发明内容
本发明为了解决常规在轨交叉辐射定标算法因缺少地面同步测量的大气、地面数据而导致定标精度较低的问题,提供了一种基于AERONET气溶胶数据的在轨交叉辐射定标方法,该方法利用全球自动观测网(Aerosol Robotic Network,AERONET)的气溶胶产品中的气溶胶、水汽、臭氧数据,结合大气辐射传输模型,实现对遥感卫星传感器的高精度在轨交叉辐射定标。
为解决上述问题,本发明采取如下的技术方案:
一种基于AERONET气溶胶数据的在轨交叉辐射定标方法,包括以下步骤:
步骤一:选取用于对待定标卫星进行在轨交叉辐射定标的定标区域;
步骤二:针对所述定标区域,根据预设条件分别确定参考卫星和待定标卫星的交叉定标影像;
步骤三:以步骤二中待定标卫星的交叉定标影像成像日期前后预设时间范围内,参考卫星对所述定标区域成像获得的各幅影像作为反射率反演影像,使用所述反射率反演影像以及参考卫星的绝对定标系数计算所述定标区域的各谱段的表观反射率,并结合各幅影像成像时刻的AERONET气溶胶数据,使用大气辐射传输模型反演出所述定标区域的各谱段的地表反射率;
步骤四:剔除各谱段的地表反射率数据中的异常值后,计算各谱段的地表反射率均值,并将各谱段的地表反射率均值按各谱段的中心波长进行三次样条插值,插值拟合后得到地表反射率光谱;
步骤五:将所述地表反射率光谱、参考卫星的光谱响应函数、参考卫星的交叉定标影像的观测几何参数、参考卫星的交叉定标影像成像时刻的AERONET气溶胶数据均输入大气辐射传输模型,得到参考卫星各谱段的第一模拟表观反射率,以及将所述地表反射率光谱、参考卫星的光谱响应函数、待定标卫星的交叉定标影像的观测几何参数、待定标卫星的交叉定标影像成像时刻的AERONET气溶胶数据均输入大气辐射传输模型,得到假定参考卫星在与待定标卫星观测条件完全相同情况下的各谱段的第二模拟表观反射率;
步骤六:将对应谱段的所述第二模拟表观反射率与所述第一模拟表观反射率相除,得到将参考卫星表观反射率由参考卫星观测条件下向待定标卫星观测条件下转换的匹配因子;根据参考卫星定标区域的影像灰度值和绝对定标系数计算出参考卫星中定标区域各谱段的表观反射率测量值;将对应谱段的匹配因子与表观反射率测量值相乘,得到参考卫星在待定标卫星观测条件下定标区域各谱段的第一表观反射率参考真值;
步骤七:将参考卫星各谱段的第一表观反射率参考真值按参考卫星各谱段的中心波长进行三次样条插值,插值拟合后得到待定标卫星的表观反射率光谱参考真值;根据所述表观反射率光谱参考真值和待定标卫星的光谱响应函数计算出待定标卫星各谱段的第二表观反射率参考真值;
步骤八:根据所述第二表观反射率参考真值、待定标卫星成像时刻定标区域各谱段的太阳辐照度值、太阳高度角、日地距离和灰度均值计算得到待定标卫星各谱段的在轨绝对辐射定标增益系数。
与已有的在轨交叉辐射定标方法相比,本发明具有以下有益效果:
本发明所提出的基于AERONET气溶胶数据的在轨交叉辐射定标方法,通过使用参考卫星的辐射观测值和AERONET气溶胶数据来实现对定标区域地表反射率的反演,该反演数据的反演精度主要由参考卫星的定标精度和大气辐射传输模型的反演算法精度组成,与同类地物反射率光谱相比具有更高的置信度;将AERONET气溶胶数据作为大气辐射传输模型的输入,与对模型中的大气参数进行缺省设置的方案相比,可得到精度更高的匹配因子;将通过匹配因子计算得到的各谱段第一表观反射率参考真值进行三次样条插值处理得到待定标卫星的表观反射率光谱参考真值,再结合待定标卫星各谱段的光谱响应函数,可实现在参考卫星传感器不具备相似宽谱段设置情况下对待定标卫星宽谱段的定标。本发明所提出的基于AERONET气溶胶数据的在轨交叉辐射定标方法,定标结果整体精度较高,同时,由于整个定标过程基于AERONET站点发布的气溶胶数据,不需要定标人员亲自前往定标区域进行地面同步测量,从而具有较低的定标成本。
具体实施方式
AERONET气溶胶观测网由全球500多个地基气溶胶观测站点组成,利用CIMEL自动太阳光度计作为基本观测仪器可实现每天不同时刻的大气参数的测量。其提供的气溶胶数据包含输入大气辐射传输模型所需的水汽含量、臭氧含量,同时可由其提供的440nm、870nm处的气溶胶光学厚度计算出550nm处的气溶胶光学厚度作为大气辐射传输模型的输入。因此,本发明通过对AERONET气溶胶数据进行合理的处理、使用,来实现对常规的在轨交叉辐射定标方法的定标精度的改善。下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
