星载光学遥感器可见近红外通道辐射定标研究进展

2. 1 发射前定标 发射前定标是指传感器在研制过程中 , 利用积 分球或太阳光 反射信号对传感器进行 绝对辐射定 标 。 发射前定标又可分 为实验室定标 和外场定标 两类 。 实验室定标主要通过积分球在实验室内部对传 感器成像实现 , 根据积分球已测的辐射能量和对积 分球成像图像 , 得到传感器各通道的辐射定标系数 。 实验室定标是整个辐射定标工作的基础 , 也是评价 今后仪器是否发生衰减的依据 。 发射前外场定标是选择大气干洁 、地表开阔的 场地 , 利用太阳光经过参考板的反射信号对已研制 的仪器进行辐射定标 。 在实验室定标过程中 , 积分 球的光谱曲线分布同太阳光谱曲线有很大差异 , 而 卫星上 天 后 接 收到 的 是 太 阳 光 经 过 大 气 — — —地 表— — — 大气 , 最后到达传感器的能量 , 不同的光谱曲 线分布对得到的定标结果有一定的影响 。 发射前外 场定标实验可作为实验室定标的有效补充 , 进一步 提高发射前传感器定标的精度 。 我国的风云系列卫 星 , 环境卫星均在发射前采用实验室定标和外场定 标两种方法 。 2. 2 在轨星上定标 在轨星上定标是指在卫星成功发射后 , 传感器 正常运行期间利用卫星上自带的定标设备对传感器 进行辐射定标 。 星上定标在卫星正常寿命期间对仪 器的状态进行监测 , 及时发现仪器产生的衰减 。 可 见近红外通道的星上定标设备根据光源的不同分为 星上定标灯( Onboard L amp) 设备 、太阳反射光定标 设备和月球定标设备三类 。 星上定标灯设备是在卫 星平台上放置 一个小 型积分球 , 利 用积分 球内部 定标灯 对传 感器进 行 [ 2] 星上定标 , 法国 的 SPO T H RVIR 、美国 的 Landsat 5 T M [ 3] 、EO-1 H yperio n[ 4] 和 我 国 的 CBERS1 CCD 都搭载有这一类型的定标设备 。 H yperion 星 上定标灯为四个石英卤钨灯( quartz tungsten halogen lamps) , 其中两个 为主定标光源 , 用于卫 星运 行期间 的星 上 定 标 , 另 外两 个 作 为备 用 光 源[ 4] 。 星上定标灯可监测仪器的长期稳定 性 。 基 于定标 灯的误差主要是由于在卫星长期运行期间 定标灯 自身的衰 减引起 , 且 定标过 程中需 要改 变仪器 的 光路 , 定标的次数较少 , 因此需要增加新的 星上定 标设备 。 基于太阳光的星上定标设备是当前星上定标研
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究的热点 。 目前国外最新的传感器都备有该类型定 标设备 。 Landsat 7 E T M +上的星上定标设备包括 全孔径太阳定标器 F ASC ( F ull Apert ure Solar Calibrat or) , 部分孔径太阳定标器 PASC ( Partial A per ture Calibrat or)和内部定标器 IC ( Internal Calibrat or) 三类[ 5] 。 除内部定标器 IC 采用积分球定标 方法外 , F ASC 和 PASC 都利用太阳光作为标定光 源 , 两 者的 区 别 在于 是 否对 整 个图 像进 行 定标 。 MODIS 在太阳光反射波 段有三组星上 定标设备 , 分别是太阳漫反射板 SD ( Solar Dif f user) , 太阳漫 反射板稳定监测仪 SDSM ( So lar Dif fuser S tabilit y Mo nit or) , 光谱辐射定标设备 SRCA ( Spectro- Radiomet ric Calibrat ion Assem bly )[ 6] 。 H yperio n 的 太阳定标设备是将太阳光引入到 Hy perion 内部 , 利 用测量的光谱同理论太阳光谱 的比较实现辐 射定 标 。 其中太阳入射角度为 53° , H yperio n 的 视场角 为 0. 43° 。 H yperio n 太阳定标器最大的不确定性 来源于漫反射板 BRDF 的校正 。 基于太阳光 的星 上定标设备 , 国内还处于研究阶段 , 目前在轨的国内 卫星尚未有类似的星上定标设备 。 月球定标设备是 21 世纪初出现的新的星上定 标方法 。 在卫星运行期间 , 调整传感器姿态 , 对月球 进行成像 。 利用月球反射的太阳能量信息 , 实现传 感器的辐射定标 。 由于月球表层无大气信息 , 太阳 光入射到月球表面并返回传感器的能量基本稳定 , 利用月球定标法具 有较高的精度 。 在已有的 卫星 中 , M ODIS 和 Hy perion 都 具备 对月 球 成像 的 能 力 。 MODIS 一般每 个月对月球 成像一次 , 用于 对 MODIS 太阳反射波段辐射稳定 性的监测[ 7] 。 H yperion 从 2001 年 2 月起开始利用月球进行辐射定 标 , Kieff er 介绍了 H yperio n2001 年 2 月 , 4 月和 6 月三次对月球成像的结果 , 成功实现了 H ype rio n 的 辐射定标[ 8] 。
