劉振海 叢強(qiáng) 黃紅蓮 雷雪楓 謝艷清 王宇軒 陶菲 趙鑫鑫 宋茂新 鄒鵬 侯偉真 林軍 李正強(qiáng) 洪津

(1 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，合肥 230031) (2 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094) (3 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 國家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101) (4 中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094)

在地物觀測(cè)定量遙感應(yīng)用中，地物目標(biāo)信息的提取會(huì)受到大氣效應(yīng)的影響，因此，大氣校正的主要目標(biāo)就是去除大氣干擾、恢復(fù)地面真實(shí)信息，準(zhǔn)確的大氣校正是衛(wèi)星遙感定量化應(yīng)用的前提與基礎(chǔ)[1]。為此，國內(nèi)外從不同思路出發(fā)開發(fā)了多種大氣校正方法[2-3]，其中，基于大氣輻射傳輸理論的大氣校正方法是目前被普遍采用的大氣校正模型，如6S/6SV，MODTRAN，F(xiàn)LAASH，ATCOR，ACORN等[4-5]。然而，此類基于輻射傳輸?shù)拇髿庑Ｕ椒ㄐ枰斎胂鄳?yīng)的大氣參數(shù)，由于大氣氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)和水汽柱濃度(CWV)等影響較大且具有時(shí)空變化特性，因此最為關(guān)鍵[6-8]。目前，配置與被校正載荷同時(shí)同區(qū)域覆蓋的大氣校正載荷是可行途徑之一，并逐漸發(fā)展成為大氣校正的一個(gè)重要方向[1]。對(duì)于大氣參數(shù)遙感方法，相較于強(qiáng)度(標(biāo)量)觀測(cè)，偏振探測(cè)對(duì)大氣氣溶膠微物理和光學(xué)特性更為敏感，且對(duì)地表偏振貢獻(xiàn)相對(duì)不敏感，因此可以通過偏振探測(cè)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣氣溶膠綜合參數(shù)的高精度探測(cè)[9]。目前，偏振遙感已成為國際上的研究熱點(diǎn)，美國、歐洲等國家和地區(qū)已相繼發(fā)射或計(jì)劃發(fā)射多種類型偏振載荷[10]。環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星上裝載的大氣校正儀[11]即采用全偏振譜段同時(shí)探測(cè)的技術(shù)方案，通過穿軌掃描方式獲取可全面覆蓋主載荷同時(shí)同區(qū)域的大氣參數(shù)信息。同時(shí)，作為環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A/B接續(xù)衛(wèi)星的唯一新增載荷，大氣校正儀也是全球第1臺(tái)幅寬達(dá)800 km的寬幅大氣校正儀。環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星已于2020年9月27日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心以“一箭雙星”方式成功發(fā)射，用于接替已經(jīng)在軌超期運(yùn)行的環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A/B衛(wèi)星，為國家在應(yīng)急管理、環(huán)境保護(hù)、自然資源、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地震等方面的應(yīng)用提供遙感數(shù)據(jù)支撐[12]。同步裝載的大氣校正儀可為16 m相機(jī)、高光譜成像儀和紅外相機(jī)提供大氣校正處理所需的大氣參數(shù)，用于進(jìn)一步提高載荷應(yīng)用效能和遙感定量化水平。

大氣校正儀是一種新型偏振遙感器，也是該類型遙感器的首次成功在軌運(yùn)行，其技術(shù)原理和預(yù)處理方法均有別于以往在軌運(yùn)行的其他遙感器，且基于大氣校正儀單角度、多光譜偏振掃描數(shù)據(jù)的大氣參數(shù)反演方法也是首次開發(fā)和應(yīng)用。因此，對(duì)大氣校正儀進(jìn)行科學(xué)、有效的數(shù)據(jù)處理和載荷性能評(píng)估是大氣校正儀數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)和應(yīng)用的前提。本文針對(duì)環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星裝載的大氣校正儀觀測(cè)數(shù)據(jù)，在簡要介紹儀器原理的基礎(chǔ)上，較詳細(xì)描述了載荷數(shù)據(jù)預(yù)處理、大氣參數(shù)反演和大氣校正的處理方法，并評(píng)估和展示了初步在軌應(yīng)用效果，可為載荷的性能評(píng)價(jià)及進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 儀器原理與數(shù)據(jù)處理方法

