李巖 陳洪耀 方舟 李龍飛 陳元偉 胡永力 汪紅強 汪松

“巴遙一號”衛(wèi)星雙相機在軌絕對輻射定標及精度分析

李巖1陳洪耀2方舟1李龍飛1陳元偉1胡永力3汪紅強1汪松1

（1 航天恒星科技有限公司，北京 100095）（2 中國科學院安徽光學精密機械研究所，合肥 230031）（3 北京空間機電研究所，北京 100094）

“巴遙一號”衛(wèi)星作為中國整星出口巴基斯坦的第一顆光學遙感衛(wèi)星，搭載了兩臺全色/多光譜高分辨率相機，每臺相機全色波段的像元分辨率為1m，多光譜波段（藍、綠、紅及近紅外）的像元分辨率為3m。為滿足“巴遙一號”衛(wèi)星雙相機絕對輻射定標精度7%（2）的指標要求，文章采用基于灰階靶標的絕對輻射定標方法，在敦煌定標場開展了為期56天的試驗，得到了雙相機的絕對輻射定標參數(shù)，然后進行定標不確定性評估并與基于大面積均勻場反射率法的MODIS結果、基于太陽-漫射板的MODIS星上定標結果進行交叉定標驗證。結果表明，文中方法獲取的“巴遙一號”衛(wèi)星雙相機定標絕對輻射精度為5.2%（2），滿足其絕對輻射定標指標要求和定量化應用要求。

在軌輻射定標 交叉驗證 雙相機 “巴遙一號”衛(wèi)星

0 引言

“巴遙一號”（PRSS-1）衛(wèi)星作為中國向巴基斯坦整星出口的第一顆光學遙感衛(wèi)星，于2018年7月9日在我國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。星上共搭載2臺全色1m和多光譜3m像元分辨率的全色多光譜高分辨率相機（A、B雙相機）。相機類型為TDICCD推掃式，相機成像方式采用線陣推掃成像，單臺相機幅寬約 30km，兩臺相機拼接后幅寬優(yōu)于60km，設計壽命7年。PRSS-1衛(wèi)星主要用于巴基斯坦的國土資源普查、環(huán)境保護、災害監(jiān)測和管理、農作物估產(chǎn)和城市規(guī)劃等領域[1-3]，將對巴基斯坦發(fā)展國民經(jīng)濟、改善人民生活、促進社會進步等發(fā)揮積極作用，助力中巴經(jīng)濟走廊和“一帶一路”建設。

光學遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的定量化應用是當前研究熱點，其關鍵在于提高其相機的定標水平。遙感衛(wèi)星光學相機定標方法有星上定標(內定標)和替代定標(外定標，包括交叉定標和場地定標)[4-6]。然而內定標方法的可靠性常隨著儀器元器件的老化和空間環(huán)境的變化而降低，而基于場地的替代定標由于不受空間環(huán)境和衛(wèi)星狀態(tài)的影響得到了快速發(fā)展。目前國際上提出基于海洋、沙漠和冰殼等目標的場地定標方法，并已成功應用于LANDSAT、SPOT和GF等系列衛(wèi)星相機的在軌絕對輻射定標與檢驗。我國遙感衛(wèi)星光學相機的外場絕對輻射定標主要使用敦煌定標場[7-10]。本文根據(jù)PRSS-1衛(wèi)星雙相機工作特性設計了一種在敦煌定標場基于灰階靶標的場地輻射定標方法，來獲得雙相機絕對輻射定標系數(shù)，同時考慮到雙相機交叉驗證的時效性，設計了一種基于大面積均勻場反射率法的MODIS數(shù)據(jù)結果與MODIS星上定標結果雙重交叉驗證分析方法，對PRSS-1衛(wèi)星雙相機在軌絕對輻射定標進行驗證分析，結果表明PRSS-1衛(wèi)星雙相機在軌輻射定標結果準確有效。

1 定標方法與數(shù)據(jù)處理

1.1 定標方法

光學遙感器入瞳的輻亮度如圖1所示，主要有大氣程輻射、目標反射輻射、周圍環(huán)境漫射輻射等三部分構成[11]。

圖1 太陽輻射-地面-傳感器相互作用示意

根據(jù)輻射傳輸模型，復雜環(huán)境下光學遙感器入瞳輻亮度可表示為

由式（1）可知，光學遙感器入瞳輻亮度與目標反射率t成正比，當光學遙感器對大面積灰階靶標觀測時，由于靶標上空的大氣程輻射與周圍環(huán)境輻射為常數(shù)，將其與遙感器暗電流等合并，則

