楊治緯，高彩霞，邱實，馬靈玲，錢永剛，趙永光

1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 中國科學(xué)院定量遙感信息技術(shù)重點實驗室,北京 100094;

2.中國科學(xué)院大學(xué) 光電學(xué)院,北京 100049

1 引言

高精度的載荷定標(biāo)是保證熱紅外載荷獲取數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性的關(guān)鍵一環(huán)。除星上搭載黑體外，以地面為參照目標(biāo)的場地替代定標(biāo)和交叉定標(biāo)是開展熱紅外載荷在軌定標(biāo)及載荷輻射性能長期穩(wěn)定性監(jiān)測的重要手段，也是目前國際定標(biāo)領(lǐng)域研究熱點（高彩霞 等，2013；李元 等，2009）。當(dāng)前，熱紅外載荷場地替代定標(biāo)的參考目標(biāo)通常選取發(fā)射率接近1 的大面積內(nèi)陸水體（張勇 等，2016），例如中國的青海湖以及美國的加利福尼亞州的太浩湖（Lake Tahoe）等。然而，湖泊區(qū)域全年晴空天數(shù)較少，且不少湖泊存在較長的冰凍期，無法滿足高頻次遙感定標(biāo)需求（鄭小兵，2014）。與場地定標(biāo)技術(shù)相比，交叉輻射定標(biāo)無需建立地面校正場就可進(jìn)行多遙感器衛(wèi)星數(shù)據(jù)之間的標(biāo)定。其優(yōu)點是定標(biāo)成本較低，可以實現(xiàn)高頻次、多遙感器間的輻射定標(biāo)，且不易受天氣等條件的制約。交叉輻射定標(biāo)已經(jīng)成為傳統(tǒng)發(fā)射前定標(biāo)和場地定標(biāo)的有益補充，成為目前確保星載傳感器獲取高精度觀測輻射值的最有效方法之一（高彩霞 等，2013）。2005 年世界氣象組織和氣象衛(wèi)星協(xié)調(diào)組織發(fā)起國際計劃“全球天基交叉定標(biāo)系統(tǒng)” GSICS（Global Space?based Inter?Calibration System），旨在通過對國際業(yè)務(wù)運行的極軌和靜止軌道衛(wèi)星載荷進(jìn)行交叉定標(biāo)，將它們統(tǒng)一到通用參考標(biāo)準(zhǔn)上，確保不同衛(wèi)星部門管理的不同傳感器在不同時間和位置進(jìn)行的衛(wèi)星觀測具有可比性（Mitchell 等，2007）。GSICS 采取星下點SNO（Simultaneous Nadir Overpass）的方式，要求嚴(yán)格的時空譜角匹配，以消除因時空譜角多觀測要素差異帶來的目標(biāo)熱輻射差異，導(dǎo)致交叉匹配點集中在地球兩極，目標(biāo)種類單一，滿足匹配條件的觀測數(shù)據(jù)往往僅占總量的0.1%。因此，在全球范圍內(nèi)甄選具備不同下墊面、不同大氣類型的熱紅外載荷在軌定標(biāo)的地面參考目標(biāo)，增加定標(biāo)樣本，是進(jìn)一步提升熱紅外載荷在軌輻射精度的關(guān)鍵。

國際上，為了實現(xiàn)航天光學(xué)遙感載荷輻射定標(biāo)場地資源共享，國際衛(wèi)星對地觀測委員會CEOS（Committee on Earth Observation Satellites）定標(biāo)與驗證工作組WGCV（Working Group on Calibration and Validation）選擇了49 個陸地輻射定標(biāo)場地納入其合作框架，統(tǒng)稱為CEOS 參考標(biāo)準(zhǔn)測試場，并經(jīng)過近10 年的大量數(shù)據(jù)分析，CEOS/WGCV 確定了6 個偽不變場PICS（Pseudo Invariant Calibration Sites），即Algeria3，Algeria5，Libya1，Libya4，Mauritania1、Mauritania2。這些PICS均分布在非洲沙漠地區(qū)，在可見—近紅外譜段—短波紅外，其場地均一性優(yōu)于3%，時間穩(wěn)定性為2%—3%，已被用于MODIS（Terra/Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）、EO?1（Earth Observing Satellite One）/ALI（Advanced Land Imager）、Sentinel 2A/MSI（Multi Spectral Instrument）、NPP/VIIRS（Visible Infrared Imaging Radiometer Suite）等可見光—近紅外譜段光學(xué)載荷輻射定標(biāo)及輻射性能穩(wěn)定性評估（Wu等，2010；Gyanesh 等，2010；Neigh 等，2016；Barsi 等，2018），以及開展遙感器之間的交叉驗證。此外，2001 年中國建成敦煌輻射定標(biāo)場，并于2008年被納入CEOS陸地輻射定標(biāo)場，主要用于高分、資源、風(fēng)云（FY）等系列衛(wèi)星載荷可見—近紅外譜段—短波紅外光學(xué)載荷的輻射定標(biāo)。由于CEOS 6 個PICS 以及中國敦煌輻射定標(biāo)場甄選初衷是面向可見光—近紅外譜段遙感載荷定標(biāo)，它們對于熱紅外載荷輻射定標(biāo)的適用性還有待進(jìn)一步的分析和論證?；诖耍疚睦瞄L時間序列的Aqua/MODIS、Landsat 8/TIRS熱紅外數(shù)據(jù)以及歐洲中期天氣預(yù)報中心ECMWF（European Centre for Medium?Range Weather Forecasts）大氣再分析數(shù)據(jù)ERA5（Reanalysis v5），對CEOS/PICS、敦煌輻射定標(biāo)場以及格爾木大灶火的地表熱輻射及大氣特性進(jìn)行系統(tǒng)性分析，探討其作為紅外載荷定標(biāo)場的可行性，并給出每個研究區(qū)域?qū)τ跓峒t外載荷輻射定標(biāo)的適用性，以支持熱紅外載荷在軌輻射定標(biāo)研究。

