射率模型的交叉定标方法

为了满足多类型光学载荷在轨空间辐射基准传递的需求,减小角度差异对辐射定标频次和精度的影响,开展基于多角度表观反射率模型的交叉定标方法研究。利用高精度长时序卫星的多角度、高光谱表观反射率数据,构建地球稳定目标利比亚4的大气层顶表观反射率模型。通过区域匹配、时间匹配和云剔除后,利用该模型对2019—2020年风云三号D星中分辨率成像仪和AQUA/MODIS的可见-短波红外波段开展了205次交叉定标应用,并与同步星下点观测的交叉定标方法进行了26次比对。结果表明,两种方法的平均相对偏差优于2.1%,验证了该方法的适用性和准确性。该方法可以解决对人工测量定标场地表多角度数据的依赖,适用于观测天顶角差异0°~60°、观测波段400~2400 nm以内的多光谱、多角度载荷的交叉定标,减小交叉定标中角度匹配误差,显著提高多类型卫星的定标频次,为空间辐射基准传递和多载荷数据融合应用提供基础技术支撑。

基于多级靶标的航空多光谱相机绝对辐射定标

基于场地的绝对辐射定标是航空遥感数据定量化应用的重要保障手段,如何降低外场测量环境及各种测量误差的影响、提高定标结果的稳定性和精度是航空相机定标的关键。利用2020年12月26日—28日在云南普洱定标场布设的5种不同反射率的灰阶靶标,采用反射率基法对机载Lecia DMCⅢ航空多光谱相机连续进行3次辐射定标试验。在飞机飞越定标场上空的同时,获取地表反射率、大气参数和试验场内各采样点的几何信息,利用MODerate resolution atmospheric TRANsmission(MODTRAN)5.2.1大气辐射传输模型得到遥感器入瞳处各波段的辐亮度,然后结合影像选定区域的平均DN值,分别采用单点法、两点法和多点法计算得到不同的定标系数。通过系统对比不同方法得到的定标结果并分析各种误差源,提出了一种基于多级靶标多次观测的航空多光谱相机外场高精度绝对辐射定标的方法,各波段的定标不确定度分别为7.24%(蓝)、6.20%(绿)、5.35%(红)和4.68%(近红外)。为了验证辐射定标的结果,通过反射率反演的方法来验证不同方法计算得到的定标系数的合理性;利用单点法、两点法和多点法得到不同的定标系数,基于Atmospheric/Topographic Correction for Airborne Imagery(ATCOR 4)大气校正软件对试验场内的多种典型地物进行大气校正;将反演的地表反射率与实测地物反射率进行对比验证。结果表明:多级靶标和短期多次试验对于提高定标精度非常关键,5%、20%和60%灰阶靶标单点定标法和单次多点定标法的定标精度相对最差,40%灰阶靶标单点定标法和两点法的定标误差明显减小,多次多点法的定标精度相对较高,三类方法平均相对误差分别为10%、5.43%和3.18%。本文提出的基于多级靶标多次试验的航空多光谱相机定标方法,降低了单点法、两点法及单次试验定标的不确定性,对于今后航空相机的外场高精度定标及航空数据的定量化应用具有较高的参考价值。

基于遥感影像的大气辐射校正和反射率反演方法

应用１９９５年７月在法国ＬａＣｒａｕ辐射校正场进行的遥感实验获得的ＳＰＯＴＨＲＶ数据，在ＤＯＳ方法的基础上，合理分析假设暗体反射率值，并结合Ｌｏｗｔｒａｎ－７、６Ｓ、Ｍｏｄｔｒａｎ－３大气辐射传输模型进行大气模拟，研究并发展基于遥感影像信息的快速、经济、有效的大气辐射校正和反射率反演方法．通过ＬａＣｒａｕ场的反射率反演值与实时测量反射率值相比较，分析评价了该研究方法的有效性．

一种基于卫星敏捷特性的在轨辐射定标方法

文章对一种基于卫星敏捷特性的在轨辐射定标方法(国外文献通常将此种方法称之为"Side-slither calibration method")进行了原理介绍,并分析了其相对于传统在轨辐射定标方法的优点,然后介绍了该方法目前国外已有的应用实例。最后对基于Side-slither定标方法的在轨定标工作进行过程中地球自转、地面场景、卫星平台、光学系统等因素对定标效果的影响作了相关分析,分析结果对基于Side-slither定标方法的定标工作开展具有一定的参考价值。

