高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨辐射定标

辐射定标是卫星遥感信息定量化的关键技术之一。高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨定标将目标反射率的现场测量转换为实验室高精度测量,以实际测量代替气溶胶散射特性假设,通过简化辐射传输计算获取大气透过率与遥感器入瞳辐亮度,根据遥感器系统PSF检测结果将小目标的辐射响应与背景辐射相分离,降低对场区背景环境要求的同时提高了绝对辐射定标精度。试验结果分析表明,高分辨率光学遥感卫星传感器小目标法在轨辐射定标不确定度优于3%,与大面积辐射校正场或灰阶靶标法的定标结果差异3.65%,小目标法有望在全谱段范围实现高分辨率光学遥感卫星传感器的全动态范围定标与几何检校。     

基于反射点源的光学遥感卫星像点提取及精度验证

定标自动化水平与像点提取精度是光学遥感卫星在轨几何定标效率及精度提升的关键因素。提出一种以轻小型、自动化的反射点源为地面控制点的高精度像点提取方法,匹配参数化模型拟合获取点源像点坐标,并利用有理函数模型进行精度验证。在轨实验结果初步表明,与模板匹配法等常规方法相比,反射点源法提取的像点坐标精度优于0.05 pixel,经有理函数模型验证,像点定位精度优于0.05 pixel。反射点源不仅能够实现高精度的像点提取,还能够实现光学遥感卫星在轨几何辐射综合定标,对提高我国遥感测绘精度和定标自动化水平有重要意义。     

基于多灰阶靶标的在轨辐射定标方法研究

辐射定标是光学遥感信息定量化的关键技术之一。随着高分辨光学遥感器定量化应用的发展,在轨绝对辐射定标精度的要求也越来越高。提出了一种基于多灰阶靶标的在轨定标方法,采用实际测量的漫射辐照度与总辐照度比来代替辐射传输计算的气溶胶散射,同时布设高反射率靶标以提高辐射定标精度。初步试验结果表明,基于多灰阶靶标的高分辨率光学卫星传感器在轨绝对辐射定标方法,对假定的理论模型依赖较少,能够实现全动态范围的高精度定标,不确定度优于4%,而且满足复杂环境条件的应用要求。     

基于场地高光谱BRDF模型的绝对辐射定标方法

提出了一种基于场地地表高光谱双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法,摆脱了对卫星过境时刻同步观测的依赖,提高了遥感器在轨绝对辐射定标的效率与频次.利用无人机测量系统对敦煌辐射校正场进行了地表方向特性测量,基于半经验核驱动模型反演了敦煌场地的高光谱双向反射分布函数模型参数.用地表双向反射分布函数模型直接计算的卫星观测方向的地表高光谱反射率数据替代卫星过境时刻场地的地表同步测量数据,结合中分辨率成像光谱仪大气产品数据,实现了对Landsat-8卫星的陆地成像仪(OLI)在可见光至近红外波段的高频次绝对辐射定标.Landsat-8/OLI第1～6波段的卫星观测表观辐亮度值与模型计算表观辐亮度值的相对偏差均小于5%,标准差小于2%.基于无人机场地双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法的定标结果与卫星观测结果具有较高的一致性和稳定性.     

基于超光谱比值辐射仪的卫星自动化场地定标与分析

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求,以及目前人工方式进行定标的不足,调研国内外卫星定标的发展现状,研制了超光谱比值辐射仪自动化定标系统,并开展了卫星传感器自动化定标的试验。根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标,比值辐射仪设计积分球测量光谱总照度,并通过遮挡的方式实现了光谱漫照度测量,获得卫星定标中的漫总比数据;同时,辐射仪利用光学镜头的方式实现地面辐亮度测量,实现了大气-地表辐射特性的自动观测,同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能。在2015年敦煌辐射校正场试验中,辐射仪得到了理想的应用效果并获得了大气光学参数、地表反射率的数据,为卫星传感器的定标提供了数据支持。经过与传统测量仪器的对比,地表反射率的相对偏差在0.5%~1.5%,大气参数中光谱辐照度的绝对偏差小于5%,漫总比的绝对偏差不大于0.015%。采用辐照度基法利用测量的数据对Aqua MODIS光学遥感器的通道1～5进行了场地定标,通道1~4的对比相对偏差小于1%,通道5的偏差结果为7.24%,验证结果满足了卫星传感器自动化定标的初步需求。     