式中t為目標反射輻射引入的輻亮度；（）為光學相機的光譜響應函數(shù)；為天空漫射總輻射比；為波長。

根據(jù)式（2），代入測量數(shù)據(jù)與簡化的輻射傳輸結果，結合光學遙感器對不同反射率大面積灰階靶標觀測DN值，以最小二乘法計算得到光學遙感器的輻射定標系數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)精度控制與檢查

衛(wèi)星雙相機相對輻射校正數(shù)據(jù)精度以及地面同步測量數(shù)據(jù)精度直接影響著絕對輻射定標精度，因此，需要對獲取的數(shù)據(jù)做精度控制和檢查。

相對輻射校正數(shù)據(jù)精度方面，根據(jù)偏航90°模式在軌獲取的各種積分級數(shù)和增益條件下的相對輻射定標參數(shù)進行全色和多光譜的逐像元校正[12]，之后對相對輻射校正后圖像進行CCD拼接、雙相機拼接及雙相機間輻射一致性校正，其中PRSS-1衛(wèi)星雙相機幾何拼接和雙相機間輻射一致性校正是針對雙相機拼接產(chǎn)品進行設計，采用雙相機拼接重疊區(qū)域直方圖匹配方法消除雙相機拼接處的色差，最終得到了PRSS-1衛(wèi)星雙相機拼接區(qū)連續(xù)100個像元優(yōu)于0.5%以及拼接縫左右兩側灰度值差異小于1的相對輻射校正精度。

地面同步測量數(shù)據(jù)精度方面，定標試驗前需要對獲取數(shù)據(jù)的光譜輻射計、漫反射參考板、太陽輻射計進行定標檢測，明確儀器測量光譜、輻射、BRDF（雙向反射分布函數(shù)）等物理量的不確定度水平。其次，在定標試驗場可通過不同儀器間交叉比對、現(xiàn)場定標等方式確認測量儀器的狀態(tài)和測量不確定度水平，同時對所有儀器進行時鐘校準。

1.2.2 同步測量數(shù)據(jù)處理

同步測量的數(shù)據(jù)包括各測試目標點的地表反射率、大氣光學特性參數(shù)及天空漫射輻射與總輻射比。

（1）地表反射率

絕對輻射定標場區(qū)位于中國甘肅省敦煌市西北的戈壁沙漠，平均海拔高度大于1km，該區(qū)域每年8~9月份大氣條件干潔，晴空日數(shù)多。場區(qū)中心位于北緯40.195°，東經(jīng)94.32°，場區(qū)地勢平坦，四周開闊（20km×20km范圍內均為戈壁沙漠），靶標布設區(qū)域面積約100m×400m，2018年8月18日至9月20日開展星地同步測量試驗，PRSS-1衛(wèi)星雙相機共計成功成像4次，分別成功成像2次，成像時圖像清晰無云無飽和現(xiàn)象。測試目標點的反射率的測量由ASD野外光譜儀配合參考漫反射參考板完成，ASD采集測試目標反射率某個測試點的光譜輻亮度和準同步參考漫反射參考板反射的光譜輻亮度，相比并乘以參考漫反射參考板的反射率（實驗室內標定）得到該測試點的反射率，剔除粗大誤差后取均值得到該測試目標的反射率結果。測量60%、40%、20%及5%靶標以及戈壁沙漠的反射率結果如圖2所示，每次過頂前后15min都對灰階靶標的反射率同步測量，由于靶標僅在試驗當天鋪設并經(jīng)過清潔處理，光譜反射率幾乎未發(fā)生變化。

圖2 敦煌定標場區(qū)反射率

（2）大氣光學特性參數(shù)

大氣光學特性參數(shù)主要指氣溶膠光學厚度（AOT），本次試驗采用自動太陽輻射計CE318測量氣溶膠光學厚度，部署在測試區(qū)。其中CE318剛剛經(jīng)過出廠前定標，氣溶膠光學厚度測量精度高，還可以反演大氣中的水汽含量[13]。利用440nm和670nm的通道可計算得到550nm譜段的氣溶膠光學厚度。

