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资源卫星在轨绝对辐射定标方法研究——以2004年CBERS02星敦煌场

发布时间:2019-07-22 22:24 来源:未知 编辑:admin

  摘要 自 20世纪90年代以来, 我国已经形成了较为完善的卫星遥感技术体系, 1999年成功地发射了中巴地球资源一号卫星01星(CBERS-01), 2003年又成功地发射02星, 改变了长期依靠国外遥感数据源的现象。 另在遥感数据获取的能力、 速度和费用等方面得到根本的改善, 大大提高我国遥感应用水平。 但是, 在遥感信息定量化技术等方面与发达国家相比, 还存在有相当大的差距。 为了 进一步开展我国资源卫星数据在定量化遥感方面的应用,快速地提高遥感定量化技术与精度,必须长期提供绝对辐射定标系数。 因此, 如何获取在轨的绝对辐射定标系数及保证精度,是研究的重要内容...

  摘要 自 20世纪90年代以来, 我国已经形成了较为完善的卫星遥感技术体系, 1999年成功地发射了中巴地球资源一号卫星01星(CBERS-01), 2003年又成功地发射02星, 改变了长期依靠国外遥感数据源的现象。 另在遥感数据获取的能力、 速度和费用等方面得到根本的改善, 大大提高我国遥感应用水平。 但是, 在遥感信息定量化技术等方面与发达国家相比, 还存在有相当大的差距。 为了 进一步开展我国资源卫星数据在定量化遥感方面的应用,快速地提高遥感定量化技术与精度,必须长期提供绝对辐射定标系数。 因此, 如何获取在轨的绝对辐射定标系数及保证精度,是研究的重要内容和关键环节。 本文在介绍绝对辐射定标目的、方法及技术流程的基础上,阐述了2004年8月19和25日 在敦煌进行CBERS-02星CCD传感器在轨绝对辐射定标地面同步观测试验。 详细分析考究了试验场地、 获取地面反射率、 大气光学特性参量、 大气漫射/总辐照比所需的仪器、测量规范、测量线路及方法,并重点介绍在地面反射率因子计算中, 考虑在野外环境下, 参考板反射率因子的影响及修正, 从而提高了定标结果精度。 在大气光学厚度数据处理中,由于2004年8月25日 天气状况不稳定,无法使用Langley-Bouguer法,故利用8月19, 20日两个晴朗天气测量数据的Langley-Bougu erg 截距, 求 解8月 25日 的 瞬时大气光学厚 度, 尝 试新的处理大气光学厚度的方法。 最后应用6S辐射传输模型,分别用反射率法和辐照度法计算出CBERS-02CCD传感器4个波段的绝对辐射定标系数, 并进行比 较分析, 取得了良 好的成果。同时,为了对场地定标法结果进行检验,利用2004年8月25日的Landsat-5 TM 对CBERS-02图像数据进行交叉定标,验证分析了CBERS-02 CCD传感器场地绝对辐射定标的基本特性及其可靠性, 并对定标结果进行初步的应用, 取得了甚好的应用效果。 通过本项目的研究,发现Landsat-5 TM 第3波段所存在的问题,并分析其 出现的两种可能:(1) 自 从Landsat-5 TM成功发射以 来,己 有20多 年的 运行历程, 随着时间的推 移,由于传感器的性能会发生衰减,从而导致传感器的输出信号的不稳定。(2)在交叉定标中使用的Landsat -5 TM绝对辐射定标系数是2003年5月获得 的,可能已不适用于目前的图像数据,这表明及时更新在轨绝对辐射定标系 数甚是必要。 针对以上所存在的问题,有关部门需要不断深入开展这方面的调查与研究,与国外有关专家进行交流与切磋,以寻求解决问题的答案。 对于定标的结果还需经真实性检验后, 才能提供给用户, 进一步开展生物物理参量反演及更好地进行多种传感器图像数据间的综合利用。 可见, 资源卫星绝对辐射定标研究是实现遥感数据定量化应用, 不断提高我国对地观测技术水平和改进图像质量的拓展性重要课题。 关键词: 绝对辐射校正; 敦煌场地: 地面同步测量; 绝对辐射定标系数; 6S辐射传输模型 A bstract Since 1990s,it has formed better technologic system of satellite rem ote sensing inour country. The succ essful launch of CBERS-01 in1999 and CBERS刁2 in 2003 haschanged the phenom enon depending on the oversea data of rem ote sensing. Inaddition, the capability, speed and expense to obtain the rem ote sensing data havebeen impr oved thoroughly. It has greatly enhanced our national r emote sensingapplication. Howe ver, compared with the developed countries in the quantitative levelof rem ote sensing, it has a big gap. To develop fu rtherly quantitative application ofour satellite data and increase rapidly the quantitative technology and pre cision,itis nec e ssary to pr ovide the absolute calibration coef f i cients on the long-term.Therefore, It is very im por t ant m atter and key step to how to get the coefficients andensur e the accuracy. The thesis presents the gr