CN115950538A - 一种基于水陆表协同观测的场地定标系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于水陆表协同观测的场地定标系统和方法，该系统包括外场试验决策模块、水陆表红外辐射特性数据获取与处理模块、水陆表发射率数据获取与处理模块、AOD数据获取与处理模块、大气廓线数据获取与处理模块、场内气象数据获取与处理模块、导航定位数据获取与处理模块、遥感数据获取与处理模块、辐射传输计算模块、定标系数计算模块和试验报告生成模块。本发明方法在精确测量戈壁表面发射率的基础上，结合高原湖泊表面测量，进行在轨绝对辐射定标，拓展了辐射定标的动态范围，将多目标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，将有效的提高在轨场地绝对辐射定标的精度，促进卫星红外遥感数据的定量化应用。

Description

一种基于水陆表协同观测的场地定标系统和方法

技术领域

本发明涉及卫星红外遥感传感器绝对辐射定标技术领域，特别涉及一种基于水陆表协同观测的场地定标系统和方法。

背景技术

遥感传感器的绝对辐射定标是仪器计数值与其所反映的地表真实参数之间的桥梁，是遥感信息定量化的开端，又是遥感定量反演地表生物物理参数和建立遥感模型的基础。从技术手段上来分类，卫星红外传感器辐射定标包括发射前实验室定标、星上黑体定标和在轨外定标。典型的发射前定标是用可控温的均匀黑体源置于传感器的入瞳。这个黑体源的温度连续可调，并且能覆盖传感器的动态范围。使用黑体的实验室定标一般在模拟深冷空间环境下进行。星上黑体定标的典型装置是利用两个黑体源进行定标，对于摆扫式热红外传感器在每条扫描线的非线性区域，分别把两个不同温度黑体源的发射辐亮度引至焦面上，以监测探测器和电子线路响应率的变化。这种定标既是一种相对定标，用以纠正不同探元和扫描线之间的响应不一致性；又是热红外波段传感器绝对辐射定标的主要手段。卫星发射后在轨外定标的一种典型方法是，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；另一种方法是，利用一台定标好的辐射计与卫星传感器在同一时间和相似的几何条件下进行测量，然后对星载传感器测得的辐射亮度进行辐射计所处高度之上的大气订正。上述卫星遥感器定标的三个工作环节是相互联系、相互补充的，发射前的实验室定标主要确定传感器的线性度，建立传感器的输出与被探测的物理量之间的关系；星上黑体定标可以确定或监测遥感器相对于发射前的定标所发生的变化情况，红外波段遥感器星上黑体定标系统还可以提供卫星运行期间的在轨绝对辐射定标；卫星发射之后，由于工作环境、状态发生变化，长期运行元器件老化，都可能使发射前的定标系数改变，因此需要进行在轨外定标，以确保遥感数据应用的可靠性与准确度。

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、三个外场试验测量区(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。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。如果对定标结果向辐射响应的高端进行线性外推，则无法保证定标的精度要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述不足，提供一种可广泛应用于各类对地观测遥感卫星红外通道的在轨辐射定标的基于水陆表协同观测的场地定标系统和方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于水陆表协同观测的场地定标系统，该场地定标系统包括：

外场试验决策模块，用于实现提出外场试验需求分析报告，编制外场试验方案，实现水陆表协同观测；

水陆表红外辐射特性数据获取与处理模块，用于实现获取水表和陆表红外辐射特性测量数据，生成水陆表红外辐射特性的分析报告、观测报告和数据处理报告；

水陆表发射率数据获取与处理模块，用于实现获取陆表红外发射率测量数据，生成水陆表发射率的分析报告、观测报告和数据处理报告；

AOD数据获取与处理模块，用于实现获取大气AOD测量数据，生成AOD的分析报告、观测报告和数据处理报告；

大气廓线数据获取与处理模块，用于实现获取大气廓线测量数据，生成大气廓线的分析报告、观测报告和数据处理报告；

场内气象数据获取与处理模块，用于实现获取定标场区内常规气象观测数据，生成场内气象数据的分析报告、观测报告和数据处理报告；

导航定位数据获取与处理模块，用于实现获取同步观测点位的导航定位数据，生成导航定位的分析报告、观测报告和数据处理报告；

遥感数据获取与处理模块，用于实现对遥感数据的下载、获取与处理；

辐射传输计算模块，用于构建大气辐射传输计算模型，实现外场试验的辐射传输计算；

定标系数计算模块，用于建立方向性修正的表观辐射量与载荷观测计数值间的映射模型，生成定标系数与定标查找表，开展定标真实性检验；和

试验报告生成模块，用于对上述各模块的输出数据与文档进行汇总与再加工，生成外场试验定标报告。

进一步的，所述的一种基于水陆表协同观测的场地定标系统，所述外场试验决策模块包括：

外场试验需求分析模块，用于综合分析载荷基础数据和在轨性能信息，提出所述外场试验需求分析报告；

外场试验方案设计模块，用于按照外场辐射定标测量规范编写所述外场试验方案；和

协同观测决策模块，用于通过收集临近气象预报和卫星云图信息，在所述外场试验方案基础上制订当天具体观测计划；根据卫星的轨道根数信息，计算卫星过境多个水陆面目标的时间，并制定多目标观测场地的协同观测计划，实现水陆表协同观测。

