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地球信息科学学报 >

2014 , Vol. 16 >Issue 4: 621 - 627

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2014.00621

国产遥感传感器大气层外波段平均太阳光谱辐照度计算

  • 张璐 , 1, 2 ,
  • 施润和 , 1, 2** ,
  • 徐永明 3 ,
  • 李龙 1, 2 ,
  • 高炜 1, 2
展开
  • 1. 华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室,上海 200241
  • 2. 华东师范大学环境遥感与数据同化联合实验室,上海 200241
  • 3. 南京信息工程大学遥感学院,南京 210044
*通讯作者：施润和(1979-),男,博士,副教授,主要从事定量遥感方面研究。E-mail：

作者简介：张 璐(1991-),女,硕士生,主要从事大气遥感方面研究。E-mail：

收稿日期: 2014-01-13

  要求修回日期: 2014-04-03

  网络出版日期: 2014-07-10

基金资助

国家自然科学基金项目(41201358)

上海市科委重点支撑项目(13231203804)

收起

Calculation of Mean Solar Exoatmospheric Irradiances of Several Sensors Onboard of Chinese Domestic Remote Sensing Satellites

  • ZHANG Lu , 1, 2 ,
  • SHI Runhe , 1, 2* ,
  • XU Yongming 3 ,
  • LI Long 1, 2 ,
  • GAO Wei 1, 2
Expand
  • 1. Key Laboratory of Geographic Information Science, Ministry of Education, East China Normal University, Shanghai 200241, China
  • 2. Joint Laboratory for Environmental Remote Sensing and Data Assimilation, ECNU and CEODE, Shanghai 200241, China
  • 3. Nanjing University of Information Science and Technology, School of Remote Sensing, Nanjing 210044, China
*Corresponding author: SHI Runhe, E-mail:

Received date: 2014-01-13

  Request revised date: 2014-04-03

  Online published: 2014-07-10

Copyright

《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

摘要

目前,我国大部分遥感传感器的大气层外波段平均太阳光谱辐照度(Mean solar exoatmospheric irradiances over band b,简称ESUNb)尚未公布,这给遥感图像表观反射率的计算带来了不便,在一定程度上影响了数据资料的应用和推广。本文基于已有官方ESUNb值的EO1/ALI、Terra/ASTER、QuickBird等多种中、高空间分辨率传感器,对9条常见的太阳光谱曲线进行比较分析。结果表明,WRC太阳光谱曲线最合适计算中分辨率传感器的ESUNb,而Wehrli太阳光谱曲线最合适计算高分辨率传感器的ESUNb。基于WRC太阳光谱曲线和Wehrli太阳光谱曲线计算,得到了ZY-1 02C/PMS相机、ZY-3/TLC相机和MUX相机,以及GF-1/WFV相机和PMS相机各波段ESUNb值,并对ESUNb值的不确定性进行了分析。结果显示,太阳光谱选取的不同,对ESUNb的取值会产生-1.94%至1.48%的偏差。本文使用多种卫星传感器交叉比较的方式确定了最佳的太阳光谱,给出了ZY-1 02C、ZY-3和GF-1等卫星搭载的遥感传感器各波段的ESUNb值,为这些国产卫星遥感数据的广泛应用提供便利。此外,本文所用方法简便易行,在其他新的遥感传感器上具有推广应用价值。

关键词： 大气层外波段平均太阳光谱辐照度; 太阳光谱曲线; 资源一号02C(ZY-1 02C); 资源三号; 高分一号

本文引用格式

张璐 , 施润和 , 徐永明 , 李龙 , 高炜 . 国产遥感传感器大气层外波段平均太阳光谱辐照度计算[J]. 地球信息科学学报, 2014 , 16(4) : 621 -627 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2014.00621