ound-based simultaneous m easurem ents for in-f l ightabsolute calibration of CBERS-02 on August 19 and 25 at dunhuang test site, basedon the introduction to purpose, methodology and technique f l ows of absolutecalibration. It detailed to analyse the test site,the instrum ents for the measurements ofsurface ref l ectances,optical pr oper ties of atmosphere and the ratio of dif f use to globalirradiance,measurement criterions ,measurement r o utes and methods as well asfocused on the ef f ects and cor r ects of the white panel ref l ectanc e factor under thefield envir onment during the com putation of surface ref l ectanc e in order to increasethe accuracy of calibration. During the processing of opitical depth of atmosph ere, it is unable to use theLangley-Bouguer meth od because of the instability of the weather on August, 25 2004and compute the optical depth of atmosphere using the interc e pt of Langley-Bouguerfor August,19 and 20 ,2004.1 t attem pted to use a new processing method for opiticaldepth. T he coefficients of CBERS-02 CC D sensor for four bands have been obtainedthr ough the 6S atmospherical transfer code ir r adiance-based methods respectively.The two results of coeff i cients are veryconsistent by com paring. To val i date the calibration results of dunhuang test site, 比 ecross-calibration of Landsat-5 TM and CBERS- 02 based on the im age ofAugust,25,2004 was perform ed. It showed that the consistency between results fr omDunhuang site calibration and cross-calibration varies less than 6% exc e pt with band3.1 t verif i ed the radiometric performance and r eliability for the absolute calibration ofCBERS-02 CCD sensor. It achieved good application ef f or ts by using the calibrationresults primarily. Through the research of the project, it discovered the problem with the band 3 ofLandsat-5 TM .There are two possibilities as follows: (1) Sinc e the successful launch of Landsat-5 TM, it has operated on-orbit more than 20 year s .Never t heless,the instrument has aged and its characteristics have changed since instabi l ity of output signals for TM sensor. 必The absolute calibration coefficients of Landsat-5 TM was provided inusing r ef l ectanc e -based and its launch,it resulted in the May,2003 for the cross-calibration method.It is possible to unfit the prese nt iamge data.It showed it is very necessary to update the in-f l ight absolute calibration coefficients timely. Being aimed at the above the problem,the involved depar t ment needs tocontinue carrying on the investigation and research for it and perform ingintercourse and interchange with