1.1 大氣校正儀原理簡介

大氣校正儀采用分孔徑和分振幅相結(jié)合的同時(shí)偏振測(cè)量方案，采用4個(gè)角度(0°，45°，90°，135°)檢偏方式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)線偏振態(tài)的前3個(gè)Stokes參量(I，Q，U)的測(cè)量。如圖1所示，大氣校正儀光學(xué)系統(tǒng)主要包括正交掃瞄鏡組件、望遠(yuǎn)鏡組件、Wollaston棱鏡、分色片、聚焦透鏡、干涉濾光片及雙元探測(cè)器等[13]，文獻(xiàn)[14-15]中對(duì)其光學(xué)系統(tǒng)各組成部分的特點(diǎn)和測(cè)量原理進(jìn)行了相關(guān)描述。此外，大氣校正儀還配置了星上輻射定標(biāo)器和偏振定標(biāo)器用于星上輻射和偏振定標(biāo)。

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星運(yùn)行在太陽同步軌道，軌道高度約645 km，考慮到大氣氣溶膠探測(cè)地面分辨率需求[16]，大氣校正儀瞬時(shí)視場(chǎng)(IFOV)設(shè)置為0.52°(9.1 mrad)，星下點(diǎn)分辨率約為6 km，幅寬達(dá)到800 km，與被校正載荷的幅寬相匹配。為實(shí)現(xiàn)地面場(chǎng)景的無縫拼接，大氣校正儀設(shè)計(jì)掃描電機(jī)轉(zhuǎn)速為69.96 r/min。在探測(cè)譜段配置方面，為了準(zhǔn)確獲取與被校正載荷同區(qū)域大氣參數(shù)，大氣校正儀共設(shè)置了9個(gè)譜段，其中：910 nm和865 nm譜段聯(lián)合用于水汽探測(cè)；1380 nm譜段用于卷云識(shí)別；1610 nm和2250 nm譜段聯(lián)合用于沙塵氣溶膠反演和地氣解耦；443 nm，865 nm，1380 nm譜段聯(lián)合用于云識(shí)別；410 nm，443 nm，555 nm，670 nm，865 nm譜段聯(lián)合用于增加氣溶膠參數(shù)反演約束。指標(biāo)輻亮度下大氣校正儀所有譜段的實(shí)際信噪比達(dá)到57～76 dB，絕對(duì)輻射定標(biāo)精度和偏振測(cè)量精度分別優(yōu)于5%和0.005。

1.2 產(chǎn)品分級(jí)

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星在環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A/B衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)分級(jí)的基礎(chǔ)上，將標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品分成L0～L2級(jí)，其中，大氣校正儀和16 m相機(jī)的各級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品具體定義如表1所示，后者的大氣校正后產(chǎn)品分級(jí)為L1B。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

從L0到L1級(jí)的數(shù)據(jù)處理為大氣校正儀數(shù)據(jù)預(yù)處理，L1到L2級(jí)對(duì)應(yīng)大氣參數(shù)反演，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行16 m相機(jī)圖像的大氣校正。按照數(shù)據(jù)處理先后順序，依次進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、大氣參數(shù)反演和大氣校正。

1.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理與實(shí)現(xiàn)過程

大氣校正儀數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊依次對(duì)分景后的L0級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、參量質(zhì)量監(jiān)督、數(shù)據(jù)預(yù)校正、偏振解析、地理定位及L1級(jí)產(chǎn)品生成與歸檔等。L0到L1級(jí)產(chǎn)品生成過程如圖2所示，關(guān)鍵模塊處理方法和過程簡述如下。

(1)對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行參量監(jiān)督，包括偏振通道有效性檢測(cè)與偏振解析方法選擇、載荷工作狀態(tài)及平臺(tái)參量異常檢測(cè)等，對(duì)載荷工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行識(shí)別和異常告警。

(2)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初始校正，包括通道本底的計(jì)算和扣除、通道漂移校正及短波紅外譜段的溫度校正等[17-18]。

(3)對(duì)大氣校正儀獲取的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)按照文獻(xiàn)[14]中方法進(jìn)行解析，以獲取目標(biāo)的光譜偏振信息，最終轉(zhuǎn)化為歸一化輻亮度，見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