基于反射点源的高分辨率光学卫星传感器在轨调制传递函数检测

调制传递函数(MTF)可用来评估高分辨率光学卫星传感器像质,在轨MTF检测对于高分辨率卫星遥感数据的应用和未来卫星遥感器的发展具有重要意义。提出一种基于反射点源的直接检测方法,利用遥感影像数据计算得到成像系统的点扩展函数(PSF),进而获取系统的MTF值。根据成像关系和点光源图像数据,并利用非线性方程优化求解的方式得到被测光学卫星传感器成像系统的一维线扩展函数值,进而验证了可近似用高斯模型来表征高分辨率光学卫星传感器的PSF。实验结果表明,基于反射点源的光学卫星传感器在轨MTF检测结果与基于刃边靶标的在轨MTF检测结果的差异小于5%,能够实现高分辨率光学卫星传感器的在轨MTF检测。     

敦煌辐射校正场太阳光度计现场定标

为保证卫星在轨自动化定标中气溶胶光学特性观测的精度,针对基于相对稳定大气条件的Langley定标和基于高精度参考仪器的交叉定标,开展了辐射校正场太阳光度计的现场定标技术研究.定标结果表明高精度太阳光度计Langley定标和交叉定标与CE318太阳光度计反演的气溶胶光学厚度最大偏差分别在0.015和0.01以内.计算分析了大气条件、仪器参数等对现场定标的影响,将定标后的仪器和CE318太阳光度计放在青海湖同步比对观测,气溶胶光学厚度最大偏差在0.01以内.敦煌辐射校正场太阳光度计现场定标误差对卫星在轨定标的影响不超过0.21%,表明定标结果能够满足卫星在轨自动化定标的精度要求.     

资源三号多光谱传感器场地辐射定标与验证

基于敦煌辐射校正场,利用高、中两类定标场地,采用反射率基法对资源三号卫星多光谱传感器进行在轨场地绝对辐射定标,获取多光谱传感器的2013年绝对辐射定标系数,并与2012年定标结果进行对比分析。同时,利用2013年7月1日Landsat 8的operational land imager(OLI)影像对资源三号卫星多光谱传感器进行交叉定标,验证定标系数的可靠性。结果表明,一年来资源三号卫星多光谱传感器各波段性能存在1%～8.5%的变化;交叉定标和场地定标的结果有较好的一致性,说明定标结果具有较高的可信度。     

基于宽动态地面目标的高分二号卫星在轨定标与评价

为检测高分二号(GF-2)卫星发射前后辐射性能变化,获取可靠的GF-2卫星遥感器在轨定标系数,提出了基于宽动态地面目标的场地定标方法。以敦煌戈壁场为基础,重新选建涵盖高、中、低多级反射特性的定标场,并借助反射率基法和地面观测试验,实现了GF-2卫星首次在轨辐射定标。以发射前实验室定标结果为参考,讨论GF-2卫星定标系数变化及影响因素。结果表明:1)GF-2卫星发射前后系统自身偏移量均接近于零,且相对稳定;而辐射响应特性发生了一定变化;2)采用多场地定标获取的在轨定标系数能更好表征GF-2卫星在轨辐射特性,该定标系数可作为后续定量产品反演和系统性能评估的基础。     

基于场地高光谱BRDF模型的Suomi-NPP VIIRS长时序定标

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,及时跟踪载荷的辐射特性变化。     

基于灰阶靶标的光学遥感器绝对辐射定标及反射率反演验证

光学遥感器在轨绝对辐射定标精度决定着定量化应用的广度和深度,反射率法、辐照度法以及辐亮度法等基于大面积均匀场的在轨替代定标发挥着重要作用,但由于存在场地数量有限、定标频次低、场地反射率低以及单点定标无法实现全动态范围定标的问题,定标精度限制在5%～8%之间。光学遥感器空间分辨率的提高,使得基于光谱平坦性好、朗伯性好的灰阶靶标的绝对辐射定标成为可能。本文研究了基于灰阶靶标的定标方法的原理、定标流程及影响因素,并在此基础上提出了简化辐射传输计算的方法。考虑到高分辨多光谱相机响应线性及暗电流等的影响,本文采用带偏置的一次函数响应模型,对某多光谱相机进行了三次试验,求出了定标增益与偏置,定标不确定度优于5%。利用铺设的彩色靶标进行了反射率反演验证,结果显示,在5%～70%的反射率内,绝对差值不到0.01。所提绝对辐射定标方法可以实现光学卫星遥感器大动态范围的绝对辐射定标,解决了在响应低端定量化应用时定标精度普遍较低的问题。     