foreign exper t s in order to solve the problem. After the validation of calibration results, they will be provided to users toperform the retrieval of bio-physical param eters and integrated utilization formulti-sensors iamge data. Therefore, The absolute radiometric calibration of ourresource satellite is to realize the quantitive application of rem ote sensing dataand increase constantly our earth observation technique and improve the qualityof iamge.Key wor ds: Absolute radiometric calibration, Dunhaung test site, ground-basedsimultaneous measurement, calibration coef f icients,6S atmospherical transfercode 升萦 舒 i6火 孝学位论文原创性声明 本人郑重声明:究工作所取得的成果. 除文中已经注明引用的内容外, 本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体, 均己 在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研学位论文作者签名:日期:年月日关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京师范大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京师范大学。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版, 允许学位论文被查阅和借阅; 学校可以公布学位论文的全部或部分内容, 可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释: 本学位论文属于保密在_非保密论文注释: 本学位论文不属于保密范围,适用本授权书。 学位论文全文电子版同意提交后师生浏览。年解密后适用本授权书。本人签名导师签名: 口一年 口二年在校园网上发布, 供校内 日期:日期: 第一章绪论1.1研究目 的 20世纪70年代末80年代初,随着全球变化研究计划的制定和遥感应用日 趋定量化,进一步改进卫星定量遥感梢度的要求越来越迫切。 遥感信息定量化就是基于传感器的绝对辐射定标,对遥感图像数据中的一些影响因素 (如大气、照明、观测几何和地形等影响) 进行订正来获取地面目标信息 ( 如反射率和温度等),增强图像质量,以实现遥感数据的定量应用。因此,传感器绝对辐射定标是实现遥感信息定量化的基本前提。 我国 在接收和应 用国内 外陆 地卫星和气象卫 星数据时也深 刻体会到, 如果 对所接收的数据能给予辐射定标,则可使我国在卫星资料应用方面,上一个很大的台阶。我国是国际上能独立发展空间对地观测技术的少数国家之一, 建立和发展中国遥感卫星辐射定标场及 其技术是我国应用卫 星和卫星 应用的重要 组成部分。 选择和 研究适合于多 种卫星传感器发展需要的辐射定标场及定标技术, 不仅可以提高我国对地观测技术的总体水平和遥感数据应用的广度与深度,而且其科学意义、社会和经济效益也是十分显著的。is 绝对辐射校正的盘义(1 ) 遥感 数据定量化的需 要 传感器输出的数字量或模拟量都是相对值, 只能作相对比较。 全球资源和环境变化的实时监测与管理要求遥感技术能够提供长时相、多种传感器、多区域的遥感数据。只有将传感器记录的数字量 (或模拟量) 转换成对应像元地物的实际辐射亮度值,才能对不同地点、不同时间、不同类型传感器获取的遥感数据进行定量比较和应用,以满足全球资源和环境变化研究的需要。 要实现上述要求,则必须不断给出传感器的辐射定标系数。开展辐射定标场定标工作的目的,是建立传感器输出的信号数字值与地面对应像元实际 地物 辐射度之间的定量关系, 从而可实时 监测传感 器的 性能变 化, 并 定期或 不定 期给出传感器的辐射定标系数。 20世纪9()年代, 定量遥感技术的发展、 全球资源和环境变化的遥感监测以及多光谱、多时相和多种卫星传感器遥感数据的综合应用和定量分析技术的发展, 越来越迫切地对卫星传感器的辐射定标提出了高精度的要求。 由此可见, 建立一个高精度的辐射定标场,发展和建立场地绝对辐射定标技术与方法,不但是发展我国遥感卫星的需要,也是发展我国定量遥感的要求。 对我国参与国际全球变化研究和有效利用国际上其他卫星遥感数据。进行多种遥感系统数据分析与应用具有重要意义。(2) 监测星上传感器的变化 长寿命遥感卫星传感器的性能通常都随着光学元件和电子元件的老化以及空间环境条件的变化而变化,这将影响卫星遥感数据的精度与可靠性, 从而影响遥感资料的处 理和应用水平。 如FY -1极轨 气象卫星, 其传感器的可见光和红外通道在发 射前都进行了定标, 且红外通道带有星上定标装置(可见光通道没有)。 根据1 990年9月 3日 发射的FY-1B在轨测试结果表明: A辐射计 红外通 道信号 有衰减,到1 991 年5月,己 衰减了 15.2%; 可见光通道1到1991年5月灵敏度衰减约为21.4% a. 美国1984年和1986年发射的NOAH-9和NOAA-1 0卫星, 到了 1988年发现这两 颗星的 AVHRR传感器0.58- 0.68t tm 通道的 灵敏度分别衰减了 27%和2 9%; 0.725^-1 .1 tun通道的灵敏度分别衰减了 29%和37%. 