Abstract

Mean solar exoatmospheric irradiances over band b (ESUNb) is an important parameter for computing apparent reflectance. In recent years, ZY-1 02C, ZY-3 and GF-1 were launched and they have played an important role in land and resources survey as well as urban planning and construction. However, ESUNb values of these domestic remote sensing satellites have not been released publicly, and till now it causes difficulties in processing their DN values to the physical quantities. In order to calculate ESUNb values, Extraterrestrial Solar Spectral Irradiance and Spectral Response Function (SRF) are necessary. This paper aimed to calculate the unknown ESUNb based on a selection of optimal solar spectrum from nine released solar spectra, including ASTM-E490, WRC, Wehrli, etc. A number of medium spatial resolution and high spatial resolution sensors whose ESUNb had been officially released were chosen, such as EO1/ALI, Terra/ASTER, QuickBird, etc. Through calculating the mean absolute error (MAE) and the standard deviation of absolute error (SDAE) between the calculated ESUNb values and the officially released values for these sensors, WRC solar spectrum and Wehrli solar spectrum were selected as the optimal solar spectra for sensors with medium spatial resolution and high spatial resolution respectively. This is because WRC solar spectrum showed the least MAE (3.208 W·m2·μm-1) and Wehrli solar spectrum showed the least MAE (0.701 W·m2·μm-1) and SDAE (1.034 W·m2·μm-1). Based on WRC solar spectrum and Wehrli solar spectrum, ESUNb values of ZY-1 02C/PMS, ZY-3/Multispectral camera and Three-line array camera, GF-1/WFV and PMS were calculated and given accordingly. The resultant values were between the maximum and minimum ESUNb values for all the nine solar spectra. In addition, the uncertainty analysis was conducted and their relative biases due to the selection of different solar spectra were between -1.938% and 1.477%. Calculating ESUNb values in this way is simple and easy, because it can ensure the comparability of data between different remote sensors. This method can be applied to the other new remote sensing sensors so as to fully utilize their data.

Key words： mean solar exoatmospheric irradiances over band b; Exoatmospheric Solar Spectral Irradiance; ZY-1 02C; ZY-3; GF-1

1 引言

近年来,我国一批搭载高分辨率传感器的遥感卫星相继投入运行。它们在国土资源调查、地质环境、防灾减灾、农林水利、城市规划建设等领域发挥着重要的作用[1-6]。然而,这些传感器尚未提供大气层外波段平均太阳光谱辐照度资料,给遥感图像表观反射率的计算造成了不便,在一定程度上影响了卫星数据的应用和推广。
大气层外波段平均太阳光谱辐照度(ESUNb)是遥感应用中计算表观反射率的一个必不可少的参数[7-8]。根据某波段的ESUNb、太阳天顶角和日地距离可准确计算出该波段的大气顶层太阳辐照度,并结合辐射定标得到的该波段辐照度即可计算得到表观反射率。本文选择了9条常用的太阳光谱数据进行比较分析,参考已有官方ESUNb值的多种中、高分辨率遥感传感器,确定了适合计算遥感传感器ESUNb的太阳光谱曲线数据,并在此基础上,计算了ZY-1 02C、ZY-3和GF-1卫星遥感传感器各个波段的ESUNb值。

