田傳陽 謝勇 宦海 邵雯

摘? 要： 在定量遙感的分析與應(yīng)用中，輻射定標(biāo)是基礎(chǔ)。文中以敦煌輻射校正場(chǎng)為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地開展GF1，MODIS，LandSat8與GF4可見光及近紅外的交叉定標(biāo)，中波紅外波段采用基于Atmospheric Infrared Sounder（AIRS）的中波紅外交叉定標(biāo)。通過對(duì)4個(gè)遙感器的可見光及近紅外波段的匹配以及GF4與AIRS中波紅外波段的匹配，選取遙感器相互匹配的波段。對(duì)衛(wèi)星拍攝的同時(shí)對(duì)相同區(qū)域的影像開展交叉定標(biāo)，結(jié)果表明，可見光及近紅外交叉定標(biāo)獲得的定標(biāo)系數(shù)誤差均在5%以內(nèi)，中波紅外交叉輻射定標(biāo)的定標(biāo)系數(shù)誤差在8%以內(nèi)。通過GF4可見光及近紅外、中波紅外的定標(biāo)系數(shù)誤差，表明GF4的定標(biāo)精度相對(duì)較高，滿足遙感定量的需求。

關(guān)鍵詞： 交叉定標(biāo); 輻射定標(biāo); 遙感圖像; 遙感器; 波段匹配; 定標(biāo)精度

中圖分類號(hào)： TN215?34; TP79? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）10?0001?05

GF4 cross radiometric calibration based on multiple remote sensors

TIAN Chuanyang1， XIE Yong2，3， HUAN Hai1， SHAO Wen1

（1. School of Electronic & Information Engineering， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China;

2. School of Geography & Science， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China;

3. Nanjing Research Center， National Engineering Laboratory for Remote Sensing Satellite Applications， Nanjing 210044， China）

Abstract： The radiometric calibration is the basis for the analysis and application of quantitative remote sensing. The GF4 cross calibration in near infrared and visible light wavebands are carried out in the Dunhuang radiometric calibration field， in which GF1， moderate?resolution imaging spectroradiometer （MODIS） and LandSat8 are taken as the reference satellites， and the mid?wave infrared cross calibration in the mid?wave infrared waveband is based on atmospheric infrared sounder （AIRS）. The matching wavebands of the remote sensors are selected by matching the visible light and near?infrared wavebands of the four remote sensors， and the mid?wave infrared wavebands of GF4 and AIRS. The cross?calibration of the image taken by the satellites in the same time and area is carried out. The results show that the calibration coefficient errors obtained by cross?calibration of visible light and near?infrared wavebands are all within 5%， and the cross radiometric calibration of mid?wave infrared wavebands is within 8%. The calibration coefficient errors of GF4 at visible light， near infrared and mid?wave infrared wavebands indicate that the calibration accuracy of GF4 is relatively high， which can meet the requirements of remote sensing quantification.

Keywords： cross calibration; radiometric calibration; remote sensing image; remote sensor; wavebands matching; calibration precision

“高分四號(hào)”（GF4）于2015年成功發(fā)射，經(jīng)過4次變軌到達(dá)預(yù)定軌道，于2016年6月開始投入使用[1]。GF4是“國家高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)”中唯一的一顆高軌遙感衛(wèi)星，軌道高度為36 000 km，具備全色、多光譜和中波紅外譜段成像的能力，搭載一臺(tái)可見光50 m分辨率、中波紅外400 m分辨率、幅寬400 km以上的凝視相機(jī)。該相機(jī)具有3種成像方式：凝視成像、區(qū)域成像、巡查成像[2]，與此同時(shí)，GF4具有長(zhǎng)期駐留固定區(qū)域的能力。利用GF4這一特性和快速指向調(diào)整的優(yōu)勢(shì)，可快速對(duì)我國及周邊地區(qū)的觀測(cè)任務(wù)進(jìn)行響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率和較高空間分辨率的結(jié)合。目前GF4主要應(yīng)用于減災(zāi)、林業(yè)、地震、氣象、火災(zāi)等方面，并可為海洋、國土、水利等方面提供遙感數(shù)據(jù)[3]。

