DPCGaoFen-5与MODISAqua在轨交叉辐射定标.docx

摘要

高分五号（GaoFen-5）卫星搭载的多角度偏振成像仪（DPC）未装备星上定标器，需依

赖不同替代方法进行在轨辐射定标。为此，发展了一种在轨交叉辐射定标方法，考虑实时

地表方向反射及仪器光谱响应差异，实现了 DPC/GaoFen-5 与中分辨率成像光谱仪

（MODIS）/Aqua 的在轨交叉辐射定标。该方法选用具备高精度星上定标的 MODIS/Aqua

卫星为参考传感器，选择北非沙漠准不变定标场观测数据，通过输入卫星同步地表双向反

射率产品和大气辐射传输计算，精确校正两传感器间太阳-观测几何和光谱响应差异带来的

表观辐射量偏差，最终得到待定标传感器在轨交叉辐射定标系数。理论分析结果表明，该

方法在 DPC 非吸收波段的定标不确定度为 2.41%~3.70%。DPC/GaoFen-5 与

is developed, and the real-time surface directional reflectance and spectral response

differences are considered to realize the in-flight cross radiometric calibration of

DPC/GaoFen-5 and MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)/Aqua. In

this method, MODIS/Aqua with a high accuracy on-board calibration ability is selected as

the reference sensor, and the observation data over the pseudo-invariant calibration site

in North Africa is used. By inputting the real-time satellite bidirectional reflection product

and calculating the atmospheric radiative transfer, this paper accurately corrects the

apparent radiation deviation caused by the sun-observation geometry and spectral

response differences between the two sensors and finally obtains the in-flight cross

radiometric calibration coefficient of the sensor to be calibrated. Theoretical analysis

和人类健康等方面息息相关。为了获取更详细的大气气溶胶信息，偏振、多角度、多光谱

等多维度探测手段被用于提高探测精度。

法国里尔大学光学实验室研制的 POLDER（POLarization and Directionality of the Earth’s

Reflectance）传感器先后三次搭载于不同卫星入轨运行，于 1996—2013 年间获取了大量

极具科研价值的对地观测遥感数据。由中国科学院安徽光学精密机械研究所研制的多角度

偏振成像仪（DPC），是与 POLDER 类似的卫星传感器，于 2018 年 5 月 9 日成功搭载

于高分五号卫星入轨运行，是当时唯一在轨的多角度偏振遥感探测仪器。可靠的辐射定标

是遥感数据定量化应用必不可少的前提和基础，DPC 因其宽视场的特点，难以装载星上定

标器，需要利用不同替代定标方法进行在轨辐射定标。在高分五号发射之前，DPC 进行了

一系列高精度实验室几何、辐射和偏振定标

。高分五号在轨后，Qie 等

基于海洋

明 DPC 在轨后有良好的辐射探测性能。交叉定标法作为另一种基于其他高精度卫星传感

器的辐射定标系数传递定标方法，可作为一种独立方法用于 DPC 传感器的在轨辐射性能

的验证。

卫星在轨交叉辐射定标常用的方法主要有辐亮度法、反射率法和辐射传输模型（RTM）

法。辐亮度法是在参考传感器和待定标传感器获取的辐亮度相同的假设条件下，通过直接

对比辐亮度来换算辐射定标系数的方法。彭光雄等

［6］

利用该方法计算得到了 Landsat-5

的 TM 和 CBERS-02 的 CCD 传感器各对应波段计数值之间的一元线性回归方程。反射率

法基于两传感器获取图像的表观反射率相等的假设，这种假设相比辐亮度法可以降低由太

阳角度及两传感器角度差异引起的不确定性，并且该方法考虑了传感器光谱响应差异。

应用于各类传感器的在轨定标，如 Chander 等

基于北非沙漠场地 EO-1 Hyperion 高光

谱观测数据计算光谱匹配因子（SBAF），利用 Landsat-7 ETM+和中分辨率成像光谱仪

函数（BRDF）的影响。Feng 等

WFV 传感器进行交叉定标，该研究利用地表光谱数据库计算了 SBAF，并基于 MODIS

BRDF 产品对地表方向特性进行了校正，然而这种 SBAF 计算方式假设同类型地物光谱特

性是一致的，具有一定不确定性。Lacherade 等

［10］

筛选的基础上对 MODIS 与 POLDER 进行交叉辐射定标，并利用多年统计的 MERIS 平均

地表光谱数据和 PARASOL BRDF 产品进行了光谱差异和地表方向反射差异校正，结果表

明两传感器相应波段的辐射差异在 6%以内。MODIS 传感器具备星上定标器，自 1999 年

至今一直长期稳定在轨运行，提供高精度的辐射观测数据。本研究参考 Lacherade 等

［10］

的工作，同样选用 MODIS/Aqua 为参考传感器，与 DPC/GaoFen-5 进行在轨交叉辐射定

标和验证，以期在不同时空层面对比国产 DPC 传感器和法国 POLDER 传感器的在轨辐射

本文发展了一种基于辐射传输模型的改进的交叉定标方法，通过输入卫星实时 BRDF 产品

进行地表方向反射特性校正和光谱差异校正，实现参考传感器与待定标传感器在轨辐射定

标系数的传递。本研究详细介绍了交叉定标的方法流程，并分析了大气和地表因素带来的

定标不确定度，最后实现了 DPC/GaoFen-5 与 MODIS/Aqua 的交叉辐射定标。

高分五号卫星搭载的 DPC 传感器是我国第一颗以大气气溶胶和云为探测目标的星载多角

［11-12］

似，由宽视场光学系统、滤光片-偏振片组合转轮和面阵 CCD 探测器组成。宽视场光学系

统可获取沿轨和穿轨方向±50°范围内幅宽为 1850 km 的影像，星下点分辨率约为 3.3

km。滤光片-偏振片组合转轮可获取 8 个波段的探测信息，包括 443，565，763，765，