天宫一号高光谱成像仪在轨辐射定标与验证_李振旺

天宫一号高光谱成像仪在轨辐射定标与验证
李 振 旺１，２，刘 良 云１，张 浩１，张 九 星３，李 绪 志３
（１．中 国 科 学 院 遥 感 与 数 字 地 球 研 究 所 数 字 地 球 重 点 实 验 室 ，北 京 １０００９４； ２．中 国 科 学 院 大 学 ，北 京 １０００４９；３．中 国 科 学 院 空 间 应 用 工 程 与 技 术 中 心 （筹 ），北 京 １０００９４）
ｐｅｒ－ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｉｍａｇｅｒ［Ｊ］．Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２０１３，２８（５）：８５０－８５７．［李 振 旺，刘 良 云，张 浩， 等 ．天 宫 一 号 高 光 谱 成 像 仪 在 轨 辐 射 定 标 与 验 证 ［Ｊ］．遥 感 技 术 与 应 用 ，２０１３，２８（５）：８５０－８５７．］
个定标场地中央选择面积约 ５０ ｍ×５０ ｍ 的 均 匀 区 域 ，样 区 内 按 样 带 垂 直 向 下 测 量 地 物 ８０～１００ 次 ，并 前 后 各 测 量 参 考 板 １０ 次 ，通 过 多 次 平 均 获 得 测 量 样 区的光谱反射率。为减小测量人员和设备对散射光
的干扰，测量人员 穿 深 色 服 装，并 侧 身 伸 出 胳 膊，垂
８５ ２ 遥 感 技 术 与 应 用 第 ２８ 卷
２．２ 地 面 光 谱 测 量 天宫一号两 次 过 境 北 京 的 时 间 分 别 是 ２０１２ 年
２ 月３日９：２０左右和２０１２年３月６日１４：３０左右，
摘 要 ：利 用 ２０１２ 年 ２ 月 ３ 日 和 ３ 月 ６ 日 在 北 京 市 组 织 的 星 地 同 步 观 测 实 验 ，开 展 了 天 宫 一 号 （ＴＧ－ １）高光谱成像仪各通道在轨辐射定标与检验研究。首先，利用 ３ 月 ６ 日 地 面 定 标 场 的 定 标 实 验 数 据，采用 ＭＯＤＴＲＡＮ 辐射传输模型，根据反射率基法获取天宫一号高光谱成像仪各通道辐射定标 修正系数，修正后的辐射定标参数与实验室和星上参数存在一定程度的差异 ，可见近红外和短波红 外各通道相对差异均超过了１０％。 然 后，利 用 ２ 月 ３ 日 的 星 地 同 步 观 测 数 据，对 辐 射 定 标 结 果 进 行 验 证 。 结 果 表 明 ：定 标 后 的 图 像 精 度 大 大 提 高 ，并 且 定 标 结 果 与 验 证 数 据 具 有 很 好 的 一 致 性 。 在 绝 大 多 数 通 道 ，两 者 的 相 对 误 差 小 于 １０％ ，相 对 误 差 较 大 的 通 道 主 要 分 布 在 臭 氧 、水 汽 等 气 体 吸 收 波段。因此，天宫一号在轨定标的星地实验校正了高光谱成像仪的辐射定标系数 ，提高了改进辐射 校正产品的定量化精度。 关 键 词 ：辐 射 定 标 ；修 正 系 数 ；反 射 率 基 法 ；ＭＯＤＴＲＡＮ；天 宫 一 号 ；高 光 谱 成 像 仪 ；验 证 中 图 分 类 号 ：Ｖ ５５６．３ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００４－０３２３（２０１３）０５－０８５０－０８
１ 引 言
天 宫 一 号 是 中 国 第 一 个 目 标 飞 行 器 ，于 ２０１１ 年 ９月２９日２１时１６分３秒在酒泉卫星发射中心发射。 按照任务计划安排，天宫一号将开展一系列空间科学 实验。其中，空间对地观测实验将利用装载在天宫一 号上的一台高 分 辨 率 高 光 谱 成 像 仪 ，在 地 球 资 源 、海 洋 、环境 、水土、农 林 、城 市 等 领 域 开 展 遥 感 测 绘 研 究 与应用。天宫一号高光谱成像仪可分别在可见近红 外 和 短 波 红 外 波 段 进 行 拍 摄 成 像 。 由 于 发 射 、在 轨 运 行环境影响和空间环境的巨大差异，天宫一号高光谱 成像仪星上光谱和辐射性能与发射前实验室和星上 定 标 状 态 存 在 一 定 差 异 ，难 以 满 足 定 量 化 遥 感 应 用 需 求。因此在定量应用之前需要经过在轨辐射定标，获 取一套准确可用的传感器定标系数。
