胡順石，張立福，張 霞，王 倩，韓 冰，張 楠

衛(wèi)星傳感器波段平均太陽輻照度計算及可靠性分析

胡順石1，張立福1，張 霞1，王 倩1，韓 冰2，張 楠3

(1.中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所遙感科學(xué)國家重點實驗室，北京 100101;2.中國礦業(yè)大學(xué)，徐州 221116;3.中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083)

地球大氣層外太陽光譜輻照度(extraterrestrial solar spectral irradiance，ESSI)數(shù)據(jù)是計算衛(wèi)星傳感器波段平均太陽輻照度(band mean solar irradiance，BMSI)的重要參數(shù)。為了探求利用何種來源的ESSI數(shù)據(jù)計算傳感器BMSI更為準確，分別采用SBDART軟件模擬的太陽光譜曲線數(shù)據(jù)、MODTRAN4.0 oldkur.dat文件數(shù)據(jù)、Thuillier太陽光譜曲線數(shù)據(jù)和WRC太陽光譜曲線數(shù)據(jù)計算了HJ－1A CCD1(B1—B4)，CBERS－02 CCD(B1—B5)，Landsat5 TM(B1—B4)和ASTER(B1—B8)4種傳感器的BMSI，并與傳感器運營商公布的數(shù)據(jù)進行了比較。結(jié)果表明:利用SBDART和WRC太陽光譜曲線數(shù)據(jù)計算的結(jié)果誤差較小;利用MODTRAN4.0 oldkur.dat數(shù)據(jù)計算的結(jié)果誤差次之;利用Thuillier太陽光譜曲線的計算結(jié)果誤差較大。

大氣層外太陽光譜輻照度(ESSI);波段平均太陽輻照度(BMSI);Thuillier;SBDART;WRC;oldkur.dat

0 引言

太陽是一個穩(wěn)定的電磁波輻射源，是進行光學(xué)遙感的主要能量來源。地球大氣層外太陽光譜輻照度(extraterrestrial solar spectral irradiance，ESSI)是指在大氣層頂部、日地平均距離上，垂直于太陽入射方向上單位時間、單位面積所獲得的太陽輻射能量。太陽輻射能量的大部分集中在近紫外—中紅外波長范圍(0.31 ～5.6 μm)內(nèi)，這部分能量占整個太陽光譜能量的97.5%，其中可見光部分占43.5%，近紅外部分占36.8%［1］。傳感器波段平均太陽輻照度(band mean solar irradiance，BMSI)是傳感器光譜響應(yīng)函數(shù)與大氣層外太陽光譜輻照度的積分值，反映傳感器對太陽輻射能量的響應(yīng)性能。

在大氣頂層，太陽輻射的電磁波能量不受大氣的影響，它是計算各種輻射參量和定量遙感的基礎(chǔ)。國內(nèi)外許多學(xué)者對此進行了研究［2－4］。SBDART(santa barbara disort atmospheric radiative transfer)軟件能模擬地球大氣層外太陽光譜曲線數(shù)據(jù)［2］，潘志強等用該數(shù)據(jù)反演了CBERS衛(wèi)星BMSI，并得到了較好的效果［3］;MODTRAN4.0 軟件提供了 5 個ESSI數(shù)據(jù)文件;Thuillier等通過航空實驗發(fā)布了200～4 000 nm波長范圍的太陽光譜曲線［4］;Alistair利用WRC(world radiation center)發(fā)布的ESSI數(shù)據(jù)計算了 ASTER 各波段 BMSI［5］。

本文選擇SBDART軟件模擬的大氣頂層太陽光譜曲線數(shù)據(jù)、MODTRAN4.0提供的 oldkur.dat文件數(shù)據(jù)、Thuillier太陽光譜曲線數(shù)據(jù)和WRC太陽光譜曲線數(shù)據(jù)，分別計算了國內(nèi)外一些常見的傳感器BMSI值，并以各傳感器運營商提供的BMSI數(shù)據(jù)為標準，與計算結(jié)果進行比較，最終得出適合計算衛(wèi)星傳感器BMSI的太陽光譜曲線數(shù)據(jù)。

