韓啟金 劉李 張學(xué)文 楊磊 王愛春

（中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094）

利用GF-1對(duì)ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)進(jìn)行交叉檢校

韓啟金 劉李 張學(xué)文 楊磊 王愛春

（中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094）

為檢校ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)在軌輻射性能，以GF-1衛(wèi)星遙感器為參考開展ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)交叉檢校。首先，介紹了交叉檢校方法，并討論兩個(gè)遙感器間光譜特性差異和數(shù)據(jù)相關(guān)性；其次，分析光譜匹配因子在不同觀測(cè)路徑、地物類型條件下的穩(wěn)定性，并選取5個(gè)相對(duì)均勻區(qū)域進(jìn)行GF-1衛(wèi)星與ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)的交叉檢校，獲得了ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)的輻射性能變化情況和新定標(biāo)系數(shù)；最后利用地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)新輻射定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。結(jié)果表明：ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)在軌輻射特性發(fā)生了變化，以GF-1衛(wèi)星遙感器為參考可有效檢測(cè)校準(zhǔn)ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)輻射性能的衰減量。

ZY-1 02C衛(wèi)星 遙感器 輻射性能 檢驗(yàn) 定標(biāo)

0 引言

隨著遙感數(shù)據(jù)定量化研究的深入和應(yīng)用水平提高，確保遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品輻射質(zhì)量（quality，全文同）的穩(wěn)定性和一致性已成為地面處理系統(tǒng)的一項(xiàng)重要工作，定標(biāo)檢校作為確保遙感產(chǎn)品反演擺脫遙感器自身性能變化和數(shù)據(jù)處理等因素影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不但可以監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)遙感器在軌輻射性能變化，一定程度上也決定著遙感數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用的效果[1]。衛(wèi)星在軌運(yùn)行過程中受多種因素的影響，搭載的遙感器輻射響應(yīng)性能。即遙感器入瞳處輻射能量與輸出計(jì)數(shù)值之間的定量關(guān)系會(huì)不同程度的發(fā)生變化，必須采用一定的手段對(duì)輻射響應(yīng)變化進(jìn)行檢測(cè)和校準(zhǔn)，從而確保遙感器輸出產(chǎn)品的輻射質(zhì)量、時(shí)序一致性和穩(wěn)定性[2]。

近年來，我國相繼發(fā)射了一系列高分辨陸地觀測(cè)衛(wèi)星，其中“資源一號(hào)02C”（ZY-1 02C）衛(wèi)星是我國首顆專門為國土資源用戶定制的業(yè)務(wù)化運(yùn)行衛(wèi)星，星上搭載了兩臺(tái)空間分辨率為2.36m的全色TDICCD高分辨率相機(jī)（HR相機(jī)）和一臺(tái)空間分辨率為5m/10m的全色/多光譜相機(jī)（ZY-1 02C PMS相機(jī)），設(shè)計(jì)壽命3年。為確保ZY-1 02C PMS相機(jī)在軌輻射測(cè)量精度和定量應(yīng)用，必須采用替代手段對(duì)該遙感器在軌輻射性能進(jìn)行檢校。目前較常用的衛(wèi)星遙感器檢校方法是場(chǎng)地試驗(yàn)法，該方法受場(chǎng)地特性、星地同步觀測(cè)及測(cè)量儀器精度等多個(gè)因素影響，既耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力和物力又無法實(shí)時(shí)的使用，而交叉檢校由于不受場(chǎng)地、天氣和時(shí)間的限制，得到了快速的發(fā)展，但其精度和頻次主要取決于參考衛(wèi)星遙感器自身精度以及軌道重疊頻率[3-7]。高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)的首發(fā)星“高分一號(hào)”（GF-1）衛(wèi)星搭載了2臺(tái)2m全色/8m多光譜相機(jī)（GF-1 PMS相機(jī)），該遙感器采用了星上自身暗噪聲校準(zhǔn)裝置，對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的地面處理采用了多項(xiàng)新方法，包括90°偏航的相對(duì)輻射校正和多場(chǎng)地寬動(dòng)態(tài)的絕對(duì)輻射定標(biāo)，使得該衛(wèi)星遙感器絕對(duì)輻射定標(biāo)的不確定度小于5.35%，同時(shí)GF-1衛(wèi)星與ZY-1 02C衛(wèi)星同類遙感器的光譜波段設(shè)置相一致，這為ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)的交叉檢校提供了參考源。

