引言

任何星载遥感仪器在轨使用期间,仪器性能上都存在不同程度的衰减。客观评价遥感仪器在轨衰减特性,及时调整定标系数,以便有效订正仪器衰减带来的误差,是一项十分必要的工作。FY-1C 已经在轨运行2 年多,已超过设计寿命,积累了连续两年多的遥感资料。科学分析、客观评价FY-1C 扫描辐射计可见光通道的衰减特性,有效订正衰减产生的误差,是FY-1C 遥感资料定量化应用中的关键一步。

一般在轨卫星遥感仪器的衰减分析及定标校验可以通过地面辐射校正观测试验来完成。中国已在敦煌建立了辐射校正场(CRCS),并完成了多颗国产卫星的外定标试验。受条件制约,辐射校正试验不能常年实时进行,给在轨卫星遥感仪器的性能监测和分析带来不便。近年来,美国利用白沙靶场等均匀稳定的高反照率下垫面作为参照物,对星载可见光、近红外通道遥感仪器进行在轨仪器性能监测和衰减订正试验,取得了很好的应用效果^[1]。国内直接利用长时间序列遥感数据的统计分析来完成遥感仪器通道衰减特性分析及衰减订正试验的工作,还不多见。这里我们以敦煌辐射校正场为分析区,统计分析了 FY-1C 可见光、近红外通道的衰减特性,进行了通道衰减订正试验。并将分析试验的结果与敦煌辐射校正场外定标的试验结果进行了对比分析,二者比较一致。衰减订正结果已通过国际互联网向用户提供,对今后FY-1C 可见光、近红外通道遥感资料的定量应用会有帮助。

1 FY-1C 可见光、近红外通道衰减特性分析

一般星载遥感仪器可见光、近红外通道的通道衰减特性分析都是以物理特性均匀稳定、反射率比较高的地表下垫面为参照物,分析相同观测条件下,对同一目标观测时,通道反射率测值随时间的变化。大部分地表下垫面目标物都具有非朗伯体特性,目标的反射具有方向性。卫星观测到的地表下垫面目标反射率的大小受太阳天顶角和卫星扫描角等物理量影响。在进行FY-1C 可见光、近红外通道衰减特性分析时,需要从卫星观测到的物理特性均匀稳定的地表下垫面目标分析区通道反射率测值中,滤除大气和地表非朗伯体特性的影响,有效提取仪器衰减产生的信号衰减变化量。数据分析处理时,选取敦煌辐射校正场5 km ×5 km 分析区,从地标导航精定位后的FY-1C 1A.5 数据中提取分析区样本数据集。表 1 给出了FY-1C 可见光、近红外通道的通道光谱宽度。

为了合理进行卫星扫描角订正,首先统计分析经过太阳高度角订正后晴空条件下的通道反射率测值随卫星扫描角的变化情况,尝试利用简单的统计订正方法进行相应的订正试验。以月为时间分析单元,选取不同卫星扫描角的晴空样本。得到FY-1C 各可见光、近红外通道2000 年逐月晴空条件下通道反射率测值随扫描角的变化曲线。星下点左右两个像素数为1024 和1025,大于1025 时,扫描角定义为正；小于1024 时,扫描角定义为负。这种定义条件下,卫星第3 轨观测到敦煌辐射校正场时,扫描角为正；卫星第2 轨观测到辐射校正场时,扫描角为负。样本分析结果表明:扫描角的绝对值小于10°接近星下点观测时,卫星通道反射率测值随扫描角变化不大；通道反射率随扫描角的变化特征因通道而异。因此在做FY-1C 可见光通道衰减分析时,尽量选取扫描角小于10°的近星下点观测资料。每月样本数过少时,通过订正处理方法来扩大样本数,使每月分析样本的数量不少于5 个,以保证分析样本统计意义上的代表性。图 1 和图 2 以通道1 为例简述了对第2 轨资料进行扫描角订正的过程,选取图 1 中用圆圈标出的分析样本统计回归得到图 2 中的拟合曲线,进一步订正可减少扫描角的影响。拟合分析时,相关系数达到 98.76 %。

