第３Ｏ卷，第１１期　２　０　１　０年１　１月　光谱学与光谱分析　Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．１１，ｐｐ３１４９—３１５５　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ａｎｄ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２０１０　

环境卫星ＨＪ１Ａ超光谱成像仪在轨辐射定标及光谱响应函数敏感性分析　

高海亮　。～，顾行发　¨，余　涛　。，李小英　。，巩　慧Ｌ　～，李家国　～，朱光辉　

１．中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室，北京１００１０１　２．中国科学院研究生院，北京１０００４９　３．国家航天局航天遥感论证中心，北京１００１０１　

４．河南大学，河南开封４７５００１　

摘要环境卫星ＨＪ１Ａ搭载的超光谱成像仪ＨＳＩ是我国第一个对地观测的星载高光谱传感器，针对超光　

谱成像仪缺乏各通道光谱响应函数这一问题，对传统的反射率基法予以改进，提出一种不使用光谱响应函　

数的场地定标方法。利用敦煌场地２００９年８月定标实验数据，实现超光谱成像仪在轨辐射定标。通过构建　

不同形状的光谱响应函数，分析光谱响应函数形状对最终辐射定标结果产生的误差。结果表明，利用新提出　

的场地定标方法可以实现超光谱成像仪绝对辐射定标，除水汽和氧气吸收通道外，光谱响应函数对定标结　

果的影响小于３　，采用新定标方法得到的定标系数可以满足应用的需求。　

关键词超光谱成像仪；辐射定标；光谱响应函数；敏感性分析；敦煌校正场　

中图分类号：ＴＰ７２２．４　文献标识码：Ａ　ＤＯ１：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—０５９３（２０１０）１１－３１４９—０７　

