2.1 辐射定标

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6
3
2.1.2 辐射定标方法
n n n
1)卫星发射前实验室定标（Preflight calibration) 2)在轨星上定标（ On-board calibration) 3)辐射校正场定标(外场定标 )(Vicarious calibration)
n n n
反射率基法(Reflectance-based calibration) 辐照度基法(Irradiance-based calibration) 辐亮度基法(Radiance-based Calibation)
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5
2) 星上定标
Onboard Calibration n 星/机上定标不可能向发射/起飞前定标那样。 n 所采用的参照物包括： standard lamps and/or solar diffuser reflectance panels, deep space, the Sun and the Moon.
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定标场的选取
（1）一个相对较亮的目标，定标场目标的反射率不低于0.3，这样确保卫星信号 贡献绝大部分来自于地面，减少大气订正带来的误差； （2）目标海拔在1公里以上，这样大气中气溶胶和水汽的含量较少，减少与其相 关特性和浓度估计的误差； （3）具有非常好的空间均一性大面积平坦的地面目标，为满足不同空间分辨率 卫星的需要，定标场均匀区不小于2×2km2，这样可以减少地面仪器测量目标的 代表性，减少象元混合带来的误差； （4）定标场季节性变化较小，场区无植被，场区选在干旱或半干旱气候区，大 气中无云的天数较多，而且场区反射率不至于因湿度变化频繁而变化； （5）场区应该近似朗伯表面，减少因太阳和卫星观测角度的变化带来的不确定 性； （6）场区反射率具有较好的光谱均一性，这样可以较少因传感器光谱响应不匹 配带来的误差，有利于卫星传感器相互定标； （7）场区附近具有较好的后勤和交通便利条件，便于野外试验的开展进行 。
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6
2) 星上定标
n
星上定标存在缺陷：
n n n
定标光路和对地观测时的光路不同 自身基准定标光源退化 滤光片和分光片光谱特性的改变
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3) 辐射校正场定标
n
遥感卫星传感器在轨定标(in-flight radiometric calibration)，也称替代定标vicarious calibration），是利用地面均一场地作为定标 目标,把地面测得地表反射率或辐亮度和大气 参数输入到辐射传输计算程序，计算出大气层 顶的表观辐亮度或表观反射率，然后将表观辐 亮度或表观反射率与卫星计数值相比较得到卫 星传感器的定标系数 。
定标标准
定标标准通常由国家权威部门制定，并与国际接轨。 n Lamp Standards n Primary Lamp n Secondary standard lamp n Blackbody Standards n Reflectance Standards n Detector Standards
n
Double grating monochromator
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1) 发射前定标
实验室定标不足:
n n n n n
n
n
定标时的环境不同于空间交替处于日光照射和黑暗的真 空环境 卫星的温度也不同于定标时的情况 滤光片和其它渡有薄膜的光学元件其光谱特性可能改变 发射时的应力也会使光学元件的精细排列产生微小变化 光学表面，特别是望远镜的表面的老化和污染也可以使 传感器的响应有别于发射前定标的情况。 红外通道的传感器的响应对环境非常敏感，因此实验室 定标和 历史定标数据根本不能用。 为了确定相对于发射前定标是否发生变化，一些星上传 感器 装载有内定标器。 21:02
精 度尚高 投入的测试设 备和获 取 的测量数据相对 较少。不仅省工 、 省物而且满足精 度 要求。 其缺点是要对大气气 溶胶的一些光学特 性参量做 假设
精 度高 飞机飞 行高度 越高， 大气订正精度也就 越 高。 。 因此该方法投入的设 备 、资金 和人力 相 对较多。
特点
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2.1 辐射定标
辐亮度法 *地面 目标反射率因子 *大气光学特 征参量 *星、机、地 同步观测 *机、地观测 几何一致 *机载 辐射计 要经严格 的光谱和辐射标定 大气辐射传输模型 传 感器入瞳处辐射度
改 进的反 射率法 *地面 目标反射率因子 *大气光学特 征参量 *漫射/总辐照比 *星、地同步 观测 *星、地观测 几何一致
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3) 辐射校正场定标
