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1、% 91 9 9 8应 用 气 象 学 报 QUARTE RL Y J OURNAL OF AP P L I E D ME TE OR OL OGYVo l . 9. No . 4 N o v e mb e r 1 9 9 8机载成像光谱仪的外定标方法张玉香张广顺邱康睦王志强张立军 ( 国家卫星气象中心， A 匕 京1 0 0 0 8 1 )提要该文描述了 荃于反射率方法的机载中 分辨率成像光谱仪( A M O D I S ) 外定标方法. 可见光 和近红外波段的1 7 个通道定标结果表明， 成像光潜仪两个飞行高度侧值的外定标系数是非 常吻合的. 其相对差为。 . 1 9 %3 . 8 9 %
2、, 成像光谱仪关于草地航侧的反演值与地面实侧值比 较， 结果也是比 较接近的卜 类，词 外定标反射率测量辐射传翰引言随着对地观测卫星资料的定量化应用， 越来越重视卫星遥感器的在轨绝对定标以及 卫星遥感资料的辐射校正. 自9 0 年代初以来我们开始了对地遥感卫星外定标方法的调研 工作. 1 9 9 5 年9 月1 3日 ， 机载成像光谱仪在大青山 进行了模拟飞行试验. 在此期间， 利用 飞行和地面同步测量数据对成像光谱仪进行了初步的外定标方法研究.1 定标方案图1 给出了A M O D I S 定标流程. 这次外定标方案采取反射率基方法 7 . s 1 ， 选取内 蒙古 包头机场作为外定标试验场
3、， 当机载成像光谱仪飞过其上空对地测量时， 在停机坪( 定标 测试场) 和草坪( 检验测试场) 准同步进行场地反射比 和场地上空整层大气透过率测量、 场 地附近加密探空观溅以及夭气和环境参数收集， 并进行测点定位. 根据飞机过场时太阳的 几何位置和机上、 地面仪器的视场角， 测量仪器的光谱响应等， 进行机上和地面测值的几 何配准、 光谱及时间的匹配等工作， 通过大气辐射传输计算正演出到达飞机飞行高度成 像光谱仪入瞳处各光谱通道的辐亮度， 将此值同 传感器测量计数值比 较， 得到成像光谱仪辐射校正系数成像光谱仪外定标选择在可见光和近红外波段. 在地面同步观测中， 获得场地可见 光、 近红外波段的
4、反射比P 、 气象要素、 大气透过率T ， 大气程辐射好等数据， 利用大气外 界太阳分谱辐照度E u , ， 由下式得到机载成像光谱仪入瞳处各光谱带的辐亮度值L , :么二( E ,o c o s 9 / l r ; , +L ) XP XT 2 +岛_ ( 1 ).1 9 9 7 - 0 5 - 0 ， 收到, 1 9 9 7 - 0 8 -14 收到再改稿2 8 9一应用气象学报， 卷场地大气数据气象参败辐射传播棋式AMOD I S入暄处摘亮度图 1 A MO D M定标流程其中刁为飞机过场地时刻的太阳天顶角， T T : 分别为整层大气透过率和飞机一地面间 的大气透过率, L , L ,
5、 : 分别为大气外一地面和飞机一地面间的程辐射. 由于场地( 停机坪 水泥地) 的均匀性较好， 在式( ”中没有考虑场地的非朗伯( 方向) 特性. 对应定标场的成像 光谱仪各通道入瞳处辐亮度值y D I 与机载成像光谱仪对定标场扫描计数值D N之间的 定量关系按下式处理:I n 二( 1 / a ) X ( D N-D N. ) ( 2 ) 式中D N 。 为 成像光谱仪暗电压计数值, a 为 成像光谱仪通道的外定标系数.2 同步观测内容( 1 ) 机载成像光谱仪主要参数机载成像光谱仪瞬时视场为3 -4 . 5 m r ， 飞机分别以4 0 0 0 m和2 5 0 0 M的绝对飞行高 度水平通
