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。

敦煌辐射校正场典型气溶胶垂直廓线的激光雷达观测

激光雷达可以获取气溶胶的三维信息。在2010年中国辐射校正场（Chinese Radiometric Calibration Site,CRCS2010）试验中,利用一部米散射激光雷达获取了敦煌辐射校正场区域15天的观测数据,利用经典的Fernald反演方法得到了这一区域的大气气溶胶消光系数垂直廓线并分析了其对辐射定标的影响。观测结果表明敦煌地区在从近地面到2~4 km处存在着一层气溶胶浓度高值层。用于辐亮度辐射定标的飞机飞行高度需要大于此高度,以避开气溶胶高浓度层的影响。并利用MODTRAN（MODerate resolution atmospheric TRANsmission）辐射模式中的气溶胶廓线与实测气溶胶廓线分别进行辐射模拟,对于FY3/MERSI各可见-近红外通道都有不同程度的差异,其中蓝通道（〈500 nm）有4%~5%的辐射差异。

敦煌场地像元尺度地表反射率采样方法及准确度研究

敦煌国家辐射校正场每年都开展大量实验,为国内外对地观测卫星提供定标服务,但多年来敦煌场进行像元尺度地表反射率获取工作时,有关地面光谱采样方案准确度的研究较少。为定量评估不同地面采样方法的准确度,确定不同像元尺度地表反射率获取时采样点的最佳位置,实现敦煌场高精度高效率业务化测量,利用敦煌高分辨率无人机数据与GF-1卫星2 m全色数据对不同像元尺度地表反射率采样方法准确度进行定量分析。研究结果表明:获取陆地卫星像元尺度地表反射率,建议在敦煌150 m国家场的位置用5点系统采样方案初步标定2 m样方位置,并用光谱仪在各2 m样方内用5点系统采样法进行测量;对于气象卫星像元尺度,建议在新选3 km场地用5点模拟退火采样方案确定2 m样方位置,并用光谱仪在各2 m样方内用5点系统采样法进行测量。

敦煌辐射校正场反射辐射偏振特性研究

卫星遥感器辐射校正场的地表反射辐射测量(例如地表反射率、地表辐亮度等)对卫星遥感器的在轨定标至关重要。由于地物光谱仪自身具有一定的偏振敏感性,场地反射辐射的偏振特性将会引入偏振测量误差。采用基于偏振成像仪和塔吊的非定点测量方式以及基于偏振光谱仪和BRDF测量架的定点测量方式,测量了敦煌场490nm和670nm波段场地反射辐射的多角度偏振分布和局地偏振均匀性。试验结果表明,敦煌辐射校正场的反射辐射具有一定的偏振特性。偏振特性和波段有关,490nm波段偏振度明显大于670nm波段。490nm和670nm波段的多角度偏振分布关于太阳主平面对称。在太阳主平面内,前向散射区偏振度大于后向散射区,并随天顶角变大而变大。两种测量方式获得了一致的偏振特性分布规律。获得了直径100m区域的场地反射辐射局部均匀性,均匀性在6%左右。研究场地反射辐射的偏振特性对于场地辐射探测方案的改进以及辐射测量精度的提高具有重要意义。

CBERS-1CCD相机飞行绝对辐射标定试验地面同步测量与场地辐射特性分析

中国对地观测遥感卫星辐射校正场 (即敦煌场 )位于中国敦煌市西戈壁沙漠的西北角。整个敦煌场地面比较均匀、平坦 ,面积为 30× 40 km2 ;测试区 (标定区 )面积为 40 0× 40 0 m2 ,位于场区的中心位置。2 0 0 0年 8月底至 9月初 ,中国资源卫星应用中心联合安徽光机所在敦煌场地进行了一次 CBERS- 1CCD传感器飞行绝对辐射标定试验。地表反射率和大气光学特性地面同步测量结果显示 :敦煌场地的地面均匀性好 ,各个通道反射率的变化系数 (即相对变化百分比 )均小于 3%。在可见光、近红外光谱范围内 ,地面光谱反射率随波长增加逐步增大 ,例如 ,在 485 nm波长处的地面反射率值约为 0 .18,在 830 nm波长处的反射率值约为 0 .2 6。大气光学特性测量结果显示 :0 .5 5 μm波长处的大气总光学厚度 (≈ 0 .34 )和气溶胶光学厚度 (≈ 0 .2 6 )相对较小 ,大气水汽含量也较小。此次同步测量结果表明

基于VIIRS传感器的场地反射率测量精度的验证

反射率基法是目前最常用、最有效的可见光近红外通道在轨辐射定标方法。在该方法中,准确的场地反射率测量是得到高精度定标结果的重要前提之一。利用双光谱仪法进行了野外地物反射率时间序列测量,避免了用传统测量方法可能出现的辐射条件不一致问题。用中心区和高反区场地反射率测量值对VIIRS传感器的表观反射率进行了模拟,并将VIIRS可见光近红外9个通道（I1、I2、M1~M7）的卫星观测表观反射率值与6S辐射传输模型模拟值进行了对比。除M6通道外（水汽吸收）,相对偏差均在3%以内,验证了场地反射率测量的准确性。

超光谱成像仪在轨辐射定标及不确定性分析

介绍了超光谱成像仪的技术参量、成像原理、实验室定标和星上定标的方法.利用超光谱"图谱合一"的特点,对常规的反射率基法提出改进,实现了超光谱成像仪的辐射定标.分析了辐射定标过程中地表测量、大气参量及卫星图像产生的不确定性.结果表明:105个通道定标系数的不确定度优于7%,改进后的定标方法可以实现环境卫星超光谱成像仪的在轨辐射定标.

