李 娟，馮 煉，龐小平

1. 武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心，湖北 武漢 430079； 2. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 3. 極地測(cè)繪科學(xué)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079

?

針對(duì)GF-1遙感影像的基于影像與基于輻射傳輸模型的兩種交叉定標(biāo)方法比較

李 娟1,3，馮 煉2，龐小平1,3

1. 武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心，湖北 武漢 430079； 2. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 3. 極地測(cè)繪科學(xué)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079

“高分一號(hào)”配置了4臺(tái)16 m分辨率多光譜寬幅(WFV)相機(jī)，組合觀測(cè)幅寬達(dá)到800 km。為了將其應(yīng)用于定量遙感，需要對(duì)其進(jìn)行精確的輻射定標(biāo)。目前針對(duì)高分一號(hào)衛(wèi)星有兩種交叉定標(biāo)方法，都在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。一種是基于影像的交叉定標(biāo)方法(image-based)，另一種是基于輻射傳輸模型和二向反射分布函數(shù)的交叉定標(biāo)方法(RTM-BRDF)。本文采用這兩種方法對(duì)高分一號(hào)(GF-1)的4個(gè)相機(jī)進(jìn)行輻射定標(biāo)，并對(duì)這兩種方法進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)于WFV2和WFV3這兩個(gè)近似星下點(diǎn)成像相機(jī)，image-based方法可以得到精度較高的輻射定標(biāo)系數(shù)，而對(duì)于WFV1和WFV4這兩個(gè)非星下點(diǎn)成像相機(jī)來(lái)說(shuō)，RTM-BRDF方法得到的定標(biāo)系數(shù)精度較高。因此，最終將兩種方法結(jié)合給出GF-1 4個(gè)相機(jī)最終的定標(biāo)系數(shù)。

高分一號(hào)衛(wèi)星；交叉定標(biāo)；光譜響應(yīng)函數(shù)；USGS光譜庫(kù)；氣溶膠；輻射傳輸模型；BRDF

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，災(zāi)害監(jiān)測(cè)以及環(huán)境保護(hù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)、全天候、全覆蓋的對(duì)地觀測(cè)，我國(guó)建立了高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)(high-definition Earth observation satellite，HDEOS)。作為HDEOS系列衛(wèi)星之一，GF-1衛(wèi)星于2013年4月26日成功發(fā)射。GF-1衛(wèi)星搭載了4個(gè)寬視場(chǎng)相機(jī)(WFV)，由于具有高空間分辨率(星下點(diǎn)16×24 m)和較大的幅寬(4×200 km)，其重訪周期僅為4 d。若能準(zhǔn)確建立衛(wèi)星信號(hào)和地球生物、物理、化學(xué)參數(shù)之間的定量關(guān)系，GF-1衛(wèi)星能被用來(lái)研究不同時(shí)空尺度的生物、化學(xué)和物理過(guò)程[1]。

準(zhǔn)確的輻射定標(biāo)是定量遙感應(yīng)用的先決條件。一般來(lái)說(shuō)，光學(xué)衛(wèi)星傳感器的輻射定標(biāo)方法包括實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)法、在軌定標(biāo)法和交叉定標(biāo)方法[2-4]。實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)法是在特定的環(huán)境中,利用外在穩(wěn)定的光源來(lái)獲取傳感器的響應(yīng)系數(shù)[3,5]。在軌定標(biāo)法被廣泛應(yīng)用于各種衛(wèi)星的輻射定標(biāo),如TM(thematic mapper)/ETM+(enhanced thematic mapper)的星上定標(biāo)器[3,6]。但是由于其受衛(wèi)星載荷、空間、能耗、技術(shù)等的諸多限制，使得星上定標(biāo)技術(shù)的應(yīng)用受到一定程度的限制。此外，定標(biāo)通常需要實(shí)測(cè)的地表反射率和相應(yīng)的大氣參數(shù)，并且衛(wèi)星在同一時(shí)間過(guò)境，這時(shí)才可以利用輻射傳輸模型模擬出星上反射率(TOA)來(lái)實(shí)現(xiàn)輻射定標(biāo)[4,7-8]。為了解決這些技術(shù)難題，文獻(xiàn)[4，6，9]提出了一種利用精確定標(biāo)過(guò)的傳感器所獲取的遙感數(shù)據(jù)來(lái)代替實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的方法，這一方法稱(chēng)為交叉定標(biāo)方法。

