引用本文
张勇, 戎志国, 闵敏. 中国遥感卫星辐射校正场热红外通道在轨场地辐射定标方法精度评估[J]. 地球科学进展, 2016, 31(2): 171-179.
Zhang Yong, Rong Zhiguo, Min Min. .Accuracy Evaluations of the CRCS In-orbit Field Radiometric Calibration Methods for Thermal Infrared Channels[J]. Advanced Earth Science, 2016, 31(2): 171-179.  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2016.02.0171.
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中国遥感卫星辐射校正场热红外通道在轨场地辐射定标方法精度评估
张勇, 戎志国, 闵敏
中国遥感卫星辐射测量与定标重点开放实验室,国家卫星气象中心,北京 100081

作者简介:张勇(1977-),男,陕西镇巴人,副研究员,主要从事定量遥感、遥感传感器辐射定标和热红外遥感的理论和应用研究.E-mail:zhangyong@cma.gov.cn

基金:国家自然科学基金项目“自旋稳定静止气象卫星星上黑体辐射定标修正模型研究”(编号:41171275) 和“热红外遥感传感器辐射定标的模型融合与综合方法研究”(编号:40701118)资助
摘要

基于中国遥感卫星辐射校正场对在轨运行的遥感卫星热红外通道进行在轨绝对辐射定标,利用TERRA/AQUA MODIS卫星观测数据,对中国遥感卫星辐射校正场热红外通道在轨场地辐射定标方法进行精度评估与分析。将MODIS观测的入瞳亮温与外场实测数据通过辐射传输模式模拟到卫星入瞳的亮温进行比较,结果表明对热红外窗区通道的定标精度优于1.0 K(@300 K)。目前应用于我国在轨风云气象卫星热红外通道的中国遥感卫星辐射校正场绝对辐射定标方法本身具有很好的定标精度:对10.5~11.5 μm通道,误差在0.747 K以内;对11.5~12.5 μm通道,误差在0.851 K以内。

关键词: 中国遥感卫星辐射校正场; 辐射定标; 发射率光谱; 热红外遥感; 精度评估
中图分类号:P407 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2016)02-0171-09
Accuracy Evaluations of the CRCS In-orbit Field Radiometric Calibration Methods for Thermal Infrared Channels
Zhang Yong, Rong Zhiguo, Min Min
Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites, China Meteorological Administration (LRCVES/CMA), Beijing 100081, China

First author:Zhang Yong(1977-),male,Zhenba County,Shaanxi Province,Associate Professor. Research areas include quantitative remote sensing, remote sensors calibration and validation, theory and applications of thermal infrared remote sensing.E-mail:zhangyong@cma.gov.cn

Fund:Project supported by the National Natural Science Foundation of China “Research on the onboard blackbody radiometric calibration revising models of spinning geostationary meteorological satellites”(No.41171275) and “Research on model integrating and method synthesizing of thermal remote sensors’ radiometric calibration”(No.40701118)
Abstract

In order to achieve the in-orbit absolute radiometric calibration of the operational meteorological satellites’ thermal infrared channels, China Radiometric Calibration Sites (CRCS) were established and the accuracy of the CRCS in-orbit field absolute radiometric calibration methods (FCM) for thermal infrared channels (TIR) was evaluated and analyzed based on TERRA/AQUA MODIS observations. Comparisons between the MODIS at pupil brightness temperatures (BTs) and the simulated BTs at the top of atmosphere using radiative transfer model (RTM) based on field measurements showed that the accuracy of the current in-orbit field absolute radiometric calibration methods was better than 1.0K (@300K) in thermal infrared channels. Therefore, the current CRCS field calibration method for TIR channels applied to Chinese meteorological satellites was with favorable calibration accuracy: for 10.5~11.5 μm channel was better than 0.747 K and for 11.5~12.5 μm channel was better than 0.851 K.

