劉李 張學(xué)文 韓啟金 潘志強(qiáng) 曾燕

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“資源三號(hào)”衛(wèi)星多光譜相機(jī)在軌輻射性能變化監(jiān)測(cè)

劉李1張學(xué)文1韓啟金1潘志強(qiáng)1曾燕2

（1 中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京100094）（2 航天恒星科技有限公司，北京 100190）

為更好的開(kāi)展遙感數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用并分析監(jiān)測(cè)載荷在軌期間的性能變化，文章根據(jù)“資源三號(hào)”（ZY-3）衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)的在軌場(chǎng)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，基于場(chǎng)地定標(biāo)的反射率基法，計(jì)算多光譜（MUX）相機(jī)2012~2016年的場(chǎng)地定標(biāo)系數(shù)，并提出利用離散系數(shù)評(píng)價(jià)MUX相機(jī)輻射性能變化的方法；對(duì)ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)在中國(guó)輻射校正場(chǎng)獲取的共10次同步試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示自2012年發(fā)射以來(lái)MUX相機(jī)輻射特性的衰變?cè)?%左右。

多光譜相機(jī) 輻射性能 變化監(jiān)測(cè) “資源三號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

“資源三號(hào)”（ZY-3）衛(wèi)星于2012年1月9日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，是我國(guó)自行研制的民用高分辨率光學(xué)傳輸型立體測(cè)繪衛(wèi)星[1]。ZY-3衛(wèi)星搭載了三線陣測(cè)繪相機(jī)和多光譜（MUX）相機(jī)，可提供幅寬大于51km、分辨率2.1m全色/5.8m多光譜平面影像和3.5m立體影像。ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)配置了藍(lán)（B1）、綠（B2）、紅（B3）和近紅外（B4）4個(gè)譜段（圖1所示），相機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示[2]。

ZY-3衛(wèi)星遙感器受發(fā)射時(shí)的振動(dòng)、在軌空間環(huán)境變化以及元器件電路系統(tǒng)老化等因素的影響，其性能指標(biāo)（如探測(cè)靈敏度、響應(yīng)度、暗噪聲效應(yīng)）會(huì)不斷發(fā)射變化，這些衰減直接影響著衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的定量產(chǎn)品精度、可靠性和應(yīng)用效果[3]。因此，利用歷史定標(biāo)數(shù)據(jù)，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)MUX相機(jī)在軌輻射特性的變化具有十分重要的意義。通過(guò)在軌輻射特性監(jiān)測(cè)，才能夠準(zhǔn)確的評(píng)估MUX相機(jī)接收的能量，追蹤載荷在軌運(yùn)行期間輻射性能的變化情況，并及時(shí)調(diào)整改進(jìn)輻射定標(biāo)算法，校正衛(wèi)星遙感圖像的輻射品質(zhì)和穩(wěn)定性，確保地物時(shí)相變化信息能夠被MUX相機(jī)有效捕獲[4]，從而提高遙感數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用能力。結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前衛(wèi)星遙感器在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)方法主要有星上定標(biāo)[5]、交叉定標(biāo)[6-7]和場(chǎng)地定 標(biāo)[8]等，我國(guó)光學(xué)衛(wèi)星在軌輻射定標(biāo)試驗(yàn)主要依托敦煌輻射定標(biāo)場(chǎng)[9-11]開(kāi)展在軌場(chǎng)地定標(biāo)。

圖1 ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)光譜響應(yīng)函數(shù)

表1 ZY-3 MUX相機(jī)主要參數(shù)

Tab.1 Main parameters of ZY-3 MUX camera

場(chǎng)地定標(biāo)主要包括反射率基法、輻亮度法和輻照度基法。其中，反射率基法是在衛(wèi)星遙感器過(guò)境的同時(shí)，在地面開(kāi)展發(fā)射率和大氣光學(xué)參數(shù)的同步測(cè)量，利用大氣輻射傳輸模型計(jì)算衛(wèi)星遙感器入瞳輻亮度，結(jié)合圖像計(jì)數(shù)值計(jì)算遙感器定標(biāo)系數(shù)的方法；輻亮度法是通過(guò)將輻射計(jì)搭載于具有一定高度的飛行平臺(tái)以獲取飛行高度處的輻亮度，該方法有利于對(duì)飛行高度以下的大氣影響進(jìn)行訂正，但引入了飛行過(guò)程中的觀測(cè)誤差，且試驗(yàn)難度較大；輻照度基法是在反射率基法的基礎(chǔ)上增加了漫射輻射度與總輻射度的測(cè)量，以實(shí)測(cè)漫總比值代替反射率基法中的假設(shè)值，提高了輻射定標(biāo)精度，但漫總比參數(shù)的測(cè)量過(guò)程不確定性較大。鑒于此，本文利用場(chǎng)地定標(biāo)中的反射率基法[2]，通過(guò)分析2012~2016年敦煌同步觀測(cè)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，獲取ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)歷史數(shù)據(jù)的在軌定標(biāo)系數(shù)，進(jìn)行MUX相機(jī)的在軌輻射性能評(píng)價(jià)和分析。