基于阵列点源的光学遥感卫星像质评价方法

提出一种基于阵列点源的光学遥感卫星像质评价方法，以轻小型、自动化的反射点源阵列作为检测参照目标，最小二乘法二维高斯模型拟合阵列点源影像获得像点坐标，结合地面点源位置测量获得遥感器地面像元分辨率；以点源影像像点坐标为基准，对阵列点源遥感影像数据进行位置配准与高斯模型拟合获得成像系统点扩散函数与调制传递函数值。试验结果表明：像点坐标的共线误差小于0.002像素，地面像元分辨率的相对偏差优于6.5‰，阵列点源可以综合实现光学遥感卫星的像质评价与辐射定标。     

光学遥感器复杂环境下在轨辐射定标方法

基于反射率基法的大面积均匀场替代定标是目前常见的在轨定标方法,国内均匀场数量少,反射率偏低,定标频次与精度都受到限制。灰阶靶标法已经实现了在均匀场环境下的高精度辐射定标,但如何突破大面积均匀场单一环境背景限制实现高频次定标,依然是当前的难题。在经典辐照度基法的基础上,提出了适用于灰阶靶标的改进辐照度基法,分析讨论了复杂环境下的在轨辐射定标方法,并对某光学卫星开展了实验验证。结果表明,提出的改进辐照度基法与反射率基法的最大差别小于3.5%,可实现复杂背景环境下的在轨辐射定标,为我国光学卫星高频次、高精度在轨辐射定标提供了技术途径。     

中国遥感卫星辐射校正场陆表热红外发射率光谱野外测量

中国遥感卫星辐射校正场陆表发射率光谱是利用陆表场地进行遥感器红外通道绝对辐射定标的关键因子之一。基于光谱平滑的温度与发射率分离反演迭代算法,利用高精度的BOMEM MR154傅里叶变换红外光谱仪和红外标准板,对敦煌戈壁陆表发射率光谱进行测量。获得了不同时间和地点测量的陆表发射率光谱数据,并与利用CE312通道式红外辐射计在相同区域的测量结果进行比较分析。结果表明各个通道发射率的差别均在0.012以内,具有较好的一致性。利用该发射率光谱测量结果,可以在敦煌戈壁——中国遥感卫星辐射校正陆面场,对目前国内外主流的遥感卫星热红外通道进行在轨场地绝对辐射定标。     

敦煌辐射校正场反射辐射偏振特性研究

卫星遥感器辐射校正场的地表反射辐射测量(例如地表反射率、地表辐亮度等)对卫星遥感器的在轨定标至关重要。由于地物光谱仪自身具有一定的偏振敏感性, 场地反射辐射的偏振特性将会引入偏振测量误差。采用基于偏振成像仪和塔吊的非定点测量方式以及基于偏振光谱仪和BRDF测量架的定点测量方式, 测量了敦煌场490 nm和670 nm波段场地反射辐射的多角度偏振分布和局地偏振均匀性。试验结果表明, 敦煌辐射校正场的反射辐射具有一定的偏振特性。偏振特性和波段有关, 490 nm波段偏振度明显大于670 nm波段。490 nm和670 nm波段的多角度偏振分布关于太阳主平面对称。在太阳主平面内, 前向散射区偏振度大于后向散射区, 并随天顶角变大而变大。两种测量方式获得了一致的偏振特性分布规律。获得了直径100 m区域的场地反射辐射局部均匀性, 均匀性在6%左右。研究场地反射辐射的偏振特性对于场地辐射探测方案的改进以及辐射测量精度的提高具有重要意义。     

基于均匀目标的GF-1WFV与SJ-9A PMS相机交叉定标

为检测SJ-9A卫星PMS相机在轨辐射特性,获取准确的PMS相机绝对辐射定标系数,提出了基于均匀目标的GF-1WFV与SJ-9APMS交叉定标方法。介绍交叉定标原理和均匀目标样区的概况,并对比两个遥感器的波段设置和光谱响应差异。基于敦煌辐射校正场均匀目标历史数据和2013年8月2日GF-1WFV与SJ-9APMS同时观测图像,实现了WFV与PMS的交叉定标。讨论了GF-1WFV与PMS相机交叉定标的影响因素及其不确定度。结果表明:利用GF-1WFV相机对SJ-9APMS相机进行交叉定标是可行的;以敦煌场区GF-1WFV观测数据为参考,获取的SJ-9APMS相机交叉定标结果不确定度小于5.24%。该成果可用于SJ-9A卫星在轨性能评估和后续数据定量化应用,并为我国自主卫星遥感器间的交叉定标提供借鉴。     