截至目前，GF4在軌運(yùn)行已有4年之久。衛(wèi)星上搭載的光學(xué)器件隨著在軌運(yùn)行時(shí)間的推移以及太空環(huán)境的變化，光學(xué)元件逐漸老化[4?5]，譜段的輻射特性發(fā)生改變，發(fā)射前實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)的結(jié)果已不能反映此時(shí)GF4光學(xué)器件的輻射特性。而且星上搭載定標(biāo)黑體的光路結(jié)構(gòu)差異、性能穩(wěn)定性下降以及性能變化監(jiān)測(cè)手段的匱乏等造成了星上定標(biāo)結(jié)果精度受限和時(shí)間有效性的縮短，這些都導(dǎo)致輻射性能發(fā)生變化[6]。通過交叉定標(biāo)可以隨時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行性能監(jiān)測(cè)，進(jìn)而根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整與改進(jìn)，從而減少誤差對(duì)定標(biāo)的影響。

當(dāng)前國際上在軌輻射定標(biāo)主要有場(chǎng)地定標(biāo)[7]、星上定標(biāo)[8]和交叉定標(biāo)[9]等3種方法，官方通常以場(chǎng)地定標(biāo)法為基準(zhǔn)，獲取場(chǎng)地輻射定標(biāo)系數(shù)。但由于場(chǎng)地定標(biāo)的影響因素較多，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，國外通常1年只進(jìn)行兩次場(chǎng)地定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，國內(nèi)為一次。場(chǎng)地定標(biāo)的次數(shù)有限，無法動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)傳感器的輻射性能變化[10]。交叉定標(biāo)是使用高輻射精度的衛(wèi)星來校準(zhǔn)輻射精度較低的衛(wèi)星，是目前檢查與驗(yàn)證傳感器測(cè)量精度和穩(wěn)定性的有效方法?，F(xiàn)階段GF4每年只開展一次場(chǎng)地定標(biāo)，不能動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)傳感器的輻射特性。而采用交叉輻射定標(biāo)可以及時(shí)了解衛(wèi)星傳感器的性能變化情況，有助于提高定標(biāo)精度。本文選取我國的GF1以及國外的MODIS（Moderate?resolution Imaging Spectroradiometer），LandSat8，AIRS[11]作為參考衛(wèi)星，開展與GF4的交叉定標(biāo)。通過多顆高精度衛(wèi)星對(duì)GF4進(jìn)行交叉輻射定標(biāo)，綜合對(duì)比多顆衛(wèi)星的定標(biāo)結(jié)果，全面了解GF4運(yùn)行的輻射特性。

1? 基本原理

1.1? 交叉輻射定標(biāo)方法

交叉輻射定標(biāo)是一種定標(biāo)方法，該方法是以精度較高的衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星，以同時(shí)或近同時(shí)的相同影像區(qū)域?yàn)榛鶞?zhǔn)，進(jìn)行傳感器間的光譜通道匹配，建立參考傳感器與待定標(biāo)傳感器之間的線性關(guān)系，通過線性定標(biāo)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)交叉輻射定標(biāo)。

交叉輻射定標(biāo)流程如圖1所示。

交叉定標(biāo)方法只需要通過影像數(shù)據(jù)即可完成定標(biāo)，不需要實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，提高了定標(biāo)頻率，減少了人力物力的損耗，是目前較方便的定標(biāo)方法。而且該方法還可用于對(duì)過去影像的定標(biāo)，了解傳感器定標(biāo)隨時(shí)間的變化。GF1，GF4，MODIS，LandSat8衛(wèi)星各波段對(duì)比如表1所示。

在進(jìn)行交叉定標(biāo)時(shí)，MODIS和LandSat8的表觀輻射亮度公式為：

[RiMLGF1=Wigain（DNiMLGF1-Bioffset）] （1）

式中：[RiMLGF1]是MODIS，LandSat8，GF1衛(wèi)星影像的第i波段的表觀輻射亮度;[Wigain]是第i波段的增益系數(shù);[Bioffset]是第i波段的偏移量;[DNiMLGF1]是第i波段的數(shù)字計(jì)數(shù)值（MODIS的可見近紅外波段是1，2，3，4，LandSat8是波段2，3，4，5）。再根據(jù)GF4的DN（Digital Number）建立一元線性擬合，獲取定標(biāo)系數(shù)，方程為：