采用辐照度基法对FY-1C气象卫星可见近红外通道进行绝对辐射定标

介绍另一种在轨卫星传感器绝对辐射定标———辐照度基法定标 ,并利用敦煌辐射校正场对FY 1C卫星可见近红外通道进行定标。通常的反射率基法定标 ,表观反射率计算的一个重要误差来源是对气溶胶散射的近似计算。辐照度基法定标采用实际测量的漫射与总辐射比来代替辐射传输计算的气溶胶散射。利用该方法对FY 1C卫星的 5次定标结果表明 ,大部分日期辐照度基法和反射率基法定标结果非常吻合 ,肯定了辐照度基法的正确性 ,但在气溶胶含量较大时 ,辐照度基法提高定标精度的优点显现出来 ,能够减少辐射传输模式对气溶胶散射计算带来的误差 。

基于超光谱比值辐射仪的卫星自动化场地定标与分析

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求,以及目前人工方式进行定标的不足,调研国内外卫星定标的发展现状,研制了超光谱比值辐射仪自动化定标系统,并开展了卫星传感器自动化定标的试验。根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标,比值辐射仪设计积分球测量光谱总照度,并通过遮挡的方式实现了光谱漫照度测量,获得卫星定标中的漫总比数据;同时,辐射仪利用光学镜头的方式实现地面辐亮度测量,实现了大气-地表辐射特性的自动观测,同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能。在2015年敦煌辐射校正场试验中,辐射仪得到了理想的应用效果并获得了大气光学参数、地表反射率的数据,为卫星传感器的定标提供了数据支持。经过与传统测量仪器的对比,地表反射率的相对偏差在0.5%~1.5%,大气参数中光谱辐照度的绝对偏差小于5%,漫总比的绝对偏差不大于0.015%。采用辐照度基法利用测量的数据对Aqua MODIS光学遥感器的通道1~5进行了场地定标,通道1~4的对比相对偏差小于1%,通道5的偏差结果为7.24%,验证结果满足了卫星传感器自动化定标的初步需求。

通道式可见光近红外卫星遥感器辐射定标方法综述

卫星遥感器的辐射定标是遥感定量化分析的关键环节。从不同角度对卫星遥感器辐射定标工作进行分类,介绍每类定标方法的工作基础、原理、实施方法和流程等内容,并对部分实施方法进行了比较和技术跟踪,最后对卫星遥感器的辐射定标技术进行了展望研究,可为从事卫星遥感器辐射定标工作提供参考。

SPOT数据反演地物辐射亮度和反射率的基础研究

以往用户对于SPOT卫星数据的应用主要针对其高空间分辨率的特性,但是因SPOT卫星传感器的波段数和波长范围有限,故利用SPOT数据进行定量遥感分析(如地物辐射亮度及反射率)的应用研究较少。然而,利用SPOT数据进行地物辐射亮度和反射率的测量也有其高空间分辨率的优势,可以更精细地分辨各类地物的细节,降低混合像元对于定标分析的影响,提高定量遥感分析的准确度。本文将就SPOT数据的辐射校正原理及其在反演地物辐射亮度和反射率方面的应用开展基础性研究,对于SPOT卫星数据的定标参数读取提供了相应的方法,选取了几种比较典型的地物进行数据分析,并利用Landsat-7数据作为参考,评价SPOT数据测量地物辐射参数的可靠性和应用效果。

SAR辐射定标中的地物杂波抑制方法

研究了SAR有源编码辐射定标技术,提出了通过移相器进行方位信号编码,通过混频器进行距离信号调频斜率反向的地物杂波抑制方法;采用RD成像算法获得了分布目标的图像,完成了不同分布和强度的地物杂波与定标参考目标的仿真图像,并采用峰值方法对SAR辐射定标精度进行了定量研究。实验结果证明有源编码辐射定标技术能够有效地抑制地物杂波的影响,提高SAR辐射定标精度。

敦煌辐射校正场地表反射率稳定性分析

辐照度基法确定卫星各波段的定标系数时，要求精确测量辐射定标场的地表反射率和漫射辐射度与总辐射度的比值。中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室分别于2013年6～8月及2014年8月期间，协同其他单位在敦煌校正场运用辐照度基法进行场地辐射定标，实测过程中使用ASD、SVC光谱辐射计，运用野外参考板反射率因子法确定敦煌校正场的地表反射率。详细阐述地表反射率测量方式及数据处理方法，根据实地观测数据，分析当前场区的地表反射率并与历史数据相互比对。结果显示，敦煌校正场地表反射率在时间和空间上均保持良好的稳定性。