因 此, 美国利用白沙导弹基地 (WSMR) 和千湖床 (EAFB) 两个地面辐射定标 场对NOAA卫星的AVHRR传感 器的可见光、近红外两 个通道进行了 辐射定标。1 992年发现,Landsat-5卫星的 TM 2,TM3和 TM 4三个通道的灵 敏度自 发射以 来分别下降了 17.1%, 1 3.4%和3.1%a法国的SPOT卫 星在使用太阳 作光源得到定标结果不理想的 情况下,也利用该场对其进行了 辐射定 标, 结果表明, 其灵敏度也下降了 几个百分点。 19 79年, 美国 根据海色扫描仪CZCS的工作 特性, 利 用海洋表面作为 辐射定标场, 重新 对CZCS的 辐射特性进行了 评价。 测量结果显示, CZCS短波区域的灵敏度在4年后下降了 25%。 根据以 上所述的美国和法国 的研究结果, 利用地面辐射定标场对在轨卫星传感器进行绝对 辐射定 标是当 前较好的技术选择。(3) 弥补星上定标系统的不足 通常, 卫星遥感仪器的星上定标 (称内定标) 精度有限,不能满足定量产品的精度要求。 另外, 随着时间的推移,星上定标 系统的自 身 性能也不断 下降, 难以 保证定 标结果的正 确性。目 前, 红外定标源采用的 星上参考黑 体一 般也只能做到10 K的定 标精度,可见光、 近红外定 标源采用标准灯或引 入太阳光作为定标源, 效果均 不理想, 难以实 现高 精度的 辐射定标。 另外, 一些卫星由 于其 工作 方式的限制, 直接影响内 定 标精度的 提高, 如我国的 FY -2静止气象卫星的可见光和红外通道 在发射前和飞 行中都 进行了 定标,但受自旋稳定气象卫星工作体制的限制, 前级光学系统不能进入定标光路,其定标精度低于极轨气象卫星。利用 这种定 标方法,红外通道的定标精度仅为20 K左右,可见光通道的定标精度低于1 0%。 由此可见, 这就 需要 利用地面定 标场来对卫星传感器进行辐射定标,以弥补星上定标的不足。(4) 实现多星多传感器多时 相数据比 对 在全球气候和 环境变化监测中, 通常要应用不同 卫星的长期连续观测的 遥感 数据,以 实现多 种卫星传感器数 据和同一卫星 传感器不同时 相数据的同 化和定标。 这是依靠单纯的内定标难以解决的,必须通过地面同步观测进行辐射定标后,实现多星传感器数据的相互匹配。 这样, 才能使多种卫星遥感资料和同一卫星不同时相资料有一个统一的标准,以便于比较和应用. 13 国内外研究现状 自1972年美国发射第一颗陆地卫星以来, 人类通过遥感信息对自己赖以生存的资源和环境问题的认识有了不断的深化。 为了更有效地利用遥感技术对地球资源和环境变化进行监测与管理, 国际上己制定了许多遥感发展计划和国际合作计划. 如: 国际卫星陆地表面气候计划 (ISLSCP ),国际地圈一生物圈研究计划 (IGBP),全球变化研究计划 (GCRP) 和NASA的地球观测计划 (EOS) 等。 20世纪90年代, 新型遥感卫星的研制和遥感仪器的开发更进一步推动了以辐射定标和真实性检验为核心的遥感质量保障系统的建立。国际地球观测卫星委员会 (CEOS) 还专门成立了定标和真实性检验工作组 (WGCV ),以协调各国的有关活动。正是在这些计划的推动下,目 前遥感信息正向定量化阶段发展。 随着定量遥感技术的发展, 特别是利用多光谱、 多种卫星传感器的遥感数据来监测和分析全球气候与环境变化的迅速发展,对卫星传感器的辐射定标提出了高精度的要求,并巫需通过有效的、 客观的真实性检验, 对遥感传感器技术和卫星遥感数据反演精度作出合理的评价。 卫星在运行过程中的辐射定标通常有星上定标和地面试验场定标两种方法. Landsat-7 EMT+传感器平台上就带有两个新的太阳定标器: 部分孔径太阳定标器 (PASC) 和全孔径太阳定标器 (FASC),前者在每一轨道卫星接近日出时,将一个太阳的像转现到遥感器的孔径中; 后者每个月展开一次, 将漫射太阳辐射充满整个遥感器视场。法国在前几颖卫星上也带有星上定标装置,但在后续的SPOT卫星上,为了减轻星上有效载荷的重量, 将抛弃星上定标装置, 完全依靠地面定标场完成一系列的定标工作。地面试验场定标工作最早是美国发起的,并在美国新墨西哥州的白沙导弹基地 (WSMR) 建立了白沙定标场。随后,美国又在加利福尼亚爱德华空军基地 (EAFB)的干湖床建立辐射定标场;法国在其东南部的马塞市附近的La Crau地区也建立了 辐射定标场。 这些定标场现已 投入运行,并对多颗卫星传感器进行过辐射定标工作。 根据美国和法国公布的资料,目 前利用地面辐射定标场方法对可见光、 近红外波段卫星传感器的绝对辐射定标精度可达5%- 3%左右。除成功 地对Landsat-4, -5 TM, SPO T HRV,NOAA-9, -I0, -11 AVHRR, Nim bus-7 CZCS进行辐射定标外,目 前国际上正在进一步研究用于高空间分辨率成像光谱仪 (AVIRIS) 和中分辨率成像光谱仪 (MODIS ) 的辐射定标方法。 美国和法国的遥感技术和应用部门还建立了野外机动遥感试验车, 以便灵活、快速地获取绝对辐射定标和真实性检验所需的地面实测数据。 除此之外, 它们还在海洋和陆地上选择了临时性同步观测试验区, 并多次开展了卫星和地面同步观测试验。 加拿 大在其北部大草原也开展了卫星、飞机、地面三同步积雪同步观测,以便对卫星传感器 作出客观评价。 我国在遥感信息定量化研究方面现已起步, 并取得了一定的成果。 在国际对地观测 计划的推动下,国内的一些项目在 “863” 空间对地观测计划、遥感信息获取与处理计 划以及国家重大空间工程计划和 “ 九 五” 遥感应用计划中得到了支持与落实。 其中最重要的标志就是1994年底经专家评议通过、并申报立项的 “ 中国遥感卫星辐射校正场”项目 。 国内的有关部门和一些研究机构己认识到辐射定标工作的重要性和紧迫性, 并先后不同程度地在相关领域进行了多方面的工作, 开展了有关辐射定标的一些理论工作和实验研究。同时, 在国内建立了场地观测仪器辐射定标实验室, 进行了方法性实验和光谱仪器的常规定标。 随着我国遥感技术的发展和气象卫星、资源卫星和军事卫星的相继发射,以及多年对辐射定标场的地面测量和预研工作积累, 近年来国内开展这方面工作的条件和时机己基本成熟。 