地表反射率外场无人值守测量方法.pdf

第 31 卷 第 16 期2023 年 8 月Vol.31 No.16Aug.2023光学 精密工程 Optics and Precision Engineering地表反射率外场无人值守测量方法夏志伟，王硕，衣小龙，王玉鹏*，方伟（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春）摘要：在轨运行载荷的性能不可避免地出现衰减，场地定标是一些卫星载荷在轨辐射定标主要手段之一，其精度主要取决于地表反射率的准确程度。本文介绍了地表反射率自动观测系统原理和系统组成，并在敦煌辐射校正场实现无人执守自动化、无间断的地表光谱反射率测量，采用标准白板法和辐照度法两种方法同步观测，对两种方法获取的地表反射率数据分别进行了短期和长期稳定性的对比分析，地表反射率可直接溯源至标准白板反射率，减少了定标传递环节。结果表明：标准白板法测量地表反射率短期均值偏差为 0.130%，长期测量 350600 nm 波段均值偏差为 4.996%，6002 500 nm 波段均值偏差为 2.104%。标准白板法测量地表反射率合理可行，测量曲线连续、平滑、抖动少，可通过定期清洁标准白板提高测量准确性。辐照度法短期测量与标准白板法具有相近的性能，3501 900 nm 波段均值偏差为0.236%，1 9002 500 nm 波段均值偏差为 0.443%。长期测量地表反射率整体漂移小，平均漂移为 0.735%，但存在反射率曲线局部噪声大的缺点。可将两种方法相结合，获得更为准确的地表反射率数据。关键词：标准白板法；辐照度法；地表反射率；自动观测系统；场地定标中图分类号：TP23；P422.1+5 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233116.2319Method for unattended measurement of surface reflectance in field sitesXIA Zhiwei，WANG Shuo，YI Xiaolong，WANG Yupeng*，FANG Wei（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）*Corresponding author，E-mail：Abstract：The performance of on-orbit payloads is inevitably degraded.Field calibration is a primary method of on-orbit radiometric calibration for some satellite payloads，and its accuracy mainly depends on how accurate the surface reflectance is.This study introduces the working principle and system composition of the Automatic Observation System of Surface Reflectance，and unattended，automated，and continuous spectral surface reflectance measurements were conducted at the Dunhuang Radiation Calibration Field.The short-and long-term stabilities of the surface reflectance data acquired simultaneously were compared and analyzed using the standard whiteboard and irradiance methods，respectively.The surface reflectance is directly traceable to the reflectance of the standard whiteboard，and the data processing method reduces the calibration transfer link.The results are as follows.The mean deviation of short-term measurement of the surface reflectance by the standard whiteboard method is 0.130%.For the long-term mea文章编号 1004-924X（2023）16-2319-14收稿日期：2022-07-13；修订日期：2022-11-02.基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.42001316）第 31 卷光学 精密工程surement，the mean deviation of the 350-600 nm band is 4.996%，and the mean deviation of the 600-2 500 nm band is 2.104%.The standard whiteboard method is reasonable and feasible for measuring the surface reflectance，and the figure of reflectance is continuous and smooth，and it has less fluctuation.The accuracy of reflectance can be improved by regularly