(4)將大氣校正儀在每個(gè)掃描位置的探測(cè)器指向矢量投影到地面點(diǎn)，進(jìn)行地理定位。根據(jù)大氣校正儀非成像、穿軌掃描的特點(diǎn)，構(gòu)建大氣校正儀的嚴(yán)密幾何模型[19]，最后獲得地面采樣點(diǎn)中心大地經(jīng)緯度和高度數(shù)據(jù)。地理定位精度可以采用海岸線檢測(cè)法[20]或考慮空間響應(yīng)函數(shù)的精確圖像匹配方法[21]等進(jìn)行評(píng)價(jià)。

注：DEM為數(shù)字高程模型。圖2 大氣校正儀L1級(jí)產(chǎn)品生成過程Fig.2 Production process of PSAC L1

1.3.2 大氣參數(shù)反演與實(shí)現(xiàn)過程

在獲取大氣校正儀在軌觀測(cè)的L1級(jí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無云像元區(qū)域的AOD和CWV參數(shù)的反演，并生成對(duì)應(yīng)的L2級(jí)產(chǎn)品。該部分對(duì)應(yīng)過程如圖3所示，具體實(shí)現(xiàn)描述如下。

(1)讀取和檢測(cè)大氣校正儀觀測(cè)得到的L1級(jí)數(shù)據(jù)，獲取1景大氣校正儀遙感圖像中有效可用的各觀測(cè)像元數(shù)據(jù)。同時(shí)，進(jìn)行云檢測(cè)與識(shí)別，實(shí)現(xiàn)大氣校正儀觀測(cè)數(shù)據(jù)中有云和無云像元的識(shí)別，生成對(duì)應(yīng)的云檢測(cè)結(jié)果。

(2)考慮典型氣溶膠模型、基于主成分分析(PCA)多光譜地表模型[22-23]和地表雙向偏振分布函數(shù)(BPDF)模型[9，24]，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣校正儀偏振遙感觀測(cè)的矢量輻射傳輸模擬[25-26]，并建立對(duì)應(yīng)的標(biāo)量和偏振觀測(cè)查找表。

(3)選取無云像元的大氣校正儀多光譜標(biāo)量和偏振觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行地表貢獻(xiàn)部分的估算，進(jìn)而進(jìn)行地氣解耦和反演建模，通過參數(shù)組合的遍歷和迭代實(shí)現(xiàn)氣溶膠和地表參數(shù)的聯(lián)合反演。

(4)在反演獲取AOD參數(shù)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行水汽參數(shù)的反演及氣溶膠影響的校正[27]，輸出大氣校正的水汽反演產(chǎn)品。

(5)實(shí)現(xiàn)對(duì)云識(shí)別、氣溶膠參數(shù)和水汽參數(shù)反演的日志建立及反演產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件的歸檔管理。

圖3 大氣校正儀大氣關(guān)鍵參數(shù)反演過程Fig.3 Inversion process of key atmospheric parameters for PSAC

1.3.3 大氣校正與實(shí)現(xiàn)過程

基于大氣校正儀同步反演獲得的L2級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，通過對(duì)無云區(qū)域的主載荷16 m相機(jī)L1A級(jí)數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行同步的大氣輻射校正、鄰近效應(yīng)校正，得到同步大氣校正后的地表反射率，即主載荷16 m相機(jī)L1B級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。該部分對(duì)應(yīng)過程如圖4所示，具體實(shí)現(xiàn)描述如下。

圖4 16 m相機(jī)數(shù)據(jù)大氣校正過程Fig.4 Atmospheric correction process of 16m camera data

(1)根據(jù)分景編目，對(duì)大氣校正儀和16 m相機(jī)的L2級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行初步匹配，并且根據(jù)大氣校正儀的云識(shí)別結(jié)果，對(duì)分景圖像中的無云區(qū)域，根據(jù)經(jīng)緯度信息進(jìn)行16 m相機(jī)L1A級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和大氣校正儀L2級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的逐像元匹配。

(2)根據(jù)16 m相機(jī)的譜段設(shè)置和光譜響應(yīng)函數(shù)，在海拔高度、不同太陽幾何、觀測(cè)幾何和氣溶膠模型下進(jìn)行大氣輻射傳輸計(jì)算，構(gòu)建大氣校正查找表。