6、过定标场， 光谱仪地面分辨率分别为9 m和4 . 5 m ( 每个象元直径) ， 该仪器带宽 为士1 0 n m, 波段为?7 1 个通道， 受磁记录限制， 在大青山航测时可见光一短波红外选择3 2 个通道， 其中可见光、 近红外波段1 9 个.( 2 ) 地面主要观测仪器 i V F 9 2 1 地物光谱仪 用于MR地物目 标的反射辐射， 波长范围, 0 . 4 - 1 . O la m ， 仪器 带宽为2 . 7 n m ， 仪器视场角为1 0 0 . D T F - 1 多功能太阳 辐射计 用于侧量大阳直接辐射和大气散射辐射， 仪器有8 个 s alt . v ( n m *. i :
7、*长分9 11 -h: 4 1 7 , 4 6 5 . 7 , 5 0 1 . 8 , 5 6 9 , 6 3 3 , 8 7 1 , 9 3 5及 1 0 3 1 n m, 带宽为一 2 9 0一4期张玉香等 机载成像光潜仪的外定标方法2 0 n m.3 G P S 定位仪 用于进行场地和测点的定位.3 测量内容描述及数据处理( 1 ) 成像光谱仪航测机载成像光谱仪于1 9 9 5 年9 月1 3日1 0 : 0 0 1 3 : 0 0 ( 北京时间， 下同) 对大青L b 测量 区进行了航测， 然后于 1 3 : 4 2 和 1 4 : 0 0 ( 太阳天顶角均为4 0 . 1 6 0 和
8、4 2 . 1 0 0 ) 两次在定标测 试场天顶飞过， 成像光谱仪扫描图像数据被转存入8 m m磁带， 同时机上G P S 和同步摄像 机记录下地面定位数据、 过顶时间和地面景象 机载 A MO D I S对定标场的遥感图像( 6 5 0 n m) 如图2所示图2 定标场A M O D I S 遥感图像( 6 5 0 n . )( 2 ) 场地反射比测量场地反射比采用相对测量法， 即利用中国计量院标定过的白板作为标准参考板， V F 9 2 1 光学头部架设高度1 . 5 m ， 并垂直向下侧量， 每个目 标先后测量参考板和地面各一 次卜 场地光谱测量在1 0 : 0 0 1 4 : 3 0
9、 进行. 测试场停机坪和草坪的面积均为I o o m X 1 0 0 m . 两场地各选测点2 5 个， 每个测点分3 个子 测点， 对侧量数据处理后获得成像光谱仪对应通道的反射比.( 3 ) 利用D T F 一 土 多功能太阳辐射计进行了太阳直射辐照度测量， 利用兰勒( L a n g l e y ) 法得到各通道大气消光光学厚度和整层大气垂直透过率 选出无大气吸收的几组透过率 数据进行插值计算， 获得成像光谱仪各对应通道的垂直透过率.2 9 1应用气象学报9 卷( 4 ) 包头机场气象台提供场地气象参数( 温、 湿、 压) ， 内蒙古东胜气象局加放两次探 空气球， 提供飞行当日探空资料.
10、( 5 ) 利用G P S 进行测点定位， 确定出各测点的经、 纬度.4 定标处理和分析( 1 ) 图 像定位和数据提取利用地面定位数据、 飞机过场时间和地面典型目 标( 跑道) 以及机载摄像机观测场区 景象， 在成像光潜仪扫描图像上确定出测试场地位置及区 域范围. 在对定标场两个高 度航 侧扫描图像上， 分别选取7 X7 个象元和1 1 X 1 1 个象元， 保证图像数据被包括在溅试场之 内. 为了与地面仪器测量波长范围一致， 选取其中1 7 个通道的原始计数值并存盘. 对选 取的原始计数值进行数据筛选， 其方法是将每个通道象元数据( D N) 取平均值 D N ) ， 计 算其标准差( a
11、 ) ， 然后利用式( 3 ) 进行数据剔除 将筛选出的各通道数据再取平均， 获得成 像光谱仪关于测 试场各 通道 平均计数值( D N ) . 对于 黑电 平计数 值( D N a ) 的 获取， 同 样用 上述方法提取.2 a I D N; -D N( 3 )( 2 ) 输入参数准备由于成像光谱仪带宽为2 0 n m( 士1 。 二 ) ， 而地面仪器带宽为2 . 7 n m， 将地面测量反 射比 按成像光谱仪波长带宽积分然后取平均， 得到成像光谱仪对应带宽上的地面仪器测 量反射比 . 利用测t的整层垂直大气透过率， 分别计算出飞机两次过定标场时刻的斜程 大气透过率T , ( 大气质量数二