本发明所提出的一种基于AERONET气溶胶数据的在轨交叉辐射定标方法的流程图如图1所示,具体包括以下步骤:
步骤一:选取用于对待定标卫星进行在轨交叉辐射定标的定标区域。
本步骤根据各AERONET站点的经纬度,在参考卫星与待定标卫星中选择分辨率更低的传感器影像为对象来确定可使用的定标区域,统计在各幅传感器影像中距离各AERONET站点预设距离(例如20公里)以内且满足各谱段影像上3×3像元标准差除以均值小于阈值(例如1%)的非植被、非水体区域作为定标区域。
步骤二:针对步骤一中选取的可使用的定标区域,根据预设条件分别确定参考卫星和待定标卫星的交叉定标影像,用于后续的大气辐射传输模型反演计算以及第一模拟表观反射率、第二模拟表观反射率的计算等。
本步骤中的预设条件为:参考卫星与待定标卫星的观测天顶角均小于角度阈值(例如20度)、两卫星成像间隔小于时长阈值(例如2小时)、两卫星成像时刻前后时间阈值(例如20分钟)内存在AERONET有效测量数据的影像,即针对定标区域,寻找参考卫星与待定标卫星的观测天顶角均小于20度、两卫星成像间隔小于2小时、两卫星成像时刻前后20分钟内存在AERONET有效测量数据的影像作为交叉定标影像。
步骤三:寻找步骤二中确定的待定标卫星成像日期前后预设时间范围(例如7天)内的、对定标区域成像的参考卫星的各幅影像,并以各幅影像作为反射率反演影像,使用反射率反演影像及参考卫星的绝对定标系数计算定标区域的各谱段表观反射率,结合各幅影像各自成像时刻的AERONET气溶胶数据,使用大气辐射传输模型反演出定标区域的各景影像以及各谱段的地表反射率。
步骤四:将步骤三中反演得到的定标区域的各谱段多组地表反射率数据进行异常值剔除,即将各谱段中偏离相应地表反射率均值±5%的地表反射率值作为异常值剔除,多次迭代无异常值后,计算各谱段的地表反射率均值,并将各谱段的地表反射率均值按各谱段的中心波长进行三次样条插值,插值拟合后得到作为进行交叉定标的定标区域的地表反射率光谱ρ。三次样条插值(Cubic Spline Interpolation)简称Spline插值,是通过一系列形值点的一条光滑曲线,数学上通过求解三弯矩方程组得出曲线函数组的过程。本步骤中的地表反射率光谱ρ是以波长为横坐标、以地表反射率为纵坐标,将各谱段的地表反射率均值按照各谱段的中心波长进行三次样条插值拟合得到的。
步骤五:将步骤四中的地表反射率光谱ρ作为大气辐射传输模型的输入,同时将参考卫星的光谱响应函数(卫星固有特性)、步骤二中参考卫星交叉定标影像的观测几何参数以及参考卫星交叉定标影像的成像时刻的AERONET气溶胶数据输入该大气辐射传输模型,得到参考卫星各谱段的第一模拟表观反射率ρtoa1,model;与上述过程可并行执行的是,将步骤四中的地表反射率光谱ρ作为大气辐射传输模型的输入,同时将参考卫星的光谱响应函数、步骤二中待定标卫星交叉定标影像的观测几何参数以及待定标卫星交叉定标影像的成像时刻的AERONET气溶胶数据输入该大气辐射传输模型,得到假定参考卫星在与待定标卫星观测条件完全相同情况下的各谱段的第二模拟表观反射率ρtoa2,model(这里是假设把参考卫星放在待定标卫星的位置、时间进行成像时,求得对应的模拟表观反射率,所以输入大气辐射传输模型的是参考卫星的光谱响应函数和待定标卫星的观测几何参数)。
步骤六:将步骤五中得到的对应谱段的第二模拟表观反射率ρtoa2,model与第一模拟表观反射率ρtoa1,model相除,得到将参考卫星表观反射率由参考卫星观测条件下向待定标卫星观测条件下转换的匹配因子K;接下来,通过参考卫星定标区域的影像灰度值(该灰度值由交叉定标影像提取得到)和绝对定标系数计算出参考卫星中定标区域各谱段的表观反射率测量值ρtoa1,measure;最后,将对应谱段的匹配因子K与表观反射率测量值ρtoa1,measure相乘,计算得到参考卫星在待定标卫星观测条件下定标区域各谱段的第一表观反射率参考真值ρtoa1-2,measure,计算公式如公式(1)所示:
ρtoa1-2,measure=K×ρtoa1,measure (1)