1 反射率基法

反射率基法主要是在衛(wèi)星遙感器飛過(guò)輻射校正場(chǎng)的前后0.5h內(nèi)，同步測(cè)量地表反射率、大氣光學(xué)參量及其它參數(shù)[13-14]，然后利用輻射傳輸模型計(jì)算衛(wèi)星遙感器入瞳處輻射亮度值，與衛(wèi)星遙感器波段光譜響應(yīng)函數(shù)卷積得到衛(wèi)星遙感器波段處等效輻射亮度值，同時(shí)通過(guò)在遙感影像上提取的定標(biāo)場(chǎng)區(qū)域的計(jì)數(shù)值計(jì)算定標(biāo)系數(shù)[15]。

ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)入瞳處所接收的表觀輻亮度由大氣路徑散射（主要包括瑞利散射和氣溶膠散射）輻射亮度、目標(biāo)區(qū)反射輻射亮度和鄰近目標(biāo)的散射輻射亮度組成[9]：

依據(jù)ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)各波段光譜響應(yīng)特點(diǎn)，可計(jì)算出相機(jī)波段的入瞳處等效輻亮度值，

式中λ為相機(jī)波段的等效中心波長(zhǎng)；為相機(jī)波段的等效輻亮度；為相機(jī)波段的光譜響應(yīng)函數(shù)；表示波段的光譜響應(yīng)的最小波長(zhǎng)；表示波段的光譜響應(yīng)的最大波長(zhǎng)。[11]

衛(wèi)星遙感器輻射探測(cè)性能為線性響應(yīng)時(shí)，可假設(shè)衛(wèi)星遙感器觀測(cè)值和入瞳處的等效輻亮度具有定量關(guān)系

式中為定標(biāo)斜率；為定標(biāo)截距；DN為衛(wèi)星遙感器波段的灰度觀測(cè)值。

根據(jù)衛(wèi)星遙感器觀測(cè)地面目標(biāo)時(shí)獲得的波段觀測(cè)值與等效輻亮度數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法可擬合出遙感器在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)和，如僅有一個(gè)地面目標(biāo)場(chǎng)地，則假設(shè)在軌運(yùn)行過(guò)程中未發(fā)生變化，從而確定出定標(biāo)斜率。[12]

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)自2012年發(fā)射以來(lái)，迄今為止共開(kāi)展了10次場(chǎng)地定標(biāo)試驗(yàn)。當(dāng)其過(guò)境敦煌國(guó)家輻射校正場(chǎng)時(shí)，同步進(jìn)行了地面反射率光譜測(cè)量，測(cè)得數(shù)據(jù)如圖2所示。圖2中波長(zhǎng)1 800nm和2 500nm處有明顯的奇異值出現(xiàn)，其原因主要來(lái)自于地面光譜儀的硬件（測(cè)量使用的地物光譜儀由波長(zhǎng)測(cè)量范圍為1 000~1 850nm和1 850~2 500nm的兩組探測(cè)器拼接而成）。利用式（2），將光譜儀測(cè)得的地表反射率值與MUX相機(jī)對(duì)應(yīng)波段的光譜響應(yīng)函數(shù)卷積得到地表等效反射率，如圖3所示。

圖2 地表反射率

圖3 地表等效反射率

大氣光學(xué)厚度參數(shù)由CE318太陽(yáng)光度計(jì)獲取，光度計(jì)在550nm處瞬時(shí)氣溶膠光學(xué)厚度結(jié)果如表2所示。大氣光學(xué)厚度（AOD），是大氣的消光系數(shù)在垂直方向上的積分，用來(lái)描述氣溶膠對(duì)光的消減作用，是大氣輻射傳輸中的重要輸入?yún)?shù)之一。