自1994年以来,在我国的敦煌辐射校正场相继对气象卫星、SPOT卫星、CBERS-1卫星CCD传感器等进行过绝对辐射定标, 己基本具备开展飞行卫星传感器绝对辐射定标的经验和方法。1.4 论文内容 本研究主要是依托于国防科工委民用航天专项科研预研究课题“ 资源卫星遥感信息定量化方法研究与检验”,为资源卫星开展定量化及定量应用和进一步开发定量、半定量化产品做了较深化的研究。本论文主要以中巴地球资源卫星一 02星2004年敦煌绝对辐射校正场试验为基础, 分析了资源卫星地面场地定标的过程及初步结果, 并对其进行了检验及初步应用效果。 论文第一章简单介绍了研究传感器在轨绝对辐射定标的目的、 意义以及国内外研究现状; 第二章主要介绍绝对辐射定标的几种方法、 比较及其技术流程。第三章主要介绍试验的描述, 包括试验场的背景、 试验仪器、 测量规范以及地面同步测量的过程和地面测量数据的处理。 第四章主要介绍资源卫星02星绝对辐射定标的结果及精度分析。第五章则是对定标的结果进行真实性的检验及初步的应用效果。 第六章概要地介绍了本论文研究成果。 第二章 绝对辐射校正的方法2.1 绝对辐射定标方法 目 前飞行传感器绝对辐射定标方法主要有: 反射率法、 辐亮度法和改进反射率法。每一种方法都可以给出可靠的定标结果, 而且每一种方法都有一定的 优缺点。 通过对同一传感器同时使用这三种定标方法, 我们可以确定出每一种方法存在的问题, 并对它进行校正。如果一个传感器在发射后其性能有2%的下降,那么利用辐射定标场对其进行飞行绝对定标就可以 把这一变化检测出来。 可见, 绝对定标工作应长期进行,以 保证传感器测量辐射度的正确性。1 反射率方法 反射率方法是使用最多的一种在轨传感器绝对辐射定标方法, 它要求在传感器过顶时同步测量地面目 标反射率因子和大气光学参量 (如大气光学厚度、 大气垂直柱水汽含量等),然后利用辐射传输模型 (考虑多次散射) 计算出传感器入瞳处辐射度值。由于反射率方法不仅是一种基本的传感器绝对辐射定标方法, 而且所需的参量 (如地面反射率因子, 大气光学厚度和气体含量) 都是当时获取的,因此, 只要能保证这些参量的测量精度, 该方法得到的定标结果将具有很高的可靠性。 另外, 反射率方法的精度在很大程度上取决于地面反射率因子的测量精度,通常不可能超过地面反射率因子的测量精度。 因此, 如果想进一步提高其定标精度, 改进地面反射率因子的测量仪器和提高测量精度是关键。反射率方法的基本定标模型如图2一 所示。地面反射率大气参皿其他参数大气辐射传输模型传感器入瞳处辐射度测试区图 像一 ----------一 ~-~~绝对定标 图2-1 反射率方法的荃本定标模型2 辐亮度方法 辐亮度方法主要是采用经过严格光谱与辐射度定标的辐射计, 通过航空平台实现与卫星传感器观测几何相似的同步测量, 把机载辐射计测量的辐射度作为己知量去定标飞 行中卫星传感器的测量辐射度, 从而实现对卫星传感器的定标。 这种方法的一个重要因子是辐射计要精确定标。利用目 前实验室条件,辐射计定标误差将不会超过5%,并且有可能控制在3%以内。这种方法要求所使用的辐射计波段及响应函数与待定标卫星传感器的一样, 测量时间与卫星过顶时间相同, 观测几何与卫星传感器观测几何相似。 另外,还要对飞机与卫星之间这段路径的大气影响进行订正。对这种方法来说,如果飞机 (平台) 飞得越高, 大气订正越简单,订正精度也就越高。而且在订正方程中还要用到反射率方法中的所有测量数据和计算过程。因此, 辐亮度方法是很复杂的, 需要大量的装备。该方法基本定标模型如图2-2所示。场 “了 ”大气测量大气辐射卫星高度亮度 图2-2. 辐亮度方法的基本定标模型3 改进的反射率方法 改进的反射率方法 (辐照度方法) 就是利用地面测量的向下漫射与总辐照度值来确定卫星传感器高度的表观反射率, 进而确定出传感器入瞳处辐射度。 这种方法使用解析近似方法来计算反射率,从而可大大缩减计算时间和计算复杂性。 这种方法通过利用漫射与总辐照比测量数据来描述大气气溶胶的散射特性, 减小了常规计算中由于对气溶胶光学参量的假设而带来的误差。 改进的反射率方法除了需要反射率方法中的地面反射率因子和大气光学厚度的测量外, 还需要地面高度的漫射/ 总辐照比测量值, 其定标模型也与反射率方法的定标模型基本一样, 只不过多了漫射/ 总辐照比这一测量参量。 它和辐射度方法一样,需要测量的量比反射率方法多。对于天底观测传感器,由于需要将漫射/ 总辐照比的测量结果外推到00太阳天顶角处,因此,在这种方法中,漫射 / 总辐照比测量在高纬度冬季通常会带来严重的问 题。 另外, 这种外推还要求在最大到太阳中午的这段时间内,大气是稳定的。2.2 定标方法的比 对分析 在辐亮度方法与改进的反射率方法相比, 不仅是测量的量比反射率方法要多, 十分不便, 而且辐亮度方法需要耗费大量的人力、物力和财力: 改进的反射率方法的漫射/总辐照比的测量在高纬度冬季容易带来严重的问题, 具有一定的局限性, 但对于中纬度 以内的情况, 这种方法的效果较好, 精度也较高。 反射率方法是这三种方法中最基本的飞行传感器绝对辐射定标方法, 它所需要的参量都是在传感器过顶时同步测量的, 有一定的真实性和可靠性。但由于这种方法需要对大气气溶胶的一些光学特性作一些假设,从而影响定标精度,而改进的反射率方法就降低了 这些假设的要求,可提高定标精度。表2-1给出了这三种方法的相互比较分析。 根据以上分析比较,在设计我国遥感卫星传感器的飞行绝对辐射定标方法时,主要选用反射率法。但需强调的是,这种方法适用于高空间分辨率传感器 (如Landsat TM,SPOT HRV,中巴地球资源卫星CCD相机等) 的绝对辐射定标,而对低空间分辨率传感器来说,由于它们的地面像元较大,很难做到地面反射率因子的同步测量,因此该方法对这类传感器不适应,必须寻求其他定标方法 (如交叉定标)。 表2-1.