衛(wèi)星過境時刻成像參數(shù)、氣溶膠光學厚度及氣象情況及如表1所示，不同日期氣溶膠光學厚度處理的結果如圖3所示。

表1 衛(wèi)星過境時刻成像參數(shù)和氣溶膠光學厚度及氣象情況

Tab.1 Satellite imaging parameters, aerosol optical thickness and meteorological conditions at transit time

注1）：臭氧總量單位DU（Dobson unit），1DU相當于在標準狀態(tài)下10–3cm臭氧柱厚度。

（3）天空漫射輻射與總輻射比

衛(wèi)星過頂前后15min，利用光譜輻射計與漫反射參考板采用遮擋法對天空漫射輻射與總輻射進行測量，以獲取衛(wèi)星成像時刻的天空漫射輻射與總輻射比，假設天空漫射均勻，漫射輻射與總輻射比()可表述為

式中 DNdiff()為遮擋太陽時光譜輻射計測量信號值；DNtotal()為未遮擋時光譜輻射計測量信號值；d/0()為漫反射參考板的方向-半球反射比因子；(s/0)為漫射板在入射天頂角為太陽天頂角s、觀測角度為0°時的BRDF。

漫射輻射與總輻射比測量示意圖及雙相機4次過頂前后的比值如圖4所示。

圖3 CE318氣溶膠光學厚度

圖4 漫射輻射與總輻射比

2 絕對定標參數(shù)計算

（1）目標反射輻射提取

根據(jù)實驗室定標結果，相機為線性不變系統(tǒng)，利用線性回歸分析可把目標反射輻射和非目標反射輻射（即大氣程輻射和地氣耦合輻射）分離

=+(4)

式中為對應的圖像灰度；為獲取到的反射率；為截距，表示大氣程輻射及環(huán)境輻射量；為斜率，表示目標反射輻射對應的DN值。

圖5給出了B相機2018-09-20波段1的線性擬合結果。截距標準差為2.17，是截距的4.06%。斜率標準差為5.91，是斜率的0.84%。線性擬合結果相關性為0.999 79，擬合程度高。

圖5 目標反射輻射和程輻射及環(huán)境輻射的分離（2018-09-20 B相機B1）

（2）目標反射輻射引入的輻亮度計算

將上面同步測量得到的測試目標點的反射率數(shù)據(jù)和氣溶膠光學厚度、水汽含量數(shù)據(jù)輸入到6S/Modtran輻射傳輸模型中，并利用軌道仿真推演軟件計算衛(wèi)星過頂時刻衛(wèi)星天頂角、衛(wèi)星方位角、太陽天頂角和太陽方位角等幾何參數(shù)輸入，從而計算得到灰階靶標在衛(wèi)星過頂時刻衛(wèi)星入瞳處的反射輻射引入的光譜輻亮度，如圖6所示。

圖6 反射率為1時目標反射產(chǎn)生的入瞳輻亮度計算

（3）絕對輻射定標系數(shù)計算

根據(jù)步驟（1）~（2）計算結果，相機的暗電流已扣除，得到絕對輻射定標系數(shù)可表述為

式中L=1()為地面反射率為1時目標反射引入的光譜輻亮度；DNslop為靶標反射率與圖像DN值線性回歸得到的斜率（此斜率為DN值）。

用兩次定標結果的平均值作為本次定標試驗相機的定標系數(shù)，得到PRSS-1衛(wèi)星 A、B雙相機的輻射響應，兩臺相機入軌后在定標的積分級數(shù)和增益條件下，從5%~60%反射率動態(tài)范圍內具有良好的響應線性，PRSS-1衛(wèi)星雙相機多光譜波段1輻射響應如圖7所示。

圖7 PRSS-1衛(wèi)星雙相機多光譜波段1輻射響應

3 不確定性評估與交叉驗證

3.1 定標不確定度評估

根據(jù)前面所述的輻射定標原理方法可知，影響定標不確定度的因素主要有：待定標相機物理響應模型、地面總輻照度的測量/計算、靶標的BRDF測量、向上大氣透過率計算以及幾何因子等，以下不確定度評估都按照2分析。