进一步的，所述的一种基于水陆表协同观测的场地定标系统，所述水陆表红外辐射特性数据获取与处理模块包括：

水陆表红外辐射特性测量仪器标定模块，用于在外场试验前后对观测用红外光谱仪、通道式红外辐射计、测温仪/枪进行标定，获得仪器的标定系数，并对前后两次标定结果进行比对，生成水陆表红外辐射特性测量标定分析报告；

水陆表红外辐射特性数据获取模块，用于在外场试验期间根据外场试验方案与观测计划执行观测任务，收集观测数据，生成水陆表红外辐射特性观测报告；和

水陆表红外辐射特性数据处理与检验模块，用于结合测量仪器标定系数、导航定位数据、场内气象数据，对水陆表红外辐射特性观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的水陆表出射辐射量，生成水陆表红外辐射特性数据处理报告。

进一步的，所述的一种基于水陆表协同观测的场地定标系统，所述水陆表发射率数据获取与处理模块包括：

水陆表发射率测量系统标定模块，用于在外场试验前后对观测用发射率测量系统进行标定，生成发射率测量系统标定系数，对前后两次标定结果进行比对，生成水陆表发射率测量标定分析报告；

发射率数据获取模块，用于在外场试验期间根据外场试验方案与观测计划在水陆表观测区域执行观测任务，收集观测数据，生成水陆表发射率观测报告；和

发射率数据处理与检验模块，用于结合发射率测量系统标定数据、导航定位数据、场内气象数据，对发射率观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的水陆表发射率参数，生成水陆表发射率数据处理报告。

进一步的，所述的一种基于水陆表协同观测的场地定标系统，所述AOD数据获取与处理模块包括：

AOD测量仪器标定模块，用于在外场试验前后对观测用太阳光度计进行标定，生成太阳光度计标定系数，对前后两次标定结果进行比对，生成AOD测量标定分析报告；

AOD数据获取模块，用于在外场试验期间根据外场试验方案与观测计划执行观测任务，收集观测数据，生成AOD观测报告；和

AOD数据处理与检验模块，用于结合AOD测量仪器标定数据、导航定位数据、场内气象数据，对观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的AOD参数，生成AOD数据处理报告。

进一步的，所述的一种基于水陆表协同观测的场地定标系统，所述大气廓线数据获取与处理模块包括：

大气廓线测量设备标定模块，用于在外场试验前后对观测用探空仪进行标定，生成探空仪标定系数，对前后两次标定结果进行比对，生成大气廓线测量标定分析报告；

大气廓线数据获取模块，用于在外场试验期间根据外场试验方案与协同观测计划执行观测任务，收集大气廓线观测数据，生成大气廓线观测报告；和

大气廓线数据处理与检验模块，用于结合大气廓线测量设备标定数据、导航定位数据、场内气象数据，对观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的大气廓线和水汽总量数据，生成大气廓线数据处理报告。

进一步的，所述的一种基于水陆表协同观测的场地定标系统，所述场内气象数据获取与处理模块包括：

场内气象参数测量设备标定模块，用于在外场试验前后对场内气象站进行标定，生成各气象要素测量设备标定系数，对前后两次标定结果进行比对，生成场内气象参数测量标定分析报告；

场内气象数据获取模块，用于在外场试验期间根据外场试验方案与观测计划执行观测任务，收集观测数据，生成场内气象观测报告；和

场内气象数据处理与检验模块，用于结合各气象要素测量设备标定数据、导航定位数据，对观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的各气象要素测量数据，并提供前述各模块数据处理与检验使用，生成数据处理报告。

进一步的，所述的一种基于水陆表协同观测的场地定标系统，所述导航定位数据获取与处理模块包括：

导航定位校准模块，用于在外场试验前后对观测用GNSS仪器进行校准，生成GNSS校准数据，对前后两次校准结果进行比对，生成导航定位校准分析报告；

导航定位数据获取模块，用于在外场试验期间根据外场试验方案与观测计划执行观测任务，收集观测数据，生成导航定位观测报告；和

导航定位数据处理与检验模块，用于结合GNSS仪器校准数据对观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的导航定位数据，并提供前述各模块数据处理与检验使用，生成导航定位数据处理报告。