(3)根據(jù)大氣校正儀同步反演的水汽含量、氣溶膠參數(shù)，針對(duì)多光譜圖像的成像時(shí)刻和觀測(cè)幾何，在大氣校正查找表中查找對(duì)應(yīng)的大氣吸收和大氣散射影響，以其作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行大氣校正中的輻射校正。

(4)根據(jù)16 m相機(jī)的空間分辨率進(jìn)行多光譜圖像的鄰近效應(yīng)校正。

(5)得到16 m相機(jī)的地表反射率產(chǎn)品(即L1B級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品)，并對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)和歸檔，實(shí)現(xiàn)16 m相機(jī)遙感圖像的大氣同步校正。

2 初步在軌評(píng)估

大氣校正儀在軌初步應(yīng)用效果分析主要從載荷數(shù)據(jù)預(yù)處理、大氣參數(shù)反演和16 m相機(jī)大氣校正3個(gè)方面開展。

2.1 預(yù)處理結(jié)果分析

本文連續(xù)統(tǒng)計(jì)了多軌大氣校正儀遙測(cè)和遙感數(shù)據(jù)，電機(jī)轉(zhuǎn)速、載荷電壓、電流、溫度等遙測(cè)量均在正常范圍內(nèi)，載荷科學(xué)數(shù)據(jù)質(zhì)量均正常，未出現(xiàn)參量質(zhì)量監(jiān)督異常標(biāo)志。

圖5和圖6分別展示了2臺(tái)大氣校正儀不同譜段各1景的光照信息解析結(jié)果，顏色表示歸一化幅亮度值。圖6依據(jù)的L0級(jí)數(shù)據(jù)文件名為HJ2A-PSAC-20210318-049-072-L00000114782.RAW，分別為環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A衛(wèi)星910 nm和1380 nm譜段I，Q，U參量歸一化輻亮度圖，其中：標(biāo)量圖與偏振分量圖對(duì)比差異明顯，1380 nm譜段探測(cè)到明顯卷云信號(hào)。圖7依據(jù)的L0級(jí)數(shù)據(jù)文件名為HJ2B-PSAC-20210201-111-088-L00000083287.RAW，分別為B衛(wèi)星410 nm和2250 nm譜段I，Q，U參量歸一化輻亮度圖，其中：2250 nm譜段偏振分量由于受氣溶膠影響較小，顯示了較豐富的地表特征，而410 nm譜段偏振分量由于受強(qiáng)瑞利散射影響而幾乎顯示不出地表特征。

圖5 環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A衛(wèi)星大氣校正儀部分譜段I，Q，U參量解析結(jié)果Fig.5 Results of I, Q, U parameters in several spectrum of PSAC on HJ-2A satellite

圖6 環(huán)境減災(zāi)二號(hào)B衛(wèi)星大氣校正儀部分譜段I，Q，U參量解析結(jié)果Fig.6 Results of I, Q, U parameters in several spectral bands of PSAC on HJ-2B satellite

圖7展示了基于海岸線檢測(cè)方法對(duì)環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星大氣校正儀地理定位精度的初步評(píng)估結(jié)果。圖像為大氣校正儀443 nm，555 nm，670 nm譜段合成的偽彩圖，圖像的水陸交界線與海岸線基本一致。采用考慮大氣校正儀空間響應(yīng)函數(shù)的自動(dòng)海岸線檢測(cè)方法，對(duì)大氣校正儀定位誤差進(jìn)行評(píng)估，大氣校正儀在沿軌和穿軌2個(gè)方向上的最大地理定位誤差均不超過0.5像元或者3 km，定位精度能夠滿足應(yīng)用需求。

圖7 大氣校正儀地理定位結(jié)果Fig.7 Geolocation results of PSAC

2.2 初步反演結(jié)果與驗(yàn)證

以典型霧霾區(qū)域大氣校正儀反演得到陸地上空AOD產(chǎn)品為例，通過選擇成像時(shí)間相差0.5 h左右的MODIS氣溶膠產(chǎn)品，進(jìn)行空間分布效果的定性對(duì)比。這里采用大氣校正儀于2020年11月初在我國東部(山東及周邊)和中部(陜西及周邊)地區(qū)的2次成像數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的L1級(jí)數(shù)據(jù)文件名分別為HJ2A_PSAC_E116.9_N35.8_20201106_L10000015715.hdf5和HJ2B_PSAC_E110.4_N35.8 _20201109_L10000017121.hdf5。

