嵩山遥感定标场靶标反射率的自动测量方法_潘琰.pdf

第 18 卷 第 2 期2023 年 3 月大 气 与 环 境 光 学 学 报JOURNAL OF ATMOSPHERIC AND ENVIRONMENTAL OPTICSVol.18 No.2Mar.2023嵩山遥感定标场靶标反射率的自动测量方法嵩山遥感定标场靶标反射率的自动测量方法潘 琰 1,2,李 新 1*,李照洲 3,张 权 1,张艳娜 1(1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所,中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室,安徽 合肥230031;2 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026;3 中国资源卫星应用中心,北京 100094)摘要:利用自主研制的地表反射自动监测光谱仪(ARMS)和可见-短波红外光谱辐照度计(HIM)，实现了嵩山遥感定标场内三种灰阶靶标反射率的自动测量，并与使用ASD便携式光谱仪人工测量的靶标反射率开展了比对。两种方法的比对结果表明：在4001600 nm范围内，自动化测量与人工测量的反射率数据在非大气吸收波段的相对偏差优于 2%。进一步基于自动化设备的观测数据，分析了2019年10月至2020年11月场地内的靶标反射率。分析结果表明，受环境变化的影响，嵩山场内灰阶靶标的反射率也会发生变化，且反射率的变化趋势与波长范围及测量区域有关。在整个波段范围内，反射率的标准偏差在 2.5%以内。该工作的开展为基于嵩山遥感定标场的自动化、高频次在轨辐射定标提供了有力的技术支撑。关 键 词:嵩山定标场;在轨替代定标;灰阶靶标;光谱反射率中 图 分 类 号:TP79 文 献 标 识 码:A 文章编号:1673-6141(2023)02-141-012Automatic measurement method of target reflectivity at Songshan Remote Sensing Calibration FieldPAN Yan 1,2,LI Xin 1*,LI Zhaozhou 3,ZHANG Quan 1,ZHANG Yanna 1(1 Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization,Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,HFIPS,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China;2 University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China;3 China Center for Resources Satellite Data and Application,Beijing 100094,China)AbstracAbstract t:Based on the self-developed automated reflectance monitoring spectrometer(ARMS)and hyperspectral irradiance meter(HIM)in visible-shortwave infrared band,the automatic measurement of the reflectance of three gray-scale targets in Songshan Remote Sensing Calibration Field,China,was realized,and the data obtained by the self-developed instruments was compared with the data acquired DOI:10.3969/j.issn.1673-6141.2023.02.006基金项目:国家重点研发计划(2018YFB0504600,2018YFB0504604),中国科学院合肥物质科学研究院院长基金(YZJJ2019QN5)作者简介:潘 琰(1992-),女,河南商丘人,博士研究生,主要从事光学精密仪器设计及卫星遥感器辐射定标技术的研究。E-mail:P导师简介:李 新(1975-),安徽萧县人,博士,研究员,博士生导师,主要从事卫星遥感器辐射定标技术、光学精密仪器技术研究。E-mail:收稿日期:2020-12-24;修改日期:2021-05-19*通信作者。大 气 与 环 境 光 学 学 报18 卷manually by the ASD portable spectrometer.The comparison results of the two methods show that the relative deviation of the reflectance data is better than 2%in the range of 400-1600 nm for non-atmospheric absorption band.Then the target reflectance data in the site acquired by the automated equipments from October 2019 to November 2020 was analyzed in details.The analysis results show that the target reflectance of Songshan field is changeable with the environment,and the change trend of reflectance is related to the wavelength range and