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为提升光学卫星遥感器的定标频次,提出一种基于场地高光谱BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)模型的高频次绝对辐射定标方法,实现了Suomi-NPP (Suomi-National Polar-Orbiting Partnership Spacecraft) VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)的长时序高频次绝对辐射定标。介绍了基于场地高光谱BRDF模型的绝对辐射定标原理,于2018年4月和8月利用场地高光谱BRDF手动测量系统分别对敦煌场的方向特性进行测量试验,并基于半经验核驱动反演敦煌场的地表高光谱BRDF模型参数。基于BRDF模型计算2018年全年VIIRS M1~M11波段的表观反射率,并与卫星观测表观反射率进行比对。结果表明:Suomi-NPP VIIRS遥感器 2018年全年的有效定标频次为51次,其中M1~M7波段模型计算的表观反射率与卫星观测的相对偏差均小于3.23%。基于场地BRDF模型的高频次绝对辐射定标方法可有效地提高卫星载荷的定标频次,
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
基于场地高光谱
BRDF
模型的
SuomiGNPP VIIRS
长时序定标
赵 春 艳
,
,
韦 玮
,
张 艳 娜
,
张 孟
,
,
李 新
,
郑 小 兵
中国科学院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室
安徽 合肥
中国科学技术大学
安徽 合肥
摘要
为提升光学卫星遥感器的定标频次
提出 一种 基于场 地高 光谱
模 型 的 高 频 次 绝 对 辐 射 定 标 方 法
实 现 了
的长时序高频次绝对辐射定标
介绍了基于场地高
光谱
模型的绝对辐射定标原理
于
年
月和
月 利用 场地 高 光谱
手 动测 量系 统 分别 对敦 煌 场
的方向特性进行测量试验
并基于半经验核驱动反演敦煌场的地表高光谱
模型参数
基于
模型 计算
年 全 年
波 段 的 表 观 反 射 率
并 与 卫 星 观 测 表 观 反 射 率 进 行 比 对
结 果 表 明
遥感器
年全年的有效定标频次为
次
其中
波段模型计算的表观反射率与卫星观测的相 对
偏差均小于
基于场地
模型的高频次绝对辐射定标方法可有效地提高卫星载荷 的定 标频次
及时 跟
踪载荷的辐射特性变化
关键词
辐射定标
长时序
模型
表观反射率
中图分类号
文献标识码
doi
Lon
g
TimeSeriesRadiometricCalibrationofSuomiGNPP VIIRS
BasedonSurfaceH
yp
ers
p
ectralBRDF Model
Ke
y
Laborator
y
o
f
O
p
ticalCalibrationandCharacterization
AnhuiInstituteo
f
O
p
ticsandFineMechanics
ChineseAcadem
y
o
f
Sciences He
f
ei
Anhui
China
Universit
y
o
f
ScienceandTechnolo
gy
o
f
China
He
f
ei
Anhui
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国家重点研发计划
民用 航天 技术预 研项 目
中国 科学 院 联
合基金
EGmail
EGmail
光
学
学
报
引
言
卫星遥感器的定标与检验是遥感定量化应用的
基础
对于没有星 上定标器 的 卫星遥感 器
在轨外
场定标成为检测和校正卫星遥感器运行过程中响应
特性衰变的重要方法
传统的在轨外场定标试验
的地面同步测量数 据需同时 满 足过顶时 刻
天气状