目前常用的交叉定標(biāo)方法是選取參考傳感器和待定標(biāo)傳感器獲得的定標(biāo)場(chǎng)影像(一般是沙漠地區(qū))，且二者過(guò)境時(shí)間相差30 mins內(nèi)；然后在參考影像上選擇地物類(lèi)型均一的窗口，并通過(guò)經(jīng)緯度獲取待定標(biāo)影像上的相應(yīng)區(qū)域；最后將參考影像窗口對(duì)應(yīng)的星上反射率與待定標(biāo)影像相應(yīng)窗口的DN值進(jìn)行線性回歸即可得到定標(biāo)參數(shù)[6,9]。

高分一號(hào)衛(wèi)星上沒(méi)有搭載定標(biāo)器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在軌定標(biāo)。因此，在高分一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射后，中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心利用敦煌定標(biāo)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)高分一號(hào)衛(wèi)星的4個(gè)相機(jī)進(jìn)行了輻射定標(biāo)，給出了4個(gè)相機(jī)的定標(biāo)系數(shù)。這一定標(biāo)過(guò)程不僅耗費(fèi)巨大的人力、物力、財(cái)力，而且需要定期進(jìn)行，以監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)的衰減過(guò)程，從而保證高分一號(hào)衛(wèi)星所獲取的影像數(shù)據(jù)能有效而廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。這時(shí)，交叉定標(biāo)方法因其經(jīng)濟(jì)性、高效性成為對(duì)高分一號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行輻射定標(biāo)的最佳方法。

文獻(xiàn)[7，10]等對(duì)傳統(tǒng)交叉定標(biāo)方法進(jìn)行了改進(jìn)，針對(duì)GF-1WFV相機(jī)提出了兩種輻射交叉定標(biāo)方法。一種是基于影像的交叉定標(biāo)方法(image-based)，通過(guò)自動(dòng)選取定標(biāo)點(diǎn)，克服了對(duì)地物類(lèi)型的依賴(lài)，大幅提高了定標(biāo)點(diǎn)的數(shù)量與信號(hào)量級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍。另一種是基于輻射傳輸模型的交叉定標(biāo)方法(RTM-BRDF)[11-12]，利用MODIS氣溶膠與BRDF產(chǎn)品來(lái)有效地解決由于大傾角觀測(cè)所帶來(lái)的方向散射等系列問(wèn)題。

本文將以WFV1和WFV3為例，對(duì)Image-based和RTM-BRDF方法的原理及實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行比較分析，然后用Landsat-8 OLI的同步數(shù)據(jù)以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證兩種方法得到的定標(biāo)系數(shù)的精度，最后在給出GF-1的最終定標(biāo)系數(shù)的同時(shí)給出兩種方法的適用范圍。

1 數(shù) 據(jù)