2 目標(biāo)區(qū)域及數(shù)據(jù)描述

2.1 目標(biāo)區(qū)域介紹

20 世紀(jì)90 年代開始，國際上開展了大量PICS甄選與特性分析研究，通過對近15 年的地表、空間、光譜、雙向反射分布函數(shù)BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）以及大氣穩(wěn)定等特性分析，進(jìn)行了PICS的篩選。2008年在美國召開的CEOS可見光紅外定標(biāo)技術(shù)工作組IVOS（Infrared Visible Optical Sensors）會議上，CEOS 發(fā)布了6 個PICS。這 6 個PICS 均位于撒哈拉沙漠，分別為Algeria3、Algeria5、Libya1、Libya4、Mauritania1及Mauritania2，各個輻射定標(biāo)場的中心位置、面積大小如表1所示。這6個PICS的下墊面均為復(fù)合沙丘，且地表光譜特性非常穩(wěn)定，在可見光到近紅外的譜段（400—2500 nm）空間均一性與時間穩(wěn)定性均優(yōu)于3%（Cédric 等，2019；Cosnefroy 等，1996；Choi 等，2014），氣候干燥，大氣通透性良好。CEOS/PICS 場已被廣泛用于美國Aqua、Terra、Landsat 及EO?1 和NOAA 及法國SPOT 和POLDER等多顆衛(wèi)星的反射譜段光學(xué)遙感載荷輻射定標(biāo)驗證和輻射特性穩(wěn)定性分析，以及遙感載荷之間的交叉定標(biāo)（Li等，2014；Neigh等，2016；Barsi等，2018）。

表1 各目標(biāo)區(qū)域中心坐標(biāo)以及2018年—2020年MODIS、Landsat 8無云影像數(shù)量Table 1 Central coordinates of each target area and number of cloud free images of MODIS and Landsat 8 from 2018 to 2020

作為中國可見光—短波紅外光學(xué)載荷輻射定標(biāo)的主要場地，敦煌輻射定標(biāo)場，場地面積約為40 km×30 km，整個區(qū)域較為平坦，場地地物覆蓋度單一且穩(wěn)定，主要由混合的粘土砂礫等構(gòu)成；其地表光譜特性穩(wěn)定，在可見光到近紅外譜段場地的空間均一性與時間穩(wěn)定性分別優(yōu)于2%和3%（傅俏燕 等，2006；何積泰和陸亦懷，1997），已支持高分、資源、風(fēng)云等系列衛(wèi)星載荷的長期業(yè)務(wù)化定標(biāo)工作。此外，何靈莉等（2020）在中國西北地區(qū)進(jìn)行了PICS 場地甄選，確定了位于格爾木市中心西部60 km 處均勻區(qū)域，其地表類型為沙地，場地面積大小為10 km×10 km。