环境卫星HJ1A超光谱成像仪在轨辐射定标及光谱响应函数敏感性分析

环境卫星HJ1A搭载的超光谱成像仪HSI是我国第一个对地观测的星载高光谱传感器,针对超光谱成像仪缺乏各通道光谱响应函数这一问题,对传统的反射率基法予以改进,提出一种不使用光谱响应函数的场地定标方法。利用敦煌场地2009年8月定标实验数据,实现超光谱成像仪在轨辐射定标。通过构建不同形状的光谱响应函数,分析光谱响应函数形状对最终辐射定标结果产生的误差。结果表明,利用新提出的场地定标方法可以实现超光谱成像仪绝对辐射定标,除水汽和氧气吸收通道外,光谱响应函数对定标结果的影响小于3%,采用新定标方法得到的定标系数可以满足应用的需求。

基于野外地物光谱时间序列的反射率测量方法

星载光学传感器在轨同步定标需要地面同步光谱测量作为数据支撑,准确的地物反射率是得到高精度定标结果的重要前提之一。传统的野外地面反射率测量采用单光谱仪法依次对目标及参考板进行测量。在辐射条件连续剧烈变化的情况下,传统测量方法无法保证目标及参考板辐射条件的一致性。利用双光谱仪法进行野外地物反射率时间序列测量,避免了传统方法测量中可能出现的辐射条件不一致问题。将测量结果与单光谱仪法比较,二者相关系数达到0.998,而且双光谱仪法反射率曲线更符合实际光谱,从而验证了该方法的可行性。

敦煌辐射校正场双向反射分布函数模型构建及应用分析

敦煌校正场是我国最重要的辐射校正场,地面目标的方向反射特性是影响场地定标精度的重要参数。对于在什么情况下需要校正地表反射率及采用哪种双向反射分布函数(BRDF)进行校正,尚无明确的研究。由于中等分辨率成像光谱仪(MODIS)精度较高,对MODIS影像进行了分析。首先利用2020年9月敦煌场地6组不同测量时刻下的无人机多角度观测数据,分别以6种不同核函数组合方式建立36个不同的BRDF模型,针对不同观测角度下的MODIS影像,分别计算BRDF校正前和BRDF校正后的表观反射率;而后与卫星实测表观反射率进行相对偏差的比较。实验结果表明,以28°的观测角度为界,当观测角度大于28°时相对偏差较大,且BRDF校正对结果的影响较大;在所建立的BRDF模型中,采用接近卫星过境时刻测量的多角度观测数据所建立的BRDF模型校正效果更好;且基于Rossthick-Lidense、RossThick-LiSparseR和Rossthin-LisparseR这三种核函数组合方式的BRDF模型所计算的表观反射率与卫星观测值的相对偏差都比较小。

多波段偏振成像仪的实验室定标研究

介绍一种多波段偏振成像仪的集成设计及实验室偏振定标方案。通过可调偏振度光源验证仪器偏振定标精度,在10°视场内,当光源偏振度低于0.6时,仪器490 nm通道偏振度测量相对误差优于1.6%,670nm通道偏振度测量相对误差优于1.7%。设计了多波段偏振成像仪的系统软件,详细介绍了各个功能模块及自动化观测算法,通过敦煌辐射校正场外场试验,验证了仪器野外运行的稳定性以及系统软件设计的合理性与实用性.

我校在静止轨道卫星传感器在轨辐射定标方面取得重要进展

许昌学院韩杰博士课题组针对我国高分辨率对地观测系统中静止轨道卫星——高分四号(GF-4)卫星PMS传感器具备五个不同积分时间的成像特点,成功地将辐射区域网平差方法引入该传感器在轨辐射定标方法之中。该研究以敦煌辐射校正场为辐射传递平台,以MODIS和Landsat8/OLI传感器为辐射参考,阐明了辐射控制点和辐射连接点的提取方法以及辐射区域网平差模型构建过程,探讨了辐射控制点分布、双向反射分布函数、光谱匹配因子、辐射连接点筛选等因素对定标结果的影响,分析了几何配准、光谱匹配因子、双向反射分布函数等因素对辐射定标结果的不确定度影响。

基于卡尔曼滤波的GF1-WFV时间序列定标及验证

为了监测卫星传感器在轨辐射性能的变化、提高定标的频次和精度、满足新时期定量遥感的应用需求,提出了一种基于卡尔曼滤波的时间序列定标方法。以敦煌辐射校正场为试验场,获取高分一号宽视场成像仪(GF1-WFV)在2013—2020年间多景敦煌场地影像,先对影像灰度值进行归一化处理,利用标准差剔除异常值,筛选出有效影像;采用基于稳定目标的历史数据时间序列定标方法计算定标系数,并利用卡尔曼滤波思想对定标系数进行进一步处理,最后分别将本文定标结果与中国资源卫星应用中心(CCRS)定标结果、Landsat8定标结果进行对比。结果表明:高分一号卫星传感器在轨运行期间的最大年衰减率不超过0.3%,说明传感器未发生明显衰减;通过对定标结果的对比验证,发现基于卡尔曼滤波的时间序列定标方法所获得的定标结果比CCRS定标结果的精度高,其中各波段的平均相对误差最大可减小16.14%。由此可见基于卡尔曼滤波的时间序列定标方法具有较好的可靠性和稳定性。