卫星扫描角订正处理后,为了有效滤除大气等其它非仪器衰减变化引起的资料变化,采用分析资料月平均处理以及对月平均资料进行拟合订正的处理方法,根据长时间序列遥感资料统计回归分析原理,按通道分别拟合,进行大气订正处理。 可以根据数据的具体变化情况分别进行线性和非线性拟合。保留数据的脉动量,而订正其平均量。订正处理可以大大降低数据的离散度,有利于分析仪器的衰减特征。结合对数据所进行的云检测及滤波等处理后,实现分析数据的基本处理和质量控制。得到如图 4 所示的分析数据。图 3 为原始取样样本散点图,仅以通道1 为例。其它通道具有类似的离散分布特征,但没有显著的衰减现象。

通道衰减分析选取2000 年1 月到2001 年1 月完整的1 年时间段内,经质量控制等分析处理后的分析资料(如图 2 所示)进行。分别计算1 年时段内的通道衰减量、通道平均月衰减率和1 年分析时段内通道总的衰减率。分析结果如表 2 和表 3 所示。

通道衰减分析结果表明,FY-1C 扫描辐射计除通道1 衰减强烈外,其它通道的仪器性能比较稳定。通道1 衰减特性突变点为2000 年8 月21 日。衰减突变前,通道1 反射率月平均衰减率为0.07 %；突变后,通道反射率月平均衰减率为1.02 %。其它通道月平均衰减率除通道7 和通道8 分别为0.29 %和0.38 %外,均不超过0.2 %。

2 衰减订正试验

1999 年和2000 年两次外定标试验中,对敦煌辐射校正场地物波谱的实地观测结果表明敦煌辐射校正场地物波谱特征的一致性很好,两年间未见明显变化。通过对1999 年 7 月辐射校正场外定标同步观测数据进行的对比分析,可以从结果中看到除通道6 和通道9 以外,其它通道两种分析结果比较一致。与实际测量的地物波谱特性对比分析后可以断定FY-1C 通道6 和通道9 发射前的定标结果有些偏差,两个通道分别偏高和偏低。 FY-1C 可见光、近红外通道的衰减订正试验以1999 年7 月外定标结果为参考标准,进行各通道的衰减订正。通道反射率与通道记数值间的对应关系为:

其中N 为通道记数值,I₀ 为定标系数中的截距,g₀ 为定标系数中的斜率。I₀ 和g₀ 取 1999 年外定标结果。经上式转换可得各通道逐月星上记数值。FY-1C 白天轨道外空记数值很稳定,两年来,只有个别轨道短时间内发生过一个记数值的脉动。衰减订正定标系数计算时,取两年来,外空记数值分析样本的众数。一般定标分析时认为传感器对外空观测时,反射率测值为0,与分析数据结合,两点均满足定标方程,求解两元一次方程组可得新的订正定标系数为:

其中R₀ 为参考点通道反射率,在我们的工作中,取1999 年7 月7 日外定标观测到的各通道反射率测值经辐射传输计算后得到的入瞳表观反射率；N 为星上实时观测到的与外定标观测时间一致的计数值；N_s 为外空记数值,可从卫星存档1B 数据中读取。据此可以得到各通道月平均定标系数。

美国NOAA 卫星解决可见光、近红外通道衰减时,为便于应用,将定标系数的时变性,拟合为随时间变化的线性方程,得到随日计数而变的定标系数^[2]。参照NOAA 卫星的处理方法,将FY-1C 更新后的定标系数表示为线性时变关系,得到如下公式。

其中g 为各通道新定标系数的斜率；g₀为各通道1999 年7 月7 日外定标得到的参考定标系数中的斜率,是斜率衰减变化的参考值；δ_g(δ_t)为各通道随时间变量(δ_t)变化的斜率订正量。I 为各通道新定标系数的截距；I₀ 为各通道1999 年外定标得到的参考定标系数中的截距,是截距衰减变化的参考值；δI (δt)为各通道随时间变量(δt)变化的截距订正量。