GF-1和Landsat-8具有相似的太陽(yáng)同步軌道，重訪周期分別為4 d和16 d，過(guò)境時(shí)間相差不到30 mins，對(duì)于給定的區(qū)域，兩個(gè)傳感器會(huì)在接近的時(shí)間過(guò)境，也確保了試驗(yàn)所需要的影像數(shù)據(jù)對(duì)。試驗(yàn)挑選2013年7月至2014年2月的WFV-OLI影像對(duì)，并從CCRSDA(China Centre for Resource Satellite Data and Application)和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局下載。挑選的影像對(duì)要覆蓋盡可能多的地物類(lèi)型，并對(duì)影像進(jìn)行目視檢查，剔除有較厚氣溶膠或云覆蓋的影像。需要特別指出的是，所有的數(shù)據(jù)均在幾個(gè)月內(nèi)收集，傳感器衰減所帶來(lái)的干擾可忽略不計(jì)。對(duì)于每個(gè)相機(jī)最終至少有五對(duì)影像對(duì)用于交叉定標(biāo)，兩對(duì)用于驗(yàn)證。此外，試驗(yàn)中還用到了MODIS氣溶膠產(chǎn)品、BRDF產(chǎn)品，USGS光譜庫(kù)以及敦煌定標(biāo)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 GF-1交叉定標(biāo)原理

2.1 星上反射率計(jì)算

由衛(wèi)星信號(hào)所得到的星上反射率ρTOA由地物實(shí)際反射率和大氣反射率組成。假設(shè)地物表面是均一的朗伯面，ρTOA可以式(1)表達(dá)

(1)

LTOA(WFV,i)=MWFV,i·DNWFV,i+AWFV,i

(2)

式中，MWFV,i是增益；AWFV,i為偏置。輻亮度又可以通過(guò)式(3)轉(zhuǎn)換為星上反射率

(3)

(4)

式中，Si(無(wú)量綱)是對(duì)應(yīng)波段的歸一化光譜響應(yīng)函數(shù)；f是連續(xù)的大氣層頂太陽(yáng)輻照度(wm-2·sr-1·μm-1)[11]；a和b分別是給定波段波長(zhǎng)的上界和下界。

(5)

式中，θOLI,s為太陽(yáng)高度角。

2.2 光譜匹配因子

兩個(gè)傳感器波段配置以及光譜響應(yīng)函數(shù)上的差異可由光譜匹配因子QE來(lái)進(jìn)行修正

(6)

2.3Image-based

文獻(xiàn)[10]提出了Image-based交叉定標(biāo)方法，該方法假設(shè)在30mins內(nèi)，地物反射率保持不變，大氣對(duì)兩個(gè)傳感器觀測(cè)得到的信號(hào)的影響基本相同，經(jīng)過(guò)光譜匹配因子處理后的星上反射率相等

ρTOA(OLI,i)·QEi=ρTOA(WFV,i)

(7)

結(jié)合上述各式，得到最終的定標(biāo)公式

MWFV,i·DNWFV,i+AWFV,i

(8)

流程見(jiàn)圖1，具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

(1) 在WFV-OLI影像對(duì)上，隨機(jī)地選取感興趣區(qū)域(ROIs)：在WFV影像上隨機(jī)地選擇一個(gè)小窗口，其標(biāo)準(zhǔn)差和平均值之比小于1%，確保該窗口是均一地物，然后將其對(duì)應(yīng)到OLI影像上，看在OLI影像上其標(biāo)準(zhǔn)差與均值之比是否也小于1%，如果是，則將其確定為定標(biāo)點(diǎn)。

(2) 利用Landsat-8OLIMTL文件計(jì)算得到ρTOA(OLI,i)，將經(jīng)過(guò)大氣校正的OLI影像上的ROI各個(gè)波段上的反射率與USGS光譜庫(kù)進(jìn)行匹配得到最接近的光譜，代入到光譜匹配因子的計(jì)算公式計(jì)算得到QE。