the measurement area,while the standard deviation of reflectance is within 2.5%in the whole band.The work provides a strong technical support for the automatic and high-frequency on-orbit radiation calibration based on the Songshan Remote Sensing Calibration Field.K Keyey wordswords:Songshan Calibration Field;on-orbit vicarious calibration;grayscale target;spectral reflectance0 引 言卫星载荷在轨运行过程中受真空环境、太阳辐射、仪器老化等因素的影响,其性能会发生衰变,因而会导致遥感器获得的观测数据与实际数据产生较大的偏差。为了校正卫星载荷的测量偏差,卫星在轨运行过程中,需要定期进行高精度的辐射定标,以对卫星遥感器的性能变化进行监测1。卫星在轨辐射定标通常采用场地替代定标法,具体过程为:在卫星过境前后通过手动或自动化仪器同步观测,获得辐射定标场的反射率、大气消光参数和气象参数,通过辐射传输模型计算获得卫星入瞳处的辐亮度,并将该辐亮度数据与遥感器同步观测的数据相对比,即可得到卫星的绝对辐射定标系数24。基于大面积自然辐射校正场(如敦煌辐射校正场、青海湖辐射校正场等)的场地替代定标能实现单一辐亮度的定标。但是满足定标要求的大面积均匀场数量有限,且我国大面积自然辐射定标场的反射率较低,定标的人力和物力成本较高,不利于定标频次和定标精度的提升5,6。随着光学遥感器空间分辨率的提高,基于空间均匀性好、光谱反射率平坦、朗伯性高的人工靶标的高精度在轨辐射定标成为可能7。我国在嵩山、内蒙古、云南等地已经规划并建设了人工固定靶标场,并开始应用于高分辨卫星载荷的在轨定标。由定标过程可知,定标场反射率数据的获取是在轨辐射定标的关键环节。目前,地表反射率通常采用人工观测方式获取,通过ASD(Analytica spectra devices)或SVC(Spectra Vista Corporation)等光谱仪交替测量定标场和参考板,二者的比值与标准参考板反射率的乘积即为场地的地表反射率8。这种测量方法能够获得较高的测量精度,但是测量过程中需要耗费大量的人力和物力,因此,难以适应高频次定标的需求。为适应差异化、多样化、复杂化的新型卫星遥感器的高频次在轨辐射定标需求9,10,更好地跟踪遥感器的在轨辐射特性变化,亟需获取能够长期准确描述场地特性的反射率数据。为减少人工和测量成本,适应卫星高频次定标的应用需求,中国科学院安徽光学精密机械研究所(以下简称为安光所)研制了多种自动化观测仪器。其中地表反射自动监测光谱仪(ARMS)和可见-短波红外光谱辐照度仪(HIM)结合,可实现场地反射率的长期自动监测。通过在嵩山定标场布设上述两种仪器,实现了定标场内灰阶靶标反射率的长期自动测量,为实现基于场地替代定标方法的卫星在轨高频定标提供了数据支撑。142第 2 期潘 琰,等:嵩山遥感定标场靶标反射率的自动测量方法1 定标场靶标反射率的自动测量1.1 中国(嵩山)遥感定标场中国(嵩山)遥感定标场位于11256 07 E11311 32 E,3423 31 N3435 53 N,属于温带季风型大陆性气候,气候特征具有一定的代表性。嵩山遥感定标场占地3.846万平方米,由主功能区、遥感塔和辅助设施三部分组成。其中,主功能区面积为2.4万平方米,布设了1幅辐射状扇形靶标,1幅大面积刃边灰阶靶标,1个点光源靶标安置区,1幅航空分辨率监测靶标,1条无人机起降跑道和1个旋翼无人机起降台,主功能区布设分布如图1所示。嵩山遥感定标场通过设置不同反射率的靶标,可以实现不同波段高分辨率遥感器的在轨辐射定标、在轨性能日常监测及遥感产品精度的检验等工作11。嵩山遥感定标场主功能区内的大面积刃边灰阶靶标具体包括三种不同类型靶标,这三种靶标的标称光谱反射率分别为40%、5%和60%。三种靶标呈L型排列,靶标尺寸均为35 m 35 m。通过星地同步观测刃边靶标的反射率和场地参数,可对高分辨率遥感载荷进行在轨辐射定标。灰阶靶标长期暴露在野外环境中,环境中灰尘、雨雪、温度变化等对靶标反射率的影响较大。因此,通过对定标场内地表反射率进行长时间监测,可以从宏观上了解定标场地表反射率的时间稳定性,从而保证卫星在轨图像质量评价和在轨辐射定标的准确性。基于上述原因,安光所率先在嵩山遥感场内布设自动化观测仪器,实现定标场内靶标反射率数据的长期自动监测。1.2 靶标反射率自动测量原理地表反射率是地表反射光通量与总入射光通量的比值,可通过地表反射辐亮度Lground和入射总辐照度Etotal的比值计算获得12,计算公式为ground()=Lground()Etotal(),(1)式中ground为地表反射率,为测量时刻的太阳天顶角,为测量时刻的太阳方位角,为测量波长。2019年10月,嵩山遥感定标场布设了安光所研制的四台可进行长时序无人监守的自动化地面定标设备,图 1 嵩山遥感定标场俯瞰图Fig.1 Aerial view of Songshan Remote Sensing Calibration Field143大 气 与 环 境 光 学 学 报18 卷包括3台ARMS和1台HIM。两种仪器配合可以实现场地靶标反射率的长期自动观测。其中,ARMS可以实现灰阶靶标反射光谱辐亮度Lground的自动观测,HIM可以实现地表入射光谱辐照度Etotal的自动观测。1.3 自动化观测设备嵩山定标场共布设了3台ARMS,其仪器编号分别为ARMS-001、ARMS-002和ARMS-003,1台HIM,其仪器编号为HIM-002。其中,ARMS-001用于测量定标场号区域内灰阶靶标的反射辐射;ARMS-002用于测量场号区域内灰阶靶标的反射辐射;ARMS-003用于测量场号区域内灰阶靶标