一种基于上述任一项所述的场地定标系统的场地定标方法，该场地定标方法包括以下步骤：

(1)根据卫星轨道报数据，计算卫星过境水陆表多场地的时间，分别在各场区开展星地同步外场协同观测试验，获取卫星过境时刻多场地目标的水陆表红外辐射特性数据、水陆表发射率数据和大气廓线观测数据；

(2)基于红外辐射定标基本原理，开展水陆表协同处理的在轨场地辐射定标，获取绝对辐射定标系数；

卫星所在高度观测到的来自地面目标方向的地球热红外辐射亮度为：

L_T(λ)＝τ_a(λ)·L₁(λ)+L₂(λ)，

其中，L₁(λ)为水陆表面的离表总辐射，L₁(λ)＝ε(λ)L_gobi(λ)+(1-ε(λ))·L₂(λ)，ε(λ)为水面和陆面的发射率，L_gobi(λ)为水陆表面向上的热辐射；τ_a(λ)为整层大气透过率，L₂(λ)代表大气的热辐射亮度；

卫星传感器通道的等效辐射亮度为：

L_eq＝∫_λL_T(λ)S(λ)dλ，

其中，S(λ)为归一化卫星通道的光谱响应函数，Δλ代表卫星传感器的光谱响应范围，dλ为对波长的积分；

通过多目标协同观测计算卫星通道的定标公式：

L_eq＝a_i*f(DN)+b，计算定标系数a_i和b，

其中，f(DN)为多目标协同观测数据确定的定标函数，DN为卫星传感器的计数值，a_i为定标公式的斜率，i为根据定标函数确定的参数个数，b为定标公式的截距。

进一步的，所述的场地定标方法，该场地定标方法还包括生成定标查找表；

(1)根据卫星数据量化等级，获取卫星传感器的计数值DN的范围；

(2)根据定标公式的斜率和截距，计算每个卫星传感器的计数值对应的等效辐射亮度L_eq；

(3)根据PLANK函数计算每一个L_eq对应的亮度温度T_b，建立DN到T_b的查找表。

本发明的优点与效果是：

1.本发明提出一种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的系统和方法。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，将有效的提高在轨场地绝对辐射定标的精度，促进卫星红外遥感数据的定量化应用。

2.本发明提供的定标查找表可以方便用户将整幅卫星图像由DN值直接转换到对应亮度温度T_b。有效的节省了转换时间，降低了数据处理难度，方便用户使用。

附图说明

图1示出本发明提供的场地定标系统的示意图；

图2示出本发明提供的探空温度廓线示意图；

图3示出本发明提供的探空湿度廓线示意图；

图4示出本发明提供的场地定标系统的存储和计算资源布局结构示意图；

图5示出本发明提供的场地定标方法的示例中等效辐射亮度与DN之间的关系示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：

基于中国遥感卫星辐射校正场已有的仪器设备，采用水陆表协同观测的卫星红外遥感器在轨场地定标方法开展针对FY-3/4有效载荷红外通道的场地辐射定标。包括：青海湖浮标、纳木错浮标、敦煌自动地温测量系统、探空系统，以及每年的业务化场地野外观测试验，进行场地绝对辐射定标。辐射校正场开展发射波段替代定标外场试验是卫星在轨期间，择机开展外场综合观测试验，获取地表发射辐射、气溶胶光学厚度、地表发射率、大气温湿压廓线等特性参数的辐射校正场观测数据。观测数据经定标处理与质量检验后，生成模式输入文件。通过MODTRAN辐射传输模式获取大气层顶表观辐亮度。与载荷计数值间建立映射关系，生成定标系数，计算定标查找表，开展定标结果真实性检验，并输出定标报告。

如图1所示，本发明提供的基于水陆表协同观测的场地定标系统包括外场试验决策模块、水陆表红外辐射特性数据获取与处理模块、水陆表发射率数据获取与处理模块、AOD数据获取与处理模块、大气廓线数据获取与处理模块、场内气象数据获取与处理模块、导航定位数据获取与处理模块、遥感数据获取与处理模块、辐射传输计算模块、定标系数计算模块和试验报告生成模块模块。

外场试验决策模块用于实现提出外场试验需求分析报告，编制外场试验方案，实现水陆表协同观测。外场试验决策模块包括外场试验需求分析模块、外场试验方案设计模块和协同观测决策模块。外场试验需求分析模块用于综合分析载荷基础数据和在轨性能信息，提出所述外场试验需求分析报告。外场试验方案设计模块，用于按照外场辐射定标测量规范编写所述外场试验方案。协同观测决策模块用于通过收集临近气象预报和卫星云图信息，在所述外场试验方案基础上制订当天具体观测计划；根据卫星的轨道根数信息(包括两行报或六行报)，计算卫星过境多个水陆面目标的时间，并制定多目标观测场地的协同观测计划，实现水陆表协同观测。