[RjMLGF1=gainj·DNjGF4-offsetj] （2）

式中：[gainj]是第j波段的增益系數(shù);offsetj是第j波段的偏移量;[DNjGF4]是GF4第j波段的數(shù)字計(jì)數(shù)值，j=1，2，3，4。

在進(jìn)行中波紅外定標(biāo)時(shí)，由于GF4中波紅外波段帶寬較寬，與GF4相匹配的AIRS有234個(gè)波段，其中有效波段有222個(gè)。本文根據(jù)GF4的中心波長(zhǎng)為3.80 ?m，選取AIRS在3.80 ?m附近的3個(gè)波段，根據(jù)3個(gè)波段與GF4光譜響應(yīng)函數(shù)的交點(diǎn)分別計(jì)算對(duì)應(yīng)的權(quán)重，以及將3個(gè)波段擬合成1個(gè)波段與GF4進(jìn)行交叉輻射定標(biāo)。

權(quán)重計(jì)算公式為：

[bx=yxy1+y2+y3，? x=1，2，3] （3）

式中：x表示波段;[bx]表示第x波段的權(quán)重;y表示對(duì)應(yīng)的3個(gè)光譜響應(yīng)函數(shù)的交點(diǎn)值。

擬合輻亮度計(jì)算公式為：

[Rfitting=x=13bx·rx] （4）

式中：[Rfitting]表示三波段擬合計(jì)算的輻亮度值;[bx]表示第x波段的權(quán)重;rx表示第x波段的輻亮度值。

1.2? 研究區(qū)域

本文選取敦煌輻射校正場(chǎng)（93°42′56″E～95°3′35″E，39°34′8″N～40°38′28″N）作為可見光及近紅外定標(biāo)場(chǎng)地[4]。作為我國國家級(jí)輻射校正場(chǎng)，敦煌地處甘肅，明顯的特點(diǎn)是氣候干燥、降雨量少、蒸發(fā)量大、晝夜溫差大。敦煌區(qū)域地表均勻，生物多樣性較少，輻射特性較為穩(wěn)定不易變化，適合進(jìn)行絕對(duì)輻射定標(biāo)。中波紅外定標(biāo)場(chǎng)選取的是河北的草場(chǎng)和福建的沙灘等地，都具有區(qū)域輻射特性均勻穩(wěn)定的特性，適合開展定標(biāo)研究。

1.3? 參考衛(wèi)星的選擇

本文選取國外的MODIS和LandSat8衛(wèi)星作為可見光及近紅外波段的參考衛(wèi)星。在Terra和Aqua衛(wèi)星上都有搭載MODIS相機(jī)，有36個(gè)波段，光譜范圍較寬[12]，單波段帶寬較窄，且具有星上定標(biāo)的能力，誤差在2%左右;LandSat8衛(wèi)星的定標(biāo)精度為5%左右，精度較高，選取作為參考遙感器。AIRS是國際上第一個(gè)真正意義上的星載高光譜紅外大氣探測(cè)儀器。其光譜分辨率優(yōu)于1 200 m，輻射測(cè)量精度優(yōu)于0.2 K，使星載大氣探測(cè)儀探測(cè)能力滿足當(dāng)前精度水平，適合作為參考衛(wèi)星[13]。GF1衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)通過多種參考目標(biāo)法實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)定標(biāo)，定標(biāo)精度相對(duì)較高，精度為5%，也被選作為參考衛(wèi)星[14]，進(jìn)行國內(nèi)衛(wèi)星之間的交叉定標(biāo)。

1.4? 數(shù)據(jù)的選取

在開展交叉輻射定標(biāo)之前，根據(jù)可見光及近紅外波段選擇GF1，GF4，MODIS，LandSat8四個(gè)衛(wèi)星的有效影像對(duì)，根據(jù)中波紅外波段選擇GF4與AIRS匹配的影像對(duì)。其中數(shù)據(jù)選取有以下幾個(gè)條件：相同區(qū)域的時(shí)間差要控制在1 h以內(nèi)，時(shí)間差過長(zhǎng)將會(huì)導(dǎo)致區(qū)域氣候發(fā)生變化以及光譜特性改變，對(duì)定標(biāo)產(chǎn)生影響;要求區(qū)域上方無云，云會(huì)對(duì)光的傳輸產(chǎn)生影響而且云在短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)發(fā)生劇烈變化;盡量選取影像的中心區(qū)域[15]。