Keyword: China radiometric calibration sites; Radiometric calibration; Emissivity spectrum; Thermal infrared remote sensing; Accuracy evaluation.
1 引言

遥感传感器精确的辐射定标和几何定标是遥感信息定量化的先决条件, 其中绝对辐射定标是将传感器所记录的计数值与特定的物理量之间建立相关关系, 又是遥感定量反演地表参数和建立遥感模型的基础[1]。近年来, 卫星热红外遥感器辐射定标得到了快速发展, 主要的热红外遥感器辐射定标精度指标要求为1.5~2.0 K(@300 K)[2]。目前, 我国在轨运行的热红外遥感器的绝对辐射定标手段主要依靠在轨场地绝对辐射定标, 尤其是不具备星上绝对辐射定标能力的风云二号系列卫星、环境系列小卫星、中巴地球资源卫星和军事侦察卫星等[3~7]。在轨场地辐射定标是卫星发射后在轨替代定标的一种典型方法, 使用一个经过严密鉴定的地面场和大气模式去确定传感器入瞳处的辐亮度[7~9]。

中国遥感卫星辐射校正场是我国依靠自主技术力量建立的, 旨在为我国遥感卫星(气象卫星、资源卫星、海洋卫星、环境减灾卫星、测绘地震以及侦察卫星等)的定量遥感应用开展卫星在轨辐射定标业务工作, 集实验室辐射标准传递、实验室标定系统、3个外场试验测量区(敦煌戈壁辐射校正场、青海湖水面辐射校正场和思茅热带雨林微波辐射校正场)、辐射校正测量系统、辐射传输软件处理系统和数据共享系统等为一体的大型科学实验工程系统。中国遥感卫星辐射校正场建设现已实现了“ 国家级、多星共用, 具有国际水平、对外开放的遥感卫星辐射校正场” 的建设总目标, 并形成了一套中国遥感卫星辐射校正场热红外通道在轨场地辐射定标方法(CRCS-TIR-FCM:China Radiometric Calibration Sites Thermal InfRared Field Calibration Method)[10]。

为了检验该方法的定标精度, 利用TERRA/AQUA MODIS[11]观测数据对CRCS-TIR-FCM定标结果进行评估。Wan等[12]利用Titicaca湖对TERRA MODIS热红外31和32通道进行了外场检验, 结果表明两通道的绝对辐射定标精度为(0.32± 0.06)K; Xiong等[13]、Tobin等[14]和Xiong等[15]的研究和分析中, 都表明TERRA/AQUA MODIS红外分裂窗通道31和32的绝对辐射定标精度均在0.1 K或以内。

本文利用TERRA/AQUA MODIS卫星观测数据, 对中国遥感卫星辐射校正场热红外通道在轨场地辐射定标方法(CRCS-TIR-FCM)进行精度评估与分析, 并讨论了未来热红外遥感器在轨绝对辐射定标的主要发展方向。

2 CRCS-TIR-FCM辐射定标方法
2.1 定标原理和流程

在8~14 μ m的热红外光谱范围内, 由辐射传输理论可知, 假定地表为朗伯表面, 大气下行热辐射各向同性, 卫星所接收到的光谱辐射是太阳光谱辐射、大气及地物目标三者相互作用的总贡献[16]。主要包括3个部分:第一部分地物目标发射的热辐射, 其大小由物体表面温度和发射率及目标与卫星之间的大气透过率决定; 第二部分为地物目标对大气下行辐射、环境背景辐射和太阳入射中的热辐射部分的总辐射量的反射辐射, 通常情况下太阳入射中的热辐射部分忽略不计; 第三部分为地物目标与卫星之间的大气上行辐射, 其与大气中吸收气体的含量和物理状态有关。因此, 卫星入瞳处分谱的热辐射可以表达为:

LTOA(λ)=[ε(λ)LBB(λ, Ts)+(1-ε(λ))Latm↓(λ)]τatm+Latm↑λ(1)