轨道根数(或称轨道要素或轨道参数)是描述在牛顿运动定律和牛顿万有引力定律的作用下的天体或航天器，在其开普勒轨道上运动时，确定其轨道所必要的六个参数。由于运动的方式有许多种的参数表示法，依照选定的测量装置不同，对相同的轨道，有几种不同的方式来定义轨道根数。

轨道半长轴：椭圆轨道长轴的一半，有时可视作平均轨道半径。

轨道离心率：为椭圆扁平程度的一种量度，定义是椭圆两焦点间的距离与长轴长度的比值。

轨道倾角：行星轨道面对黄道面的倾角；在升交点处从黄道面逆时针方向量到行星轨道面的角度。

升交点赤经：行星轨道升交点的黄道经度。

近日点幅角：从升交点沿行星运动轨道逆时针量到近日点的角度。

平近点角：行星对应于过近地点时刻时卫星的平近点角。

水陆表红外辐射特性数据获取与处理模块用于实现获取水表和陆表红外辐射特性测量数据，生成水陆表红外辐射特性的分析报告、观测报告和数据处理报告。水陆表红外辐射特性数据获取与处理模块包括水陆表红外辐射特性测量仪器标定模块、水陆表红外辐射特性数据获取模块和水陆表红外辐射特性数据处理与检验模块。水陆表红外辐射特性测量仪器标定模块用于在外场试验前后对观测用红外光谱仪、通道式红外辐射计、测温仪/枪进行标定，获得仪器的标定系数，并对前后两次标定结果进行比对，生成水陆表红外辐射特性测量标定分析报告。水陆表红外辐射特性数据获取模块用于在外场试验期间根据外场试验方案与观测计划执行观测任务，收集观测数据，生成水陆表红外辐射特性观测报告。水陆表红外辐射特性数据处理与检验模块，用于结合测量仪器标定系数、导航定位数据、场内气象数据，对水陆表红外辐射特性观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的水陆表出射辐射量，生成水陆表红外辐射特性数据处理报告。

水陆表发射率数据获取与处理模块用于实现获取陆表红外发射率测量数据，生成水陆表发射率的分析报告、观测报告和数据处理报告。水陆表发射率数据获取与处理模块包括水陆表发射率测量系统标定模块、发射率数据获取模块和发射率数据处理与检验模块。水陆表发射率测量系统标定模块用于在外场试验前后对观测用发射率测量系统进行标定，生成发射率测量系统标定系数，对前后两次标定结果进行比对，生成水陆表发射率测量标定分析报告。发射率数据获取模块用于在外场试验期间根据外场试验方案与观测计划在水陆表观测区域执行观测任务，收集观测数据，生成水陆表发射率观测报告。发射率数据处理与检验模块用于结合发射率测量系统标定数据、导航定位数据、场内气象数据，对发射率观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的水陆表发射率参数，生成水陆表发射率数据处理报告。

物体发射率(又称比辐射率)的定义为：该物体的出射度与同温度的黑体出射度之比：

其中，M_b(λ，T)是黑体出射度。人们借助发射率的概念对大量存在的非黑体目标的热辐射特性进行研究，他表征了实际物体的热辐射与理论黑体热辐射的接近程度，其值介于0～1之间。由基尔霍夫定律可知在一定的温度、方向、地表粗糙度、地表成分、土壤含水量、植被等条件下，地物的发射率等于吸收率。地物的发射率不但与地物的成分有关，而且与地物的结构和物理状态(如地表粗糙度、土壤含水量、植被生长状况)等因素有关。

AOD数据获取与处理模块用于实现获取大气AOD(大气光学厚度)测量数据，生成AOD的分析报告、观测报告和数据处理报告。AOD数据获取与处理模块包括AOD测量仪器标定模块、AOD数据获取模块和AOD数据处理与检验模块。AOD测量仪器标定模块用于在外场试验前后对观测用太阳光度计进行标定，生成太阳光度计标定系数，对前后两次标定结果进行比对，生成AOD测量标定分析报告。AOD数据获取模块用于在外场试验期间根据外场试验方案与观测计划执行观测任务，收集观测数据，生成AOD观测报告。AOD数据处理与检验模块用于结合AOD测量仪器标定数据、导航定位数据、场内气象数据，对观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的AOD参数，生成AOD数据处理报告。