δg(δt)和δI(δt)通过表 4 中的算式计算得到。

根据上面关系可以得到指定时间的订正定标系数。其中通道1 的分段定标系数拐点为2000 年8 月21 日。在上面公式中,δt 为时间变量,是从1999 年7 月算起的月累积计数或日累积计数两个变量的函数。也可从日计数出发换算得到。具体换算方法如下:

已知月、日时,设N_m 为从1999 年7 月为起始点累积的月数、M_d 为日数、I_dm 为当月总日数,δ_t =N_m +M_d/I_dm。例如,2000 年3 月25 日,时间变量可计算为δ_t =9 +25 31 =9.806。其中9 为从1999 年7 月记起的总月数,25 为3 月中的日数,31 为3 月当月总日数。

已知日计数I_d 时(例如已知I_d 为2001 年第184 日),时间变量计算如下

将δ_t 变量代入定标系数衰减订正计算公式,可得相应时刻的订正定标系数。

如上的衰减分析及订正试验,除通道1 以外,都是在对分析数据进行了一阶近似,只考虑了线性变化量,而忽略了非线性项的条件下得到的。仪器实际的衰减情况往往很复杂,一阶近似的处理方法会给分析结果带来误差,对FY-1C 通道1 的一阶近似衰减分析,就垫在这种情况。2000 年8 月通道1 衰减突变之后的订正,尝试使用了指数订正算法。 等积累到更长的分析资料时间序列时,可以进行进一步的多项式高阶近似分析。对于定量应用要求比较高的情况,可以根据实测资料,缩短分析数据的时间间隔,在短时段内一阶近似的精度要优于长时段内的一阶近似。可以改善衰减订正的效果。

3 衰减订正效果检验

图 5 是衰减订正前后通道1 敦煌分析区2000 年分析样本随时间的变化曲线。带+号的线为订正后的情况,圆点线为订正前的情况。可以看出,订正后敦煌分析区通道反射率测值随时间的变化趋于平缓,衰减被有效地订正了。衰减订正实验订正了长时间序列的平均变化量,而保留了时变数据的脉动量,一定程度上订正遥感仪器因通道衰减而产生的偏差。FY-1C 通道1 仪器衰减率突变的拐点为2000 年8 月21 日。长时间序列分析结果表明2000 年8 月21 日之前,通道衰减稳定,之后衰减率发生突变,逐渐增加。

表 5是2000 年敦煌辐射校正场外定标结果与在轨数据分析衰减订正结果的对比分析情况。结果表明,以在轨观测数据为基础,分析仪器衰减特征,可以得到与外定标结果比较一致的有效订正衰减量的效果。其中,通道1 和通道8 两种方法所得结果的一致性最好；通道10 两种方法所得结果的一致性稍差。

4 结束语

本文通过FY-1C 可见光、近红外通道的衰减分析及衰减订正试验,得到了各通道反射率衰减订正系数,通过定标系数的订正补偿,取得了一定订正效果。衰减分析最理想的特征区应为通道反射率测值比较高的均匀稳定下垫面。但我们只取到了下垫面特性为戈壁滩的敦煌分析区,敦煌分析区各通道的反射率测值并不很高,这会影响订正定标系数的有效适用范围。同时,星载遥感仪器的衰减有时会出现非线性特性,也会给我们得到的定标订正结果的外推使用带来误差。总之,星载遥感仪器的衰减分析及订正,应该逐步成为业务实时监测内容。有效跟踪分析,会保证实时订正的效果,保证遥感资料的定量应用精度。

致谢 在完成上述工作过程中得到卫星气象中心张玉香、戎志国、胡秀清、刘诚、蔡彬,FY-1C 图集资料处理组等许多同志的帮助和指导,在此一并致谢。