文章以ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)為研究對(duì)象，在分析GF-1 PMS相機(jī)與ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)光譜響應(yīng)特性差異和同時(shí)相遙感圖像相關(guān)性的基礎(chǔ)上，選取光學(xué)特性穩(wěn)定的大面積均勻地物目標(biāo)作為匹配樣區(qū)，開展GF-1衛(wèi)星與ZY-1 02C衛(wèi)星遙感器的交叉檢校。檢驗(yàn)了ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)輻射性能變化趨勢(shì)，并修正在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)，最后討論了國產(chǎn)同類衛(wèi)星遙感器間相互交叉輻射檢校的可行性和必要性。

1 方法與研究數(shù)據(jù)

1.1 算法模型

交叉檢校，是以某個(gè)經(jīng)過高精度定標(biāo)的同類衛(wèi)星遙感器為參考，獲取兩顆衛(wèi)星遙感器過境同一地面區(qū)域時(shí)的遙感數(shù)據(jù)，并以參考衛(wèi)星遙感器輸出數(shù)據(jù)獲取的表觀輻亮度（或表觀反射率）為參考值，經(jīng)過波段光譜匹配、空間匹配和尺度轉(zhuǎn)換等相關(guān)處理后，獲得等效的待檢校衛(wèi)星遙感器對(duì)應(yīng)波段的等效輻亮度，以該值為基準(zhǔn)對(duì)待檢校衛(wèi)星遙感器進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)衛(wèi)星遙感器輻射性能的檢測(cè)校正[8-9]，具體檢校技術(shù)流程如圖1所示。

1.2 遙感器對(duì)比

1.2.1 光譜特性對(duì)比

交叉檢校的關(guān)鍵是參考遙感器的譜段設(shè)置應(yīng)盡可能涵蓋待檢校衛(wèi)星遙感器的波段設(shè)置，GF-1與ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)譜段設(shè)置一致（技術(shù)參數(shù)見表1），為后續(xù)光譜差異修訂提供了較好的條件。但受CCD器件響應(yīng)差異和光路系統(tǒng)影響，不同遙感器相同譜段的光譜響應(yīng)存在一定差異，因此在交叉檢校過程中必須修訂光譜差異引入的影響[10]。ZY-1 02C和GF-1衛(wèi)星遙感器對(duì)應(yīng)的波段中，僅B4波段響應(yīng)差異較大，而有效波長中除全色波段為4.1%，其余波段的相對(duì)差異均小于1.5%（圖2），這進(jìn)一步證明了兩個(gè)遙感器較好的光譜一致性。

圖1 不同衛(wèi)星遙感器交叉檢校流程Fig.1 Cross validation and calibration of different remote sensors

表1 不同衛(wèi)星遙感器技術(shù)參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of remote sensors parameters between different satellites

圖2 不同衛(wèi)星遙感器光譜響應(yīng)對(duì)比Fig.2 Comparison of relative spectral responses between different sensors

1.2.2 數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

交叉檢校需要考慮不同衛(wèi)星遙感器之間的空間一致性，考慮到ZY-1 02C與GF-1衛(wèi)星對(duì)應(yīng)遙感器的空間分辨率相近，參考衛(wèi)星GF-1的圖像分辨率高于ZY-1 02C，因此幾何匹配和尺度轉(zhuǎn)換過程中，尺度效應(yīng)的影響可以忽略。選取2013年6月22日ZY-1 02C和GF-1衛(wèi)星同時(shí)過境敦煌等地區(qū)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理后兩衛(wèi)星遙感圖像匹配精度均優(yōu)于0.5～1.0個(gè)像元（圖3），且相關(guān)性較高（見圖4）?？紤]到GF-1衛(wèi)星在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)精度可靠，因此以GF-1衛(wèi)星遙感器為參考對(duì)ZY-1 02C衛(wèi)星遙感器進(jìn)行交叉檢校是可行的。

圖3 GF-1衛(wèi)星與ZY-1 02C衛(wèi)星對(duì)應(yīng)波段遙感圖像空間幾何配準(zhǔn)：全色波段（左），多光譜波段（右）Fig. 3 Spatial matching of images between GF-1 and ZY-1 02C: pan band (left), multispectral band (right)

圖4 ZY-1 02C與GF-1衛(wèi)星遙感圖像的相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis results between ZY-1 02C and GF-1 images