大气廓线数据获取与处理模块用于实现获取大气廓线测量数据，生成大气廓线的分析报告、观测报告和数据处理报告。大气廓线数据获取与处理模块包括大气廓线测量设备标定模块、大气廓线数据获取模块和大气廓线数据处理与检验模块。大气廓线测量设备标定模块用于在外场试验前后对观测用探空仪进行标定，生成探空仪标定系数，对前后两次标定结果进行比对，生成大气廓线测量标定分析报告。大气廓线数据获取模块用于在外场试验期间根据外场试验方案与协同观测计划执行观测任务，收集大气廓线观测数据，生成大气廓线观测报告。大气廓线数据处理与检验模块用于结合大气廓线测量设备标定数据、导航定位数据、场内气象数据，对观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的大气廓线和水汽总量数据，生成大气廓线数据处理报告。

针对每次场地同步观测试验，在卫星过境前进行探空测量，同时在场地利用手持气象站进行地面温、压、湿、风的测量，探空廓线如图2、图3所示。

场内气象数据获取与处理模块用于实现获取定标场区内常规气象观测数据，生成场内气象数据的分析报告、观测报告和数据处理报告。场内气象数据获取与处理模块包括场内气象参数测量设备标定模块、场内气象数据获取模块和场内气象数据处理与检验模块。场内气象参数测量设备标定模块用于在外场试验前后对场内气象站进行标定，生成各气象要素测量设备标定系数，对前后两次标定结果进行比对，生成场内气象参数测量标定分析报告。场内气象数据获取模块用于在外场试验期间根据外场试验方案与观测计划执行观测任务，收集观测数据，生成场内气象观测报告。场内气象数据处理与检验模块用于结合各气象要素测量设备标定数据、导航定位数据，对观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的各气象要素测量数据，并提供前述各模块数据处理与检验使用，生成数据处理报告。

导航定位数据获取与处理模块用于实现获取同步观测点位的导航定位数据，生成导航定位的分析报告、观测报告和数据处理报告。导航定位数据获取与处理模块包括导航定位校准模块、导航定位数据获取模块和导航定位数据处理与检验模块。导航定位校准模块用于在外场试验前后对观测用GNSS仪器进行校准，生成GNSS校准数据，对前后两次校准结果进行比对，生成导航定位校准分析报告。导航定位数据获取模块用于在外场试验期间根据外场试验方案与观测计划执行观测任务，收集观测数据，生成导航定位观测报告。导航定位数据处理与检验模块用于结合GNSS仪器校准数据对观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的导航定位数据，并提供前述各模块数据处理与检验使用，生成导航定位数据处理报告。

遥感数据获取与处理模块用于实现对遥感数据的下载、获取与处理。具体的是，遥感数据的下载实现风云三/四号卫星L1产品及其它所需遥感产品固定时段的下载功能。遥感数据的获取实现针对场地观测区域相关数据(观测计数值、观测时间、观测角度等)的读取功能及载荷基础信息(响应函数等)的获取功能。遥感数据的处理实现云检测、质量控制、异常点剔除、统计计算、投影图生成等功能。

辐射传输计算模块用于构建大气辐射传输计算模型，实现外场试验的辐射传输计算。具体的是，辐射传输计算模块基于现有模式，通过模块优化组合、参数接口配置等，构建精度高、接口方便、适用于卫星辐射传输计算的模型软件。基于该高精度优化模型，以外场试验获取数据作为输入，开展外场试验的辐射传输计算。

定标系数计算模块用于依据载荷AD对应关系，建立方向性修正的表观辐射量与载荷观测计数值间的映射模型，生成定标系数与定标查找表，开展定标真实性检验。

试验报告生成模块用于对上述各模块的输出数据与文档进行汇总与再加工，生成外场试验定标报告。

本发明提供的基于水陆表协同观测的场地定标系统的存储资源需求：

该系统的存储主要用于年度场地试验和自动观测场地替代定标数据的存储、入库管理。风云卫星和其他替代定标系统所需的基准传感器和辅助数据分别来源于业务存档系统和定标真实性检验分系统。该分系统存储需要满足3个月至半年的数据量存储空间以便进行替代定标计算，其余时间段数据不在该系统保存。