1.5? 光譜響應(yīng)函數(shù)匹配

本文針對(duì)GF4的可見光及近紅外通道與GF1，MODIS，LandSat8進(jìn)行光譜匹配，光譜匹配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是選擇與GF4衛(wèi)星相機(jī)的4個(gè)多光譜波段相匹配的GF1，MODIS和LandSat8衛(wèi)星波段。

從圖3四顆衛(wèi)星的光譜響應(yīng)曲線可以看出，GF1和GF4前3個(gè)波段和MODIS，LandSat8的波段匹配比較好，第4波段匹配相對(duì)有所偏移，但是GF1和GF4的波段匹配的很好。同時(shí)也可以看出，MODIS與LandSat8的波段相對(duì)匹配較好[16]，帶寬相對(duì)國產(chǎn)衛(wèi)星的較窄。

而GF4中波紅外通道與AIRS進(jìn)行波段匹配時(shí)，由圖3可知在GF4中波紅外通道范圍內(nèi)，AIRS有234個(gè)波段（12個(gè)波段損壞）。由于匹配通道較多，本文選取GF4中心波長(zhǎng)處的3個(gè)波段。

1.6? 數(shù)據(jù)的處理

由于GF4/PMS的分辨率為50 m，MODIS的分辨率為250 m，LandSat8的空間分辨率為30 m，GF1的分辨率為16 m，因此需要統(tǒng)一4個(gè)傳感器的空間分辨率。通過3次內(nèi)插方法把GF4，GF1，MODIS，LandSat8空間分辨率統(tǒng)一降為250 m。在進(jìn)行中波紅外定標(biāo)時(shí)將GF4空間分辨率降為1 000 m，在此基礎(chǔ)上與AIRS進(jìn)行定標(biāo)。本文采用SIFT算法進(jìn)行GF4與MODIS，LandSat8，GF1以及AIRS的數(shù)據(jù)匹配，通過該算法選取極值點(diǎn)（具有極強(qiáng)的局部穩(wěn)定性的點(diǎn)）作為影像對(duì)的同名點(diǎn)。

2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算出GF1，MODIS，LandSat8，AIRS的輻亮度值以及傳感器相應(yīng)的增益和偏移量。圖4～圖6是GF4衛(wèi)星和MODIS，LandSat8，GF1的交叉輻射定標(biāo)擬合圖。圖中，x軸表示GF4的DN值，y軸表示MODIS、LandSat8、GF1的表觀輻射亮度值，擬合系數(shù)及誤差如表2所示。

定標(biāo) 增益 誤差 /% 增益 誤差 /% 增益 誤差 /% Band2 0.174 9 0.170 5 2.50 0.177 5 1.49 0.180 5 3.20 Band3 0.190 3 0.182 3 4.20 0.192 2 0.99 0.187 2 1.63 Band4 0.153 2 0.148 6 3.00 0.157 4 2.74 0.160 2 4.57 Band5 0.107 3 0.103 4 3.58 0.110 3 2.80 0.105 7 1.52 ]

圖7是GF4與AIRS在河北等地的交叉輻射定標(biāo)結(jié)果。在圖7中，x軸表示GF4 DN值，y軸表示三波段的擬合輻亮度值。從表2中可以看出，通過GF4與MODIS，LandSat 8，GF1交叉定標(biāo)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

2） 比較GF4?MODIS，GF4?GF1和GF4?LandSat8交叉定標(biāo)獲得的定標(biāo)系數(shù)及誤差可知，以LandSat8為參考衛(wèi)星的可見光及近紅外的定標(biāo)結(jié)果最好，且都在3%以內(nèi)。

3） 通過GF1衛(wèi)星對(duì)GF4衛(wèi)星進(jìn)行定標(biāo)，結(jié)果與官方定標(biāo)系數(shù)相比誤差分別是3.2%，1.63%，4.57%，1.52%。并由圖6可以看出，GF4和GF1的光譜匹配效果比其他兩顆衛(wèi)星要好，且都是國產(chǎn)衛(wèi)星沒有跨時(shí)區(qū)的問題，適合開展我國自主同類衛(wèi)星遙感器間的交叉定標(biāo)研究。