1. 反射率基法(Reflectance-based)
• 卫星过境时测量地面的反射率和大气特性，利用 辐射传输程序计算大气层顶部(TOA)的辐亮度。 与卫星图像的DN值结合得到定标系数。
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地面反射比、 星-地匹配
测量 光学厚度 臭氧含量等
探空和 常规气象参数 水汽含量 卫星图象 计数值
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场区地表反射比 测量数据 6S辐射 传输模型 星地光谱 响应匹配 卫星光谱带上ρA和s
场区大气参数 测量数据
通道表观反射率
漫射辐射与 总辐射比
辐照度法定标流程
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卫星通道 定标系数
卫星图象 计数值
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3. 辐亮度基法
n
n
n
利用经绝对定标后的辐射计测量目标的上行辐 亮度（可以装在飞机上测量），而不是与参考 板进行比较。 在地面同步测量大气状况，利用辐射传输程序 计算大气效应，得到TOA处的辐亮度，与待标 定传感器的DN值相结合，得到定标系数。 对所使用辐射计的定标及表征成为关键。所选 择的滤波器与待定标传感器的滤波器相匹配。
GPS 数据
6S辐射 传输模型 表观辐射亮度 或表观反射率ρ 定标系数
反射率基法定标流程
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3) 辐射校正场定标
2 辐照度基法(Irradiance-based method)
反射率基法依赖于对气溶胶尺寸和分布的许 多假设，如果假设有误，所计算的大气层顶 的辐亮度就是错误的。为了假少这些假设带 来的问题，发展了辐照度基法。 该方法尽量利用测量的数据代替辐射传输模 型计算得到的参数。（包括测量下行总辐 射、光学厚度、天空光与总辐射之比）
第二章 定量遥感基础
Ø Ø
2.1 辐射定标 2.2 大气校正
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1
2.1 辐射定标
Ø Ø Ø
2.1.1 辐射定标概念 2.1.2 辐射定标方法介绍 2.1.3 辐射校正同步观测试验
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2
1
2.1.1 辐射定标概念
n
遥感器定标:遥感器定标是指建立遥感器每个探测元件 所输出信号的数值量化值与该探测器对应像元内的实 际地物辐射亮度值之间的定量关系。 Radiometric Calibration plays the rule of recovering all the light information from the digital pixel numbers.
n
4)其他方法
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• • • • • • •
发射前定标 星上定标 试验场同步测量定标法 海洋场景法 稳定的沙漠场方法 云场景的波段间相对定标 太阳耀斑场景的波段间相对定 标 • 月球表面观测校正方法 • 传感器探元间的定标 • MTF(调制解调函数) 补偿
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1) 发射前定标
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Hale Waihona Puke Baidu
2) 星上定标
星上定标器
n
n n
星上定标器把已知辐照度相对稳定的光源引入光学系 统，然后在不同时间记录下定标器的信号，以确定传感 器的响应是否发生变化。 TM的星上定标器包括三个灯和一束光纤 SPOT-1上高分辨率可见光传感器也有一个基准灯内定 标器，此外HRV还有一个太阳基准定标器，用光纤引 入太阳光。
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CBERS-1敦煌 场区图像
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3) 辐射校正场定标
青海湖是我国最大的内陆高原 微咸水湖，位于青海省境内。 湖区长106km，宽63km，平 均水深20m，最大深度 28.7m。湖中心有海心山，辐 射校正场试验区位于海心山东 南水域，试验区内水表温度分 布均匀，水表温度变化小于 1℃。 青海湖TM图像
n
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3
2.1 辐射定标概念
n
If DN offset is significant (not close to zero), then the equation to convert DN to radiance is:
n n n
spectral radiance maximum scene radiance minimum scene radiance