如图4所示，本发明提供的基于水陆表协同观测的场地定标系统的计算资源需求：

该系统包含4个独立子系统，其中基于外场试验的场地定标每年按需要进行，不实时进行。其它3个替代定标子系统均准实时进行。按照功能划分：

(1)一台计算机实现外场数据(包括年度和自动化)的自动传输、入库和调度管理。对于年度试验和自动化试验分别需要3台野外电脑。

(2)一台计算机实现与分系统与其他系统数据交换。

(3)以辐射模式为基础的替代定标方法计算需要一台高性能计算机。

(4)以基准传感器为基础的替代定标方法需要一台计算机。

(5)运行监控需要一台显示终端。

基于上述场地定标系统的场地定标方法包括以下步骤：

(1)根据卫星轨道报数据，计算卫星过境水陆表多场地(包括敦煌戈壁、沙漠、草原、南海洋面和青海湖场区等多目标)的时间，分别在各场区开展星地同步外场协同观测试验，获取卫星过境时刻多场地目标的水陆表红外辐射特性数据、水陆表发射率数据和大气廓线观测数据。具体的是，获取卫星过境时刻青海湖、南海洋面等目标的水表红外辐射特性数据和大气观测数据，敦煌戈壁、沙漠、草原等目标的陆表红外辐射特性数据和大气观测数据。

(2)利用实测的各目标水陆表发射率，基于红外辐射定标基本原理，开展水陆表协同处理的在轨场地辐射定标，获取绝对辐射定标系数。

卫星所在高度观测到的来自地面目标方向的地球热红外辐射亮度为：

L_T(λ)＝τ_a(λ)·L₁(λ)+L₂(λ)，

其中，L₁(λ)为水陆表面的离表总辐射，由102F光谱仪和CE312测得，L₁(λ)＝ε(λ)L_gobi(λ)+(1-ε(λ))·L₂(λ)；ε(λ)为水面和陆面的发射率，由野外实际测量获得；L_gobi(λ)为水陆表面向上的热辐射；τ_a(λ)为整层大气透过率，由MODTRAN模式计算出；L₂(λ)代表大气的热辐射亮度。

卫星传感器通道的等效辐射亮度为：

L_eq＝∫_λL_T(λ)S(λ)dλ，

其中，S(λ)为归一化卫星通道的光谱响应函数，Δλ代表卫星传感器的光谱响应范围，dλ为对波长的积分。

通过多目标协同观测计算卫星通道的定标公式为：

L_eq＝a_i*f(DN)+b，

其中，f(DN)为多目标协同观测数据确定的定标函数，根据探测器响应情况包括线性、分段线性和非线性(包括二次、高次、指数、幂等)等形式；DN为卫星传感器的计数值，a_i为定标公式的斜率，i为根据定标函数确定的参数个数，b为定标公式的截距。斜率和截距是由卫星探测敦煌戈壁、沙漠、草原、南海洋面和青海湖场区等多目标和外空间所获得的结果拟合得到的，假设外空间的辐射温度为4K，如图5所示。上式通过多目标获取多组L_eq和DN，通过线性拟合计算定标系数a_i和b。

通过线性、分段线性和非线性的函数关系来精确模拟卫星载荷红外探测器的辐射定标关系，可以极大的提高定标精度和稳定性，同时基于宽动态范围的地表水陆面目标协同观测方法来获取定标数据，可以满足卫星红外遥感器宽动态高精度稳定观测的需求，促进红外遥感数据的定量化应用。

(3)生成定标查找表；

①根据卫星数据量化等级n，获取卫星传感器的计数值DN的范围，DN为0～(2ⁿ-1)。

②根据定标公式的斜率和截距，根据上述定标公式，计算每个卫星传感器的计数值对应的等效辐射亮度L_eq。

③根据PLANK函数计算每一个L_eq对应的亮度温度T_b，建立DN到T_b的查找表，将该查找提供给用户使用。

红外辐射定标基本原理：

在8～14μm的红外光谱范围内，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。主要包括三部分：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，它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：

式(1)中，L_TOA(λ)为传感器入瞳处接收到的光谱辐亮度；L_BB(λ,T_s)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；

分别为大气上行和下行辐射，可由MODTRAN模式计算出；ε(λ)L_BB(λ,T_s)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下式计算获得：

其中，f(λ)为归一化的卫星通道光谱响应函数，λ₁，λ₂代表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：

L_eqi＝G_i·DN_i+I_i，

其中，DN_i为卫星的通道计数值，G_i为卫星通道i的定标斜率，I_i为截距。要得到定标系数G_i和I_i，必须有至少两组L_eqi和DN_i。

中国遥感卫星辐射校正场——青海湖场区：

中国遥感卫星辐射校正场——青海湖场区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4473km²，环湖周长360km。湖面东西长约109km，南北宽约65km，呈椭圆形。湖水平均约深19m，最深处达32.8m，蓄水量达105Gm³，湖面海拔3196m。水面温度水平梯度小于0.12K，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＇N-36°45＇N，100°22＇E-100°30＇E。试验区水表温度空间分布均匀，变化≤1K。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。测区中心经纬度为36°43'N 100°26'E，海拔3196m。该场区主要用于红外通道的场地绝对辐射定标。