cleaning the standard whiteboard.The short-term measurement of the irradiance method is similar to that of the standard whiteboard method；the mean deviation of the 350-1 900 nm band is 0.236%，and the mean deviation of the 1 900-2 500 nm band is 0.443%.For the long-term measurement，the overall drift of the reflectance is small，with an average drift of 0.735%.However，there is a disadvantage of large local noise in the reflectance curve.The two methods can be combined to obtain accurate surface reflectance data.Key words：standard whiteboard method；irradiance method；surface reflectance；automatic observation system；field calibration1 引 言在轨运行的载荷长期遭受太阳辐射、宇宙粒子冲击、原子氧等恶劣环境的影响，且仪器本身会随时间发生老化，其性能参数不可避免地会出现不同程度的衰减，需要通过定期定标来减小测量精度的降低1。对于一些环境监测载荷，其定量探测具有严苛要求，仪器的辐射定标策略和定标精度至关重要2。通过辐射定标可以确定遥感仪器系统特性，为提高仪器测量数据可信度提供重要依据3。由于遥感载荷在轨运行过程中的性能退化并无通用的规律可循4，场地定标因不受卫星系统设计的限制，而成为已长期运行产生较大程度退化和无星上定标手段的卫星载荷在轨辐射定标主要手段之一5。敦煌辐射校正场是我国国家级光学辐射校正场，具有面积大、地势平坦、地表均一、方向特性较好等得天独厚的地理优势，已得到国际上的认可，适用于可见近红外遥感器的在轨绝对辐射定标。多年来，己被成功地用于高分一号、HJ系列、FY 系列等多颗遥感卫星载荷的绝对辐射定标5-7。通过实时测量的地表反射率，为地面场地定标基准提供数据支撑，有利于提高不同卫星载荷间的交互定标8频次。利用无人值守的设备辅助开展场地定标实验数据的获取是近十多年较为关注的问题，国内外有不少单位开展了此方面研究，并已在场地中布设，如敦煌场的自动化多通道光谱辐射计9、包头场的光谱式4，10和通道式4目标光谱自动观测系统等。场地定标精度主要取决于地表反射率的准确程度，目前虽已有设备可实现自动观测，但精度不能满足业务化需求，获取高精度地表反射率的方法仍需要现场人工测量7，11-12、无人机遥控测量13-14，需要实验人员在现场值守测量。由于定标场地多为戈壁、沙漠，远离城镇，费时费力且不能获取连续不间断的反射率数据，已不能满足日益增长的高精度、季次乃至月次的高定标频次需求4，迫切需要对应的自动化观测设备和稳定可靠的测量方法。本文采用自主研发的地表反射率自动观测系统，安装于敦煌辐射校正场，在恶劣的野外环境下，实现无人执守自动化、无间断的获取地表光谱反射率；采用标准白板法和辐照度法两种测量方法获取地表反射率，并对两种方法获取的地表反射率数据分别进行了短期和长期稳定性的对比分析；最后，对两种方法中测量数据的漂移、噪声等问题进行了分析，讨论了问题产生原因并给出了改进方法。2 地表反射率自动观测系统地表反射率自动观测系统为自主研发，包含地表反射率自动观测仪、漫总比自动观测仪两套设备。为实现无人值守自动工作，系统配备太阳总辐照度辐射表、雨传感器、风速计、温度传感器等环境参量传感器，并且系统设有多个工作模式：测量模式、待机模式、休眠模式等，能够根据2320第 16 期夏志伟，等：地表反射率外场无人值守测量方法环境参量自动切换工作模式。在天气晴朗时进入测量模式实现野外场地可见、近红外地表光谱反射率的自动观测；在阴雨天、大风扬沙等恶劣天气时，切换到休眠模式以保护设备。其次，设备配备了网络通讯模块，实现测量数据的远程自动传输和设备运行状态监控。此外，夏季酷热、冬季严寒的恶劣外场环境对高光谱测量设备是一个严峻的考验，为提高设备环境适应性，对设备的光谱测量核心模块采取半导体制冷、加热片、外敷保温材料等措施进行温控，保证测量数据稳定度。2.1工作原理本文中所述的地表反射率实际为场地的二向反射率因子（Bidirectional Reflectance Factor,BRF），其定义为在相同的辐照度E条件下，地物向某个方向的反射辐射亮度Lobject()与理想漫反 射 朗 伯 体 在 相 同 方 向 上 的 反 射 辐 射 亮 度Ldiffuser()作比值6：RBRF()=Lobject()/Ldiffuser().（1）BRF 并 没 有 对 辐 射 环 境 做 出 限 定，因 此BRF的数值不仅取决于地物本身的反射特性，而且还与辐射环境有关。虽然 BRF 并不是一个理想的描述地物反射特性的物理量，但由于 BRF容易实现实时测量，且在特定的物理应用模型中还可以与二向反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF）相 联 系6，15，在目前的场地定标方法经常使用7，11。地表反射率的测量可以采用“标准白板法”或“辐照度法”进行观测。标准白板法是通过测量地物的反射辐射亮度Lobject()和漫反射朗伯体的反射辐射亮度Ldiffuser()获得，如式（1）BRF 的定义所示。辐照度法则是通过测量辐照度E和地物的反射辐射亮度Lobject()进行，由于辐照度E和理想漫反射朗伯体的反射辐射亮度Ldiffuser()