2.2 數(shù)據(jù)介紹

（1）Aqua/MODIS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)。Aqua/MODIS 具備1—2 d 對地觀測一次的能力，擁有36 個中等分辨率（0.25—1 μm）的光譜通道，光譜范圍為0.4—14 μm，熱紅外通道有8 個。本文選用2018 年—2020 年空間分辨率為1 km 的MYD02_1KM 輻亮度數(shù)據(jù)，進(jìn)行輻射定標(biāo)場空間均一性的評價。在此基礎(chǔ)上，本文選用2018 年—2020 年空間分辨率為1 km 的MYD21 地表發(fā)射率產(chǎn)品以分析目標(biāo)發(fā)射率時間穩(wěn)定性。該產(chǎn)品由溫度與發(fā)射率分離算法TES（Temperature and Emissivity Separation method）生產(chǎn)（Hu 等，2019），其反演的地表發(fā)射率考慮了觀測天頂角的影響，MODIS 29 通道發(fā)射率隨觀測角度變化可達(dá)0.038，相對的，MODIS 31 與32 通道的變化均小于0.01（García?Santos 等，2015）；MODIS 29 通道對下墊面為裸地的反演精度約為0.03，相比之下，MODIS 31、32 通道的反演精度優(yōu)于0.015（Hulley 等，2012）。綜合考慮觀測角度效應(yīng)以及反演精度等因素，本文僅選用MODIS 31、32通道發(fā)射率數(shù)據(jù)分析地表的時間穩(wěn)定性。此外，本文還選用了MYD03地理格網(wǎng)數(shù)據(jù)以及MYD35云掩膜數(shù)據(jù)，進(jìn)行無云數(shù)據(jù)篩選及數(shù)據(jù)裁剪與重采樣等預(yù)處理工作。

（2）Landsat 8/TIRS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)。Landsat 8/TIRS回訪周期為16 d，光譜范圍為10.60—12.51 μm，擁有兩個熱紅外通道，分別為10 通道（10.9 μm）以及11 通道（12 μm），空間分辨率為100 m。本文選用2018 年—2020 年Landsat 8/TIRS 第10 通道的影像，以分析不同空間尺度下目標(biāo)空間均一性變化。

圖1 Libya4、格爾木大灶火及敦煌場Landsat8 10通道衛(wèi)星影像Fig.1 Landsat 8 satellite band 10 image of Libya4，Geermu Dazaohuo and Dunhuang

（3）ECMWF大氣數(shù)據(jù)。ECMWF ERA5為最新一代再分析數(shù)據(jù)，ERA5數(shù)據(jù)集能夠提供從1979年至今大量的大氣參數(shù)、地表參數(shù)以及海表面參數(shù)數(shù)據(jù)，其空間分辨率為0.25°、時間分辨率為1 h。本文從ERA5 數(shù)據(jù)集提取2018 年—2020 年各場云量TCC（Total Cloud Cover）、水汽TCWV（Total Column Water Vapour）、及臭氧O3（Ozone）等大氣參數(shù)。此外，由于ERA5數(shù)據(jù)集中沒有氣溶膠光學(xué)厚度AOD（Aerosol Optical Depth）這一數(shù)據(jù)，本文從EAC4（ECMWF CAMS global reanalysis data）數(shù)據(jù)集提取了2018 年—2020 年各場AOD 數(shù)據(jù)，其空間分辨率為0.75°，時間分辨率為3 h，以支持對各場地大氣AOD、O3、TCWV、TCC 含量、季節(jié)性效應(yīng)以及年變化量的分析。