2 研究数据与方法

2.1 数据分析

(1)传感器的光谱响应函数
ZY-1 02C卫星搭载了2台高分辨率(HR)相机和1台中分辨率全色/多光谱(PMS)相机。由于HR相机缺乏官方提供的光谱响应函数资料,无法计算ESUNb值,本文暂不作讨论。PMS相机包含了全色波段(5 m分辨率)和绿、红、近红外波段(10 m分辨率)[9]。ZY-3卫星搭载了4台相机,其中,3台全色相机为三线阵立体测图(TLC)相机,能够获取正视(2.1 m分辨率)和前、后视(3.5 m分辨率)的全色影像,多光谱(MUX)相机包含了红、绿、蓝和近红外4个波段(5.8 m分辨率)[10]。GF-1卫星搭载了2台高分辨率(PMS)相机和4台中分辨率宽幅(WFV)相机,PMS相机包括篮、绿、红、近红外波段(8 m分辨率)和全色波段(2 m分辨率),WFV相机包括篮、绿、红、近红外波段(16 m分辨率)[11]。
受元器件特性的影响,传感器的每个通道在特定的光谱区间,对不同光谱辐射的响应能力有所差异[12]。光谱响应函数(Spectral Response Function,SRF)记录了传感器对辐射能量响应率随波长变化的状况,是卫星传感器的主要特性的之一[13]。图1给出了ZY-1 02C/PMS相机(4个波段)、ZY-3/TLC(3个波段)和MUX相机(4个波段)、GF-1/PMS相机1(5个波段)和WFV相机1(4个波段)的光谱响应函数。
Fig.1 Spectral response functions of different sensors

图1 传感器光谱响应函数

(2)太阳光谱
大气层外太阳光谱不受大气的影响,是计算传感器大气层外波段平均太阳辐照度的基础[14]。但由于测量仪器及方法的差别,现有多套太阳光谱曲线数据之间存在一定的差异[15]。本文选用了9条常用的太阳光谱曲线(6S、ASTM-E490、ASTM-G173、Chance、Kurucz、Neckel & Lab、Thuillier、Wehrli和WRC太阳光谱曲线)进行对比分析,以确定最合适计算ESUNb的太阳光谱。
6S太阳光谱为6S大气辐射传输模型中内置的太阳光谱曲线,光谱范围为0.25~4.0 μm;ASTM-E490太阳光谱由美国材料和试验协会(ASTM) 根据卫星、航天飞机、火箭探测、地基太阳望远镜等观测资料发布,光谱范围为0.12~1000 μm;ASTM-G173太阳光谱由ASTM通过SMARTS模式导出,光谱范围为0.28~4.0 μm;Chance太阳光谱来源于地面和气球观测资料[16],光谱范围为0.2~200 μm;Kurucz太阳光谱来源于理论模型和经验模型计算[17],光谱范围为0.2~200 μm;Neckel & Lab太阳光谱由Neckel和Labs基于对日盘中心绝对强度的观测资料发布[18],光谱范围为0.4~2.0 μm;Thuillier太阳光谱由Thuillier等人根据多次航空飞行观测资料发布[19],光谱范围为0.2~2.4 μm;Wehrli太阳光谱由Wehrli根据多条太阳光谱整合而成[20],光谱范围为0.20~3.0 μm;WRC太阳光谱由World Radiation Center机构根据地面和火箭观测数据发布,光谱范围为0.35~2.5 μm。上述太阳光谱曲线的波长范围虽然不同,但均已覆盖本文所研究的遥感传感器探测波段。

