基于MODIS的GF-4卫星PMS传感器交叉定标

基于MODIS的GF-4卫星PMS传感器交叉定标

张羽佳

重庆交通大学 智慧城市学院 重庆市 400074

摘要：卫星在太空中的飞行状态和所处环境，使卫星的辐射性能发生变化，导致实验定标系数不精确，因此开展有关定标技术的研究工作对现阶段遥感的发展意义重大。本文将敦煌地区作为研究区域，分析BRDF因子和SBAF因子对于GF-4卫星PMS传感器交叉定标精度的影响。研究结果表明，同时考虑两个因子，各个波段误差均小于6%，定标精度较高；不考虑BRDF因子的影响，可见光波段的误差均大于14%，对于绿波段的影响最大，误差达到16.67%；不考虑SBAF因子的影响，各个波段定标误差较小，误差均小于10%，；不考虑两个因子的影响，各个波段定标误差较大，对于绿波段影响最大，误差为17.87%。

关键词：MODIS；高分四号卫星；SBAF因子；BRDF因子

1.研究背景

“高分四号”卫星是一颗分辨率较高的国产卫星，其幅宽达到400km，广泛用于国土资源调查、自然灾害监测、气象预报等工作领域[1]。时至今日，“高分四号”卫星已经运行多年，卫星的运行环境和自身的因素，使得PMS传感器的性能和辐射特性发生一定的变化，需要长期开展有关辐射定标的研究。而交叉定标作为辐射定标的一种，具有定标精度高、研究费用少的优点[2,3]，是目前应用较广泛的定标方法之一。同时在交叉定标过程中，存在很多不确定的因素，导致实验定标结果不精确。因此提高交叉定标的精度，并分析相关因子造成的影响，至关重要。

综上所述，本文以“高分四号”静止轨道卫星的PMS传感器为待定标传感器，以MODIS传感器为参考传感器，借助BRDF模型进行数据校正，提高定标精度，计算GF-4卫星的表观辐亮度，结合高分四号卫星的DN 值，求得GF-4卫星PMS传感器各个波段的定标系数，分析BRDF及SBAF因子对于定标精度的影响。

2. 研究数据

（1）研究影像对

本文实验中MODIS数据（MOD02HKM产品和MOD03产品）和“高分四号”卫星的影像数据选取时间是在2019年7月24日，在定标中一组数据的过境时间以同时为最优，但是相同的过境时间极少。所以本文将时间差∆T限制在30min以内，使得观测几何控制在一定范围内。

（2）研究区域

本文选择敦煌地区作为交叉定标的实验区域（E:93.7156°—95.0597°，N:39.5689°—40.6078°），其气候干旱，降水量较少，对于地表反射率影响较小，是良好的交叉定标场所。

（3）实验波段

本文在交叉定标的过程中所采用的波段，分别为蓝、绿、红、近红外波段。

3. 数据预处理

（1）获取GF-4影像的DN值和MODIS归一化反射率

本文借助IDL编程语言完成GF-4影像的DN值以及MODIS归一化反射率的计算工作，其中GF-4影像的蓝、绿、红、近红外波段的DN值分别为337.066、422.722、354.185、338.767；MODIS各波段归一化反射率为0.191733、0.199947、0.215784、0.232767。

（2）获取SBAF因子

SBAF为光谱波段调整因子，在交叉定标中起着重要的作用。其主要计算公式如下所示[4]：

                                                  （3-1）

其中为第i波段的SBAF因子；为PMS传感器第j波段的等效地表反射率；为MODIS传感器第j波段的等效地表反射率。

（3）获取BRDF因子

本文采用核驱动模型计算BRDF因子，该模型是良好的半经验BRDF模型，在批量处理数据的过程中，具有良好的性能。通过BRDF模型校正可以提高交叉定标的精度，具体公式如下所示[5]：

（3-2）

该式中，为波长值，为太阳天顶角，为观测天顶角，为相位方位角；为体散射核，为几何光学核，他们分别为太阳天顶角和观测天顶角以及相位方位角的三角函数；，和为各项的核系数，各项同性散射，为体散射，为几何光学散射，表达了这三部分各自所占的权重；为方向反射比。

（4）获取GF-4卫星成像当天的真实日地距离与日地平均距离的比值

下载与GF-4卫星数据同一天的Landsat8卫星OLI影像，在头文件中可以查到该数据的详细内容，且d=1.015911000。

（5）获取等效太阳辐照度

根据GF-4卫星PMS传感器的光谱响应函数和太阳辐照度，计算等效太阳辐照度[6]：

                     （3-3）

其中，为PMS传感器第i波段的光谱响应函数，为太阳辐照度。

4. 交叉定标流程

4.1计算GF-4卫星PMS传感器的表观反射率

MODIS数据的归一化反射率与SBAF因子和BRDF因子的关系为：

                          （4-1）

式中，为GF-4卫星PMS传感器第i波段的表观反射率；为MODIS第i波段的归一化反射率；为第i波段的

SBAF因子；为第i波段的BRDF因子。

4.2计算GF-4卫星PMS传感器的表观辐亮度

在交叉定标的过程中，计算表观反射率，其主要计算公式为：

                          （4-2）

式中，为GF-4卫星PMS传感器第i波段的表观反射率；d为GF-4卫星成像当天的真实日地距离与日地平均距离的比值；θ为GF-4卫星太阳天顶角，可以从GF-4卫星影像XML文件中获得该数据；为GF-4卫星第i波段等效太阳辐照度；为GF-4卫星PMS传感器第i波段的表观辐亮度。