式中:LTOA(λ )为传感器入瞳处接收到的光谱辐亮度; LBB(λ , Ts)为地表真实温度Ts所对应的黑体辐亮度; ε (λ )为地表发射率, 由野外实际测量获得; τ atm为大气透过率, 可由MODTRAN模式计算获得; Latm↓(λ ), Latm↑(λ )分别为大气下行和上行辐射, 可由MODTRAN模式计算出; ε (λ )LBB(λ , Ts)为辐射定标场表面的离表总辐射, 可由地表的红外辐射计测量获得, 例如红外光谱仪、通道式红外辐射计或热像仪等。

对卫星遥感器通道的等效辐射亮度可由公式(2)计算获得。

Leq=∫λ1λ2LTOA(λ)f(λ)dλ2

式中:f(λ )为归一化的卫星通道光谱响应函数; λ 1, λ 2为卫星传感器通道的光谱响应范围。

卫星通道i的通道辐亮度与该通道卫星计数值的关系为:

Leqi=Gi·DNi+Ii3

式中:DNi为卫星的通道i的计数值, Gi为卫星通道i的定标斜率, Ii为截距。要得到定标系数Gi和Ii, 必须有至少2组Leqi和DNi。目前, 我国在轨的风云系列气象卫星和海洋卫星[17, 18]都具有观测冷空间的能力, 因此, 通过观测地表辐射定标场和冷空就可以得到2组Leqi和DNi, 完成在轨场地绝对辐射定标。红外通道场地辐射定标流程如图1所示。

CRCS-TIR-FCM辐射定标方法的主要特点是综合利用中国遥感卫星辐射校正场青海湖场区和敦煌场区的地面同步观测数据, 来实现对在轨卫星红外通道的绝对辐射定标。目前, 国内外的红外卫星遥感器在轨场地绝对辐射定标主要是利用高海拔、大气干洁、人为扰动少、温度场分布均匀的高原湖泊作为定标靶区, 可以达到很好的定标精度; 但是, 这些目标区域往往水表温度较低, 且低于卫星对地观测的绝大部分目标, 只能满足辐射定标线性低端的精度要求。因此, 必须找到一个高温的陆面目标作为定标靶区进行在轨定标。要利用高辐亮度的陆表进行辐射定标, 则陆表发射率是必须考虑的关键因子之一。近年来, 张勇等[19]对敦煌戈壁的陆表发射率光谱进行了测量, 获取了高精度的地表发射率数据, 图2为敦煌陆表实测发射率光谱数据。CRCS-TIR-FCM方法在考虑敦煌戈壁表面发射率的基础上, 利用戈壁表面进行热红外通道的在轨绝对辐射定标, 极大地拓展了热红外通道场地辐射定标的动态范围, 使敦煌场区也可用于红外通道的场地绝对辐射定标。将青海湖场区和敦煌场区的地面同步观测数据同时应用于红外遥感器的绝对辐射定标, 将有效地提高在轨场地绝对辐射定标的精度。

图1 红外通道场地辐射定标技术流程图Fig.1 Flowchart of field radiometric calibration CRCS-TIR-FCM

图2 敦煌戈壁陆表发射率光谱数据
蓝点为白天测量结果, 红点为夜间测量结果Fig.2 Dunhuang Gobi surface emissivity spectra
Blue points represent daytime emissivity and red points represent nighttime emissivity

2.2 中国遥感卫星辐射校正场— — 青海湖和敦煌场区介绍

中国遥感卫星辐射校正场— — 青海湖场区[20]位于青藏高原东北部青海省境内, 是我国最大的内陆高原微咸水湖。青海湖面积4 473 km2, 环湖周长360 km。湖面东西长约109 km, 南北宽约65 km, 呈椭圆形。湖水平均约深19 m, 最深处达32.8 m, 蓄水量达105 Gm3, 湖面海拔3 196 m。水面温度水平梯度小于0.12 K, 水温分布十分均匀, 是一个天然的红外辐射目标源[3]。湖中心有海心山, 辐射校正场试验区位于海心山东南水域, 试验区位置为36° 41'~36° 45'N, 100° 22'~100° 30'E。试验区水表温度空间分布均匀, 变化≤ 1 K[7]。青海湖属于地质稳定的高原内陆湖, 气候属于较高寒半干燥草原性气候, 大气干洁, 海拔高, 气溶胶粒子少, 气溶胶接近大陆型, 光学厚度为0.1左右, 卫星辐射信号大气订正量较小。青海湖同步观测区为海心山东南水域(GPS定位如图3所示)。该场区主要用于红外通道的场地绝对辐射定标。