大氣校正儀的AOD產(chǎn)品空間分辨率與L1級(jí)產(chǎn)品空間分辨率一致，約為7 km，所采用的MODIS的AOD產(chǎn)品的空間分辨率為10 km，對(duì)應(yīng)的譜段均為550 nm。從圖8～11可以看出：大氣校正儀反演得到的AOD產(chǎn)品空間分布與MODIS的具有較好的一致性；然而，由于二者成像時(shí)間一般相差在0.5 h左右，云和氣溶膠的空間分布會(huì)略有變化。此外，大氣校正儀的AOD產(chǎn)品空間分辨率要顯著高于MODIS產(chǎn)品，且空間分布的細(xì)節(jié)更加豐富，具備對(duì)大范圍區(qū)域霧霾分布的有效監(jiān)測(cè)能力。

注：成像時(shí)間為2020年11月6日03:16:16(UTC)。圖8 山東及周邊的大氣校正儀合成圖像Fig.8 Composite images in Shandong and surrounding areas by PSAC

注：大氣校正儀與MODIS成像時(shí)間相差約0.5 h。圖9 基于大氣校正儀和MODIS獲取的山東及周邊上空AOD產(chǎn)品對(duì)比Fig.9 Comparison of AOD products over Shandong and surrounding areas obtained by PSAC and MODIS

注：成像時(shí)間為2020年11月9日03:42:57(UTC)。圖10 陜西及周邊的大氣校正儀合成圖像Fig.10 Composite images in Shaanxi and surrounding areas by PSAC

注：大氣校正儀與MODIS成像時(shí)間相差約0.5 h。圖11 基于大氣校正儀和MODIS獲取的陜西及周邊上空AOD產(chǎn)品對(duì)比Fig.11 Comparison of AOD products over Shaanxi and surrounding areas obtained by PSAC and MODIS

利用目前廣泛使用的全球氣溶膠自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)(AERONET)數(shù)據(jù)對(duì)大氣校正儀AOD(550 nm譜段，無量綱)和CWV(單位：g/cm2)產(chǎn)品的精度進(jìn)行評(píng)估。本次測(cè)試共獲取了500多組匹配數(shù)據(jù)，大氣校正儀AOD和CWV產(chǎn)品與基于地基AERONET數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果如圖12所示。圖12中，EE20表示基于大氣校正儀反演的AOD產(chǎn)品的期望誤差(EE)為±(0.05+0.2τAERONET)，EE10表示CWV的EE為±(0.20+0.1νAERONET)。其中，τAERONET和νAERONET分別為地基AERONET站點(diǎn)獲取的AOD值和CWV值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：基于大氣校正儀反演的AOD產(chǎn)品的誤差落在EE20范圍內(nèi)的比例為68.62%，CWV產(chǎn)品的誤差落在EE10范圍內(nèi)的比例為95.39%[28]，比例均大于68.27%，因此可以認(rèn)為基于大氣校正儀反演的AOD和CWV產(chǎn)品均達(dá)到上述精度要求。

注：選取與地面站點(diǎn)同時(shí)同覆蓋的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證點(diǎn)，顏色表示散點(diǎn)密度分布(散點(diǎn)個(gè)數(shù))。圖12 大氣校正儀AOD和CWV產(chǎn)品基于AERONET數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果Fig.12 Verification results of PSAC AOD and CWV products based on AERONET data

2.3 大氣校正效果

根據(jù)第2.2節(jié)的大氣校正方法和過程，選擇環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星16 m相機(jī)的L1A級(jí)圖像產(chǎn)品和對(duì)應(yīng)的大氣校正儀L2級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，根據(jù)大氣校正儀獲取的大氣光學(xué)特性參數(shù)對(duì)16 m相機(jī)L1A級(jí)圖像進(jìn)行大氣校正，得到地表反射率產(chǎn)品，目視對(duì)比和判斷大氣校正后的圖像與未經(jīng)大氣校正的原始圖像的差異。圖13為我國湖北咸寧市及周邊的環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A衛(wèi)星多光譜圖像校正前后對(duì)比，圖中包含了城市地區(qū)和山區(qū)。圖14為印度地區(qū)的環(huán)境減災(zāi)二號(hào)B衛(wèi)星多光譜圖像校正前后對(duì)比，主要是平原。從圖13和圖14中可以看出：無論是城市、山區(qū)，還是平原，大氣校正后圖像均比校正前清晰，對(duì)比度明顯提高，圖像目視效果得到了較好的改善。這說明大氣校正可以有效去除氣溶膠、霧霾和薄云等大氣干擾，提高圖像質(zhì)量。

