遥感器辐射定标方法及应用

随着卫星遥感定量化应用的不断深入，及时发现并校正遥感器辐射响应的变化，并评价遥感器自身辐射特性，成为卫星遥感应用与发展的重要环节。遥感器辐射定标是从遥感数据中精确估计地表信息的关键环节。卫星发射前，须对星载遥感器进行绝对辐射定标；卫星升空后，由于仪器本身光学和电子系统的衰变，其辐射性能必将发生改变，导致与发射前的定标结果存在一定的偏差，因此还需要进行在轨辐射定标。

根据星载遥感器定标阶段的不同，可将辐射定标分为实验室定标、在轨星上定标和在轨替代定标。

1.实验室定标

卫星遥感器发射前的定标是实现遥感定量化的重要环节，也是在轨星上定标和替代定标的基础。根据定标光源的不同，可将发射前定标分为：实验室定标和外场定标。实验室定标以人造光源为主，对遥感器的各项基本参数进行观测及定标。

在实验室定标中，又可将定标工作分成光谱定标和辐射定标两个方面。光谱定标主要是获得遥感器基本光谱特征，如波段的中心波长、波段宽度、光谱响应、半高宽以及带外响应等。辐射定标是指可见光-近红外波段的绝对辐射定标，两者定标光源分别为积分球和黑体。遥感器各谱段的入瞳处辐亮度与输出计数值为线性关系，定标方程为：

式中，DN是遥感器计数值，m为遥感器谱段号，n为谱段的探测器元数号，l为辐亮度档位号，G为遥感器谱段辐射响应度，Le为遥感器入瞳处等效辐亮度，DN0为遥感器谱段的零位计数值。辐射定标就是通过不同的Le和DN值用最小二乘法进行拟合，计算出定标系数G和DN0。

在实验室定标过程中，还需对遥感器的稳定性、均匀性、暗电流、线性度、杂散光和动态范围等进行测量（李家仓，2003），用以分析仪器的性能。

稳定性表征遥感器在一定时间内测量值的重复精度，通常采用相对标准偏差RSD作为评价指标，计算公式如下：

式中，n为重复测量的次数，DN i是每次测量的计数值。

均匀性检测是在测量条件不变的条件下，检验遥感器对于亮度均匀的输入所输出图像的均匀性。光电响应的不均匀性可以用仪器各探元在50%饱和曝光条件下，各自输出信号的标准差与其平均响应的比值来表示：

式中，σ是光电响应的不均匀性，N×M表示仪器总探元数，DN m是所有像元的平均响应。

实验室定标是一项复杂且难度较大的工作，其定标结果会受到光源不均匀性、镜头成像、杂散光等的影响。

2.星上定标

卫星在运输、发射等过程当中，由于振动、加速度冲击以及环境变化等因素的影响，会使遥感器光学和电子系统发生变化。此外，遥感器在轨长期运行期间，其光学元件效率的下降、电子器件的老化等也使得遥感器响应发生改变，因此沿用发射前的定标系数会产生较大的误差。

星上定标又称为在轨定标或飞行定标，其作用与实验室定标类似。根据光源的不同可以分为：内置灯定标、太阳定标和月球定标。

（1）内置灯定标

内置灯定标是采用星载标准灯作为星上定标的光源，对其进行辐射定标。对于可见光、近红外波段，小型钨丝灯通常作为星上内置光源。钨丝灯功耗低且发射光谱很精确，但内置灯的发射通常会随着时间的推移而减弱，通常采用反馈电路来控制电流以保持辐射恒定。

内置灯定标法一般又分为两种形式：灯和漫射板组合方式、灯和积分球组合方式。前者是利用漫射板反射的辐亮度对遥感器进行定标，早期的CZCS和Landsat5 TM都采用这种定标方式，该方式难以实现对遥感器全孔径、全视场定标。灯和积分球组合方式是利用积分球将点光源转化为均匀性更好的面光源，从而实现对遥感器全孔径、全视场的定标。

定标灯位于卫星平台内部，可以通过指令进行频繁的定标操作（Thome等，1997），缺点是只能对整个光路中的部分器件进行定标；同时，标准灯的光谱与太阳差异较大，在定标时还需进行光谱匹配校正，从而增加了定标不确定度。随着时间的推移，定标灯自身也会发生衰变，但这是无法识别和溯源的，因此需要增加其他的星上定标设备。

（2）太阳定标

太阳定标是一种基于反射辐亮度的定标方法，定标源为太阳辐射，一般用于遥感器的可见光和近红外波段的定标。太阳是均匀且高度稳定的朗伯光源，实测资料表明，太阳辐射的变化不超过0.2%。在大气层外，太阳辐照度的光谱分布是确定的，其光谱积分值可以认为是一个常数，即太阳常数。太阳定标是通过星载定标器将太阳辐射引入卫星遥感器，并将太阳辐射调节到遥感器测量的动态范围内，从而实现绝对定标。