3 多尺度目標(biāo)熱輻射特性評價方法

本文采用多尺度均一目標(biāo)評價方法對穩(wěn)定目標(biāo)熱輻射的空間均一性以及時間穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析。首先，使用MYD21 地表發(fā)射率數(shù)據(jù)對各個場地進(jìn)行時間穩(wěn)定性的分析；此外，為了降低地表溫度和發(fā)射率分離過程中算法誤差對均一性分析的影響，本文使用MYD02_1KM 大氣表觀輻亮度TOA Radiance（Top of Atmosphere Radiance）進(jìn)行空間均一性評價，甄選出時間變異系數(shù)CV（Coefficient of Variation）優(yōu)于2%以及亮溫標(biāo)準(zhǔn)差SD（Standard Deviation）優(yōu)于0.3 K 的區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，使用空間分辨率為100 m 的Landsat 8/TIRS TOA 輻亮度數(shù)據(jù)，在空間分辨率為100 m 以及500 m（由空間分辨率為100 m 的Landsat 8/TIRS數(shù)據(jù)降采樣而來）這兩個空間尺度下對所篩選區(qū)域進(jìn)行空間均一性分析，進(jìn)一步甄選出滿足空間亮溫SD 優(yōu)于0.3 K 的區(qū)域。最后，使用ERA5 數(shù)據(jù)集中TCWV、TCC、O3以及EAC4 數(shù)據(jù)集中AOD 大氣參數(shù)，對各場地以上大氣參數(shù)的年變化量、月均值以及季節(jié)性效應(yīng)進(jìn)行綜合分析。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了避免云覆蓋對熱紅外輻射特性評價結(jié)果的影響，本文使用MODIS MYD35 云掩膜產(chǎn)品對MYD02_1KM 與MYD21 數(shù)據(jù)進(jìn)行云檢查，篩選出目標(biāo)區(qū)域上空無云數(shù)據(jù)（Aqua MODIS 以及Landsat 8 TIRS 無云數(shù)據(jù)量分別見表2.1 第3 列及第4 列）；由于MODIS 影像會隨著觀測天頂角的增大而產(chǎn)生一定程度的畸變，為了消除這種畸變帶來的影響，使用MODIS 重投影工具M(jìn)RT Swath（MODIS Reprojection Swath Tool）以WGS?84 為坐標(biāo)系對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的MODIS 無云數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪與重投影，處理后的數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km。此外，針對大氣自身輻射及其消光效應(yīng)對評價結(jié)果的影響，本文選用了ERA5 再分析數(shù)據(jù)集中大氣溫濕度廓線，并采用線性插值的方法對相鄰時刻的兩個大氣參數(shù)進(jìn)行插值來獲取衛(wèi)星成像時刻的大氣參數(shù)，利用MODTRAN5.2（Moderate resolution atmospheric Transmission model Version 5.2）大氣輻射傳輸模型來開展Aqua MODIS 和Landsat 8 TIRS 熱紅外數(shù)據(jù)的大氣糾正，從而消除大氣透過率和上行輻射的影響，獲取離地輻射等效亮溫，用于地表空間均一性分析。其中，氣溶膠模型選用MODTRAN 自帶的“沙漠型”，大氣模型根據(jù)衛(wèi)星過境時間的不同選擇“中緯度夏季型”或“中緯度冬季型”。對于空間分辨率為100 m 的無云Landsat 8 TIRS 10 通道BOA數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣，得到空間分辨率為500 m的數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間尺度特性分析。

3.2 空間均一性分析

本文使用滑動窗口法進(jìn)行目標(biāo)空間均一性分析，計算過程如圖2所示；選取窗口大小對應(yīng)空間范圍為3 km×3 km，滑動步長為1 km，即當(dāng)像元空間分辨率為1 km 時，對應(yīng)滑動窗口的大小為3×3像元，滑動步長為1 個像元；同時，計算滑動窗口內(nèi)所有像元亮溫SD，將該值賦予中心像元。通過對8 個目標(biāo)區(qū)域2018 年—2020 年無云的Aqua MODIS 以及Landsat 8 TIRS 無云影像采用上述方法進(jìn)行處理，得到不同空間分辨率下（1 km、500 m、100 m）的空間亮溫SD 影像。由于不同影像間的成像時間、衛(wèi)星觀測天頂角及地表的物理特性不同，導(dǎo)致在相同空間尺度下，同一目標(biāo)的亮溫SD在不同影像上可能出現(xiàn)較大的變化。因此，為了得到最可靠的空間亮溫SD，對2018 年—2020 年所有的空間亮溫SD 影像求平均，計算得到目標(biāo)區(qū)域每個像元時間維度上亮溫SD 的平均值，并以此來表征地表的空間均一性。考慮到紅外載荷高精度定標(biāo)需求（1—1.5 K），并同時兼顧甄選目標(biāo)區(qū)域面積，本文將亮溫SD閾值設(shè)置為0.3 K。

圖2 滑動窗口法示意圖Fig.2 Schematic diagram of sliding window method

圖3 熱紅外譜段均一、穩(wěn)定目標(biāo)甄選流程圖Fig.3 Flowchart of identifying spatial uniform and time stable region of thermal infrared spectrum

3.3 發(fā)射率時間穩(wěn)定性分析

地表發(fā)射率時間穩(wěn)定性表征了一個采樣點（如一個像素點）在整個時間序列中相對其發(fā)射率均值的異變程度。本文選用變異系數(shù)這一指標(biāo)進(jìn)行發(fā)射率時間穩(wěn)定性評價，如式（1）。

式中，s為長時間序列衛(wèi)星影像目標(biāo)像元發(fā)射率的標(biāo)準(zhǔn)差，為目標(biāo)像元發(fā)射率的平均值。CV 值與目標(biāo)區(qū)域的變化程度成正比，CV 的值越小則表示目標(biāo)區(qū)域的時間穩(wěn)定性越高。