(3) 最后，將計(jì)算得到式(8)左邊的值與WFV的DNs線性回歸出WFV的定標(biāo)系數(shù)。

2.4RTM-BRDF

文獻(xiàn)[7]提出的RTM-BRDF交叉定標(biāo)的核心思路是：30min內(nèi)地表反射率，氣溶膠光學(xué)厚度及其類(lèi)型保持不變，而不同的傳感器由于其光譜響應(yīng)、觀測(cè)角度、光照條件等的差異導(dǎo)致星上信號(hào)的不同。因此，該方法利用MODIS氣溶膠和BRDF產(chǎn)品對(duì)Landsat-8OLI影像進(jìn)行大氣校正和BRDF校正，得到垂直方向的地表反射率，經(jīng)過(guò)光譜匹配因子的校正后可以得到WFV所觀測(cè)到的地表反射率。然后利用相同的MODIS氣溶膠和BRDF產(chǎn)品由輻射傳輸模型模擬出WFV所觀測(cè)到的星上反射率。最后，通過(guò)將模擬的星上反射率與圖像信號(hào)線性回歸得到最終的定標(biāo)系數(shù)。

注：ρTOA表示星上反射率,ρt為觀測(cè)角度上的地物反射率，t是垂直方向上的地物實(shí)際反射率,θs和θv分別為衛(wèi)星觀測(cè)天頂角和方位角,φs和φv分別為太陽(yáng)天頂角和方位角,RSRs表示光譜響應(yīng)函數(shù)。圖1 Image-based(a)和RTM-BRDF(b)試驗(yàn)流程Fig.1 Flowchart of the Image-based (a) and RTM-BRDF (b) cross-calibration methods

盡管經(jīng)過(guò)了大氣校正，由兩個(gè)傳感器所觀測(cè)到的信號(hào)還是會(huì)有所差異。兩個(gè)傳感器波段配置和光譜響應(yīng)函數(shù)之間的差異可以用光譜匹配因子來(lái)糾正，但由照明條件和觀測(cè)幾何不同所帶來(lái)的差異就需要用MODIS BRDF產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行校正。MODIS BRDF產(chǎn)品采用Ross-Li BRDF模型[13-14]，可以模擬出任意觀測(cè)幾何上的地物反射率。這個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷睦碚摶A(chǔ)是地表反射率可以由3個(gè)主要的基本散射類(lèi)型(各向同性散射，體積散射，幾何光學(xué)表面散射)建模得到[15-18]，公式如下

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

式中，B是二向散射分布函數(shù)；P1、P2和P3由MODIS BRDF產(chǎn)品提供；P4和P5的值分別為2和1，這是推薦使用的值。

由以上公式再結(jié)合QE就可以計(jì)算得到與WFV對(duì)應(yīng)的垂直方向上的地物實(shí)際反射率了，公式如下

(16)

2.5 驗(yàn)證方法

驗(yàn)證包括利用LandSat-8 OLI影像和實(shí)測(cè)的光譜與大氣數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

在驗(yàn)證過(guò)程中，WFV影像數(shù)據(jù)將會(huì)用試驗(yàn)所得到的定標(biāo)系數(shù)計(jì)算并且利用MODIS氣溶膠產(chǎn)品通過(guò)6 S輻射傳輸模型得到觀測(cè)方向上的地物反射率，再通過(guò)MODIS BRDF產(chǎn)品得到其垂直方向的反射率ρt,calibrated，對(duì)OLI影像進(jìn)行同樣的處理得到其垂直方向的反射率，不同的是還要將其乘以光譜匹配因子模擬出WFV對(duì)應(yīng)的垂直方向的地物反射率ρt,simulated，通過(guò)比較二者的差異來(lái)估算此定標(biāo)方法的不確定性。值得指出的是，用于驗(yàn)證的OLI-WFV影像對(duì)與用于交叉定標(biāo)的數(shù)據(jù)不同。

利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證的過(guò)程中，用同樣的方法計(jì)算得到ρTOA,calibrated，然后利用實(shí)測(cè)的地物光譜數(shù)據(jù)，然后利用實(shí)測(cè)的地物光譜數(shù)據(jù)，大氣數(shù)據(jù)等參數(shù)模擬出星上反射率，從而來(lái)評(píng)定定標(biāo)系數(shù)的精度。