然后利用輻射傳輸模型計(jì)算MUX相機(jī)入瞳處輻射亮度值，結(jié)果如圖4所示。其中主場(chǎng)指由礫石組成的具有中等反射率的敦煌國(guó)家輻射校正場(chǎng)，高亮場(chǎng)指位于國(guó)家輻射校正場(chǎng)北部的由石膏晶體構(gòu)成的具有高反射率的定標(biāo)場(chǎng)地。

根據(jù)圖4和表3中MUX相機(jī)入瞳處等效輻亮度值和相機(jī)影像灰度值，利用式（3）進(jìn)行線性擬合，得到MUX相機(jī)2012~2016年在軌場(chǎng)地定標(biāo)系數(shù)（圖5）。

表2 CE318大氣光學(xué)厚度觀測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

Tab.2 AOD results of CE318

（a）高亮場(chǎng)等效入瞳輻亮度 （b）主場(chǎng)等效入瞳輻亮度

表3 MUX相機(jī)影像灰度值

Tab.3 DNs of the sensor image of MUX camera

計(jì)算MUX相機(jī)歷年（2012~2016年）在軌場(chǎng)地定標(biāo)系數(shù)，并通過(guò)離散系數(shù)來(lái)分析MUX相機(jī)在軌輻射性能的歷史變化特征。離散系數(shù)是衡量數(shù)據(jù)資料中各樣本值變異程度的統(tǒng)計(jì)量，通常采用標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比值來(lái)表示[16]。MUX相機(jī)B1~B4波段定標(biāo)系數(shù)的離散系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)自發(fā)射以來(lái)，藍(lán)綠波段衰減小于5%，輻射性能變化相對(duì)穩(wěn)定；紅光波段和近紅外波段衰減大于5%，相對(duì)藍(lán)綠波段變化略大，但仍小于6%，可見(jiàn)相機(jī)整體性能相對(duì)穩(wěn)定。

圖5 ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)歷年場(chǎng)地定標(biāo)系數(shù)

表4 MUX相機(jī)場(chǎng)地定標(biāo)系數(shù)

Tab.4 Site calibration coefficient of MUX camera

3 結(jié)論

本文首次提出針對(duì)ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)2012~2016年在軌期間的輻射特性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，利用中國(guó)敦煌輻射校正場(chǎng)的敦煌石膏場(chǎng)和戈壁場(chǎng)的歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展基于中國(guó)敦煌輻射校正場(chǎng)地的ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)，得到時(shí)間序列定標(biāo)系數(shù)，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)變量離散系數(shù)對(duì)MUX相機(jī)定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：1）利用離散系數(shù)能夠評(píng)價(jià)MUX相機(jī)輻射性能變化；2）ZY-3衛(wèi)星MUX相機(jī)自2012年發(fā)射以來(lái)輻射特性的衰變?cè)?%左右。本文提出的輻射性能在軌監(jiān)測(cè)方法彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)衛(wèi)星長(zhǎng)時(shí)間性能變化監(jiān)測(cè)的缺失，對(duì)后續(xù)國(guó)產(chǎn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間序列的在軌輻射性能監(jiān)測(cè)具有借鑒意義。

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（編輯：夏淑密）

In-orbit Radiometric Performance Change Monitoring of ZY-3 MUX Camera

LIU Li1ZHANG Xuewen1HAN Qijin1PAN Zhiqiang1ZENG Yan2

（1 China Centre for Resources Satellite Data and Application, Beijing 100094, China）（2 Space Star Technology CO., LTD., Beijing 100190, China）

For better quantitative application of remote sensing data and changes monitoring of the radiometric performance for in-orbit payload, this paper analyses the calibration coefficients since the launch of ZY-3 in 2012. The coefficients of variation is calculated to evaluatethe radiometric characteristics changes of MUX. Totally, 10 synchronous in situ measurements are used for the calculation of ZY-3 MUX based on the reflectance- based method. The results show that the decay of radiometric performanceis around 5% since ZY-3’s launch.

multispectral camera; radiometric performance; change monitoring; ZY-3 satellite

TP732

A

1009-8518(2017)04-0090-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.04.011

劉李，男，1984年生，2013年獲中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所地圖學(xué)與地理信息專業(yè)博士學(xué)位，高級(jí)工程師。主要從事衛(wèi)星傳感器輻射定標(biāo)及定量化應(yīng)用方面的研究工作。Email：liulicugb@126.com。

2016-10-27

國(guó)家自然科學(xué)基金（41401424）；中國(guó)科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（KLOCC2016-1）