图3 2009年8月13日青海湖同步观测试验GPS航迹图
背景图像为2012年8月19日HJ-1B CCD2青海湖假彩色合成图像Fig.3 GPS records showing the voyage route at Lake Qinghai on 13 August 2009
Background image is a standard false color composite HJ-1B CCD2 image of 19 August 2012

中国遥感卫星辐射校正场— — 敦煌戈壁[21], 位于我国甘肃省西端敦煌市以西15 km的戈壁滩上。辐射校正场座落在党河洪积扇中部, 党河洪积扇体呈银杏叶状, 由南向北展开, 整个扇体长约50 km, 宽60 km。扇体南高北低, 党河河口标高约为1 400 m, 至北部盐碱沼泽地带降为1 060 m, 扇体坡降约为340 m。场区位于扇体中部, 南部标高1 300 m左右, 北部标高1 140 m, 坡降为160 m。校正场区处于地球中纬度(35° ~45° N)干旱气候带内, 西部邻近我国最大沙漠区— — 塔克拉玛干沙漠, 其东延部分称库木塔格沙漠, 场区距此沙漠带仅数十公里。根据敦煌气象台提供资料, 本区年降雨量平均不足30 mm, 年蒸发量2 200~2 400 mm, 夏季炎热, 冬季寒冷多风。场区没有经常性地表经流, 植被稀少, 地面主体为裸露平坦的碎石组成的戈壁滩。场区地理位置及地形地物特点为光谱测量创造一个时空变化幅度较小的场所, 这有利于场地的建设和长年使用。敦煌同步观测区选择为辐射校正场中心区(图4)。测量区域中心海拔为1 085 m, 经纬度分别为40° 8'15.00″N, 94° 19'15.00″E。该场区主要用于可见/近红外通道的场地绝对辐射定标, 近年来拓展到红外波段的场地定标。

图4 敦煌场区卫星图像
黄色方框部分为风云卫星同步观测区, 背景图像为2013年8月2日GF-1卫星宽视场成像仪16 m空间分辨率假彩色合成图Fig.4 Satellite image of CRCS Dunhuang site
The yellow square is the central area for the FY series satellite calibration. Background image is a standard false color composite GF-1 WFV image with 16m spatial resolution of August 2, 2013

3 基于MODIS观测的场地定标方法精度评估
3.1 MODIS数据

针对热红外分裂窗通道的在轨场地绝对辐射定标方法进行精度评估, 选取了MODIS 31, 32通道的观测数据。参与评估分析的MODIS数据为TERRA/AQUA MODIS L1级MOD/MYD02 1KM定标后的辐亮度数据和MOD/MYD03 1KM地理定位数据。

表1 TERRA/AQUA MODIS遥感器2010年和2012年青海湖/敦煌场地同步观测信息 Table 1 Synchronous observation information of TERRA/AQUA MODIS at Qinghai Lake and Dunhuang in 2010 and 2012

基于中国遥感卫星辐射校正年度外场试验, 于2010年和2012年针对TERRA和AQUA卫星开展了星地同步观测, 用以检验CRCS-TIR-FCM方法精度。具体同步信息如表1所示。