國內(nèi)外研究人員已經(jīng)在可見光到近紅外譜段使用時間CV 進(jìn)行了大量穩(wěn)定區(qū)域篩選的工作：Gu 等（1990）基于SPOT HRV 影像使用時間CV 對La Crau場地的時間穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并以2%的閾值篩選出場地中最穩(wěn)定的區(qū)域；Vincent 等基于時間跨度為25 年的Landsat/TM 影像，對位于土耳其的Tuz G?lü 地區(qū)（北緯：38.5°，東經(jīng)33.2°）的時間穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并以3%的閾值篩選出了330 m×770 m 最優(yōu)的區(qū)域（Odongo 等，2014）；何靈莉等（2020）使用MODIS MCD43C1 BRDF 模型參數(shù)日產(chǎn)品對中國西北地區(qū)進(jìn)行了時間穩(wěn)定性的分析，并選用時間CV 為3%的閾值篩選時間穩(wěn)定的區(qū)域。此外，考慮到MODIS MYD21 產(chǎn)品的第31 以及32 通道發(fā)射率精度優(yōu)于0.015（Hulley 等，2012），以時間CV 為2%作為閾值，進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域時間穩(wěn)定性的甄選?；谏鲜鰢鴥?nèi)外研究人員設(shè)置的選場閾值，本文以時間CV 為2%為閾值進(jìn)行時間穩(wěn)定性的甄選。

3.4 選場評價指標(biāo)

具備空間均一性的目標(biāo)區(qū)域不一定具備發(fā)射率時間穩(wěn)定性（反之亦然），并且同一目標(biāo)區(qū)域在不同的空間尺度下，其空間均一性可能有很大的變化（Bannari等，2004）。因此，本文綜合考慮目標(biāo)發(fā)射率時間穩(wěn)定性、空間穩(wěn)定性等因素，針對不同空間分辨率遙感載荷的適用性，提出了以下甄選標(biāo)準(zhǔn)：

（1）針對空間分辨率為1 km 及以下的場地：基于空間分辨率為1 km 的遙感數(shù)據(jù)，選取空間亮溫SD 小于0.3 K 且時間CV 小于2%的計算結(jié)果，篩選出研究區(qū)同時具備時空穩(wěn)定性和空間均一性的場地；

（2）針對空間分辨率為100 m 及500 m 的場地：基于Landsat 8/TIRS 遙感數(shù)據(jù)，選取在較高空間尺度（100 m、500 m）下空間亮溫SD 小于0.3 K的計算結(jié)果，篩選出較高空間尺度下具備空間均一性的場地。

4 目標(biāo)熱輻射特性及大氣參數(shù)評價結(jié)果

4.1 目標(biāo)熱輻射特性評價結(jié)果及分析

根據(jù)3.1—3.3節(jié)的數(shù)據(jù)預(yù)處理及多級地表熱輻射特性評價方法，本文對2018 年—2020 年MODIS傳感器獲取的8 個目標(biāo)區(qū)域的MYD02_1KM 和MYD21數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到其年均空間亮溫SD 與時間CV 影像，如圖4 及圖5 所示。在1 km 的空間尺度下，在MODIS 29 通道計算得到空間亮溫SD要明顯高于MODIS 31 以及32 通道；Liby4 與Algeria3在MODIS 29、31 及32 通道的空間亮溫SD 均優(yōu)于0.3 K，呈現(xiàn)出了較高的空間均一性。Libya1、Algeria5、Mauritania1 與Mauritania2 在MODIS 31 以及32 通道也有著較高的空間均一性，而在MODIS 29 通道，Libya1 南部及Mauritania2 北部存在條帶狀高空間異質(zhì)性區(qū)域，Algeria5 與Mauritania1 南部存在諸多圈狀的高空間異質(zhì)性區(qū)域；敦煌場中心沙地區(qū)域在MODIS 29、31及32通道下均呈現(xiàn)出較高的空間均一性，而其余區(qū)域的空間異質(zhì)性較高。格爾木大灶火區(qū)域整體的空間異質(zhì)性較高，僅存在一個3 km×3 km 大小的區(qū)域空間亮溫SD 低于0.3 K。MODIS 32 通道的時間CV 在整體上優(yōu)于MODIS 31 通道；此外，滿足空間穩(wěn)定性閾值的區(qū)域與時間穩(wěn)定性閾值的區(qū)域有著較大范圍的重疊，但也存在一些差異。這表明在熱紅外譜段，具備空間均一性的區(qū)域不一定具備時間穩(wěn)定的特性，也說明了同時進(jìn)行空間均一性及時間穩(wěn)定性場地評估的必要性。在MODIS 31 通道下，Algeria5 中部區(qū)域時間CV 較高；格爾木大灶火南部及西北部區(qū)域的時間CV 較高，且MODIS 32 通道要高于31 通道；此外，其余6 個區(qū)域均具備較高的時間穩(wěn)定性。

圖4 基于2018年—2020年MYD02_1KM 數(shù)據(jù) 1 km空間尺度下的空間亮溫標(biāo)準(zhǔn)差均值Fig.4 the mean value of spatial brightness temperature standard deviation at 1 km spatial resolution based on MYD02_1KM data from 2018 to 2020