超光谱比值辐射仪光机系统设计与外场实验分析

针对我国光学遥感卫星高频次和高精度定标的技术需求,以及目前人工定标的不足,研制了超光谱比值辐射仪系统.该仪器具备长期自动观测功能,光谱范围为400～2 500nm.光机系统主要由前置光学系统和光谱模块组成.根据场地定标中的参数需求与自动化定标的目标,设计积分球测量总辐照度,并通过遮挡的方式实现漫射辐照度的测量,获得卫星定标中的漫总比数据;设计光学镜头测量地面辐亮度,从而实现大气-地表辐射特性的自动观测.同时仪器集成了定标数据实时预处理和远程传送等功能.为验证仪器的野外环境适应性和自动化测量数据的可靠性,与传统人工测量地表反射率与漫总比的方式进行了外场对比实验.实验结果表明,两种方式所测的总辐照度、漫射辐照度和直射辐照度的相对偏差均小于5%,漫总比的绝对偏差均小于0.025%;所测反射率整体趋势相同,且二者的偏差普遍在±1%以内,最大偏差小于±2.5%.超光谱比值辐射仪具有较高的自动化测量精度,能够替代人工测量大气辐射特性参数和地表反射率,实现较高的测量频次,在遥感卫星自动化定标领域具有广阔的应用前景.     

基于CCD相机的反射式点光源高精度指向技术

反射式点光源设备可用于光学遥感器的在轨调制传递函数检测和绝对辐射定标等,其高精度指向是确保太阳光反射至遥感器入瞳的关键。通过进一步提高指向精度,可以减小现有点光源的体积和质量,具有重要的工程意义。通过建立几何误差标校模型和反射镜法向标校模型,去除旋转矩阵参数的相关性;利用阻尼Gauss-Newton方法迭代求解标校模型参数,实现了反射式点光源优于0.1°的指向精度。该研究为实现光学卫星遥感器的高精度、高频次、全动态范围的定标检测提供了基础。     

星上定标漫反射板设计研究

星上定标器作为遥感卫星在轨辐射定标装置,定标漫反射板(SD)作为定标器中的参考标准板,其结构设计的可靠性将直接影响到星上定标器的定标精度。为了得到星上定标漫反射板结构在航天力学条件下的响应情况,通过振动实验台模拟对其进行加速度过载和随机振动响应特性进行了测试,获得了定标漫反射板组件的加速度过载响应特性、固有频率和随机振动响应特性。同时,为了考察星上定标漫反射板的光学特性,进行了方向半球反射比(DHR)、双向反射分布函数(BRDF)等光学特性的测量。结果表明,漫反射板组件在航天力学条件下强度和刚度都满足设计要求,基频大于120 Hz;而且漫反射板具备高反射率(大于99%)、光谱平坦性、朗伯性等优良光学特性,满足航天应用要求。     

基于改进型反射率基法的资源三号卫星多光谱相机在轨辐射定标研究

针对资源三号卫星(ZY-3)多光谱影像特点,提出了一种改进型反射率基法,实现相机在轨辐射定标。该方法以ZY-3 Level 1A 级影像为数据源,建立严格的几何模型获取定标点处准确的观测几何参数,降低因影像重采样和成像几何产生的误差对辐射定标精度的影响。基于山东东营遥感综合实验,利用两点法和多点法获取ZY-3多光谱相机在轨辐射定标系数。与官方定标系数相比,多点法的定标精度高于两点法定标精度。通过分析各定标点与拟合直线间的离散程度后发现,水体定标点的残差较大,其中绿波段残差值约为67.39%。以置信度95.4%为标准,可将水体定标点判识为误差点。在剔除水体后,采用多点法获得的定标系数除近红外波段相对差异优于5%以外,其他波段相对差异均优于2%。该结果表明该改进型反射率基法能够获得精度可靠的绝对定标系数,可以为其他类似卫星在轨辐射定标提供参考依据。