２ 地面试验２ 月 ３ 日 和 ２０１２ 年 ３
月６日过境北京，根 据 天 宫 一 号 过 境 情 况 以 及 预 先 提供的飞行轨迹，提 前 选 择 地 面 同 步 试 验 地 点。 选 择 的 定 标 场 地 要 求 下 垫 面 平 坦 均 匀 ，地 物 单 一 稳 定 ， 开阔无遮挡，且定 标 场 地 要 求 大 于 ５ 个 像 元。 通 过 综合考虑，最终选择 北 京 市 少 年 宫 一 块 天 然 足 球 草 地（图１（ａ））和 北 京 市 房 山 区 的 青 龙 湖 水 库 附 近 的 一块翻耕农田（图１（ｂ））作为本次试验的定标场 地， 分别于２０１２年２月３ 日 和 ３ 月 ６ 日 开 展 地 面 同 步 实验。两个场区场 地 均 匀 开 阔，满 足 地 面 同 步 试 验 的要求。
传递到卫星遥感器 定 标 参 数；而 反 射 率 基 法 反 射 率 法 易 于 实 现 ，人 力 物 力 成 本 较 低 。
鉴于目前我国地面光谱仪辐射定标的时效性和 辐射定标精度，本文 使 用 场 地 定 标 方 法 中 的 反 射 率 基法，通过设计地面 同 步 试 验 获 取 卫 星 过 境 时 的 地 面和 大 气 参 数，利 用 ＭＯＤＴＲＡＮ ４ 把 地 面 反 射 率 转换到表观辐亮度，并 与 天 宫 一 号 高 光 谱 成 像 仪 的 Ｌ１ 级 辐 射 校 正 产 品 进 行 比 对 ，计 算 一 套 辐 射 定 标 修 正 系 数 ，对 实 验 室 和 星 上 定 标 系 数 进 行 改 正 。
第 ２８ 卷 第 ５ 期 ２０１３ 年 １０ 月
ＲＥＭＯＴＥ Ｓ遥ＥＮ ＳＩ感ＮＧ Ｔ技ＥＣ ＨＮ术ＯＬ ＯＧ与Ｙ ＡＮ应Ｄ ＡＰ用ＰＬＩＣＡＴＩＯＮ
Ｖｏｌ．２８ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．２０１３
引 用 格 式：Ｌｉ Ｚｈｅｎｗａｎｇ，Ｌｉｕ Ｌｉａｎｇｙｕｎ，Ｚｈａｎｇ Ｈａｏ，ｅｔ ａｌ．Ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ＴＧ－１ Ｈｙ－
第５期 李振旺等：天宫一号高光谱成像仪在轨辐射定标与验证 ８５ １
海亮等 针 ［７，１５］ 对在轨辐射定标 过 程 中 的 不 确 定 性 和 光谱响应函数的敏 感 性 进 行 了 分 析，为 以 后 传 感 器 的定标实验提供了借鉴和指导。
目前在轨辐射定标主要通过交叉定标和场地定 标等在轨替代定标方法来实现 。 ［１］ 由于轨道参 数 和 光谱通道匹配问题，天 宫 一 号 交 叉 定 标 的 实 现 比 较 困难。场地定标法是目前国际上最常使用的绝对辐 射定 标 方 法［１６］，定 标 方 法 分 为 ３ 种：① 反 射 率 基 法［１７］，即在遥感 器 飞 越 辐 射 定 标 场 地 上 空 时，在 定 标场地选择若干个 像 元 区，获 取 地 面 地 物 光 谱 和 大 气环境数据，利用辐 射 传 输 模 型 求 取 遥 感 器 入 瞳 处 的表观 辐 亮 度，确 定 它 与 成 像 光 谱 仪 对 应 输 出 的 ＤＮ 值 的 数 量 关 系，求 解 定 标 系 数；② 辐 照 度 基 法［２］，该方法主 要 是 对 反 射 率 法 的 改 进。 利 用 测 量 的总辐照度与漫射 辐 照 度 比 值，更 准 确 地 得 到 大 气 透过率，从而提高定标的 准 确 度；③ 辐 亮 度 基 法［１８］， 该方法是利用严格定标的航空遥感器与卫星遥感器 观测同一目标，利用 航 空 遥 感 器 获 得 的 辐 亮 度 和 辐 射传输模型计算得到卫星遥感器接收到的辐亮度， 是３种方法中精度最高的。３ 种方 法 在 辐 射 定 标 中 各有利弊，辐亮度基 法 和 辐 照 度 基 法 相 比 反 射 率 基 法精度有所改进，但 对 测 量 的 地 表 辐 亮 度 和 辐 照 度 有很高的要求［１５］，同步测量的 光 谱 辐 射 误 差 将 直 接