1 大氣層外太陽光譜曲線

1.1 SBDART太陽光譜曲線

SBDART軟件由加利福尼亞圣巴巴拉大學(xué)計算地球系統(tǒng)科學(xué)研究所Paul等人采用Fortran語言開發(fā)的，主要用于太陽輻射傳輸模擬和大氣能量平衡研究［2，6］。用戶設(shè)置相關(guān)太陽幾何位置參數(shù)、大氣剖面參數(shù)等，可以模擬0.25～100 μm波長范圍內(nèi)大氣頂層和地表的上行、下行及直射等不同輻射參量。本文設(shè)置太陽天頂角為0°，不考慮氣溶膠和云含量，以1 nm為步長，利用SABDART在線工具［7］模擬0.25～4.0 μm波長范圍內(nèi)的大氣頂層太陽光譜曲線數(shù)據(jù)，其單位是W·m－2·μm－1。

1.2 oldkur.dat太陽光譜曲線

MODTRAN4.0軟件“BinData”目錄下有 5個ESSI數(shù)據(jù)文件(oldkur.dat，chkur.dat，cebchkur.dat，thkur.dat和 newkur.dat)。經(jīng)過分析和比較發(fā)現(xiàn)，利用oldkur.dat數(shù)據(jù)計算的BMSI與傳感器運營商公布的數(shù)據(jù)較接近。因此，本文選擇oldkur.dat數(shù)據(jù)來計算結(jié)果和比較，其光譜范圍是51～49 983 cm－1，光譜分辨率達1 cm－1，太陽光譜輻照度單位是W·cm－2·cm－1。

1.3 Thuillier太陽光譜曲線

Thuillier太陽光譜曲線是 Thuillier等人利用SOLSPEC和SOSP儀器分別在1992年和1993年多次航空飛行實驗中所測得的ESSI數(shù)據(jù)，經(jīng)儀器定標和數(shù)據(jù)處理發(fā)布的太陽光譜曲線［4］。從網(wǎng)站［8］下載的Thuillier太陽光譜曲線的光譜范圍為200～2 397 nm，光譜分辨率為1 nm，太陽光譜輻照度的單位是W·cm－2·nm－1。

1.4 WRC太陽光譜曲線

WRC太陽光譜曲線是world radiation center研究機構(gòu)基于地面測量和火箭飛行數(shù)據(jù)發(fā)布的太陽光譜曲線。Alistair利用此曲線計算了ASTER傳感器BMSI。本文從網(wǎng)站［9］下載了WRC太陽光譜曲線，其光譜范圍為0.35 ～2.50 μm，光譜分辨率為1 nm，太陽光譜輻照度單位是W·m－2·μm－1。

由于上述4種太陽光譜曲線的太陽光譜輻照度單位、光譜分辨率和光譜范圍不一致，為便于比較分析，首先要進行單位轉(zhuǎn)換(波長單位轉(zhuǎn)換成μm，光譜分辨率轉(zhuǎn)換成nm，輻照度單位轉(zhuǎn)換成W·m－2·μm－1)，然后截取0.35～2.397 μm波長范圍內(nèi)的4種太陽光譜曲線，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 4種太陽光譜曲線Fig.1 Four kinds of solar spectrum curves

由于計算ASTER傳感器BMSI采用的是WRC太陽光譜曲線數(shù)據(jù)，因此，本文以WRC公布的數(shù)據(jù)為基準，將 oldkur.dat，Thuillier和 SBDART 太陽光譜曲線數(shù)據(jù)與其進行比較，并求差值，結(jié)果如圖2所示。

圖 2 oldkur.dat，Thuillier，SBDART 與 WRC 的差值圖Fig.2 Respective difference between WRC and oldkur.dat，Thuillier，SBDART

從圖1和圖2可以看出，4種太陽光譜曲線整體趨勢一致，但在350～2 397 nm波長范圍內(nèi)相互之間存在一定的差異，這些差異會影響計算結(jié)果。

2 衛(wèi)星傳感器光譜響應(yīng)

衛(wèi)星傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)(spectral response function，SRF)描述了傳感器對太陽入射能量的響應(yīng)率，表示傳感器在某一波長λ上記錄的輻射能量與入瞳處的輻射能量的比值，它是衛(wèi)星傳感器的一個重要性能指標。計算傳感器BMSI需要傳感器各波段的光譜響應(yīng)函數(shù)，不同類型傳感器及同一傳感器不同波段的光譜響應(yīng)函數(shù)是不同的。為了分析所選擇的太陽光譜曲線數(shù)據(jù)的可靠性，本文選擇了HJ－1A CCD1(B1—B4)，CBERS － 02 CCD(B1—B5)，Landsat5 TM(B1—B4)和 Terra ASTER(B1—B8)4種衛(wèi)星傳感器及其波段數(shù)據(jù)。4種衛(wèi)星傳感器各波段的光譜響應(yīng)函數(shù)曲線如圖3所示。