2.2 研究方法

传感器的ESUNb值可由太阳光谱曲线和传感器的光谱响应函数计算,如式(1)所示[21]。
ESU N b = ∫ λ 1 λ 2 E ( λ ) S ( λ ) dλ ∫ λ 1 λ 2 S ( λ ) dλ (1)
式中,ESUNb为大气层外波段平均太阳辐照度;λ1和λ2为积分波段范围的上下限波长;E(λ)为λ波长处大气层外太阳光谱辐照度;S(λ)为λ波长处光谱响应函数。
为了确定用于计算传感器ESUNb值的最佳太阳光谱曲线,采用官方已公布ESUNb值的若干遥感传感器,对9条太阳光谱曲线进行对比分析。考虑到GF-1/WFV相机为中等空间分辨率传感器,而ZY-1 02C/PMS相机、ZY-3/TLC相机ZY-3/MUX相机和GF-1/PMS相机为高空间分辨率传感器,因此,选用的传感器分为中、高空间分辨分辨率2种。其中,中分辨率传感器包括：EO-1/ALI (10个波段,全色波段分辨率为10 m,其余波段为30 m)、Terra/ASTER(8个波段,1-3波段分辨率为15 m,4-8波段分辨率为30 m)、Landsat7/ETM+ (5个波段,1-4波段分辨率为30 m,全色波段为15 m)、Landsat5/TM (1-4波段,分辨率为30 m)、CBERS02/CCD(5个波段,分辨率为19.5 m)、CBERS02B/CCD(5个波段,分辨率为19.5 m)、HJ-1A/CCD1(4个波段,分辨率为30 m);高空间分辨率传感器包括：GeoEye-1/CCD(共5个波段,全色波段分辨率为0.41 m,多光谱波段分辨率为1.65 m)、QuickBird/CCD(共5个波段,全色波段分辨率为0.61 m,多光谱波段为2.44 m)、Worldview-2/CCD全色和多光谱传感器(共9个波段,全色波段分辨率为0.46 m,多光谱波段为1.85 m),共计60个波段。
将9条太阳光谱的波长单位统一转换为μm,将太阳辐照度单位转换为W·m-2·μm-1,利用式(1)计算出各个波段ESUNb值。分别针对中、高空间分辨率传感器,以官方公布的ESUNb值为基准,计算绝对误差的平均值,即平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)与绝对误差的标准差(SDAE),综合选取最合适的太阳光谱曲线计算ZY-1 02C、ZY-3和GF-1卫星传感器的ESUNb值。

3 国产卫星传感器的ESUNb计算

3.1 太阳光谱数据的选取

图2给出了中分辨率和高分辨率两组传感器9条太阳光谱曲线计算的ESUNb的误差。对于中分辨率传感器,利用WRC太阳光谱数据计算得到的MAE值最小,为3.21W·m-2·μm-1;其次为6S和Wehrli,分别为3.63 W·m-2·μm-1和3.84 W·m-2·μm-1;Thuillier太阳光谱的MAE值最高,达到17.10 W·m-2·μm-1。而考虑SDAE时,ASTM-E490太阳光谱数据对应的值最小,为2.86 W·m-2·μm-1,WRC太阳光谱为4.45 W·m-2·μm-1。为了选取最优太阳光谱数据来计算中等空间分辨率传感器的ESUNb值,对WRC和ASTM-E490太阳光谱单独进行分析。对比发现ASTM-E490太阳光谱与官方标称值的差距整体较WRC太阳光谱曲线大,WRC太阳光谱只在EO-1/ALI传感器4′、5′ 波段与标称值差异较大,其余波段与标称值更接近。对于高空间分辨率传感器,利用Wehrli太阳光谱数据计算得到的MAE值远小于其他太阳光谱,为0.70 W·m-2·μm-1;其次是WRC和ASTM E490,分别为2.22 W·m-2·μm-1和2.56 W·m-2·μm-1;而Chance和Thuillier太阳光谱的MAE值最高,达到了18.28 W·m-2·μm-1和18.31 W·m-2·μm-1。同时,Wehrli太阳光谱数据对应的SDAE值最小,为1.03 W·m-2·μm-1。
Fig.2 Differences between the simulated ESUNb of 9 solar spectra and the official ESUNb

图2 9条太阳光谱曲线计算ESUNb值的误差

3.2 国产卫星传感器的ESUNb计算

据上述验证结果,选用WRC太阳光谱数据计算GF-1/WFV的ESUNb值,选用Wehrli太阳光谱数据计算ZY-1 02C/PMS、ZY-3/MUX、ZY-3/TLC和GF-1/ PMS的ESUNb值,结果如表1-3所示。
Tab.1 The ESUNb values of ZY-1 02C/PMS

表1 ZY-1 02C/PMS的ESUNb值

波段 ESUNb(W·m-2·μm-1)
Band1 1458.01
Band2 1838.90
Band3 1539.99
Band4 1085.64
Tab.2 The ESUNb values of ZY-3/MUX and TLC