圖5 基于2018年—2020年MYD21 數(shù)據(jù) 1 km空間尺度下的時間變異系數(shù)Fig.5 Time variation coefficient at 1 km spatial resolution based on MYD21 data from 2018 to 2020

本文選用空間亮溫SD 0.3 K 以及時間CV 2%為閾值，進(jìn)行熱紅外譜段輻射定標(biāo)區(qū)域的初篩選，在8個目標(biāo)區(qū)域中甄選出滿足閾值的最大區(qū)域。初步甄選出的區(qū)域名稱、中心坐標(biāo)以及區(qū)域面積如表2 所示。在熱紅外譜段1 km 的空間尺度下，6 個PICS 符合甄選標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域面積廣闊，區(qū)域面積均大于30 km×30 km。格爾木大灶火整體的空間均一性較低，僅存在一塊大小為3 km×3 km 的區(qū)域同時滿足甄選標(biāo)準(zhǔn)。

表2 1 km空間尺度下滿足甄選標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)區(qū)域Table 2 Target area meeting the criterion at 1 km spatial resolution

自然地物的含水量、地表溫度及物質(zhì)構(gòu)成等物理因素會隨著季節(jié)的變化而改變，即所謂的季節(jié)性效應(yīng)。為綜合性分析初步甄選出的Libya1_1 km、Libya4_1 km、Algeria3_1 km、Algeria5_1 km、Mauritania1_1 km、Mauritania2_1 km、敦煌_1 km以及格爾木_1km 區(qū)域空間均一性的季節(jié)性效應(yīng)，本文統(tǒng)計了2018 年—2020 年每個區(qū)域的空間亮溫SD 均值，繪制時間序列圖，如圖6 所示。結(jié)果表明：在熱紅外譜段，以上8個目標(biāo)區(qū)域的空間均一性均呈現(xiàn)出一定的季節(jié)性效應(yīng)，在秋冬兩季要優(yōu)于春夏兩季。其中Mauritania1_1km、Mauritania2_1 km、敦煌_1 km 以及格爾木_1 km 區(qū)域空間均一性的季節(jié)性效應(yīng)較為明顯：以MODIS 29 通道為例，以上4 個區(qū)域的空間亮溫SD 由不同季節(jié)導(dǎo)致的最大差異依次為：0.11 K、0.08 K、0.15 K 和0.13 K。Libya1、Libya4、Algeria3 以及Algeria5 的空間均一性沒有明顯的季節(jié)性效應(yīng)。各目標(biāo)區(qū)域的空間均一性在MODIS 不同的熱紅外通道呈現(xiàn)出了不同的特性：從整體上來看，各區(qū)域的空間均一性在MODIS 32 以及31 通道要優(yōu)于MODIS 29 通道，然而在空間均一性較低的觀測影像上（多出現(xiàn)于夏季），29 通道則要優(yōu)于32 以及32 通道。這表明地表空間均一性在MODIS 29 通道受環(huán)境因素影響要小于MODIS 31以及32通道，具備更好的穩(wěn)定性。

圖6 MODIS 29、31和32通道區(qū)域地表亮溫標(biāo)準(zhǔn)差均值的時序圖Fig.6 Time series diagram of mean value of surface brightness temperature standard deviation in MODIS band