圖3 4種衛(wèi)星傳感器各波段的光譜響應(yīng)函數(shù)Fig.3 Spectral response functions of each band for four satellites

3 波段平均太陽輻照度的計算

傳感器波段平均太陽輻照度EBMSI是ESSI與傳感器各波段光譜響應(yīng)函數(shù)λ的積分值。計算公式為

式中:E(λ)是大氣層外太陽光譜輻射能量;S(λ)是傳感器某一波段光譜響應(yīng)函數(shù);λ1和λ2是傳感器某一波段起始波長和終止波長。因此，若已知E(λ)和 S(λ)，便可計算出 EBMSI。

一般情況下，E(λ)可根據(jù)相關(guān)研究機構(gòu)提供的ESSI數(shù)據(jù)文件或者利用輻射傳輸軟件模擬得到;S(λ)由衛(wèi)星傳感器廠商經(jīng)過實驗室定標后提供。在本文的研究中，E(λ)分別采用上文提及的4種太陽光譜曲線數(shù)據(jù);S(λ)分別采用上文提及的4類衛(wèi)星傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)。波段平均太陽輻照度EBMSI的具體計算步驟為:

1)單位轉(zhuǎn)換。將上述4類太陽光譜曲線數(shù)據(jù)的波長單位轉(zhuǎn)換成μm;太陽光譜輻照度單位轉(zhuǎn)換成W·m－2·μm－1;各傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)的波長單位轉(zhuǎn)換成μm。

2)利用上文提及的光譜響應(yīng)函數(shù)與太陽光譜曲線，按式(1)分別計算不同傳感器在不同太陽光譜曲線情況下的波段平均太陽輻照度EBMSI。

4 結(jié)果比較與精度分析

4.1 結(jié)果比較

根據(jù)上述方法分別計算HJ－1A CCD1，CBERS－02 CCD，Landsat5 TM和Terra ASTER 4類傳感器的EBMSI，其結(jié)果如表1所示。

表1 幾種衛(wèi)星傳感器波段平均太陽輻照度(EBMSI)計算結(jié)果Tab.1 Calculated EBMSIresults for some satellites

各傳感器運營商公布的EBMSI如表2所示。

表2 公布的各傳感器波段平均太陽輻照度(EBMSI)Tab.2 Published EBMSIfor given satellites

值得一提的是，各傳感器運營商并沒有給出公布的BMSI的詳細獲取方式和所采用的BMSI數(shù)據(jù)(除ASTER數(shù)據(jù)外)，因此，可以通過比較ESSI計算結(jié)果，來評價分析這4類太陽光譜曲線之間的差異及其對BMSI的影響。

4.2 精度分析

為了分析表1計算結(jié)果的精度，以傳感器運營商公布的數(shù)據(jù)(表2)為基準，計算二者之間的差值，并繪出差值圖(圖4)。

圖4 －1 計算值與傳感器運營商公布值的差值Fig.4 －1 Differences between calculated results and satellite operator published results

圖4 －2 計算值與傳感器運營商公布值的差值Fig.4 －2 Differences between calculated results and satellite operator published results