高分一号宽幅多光谱影像辐射定标偏差及其植被指数影响

自2013年4月在轨运行以来,高分一号(GF-1)宽幅(WFV)多光谱相机已实现持续对地观测,为包括生态学在内的相关研究领域与行业应用提供了丰富的数据源。当前场地定标频次偏低以及定标参数更新、发布滞后的现状,一定程度上影响了GF-1 WFV多光谱数据的定量应用。然而,现有文献仅在数据预处理流程中谈及对GF-1 WFV影像的辐射定标处理,很少讨论定标参数选取不当甚至误用产生的可能影响。基于已公布的辐射定标参数(2014—2021年)和4景GF-1 WFV Level1A级影像产品数据,重点围绕辐射定标偏差及其对多光谱波段星上反射率和常用植被指数的影响等展开模型分析和讨论。结果显示:即使两个相邻年份间,在多数情况下误用辐射定标参数会导致不可忽视的波段星上反射率相对偏差;进而给不同类型植被指数的实际应用带来不同程度的挑战。因辐射定标偏差的影响,常用的两波段归一化型植被指数在监测稀疏植被覆盖区时会存在明显的误差;而对高植被覆盖区的监测时采用两波段简单比值型植被指数将面临更大的挑战。针对存档GF-1 WFV Level1A数据的应用需求,提出利用时间距离加权的线性内插法来修正基于公开定标参数的辐射定标结果,并通过案例分析表明了该处理方法的有效性。最后,希望研究结果能引起普通用户对卫星遥感影像辐射定标的关注和重视。

红外窗口对封装黑体辐射理想度的影响及修正方法

针对宽温域黑体有封装红外窗口介入而影响黑体理想度的问题,建立了面源黑体靶面热光耦合仿真模型,利用Monte-Carlo光线追迹法分析了窗口对黑体7.5μm~13μm波段表观辐射通量的影响规律及内因,提出并验证了符合实际表观辐射通量的定标温度修正方法。结果表明:定标温度为−50℃~+50℃时,定标温度越低于环境温度,定标温度与实际表观辐射通量对应的表观温度间正误差越大,反之则负误差越大,最大可达−4℃~+13℃,这是因为窗口存在增强杂散辐射与衰减靶面发射辐射正逆博弈影响表观辐射通量的效应。提出了关联环境温度与定标温度的定标温度修正方法,实验实测下该方法可使修正后的定标温度最大误差缩减50%以上,提升了基于封装黑体的红外定标精度。

基于场地自动化观测技术的SNPP VIIRS高频次在轨辐射定标

针对遥感卫星高频次、高时效和高精度定标的技术需求,利用布设在敦煌辐射校正场自动化定标系统,对SNPP VIIRS遥感器的可见光到短波红外波段开展了高频次自动化绝对辐射定标试验,详细描述了自动化定标的原理和方法,明确了定标流程.针对长时间跨度中,地表光谱反射率光谱形状的变化,建立了参考反射率数据库,以解决通道反射率与参考反射率光谱形状不匹配问题.在2018年5月～11月,对SNPP VIIRS共完成了13次有效的自动化定标,并与SNPP VIIRS星上观测的表观反射率进行了比对验证.结果表明,场地自动化定标得到的表观反射率与卫星观测的表观反射率相对偏差小于5%,均方根小于3.2%,表明场地自动化定标结果与星上定标结果具有较高的一致性和稳定性,可以用于高频次在轨辐射定标.

基于典型目标反射率的近红外场景仿真

利用积分球对近红外增强相机进行了可见、近红外波段的辐射定标,并采用该相机采集了典型目标的可见、近红外图像.利用便携式地物光谱仪采集了相同目标可见、近红外波段的光谱反射率曲线,并分析了目标在可见、近红外波段的光谱反射特性.通过寻找同一天气条件、同一时间段所拍摄的典型目标近红外图像灰度值与可见光图像灰度值及典型目标可见、近红外波段反射率之间的关系,提出一种基于可见光图像及目标反射率反演近红外图像的算法.在近红外图像反演过程中考虑了大气透过率的影响,反演结果表明,本文算法可以较好地体现典型目标近红外图像的全局特征,为后续不同天气条件下近红外场景仿真的实现提供参考.