引　言　

环境卫星ＨＪ１Ａ是我国环境减灾系列卫星的第一颗星，　

于２００８年９月６日成功发射。卫星轨道高度为６５０　ｋｍ，轨　

道倾角约为９８。，回归周期为３１　ｄ。上面搭载的传感器有两　

台相同的ＣＣＤ相机和一台超光谱成像仪。其中，ＣＣＤ相机　

的幅宽约为３６０　ｋｍ，重访周期为４　ｄ，共有４个波段，分别为　

蓝、绿、红和近红外通道，空间分辨率为３０　ｍ。超光谱成像　

仪的光谱范围为４５０￣９５０　ｎｎ３＿，共有１１５个波段，图像的空　

间分辨率为１００　ｍ，幅宽约为５０　ｋｍ。超光谱成像仪采用傅　

里叶干涉原理成像ｌ１］，不同波段的光谱分辨率有所不同，　

４５０　ｒｉｍ通道的光谱分辨率最高，约为２．０８　ｎｍ，９５０　ｎｍ通道　

的光谱分辨率最低，为８．９２　ｎｎ－ｉ，所有通道的平均光谱分辨　

率约为５　ｎｍ。超光谱成像仪具有侧摆功能，可实现±３Ｏ。的　

侧摆。发射前超光谱成像仪实验室相对辐射定标精度为５　，　

绝对定标精度为ｌＯ　。　超光谱成像仪的在轨辐射定标主要采用辐射校正场同步　

测量的方法实现，该方法也称为反射率基法。场地定标方法　

自１９８７年美国亚利桑那大学Ｓｌａｔｅｒ提出以来ｌ２３，受到了国　际相关专家的认可，该方法已经成为卫星在轨期间必然采用　

的定标方法之一，成功对Ｌａｎｄｓａｔ　ＴＭ／ＥＴＭ＋，ＭＯＤＩＳ，　

ＡＳＴＥＲ，ＭＩＳＲ，ＳＰＯＴ和ＳｅａＷｉＦＳ等多颗卫星实现在轨辐　

射定标　］。国内从上个世纪末开始，建立了敦煌和青海湖　

两个国家级辐射校正场，分别对可见近红外卫星及热红外卫　

星开展在轨定标实验，经过１０多年的发展，对我国的　

ＣＢＥＲＳ系列卫星、ＦＹ系列卫星和ＨＪ系列卫星进行多次在　轨辐射定标［９　。结果表明，场地定标方法可以得到卫星在　

轨运行期间的各传感器绝对辐射定标系数，在一定程度上满　

足定量化遥感的需求。　

同其他卫星的多光谱传感器相比，超光谱成像仪的一个　

特点是光谱分辨率非常高，且在成像过程中需要进行傅里叶　

变换，导致在卫星发射前无法测量得到超光谱成像仪各通道　

光谱响应函数。而常规的场地定标方法，其中重要的一个环　

节即将传感器各通道的光谱响应函数代人辐射传输模型，通　

过卷积等处理，得到各通道等效辐亮度，实现传感器的在轨　

辐射定标。本文改进了常规的“反射率基法”，通过对表观辐　

亮度曲线的插值处理，省略了光谱响应函数计算这一环节，　

实现了超光谱成像仪在轨辐射定标。　

虽然利用插值方法可以得到超光谱成像仪各通道的定标　

收稿日期：２００９—１２—２２，修订日期：２０１０—０３—２６　基金项目：国际科技合作项目（２００８ＤＦＡ２１５４０），国防科技工业民用专项科研技术研究项目（０７Ｋ００１００ＫＪ），国家高技术研究发展计划项目　（２００６ＡＡ１２Ｚ１１３）和中国科学院遥感应用研究所所长奖学金资助　作者简介：高海亮，１９８２年生，中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室博士研究生　ｅ－ｍａｉｌ：ｊｌｕ　ｇｈｌ＠１２６．ｃｏｒｎ　＊通讯联系人　ｅ－ｍａｉｌ：ｘｆｇｕ＠ｉ