由上述公式（4-1）和公式（4-2）可知，两者相等，整理可以得到计算PMS传感器各波段的表观辐亮度公式：

                   （4-3）

4,3计算待定标传感器的定标系数

GF-4卫星PMS传感器的表观辐射亮度计算公式如下所示：

（4-4）

式中，为GF-4卫星第i波段的DN值；为GF-4卫星第i波段的增益系数。

计算定标系数，可采用单点法和多点法。由于其他区域BRDF因子不可获得，因此本文采用单点法，以数据预处理阶段获得的单点数据为数据基础，将公式（4-3）计算的GF-4 卫星PMS传感器中相对应波段的表观辐亮度代入公式（4-4）中，假设偏移量为0，得到公式（4-5），将相关实验参数代入该公式中，计算出GF-4卫星各个波段的定标系数，计算公式如下所示：

                  （4-5）

5. 结果分析

5.1定标系数精度评价

本文PMS传感器的蓝、绿、红、近红外波段的定标结果为0.3672、0.2665、0.2868、0.2158。官方的蓝、绿、红、近红外波段定标系数为0.3531、0.2750、0.2946、0.2038，本文获取的定标系数与官方定标系数四个波段的误差分别3.99%、3.09%、2.65%、5.89%。

5.2 相关因子分析

在计算PMS传感器的定标系数时，需考虑相关因子对于定标精度造成的影响，本文考虑的因子为SBAF因子和BRDF因子，研究结果如下所示：

（1）只考虑BRDF因子不考虑SBAF因子

在交叉定标的过程中，不考虑SBAF因子，只考虑BRDF因子对于定标精度的影响，需在公式（4-5）中将值设置为1，经计算得到相对应的定标系数，各个波段的定标结果分别为0.3632、0.2627、0.2871、0.2231。各个波段定标结果与官方定标结果的相对误差较小，且各个波段的相对误差均小于10%。

（2）只考虑SBAF因子不考虑BRDF因子

在交叉定标的过程中，只考虑SBAF因子，不考虑BRDF因子对于定标精度的影响，因此需在公式（4-5）中将值设置为1，得到四个波段的定标结果分别为0.2951、0.2292、0.2522、0.1902，可见光波段定标结果与官方定标结果的相对误差均大于14%，绿波段的相对误差为16.67%，定标精度较低。

（3）两个因子均不考虑

在不考虑两个因子的影响下，直接利用公式(4-5)，将SBAF因子和BRDF因子的值设置为1，计算PMS传感器各个波段的表观辐亮度，假设偏移量为0，然后再除以相对应波段的DN值，得到定标系数，与官方定标结果对比，各个波段的定标结果分别为0.2919、0.2259、0.2525、0.1966。其中误差最大波段为绿波段，为17.87%。且可见光波段的相对误差均大于14%，定标精度较低。

通过以上三种分析可以得出，在不考虑两种因子及只考虑SBAF因子的情况下，最终得出的相对误差较大，可见光波段的误差均大于14%。在两种情况下误差最小波段均为近红外波段，误差最大波段均为绿波段。加入BRDF因子对于定标精度的影响显著，各个波段相对误差均小于10%。因此使用单点法求定标系数的过程中，BRDF因子必须加以考虑，用以提高交叉定标结果的精度。同时本文只采用了一组影像中的一组定标点，分析了SBAF因子和BRDF因子对于定标精度的影响，后续应采用多景影像，进一步验证结果。

参考文献

[1]马文坡,练敏隆.高分四号卫星凝视相机的技术特点[J].航天返回与遥感,2016,37(4):26-31.

[2]Chander G,Markham B.Revised Landsat5 TM Radiometric Calibration Procedures and Post calibration Dynamic Ranges[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2003,41(11):2674-2677．

[3]Chander G,Markham B,Helder D L.Summary of Current Radiometric Calibration Coefficients for Landsat MSS,TM,ETM+,and EO-1 ALI Sensors[J]. Remote Sensing of Environment,2009,113(5):893-903

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[4]周珂,刘李,余涛,等.光谱匹配因子对GF-1/WFV时间序列交叉定标的影响分析[J].光谱学与光谱分析,2017,37(12):3809-3813.

[5]Roujean J L,Leroy M,Deschampsp Y.A Bidirectional Reflectance Model of The Earth＇s Surface for The Correction of Remote Sensing Data[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres,1992,97(18):20455-20468．

[6]马晓红.HJ-1星CCD相机交叉定标与真实性检验研究[D].河南理工大学,2011.