2 結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)匹配處理

交叉檢校涉及光譜響應(yīng)差異以及觀測(cè)路徑、成像時(shí)間、空間分辨率等影響因素的校正統(tǒng)一[11]，由于兩個(gè)衛(wèi)星遙感器光譜特性差異較小，因此檢校重點(diǎn)在于空間匹配、尺度轉(zhuǎn)換和輻亮度信息計(jì)算等。具體過程如下：1）以2013年6月22日過境敦煌地區(qū)的2景ZY-1 02C衛(wèi)星PMS遙感圖像為基準(zhǔn)，對(duì)同時(shí)相的3景GF-1衛(wèi)星PMS遙感圖像進(jìn)行幾何配準(zhǔn)，并重采樣為ZY-1 02C遙感圖像的空間分辨率尺度，選取5個(gè)100m×100m的相對(duì)均勻目標(biāo)作為匹配樣本，即石膏（樣區(qū)1）、戈壁（樣區(qū)2、3）和水體（樣區(qū)4、5），經(jīng)分析上述三種樣本區(qū)表面反射特性穩(wěn)定，在350～1 000nm通道范圍內(nèi)光譜反射率相對(duì)差異均小于1%（圖5）；2）對(duì)不同遙感器的觀測(cè)圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)，獲得對(duì)應(yīng)的輻亮度數(shù)據(jù)；3）依據(jù)ZY-1 02C和GF-1波段平均光譜匹配因子修訂GF-1衛(wèi)星輻亮度獲得ZY-1 02C衛(wèi)星等效輻亮度，匹配因子計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[12]；4）基于上述等效輻亮度檢驗(yàn)ZY-1 02C衛(wèi)星定標(biāo)系數(shù)精度，并重新進(jìn)行交叉定標(biāo)，校準(zhǔn)該遙感器的輻射性能變化[12-13]。

圖5 ZY-1 02C衛(wèi)星與GF-1衛(wèi)星遙感圖像樣本匹配區(qū)Fig.5 Sample matching regions between ZY-1 02C and GF-1 remote sensing images

2.2 結(jié)果分析

ZY-1 02C衛(wèi)星自發(fā)射以來，地面系統(tǒng)于2012年 7月對(duì)該遙感器輻射定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行了修訂，以GF-1衛(wèi)星遙感器為參考，對(duì)ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)進(jìn)行交叉檢校，分析在軌輻射測(cè)量精度，即定標(biāo)系數(shù)的變化情況（圖6）。結(jié)果表明：1）利用ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)現(xiàn)有定標(biāo)系數(shù)獲取的輻亮度信息與參考基準(zhǔn)相比，出現(xiàn)了較大偏差，基于5個(gè)樣本區(qū)的平均檢驗(yàn)偏差，全色波段P為13.26%，綠光譜波段B2為7.94%，紅光波段B3為2.26%，近紅外波段為42.28%；2）對(duì)于類似于水體目標(biāo)的地物類型而言，ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)的輸出輻亮度與參考基準(zhǔn)相比，相對(duì)偏差全色波段P為 15.21%，綠光波段B2為8.74%，紅光波段B3為4.07%，近紅外波段B4為90.22%，這進(jìn)一步說明該遙感器的自身偏移量發(fā)生了較大變化，且現(xiàn)有定標(biāo)系數(shù)已無法正確表征其輻射測(cè)量性能，必須重新進(jìn)行定標(biāo)修訂。

圖6 基于GF-1數(shù)據(jù)的ZY-1 02C等效輻亮度與ZY-1 02C輸出輻亮度對(duì)比Fig.6 Comparison between Equivalent radiance of ZY-1 02C based on GF-1 images and radiance of ZY-1 02C

利用交叉定標(biāo)方法，以GF-1衛(wèi)星PMS相機(jī)為參考重新對(duì)ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)進(jìn)行輻射定標(biāo)，交叉定標(biāo)結(jié)果如表2所示?？煽闯觯篫Y-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)的定標(biāo)系數(shù)中定標(biāo)偏移量不為0，說明PMS相機(jī)定標(biāo)過程中假設(shè)自身暗噪聲偏移量為0的方法不可??；采用交叉檢校的方法可有效實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感器的輻射定標(biāo)。

表2 交叉定標(biāo)系數(shù)Tab.2 Calibration coefficients between GF-1 and ZY-1 02C PMS

3 驗(yàn)證與討論

為驗(yàn)證利用GF-1衛(wèi)星對(duì)ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)進(jìn)行交叉檢校的可行性和精度，采用2013年6月22日敦煌輻射校正場(chǎng)地面同步實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)原定標(biāo)系數(shù)和文章獲取的交叉定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證[14]。具體過程如下：1）將處理獲得的輻射校正場(chǎng)實(shí)測(cè)地表反射率數(shù)據(jù)、大氣氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)、大氣溫濕壓廓線以及衛(wèi)星過境時(shí)刻觀測(cè)幾何路徑等輔助參數(shù)輸入到MODTRAN輻射傳輸模型，模擬出ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)各波段入瞳處等效輻亮度；2）分別利用新舊定標(biāo)系數(shù)和星—地空間匹配區(qū)域提取的平均計(jì)數(shù)值DN信息，計(jì)算出ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)各波段的輸出輻亮度；3）對(duì)比驗(yàn)證新舊定標(biāo)系數(shù)的精度[15]。舊定標(biāo)系數(shù)與新交叉定標(biāo)系數(shù)的驗(yàn)證對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 舊定標(biāo)系數(shù)與新交叉定標(biāo)系數(shù)的驗(yàn)證對(duì)比結(jié)果Tab.3 Validation results of old calibration coefficients and new cross-calibration coefficients

ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)在軌運(yùn)行過程中，輻射探測(cè)性能總體上相對(duì)比較穩(wěn)定，延用舊的定標(biāo)系數(shù)反演的等效輻亮度與參考基準(zhǔn)相比，相對(duì)差異在3.70%～7.67%之間；而采用新交叉定標(biāo)系數(shù)反演的等效輻亮度與參考基準(zhǔn)的總體相對(duì)差異小于舊定標(biāo)系數(shù)的結(jié)果（表3）。利用GF-1衛(wèi)星對(duì)ZY-1 02C衛(wèi)星同類遙感器進(jìn)行交叉檢校是可行的，獲取的定標(biāo)校準(zhǔn)結(jié)果可有效的修正ZY-1 02C衛(wèi)星遙感器在軌運(yùn)行過程中輻射探測(cè)性能的變化，從而確保該衛(wèi)星遙感定量產(chǎn)品的質(zhì)量。為了加強(qiáng)國產(chǎn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星遙感器間的相互檢校比對(duì)，并促進(jìn)我國自主衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的定量化應(yīng)用，研發(fā)具有高精度星上定標(biāo)裝置的高空間分辨率、高時(shí)間分辨率光學(xué)遙感器和業(yè)務(wù)化交叉檢校系統(tǒng)已成為目前對(duì)地觀測(cè)體系建設(shè)的迫切需求。

4 結(jié)論

文章在分析GF-1衛(wèi)星與ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)對(duì)應(yīng)波段光譜響應(yīng)差異，及修正因子計(jì)算誤差和同時(shí)相遙感圖像的空間匹配精度影響的基礎(chǔ)上，以同時(shí)相遙感圖像為參考，對(duì)ZY-1 02C衛(wèi)星PMS相機(jī)的輻射性能進(jìn)行了交叉檢校，檢測(cè)出該衛(wèi)星遙感器的在軌輻射探測(cè)性能發(fā)生了一定變化，并以GF-1衛(wèi)星遙感器為參考對(duì)其進(jìn)行了交叉定標(biāo)校準(zhǔn)，獲取了新的在軌定標(biāo)系數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證分析，基于新交叉定標(biāo)系數(shù)反演的輻亮度產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)于采用原定標(biāo)系數(shù)生產(chǎn)的輻亮度產(chǎn)品，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的輻亮度相比，相對(duì)誤差平均減小了約0.60%，進(jìn)一步說明采用具有高精度輻射基準(zhǔn)的國產(chǎn)衛(wèi)星對(duì)同類衛(wèi)星遙感器進(jìn)行在軌交叉檢校是可行的，也表明研發(fā)自主配備高精度星上定標(biāo)器的光學(xué)遙感器參考基準(zhǔn)的必要性，為后續(xù)國產(chǎn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星遙感器間的自動(dòng)交叉檢校提供了一定資料參考。

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Cross-validation and Calibration of ZY-1 02C PMS Sensor Using GF-1 Satellite

HAN Qijin LIU Li ZHANG Xuewen YANG Lei WANG Aichun
（China Center for Resources Satellite Date and Application, Beijing 100094, China）

In order to validate and calibrate on-orbit radiometric properties of ZY-1 02C PMS sensor, the cross-validation and calibration of ZY-1 02C PMS sensor based on well-calibrated GF-1 sensor is carried out. Firstly, it introduces cross-validation method and discusses the difference of spectral bands and relativity of remote sensing images between two sensors. Secondly, the stability of spectral band matching factors is analyzed for different observing geometry and land surface characteristics, and then the radiometric properties changes and new calibration coefficients of ZY-1 02C PMS sensor are obtained by choosing five symmetrical matching regions. Finally, the validation of new calibration coefficients is carried out by using site measurements data. The present study indicates that the on-orbit radiometric properties of ZY-1 02C PMS sensor have changed and the degeneration can be corrected by cross-calibrating with GF-1 sensors.

ZY-1 02C satellite; sensor; remote radiometric properties; validation; calibration

V474.2

A

1009-8518(2015)01-0073-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2015.01.010

2014-06-16

國家863計(jì)劃（2012AA12A302）資助課題

韓啟金，男，1983年生，2010年畢業(yè)于中國空間技術(shù)研究院飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)，碩士，工程師。主要從事衛(wèi)星光學(xué)載荷性能檢測(cè)與遙感應(yīng)用研究工作。