12、 ， =1 . 3 0 8 ， 二 : =1 . 3 4 8 ) . 将飞机过定标场时的探空资料、 地面反射比、 过场时太阳 天顶角、 飞机高度等参数抽入到L o w t r a n - 7 c o d e 中， 得到大气程 辐射和飞机高度一地面的大气透过率几， 提取6 S c o d e ) 中的 大气外太阳 分谱辐照度， 积分得到成像光谱仪对应通道的太阳辐照度.( 3 ) 定标计算将上述参数代 入式( 1 ) ， 计算获得机载成像光谱仪入晚处各 对应通道关于洲试场辐亮度( L , ) .将么和D N, D N 。 值代入式( 2 ) , 得到成像光谱仪各通道外定标系数. 图3 给出A M
13、O D I S 的外定标结果.( 4 ) 定 标 结 果 检 验为了检验定标结果的精度， 将获得的定标系数、 成像光谱仪对草地航测D A 值和黑 电平D N 。 值愉入到式( 2 ) 中 进行计算， 得 到成像光谱仪测量草 地各通道辐亮 度值， 然后将 式( 1 ) 转换并进行计算， 获得成像光谱仪对草地航测可见光、 近红外波段各通道反射比八 ( 4 0 0 0 m绝对高度) 和r E ( 2 5 0 0 m绝对高度)(表1 . 图4 ) . 图4 表示检验区反射比的反演值与实洲值的比 较.( 5 ) 结果分析计算两个飞行高 度的定标系数相对差“ a , -a,)/ad ) ， 从相对差数据看
14、， 两高度飞行的 定标系数相对差为0 . 1 9 0 0 “3 . 8 9 %, 这些结果是令人满意的. 从利用定标系数反演得到一 2 9 2一9期张玉香等: 机载成像光谱仪的外定标方法的成像光谱仪两高度草地反射比 表1 ) ， 结果也是比较接近的 另外， 利用定标系数反演 的草地反射比与地面实测值比较， 随波长变化规律一致， 结果也是比较接近的 其二者之 差， 可见光波段小于近红外波段( 表 1 . 图4 ) .如80知6050食之留。日。4030汉。.已己翻吸器搜彼长 ( 。 功)图3 机载成像光谱仪外定标结果表I 草地实测位与反演位比较( a m )地面实侧 反射比0 . 0 3 3 9
15、0 . 0 5 1 30 . 0 6 6 00 . 0 6 8 90 . 0 6 8 90 . 0 6 5 50 . 0 6 0 80 . 0 5 9 90. 0 9 61反演草地 反射比( r , )反演草地 反射比( r 户( n m )反演草地 反射比( r , )反演草地 反射比( r x )0 . 0 1 1 70 . 0 3 2 70 . 0 4 4 40 . 0 5 5 50 . 0 5 5 50 . 0 5 9 80 . 0 6 1 20 . 0 6 2 70 . 0 8 2 80 . 0 3 7 30 . 051 50 . 0 6 4 00 . 0 7 2 70 . 0 7
16、0 90 . 0 7 9 80 . 0 8 0 70 . 0 7 9 50 . 0 97 4地面实测反射比0 . 2 4 1 80 . 2 5 0 10 . 2 5 4 80 . 2 5 8 60 . 2 6 4 10 . 2 6 7 80 . 2 7 0 10 . 2 72 40 . 1 9 0 70 . 1 9 6 8 0 . 2 0 9 00 . 2 1 1 00 . 2 1 4 00 . 2 2 3 90 . 2 2 5 30 . 2 3 3 10 . 1 8 9 60 . 1 9 5 20 . 1 9 2 70 . 2 1 2 30 . 1 9 7 60 . 2 1 9 20 . 2 2 9 00 . 2 2 21卜日八曰书日0八U00产“ ”伪5153舫878991450510530550570哪65067U690( 6 ) 误差分析与估算定标场( 停机坪) 表面均匀， 颜色单一， 地面测量反射比标准差为千分之几， 但地面