4.2 大氣特性評價結(jié)果及分析

在場地替代及交叉定標(biāo)中需要利用輻射傳輸模型來實現(xiàn)天基與地基觀測之間的輻射傳遞，而在熱紅外8—14 μm 波段，影響輻射衰減最主要的大氣因子為TCWV、O3及AOD（魏合理和戴聰明，2014）。因此，本文利用2018 年—2020 年ERA5 TCWV、O3、TCC 以及EAC4 AOD 數(shù)據(jù)，分析其月均值、月10%分位值，月90%分位值及季節(jié)性變化，以定量分析各個場地大氣參數(shù)的變化情況，其結(jié)果如圖7 所示。圖中紅線為各個月份數(shù)據(jù)均值，紫色區(qū)域表示10%分位數(shù)到90%分位數(shù)。結(jié)果表明：如圖7（a）所示，8個目標(biāo)區(qū)域的TCC 月10%分位數(shù)均接近0（或為0），這保證了所有目標(biāo)區(qū)域每個月都有無云影像；CEOS/PICS 的TCC 月90%分位數(shù)呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化，其在7月份達(dá)到最低點，其中，Libya1、Lbya4 以及Algeria3的TCC 含量接近0，這也表明了PICS 的年最佳觀測時間窗口在夏季。相比之下，格爾木大灶火地區(qū)及敦煌輻射定標(biāo)場的TCC 月90%分位數(shù)值則全年接近1，無明顯季節(jié)性變化。如圖7（b）所示，8 個目標(biāo)區(qū)域的TCWV 呈現(xiàn)出了相同的年變化趨勢：在夏季達(dá)到最大值，在冬季達(dá)到最小值，這可能與各季節(jié)溫度相關(guān)；格爾木大灶火地區(qū)的TCWV 最小，表明該區(qū)域適用于水汽較為敏感的數(shù)據(jù)分析及真實性檢驗。如圖7（c）所示，各個目標(biāo)區(qū)域的AOD 年變化趨勢相似，均在春或夏季節(jié)達(dá)到峰值。格爾木大灶火的AOD 含量在所有目標(biāo)區(qū)域中最低，除4、5 月份外其AOD 月均值均小于0.2，這可能與該區(qū)域的海拔高度較高有關(guān)；Mauritania1、Mauritania2 以及敦煌定標(biāo)場的AOD含量較高，敦煌輻射定標(biāo)場的AOD 90%分位數(shù)達(dá)到 了1，而Mauritania1 與Mauritania2 的AOD 月 均值在6、7月份達(dá)到最大值（高于0.6）。如圖7（d）所示，所有目標(biāo)區(qū)域大氣O3含量季節(jié)性周期變化大約為均值的10%，這說明大氣中O3含量比較穩(wěn)定。Mauritania1、Mauritania2 以及Libya1 的大氣O3含量在夏季較高，其余6個目標(biāo)區(qū)域則在冬季達(dá)到峰值。

圖7 8個穩(wěn)定目標(biāo)2018年—2020年云量及大氣參數(shù)時序圖Fig.7 Time series diagram of cloud cover and atmospheric parameters of 8 stability targets from 2018 to 2020

4.3 多級分辨率地表均一性分析

為了進(jìn)一步分析Libya1_1 km、Libya4_1 km、Algeria3_1 km、Algeria5_1 km、Mauritania1_1 km、Mauritania2_1 km、敦煌_1 km 及格爾木_1 km 在較高空間尺度下的空間均一性，本文選用3.2節(jié)介紹的空間均一性評價方法，對2018年—2020年Landsat 8 TIRS 10 通道的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到空間分辨率100 m 及500 m 下的空間亮溫SD 均值，如圖8 所示。結(jié)果表明：與1 km 空間尺度下的結(jié)果相比，Libya4_1 km、Algeria3_1 km、Algeria5_1 km、格爾木_1 km在100 m以及500 m空間尺度下的空間異質(zhì)性大幅增加；而Libya1_1 km、Mauritania1_1 km、Mauritania2_1 km 以及敦煌_1 km 在這兩個空間尺度下依然有著較高的空間均一性。其中Libya4_1 km、Algeria3_1 km、Algeria5_1 km、格爾木_1 km在100 m空間尺度下整體的空間亮溫SD較高，不存在滿足甄選標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域；在500 m 空間尺度下，僅Libya4_1km存在兩塊面積為5 km×5 km及6 km×6 km滿足甄選閾值的區(qū)域。Libya1_1 km、Mairutania1_1 km、Mauritania2_1 km 及敦煌_1 km 整體空間亮溫SD較低，在100 m及500 m空間尺度下滿足標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域見表3。

圖8 基于2018年—2020年Landsat 8 TIRS數(shù)據(jù) 100 m及500 m空間尺度下空間亮溫標(biāo)準(zhǔn)差均值Fig.8 the mean value of spatial brightness temperature standard deviation at 100m and 500m spatial resolution based on Landsat8 TIRS data from 2018 to 2020

表3 在觀測尺度100 m及500 m下滿足甄選標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)區(qū)域Table 3 The target area meeting the criterion at the spatial resolution of 100 m and 500 m

為了定量分析各目標(biāo)區(qū)域空間亮溫 SD 隨空間尺度的變化，本文將空間分辨率為100 m 的空間亮溫SD 影像降采樣到500 m，并與原空間分辨率為500 m 空間亮溫SD 影像做差，得到差值影像，該差值影像的百分比統(tǒng)計折線圖如圖9所示。結(jié)果表明：Libya1_1 km、Mauritania1_1km、Mauritania2_1 km 及敦煌_1 km 等區(qū)域由空間尺度導(dǎo)致的空間亮溫SD 變化較小，相比空間尺度500 m 的亮溫SD，以上4 個區(qū)域100 m 的亮溫SD 平均升高0.076 K、0.034 K、0.065 K以及0.050 K。相比之下，Libya4_1 km、Algeria3_1 km、Algeria5_1 km 及格爾木_1 km等目標(biāo)區(qū)域的空間亮溫SD在100 m以及500 m這兩個空間尺度上呈現(xiàn)出了較大的差異：亮溫SD 平均升高0.163 K、0.237 K、0.158 K與0.11 K。