ｒｓａ．ａｃ．ｃｎ　３１５Ｏ　光谱学与光谱分析　第３Ｏ卷　

系数，但忽略光谱响应函数，必然会带来一定的误差。而国　

外针对已有的高光谱卫星，一般采用高斯型函数曲线作为高　

光谱传感器各通道的光谱响应函数。本文通过构建多种不同　

形状的光谱响应函数，详细分析了不同光谱响应函数对最终　

定标结果的影响。　

１方法　

超光谱成像仪在轨辐射定标以常规的场地定标方法为基　

础，主要包括地表反射率反演、大气参数测量、辐射传输计　

算、图像ＤＮ值提取及定标系数确定几个环节。其中在辐射　传输计算过程中，本文针对超光谱图像无光谱响应函数的特　

点，提出一种新的表观辐亮度计算方法，其他环节同常用的　

场地定标方法基本一致。　

１．１地表反射率反演　

场地定标方法依赖于辐射校正场地地表反射率测量。其　

中，场地实验区域的大小根据场地的地表特征、易到达程度　及卫星传感器自身的空间分辨率决定。本次实验，环境卫星　

超光谱成像仪的空问分辨率为１００　ｍ，选择的场地面积为　

５００　ｍＸ　５００　ｍ，测量时问为卫星过境前后１　ｈ。在卫星经过　

敦煌试验场时刻，采用ＡＳＤ进行地表反射率测量。ＡＳＤ光　

谱仪的辐射分辨率为１．４　ｎｌｎ，在１　０００￣２　５００　ｎｌＴｌ光谱范围　

内，其辐射分辨率为１０　ｎＩｎ。光谱仪输出数据经仪器自身的　

软件进行插值处理，在３５０￣２　５００　ｎｍ整个光谱范围内，以１　

ｎｒｎ的采样间隔输出其结果。测量时，首先对参考板进行连　

续４次测量，然后在参考板周边随机测量１６条地表光谱。不　

同测点的位置间隔为５０　１ＴＩ，分别位于５００　ｍＸ５００　ｍ实验场　

地内部。　测点反射率由地表测量光谱和参考板测量光谱共同决　

定。具体计算公式如下式所示　

ｒ、，１、　ＩＤ（　）一　若专　×Ｂ（　，　）　（１）　’　ｆ　ＬＡ，　其中Ｇ（Ａ）为地表测量光谱，ＰＯＤ为４次参考板测量的　

平均光谱，Ｂ（Ｏ，　）为参考板在太阳天顶角为时刻的绝对反射　

率函数，参考板在长时间使用过程中，其绝对反射率会发生　

衰减，在敦煌野外数据采集完以后，将采用的参考板进行实　

验室标定，得到不同入射角度下参考板的绝对反射率。利用　式（１），首先可计算出每个测点１６个地表光谱的反射率，进　

行均值处理，得到每个测点平均的地表反射率，将实验区域　所有测点的地表反射率进行归一化处理，其平均反射率即为　

敦煌场地卫星过境时刻地表反射率。　

１．２大气特征测量　

大气测量在地面光谱测量时间内同步进行，采用的仪器　

为ＣＥＭＥＬ公司生产的太阳光度计ＣＥ３１８和ＣＥ３１７。根据　

Ｌａｎｇｌｅｙ方法对光度计进行气溶胶反演，结合实地测量的大　

气压强及由臭氧监测网得到的实验场地上空当天的臭氧含　量＿１　，计算出过境当天５５０　ｎｍ的气溶胶光学厚度。　

１．３辐射传输计算　

将敦煌场地地表反射率及卫星过境时刻的大气气溶胶光　

学厚度输入大气辐射传输模型，可计算出超光谱成像仪各通　道的表观反射率和表观辐亮度。同常规的反射率基法相比，　

超光谱成像仪辐射定标的方法主要在辐射传输计算过程中有　

所差异。　当前，国际上在轨辐射定标主要采用的两种辐射传输模　

型为６ｓ和ＭＯＤＴＲＡＮ。其中，６ｓ的适用范围为０．３～４舯，　

仅适用于可见近红外波段；ＭＯＤＴＲＡＮ的适用范围为０．３～　

１００／ｌｍ，可计算从可见、近红外、中红外及远红外等范围的　

大气辐射传输过程。在利用６ｓ进行在轨辐射定标时，一般　

将传感器的光谱响应函数采样成２．５　ｎＩｎ间隔的光谱响应文　

件，输入到模型进行计算，直接计算出传感器各通道对应等　

效表观辐亮度；利用ＭＯＤＴＲＡＮ进行传感器定标，首先通　过输入各种地表和大气参数，模拟计算出某一区问范围的表　

观辐亮度曲线。然后将传感器各通道的光谱响应函数同表观　

辐亮度曲线进行卷积，计算得到传感器各通道对应的表观等　

效辐亮度。　

同上面两种方法相比，本文采用的辐射传输方法有所不　同　由于环境卫星超光谱成像仪无各通道的光谱响应函数，　

本文在辐射传输计算过程中，省略了光谱响应函数这一环　

节，具体方法如下：　首先将大气参数输人６ｓ模型，计算出光谱问隔为２．５　

ｎｍ的大气吸收透过率、太阳入射方向散射透过率、卫星观　

测方向散射透过率、大气程辐射等大气参数，然后将场地平　

均反射率重新采样成２．５　ｎｉｎ间隔，根据式（２）计算出２．５　ｎｒｎ　

间隔的表观反射率曲线，利用各通道中心波长，插值采样得　

到超光谱成像仪各通道对应的等效表观反射率值。最后利用　式（３），计算出各通道对应的表观辐亮度值　

ｌＤ　（　）：　（　）＋ｌＤ（　）・Ｖｇ（　）・ｒ十（　）・　ｒ‘（ｘ）／Ｅ１——１０（　）ｓ（Ａ）］　（２）　

式中，　为大气程辐射，‘０为地表反射率，　为大气吸收透　

过率，ｒ十为人射光经地表反射后到达卫星入瞳处的散射透过　

率，ｒ‘为太阳从大气层顶到达地表时的大气散射透过率，ｓ　

为大气半球反射率，ｐ　为卫星人瞳处表观反射率。　

表观辐亮度Ｌ　同表观反射率ｐ　的转换公式如下　

ｒ　：：　！　笪　垒　ｆ３、　～　ａ－・ｄ　…　其中，　为太阳天顶角，Ｅ为超光谱成像仪各通道对应的太　

阳等效辐亮度，　为日地距离修正因子，采用如下经验公式　

得到。　２　ｄ　一ｆ　１≈＞：（ｎ　ｃｏｓｒｌｔ十　ｓｉｎｎｔ）　（４）　＼　，　一ｎ＝０　式中，其中ｒｏ为ＦＩ地平均距离，ｒ为观测日期日地距离，ｎ　

和ｂ　为计算系数，如表１所示。　

Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｓｕｎ－Ｅａｒｔｈ　

ｄｉｓｔ

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