星上太阳定标主要采用“太阳+漫射板”和“太阳+衰减板+漫射板”两种定标方式。“太阳+漫射板”的星上定标方式是将漫射板置于卫星外部整个光路的最前方，利用太阳辐射实现星上辐射定标。太阳漫射板是一个全孔径、端对端的定标器，为太阳光反射波段提供太阳光的测量值。漫射板在可见光、近红外、中红外光谱区域具有近似朗伯体的反射谱。这种方法很好地解决了全光路和光谱分布差异的定标问题，但是也存在缺点：一是漫射板直接暴露在外太空，经太阳长期直晒后会出现严重的衰减；二是太阳漫射板反射的大部分波段的辐亮度接近遥感器动态范围的上限值，会出现饱和现象。为减缓漫反射板的衰减，延长其工作寿命，同时使探测器不出现饱和现象，一般会在漫射板的前方增加一个衰减板，构成“太阳+衰减板+漫射板”的星上定标方式，可以认为它是“太阳+漫射板”定标方式的一种改进。在定标结束后，太阳漫射板孔径屏蔽门将关闭，以防止太阳漫射板长期暴露于太阳直晒之下。

总体来看，MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）星上定标系统因其具备很高的准确性得到广泛应用，其星上定标设备主要包括：太阳漫射板监测仪、太阳漫射板、光谱辐射定标装置和黑体等。太阳漫射板监测仪主要用于太阳漫射板衰变的监测；光谱辐射定标器主要用于跟踪MODIS从发射前至在轨运行期间的定标变化情况；黑体主要用于红外波段的定标工作。

相较于其他定标方法，太阳定标能对整个光路中的所有光学元件进行定标，实现全光路定标，且太阳漫射板定标源可充满遥感器孔径，实现全孔径定标。但是，太阳定标也有自身的局限性。由于定标时太阳漫射板直接暴露在太阳高能紫外辐射照射下，漫射板反射极易衰减；由于受几何位置约束，不便于频繁进行定标操作，只能在轨道的某几个固定位置进行定标。虽然存在一些缺点，但由于其定标精度高，目前仍被认为是最好的星上定标方法而受到重视和广泛应用。

（3）月球定标

目前，月球是除了太阳以外所能观测到的亮度最大的光源。利用月球进行定标，不会受大气的干扰，而且月球的反射可认为是不变的（Kieffer等，1997）。美国国家航空航天局在“月球自动观测”（Robotic Lunar Observatory）计划下，利用地球辐射计从多年的月球辐照度观测当中获得了ROLO模型（Kieffer等，2005）。卫星遥感器在运行轨迹方向观测到的月球图像会出现拉伸现象，这会使月球表观辐照度值增大，但该影响可以进行校正。

NASA也通过地球静止业务环境卫星GOES（Geostationary Operational Environmental Satellite）探索了月球定标的可行性。GOES采用统计方法得到月球积分亮度，不同方法的统计结果与地面模型结果之间存在差异，显示其还不能用于绝对定标。

与内置灯定标和太阳定标相比，开展月球定标的优势在于：光源长期稳定，不同卫星上的遥感器都可观测月球，不需要进行发射前特性分析，遥感器不需要额外的设计费用，不需要复杂的星上机械机构。但是，其定标方法也存在缺点：卫星平台需要经常调整姿态，每个月仅有一到两次观测的机会，需要精确的月球辐射模型等。

3.替代定标(www.xing528.com)

在轨替代定标是指卫星运行期间，选择地面某一区域作为替代目标，通过对替代目标的观测以实现卫星遥感器的辐射定标。不同于星上定标系统，替代定标是将卫星遥感器和大气校正算法作为整个系统来加以考虑的，是星上定标的有效补充和扩展。20世纪80年代以来，国内外提出了多种在轨替代定标方法，以提高辐射定标的精度，主要分为场地定标法、场景定标法和交叉定标法三类。

（1）场地定标法

场地定标法从20世纪80年代开始就应用于遥感器的辐射定标，经过多年的发展，其技术已经日趋成熟，目前绝大多数卫星遥感器的可见光近红外通道都采用该方法进行过辐射定标。以美国亚利桑那大学光学研究中心Slater教授为代表的一批科学家提出了利用地球表面大面积均匀稳定的地物目标，实现在轨卫星遥感器的辐射校正。由于这些场地足够大、均一、无云，且能够很好地了解其地面特性，因此被用来作为辐亮度和反射率定标的参考目标。场地定标主要包括三种方法：反射率法（Reflectance-based method）、辐照度法（Irradiance-based method）和辐亮度法（Radiance-based method）。目前，在场地定标法当中，应用最广的是反射率法。