3.2 精度评估方法

采用基于辐射传输模拟比对的定标评估方法, 即针对TERRA/AQUA MODIS过境青海湖和敦煌辐

射校正场时, 严格按照中国遥感卫星辐射校正场热红外通道场地定标方法开展星地同步观测试验, 获取卫星过顶时刻所需的地表、大气和卫星参数, 输入MODTRAN 4.0模式进行辐射传输正演模拟计算, 获取卫星过顶时刻的大气层顶辐亮度, 并与TERRA/AQUA MODIS观测获取的辐亮度进行比对, 并考虑其自身的定标不确定度, 来对CRCS-TIR-FCM方法进行精度评估。

考虑MODIS自身的绝对辐射定标精度, 利用公式(4):

Δ=Δmodis2+Δfield24

评估CRCS-TIR-FCM定标方法的精度。其中Δ modis为MODIS本身的定标精度, Δ field为比对的误差。

3.3 评估数据与结果分析

3.3.1 基于2010年同步观测的评估数据

基于2010年场地同步观测数据, 利用在轨场地辐射定标处理算法, 获取4次TERRA MODIS过境敦煌辐射校正场的数据, 利用31, 32通道的观测对CRCS-TIR-FCM方法进行验证。表2和表3给出了4次31通道和32通道的比较结果。

3.3.2 基于2012年同步观测的评估数据

为了检验同步试验的各项精度, 2012年外场同步观测试验针对TERRA/AQUA MODIS在青海湖(7月24日)和敦煌(8月7日和12日)获取了3次同步观测数据, 对CRCS-TIR-FCM方法进行验证, 如表4和表5所示。

3.3.3 结果与分析

利用国际公认精度的TERRA/AQUA MODIS对CRCS-TIR-FCM方法定标结果进行检验, 将MODIS观测的入瞳亮温与外场实测数据通过辐射传输模式模拟到卫星入瞳的亮温进行比较, 来评估CRCS-TIR-FCM方法的精度。在Xiong等[13]、Tobin等[14]和Xiong等[15]的研究和分析中, 都表明TERRA/ AQUA MODIS红外分裂窗通道31, 32的绝对辐射定标精度均在0.1 K或以内, 因此, 在这里将公式(4)中Δ modis取值为0.1 K。

表2 2010年MODIS 31通道星上获取的辐亮度和亮温与模拟结果比较(辐亮度单位:mW/(m2· sr· cm); 亮温单位:K) Table 2 Comparisons of TOA radiance and BTs between TERRA MODIS ch31 and the RTM simulated results in 2010 (unit mW/(m2· sr· cm) for radiance and K for BTs)
表3 2010年MODIS 32通道星上获取的辐亮度和亮温与模拟结果比较(辐亮度单位:mW/(m2· sr· cm); 亮温单位:K) Table 3 Comparisons of TOA radiance and BTs between TERRA MODIS ch32 and the RTM simulated results in 2010 (unit mW/(m2· sr· cm) for radiance and K for BTs)
表4 2012年MODIS 31通道星上获取的辐亮度和亮温与模拟结果比较(辐亮度单位:mW/(m2· sr· cm); 亮温单位:K) Table 4 Comparisons of TOA radiance and BTs between TERRA/AQUA MODIS ch31 and the RTM simulated results in 2012 (unit mW/(m2· sr· cm) for radiance and K for BTs)
表5 2012年MODIS 32通道星上获取的辐亮度和亮温与模拟结果比较(辐亮度单位:mW/(m2· sr· cm); 亮温单位:K) Table 5 Comparisons of TOA radiance and BTs between TERRA/AQUA MODIS ch32 and the RTM simulated results in 2012 (unit mW/(m2· sr· cm) for radiance and K for BTs)

综合本研究中2010年和2012年的外场观测试验与MODIS卫星观测的比对结果(表6)。

表6 TERRA/AQUA MODIS卫星观测与模拟结果比较(亮温单位:K) Table 6 Differences of TOA BTs between TERRA/AQUA MODIS and the RTM simulated results of all two years comparisons (unit K for BTs)

根据表6的统计结果, 取两通道比对的均值绝对值与标准差绝对值之和作为Δ field, 则 Δfield31为0.740 K, Δfield32为0.845 K。根据公式(4), 可以计算出热红外通道在轨场地辐射定标方法精度为:

对10.5~11.5 μ m通道, 误差在0.747 K以内; 对11.5~12.5 μ m通道, 误差在0.851 K以内。

综合以上分析, CRCS-TIR-FCM定标方法对于热红外窗区通道精度优于1.0 K(@300 K), 该方法本身具有很好的辐射定标精度。

4 结论与讨论

随着卫星遥感向着定量化方向的不断发展, 遥感数据的定量化应用对遥感器的绝对辐射定标提出更高的要求。特别是红外波段, 面向气候应用遥感数据集, 对绝对辐射定标的要求已经达到0.1 K(@300 K)。由于目前我国在轨的主要热红外遥感器缺乏有效的星上定标设备, 场地定标仍是主流的替代定标方法。因此, 必须对现有的在轨场地热红外波段辐射校正技术进行优化, 提高热红外波段在轨辐射校正精度, 以满足日益增长的定量化应用需求。

由于热红外通道的场地辐射定标环节较多, 而且对于热红外地表辐射特性测量的误差很难有效控制, 因此, 需要深入细致地分析和研究影响热红外辐射定标精度的诸多环节, 包括地表辐射测量、环境控制和大气订正等, 明确各个环节可能产生的误差, 并对这些误差进行定量化计算。将各个环节的误差进行综合分析, 给出最终对定标精度的贡献。在进行场地定标时有的放矢的对这些关键环节进行误差控制, 从而提高场地辐射定标精度。本研究在考虑敦煌戈壁表面发射率的基础上, 利用戈壁表面进行热红外通道的在轨绝对辐射定标, 从而拓展了热红外通道场地辐射定标的动态范围。利用国际公认精度的TERRA/AQUA MODIS观测数据对CRCS-TIR-FCM定标结果进行检验, 将MODIS观测的入瞳亮温与外场实测数据通过辐射传输模式模拟到卫星入瞳的亮温进行比较, 来评价外场定标方法的精度。综合以上分析, CRCS-TIR-FCM定标方法对于热红外窗区通道精度优于1.0 K(@300 K), 该方法本身具有很好的辐射定标精度。

随着对地观测技术突飞猛进的发展, 未来更多的具有更强观测能力的红外遥感器将要发射升空。精准的绝对辐射定标是推进红外遥感器数据定量化应用的首要关键技术之一; 而面向气候变化监测需要, 产生满足超高绝对辐射定标精度和长期稳定性的长期气候观测数据集, 现行的红外遥感器在轨替代定标手段, 包括在轨场地绝对辐射定标、交叉定标等将无法满足要求。因此, 发展可溯源、高精度、自校准的计量级星上定标系统是未来解决红外遥感器在轨绝对辐射定标的根本途径。空间基准卫星也是近年来国内外发展起来的解决在轨卫星绝对辐射定标的重要手段之一, 美国的CLARREO计划[22]和欧洲的TRUTH计划[23]就是其中的2个典型代表, 通过空间基准卫星在外太空建立可溯源、高精度的辐射基准来对其他在轨卫星进行绝对辐射定标。我国在这方面虽然起步较晚, 但发展迅速。目前, 中国的空间基准卫星计划已经提上日程, 正在围绕空间辐射基准载荷核心技术展开相关的研究工作。相信在未来5~10年, 随着计量级星上辐射定标系统和空间基准卫星计划的发展, 我国在轨卫星绝对辐射定标, 特别是红外通道的星上辐射定标将会得到跨越式发展。

致 谢:感谢中国遥感卫星辐射校正场国家卫星气象中心野外试验队的各位同仁, 正是我们的精诚合作和不懈努力, 获取了宝贵的第一手野外观测资料, 才使本研究得以进行和完成。中国资源卫星应用中心杨磊博士提供了青海湖和敦煌场区的高分辨率卫星图像。在此, 对他们做出的贡献一并表示感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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