Ø Ø Ø
2.1.1 辐射定标概念 2.1.2 辐射定标方法介绍 2.1.3 辐射校正同步观测试验
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2.1.3 辐射校正同步观测试验
Ø Ø Ø
1 背景介绍 2 试验前准备工作 3 野外观测试验
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1 背景介绍
表1 中巴地球资源卫星（CBERS-1）传感器主要技术指标表
CCD相机 红外多光 谱扫描 仪 宽视埸成像仪 推扫式 振荡扫描 式 推扫式（分立相机） 1、 0.45～ 0.52微米 2、 0.52～ 0.59微米 10、 0.63～ 0.69微米 可见/近红外 波段 3、 0.63～ 0.69微米 6、 0.50～ 0.90微米 11、 0.77～ 0.89微米 4、 0.77～ 0.89微米 5、 0.51～ 0.73微米 7、 1.55～ 1.75微米 短波红外 波段 无 无 8、 2.08～ 2.35微米 中 红外波段 9、 10.5～ 12.5微米 无 无 扫描带宽 113公里 119.5公里 890公里 波段 6， 7， 8： 77.8 空间分辨率 19.5米 258米 米 波段 9： 156米 侧视成像 有（ -32°～ +32°） 无 无 视 场角 8.32 ° 59.6 ° 8.8 ° 21:02 30 传感器名称 传感器类 型
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敦煌和青海湖试验场的基本特征参数
特征参数 位 置 敦煌试验 场 甘肃省敦煌市 40°7′ N， 94°20′ E 1194m 30km× 35km 戈壁沙漠 ，无植被 干 燥大陆 性气候 压 温 887.6hpa 9.5℃ 34.1mm 43.9% 3270小时 112.2 288.2 15% —30% 青 海湖试验场 青 海省青 海湖 36°45′ N，100° 22′ E 3196m 4635km2 淡盐湖， 平均深 度20m 高 寒半干旱草原 气候 686.6hpa 0.8℃ 434.5mm 69.8% 2981.2小时 56.9 358.1 0.4—0.58μ m：3% —5% 0.58—1.04μ m：≤3%
海拔高度 面 积 表面特征 气 候特征 年 平 均 气 象 参 数 气 气
可降水 相对湿度 日照时间 晴 空日数 能 见度＞ 10km日 数 可见光、 近红外 波段 表面反射 率
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3) 辐射校正场定标
定标方法:
1、反射率基法(Reflectance-based) 2、辐照度基法(Irradiance-based) 3、辐亮度基法(Radiance-based)
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2.1.1 辐射定标概念
n
意义:
ü ü ü ü ü ü ü
传感器性能评价与监测 能量分析 大气特征参数估测 大气订正和地形校正 多时相、多角度、多传感器数据的归一化 多光谱分析 定量分析模型的应用
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2.1 辐射定标
Ø Ø Ø
2.1.1 辐射定标概念 2.1.2 辐射定标方法介绍 2.1.3 辐射校正同步观测试验
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3) 辐射校正场定标
敦煌试验场(40°08 ′N， 94°40′E)，平均海拔高度1194m; 地表特征为再生冲积形成的戈壁 滩， 地势平坦。 地表由沙土与灰色砾石混和而 成，粒径为2cm-5cm; 在选定的20 km×20km 区域内 基本无植被覆盖。 大陆性干燥气候。大气干洁，无 污染。
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3. 辐亮度基法
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n
n
测量所采用的辐射计必须进行绝对辐射定 标，且最终辐射校正系数的误差以辐射计的 定标误差为主； 由于仅需对飞行高度以上的大气进行订正， 回避了低层大气的订正误差，有利于提高校 正精度；
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方法类型 测量参数
反 射率法 *地面 目标反射率因子 *大气光学特 征参量 *星、地同步 观测 *星、地观测 几何－致 或 进行观测角校正 大气辐射传输模型 传 感器入瞳处辐射度
测量条件 大气传输 模型 最终结果 精度
大气辐射传输模型 得到传感器高度的表观反 射率，进 而求出 传感 器入瞳处 辐射度 精 度较高 利用地面测量的大气漫射 /总辐照比来描述气溶 胶的散射特性，减少 了反射率法中由于气 溶胶光学特性参量的 假设而带来的误差。 其缺点是测量数据相对 较多，漫射/总辐照比 的测量在高纬度地区 27 带来较大的影响。