基于自动化方法的光学载荷定标跟踪

为了实现对光学传感器在轨性能的连续监测,文章使用敦煌场地的自动化观测数据对"风云三号"卫星可见光红外扫描辐射计(Visible and Infrared Radiometer,VIRR)近三年的数据进行了连续定标跟踪,推算VIRR各通道的定标斜率,基于敦煌辐射校正场自动化观测的定标相较于传统现场试验定标方法具有明显提高定标频次优势。采用搭载于Aqua卫星的高精度的中分辨率成像光谱仪(Aqua Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,Aqua MODIS)观测对自动观测定标方法进行精度验证,表明该方法在可见光近红外(Visible and Near Infrared,VNIR)具有3%的定标精度,在短波红外(Short Wave Infrared,SWIR)具有5%的定标精度。将该方法的结果与业务多场地方法的结果进行比较,在3年尺度上均值相对偏差整体低于2%。对VIRR的跟踪结果表明:基于场地自动化观测能够实现长期定标监测,可将该方法推广应用于其他卫星光学载荷以真正实现多载荷的场地自动化定标业务化。

基于Dome C的SNPP和NOAA-20 VIIRS DNB在轨辐射定标精度及稳定性评估

基于夜间大气层顶反射率方向性分布特性,提出了一个基于精确模拟夜间辐射传输过程的低照度遥感载荷在轨辐射定标性能评估新方法。即以南极雪地Dome C为研究区,以MT2009 (Miller-Turner 2009)大气层顶月球辐照度模型和大气层顶双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)模型模拟的夜间星上辐亮度值为基准,分析相同几何条件下,可见光近红外成像辐射计夜间光波段(Visible Infrared Imaging Radiometer Suit Day/Night Band,VIIRS DNB)观测辐亮度与基准值之间的一致性,发现在2018-2020年两者差值保持在4.97×10^(-10)W·cm^(-2)·sr^(-1)左右,比VIIRS DNB最小探测阈值3×10^(-9)W·cm^(-2)·sr^(-1)约低一个数量级,故从可接受的仪器灵敏度误差范围内,可判定VIIRS DNB载荷在美国极轨合作卫星(Suomi National Polar-orbiting Partnership,SNPP)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA-20)上在轨辐射定标性能均非常优良。另外,基于距离校正后的SNPP VIIRS DNB和NOAA-20 VIIRS DNB辐亮度开展了 VIIRS DNB载荷在轨辐射定标稳定性分析,发现相同月相角下两载荷辐亮度一致性在6%以内。

FY-1C遥感器可见近红外各通道在轨辐射定标

文中通过 1999年 7月利用敦煌辐射定标场和反射率基法对FY -1C气象卫星遥感器可见 -近红外通道进行的第一次在轨辐射定标试验 ,研究和试验了卫星遥感器的在轨辐射定标方法、同步观测方法和辐射传输计算算法及其软件开发 ,有 7个通道的绝对辐射定标系数 (或称为增益和偏离量 )被获得。经过误差分析 ,认为本次定标的不确定度小于 7%。定标获得的 7个通道定标系数与该卫星发射前定标结果比较 ,其中 5个通道 (通道 1,2 ,7,8,10 )结果比较接近 ,另两个通道 (通道 6,9)由于发射前定标误差较大致使二者有一定差别。另外 ,通过 2 0 0 0年 9月份对FY -1C卫星进行的第二次辐射定标试验 ,使该卫星在轨 1a多来的运行状态得到了定量监测 ,本次定标与1999年 7月的定标结果比较 ,发现可见 -近红外各通道性能均有程度不同的衰减 ,尤其是通道 1,7,8性能衰减分别为 35% ,2 8% ,2 2 % ,而通道 2 ,6,9,10性能衰减较小 (为 10 %左右 )。

CBERS02B卫星CCD相机在轨辐射定标与真实性检验

利用贡格尔实验场对CBERS02B卫星进行场地反射率基法辐射定标,获得CCD相机可见近红外波段的绝对辐射定标系数,利用敦煌实验场对定标系数进行了真实性检验。结果表明:此次定标结果和测量值非常吻合,定标系数可信度高。

无人机多光谱传感器场地绝对辐射定标研究

2010年10月14日无人机遥感载荷验证场科学实验在内蒙古乌拉特前旗展开,这是我国首个航空遥感定标验证场的首次科学实验。通过验证场实验数据及制作的朗伯特性好的六块高光谱辐射特性靶标,采用反射率基法对搭载在无人机平台上的宽视场多光谱相机进行了场地绝对辐射定标。结果显示,对于成功获取影像的绿光、红光及近红外通道的绝对定标结果中,计数值(DN值)与辐射传输计算得出的表观辐亮度之间的线性相关系数优于99%。经误差分析得到不确定度为5.19%,优于验证场课题要求的6%。定标结果表示,验证场所配备之高光谱辐射特性靶标适用于机载多光谱载荷的场地绝对定标,且定标结果可靠,可以用于地物参数的反演。