步骤七:将步骤六中得到的参考卫星各谱段的第一表观反射率参考真值ρtoa1-2,measure按参考卫星各谱段的中心波长进行三次样条插值,插值拟合后得到待定标卫星的表观反射率光谱参考真值ρtoa2(λ);表观反射率光谱参考真值ρtoa2(λ)结合待定标卫星的光谱响应函数R(λ),计算得到待定标卫星各谱段的第二表观反射率参考真值ρtoa2,计算公式如公式(2)所示:
步骤八:步骤七得到的第二表观反射率参考真值ρtoa2再结合待定标卫星成像时刻定标区域各谱段的太阳辐照度值ES、太阳高度角θS、日地距离d和定标区域的灰度均值DN,通过公式(3)最终计算得到待定标卫星各谱段的在轨绝对辐射定标增益系数a,至此,完成了对待定标卫星的在轨交叉辐射定标。
在轨使用时,在轨绝对辐射定标增益系数a与灰度值的乘积即为传感器的表观辐亮度。
本发明所提出的基于AERONET气溶胶数据的在轨交叉辐射定标方法,通过使用参考卫星的辐射观测值和AERONET气溶胶数据来实现对定标区域地表反射率的反演,该反演数据的反演精度主要由参考卫星的定标精度和大气辐射传输模型的反演算法精度组成,与同类地物反射率光谱相比具有更高的置信度;将AERONET气溶胶数据作为大气辐射传输模型的输入,与对模型中的大气参数进行缺省设置的方案相比,可得到精度更高的匹配因子;将通过匹配因子计算得到的各谱段第一表观反射率参考真值进行三次样条插值处理得到待定标卫星的表观反射率光谱参考真值,再结合待定标卫星各谱段的光谱响应函数,可实现在参考卫星传感器不具备相似宽谱段设置情况下对待定标卫星宽谱段的定标。本发明所提出的基于AERONET气溶胶数据的在轨交叉辐射定标方法,定标结果整体精度较高,同时,由于整个定标过程基于AERONET站点发布的气溶胶数据,不需要定标人员亲自前往定标区域进行地面同步测量,从而具有较低的定标成本。
为更好地说明本发明涉及的一种基于AERONET气溶胶数据的在轨交叉辐射定标方法,下面使用该方法以FY-3D卫星为参考卫星对吉林一号光谱01卫星(以下简称光谱01卫星)进行了在轨交叉定标,并采用6SV大气辐射传输模型,并以此为例说明具体的实施过程:
步骤一:根据各AERONET站点的经纬度,在FY-3D卫星MERSI-2传感器的影像中(FY-3D卫星与光谱01卫星相比,FY-3D卫星的传感器分辨率更低,因此选择FY-3D卫星的传感器影像为对象来确定可使用的定标区域),统计在各幅传感器影像中距离各AERONET站点20公里以内且满足各谱段影像上3×3像元标准差除以均值小于1%的非植被、非水体区域作为可使用的定标区域。经筛选,Mezaira气溶胶观测站点(即Mezaira站点)附近以纬度23.25°、经度53.65°为中心的3公里×3公里区域满足作为定标区域的条件,该中心即为定标区域中心,Mezaira气溶胶观测站点及定标区域在光谱01卫星上的影像如图2所示,然后执行步骤二;
步骤二:针对步骤一中选取的定标区域,寻找FY-3D卫星与光谱01卫星的观测天顶角均小于20度、两卫星成像间隔小于2小时、对应的AERONET站点气溶胶数据中在两卫星成像时刻前后20分钟内存在有效测量数据的影像作为交叉定标影像,选取的数据为FY-3D卫星于2020年10月9日北京时间17点35分成像的影像,以及光谱01卫星于2020年10月9日北京时间16点28分成像的影像,然后执行步骤三;
步骤三:寻找步骤二中确定的光谱01卫星成像日期前后7天时间范围内的、对定标区域成像的FY-3D卫星的各幅影像作为反射率反演影像,使用反射率反演影像及FY-3D卫星的绝对定标系数计算定标区域的各谱段表观反射率,结合各幅影像各自成像时刻的AERONET气溶胶数据,使用6SV大气辐射传输模型反演出定标区域的各景影像以及各谱段的地表反射率,然后执行步骤四;
步骤四:将步骤三中反演得到的定标区域的各谱段多组地表反射率数据进行异常值剔除,即将各谱段中偏离相应地表反射率均值±5%的地表反射率值作为异常值剔除,多次迭代无异常值后,计算各谱段的地表反射率均值,并将各谱段的地表反射率均值按各谱段的中心波长进行三次样条插值,插值拟合后得到作为进行交叉定标的地表反射率光谱ρ,地表反射率光谱图如图3所示,然后执行步骤五;