從圖4可以看出:①采用WRC數(shù)據(jù)計算的BMSI與傳感器運營商公布的BMSI最為接近，結(jié)果最好，除了 HJ－1A CCD1 B4(誤差為 －4.245 W·m－2·sr－1·μm－1)外，其他傳感器在相應(yīng)波段的誤差不超過0.475 W·m－2·sr－1·μm－1;②采用SBDART軟件模擬數(shù)據(jù)計算結(jié)果也非常接近于公布的數(shù)據(jù)，除了HJ－1A CCD1 B4(誤差為－4.513 W·m－2·sr－1·μm－1)，CBERS－02 CCD B5(誤差為－1.457 W·m－2·sr－1·μm－1)，ASTER B2，B7(誤差分別為 － 1.293 和 1.722 W·m－2·sr－1·μm－1)外，其他所有計算結(jié)果誤差均小于0.77 W·m－2·sr－1·μm－1;③利用oldkur.dat文件數(shù)據(jù)的計算結(jié)果也較為理想，最大誤差為ASTER B5(誤差為6.325 W·m－2·sr－1·μm－1)，其他波段大部分值在±2.5 W·m－2·sr－1·μm－1以內(nèi)，但其平均誤差要比應(yīng)用前兩種太陽光譜曲線數(shù)據(jù)的計算結(jié)果大。對于 ASTER 數(shù)據(jù) B1—B3，oldkur.dat計算結(jié)果比Thuillier計算結(jié)果更為理想;然而，對于 B4—B8，oldkur.dat計算結(jié)果誤差顯著增大，甚至達到Thuillier誤差水平，這是由于在ASTER數(shù)據(jù)B4—B8處，兩者的太陽光譜曲線十分接近。從圖2(b)中可以看出，在B4波段處兩者的都小于WRC值，處于低谷;在B5—B8波段處，兩者都大于WRC值，處于高峰。因此，這就造成了B4波段的計算結(jié)果小于公布值，B5—B8波段的計算結(jié)果大于公布值，如圖4(d)所示。盡管Thuillier指出其太陽光譜在紫外、可見光和近紅外范圍內(nèi)已經(jīng)是最優(yōu)的，但由于其數(shù)據(jù)來自于不同傳感器，數(shù)據(jù)獲取時間也不盡一致，數(shù)據(jù)獲取和處理過程中誤差來源多，采用Thuillier數(shù)據(jù)計算的BMSI值并不理想，與公布的數(shù)據(jù)誤差很大。而ASTER采用的是WRC數(shù)據(jù)文件，從圖4(d)也可以看出，SBDART軟件模擬值與之最為接近，其次是oldkur.dat數(shù)據(jù)文件，差別最大的為Thuillier數(shù)據(jù)。

另外，我們將傳感器運營商公布的BMSI值作為標準值，計算了在各種ESSI情況下的均方根誤差(RMSE)，如表3所示。

表3 BMSI計算結(jié)果與公布值的均方根誤差(RMSE)Tab.3 RMSE between calculated and published BMSI

從表3可以看出:應(yīng)用WRC數(shù)據(jù)計算的結(jié)果均方根誤差最小，表明其計算結(jié)果與傳感器運營商公布的數(shù)據(jù)最為接近，應(yīng)用SBDART模擬的太陽光譜曲線計算結(jié)果次之;而應(yīng)用oldkur.dat數(shù)據(jù)計算結(jié)果與公布數(shù)據(jù)之間存在一定的誤差;應(yīng)用Thuillier數(shù)據(jù)的計算結(jié)果均方根誤差最大。

5 結(jié)論

本文采用SBDART軟件模擬的太陽光譜曲線數(shù)據(jù)、MODTRAN4.0 oldkur.dat數(shù)據(jù)文件、Thuillier太陽光譜曲線數(shù)據(jù)和WRC太陽光譜曲線數(shù)據(jù)分別計算了 HJ－1A CCD1(B1—B4)，CBERS－02 CCD(B1—B5)，Landsat5 TM(B1—B4)和 ASTER(B1—B8)4種傳感器的BMSI，并與各傳感器運營商公布的BMSI數(shù)據(jù)進行了比較分析，得出以下結(jié)論:

1)利用WRC太陽光譜曲線數(shù)據(jù)計算的傳感器BMSI與傳感器運營商公布的數(shù)據(jù)最為接近，均方根誤差除HJ－1A CCD1 B4外，都小于0.5，說明WRC太陽光譜曲線能較準確地描述大氣頂層太陽能量分布情況，因此是一個比較精確的太陽光譜曲線;

2)SBDART軟件能較精確地模擬大氣頂層太陽光譜曲線，利用SBDART模擬的結(jié)果與傳感器運營商公布的數(shù)據(jù)較為接近，因此結(jié)果也比較理想;

3)MODTRAN 4.0 oldkur.dat數(shù)據(jù)計算結(jié)果存在一定的誤差，計算結(jié)果較前兩者差;

4)利用Thuillier太陽光譜曲線計算的結(jié)果與各傳感器運營商公布的BMSI存在較大出入，因此，在使用Thuillier太陽光譜曲線時要注意。

［1］ 趙英時.遙感應(yīng)用分析原理與方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2003:16－17.Zhao Y S.Principles and Methods of Remote Sensing Applications［M］.Beijing:Science Press，2003:16 －17(in Chinese).

