丁闯，谢勇，宦海，钟雯娇，邵雯，田传阳

（1.南京信息工程大学 电子与信息学院，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学 地理与科学学院，江苏 南京 210044；3.南京信息工程大学 遥感卫星应用国家工程实验室南京研究中心，江苏 南京 210044）

2013年4月26日，我国高分辨率对地观测系统的首发星“高分一号”（GF-1）卫星于酒泉卫星发射中心成功发射[1]。GF-1增加了高分辨率多光谱相机，该相机的性能在国内投入运行的对地观测卫星中最好。此外，GF-1的宽幅多光谱相机幅宽达到了800 km，与具有类似空间分辨率的卫星相比，GF-1可以在更短的时间内对一个地区重复拍照，其重复周期只有4天（见表1），实现了高空间分辨率和高时间分辨率的完美结合[2]。GF-1为国土资源、农业、环保、减灾部门提供了高精度、宽范围的空间观测数据，在地理测绘、海洋、水利、林业、交通规划、气象观测等众多科研领域发挥重要的作用[3]。

表1 GF-1，MODIS，LandSat8卫星波段和性能介绍Table 1 Introduction for bands and performances of GF-1，MODIS，LandSat8 satellites

GF-1自发射距今已近5年，为灾害环保、地球遥感、国际救灾等领域提供了准确的空间信息源。由于受到平台震动、零部件老化及运行环境剧变等因素的影响，导致辐射性能发生变化。通过在轨传感器定标可以及时发现载荷运行期间的辐射特性的变化，进而调整与改进辐射定标算法，消减可见光辐射传输过程的影响，为提高遥感数据分析的稳定性提供支持。

在国内，官方通常采用场地定标方法[4]获得传感器在轨绝对辐射定标系数。场地定标受场地和天气条件的限制，定标成本大；而且每年场地定标次数有限，无法对定标的结果进行有效验证[5]。现阶段GF-1卫星每年只开展一次场地辐射定标使得GF-1可见光及近红外存在一定辐射偏差，辐射精度有待提高，不能满足GF-1定量化需求。因此，为了及时发现卫星辐射性能变化和提高定标精度，本文以辐射定标精度高的MODIS[6]和LandSat8[7]卫星作为参考卫星，基于我国敦煌辐射校正场及周边均匀目标为匹配样区，开展GF-1卫星全覆盖多光谱相机的交叉定标方法研究，得到可靠定标系数；并将定标结果与官方定标系数进行对比分析，以及比较以MODIS和LandSat8参考卫星获得的定标结果，为今后开展相关卫星的时间序列定标提供参考。

1 交叉辐射定标方法

目前，常用的卫星传感器可见近红外的在轨辐射定标主要包括场地定标[8]、星上定标[9]和交叉辐射定标[7]3种方法。交叉定标是检查和验证传感器测量精度和稳定性的有效方法，使用高辐射精度的卫星来交叉校准辐射精度较低的卫星。

交叉定标是利用定标精度较高的传感器作为参考，选择相同或相近观测的卫星影像。具体方法是选择两个传感器同时或近同时的相同区域成像的影像对，经过光谱匹配和空间匹配，建立参考传感器入瞳辐亮度与目标传感器之间的关系，利用参考遥感器的定标系数，实现目标遥感的定标[10]。主要流程如图1所示。

图1 交叉辐射定标流程Fig.1 Flow chart of cross-radiation calibration

交叉定标方法不需要精确的实地测量数据，具有频率高、成本少等优点，是目前常用的定标方法之一。而且，交叉定标方法可实现对历史影像的标定，可用于传感器的时间序列定标。

在进行交叉定标时，MODIS和LandSat8的表观辐射亮度为:

式中:gainj是第j波段的增益系数；offsetj是第j波段的偏移量；是第j波段的数字计数值（j=1，2，3，4）。图2为GF-1/WFV4，MODIS和LandSat8卫星的光谱响应曲线。

图2 LandSat8，MODIS和GF-1相机光谱响应Fig.2 Spectral responses for cameras of LandSat8，MODIS and GF-1

2 数据的选取及预处理

2.1 研究区

本文选取敦煌辐射校正场（40.04°N～40.28°N，94.17°E～94.05°E），敦煌辐射校正场（见图3）具有地势平坦、地表均一、方向特性较好等优势，适用于可见光近红外遥感器的在轨绝对辐射定标[11]。

图3 敦煌定标校正场Fig.3 Calibration correction field in Dunhuang

2.2 参考卫星的选择

本文选取定标精度高的MODIS和LandSat8卫星作为参考卫星。MODIS传感器主要搭载在Terra和Aqua星上，有36个离散光谱波段，光谱范围宽。MODIS传感器带有星上定标系统，星上定标系数误差在2%左右；LandSat8卫星的绝对辐射定标精度为5%，常被用来做参考遥感器对其他卫星传感器进行交叉辐射定标研究[12]。GF-1宽幅相机的分辨率是16 m，MODIS的分辨率有250 m，500 m，1 000 m。由于MODIS的波段1和波段2是250 m的，因此本文统一选择分辨率为500 m的MODIS卫星影像作为参考传感器，对GF-1卫星进行交叉辐射定标研究。LandSat8卫星包含陆地成像仪（OLI）和热红外传感器（TIRS）两种传感器。OLI传感器有9个光谱波段，与ETM+相比增加2个波段，波段范围有所变化，其中尤以近红外和全色波段的波长范围变化最为明显，空间分辨率为15 m（全色波段）和30 m（多光谱波段）[13]。