三种绝对辐射校正方法的比较一 一} ----一反丽奉 法下 一一一辐亮度9 -一 - 一I 一★地面目标反射率因子★大气光学特性参量★大气光学特性参t量参数★星、地同步观侧★地面观侧几何要与卫星 观测几何一致或进行观 测角校正★机载辐射计要经过严格的 光谱和辐射定标模型大气辐射传抽模型大气辐射传翰模型改 班 - 反 N* 9 -★地面目 标反射率因子★大气光学特性参量★漫射/总辐照比★地面目 标反射率因子测★星、机、地同步观测★机载仪器观侧几何与卫星 观侧几何一致★星、地同步观测★地面观测几何与卫星观侧 几何一致测量条件大气辐射传输模型用近似解析法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改进反射率法的定标精度通常为35%。但通过使用改进的侧量仪器和测盘方法,其定标精度可提高到2.8%. 由于这种方法是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,因此,它减少了反射率法计算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会带来较大的影响。传感器入瞳处辐射度传感器入瞳处辐射度反射率法的定标精度通常为 4.9%。 但通过采用一些改进的侧量仪器和侧量方法,其定标梢度可提离到 3.3%. 投入的侧试设备相对较少,测t 数据也相对较少。 因此, 这种方法比较省工、 省物, 且能满足精度要求。 其缺点是: 要对大气气溶胶的一些光学特性参量作一些 假设(如气溶胶复折射指数、 气溶胶粒子谱分布和尺度分布范围等)辐亮度法的定标精度通常为2.8%。但通过采用一些改进的侧量仪器和洲t 方法,其定标精度可提高到1.8%. 飞机飞得越高,大气订正就越简单, 精度也就越高。为了 精确地进行大气订正,还需要反射率法的全部测量数据。因此,这种方法需要大量的仪器装各,消耗较多的资金、人力和物力。结果精度特点 2.3 绝对辐射校正技术流程 图 2-3给出的太阳反射光谱区 (0.4- 3.0 E m ) 绝对辐射定标技术流程是根据反射率方法的基本原理、 场地同步测量条件和应用目的提出的。 该流程不仅可用于卫星传感器的绝对辐射定标,也可用于航空传感器的绝对辐射定标。刁日少1!翎卜山曰地 面 参 数 与 计 算「 芬 : 二 二 二二二 二 二刁 目 标反时串P和BRDF 太 阳 参 数下二二二 二 二二 二”几111!Il r“仆1 刁”. 曰卫星圈盈翻t 值日用,过顶时词场地经度和纬度传 感 器 参 致观侧角控正大 气 和 气 故 套 数 下“比﹂“卫IJl lj i们卜勺.日门口圈象处理r f流n M 不 f孟嘿黑创~坚 裴 尘 }!分子和广IllL刃反射率计t9k0 (I d 4fAj l 1 E#m太阳的几何位里(B,.价 , ).I n # }辐射传 输模型 (6S)传感. 入. 处目 标 渡段月封度L目 标致字计处fUDCf f黑图2-3. 太阳反射光谱区 (0.4- 3.0 p un) 的 绝对辐射校正技术流程 YYYY:键,开始测量, 所有通道各测量一次,测量结束后,屏幕出现:按下R U N [ Q ]Sky/m ax设置为 NO,该数值表示测量数据的当前值。显示当前值。R T Nxxx /nnT i ID 按Store键存储数据,至此一次测量完成。 若继续测量,重复 (4) 中各项操作。 应注意的是,每次测量前都应保持太阳辐射计的准直光管严格对准太阳,以使准直光管上的 “针孔” 位于太阳光斑的中心处为宜。3.5 测2 原理3.5.1 地面反射率测且原理 反射率测量总的来说有两种测量方法: 顺序测量法和同时测量法。 在不同照明条件下对同一目标反射率进行测量,同时测量法得到的结果具有很好的可重复性,能避免天空辐照度变化带来的影响, 测量精度较高; 而顺序测量法受天空辐照度变化的影响, 其测量结果重复性较差,误差较大。因此,对于高精度地面测量来说,地面反射率的测量主要采用同时测量法。本次CBERS-02星CCD相机绝对辐射校正试验的地面反射率同步测量就采用这种测量方法。同时测量法通常需要两台仪器: 一台用于测量目 标表面的反射辐射度,另一台用于同时测量入射到目 标表面的总辐照度。测量示意图如图3-8所示。图中字母A和B分别表示两台测量仪器。﹄、\参考板图3-8.地面反射率同时测量方法示意图采用这种测量方法得到的目标反射率可表示为: P(x,} ;e.,m )m ,. L(A,2n;e,,O瑞 L(A,2n;a 碑)*x C(.k) x p(x,2Jr;9 碑 )、. V(} V(A)II,x c(A) x P(} ,趾 ;e.,碑 ),m其中p (a 2p;O r,}r)tar表示目 标的半 球入射一 方向 观测的反射率因子;表示参考板的 半 球入射一 方向 观测的反 射 率因 子;Lo,,2p;O r,}r)tar和 VQ } )tar表示目 标表面反 射辐射度和与 之对应的电 压信号; L(} 2p;O r,#)std和 V(a)std表示参考板 表面反 射辐射度和与 之对 应的电 压 信号; C(a)是两台 测量仪器 之间的 相互定 标因 子, 它是 波长和角度的函数。 在此次CBERS-02星CCD相机定标过程中, 2004年8月19日和25日为侧摆观侧, 地面测A 仪器分别固定在CCD相机的观测角度方向对敦煌场地的测试区进行测量。3.5.2 大气光学. 度洲f 原理 (3-1)po a,2p;O r tr)std大气光谱光学厚度T ( 刃与地面太阳直射光谱辐照度Ed ;,(习的关系为:Ed o (, k) - d,E,(. k)expl-二T(x)l其中 Ed (A)是到 达 地面的 太阳 直射光 谱辐照度, £ 试 几 )是 大气外太阳 光 谱辐照 度,一地距离订正因子,它随儒略历天数1的变化可表示为: (3-2)ds是日d , 丁 -0 .0 1 6 7 3-c o0.98567 r (J 一 4)/180(3-3)方程 (5-1 )中的 m 是大气光 学质量, 可 表示为: 1尸m 一 c o sO , +0 .1 5-(9 3 .8 8 5一 B ,)一 , 1 5 31 0 1 3 .2 5其中B s是太阳天顶角 (单位: 。 ), P是大气压强 (单位: hPa)。