敦煌定標(biāo)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)由中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心獲得，只有2014年8月其中6 d的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。敦煌定標(biāo)場(chǎng)是一個(gè)地勢(shì)平坦戈壁灘，地面狀況十分穩(wěn)定。分析顯示，半個(gè)月內(nèi)測(cè)得的光譜差異很小，其標(biāo)準(zhǔn)差不到2%[19]。因此，選取實(shí)測(cè)光譜的均值來(lái)驗(yàn)證WFV在8月的敦煌的14景(8景非星下點(diǎn)成像，6景近似星下點(diǎn)成像)影像。對(duì)于給定波段i，用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模擬的WFV星上反射率可由式(17)計(jì)算得到

(17)

3 結(jié) 果

3.1 定標(biāo)結(jié)果

對(duì)于GF-1的任意一個(gè)相機(jī)WFV，每個(gè)波段都有>200個(gè)定標(biāo)點(diǎn)，覆蓋包括沙漠、植被、水體、雪地等不同反射信號(hào)等級(jí)的地物類(lèi)型。將DNs和模擬的TOA輻亮度進(jìn)行線性回歸得到定標(biāo)系數(shù)，結(jié)果如圖2所示，左邊是非星下點(diǎn)成像的WFV1的3種定標(biāo)方法得到的線性回歸圖，右邊對(duì)應(yīng)近似星下點(diǎn)成像的WFV3。從圖中可以看到，DNs和TOA輻亮度都具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，所有的點(diǎn)基本上都在擬合線上，R2>0.9，表明了線性回歸的顯著性和回歸系數(shù)的有效性。

表1列出了兩種交叉定標(biāo)方法得到的定標(biāo)系數(shù)，以及由CCRSDA提供的沒(méi)有偏置的官方定標(biāo)系數(shù)，并將三者進(jìn)行比較，獲得其差異系數(shù)。Da列出了RTM-BRDF與Image-based方法增益之間的差異，可以看到在WFV1的3個(gè)可見(jiàn)光波段，WFV2的綠光和紅光波段以及WFV3的綠光波段，其差異均>10%。而近紅外波段的差異對(duì)于4個(gè)相機(jī)來(lái)說(shuō)普遍較小，WFV4為6.36%，其他3個(gè)相機(jī)均<3%。Db列出了Image-based得到的定標(biāo)系數(shù)與官方系數(shù)之間的差異，在3.7%～21.9%之間浮動(dòng)。Dc列出的是RTM-BRDF得到的定標(biāo)系數(shù)與官方系數(shù)之間的差異。很明顯，對(duì)于近似星下點(diǎn)成像的相機(jī)的差異較大，WFV2的4個(gè)波段的差異都>19.7%，WFV3的3個(gè)可見(jiàn)光波段都>13%。相反，對(duì)于非星下點(diǎn)成像的相機(jī)差異很小，除了WFV1的紅光波段和WFV4的近紅外波段。

3.2 驗(yàn) 證

圖3是利用LandSat-8OLI影像對(duì)WFV1和WFV3的定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，WFV1代表非星下點(diǎn)成像，WFV3代表近似星下點(diǎn)成像。為了便于比較，利用LandSat-8OLI影像模擬得到的垂直方向地表反射率ρrerference作為參考，對(duì)于WFV影像，分別將用RTM-BRDF、Official、Image-based方法得到的定標(biāo)系數(shù)模擬其垂直方向的地表反射率ρRTM-BRDF、ρOfficial、ρImage-based，并將其與ρrerference比較，分別對(duì)應(yīng)為紅點(diǎn)、綠點(diǎn)、藍(lán)點(diǎn)。為了準(zhǔn)確地評(píng)估定標(biāo)系數(shù)的不確定性，采取與選取定標(biāo)點(diǎn)同樣的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇驗(yàn)證點(diǎn)，使其更具有統(tǒng)計(jì)意義。

圖2 兩種交叉定標(biāo)方法得到的由OLI影像模擬的WFV1 TOA輻亮度與DNs進(jìn)行線性回歸得到定標(biāo)系數(shù)Fig.2 LandSat-8 OLI simulated TOA radiance against the four spectral bands of WFV1 and WFV3 using Image-based and RTM-BRDF methods