（1）待定標相機物理響應模型

相機響應物理模型是指輸入、輸出之間的函數(shù)關系，該模型是外場輻射定標的基礎，主要包括系統(tǒng)級暗電流、雜散光、響應線性、信噪比、動態(tài)范圍、光譜響應函數(shù)等，該部分的不確定度按3%估算。

（2）地面總輻照度的測量/計算

地面總輻照度可根據(jù)大氣輻射傳輸模型計算或者用光譜輻射計測量出來，其中輻射傳輸計算的不確定度主要來自大氣、氣溶膠模型的假設、大氣外太陽光譜輻照度等，在敦煌滿足大面積均勻場的條件下，該項的不確定度小于3%[14]。

（3）靶標的BRDF測量

靶標BRDF測量采用和漫反射參考板比對的方法，灰階靶標具有光譜平坦、相機觀測條件下接近理想朗伯體等特點，不確定度主要來自漫反射參考板的BRDF標校，因此靶標BRDF測量不確定度小于2%[15-16]。

（4）向上透過率計算

圖8 輻射傳輸計算的大氣透過率和測量的比較

綜上所述，基于灰階靶標的輻射定標方法由于采用了以地面測量為主的方式，其綜合不確定度為5.2%（2），不確定度分配如表2所示。

表2 基于灰階靶標的輻射定標不確定度

3.2 定標精度交叉驗證分析

為驗證PRSS-1衛(wèi)星高分相機基于灰階靶標法絕對輻射定標精度，采用了如圖9所示的技術途徑，在 靶標區(qū)旁邊選擇一塊戈壁沙漠，按基于大面積均勻場反射率法的定標原理，通過輻射傳輸計算得到遙感器各個通道的積分輻亮度，該輻亮度和基于灰階靶標法得到的定標系數(shù)結合均勻場區(qū)的DN值推算出的輻亮度 進行比較。輻射傳輸計算的準確性通過和公認的MODIS星上定標小于2%不確定度的輻亮度比較得出[17-20]。

圖9 輻射定標精度驗證技術途徑

（1）輻射定標系數(shù)計算輻亮度與大面積均勻場輻射傳輸計算輻亮度交叉驗證

根據(jù)式（5）推算出戈壁上空的輻亮度為

target,large,band=DNlarge×（6）

式中target,large,band為大面積均勻場上空通道內的積分輻亮度；DNlarge為大面積均勻場區(qū)域圖像統(tǒng) 計值。

治療方法：①全池潑灑復合碘（2%有效碘，500mL可用2000m3）或50%三氯異氰脲酸粉1.0g/m3對水體和蛙體表進行消毒，連用2天。②內服10%氟苯尼考粉，一次量為每千克蛙體10～20mg，每天2～3次，連用3～5天。③在抗生素治療的同時，可在飼料中添加三黃散、板黃散等中草藥制劑，在治療結束后，繼續(xù)投喂3～4天。

按照ISO/IEC指南43，不確定度水平n驗證計算公式為

式中base為通過一種輻射定標方法（文中分別指基于靶標法的輻射定標或者基于星上定標的MODIS定標）計算的定標系數(shù)；ref為基于大面積均勻場輻射定標方法計算的定標系數(shù)；base為基于靶標法輻射定標不確定度；ref為基于大面積均勻場輻射定標不確定度。

從表3中的結果可以看出4天5個波段的定標系數(shù)計算輻亮度和輻射傳輸計算輻亮度最大差異小于6.6%（2），不確定度水平驗證|n|≤0.751。

（2）大面積均勻場輻射傳輸計算輻亮度與MODIS星上定標輻亮度交叉驗證

為驗證基于大面積均勻場輻射傳輸計算的準確性，選取了2018年8月22日下午2:30 MODIS數(shù)據(jù)，按式（5），（6），（9），（10）計算得出MODIS星上定標輻亮度、輻射傳輸計算輻亮度、兩者之間的相對差異及不確定度水平，如表4所示，其中MODIS星上定標輻亮度標稱相對不確定度為2%。