表2 ZY-3/MUX、TLC的ESUNb值

传感器 波段 ESUNb(W·m-2·μm-1)
MUX Band1 1955.958
Band2 1853.249
Band3 1546.357
Band4 1084.631
TLC前视相机 1504.762
TLC正视相机 1510.274
TLC后视相机 1499.119
Tab.3 The ESUNb values of GF-1/WFV and PMS

表3 GF-1/WFV、PMS的ESUNb值

波段 ESUNb(W·m-2·μm-1)
WFV1 WFV2 WFV3 WFV4 PMS1 PMS2
Band1 1968.602 1955.06 1956.562 1968.049 1942.446 1942.8
Band2 1848.374 1846.669 1840.065 1840.845 1851.985 1851.718
Band3 1571.096 1568.999 1541.017 1540.363 1540.964 1541.955
Band4 1078.981 1087.838 1084.041 1069.577 1079.954 1081.075
PAN - - - - 1370.338 1374.908

3.3 ESUNb值的不确定性分析

为了分析不同的太阳光谱曲线对计算ESUNb值造成的不确定性,分别利用9条太阳光谱曲线计算了ZY-1 02C/PMS、ZY-3/MUX、ZY-3/TLC、GF-1/PMS和GF-1/WFV各个波段的ESUNb值,并列举了每个波段ESUNb值的最大值和最小值,如表4-8所示。
Tab.4 The maximum and minimum ESUNb values of ZY-1 02C/PMS (W·m-2·μm-1)

表4 ZY-1 02C/PMS ESUNb最大和最小值(W·m-2·μm-1)

波段 最大值 最小值
Band1 1462.581(Kurucz) 1443.836(Thuillier)
Band2 1849.469(Kurucz) 1809.399(Thuillier)
Band3 1546.973(Kurucz) 1524.420(Thuillier)
Band4 1089.208(6S) 1072.719(Thuillier)
Tab.5 The maximum and minimum ESUNb values of ZY-3/ MUX and TLC (W·m-2·μm-1)

表5 ZY-3/MUX、TLC ESUNb最大和最小值(W·m-2·μm-1)

传感器 波段 最大值 最小值
MUX Band1 1985.228(Thuillier) 1929.896(Chance)
Band2 1860.484(Kurucz) 1824.861(Thuillier)
Band3 1551.535(Kurucz) 1528.129(Thuillier)
Band4 1088.085(6S) 1071.494(Thuillier)
TLC前视相机 1511.795(Kurucz) 1492.309(Thuillier)
TLC正视相机 1517.039(Kurucz) 1497.934(Thuillier)
TLC后视相机 1506.065(Kurucz) 1486.747(Thuillier)
Tab.6 The maximum and minimum ESUNb values of GF-1/WFV 1 and WFV 2 (W·m-2·μm-1)

表6 GF-1/WFV 1、2 ESUNb最大和最小值(W·m-2·μm-1)

波段 WFV1 WFV2
最大值 最小值 最大值 最小值
Band1 1996.626(Thuillier) 1930.455(Chance) 1978.770(Thuillier) 1923.869(Chance)
Band2 1854.094(Kurucz) 1818.777(Chance) 1853.250(Kurucz) 1816.156(Thuillier)
Band3 1572.553(Kurucz) 1548.074(Thuillier) 1570.582(Kurucz) 1546.325(Thuillier)
Band4 1081.953(6S) 1064.252(Thuillier) 1091.132(6S) 1075.322(Thuillier)
Tab.7 The maximum and minimum ESUNb values of GF-1/WFV 3 and WFV 4 (W·m-2·μm-1)

表7 GF-1WFV 3、4 ESUNb最大和最小值(W·m-2·μm-1)