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1 引 言
随着遥感 在各 领域 应用的 逐步 深入 , 遥 感数 据的定量化已成为遥感技术进一 步发展的必然趋 势 。 卫星辐射定标技术是遥感数据 定量化应用的 前提 , 它使得同一卫星多时相数据 , 以及不同卫星 之间的数据 综合应 用成为 可能 , 推动 了定量 化遥 感的发展 。 辐射定标是将卫星传感器仪器响应的 DN 值转 换成具有一定物理含义的表征量 。 在可见近红外波 段 , 通过辐射定标可将 DN 值图像转换成表观辐亮 度图像或表观反射率图像 , 表征大气层顶传感器接 收到的地表和大气信息 。 高精度的辐射定标对定量 遥感的发展具有重要的意义 。 ( 1) 辐射定标是遥感应用定量化的基础 , 任何定 量化应用的图像都需要经过辐射定标校正 。 ( 2) 利用发射前定标 、 星上定标和在轨替代定标 等多种辐射定标技术 , 可实现传感器辐射特性的评 价 , 及时发现传感器上天后产生的衰减 。 ( 3) 辐射定标可实现不同历史时期的遥感数据 定量化应用 。 通过定标系数的更新 , 不同年份的遥 感图像可直接 进行比 较 , 常用 于地表 的动 态变 化 监测 。 ( 4) 辐射定标可建立多源遥感数据之间的物理 联系 , 使不同卫星的图像数据具有可比性 , 扩大了定 量化遥感的数据源 。 随着遥感的进一步发展 , 人们对辐射定标的要 求越来越迫切 。 20 世纪 80 年代以来 , 国际 上提出 了多种辐射定标方法 , 以提高辐射定标的精度 。 按 定标目的一般分为绝对辐射定标和相对辐射定标两 类 。 其中相对辐射定标又包括不同像元之间的相对 辐射定标( 即图像均匀化) , 不同时间的相对辐射定 标( 即时间序列定标) 和不同传感器之间的相对辐射 定标( 即交叉定标) 。 按定标的 阶段分为发射 前定 标、 在轨星上定标和在轨替代定标三大类 。 其中在 轨替代定标包括场地定标法 、场景定标法和交叉定 标法 。
The Research Overview on Visible and Near-infrared Channels Radiometric Calibration of Space-borne Optical Remote Sensors
G AO H ai-liang ①, ②, ③ , G U Xing-fa ①, ③ , Y U T ao ①, ③ , LI X iao -y ing ① , ③ , GO N G Hui ①, ②, ③, ④ , LI Jia -g uo ①, ②, ③ (① S tate K ey Laboratory of Remote S ensing Science , J ointly S ponsored by the Institute of Remote S ensing Ap plications o f Chinese Academy o f Sciences and Beij ing N ormal Univ ersi ty , Bei jing 100101 ; ② Graduate Univ ersit y o f Chinese Academy of S ciences , Bei jing 100039 ; ③ T he Center f or N ational S paceborne Demonstration , Bei jing 100101 ; ④ School of Civ il Engineering , Beij ing J iaotong University , Beijing 100044) Abstract: Radiome tric calibratio n is the basis fo r qua ntitative applicatio n of remo te sensing . F ir st the co ncept , significance and metho d o f radiometric calibra tion a re explained . T hen the calibratio n methods o f pre -launch calibr atio n , on-bo ard calibration and vica rio us calibratio n a re introduced , and the role o f these calibratio n methods at different stag es are analy zed . Taking the focus o n the field calibratio n , scene calibration a nd c ross calibra tion o f vicarious calibra tion me tho d , the basic principles , scope a nd cur rent research sta tus of these calibratio n methods a re ex patiated . Fina lly , the pro spects o f inte rnational radiometric calibration are summa rized and the proposals fo r do me stic r adio metric calibratio n are put fo rw ard , w hich w ill enable the user s to obtain the more accurate remo te sensing data . Key words : radiance calibratio n ; vica rio us calibratio n ; test site calibra tion ; sense calibratio n ; cro ss calibratio n ;
摘要 : 辐射定标是遥感定量化应用的基础 。 在阐述辐射定标概念 , 意义和方法的基础上 , 介 绍了发射前 定标 、 在轨星上定标和在轨替代定标的各种方法 , 并分 析了这些 方法在 卫星不同 阶段所 起的作用 。 以在轨 替代定标 中 的场地定标法 、场景定标法和交叉定标法为重点 , 详 细介绍 了其中各 种方法 的基本原 理 , 适用 范围以 及当前国 内 外研究现状 。 最后 , 对当前国际上辐射定标的发 展趋势作 出展望 , 并针对国 内的辐 射定标现 状提出 相关的建 议 , 使用户能够得到更高精度的遥感数据 。 关键词 : 辐射定标 ; 替代定标 ; 场地定标 ; 场景定标 ; 交叉定标 doi : 10 . 3969/ j . issn . 1000 -3177 . 2010 . 04 . 022 中图分类号 : T P79 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 -3177( 2010) 110 -117 -12
前定标 、 在轨星上定标和在轨替代定标三类[ 1] 。
2 辐射定标方法综述
遥感应用逐步由定性走向定量 , 通过遥感图像 获取稳定可靠的地表真实辐射信息是遥感定量化的 基础 , 而传感器的辐射定标是实现地表真实辐射信 息获取的前提 , 因此辐射定标工作非常重要 。 可见 近红外通道的辐射定标根据传感器状态可分为发射 — 118 —
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星载光学遥感器可见近红外通道辐射定标研究进展
高海亮
①, ②, ③
, 顾行发
①, ③
, 余涛
①, ③
, 李小英
①, ③
, 巩慧
①, ②, ③, ④
, 李家国
①, ②, ③
(① 中国科学院遥感应用研究所 遥感 科学国家重点实验室 , 北京 100101 ; ② 中国科学院研究生院 , 北京 100049 ; ③ 国家航天局航天遥感论证中心 , 北京 100101 ; ④北京交通大学土木建筑工程学院 , 北京 100044)
收稿日期 : 2009 -06 -01 修订日期 : 2009 -09 -10 基金项目 : 863 计划资助项目( 2006AA 12Z113) , 国防科技工业民用专项科研技术研究项目( O7K00100KJ)。 作者简介 : 高海亮( 1982 ～ ), 男 , 山西太原人 , 博士研究生 , 主要从事辐射定标和高光谱遥感研究 。 E -mail : jlu g hl @126 . com 通讯作者 : 顾行发( 1962 ～ ), 男 , 博导 , 研究员 。 E -mail : x fg u @irsa . ac. cn