（3）定標結果精密度分析

本次定標試驗A、B兩臺相機各成功2次，每臺相機2次結果和真值（平均值）比較計算得出相對差異，如表5所示。

從結果可看出，A、B兩臺相機兩次定標計算得到的定標系數(shù)相對差異除B相機B3波段兩次相對差異稍大為6.742%（2）外，其余的波段相對差異都小于5%（2），證明采用的定標方法計算出的結果精密度高，相機至今在軌運行期間穩(wěn)定性好。綜合上述，可以得出本次PRSS-1衛(wèi)星雙相機絕對輻射定標系數(shù)不確定度優(yōu)于5.2%（2），滿足絕對輻射定標不確定度優(yōu)于7%（2）的指標要求。

表3 PRSS-1衛(wèi)星雙相機定標結果分析

Tab.3 Analysis of calibration results of PRSS-1 satellite dual camera

表4 MODIS輻亮度和輻射傳輸計算交叉驗證（2018-08-22）

Tab.4 Cross-validation of MODIS radiance and radiation transmission calculated results（2018-08-22）

表5 PRSS-1衛(wèi)星雙相機絕對輻射定標系數(shù)交叉驗證

Tab.5 Cross-validation of absolute radiation calibration coefficients for the two cameras of PRSS-1 satellite

4 結束語

本次在軌輻射定標試驗為2018年7月9日發(fā)射的PRSS-1衛(wèi)星雙相機首次在軌絕對輻射定標，前后歷時56天，期間共完成了2臺相機各2次的絕對輻射定標。本次試驗使用設備新、測試過程嚴格、數(shù)據(jù)采集多，有效地保障了試驗的成功，試驗采用了基于灰階靶標簡化輻射傳輸計算的絕對輻射定標技術，靶標均勻性好，具有良好的朗伯特性和光譜平坦性，以實測數(shù)據(jù)為主，減少了模型假設引入的誤差。同時通過不確定度評估、MODIS不同輻射定標方法之間的交叉分析驗證了本次定標不確定度優(yōu)于5.2%（2），滿足輻射定標不確定度優(yōu)于7%（2）的指標要求。

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On-orbit Absolute Radiometric Calibration and Accuracy Analysis for Dual Camera of PRSS-1 Satellite

LI Yan1CHEN Hongyao2FANG Zhou1LI Longfei1CHEN Yuanwei1HU Yongli3WANG Hongqiang1WANG Song1

（1 Space Star Technology Co., Ltd., Beijing 100095, China）（2 Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China）（3 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

PRSS-1 satellite is the first optical remote sensing satellite exported to Pakistan by China. It is equipped with two PMS cameras. Every camera provides 1m pixel resolution in the PAN band and 3m pixel resolution in the four MSS bands (blue, green, red and near infrared). In order to meet the requirements of 7% (2) absolute calibration accuracy of the PRSS-1 satellite dual camera, the author conducted a 56-days test in the Dunhuang field using the absolute radiometric calibration method based on gray target, obtained the absolute radiometric calibration parameters of the dual camera. Finally, the calibration uncertainty assessment was carried out, and cross-calibration verification was performed based on the MODIS results of the large-area uniform field reflectivity method and the on-board calibration MODIS results based on the solar-diffuse plate. The absolute radiometric calibration accuracy of the PRSS-1 satellite dual camera obtained by this method is 5.2% (2), which satisfies the absolute radiometric calibration index and quantitative application requirements.

on-orbit absolute radiometric calibration; cross-validation; dual camera; PRSS-1 satellite

TP731

A

1009-8518(2019)06-0077-12

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.06.010

李巖，男，1989年生，2016年獲中國地質大學（武漢）地質工程（地球探測與信息技術）專業(yè)碩士學位，工程師。研究方向為衛(wèi)星傳感器定標、圖像處理及定量化應用技術。E-mail：cast503ly@163.com。

2019-09-12

李巖, 陳洪耀, 方舟, 等. “巴遙一號”衛(wèi)星雙相機在軌絕對輻射定標及精度分析[J]. 航天返回與遙感, 2019, 40(6): 77-88.

LI Yan, CHEN Hongyao, FANG Zhou, et al. On-orbit Absolute Radiometric Calibration and Accuracy Analysis for Dual Camera of PRSS-1 Satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2019, 40(6): 77-88. (in Chinese)

（編輯：王麗霞）