注：基于2020年12月21日16 m相機(jī)CCD3圖像數(shù)據(jù)。圖13 湖北咸寧市及周邊的環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A衛(wèi)星多光譜圖像大氣校正前后對(duì)比Fig.13 Comparison of HJ-2A satellite multi-spectral images before and after atmospheric correction over Xianning, Hubei

注：基于2020年11月5日16 m相機(jī)CCD3圖像數(shù)據(jù)。圖14 印度地區(qū)的環(huán)境減災(zāi)二號(hào)B衛(wèi)星多光譜圖像大氣校正前后對(duì)比Fig.14 Comparison of HJ-2B satellite multi-spectral images before and after atmospheric correction over India regions

由于受到大氣的影響，衛(wèi)星圖像上的不同地物的光譜信息已經(jīng)改變，圖像中表觀反射率光譜曲線已經(jīng)不能正常反映它們?cè)诓煌V段的特性，大氣校正在提高圖像清晰度和提升圖像質(zhì)量的同時(shí)，可以獲得更真實(shí)地表反射率。

對(duì)比大氣校正后的圖像目標(biāo)反射率與地面同步實(shí)測(cè)反射率的誤差，可以定量檢驗(yàn)大氣校正效果。本文選擇敦煌高反場(chǎng)為驗(yàn)證點(diǎn)，地理位置為(40.475°N，94.380 6°E)，觀測(cè)日期為2020年12月25日(環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A衛(wèi)星)和2021年1月25日(環(huán)境減災(zāi)二號(hào)B衛(wèi)星)。選擇2幅敦煌高反場(chǎng)圖像，使用對(duì)應(yīng)的大氣校正儀的大氣參數(shù)反演結(jié)果(L2級(jí)數(shù)據(jù))進(jìn)行大氣校正，得到地表反射率圖像。利用16 m相機(jī)的光譜響應(yīng)函數(shù)，對(duì)同步測(cè)量的目標(biāo)反射率進(jìn)行譜段匹配，得到譜段等效反射率。

選擇高亮目標(biāo)區(qū)域的平均反射率，對(duì)比實(shí)測(cè)的譜段等效反射率，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯?6 m相機(jī)的所有譜段校正后反射率與實(shí)測(cè)反射率的相對(duì)誤差基本優(yōu)于10%，定量地說明了大氣校正的有效性。

表2 敦煌高反場(chǎng)大氣校正后的反射率對(duì)比結(jié)果Table 2 Comparison results of reflectance after atmospheric correction over Dunhuang high reflectance site

3 結(jié)束語

本文針對(duì)環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星大氣校正儀數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行介紹，并評(píng)估和展示了部分在軌初步應(yīng)用效果，大氣參數(shù)反演和16 m相機(jī)多光譜圖像大氣校正效果均滿足應(yīng)用指標(biāo)要求，同步大氣校正時(shí)效性能夠滿足準(zhǔn)實(shí)時(shí)、業(yè)務(wù)化應(yīng)用需求，初步顯示了大氣校正儀在大氣校正和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用潛力。針對(duì)國產(chǎn)大氣校正儀等采用多光譜、單角度觀測(cè)的偏振遙感器，建議進(jìn)一步挖掘其在環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，在信息量分析的基礎(chǔ)上研究如何充分利用多光譜的標(biāo)量和偏振探測(cè)信息約束大氣和地表多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的聯(lián)合反演，為我國單角度偏振系列衛(wèi)星遙感器的發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供關(guān)鍵反演理論和算法支撐。此外，建議進(jìn)一步對(duì)同衛(wèi)星平臺(tái)裝載的高光譜和紅外相機(jī)的同步大氣校正和應(yīng)用效果開展評(píng)價(jià)，深入挖掘大氣校正儀從可見光至紅外譜段大氣校正中的應(yīng)用價(jià)值，充分發(fā)揮大氣校正載荷效能，進(jìn)一步提升我國在環(huán)境減災(zāi)等方面的遙感定量化水平。