Tab.1 Calibration coefficients derived using different cross-calibration methods; the officially provided coefficients (updated in October 2014) are also listed

sensorbandImage?basedRTM?BRDFofficialgaindifferences?/(%)gainoffsetR2gainoffsetR2gainDaDbDcWFV1blue0．1564-0．51260．910．1892 2．54420．940．2004 20．97 21．96 5．59 green0．1452-6．15330．970．1771-1．38180．950．164821．9711．897．46red0．1190-1．81380．970．13963．05440．950．124317．314．2612．31nir0．1471-4．34310．960．15102．63350．930．15632．655．893．39WFV2blue0．1940-6．95790．990．2129-6．59390．960．17339．7411．9422．85green0．1590-8．42300．990．1795-7．63580．950．138312．8914．9729．79red0．1292-5．85430．990．1434-2．94770．970．112210．9915．1527．81nir0．1690-12．43370．980．1665-8．64760．960．13911．48 21．519．70

續(xù)表1

注：陰影部分是本文所提出的交叉定標(biāo)方法RTM-BRDF，也是推薦使用的定標(biāo)系數(shù)。同時(shí)，也列出了4個(gè)版本的定標(biāo)系數(shù)之間的比較。Da是RTM-BRDF和Image-based的增益的差異，Db是Image-based和official的增益的差異，Dc是RTM-BRDF和Official的增益的差異。

顯然，對(duì)WFV1來(lái)說(shuō)，ρRTM-BRDF與ρsimulated最接近，紅點(diǎn)也最接近1∶1的直線。為了更直接地反映定標(biāo)系數(shù)的不確定性，計(jì)算了差異的均值MD和均方根誤差RMSD。可以看到，除了藍(lán)光波段MD為10.3%，RMSD為9.1%，其他3個(gè)波段MD均小于6.4%，RMSD均小于6.6%。此外，ρsimulated和ρRTM-BRDF的差異比它與ρOfficial、ρImage-based之間的差異都要小，說(shuō)明對(duì)于非星下點(diǎn)成像的相機(jī)由RTM-BRDF得到的定標(biāo)系數(shù)精度較高。而對(duì)于WFV3來(lái)說(shuō)，由Image-based方法對(duì)應(yīng)的MD和RMSD最小，與1∶1直線也擬合得較好，說(shuō)明對(duì)于近似星下點(diǎn)成像的相機(jī)來(lái)說(shuō)，Image-based交叉定標(biāo)方法精度相對(duì)較高。

除了用OLI影像來(lái)驗(yàn)證外，還利用敦煌定標(biāo)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。本文將實(shí)測(cè)的光譜數(shù)據(jù)、大氣數(shù)據(jù)、BRF數(shù)據(jù)模擬出星上反射率，并將其與用兩種方法得到的定標(biāo)系數(shù)計(jì)算得到的星上反射率進(jìn)行比較，如圖4。橫軸從左到右分別對(duì)應(yīng)WFV1-WFV4，數(shù)字表示日期。從圖4中可以看到，WFV1在藍(lán)光波段和綠光波段，Image-based方法模擬得到的星上反射率ρTOA,Image-based與用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模擬得到的ρTOA,In-situ相差較大，可達(dá)0.06，這說(shuō)明Image-based方法并不適用于大傾角觀測(cè)相機(jī)。但此方法對(duì)于WFV2和WFV3近似星下點(diǎn)成像的相機(jī)來(lái)說(shuō)，ρTOA,Image-based與ρTOA,In-situ最接近，說(shuō)明Image-based交叉定標(biāo)方法只適用于星下點(diǎn)成像的相機(jī)。此外，對(duì)于4個(gè)相機(jī)來(lái)說(shuō)，RTM-BRDF方法模擬得到的星上反射率ρTOA,RTM-BRDF與ρTOA,In-situ都比較接近，這說(shuō)明RTM-BRDF對(duì)于所有觀測(cè)傾角的相機(jī)都適用，進(jìn)一步說(shuō)明RTM-BRDF方法所得到的定標(biāo)系數(shù)更具代表性。但為了保證定標(biāo)系數(shù)的最佳精度，對(duì)于WFV1和WFV4，采用RTM-BRDF方法得到的定標(biāo)系數(shù)，而對(duì)于WFV2和WFV3則采用Image-based方法得到的定標(biāo)系數(shù)(見(jiàn)表1)。