地面试验要求 在 卫 星 过 境 的 前 后 １５ ｍｉｎ 内 对 定 标
场地 完 成 地 面 光 谱 测 量。光 谱 测 量 仪 器 为 美 国
ＡＳＤ 公 司 生 产 的 可 见 光 近 红 外 地 物 光 谱 仪 ＡＳＤ ＦｉｅｌｄＳｐｅｃ Ｐｒｏ，参考板 采 用 中 国 科 学 院 安 徽 光 机 所 生产标定 的 白 色 参 考 板。ＡＳＤ 地 物 光 谱 仪 光 谱 范 围３５０～２ ５００ｎｍ，在３５０～１ ０００ｎｍ 范围内光谱采 样间隔为 １．４ｎｍ，１ ０００～２ ５００ｎｍ 范 围 内 采 样 间 隔为２ｎｍ。光谱 仪 在 完 成 测 量 后 经 仪 器 自 身 软 件 插值处 理，在 ３５０～２ ５００ｎｍ 整 个 光 谱 范 围 内 以 １ｎｍ的采样间隔输出结果。 地面光谱测量时，在每
收 稿 日 期 ：２０１２－０８－０６；修 订 日 期 ：２０１３－０４－２９ 基 金 项 目 ：国 家 ９７３ 计 划 项 目 （２０１０ＣＢ９５１７０１），载 人 航 天 工 程 天 宫 一 号 民 用 试 应 用 项 目 及 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （４１００１２０６）资 助 。 作 者 简 介 ：李 振 旺 （１９８８－ ），男 ，山 东 菏 泽 人 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 光 学 遥 感 与 应 用 方 面 的 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｗｌｉ＠ｃｅｏｄｅ．ａｃ．ｃｎ。 通 讯 作 者 ：刘 良 云 （１９７５－ ），男 ，湖 南 邵 阳 人 ，研究员，博士生导师，主要从事植被遥感与遥感机理应用方面的研究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｙｌｉｕ＠ｃｅｏｄｅ．ａｃ．ｃｎ。
遥感器辐射定标是将卫星影像 ＤＮ 值转化为遥
感器入瞳处的辐亮 度，高 精 度 的 辐 射 定 标 不 仅 是 遥 感器性能评价与卫 星 数 据 定 量 化 应 用 的 前 提，也 是 不同遥感器图像数据比较分析的基础 。 ［１］ 世界 上 几 乎每颗卫星在发射 成 功 后 都 要 进 行 在 轨 测 试，在 轨 辐射定标最早由美国 Ａｒｉｚｏｎａ大 学 的 Ｓｌａｔｅｒ等 针 ［２］ 对 Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ 传 感 器 辐 射 定 标 提 出，并 指 出 在 轨 辐射定标 法 是 定 标 精 度 较 高、最 直 接 有 效 的 方 法。 Ｂｉｇｇａｒ，Ｔｈｏｍｅ 等［３－６］使 用 该 方 法 对 Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ、 Ｌａｎｄｓａｔ ＥＴＭ、ＡＳＴＥＲ、ＳＰＯＴ 和 Ｈｙｐｅｒｉｏｎ等 传 感 器成功地进行过多 次 在 轨 定 标 实 验，得 到 各 传 感 器 不同时期高精度的定标系数。在轨辐射定标方法在 我国国产卫星的辐射定标中也得到了广泛的应用， 通 过 选 择 定 标 实 验 场 地 ，组 织 综 合 场 地 试 验 ，环 境 系 列 卫 星［７－９］、ＣＢＥＲＳ 系 列 卫 星［１０－１１］、风 云 系 列 卫 星 和 ［１２－１３］ 北京 一 号 卫 星 等 ［１４］ 都 成 功 地 进 行 过 绝 对 在轨辐射定标，并 取 得 了 较 好 的 定 标 结 果。 同 时 高