［2］ Ricchiazzi P，Yang S R，Gautier C，et al.SBDART:A Research and Teaching Software Tool for Plane－parallel Radiative Transfer in the Earth’s Atmosphere［J］.Bulletin of the American Meteorological Society，1998，79(10):2101 －2114(in Chinese with English Abstract).

［3］ 潘志強，傅俏燕，張浩平.CBERS－02星CCD波段平均太陽輻照度反演及應(yīng)用［J］.地球信息科學(xué)，2008，10(1):109 －113.Pan Z Q，F(xiàn)u Q Y，Zhang H P.Retrieval and Application of Band Mean Solar Irradiance of CBERS －02 CCD［J］.Geo － information Science，2008，10(1):109 －113(in Chinese with English Abstract).

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［5］ Smith A M S.How to Convert ASTER Radiance Values to Reflectance，An Online Guide［EB/OL］.［2011 － 08 － 15］.http://www.cnrhome.uidaho.edu/default.aspx?pid=85984.

［6］ Ricchiazzi P，Yang S R，Gautier C.SBDART:A Practical Tool for Plane－ parallel Radiative Transfer in the Earth’s Atmosphere［EB/OL］.［2011 － 08 －15］.http://arm.mrcsb.com/sbdart/html/sbdart－ intro.html.

［7］ Ricchiazzi P.SBDART:Tool for Computing Radiative Transfer in the Earth’s Atmosphere［EB/OL］.(2007 －12 －18)［2011 －08－15］.http://paulschou.com/tools/sbdart/.

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［9］ Smith A M S.Extraterrestrial Solar Spectral Irradiance［EB/OL］.［2011 －08 － 15］.http://staff.aist.go.jp/s.tsuchida/aster/cal/info/solar/solar.txt.

Calculation and Reliability Analysis of Satellite Sensors Band Solar Irradiance

HU Shun －shi1，ZHANG Li－ fu1，ZHANG Xia1，WANG Qian1，HAN Bing2，ZHANG Nan3
(1.State Key Laboratory of Remote Sensing Science，Institute of Remote Sensing Applications Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China;2.China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China;3.China University of Geosciences，Beijing 100083，China)

Extraterrestrial Solar Spectral Irradiance(ESSI)is an important parameter for calculating Band Mean Solar Irradiances(BMSI)of different satellites.In order to probe into the problem as to which ESSI dataset could acquire a more accurate BMSI result，the authors selected 4 ESSI datasets，namely SBDART simulated solar spectrum dataset，oldkur.dat dataset from MODTRAN4.0，Thuillier solar spectrum dataset and WRC solar spectrum dataset，to calculate BMSI for HJ－1A CCD1(B1－B4)，CBERS－02 CCD(B1－B5)，Landsat5 TM(B1－B4)and ASTER(B1－B8).A comparison was made between the calculated BMSI result and the BMSI result published by satellite operators.It is found that the calculated BMSI results using WRC solar spectrum dataset and SBDART dataset have a smaller error in comparison with published BMSI，followed by oldkur.dat，while the calculated BMSI results using Thuillier solar spectrum dataset have larger errors than other datasets.

extraterrestrial solar spectral irradiance(ESSI);band mean solar irradiance(BMSI);Thuillier;SBDART;WRC;oldkur.dat

TP 79

A

1001－070X(2012)03－0097－06

10.6046/gtzyyg.2012.03.18

2011－09－15;

2011－10－27

863國家高技術(shù)研究發(fā)展專項“月表物質(zhì)成分類型的識別與定量反演技術(shù)研究”(編號:2010AA122203)和國家自然科學(xué)基金項目“高光譜遙感巖礦多維數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號:41072248)共同資助。

胡順石(1984－)，男，博士研究生，主要從事高光譜大氣校正、高光譜遙感圖像處理方面的研究。E－mail:hufrank@163.com。

張立福(1967－)，男，研究員，主要研究方向為高光譜遙感機理及應(yīng)用、紫外激發(fā)熒光遙感機理等。E－mail:zhanglf@irsa.ac.cn。

(責(zé)任編輯:刁淑娟)