圖9 Libya1_1km、Libya4_1km、Algeria3_1km、Algeria5_1km、Mauritania1_1km、Mauritania1_1km、格爾木_1km以及敦煌_1km在100 m以及500 m空間尺度下空間亮溫SD差值分布統(tǒng)計圖Fig.9 Statistical distribution of spatial brightness temperature SD difference in Libya1_1km，Libya4_1km，Algeria3_1km，Algeria5_1km，Mauritania1_1km，Mauritania1_1km，Geermu_1km and Dunhuang at 100 m and 500 m spatial resolution

5 結(jié)論

本文使用3 年時間跨度的MODIS MYD02_1KM TOA 輻亮度、MODIS MYD21 發(fā)射率及Landsat 8 TIRS TOA 輻亮度數(shù)據(jù)，基于本文提出的多級空間分辨率地表熱射特性評價方法，對CEOS/PICS、敦煌定標(biāo)場及格爾木大灶火區(qū)域進(jìn)行地表均一性及時間穩(wěn)定性分析，并分別在1 km、500 m 及100 m的空間尺度下，甄選出具備高空間均一且時間穩(wěn)定的區(qū)域；同時對1 km 空間尺度下初步甄選出的目標(biāo)區(qū)間進(jìn)行尺度特性及大氣特性的分析，為高頻次、高精度的熱紅外載荷定標(biāo)和真實性檢驗提供支持。研究結(jié)果表明：

（1）對于1 km 的空間尺度，利用MODIS 數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)CEOS/PICS 以及敦煌定標(biāo)場在MODIS 29、31 及32 通道均具有較高的空間均一性，而格爾木大灶火整體的空間異質(zhì)性較高。本文以空間亮溫SD 0.3 K 及時間CV 2%作為閾值，甄選出8 個均勻區(qū)域，分別為Libya1_1 km（50 km×50 km）、Libya4_1 km（75 km×75 km）、Algeria3_1 km（70 km×70 km）、Algeira5_1 km（30 km×30 km）、Mauritania1_1 km（30 km×30 km）、Mauritania2_1 km（50 km×50 km）、敦煌_1 km（15 km×15 km）及格爾木_1 km（3 km×3 km）；

（2）對于100 m 的空間尺度，在Libya1_1 km、Mauritania1_1 km、Mauritania2_1 km 以及敦煌_1 km研究區(qū)域的基礎(chǔ)上，以空間亮溫SD 0.3 K 為閾值，利用Landsat 8/TIRS 數(shù)據(jù)甄選出7 個均勻區(qū)域，分別為Libya1_100 m_1（25 km×25 km）、Libya1_100 m_1（12 km×12 km）、Mauritania1_100 m（30 km×30 km）、Mauritania2_100 m_1（6 km×6 km）、Mauritania2_100 m_2（14 km×14 km）、Mauritania2_100 m_3（15 km×15 km）、敦煌_100 m（5 km×5 km）；Libya4_1 km、Algeria3_1 km、Algeria5_1 km與格爾木_1 km 研究區(qū)域整體空間異質(zhì)性較高，均不滿足甄選閾值；

（3）Libya4_1 km、Algeria3_1 km、Algeria5_1 km 與格爾木_1 km 的空間均一性受空間尺度影響較大，相比于空間尺度500 m 的亮溫SD，空間尺度為100 m 的亮溫 SD 平均升高0.163 K、0.237 K、0.158 K與0.11 K；相比之下，Libya1_1 km、Mauritania1_1 km、Mauritania2_1 km 以及敦煌_1 km 目標(biāo)區(qū)域的空間均一性受空間尺度影響較小，相比于空間尺度500 m 的亮溫SD，100 m 的亮溫SD 平均升高0.076 K、0.034 K、0.065 K 以及0.050 K，這說明其在1 km、500 m、100 m 空間尺度下均具備較高的空間均一性，適用于多種空間分辨率熱紅外載荷定標(biāo)與真實性檢驗；

（4）Libya1及Libya4的云覆蓋量較低，其云覆蓋量均值在夏季接近于0；8 個研究區(qū)域的TCWV及AOD 呈現(xiàn)出了較為明顯的季節(jié)性效應(yīng)，TCWV在7 或8 月達(dá)到最大值，AOD 則在夏季達(dá)到最大值；格爾木大灶火的TCWV 及AOD 含量最低，其TCWV 月均值均小于0.25 g/cm2，AOD 月均值均小0.25。