4 討 論

盡管GF-1的波段配置與OLI很相似，但其在光譜響應(yīng)函數(shù)上的差異會(huì)使觀測(cè)的地物反射率產(chǎn)生很大的差異。模擬發(fā)現(xiàn)，光譜匹配因子最小為0.890 8，最大為1.392 9。也就是說(shuō)，觀測(cè)同一地物的反射率，兩個(gè)傳感器在波段配置和光譜響應(yīng)函數(shù)之間的差異可以達(dá)到～40%[10]，說(shuō)明十分有必要利用實(shí)測(cè)高光譜數(shù)據(jù)或光譜庫(kù)來(lái)校正兩個(gè)傳感器在波段配置和光譜響應(yīng)函數(shù)之間的差異[19]。

利用RTM-BRDF方法對(duì)WFV進(jìn)行交叉定標(biāo)的過(guò)程中，理想的狀況是使用實(shí)測(cè)的氣溶膠數(shù)據(jù)和BRF(bidirectional reflectance factor)數(shù)據(jù)來(lái)模擬輻射傳輸過(guò)程和二向散射效應(yīng)[20]。然而，由于是利用計(jì)算機(jī)隨機(jī)選取的定標(biāo)點(diǎn)，不僅地物類(lèi)型豐富，而且覆蓋面積大，很難獲得充足的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。事實(shí)上，由RTM-BRDF方法得到的定標(biāo)系數(shù)，對(duì)于非星下點(diǎn)成像的相機(jī)來(lái)說(shuō)，其不確定性均8%，與官方定標(biāo)系數(shù)和基于Image-based方法得到的定標(biāo)系數(shù)相比，顯著提高了定標(biāo)精度。這也進(jìn)一步說(shuō)明MODIS產(chǎn)品是完全可以有效地應(yīng)用于此交叉定標(biāo)過(guò)程。同時(shí)也說(shuō)明，對(duì)于星下點(diǎn)或者近似星下點(diǎn)成像的相機(jī)來(lái)說(shuō)，Image-based方法也有較好的表現(xiàn)，并且相對(duì)于RTM-BRDF方法來(lái)說(shuō)大幅減小工作難度。

一般來(lái)說(shuō)，RTM-BRDF方法對(duì)于所有觀測(cè)幾何都適用，只不過(guò)在衛(wèi)星觀測(cè)天頂角小于20°時(shí)，其精度不如Image-based方法。因此，當(dāng)衛(wèi)星觀測(cè)天頂角小于20°時(shí)，采用Image-based方法，否則采用RTM-BRDF方法。

圖3 WFV1(左)和WFV3(右)定標(biāo)得到的星上反射率與利用OLI影像模擬得到的星上反射率的比較。MD為相對(duì)差異的均值，MR為差異比Fig.3 The mean differences between calibrated TOA reflectance of WFV1 (left), WFV3 (right) and simulated TOA reflectance from concurrent LandSat-8 OLI for different reflectance ranges

圖4 Image-based和RTM-BRDF方法的定標(biāo)系數(shù)得到的星上反射率與用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模擬的星上反射率的比較。橫坐標(biāo)從左到右分別對(duì)應(yīng)WFV1-WFV4，數(shù)字代表日期Fig.4 Validations of the calibrated TOA reflectance of WFV cameras using in situ reflectance and simulated TOA reflectance. The results for Image-based and RTM-BRDF calibration coefficients are demonstrated. Abscissa from left to right represents WFV1-WFV4， respectively, numbers mean the date