步骤五:将步骤四中的地表反射率光谱ρ作为6SV大气辐射传输模型的输入,同时将FY-3D卫星的光谱响应函数、步骤二中FY-3D卫星交叉定标影像的观测几何参数以及FY-3D卫星交叉定标影像的成像时刻的AERONET气溶胶数据输入该6SV大气辐射传输模型,得到FY-3D卫星各谱段的第一模拟表观反射率ρtoa1,model;与上述过程可并行执行的是,将步骤四中的地表反射率光谱ρ作为6SV大气辐射传输模型的输入,同时将FY-3D卫星的光谱响应函数、步骤二中光谱01卫星交叉定标影像的观测几何参数以及光谱01卫星交叉定标影像的成像时刻的AERONET气溶胶数据输入该6SV大气辐射传输模型,得到假定FY-3D卫星在与光谱01卫星观测条件完全相同情况下的各谱段的第二模拟表观反射率ρtoa2,model,然后执行步骤六;
步骤六:将步骤五中得到的对应谱段的第二模拟表观反射率ρtoa2,model与第一模拟表观反射率ρtoa1,model相除,得到将FY-3D卫星表观反射率由FY-3D卫星交叉定标影像观测条件下向光谱01卫星交叉定标影像观测条件下转换的匹配因子K;使用FY-3D卫星影像灰度值和绝对定标系数计算出FY-3D卫星影像中定标区域各谱段的表观反射率测量值ρtoa1,measure;最后,将对应谱段的匹配因子K与表观反射率测量值ρtoa1,measure相乘,计算得到FY-3D卫星在光谱01卫星观测条件下定标区域各谱段的第一表观反射率参考真值ρtoa1-2,measure,计算公式如公式(1)所示,完成后执行步骤七;
步骤七:将步骤六中得到的FY-3D卫星各谱段的第一表观反射率参考真值ρtoa1-2,measure按FY-3D卫星各谱段的中心波长进行三次样条插值,插值拟合后得到光谱01卫星的表观反射率光谱参考真值ρtoa2(λ);表观反射率光谱参考真值ρtoa2(λ)结合光谱01卫星的光谱响应函数R(λ),计算得到光谱01卫星各谱段的第二表观反射率参考真值ρtoa2,计算公式如公式(2)所示,完成后执行步骤八;
步骤八:步骤七得到的第二表观反射率参考真值ρtoa2再结合光谱01卫星成像时刻定标区域各谱段的太阳辐照度值ES、太阳高度角θS、日地距离d和定标区域的灰度均值DN,通过公式(3)最终计算得到光谱01卫星各谱段的在轨绝对辐射定标增益系数a,至此,完成了对光谱01卫星的在轨交叉辐射定标。
针对吉林一号光谱01卫星,定标人员于2020年9月17日在敦煌场地进行了场地绝对辐射定标实验,为了验证本发明的在轨交叉辐射定标方法的定标精度,通过使用本发明得到的在轨绝对辐射定标增益系数计算得到的天顶辐亮度与场地定标实验计算得到的天顶辐亮度进行对比,结果如图4所示,图中圆圈代表各个波段下场地定标辐亮度结果,三角形代表各个波段下本发明的交叉定标辐亮度结果。由于参考卫星与待定标卫星的谱段匹配程度会影响定标精度,因此这里只统计分析两卫星中心波长差小于20nm的窄通道(有效带宽小于100nm)以及全色谱的定标结果。共有14个窄通道的定标结果被统计,与场地定标结果相比,14个窄通道的平均定标误差为4.5%,其中有9个通道的定标误差小于4%,4个通道的定标误差小于2%,受反演反射率光谱插值计算过程引入的误差影响,有2个谱段定标误差大于10%,剔除后其余谱段平均定标误差为2.8%。另外的1个全色谱段,与场地定标结果相比的定标误差为2.2%。综上所述,本发明所提出的基于AERONET气溶胶数据的在轨交叉辐射定标方法,定标结果整体精度较高。
通过本发明所提供的一种基于AERONET气溶胶数据的在轨交叉辐射定标方法,可在一定程度上解决常规交叉定标方法中缺少卫星成像时刻的同步大气数据、地表反射率数据而造成定标精度较低的问题。若以定标精度较高的场地定标结果作为定标精度对比验证对象,则通过使用FY-3D卫星对吉林一号光谱01卫星进行交叉定标的试验实例表明,本发明的定标方法可实现多数通道4%以内的定标误差,个别通道的定标误差甚至低于2%,所有参考卫星存在相似谱段设置的通道的平均定标误差为4.5%。另外针对FY-3D卫星缺少相似谱段设置的全色通道,仍可实现不超过2.2%的定标误差。由于整个定标过程基于AERONET站点发布的气溶胶数据,不需要定标人员亲自前往定标区域进行地面同步测量,从而具有较低的定标成本。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。