当太阳天顶角8,小于750时, m^ 1/cos(O ,)= secO ro 对于只有如03 和N02 这样吸收气体的波长, 同时考虑到地面测量仪器输出的电 压信号正比 于地面辐照度能 量 (V- 习, 取自 然对数, 则由 方程(3-2)可 得:(3-幻1 n V,;, (A)一 lnd, 二 1 nVe(.A)一 m -r(A)(3-5)其中Vd i,是与地面太阳直射辐照度Ed i.对应的仪器电压响应值,Yo 是对应大气外太阳辐照度Eo的电压响应值。 如果大 气是 稳定的, 且测量是 对许多 太阳天 顶角 进行的, 那么, 将ln(Vd i,)-ln (d,)对大气光学质量m 作散点图,并对其进行线性拟合即可得到一条直线,该直线的斜率即为总大气光学厚度r(A)。 这就是Langley-Bouguer方法。 如果精 确 确定了 ln(Vo )的 值, 则可不必使 用Langley-Bouguer法, 利用Vd i,的 瞬时 测量值,则可由下式计算出瞬时大气总光学厚度:r(A)一 In V o ()) - In V ,;,(.l) + In d ,(3-6)大气总光学厚度r(A)可分解为三个部分:二 (几 ) 、〕 (A) +r- (A) +ts -(A) - r- (A )是 气 溶胶 光学 厚 度, rg .,(A)是 气体 吸收 光 学厚 度。 只 要知 道地 面高 度的 大气压强, r e - y ( A )P-(84.35-尸一 1.255-护+1.40-护)1013.25 x 10`(3-乃其中 ZR n Y (A)是 Ra yle igh光 学 厚度) 可通过下式 确定: rx .Y (幻 在可见光、近红外光谱区只要 确定出 了 tp . y(;L )和、 -(Z),得到气溶胶光学厚度a武 })}(3-8)(0.4^-1.Olun), rg 可 认为 是 仅由 臭 氧 吸收引 起的则将大气总光学厚度减掉Rayleigh和臭氧光学厚度因此即可r- (A) m r(幻一 rt e,, (A)一 r, (A)(3-9)对于大多 数气溶胶粒子, 从总体上来讲其粒子分布都遵循Junge分布,即:n(r) a c(z) . r-(u -2 )(3-10)则可得到气溶胶光学厚度与波长的关系:r- (A)二 k尸卜 2 ) , k厂 “(3-11)其中 k是 大气浑 浊度 参数, 。 为 Junge幕指数。 理论计 算表明: 当 粒子半径范围为 0.01^-1 0.0Rm时, k值 将与波 长无关。 在 此前提下, 对方 程(3-11 )两边取自 然对 数, 可看出 In[r.,4A)]是In(A )的 一个线 性函 数, 对 ln[r. ,(A)]- In(A)进行线性回归, 则可得出常 数 k和幂指数a ( 或v) 的值。 因此, 只要确定出气溶胶光学厚度的光谱变化参数k和。(或v), 则可计算出任意波长上的 气溶胶光 学厚 度, 进而任意波长上的 吸收 气体光学 厚 度rg m (A)就可由 下式计算得到。z, (A)二 7一 ZR o y (劝一 r_ (幻(3-12) 实际 处理时, 首 先 利用 】 angley-Plot方 法计算出 各个波长上的 大 气总光学厚度E(R).并计算出 这些波长上的 瑞利散 射光学厚度sx y(刃 。 再选 取基本无任何 气体吸收的 波长(至少两个相距较远的 波长), 计算出 这些波 长上的 剩余光学厚 度,由 方程(3-9)可知这些 波长上的 气溶胶光学厚 度 武 习 。 再 通过 方程 (3-11 )得到 常数 0 0 Ju nge幂指数a(或v) 的 值。 20 最 后, 将。(或功 代入方程口 -11 )计算出 有气体吸收 波长上的 气溶胶光学厚度, 进而由方 程 (3-1 2)即 可计算出 气体 吸收光学厚 度,式 习。3.6试验设计3.6.1 敦煌场地测试区布局1 测试区布局 在测试区范围内的测量共包括侧试区的地面反射率测量、 大气测量 (大气衰减测量和大气漫射总辐照比测量)、参考板反射能盘测盘等。 这些测量位置的总体布局状况如图3-9所示。 Cl l l l 500m C1101 目吕廿ES娇款f礴 的 m 测量区书 刃 m X 书 刃口C Ol l l印米C O101靶标 图3-9. 地面同 步测且装盆的 总体布局2 靶标铺设 敦煌辐射校正场地大、空旷、平坦,测试区附近无明显的标志物,因此,为了在卫星图像上可以 清楚地定位出 400 m X 400 m测试区的位置, 在测试区附近铺设了 一定大小的标志物 (靶标)。按照要求,靶标应选用朗伯特性好的材料,且与地面目 标之间的反差要大,靶标的大小应能保证中心像元为纯像元,一般为传感器像元的3倍即可。靶标可以是线状的、 点状的和面状的。 靶标最好采用黑绒布, 也可采用黑胶布或沥青等。为此,针对CBERS-02星CCD图像的定位要求,我们在测试取的南端距离测试区的最南边中心点铺设了一块60mX 60m(即CBERS-02 CCD的3X 3个像元) 大小的黑色绒布靶标,如图3-10所示。 各向 同 性半球反射率因 子 R(00 /h), 该反射率因子是由 参考板制 造商 提供, 也 可用 积分球和光谱辐射计测量得到子 R(0* 1 0)之间的关系为R(00 /h)2 f/ R (0 0 /B )c o s 0 s in IB02 R (0 /0 了 K(B )c o s 0 。 方向/ 各向同 性半球反射率因子R ( 0 - / h)与方向/ 方向 反射率因s in Q d O(3-14)如果令、 一 2 f / 2 K(B )c o s O s in t80则有 R(00 /h)= R(00 /00 玛(3-15) 由 方程(3-15)可看出, Kh 是方向/ 各向 同 性半 球反 射率因 子与 天底/ 天底反射率因子的比值,它描述了参考板的非朗伯特性。如果参考板是完全朗伯的,则Kh= 1; Kh 的值越小,则说明参考板的非朗伯特性越突出。3 方向/ 各向异性半球反射率因子 在 野外环境中, 半 球 辐照度 通常都是 各向 异性的。 