况等基础条件才能 被有效使 用
定标次数 受 大气和
过境时间的限制
且场地同步测量通常为垂直观测
对于大视场多角度卫星遥感器的定标通常会受到场
地方向特性的影响
同时随着载荷数量的增加
对单
个载荷进行传统在轨定标试验已经很难满足定标任
务的需求
发展基于模型的高频次定标是满足多卫
星
多参数定标的客观需求
国内外已有多家组织与单位等对不同的遥感器
进行了 高 频 次 绝 对 辐 射 定 标 与 长 时 序 性 能 监 测
等
等
等
等
利
用沙 漠
冰 川 等 稳 定 目 标 对
等 遥 感 器 的 在 轨 辐 射 特
性进行了长时序监 测分析
得到了关 于 遥感器的 稳
定性数据
但其未给出关于遥感器的绝对定标结果
等
利用利比 亚
苏丹
和
等稳
定目标对
太 阳 反 射 波 段 完 成 了 超 过
年 的
稳定 性 监 测
并 通 过 与
的相互校准分别估计了
不同波
段的绝对辐射偏差
但其仅对 天 顶方向的 数 据进行
了 比 对
未 考 虑 到 卫 星 观 测 方 向 场 地
对
定标结果的影响
国家卫星气象中心孙凌等
和王
玲等
以及 中 科 院 安 徽 光 学 精 密 机 械 研 究 所
等
和邱刚刚等
利用多个 稳 定目标场 地 分别对
做了长
时序定标
得 到 了 较 好 的 定 标 结 果
他 们 都 考 虑 到
中卫星观测 角 度 对 定 标 的 影 响
但 其 采 用 的
数据均为波段 设置固定 的
数
据产品
由于不同遥 感 器的波段 设 置通常会 存 在一
定程度的差异
故不 能 很好地适 用 于不同光 谱 特性
的遥感器在轨辐射定标
本文介绍 了 基 于 场 地 高 光 谱
模 型 的 高
频次绝 对 辐 射 定 标 方 法 的 原 理
结 合 场 地 高 光 谱
模型
卫星遥 感 器 过 境 时 刻 的 几 何 观 测 角 度
计算不同方向的地 表连续光 谱 反射率
替代卫星 过
顶的地表同步实测数据
利用
年全年过境敦煌
辐射校正场的
遥感器的
次有
效定标的卫星影像 数据
并与卫星 观 测的表观 反 射
率进行对比
分析了基于场 地高光谱
模型的
长时序定标方法的 精度
实验验证 了 该标定法 可 对
任意时刻过境定标场地的任意载荷完成长时序高频
次在轨辐射定标
遥感器介绍
美国新一代 的对 地 观 测 卫 星
是 联
合极地 卫 星 系 统
的 一 部 分
为 美 国 国 家 海
洋和大气管 理局
提 供 必 要 的 天 气 观 测 数
据
采用降 轨 方 式 运 行
绕
地运行约
圈
可 以 观 察 地 球 表 面 两 次
卫 星 的
重复周期为
扫描幅宽为
传 感 器 共
个 波 段
覆 盖 光 谱 范 围 为
其中
个
的 中 分 辨 率 的 波 段
个
分辨率的影 像波段
一个
分辨率的低
照条件下的 可见光 晨 昏
波 段
本
文针 对
遥 感 器 中 分 辨 率 波 段
进行长 时 序 定 标
其 中
由 于 存
在吸收等问 题
不 予 考 虑
图
所 示 为
相对光谱响 应函数
方
法
3.1
定标原理
基于场地
模 型 的 定 标 方 法 采 用 反 射 率
基法
的基本原理
选用均匀稳定的 场地作为试 验
场地
用场地
模型直接计 算过境时刻 卫 星观
测方向的地表方向 反射率
替代地表 同 步测量的 反
射率数据
结合卫 星相对光 谱 响应函数
过境时刻
的大气参数与几何 参数
使用大气 辐 射传输模 型 计
算卫星遥感器各光谱波段的表观反射率
与影像目
标区域
的 平 均 计 数 值
相 比
获 得 遥 感
器的在轨辐射定标系数
该方法的技术 流程如图
所示
根据经纬度提取卫星影像中目标区域的所有像
元的计数值
并进行数 据 均匀性筛选
如 果 目
标区域内所有像元计数值 的标准差
R
与平
均值
R
的 比 值 小 于
即 符 合 条 件
同时根据经纬度在影像提供的元数据或数据集中提
取卫星过境时刻的几何角度数据
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