波段 WFV3 WFV4
最大值 最小值 最大值 最小值
Band1 1979.535(Thuillier) 1920.176(Chance) 1997.109(Thuillier) 1934.138(Chance)
Band2 1848.906(Kurucz) 1808.804(Thuillier) 1848.263(Kurucz) 1810.212(Thuillier)
Band3 1545.114(Kurucz) 1524.958(Thuillier) 1544.553(Kurucz) 1524.561(Thuillier)
Band4 1085.703(6S) 1069.152(Thuillier) 1073.815(6S) 1054.761(Thuillier)
Tab.8 The maximum and minimum ESUNb values of GF-1/PMS (W·m-2·μm-1)

表8 GF-1 PMS ESUNb最大和最小值(W·m-2·μm-1)

波段 PMS1 PMS2
最大值 最小值 最大值 最小值
Band1 1966.811(Thuillier) 1920.460(Chance) 1967.309(Thuillier) 1920.730(Chance)
Band2 1859.171(Kurucz) 1822.607(Thuillier) 1858.840(Kurucz) 1822.157(Thuillier)
Band3 1547.010(Kurucz) 1523.189(Thuillier) 1547.961(Kurucz) 1524.103(Thuillier)
Band4 1083.241(6S) 1066.547(Thuillier) 1084.330(6S) 1067.720(Thuillier)
PAN 1373.125(6S) 1358.900(Chance) 1377.639(6S) 1363.494(Thuillier)
从表4-8可看出,使用不同的太阳光谱曲线,计算得到的ESUNb值存在一定的差异。不论是中等空间分辨率传感器还是高空间分辨率传感器,ESUNb最大取值出现在Thuillier、Kurucz和6S 3条太阳光谱曲线上,最小取值集中在Thuillier和Chance两条太阳光谱曲线上。本文所采用的WRC(用于中分辨率传感器)和Wehrli(用于高分辨率传感器)2种太阳光谱曲线计算得到的ESUNb值均介于两者之间。以文中计算的ESUNb值为标准,计算每个波段其余8个ESUNb值相对于该标准值的偏差百分比。结果显示,所有波段的偏差百分比在-1.94%至1.48%之间。
同时需要指出,光谱响应函数的不确定性也会为ESUNb的计算带来一定的误差。本文基于官方发布的光谱响应函数计算了ESUNb值,定标过程中的不确定性会在一定程度上影响各传感器波段光谱响应函数的精度。

4 结论

本文以多种中、高分辨率遥感传感器已发布的官方ESUNb值为参考,对9条常用的太阳光谱数据(6S、ASTM-E490、ASTM-G173、Chance、Kurucz、Neckel & Lab、Thuillier、Wehrli和WRC太阳光谱)计算得到的ESUNb值进行了比较分析。结果表明,宜对中、高空间分辨率传感器分别选用最佳太阳光谱曲线。对于中分辨率传感器,WRC太阳光谱的MAE值最低,为3.21W·m-2·μm-1,对于高分辨率传感器,Wehrli太阳光谱的MAE值最小,为0.70W·m-2·μm-1,即在两类传感器中,分别用WRC和Wehrli太阳光谱曲线计算得到的ESUNb值与官方发布的标称值最为接近。
基于WRC太阳光谱和Wehrli太阳光谱,以及ZY-1 02C、ZY-3和GF-1卫星传感器各波段的光谱响应函数计算得到了ZY-1 02C/PMS相机、ZY-3/MUX相机、ZY-3/TLC相机、GF-1/ PMS相机和GF-1/WFV相机各个波段的ESUNb值,为相应遥感数据的应用和推广提供了便利。此外,对9条太阳光谱曲线下各卫星传感器的ESUNb值进行了不确定性分析。结果显示,不同太阳光谱下ESUNb值的偏差百分比在-1.94%至1.48%之间。
本文使用多种卫星传感器交叉比较的方式来确定ESUNb值,计算方法简便易行,可尽量保证不同遥感传感器数据之间的可比性,在其他新的遥感传感器上具有推广应用价值。

The authors have declared that no competing interests exist.

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