4） 從圖7可知GF4中波紅外波段的定標(biāo)誤差分別為6.6%，1.3%，1.8%，7.8%，表明GF4中波紅外波段的精度是比較高的。

3? 結(jié)? 論

通過對(duì)GF4可見光及近紅外、中波紅外波段的交叉輻射定標(biāo)研究，結(jié)果表明GF4的輻射定標(biāo)精度是比較高的。無論是可見光及近紅外波段還是中波紅外波段，定標(biāo)精度都滿足定量遙感的需求。同時(shí)，通過GF1對(duì)GF4的定標(biāo)結(jié)果來看，GF1的定標(biāo)精度在5%以內(nèi)，而且GF1與GF4波段匹配較好，且在相同的時(shí)區(qū)，適合開展我國自主同類衛(wèi)星遙感器間的交叉定標(biāo)研究。目前為止，針對(duì)GF4與AIRS的中波紅外定標(biāo)研究還有許多不足，本文只是對(duì)AIRS的222個(gè)匹配波段中的3個(gè)波段，做了一個(gè)擬合定標(biāo)，并未對(duì)所有匹配波段進(jìn)行細(xì)致的研究，接下來將會(huì)對(duì)AIRS的222個(gè)有效波段進(jìn)行總體的分析與研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 練敏隆，石志城，王躍，等.“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].航天返回與遙感，2016（4）：32?39.

[2] 馬文坡，練敏隆.“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)[J]，航天返回與遙感，2016（4）：26?31.

[3] 劉鳳晶，李果，于登云，等.高分四號(hào)衛(wèi)星及應(yīng)用概況[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2018（12）：12?18.

[4] 丁闖，謝勇，宦海，等.基于GF?1/WFV與MODIS和LandSat8相機(jī)交叉定標(biāo)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（8）：37?41.

[5] 胡曄，尤建潔，戴奇燕，等.圖像邊緣信號(hào)能量與MTF的相關(guān)研究[J].航天返回與遙感，2005（4）：20?24.

[6] 韓杰，謝勇.GF?1衛(wèi)星WFV影像間勻色方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016（12）：1423?1433.

[7] 周珂，劉李，余濤，等.光譜匹配因子對(duì)GF?1/WFV時(shí)間序列交叉定標(biāo)的影響分析[J].光譜學(xué)與光譜分析，2017，37（12）：3809?3813.

[8] XIONG X X， SUN J Q， BARNES W， et al. Multiyear on?orbit calibration and performance of terra MODIS reflective solar bands [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2007， 45（4）： 879?889.

[9] 韓啟金，潘志強(qiáng)，張學(xué)文.基于均勻目標(biāo)的GF?1WFV與SJ?9A PMS相機(jī)交叉定標(biāo)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2014（6）：292?299.

[10] 鐘雯嬌，謝勇，宦海，等.GF?4可見光及近紅外譜段的輻射定標(biāo)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（8）：113?117.

[11] 劉李，傅俏燕，史婷婷，等.利用AIRS高光譜數(shù)據(jù)開展HJ?1B熱紅外通道的多點(diǎn)交叉定標(biāo)及驗(yàn)證[J].中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，2015（1）：103?110.

[12] 張玉環(huán)，毛慧琴，王中挺，等.基于光譜與幾何匹配的GOCI與MODIS交叉輻射定標(biāo)[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2016（6）：412?422.

[13] 劉李，顧行發(fā)，余濤，等.HJ?1B衛(wèi)星熱紅外通道在軌場(chǎng)地定標(biāo)與驗(yàn)證[J].紅外與激光工程，2012（5）：1119?1125.

[14] 杜麗麗，易維寧，王昱，等.“天繪一號(hào)”衛(wèi)星多傳感器協(xié)同輻射定標(biāo)方法[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2019（4）：42?49.

[15] 殷麗梅，喬兵，劉俊池，等.地基紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)聯(lián)合輻射定標(biāo)法[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2018（4）：209?214.

[16] 呂佳彥，何明元，陳林，等.基于敦煌輻射校正場(chǎng)的自動(dòng)化輻射定標(biāo)方法[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2017（8）：25?32.