如果 用 E(9 )表示天空 辐照 度的方向 分布 (方位平均), 则 野外环境中 水平参考板的 反射率因子 Rp 可 表示为:_2m -f2舀 代. - 石 T j oR(00 /8)E(8)cos8 sin M8(3-16)其中ET表示入射到参考板表面的总辐照度,它可写成:二 :一 可2 E(B )c o s 0 s in Q d O(3-17)由 于总辐照是由 太阳直射辐照和天空漫射辐照组成的,因此方程(3-16)可写成:“一 “(0 ,1 0 ,)I K (B * ) E d T 一 E d f 其中 Ed i,1 ET fQ Ed f1 E汾别 表示总 辐照中 直 射辐照 和漫射 辐照 所占 的比 例; K(9 )和 K,y是 参考 板天底方向 反 射率因 子的 订正因 子, 分别对 应于 太阳 直射 辐照 和天空漫射辐照。 K,)可以表示为:E ,y一 可2 E d f(B )K(B )c o s 6 s in IBl EJ T(3-18)(3-19) 其中 Ed iA6)是 被总 漫 射 辐照 度 Ed 卿一 化了 的 漫 射 辐照 度的 角 度分 布函 数。角度口 无关的,则有: Ed y(B)= 1/n将方 程 (3-20)代入 方程 (3-1 9), 然后与 方程 (3-15)比 较, 可得: K I , = Kh(3-21)那 么方程 (3-1 8)就可写 成:如果Ed r l(6)与(3-20)R p 一 ( 0 } } 0 } )} K (1 9 ,)} } + L E T E T JK h E a1 l(3-22)4 漫射辐照度的影响及修正 参考板定标通常做法是实验室定标。由于实验室定标通常使用标准灯作定标光源,而野外环境中的光源主要是太阳,且实验室内标准灯的光谱与太阳光谱相差较大,室内环境与野外环境也有很大的差别。因此, 参考板在实验室内的定标结果往往不能直接用于野外环境。 作为一个例子, 图3-20给出了不同大气浑浊度 (大气水平能见度) 情况下,参考板反射率因子随太阳天顶角的变化情况,其中,曲线 “ Lab.” 对应实验室测量的参考板方向/ 方向反射率因子. 由图 3-20给出的结果可以 看出: (1) 在野外环境中,参考板反射率因子的角度变化与大气状况有关,且与其方向/ 方向反射率因子的值具有一定的差别。 对于某一太阳天顶角来说, 参考板的反射率因子是大气气溶胶含量 (水平能见度) 的函数。气溶胶含量越高,参考板反射率因子与方向/ 方向反射率因子的差别就越大。 (2) 在有漫射辐照存在的情况下,参考板反射率因子随太阳天顶角的变化幅度比其方向/ 方向反射率因子随太阳天顶角的变化幅度要平缓一些。对于图3-20给出的参考板反射率,当太阳天顶角从200变到650时,在没有漫射影响情况下,它的反射率因子变化约9.2%: 而在大气水平能见度= 20 km情况下,其反射率因子的变化却只有5.6%. (3) 野外环境中参考板反射率因子随角度的变化有一个阐值。当 太阳天顶角大于该阐值时, 不同大气状况下的参考板反射率因子均大于其方向一方向反射率因子 (实验室测量结果); 当太阳天顶角小于该阐值时,不同大气状况下的参考板反射率因子均小于其方向/ 方向反射率因子; 如果太阳天顶角在该阐值附近的话, 则参考板的反射率因子与大气气溶胶含量基本无关。 该阐值太阳天顶角取决于参考板的非朗伯特性, 不同参考板,该闭值太阳天顶角是不一样的。 (4) 参考板的朗伯特性越差,漫射辐照度的影响就越大。 能见度(km)1 02 05 00 09 511卜妇 友霉︵享︶翎哆枷助 9 08 58 07 5︵掌︶十困辞每以友毋 70 L- -- - -L- 0 一 一 --L -- 一 - -- -“一曰 一 一 一 1 -3 }20 40 60 80 100 太阳 天项 角《 度)图3-20 不同大气状况 (能见度) 下,参考 反射率因子随太阳天顶角的变化IS 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70太阳 天 顶角(度 )图3-21 不同大气状况和太阳天顶角情况下参考板方向/ 方向反射率因子与 真实值之间的相对误差 ( %)对于在野外环境条件下的测量结果, 如果我们在数据处理过程中, 忽略了天空漫射辐照度的影响,那么我们得到的参考板反射率因子就是其方向/ 方向反射率因子。图3-21给出了在不同大气水平能见度 (对应于不同天空漫射辐照) 情况下,忽略天空漫射辐照影响给参考板反射率因子带来的相对误差 ( 相对于参考板的方向/ 方向反射率因子)。图中太阳天顶角限制在200- 65“范围内,这主要是因为: (1) 当太阳天顶角 20。 时,测量仪器的阴影将会落到参考板上,影响测量结果; (2) 当太阳天顶角 650时,误差一般较大,而且通常也很少在这样低的太阳高度角情况下进行测量试验。 当大气能见度为10 km时,忽略天空漫射辐照的影响将给参考板的反射率因子带来的误差约在土2%之内; 即使对于正常的大气状况 (水平能见度为20 km左右),忽略天空漫射辐照的影响也将给参考板的反射率因子带来约士1%的误差。这一误差对于大多数目 标反射率因子的测量来说可以忽略不计, 但对于高精度的辐射测量来说 (如卫星传感器绝对辐射定标),它还是很重要的。 通过以上分析, 我们可看出在野外测量环境中,对于高精度辐射测量来说,要想精确确定参考板的反射率因子, 就不能忽略天空漫射辐照的影响。 但是计算漫射辐照度的角度分布通常是很困难的, 而且也很复杂,另外还需要精确的大气测量数据,为此,我们采 用了 顾行发 和Guyot给出的 订正方法。 该方 法考虑了 天空漫射辐照的 影响, 并在太阳天顶角小于450范围内具有很好的适用性。这一订正方法主要基于以下修正公式:R ,一 “( 0 1 0 0 )f K ( 6 . r ) (1 一 叽 E d r )凡 、 E .,W e l f E T ) + K h W d } t E T (3-23) 其 中 W d y- A漫 射 辐 照 平 衡 系 数, 其 取 值 范 围 为 0.0- 1 .0- W d if=0.0对 应 于 方向/ 方 向 反 射率因 ...

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