中国遥感卫星辐射校正场——敦煌场区：

中国遥感卫星辐射校正场——敦煌场区位于我国甘肃省西端敦煌市以西15km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50km，宽60km。扇体南高北低，党河河口标高约为1400m，至北部盐碱沼泽地带降为1060m，扇体坡降约为340m。场区位于扇体中部，南部标高1300m左右，北部标高1140m，坡降为160m。校正场区处于地球中纬度(北纬35°～45°之间)干旱气候带内，西部邻近我国最大沙漠区——塔克拉玛干大沙漠，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30mm，年蒸发量2200～2400mm，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。测量区域中心经纬度为40°8'15.00"N 94°19'15.00"E，海拔：1085m。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。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，并非用来限定本发明的实施范围。但凡在本发明的保护范围内所做的等效变化及修饰，皆应认为落入了本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于水陆表协同观测的场地定标系统，其特征在于，该场地定标系统包括：

外场试验决策模块，用于实现提出外场试验需求分析报告，编制外场试验方案，实现水陆表协同观测；

水陆表红外辐射特性数据获取与处理模块，用于实现获取水表和陆表红外辐射特性测量数据，生成水陆表红外辐射特性的分析报告、观测报告和数据处理报告；

水陆表发射率数据获取与处理模块，用于实现获取陆表红外发射率测量数据，生成水陆表发射率的分析报告、观测报告和数据处理报告；

AOD数据获取与处理模块，用于实现获取大气AOD测量数据，生成AOD的分析报告、观测报告和数据处理报告；

大气廓线数据获取与处理模块，用于实现获取大气廓线测量数据，生成大气廓线的分析报告、观测报告和数据处理报告；

场内气象数据获取与处理模块，用于实现获取定标场区内常规气象观测数据，生成场内气象数据的分析报告、观测报告和数据处理报告；

导航定位数据获取与处理模块，用于实现获取同步观测点位的导航定位数据，生成导航定位的分析报告、观测报告和数据处理报告；

遥感数据获取与处理模块，用于实现对遥感数据的下载、获取与处理；

辐射传输计算模块，用于构建大气辐射传输计算模型，实现外场试验的辐射传输计算；

定标系数计算模块，用于建立方向性修正的表观辐射量与载荷观测计数值间的映射模型，生成定标系数与定标查找表，开展定标真实性检验；和

试验报告生成模块，用于对上述各模块的输出数据与文档进行汇总与再加工，生成外场试验定标报告。

2.根据权利要求1所述的一种基于水陆表协同观测的场地定标系统，其特征在于，所述外场试验决策模块包括：

外场试验需求分析模块，用于综合分析载荷基础数据和在轨性能信息，提出所述外场试验需求分析报告；

外场试验方案设计模块，用于按照外场辐射定标测量规范编写所述外场试验方案；和

协同观测决策模块，用于通过收集临近气象预报和卫星云图信息，在所述外场试验方案基础上制订当天具体观测计划；根据卫星的轨道根数信息，计算卫星过境多个水陆面目标的时间，并制定多目标观测场地的协同观测计划，实现水陆表协同观测。

3.根据权利要求1所述的一种基于水陆表协同观测的场地定标系统，其特征在于，所述水陆表红外辐射特性数据获取与处理模块包括：

水陆表红外辐射特性测量仪器标定模块，用于在外场试验前后对观测用红外光谱仪、通道式红外辐射计、测温仪/枪进行标定，获得仪器的标定系数，并对前后两次标定结果进行比对，生成水陆表红外辐射特性测量标定分析报告；

水陆表红外辐射特性数据获取模块，用于在外场试验期间根据外场试验方案与观测计划执行观测任务，收集观测数据，生成水陆表红外辐射特性观测报告；和

水陆表红外辐射特性数据处理与检验模块，用于结合测量仪器标定系数、导航定位数据、场内气象数据，对水陆表红外辐射特性观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的水陆表出射辐射量，生成水陆表红外辐射特性数据处理报告。

4.根据权利要求1所述的一种基于水陆表协同观测的场地定标系统，其特征在于，所述水陆表发射率数据获取与处理模块包括：

水陆表发射率测量系统标定模块，用于在外场试验前后对观测用发射率测量系统进行标定，生成发射率测量系统标定系数，对前后两次标定结果进行比对，生成水陆表发射率测量标定分析报告；

发射率数据获取模块，用于在外场试验期间根据外场试验方案与观测计划在水陆表观测区域执行观测任务，收集观测数据，生成水陆表发射率观测报告；和

发射率数据处理与检验模块，用于结合发射率测量系统标定数据、导航定位数据、场内气象数据，对发射率观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的水陆表发射率参数，生成水陆表发射率数据处理报告。