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)兩種交叉定標(biāo)方法進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，對(duì)于近似星下點(diǎn)成像的相機(jī)WFV2和WFV3來(lái)說(shuō)，Image-based方法能獲取精度較高的輻射定標(biāo)系數(shù)，且該方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程較為簡(jiǎn)便。而對(duì)于非星下點(diǎn)成像的相機(jī)WFV1和WFV4來(lái)說(shuō)，RTM-BRDF盡管需要更多的輸入?yún)?shù)與模擬過(guò)程，但由于考慮到傾斜觀測(cè)帶來(lái)的大氣程輻射及方向散射差異，其得到的定標(biāo)系數(shù)明顯優(yōu)于Image-based方法。于是將兩種方法相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)GF-1 WFVs相機(jī)的準(zhǔn)確輻射定標(biāo)。另外，由于Landsat-8 OLI數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)免費(fèi)獲取，階段性地利用這兩種方法對(duì)WFV相機(jī)進(jìn)行輻射定標(biāo)，可以有效預(yù)防相機(jī)衰減給定量遙感應(yīng)用的潛在問(wèn)題。

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(責(zé)任編輯：張艷玲)

Comparison of the Cross-calibration Methods between Image-based and RTM-BRDF for GF-1 Images

LI Juan1,3,FENG Lian2,PANG Xiaoping1,3

1. Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping，Wuhan University，Wuhan 430079，China； 2. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing，Wuhan University，Wuhan 430079，China； 3. Key Laboratory of Polar Science of Surveying and Mapping，National Administration of Surveying，Mapping and Geoinformation，Wuhan 430079，China

Four wide-field-of-view (WFV) instruments are on board the Gaofen-1 (or GF-1) satellite, providing a combined swath of ～800 km. Before appling to quantitative remote sensing, precision radiometric calibration is needed. Currently, there are two cross-calibration methods. One is the traditional cross-calibration method (image-based), the other is based on radiative transfer model and bidirectional reflectance distribution function(RTM-BRDF). In this study, the two methods were used to cross-calibrate the WFVs of GF-1, and the comparisons were made at the same time. The verification based on satellite data and in situ measurements have shown that, for the two approximately nadir imaging camera WFV2 and WFV3, Image-based method could get higher precision radiometric calibration coefficients, while for two non-nadir imaging cameras WFV1 and WFV4, high precision calibration coefficients would be obtained by the RTM-BRDF method. Finally, the calibration coefficients of GF-1 was derived by the combination of the two methods.

Gaofen-1 satellite；cross-calibration；relative spectral response；USGS spectral library；aerosol；radiative transfer model；BRDF

The National Natural Science Foundation of China (Nos. 41671338;41401388)

LI Juan(1991—)，female，PhD，majors in cross-calibration of Gaofen-1 WFVs.

PANG Xiaoping

李娟，馮煉，龐小平.針對(duì)GF-1遙感影像的基于影像與基于輻射傳輸模型的兩種交叉定標(biāo)方法比較[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(7)：882-890.

10.11947/j.AGCS.2017.20160315. LI Juan,FENG Lian,PANG Xiaoping.Comparison of the Cross-calibration Methods between Image-based and RTM-BRDF for GF-1 Images[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(7):882-890. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160315.

P237

A

1001-1595(2017)07-0882-09

國(guó)家自然科學(xué)基金(41671338;41401388)

2016-06-28

李娟(1991—)，女，博士，研究方向?yàn)楦叻忠惶?hào)衛(wèi)星交叉輻射定標(biāo)。

E-mail： lijuan0624@whu.edu.cn

龐小平

E-mail： pxp@whu.edu.cn

修回日期： 2017-06-13