2.3 数据的选取

在开展交叉辐射定标之前，需要利用数据筛选限制条件获取高分一号和参考卫星有效影像对。其中数据筛选条件包括:

1）卫星影像对在敦煌辐射校正场过境时间差在1 h左右；

2）卫星过境时，要求同时相且辐射校正场上方无云；

3）WFV影像应该覆盖敦煌辐射校正场中心附近的区域[14]。

本文获取了GF-1/WFV4的2017年4月30日13时29分20秒，MODIS影像的成像时间是5时30分，Land-Sat8卫星影像成像时间是4时25分30秒。因为GF-1采用的是北京时间，MODIS和LandSat8采用的是UTC时间，所以实际时间间隔分别是ΔT=1 min和ΔT=64 min，满足筛选条件。

2.4 卫星影像对预处理

首先对获取的GF-1/WFV，MODIS和LandSat8影像对进行预处理，确定敦煌辐射校正场位置。GF-1分辨率比较高，影像的投影畸变比较小，为了降低误差，需对GF-1影像进行几何校正。MODIS数据因其分辨率和投影畸变，在进行影像的几何配准之前，必须经过几何校正[15]。本文获取LandSat8卫星影像已经几何校正过了，不需要再进行几何校正。

GF-1/WFV与MODIS的初始分辨率分别为16 m和500 m，因此需要将空间分辨率进行统一，利用三次卷积法[15]把GF-1空间分辨率降到500 m。GF-1/WFV与LandSat8的初始分辨率分别为16 m和30 m，用同样的方法把GF-1空间分辨率降到30 m。为了降低影像空间分辨率不同而造成的误差，本文采用SIFT算法[16]将空间匹配误差控制在0.5以内。

3 结果与分析

依据式（1）计算出MODIS和LandSat8表观辐射亮度，由式（2）计算出传感器的增益和偏移（见图4、图5）。图4是GF-1卫星和MODIS交叉定标结果。在图4中x轴表示GF-1 DN值，y轴表示MODIS的表观辐射亮度值。图5是GF-1卫星和LandSat8交叉定标结果。在图5中x轴表示GF-1 DN值，y轴表示LandSat8的表观辐射亮度值。拟合系数及误差如表2所示。

由图4的拟合曲线可以得到相关系数是0.967 2，0.982 8，0.979 4，0.971 3。将计算得到的定标系数与官方定标系数进行比较如表2所示。从表2可以得到，4个波段的定标精度相对误差分别是2.99%，1.84%，2.22%，2.97%，误差最大达到2.99%。由图5的拟合曲线可以得到相关系数是 0.997 2，0.991 6，0.994 5，0.995 2。通过与官方定标系数的比较，从表2可以得到，4个波段的定标精度相对误差分别是2.15%，1.45%，0.39%，1.48%，误差最大达到2.15%。验证了交叉定标的准确性，可以满足部分定量化需求。

从表2中可以看出GF-1与LandSat8交叉定标获得的定标系数比GF-1与MODIS获得的定标系数误差要小，定标精度都在3%以内。通过分析发现，两个参考卫星都属于高辐射精度的卫星，LandSat8（30 m）的空间分辨率比MODIS（500 m）的高；选取同名点对时，空间匹配的误差会更小，通过拟合获得的增益和偏移会更准确。

图4 GF1/WFV4与MODIS交叉定标结果Fig.4 Cross-calibration results of GF1/WFV4 and MODIS

图5 GF1/WFV4与LandSat8交叉定标结果Fig.5 Cross-calibration results of GF1/WFV4 and LandSat8

表2 GF-1与MODIS，LandSat8交叉定标结果及与官方定标系数的误差Table 2 Cross-calibration results of GF-1 versus MODIS and LandSat8 and their calibration errors compared with official calibration coefficients

4 结论

MODIS和LandSat8具有高辐射精度，因此本文将它们作为参考卫星，利用交叉辐射定标法，计算获得GF-1多光谱相机4个谱段的定标系数。通过对研究成果的分析，可以得到以下结论。

1）利用交叉定标一元线性回归的方法，计算WFV4各波段的增益和误差，并与官方定标系数进行比较。结果表明，以MODIS和LandSat8卫星作为辐射基准的定标结果辐射稳定性都比较好，辐射精度都在3%以内，基于敦煌均匀场地的交叉定标获得的定标系数稳定可靠。

2）比较GF-1/MODIS和GF-1/LandSat8交叉定标获得的定标系数发现，采用LandSat8卫星作为辐射基准获得的交叉辐射定标系数精度更高。通过分析发现Land-Sat8的空间分辨率比MDOIS的高，选取同名点对时，空间匹配的误差会更小，通过拟合获得的增益和偏移会更接近官方定标系数。

3）由于MODIS幅宽较宽，接近每日可以获取一幅全球的影像。在不考虑天气条件影响下，每4天可以获取一组匹配影像对。因此利用MODIS可以获取较高频率的匹配影像对，从而开展对GF-1的时间序列定标。虽然GF-1与LandSat8卫星交叉定标获得的单景定标系数精确度更高，但LandSat8幅宽比较窄，回归周期长（16天）。基于敦煌辐射校正场的匹配影像对比较少，无法有效地开展辐射性能稳定性的分析。

致谢：特别感谢中国资源卫星应用中心、南京信息工程大学遥感卫星应用国家工程实验室南京研究中心和美国国家宇航局（NASA）为本文研究提供GF-1影像数据和MODIS影像数据。