5.根据权利要求1所述的一种基于水陆表协同观测的场地定标系统，其特征在于，所述AOD数据获取与处理模块包括：

AOD测量仪器标定模块，用于在外场试验前后对观测用太阳光度计进行标定，生成太阳光度计标定系数，对前后两次标定结果进行比对，生成AOD测量标定分析报告；

AOD数据获取模块，用于在外场试验期间根据外场试验方案与观测计划执行观测任务，收集观测数据，生成AOD观测报告；和

AOD数据处理与检验模块，用于结合AOD测量仪器标定数据、导航定位数据、场内气象数据，对观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的AOD参数，生成AOD数据处理报告。

6.根据权利要求1所述的一种基于水陆表协同观测的场地定标系统，其特征在于，所述大气廓线数据获取与处理模块包括：

大气廓线测量设备标定模块，用于在外场试验前后对观测用探空仪进行标定，生成探空仪标定系数，对前后两次标定结果进行比对，生成大气廓线测量标定分析报告；

大气廓线数据获取模块，用于在外场试验期间根据外场试验方案与协同观测计划执行观测任务，收集大气廓线观测数据，生成大气廓线观测报告；和

大气廓线数据处理与检验模块，用于结合大气廓线测量设备标定数据、导航定位数据、场内气象数据，对观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的大气廓线和水汽总量数据，生成大气廓线数据处理报告。

7.根据权利要求1所述的一种基于水陆表协同观测的场地定标系统，其特征在于，所述场内气象数据获取与处理模块包括：

场内气象参数测量设备标定模块，用于在外场试验前后对场内气象站进行标定，生成各气象要素测量设备标定系数，对前后两次标定结果进行比对，生成场内气象参数测量标定分析报告；

场内气象数据获取模块，用于在外场试验期间根据外场试验方案与观测计划执行观测任务，收集观测数据，生成场内气象观测报告；和

场内气象数据处理与检验模块，用于结合各气象要素测量设备标定数据、导航定位数据，对观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的各气象要素测量数据，并提供前述各模块数据处理与检验使用，生成数据处理报告。

8.根据权利要求1所述的一种基于水陆表协同观测的场地定标系统，其特征在于，所述导航定位数据获取与处理模块包括：

导航定位校准模块，用于在外场试验前后对观测用GNSS仪器进行校准，生成GNSS校准数据，对前后两次校准结果进行比对，生成导航定位校准分析报告；

导航定位数据获取模块，用于在外场试验期间根据外场试验方案与观测计划执行观测任务，收集观测数据，生成导航定位观测报告；和

导航定位数据处理与检验模块，用于结合GNSS仪器校准数据对观测数据进行处理加工，生成具有数据质量检验标识的导航定位数据，并提供前述各模块数据处理与检验使用，生成导航定位数据处理报告。

9.一种基于权利要求1至8任一项所述的场地定标系统的场地定标方法，其特征在于，该场地定标方法包括以下步骤：

(1)根据卫星轨道报数据，计算卫星过境水陆表多场地的时间，分别在各场区开展星地同步外场协同观测试验，获取卫星过境时刻多场地目标的水陆表红外辐射特性数据、水陆表发射率数据和大气廓线观测数据；

(2)基于红外辐射定标基本原理，开展水陆表协同处理的在轨场地辐射定标，获取绝对辐射定标系数；

卫星所在高度观测到的来自地面目标方向的地球热红外辐射亮度为：

L_T(λ)＝τ_a(λ)·L₁(λ)+L₂(λ)，

其中，L₁(λ)为水陆表面的离表总辐射，L₁(λ)＝ε(λ)L_gobi(λ)+(1-ε(λ))·L₂(λ)，ε(λ)为水面和陆面的发射率，L_gobi(λ)为水陆表面向上的热辐射；τ_a(λ)为整层大气透过率，L₂(λ)代表大气的热辐射亮度；

卫星传感器通道的等效辐射亮度为：

其中，S(λ)为归一化卫星通道的光谱响应函数，Δλ代表卫星传感器的光谱响应范围，dλ为对波长的积分；

通过多目标协同观测计算卫星通道的定标公式：

L_eq＝a_i*f(DN)+b，计算定标系数a_i和b，

其中，f(DN)为多目标协同观测数据确定的定标函数，DN为卫星传感器的计数值，a_i为定标公式的斜率，i为根据定标函数确定的参数个数，b为定标公式的截距。

10.根据权利要求9所述的场地定标方法，其特征在于，该场地定标方法还包括生成定标查找表；

(1)根据卫星数据量化等级，获取卫星传感器的计数值DN的范围；

(2)根据定标公式的斜率和截距，计算每个卫星传感器的计数值对应的等效辐射亮度L_eq；

(3)根据PLANK函数计算每一个L_eq对应的亮度温度T_b，建立DN到T_b的查找表。

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