反射率法是在卫星遥感器飞越辐射校正场的同时，准同步进行地面目标反射率、大气光学参数、探空和常规气象观测，通过对地表及大气观测数据的处理及星-地光谱响应匹配，获取大气辐射传输模型所需的输入参数，利用模型计算卫星遥感器入瞳处各波段的辐亮度或反射率，从而建立图像计数值与对应辐亮度或反射率之间的关系，实现辐射定标。反射率法的定标流程如图5.8所示。

图5.8　反射率法定标流程

卫星入瞳处各波段的反射率可表示为：

式中，Li（θs，θv，φs，φv）是辐亮度，α是日地距离校正因子，E0是大气层顶太阳辐照度，μs是太阳天顶角余弦。

对于朗伯特性较好的地面目标，反射率可表示为：

式中，ρAi（θs，θv，φs，φv）是大气向上散射反射率，τi是大气透过率，ρi是地表反射率，si是大气球面反照率，Tgi是吸收气体透过率。在平均日地距离处且太阳垂直入射条件下，反射率与卫星观测计数值之间的关系为：

式中，ai为增益，DCi为遥感器计数值，DC0i为计数值的偏移量。反射率法需要开展定标场区的反射率观测，定标误差小于5%。该方法的局限性在于需要花费较大的人力物力，且定标次数受到大气条件和过境时间限制，可能无法及时检测到遥感器的变化。

（2）场景定标法

稳定场景定标法是从某种均匀稳定地表区域的长时间序列图像中，剔除无效、云干扰和大角度观测图像，选择符合替代定标的多幅遥感图像，依据试验场地历史及准同步光谱数据，经过辐射传输模拟和地表方向性校正等，实现遥感器的辐射定标。稳定场景法根据地表下垫面的不同，又可分为：沙漠场景法、极地场景法、海洋场景法和云场景法等。

海洋场景法是指选择海洋作为研究区域，实现遥感器的绝对辐射定标。具体又可以分为：瑞利散射法、海洋耀光法、气溶胶散射法和系统定标法。

瑞利散射法主要是对蓝绿波段进行绝对辐射定标，选择清洁的大洋水体，通过瑞利散射模拟计算出大气中瑞利散射的大气层顶辐亮度理论值，同真实图像的数字值进行比较，确定定标系数。大气分子瑞利散射（单次散射）计算公式如下：

式中，Lr（θs，θv，φs，φv）是瑞利散射辐亮度，E0是大气层顶太阳辐照度，ω0是单次散射反照率，τr是瑞利散射光学厚度，Pr是瑞利散射相函数，ρ是水气界面反射率。

利用海洋进行绝对定标时，遥感器接收的总信号中还包含离水辐亮度、海面白冠辐射及大气气溶胶散射等辐射成分。为减小这些因素的影响，需要对观测条件进行限制。具体包括：选择大洋深海区、增加大气路径和后向散射方向观测等。当太阳天顶角或观测天顶角增大时，离水辐亮度、白冠等的贡献将会减小，但瑞利散射和气溶胶散射都会增加，因此气溶胶散射影响不能仅靠观测几何的调整来消除（Vermote＆Kaufman，1995）。

（3）交叉定标法

20世纪90年代起，交叉定标方法逐渐被用于缺少星上定标装置的遥感器的在轨定标。该方法利用已经精确定标的遥感器作为参考，对目标遥感器进行绝对辐射定标。根据定标场地的不同，可分为基于辐射校正场的交叉定标和基于各类场景的交叉定标。目前，交叉定标是替代定标研究的热点之一。

在交叉定标过程当中，需要对目标遥感器和参考遥感器进行光谱匹配和辐照度匹配。遥感器各波段的等效辐亮度Li可表示为：

式中，L（λ）是卫星入瞳处光谱辐亮度，Si（λ）是波段i的光谱响应函数，在λ1至λ2范围外，响应为零。卫星高度处太阳等效辐照度可定义为：

式中，Es（λ）是大气层顶太阳辐照度，在确定其辐照度值时，需要进行日地距离校正。

假设目标遥感器A为线性响应，且参考遥感器B的大气层顶反射率的定标系数已知，可采用遥感器B的表观反射率对遥感器A进行定标。遥感器Ai通道归一化表观反射率的交叉定标公式为：

式中，DCAi和DCA0i分别是遥感器A通道i的数字计数值和计数值偏移量，cAi是遥感器A通道i的反射率增益，和分别为遥感器A和遥感器B通道i的归一化表观反射率，DCBi和DCB0i分别是遥感器B通道i的数字计数值和计数值偏移量，bi是遥感器B通道i的反射率增益。

交叉定标的关键是建立参考遥感器与目标遥感器图像之间的关系，利用参考遥感器的定标系数，来推导出目标遥感器图像的表观辐亮度或反射率，从而得到目标遥感器各通道的辐射定标系数。参考遥感器的高精度定标是实现交叉定标的前提，参考遥感器与目标遥感器应具有相近的光谱响应函数，两者的空间分辨率也应接近。为了获得更多的同步观测图像，两者最好还具有较高的时间分辨率和较大的幅宽。