遥感载荷综合定标方法及装置与流程

1.本发明涉及遥感技术领域，尤其涉及一种遥感载荷综合定标方法及装置。


背景技术：

2.在卫星遥感载荷在轨运行期间进行辐射定标，是确保其辐射测量精度与稳定性以及保证定量化遥感产品质量与可靠性的首要措施。太阳反射谱段遥感载荷的在轨辐射定标方法包括星上定标、场地替代定标以及交叉传递定标等多种途径。
3.然而，不同定标方法存在各自的优势和问题。星上定标依靠同平台搭载的定标源或定标器，能够提供相对稳定的定标参考，也具备相对高频次定标能力，因而被广泛应用于诸如modis、sentinel-2/msi等光学遥感载荷的在轨辐射定标中，近年来我国发射的遥感卫星也相继搭载了在轨星上定标装置，但是，星上定标装置也同样面临着卫星遥感载荷在太空运行环境下自身性能衰减的问题，尽管采用冗余设计或者利用额外的监测仪器一定程度上能反映衰减情况，但严格意义上来讲，其核心的辐射定标传递链路已经断裂，难以实现向实验室基准的追溯。
4.场地替代定标通常在均匀稳定的定标场开展，利用实验室计量的设备测量地表及大气信息，进一步通过大气辐射传输模拟的方式获得卫星观测辐亮度或反射率。该方法以其可溯源的能力得到国内外的广泛应用，目前国际上还建立了自动辐射定标场网(radcalnet)，在全球范围内找寻固定场点并部署自动化观测设备，以获得不同区域背景下的辐射定标参考。根据测量参数的差别，场地替代定标也有着反射率基法、辐照度基法、辐亮度基法等不同方法，但总体而言，由于定标链路较长、影响因素较多，导致不确定性较大。
5.交叉定标主要选用所认可的具备高精度辐射测量的卫星载荷作为参考，利用其与待定标卫星载荷同步观测地表数据，对其它卫星载荷进行定标。尽管当前所使用的参考卫星自身定标精度仍难以实现量级上的突破，这一点随着欧洲、美国、中国的空间辐射基准卫星计划的实施与发展，有望实现空间辐射基准的传递定标，从而在定标精度以及溯源能力上得到很大提升。但参考卫星或辐射基准卫星在固定轨道上运行，与其它卫星轨道交点多集中于两极地区且考虑到卫星重访及载荷幅宽的影响，对于部分卫星适用性较差，这仍是交叉传递定标面临的巨大问题之一。
6.以上描述了不同在轨定标技术的技术特点。不可避免地，不同定标方式获取的定标结果会出现偏差，甚至该偏差超出了理论不确定性所描述地范围。当前大多数定标多采用单一定标方式，或者以某一定标方式为主，利用其它方式进行验证与分析。由于定标工作除了给出载荷观测的电信号与实际所代表物理量之间的确定关系之外，更主要的是需要给出合理的不确定性。因此，如何将不同定标方式的结果综合分析，得到合理的定标结果及不确定性仍是技术难题。


技术实现要素：

7.(一)要解决的技术问题
8.有鉴于此，本发明提供了一种遥感载荷综合定标方法及装置，用于解决或部分解决上述问题。
9.(二)技术方案
10.本发明一方面提供了一种太阳反射谱段遥感载荷综合定标方法，包括：根据至少两种独立定标方式确定每种独立定标方式对应的遥感载荷的卫星观测信号值、遥感载荷的辐亮度和/或反射率以及辐亮度和/或反射率的定标不确定性；根据定标不确定性确定每种独立定标方式的定标权重系数；根据卫星观测信号值、辐亮度和/或反射率和定标权重系数确定综合定标系数；根据定标不确定性和定标权重系数确定综合定标方法的综合定标不确定性。
11.可选地，根据定标不确定性确定每种独立定标方式的定标权重系数之前，综合定标方法还包括：根据卫星观测信号值和辐亮度和/或反射率得到关于卫星观测信号值的第一拟合关系；根据第一拟合关系对定标不确定性进行修正，得到修正后的定标不确定性。
12.可选地，根据定标不确定性确定每种独立定标方式的定标权重系数包括：按照如下公式确定定标权重系数wi，
[0013][0014]
其中，n表示独立定标方式的数目；i表示其中一种独立定标方式；ui表示i代表的独立定标方式的定标不确定性。
[0015]
可选地，根据卫星观测信号值、辐亮度和/或反射率和定标权重系数确定综合定标系数包括：根据卫星观测信号值和辐亮度和/或反射率确定匹配点的第一集合，其中，匹配点的横坐标为卫星观测信号值，匹配点的纵坐标为辐亮度和/或反射率；根据横坐标、纵坐标以及定标权重系数确定第二拟合关系；根据第二拟合关系确定定标增益和定标偏置系数，其中，定标增益和定标偏置系数为综合定标系数。
[0016]
可选地，根据定标不确定性和定标权重系数确定综合定标方法的综合定标不确定性包括：按照如下公式确定综合定标不确定性u，
[0017][0018]
其中，n表示独立定标方式的数目；i表示其中一种独立定标方式；ui表示i代表的独立定标方式的定标不确定性；wi表示i代表的独立定标方式的定标权重系数。
[0019]
可选地，根据至少两种独立定标方式确定每种独立定标方式对应的遥感载荷的卫星观测信号值、遥感载荷的辐亮度和/或反射率以及辐亮度和/或反射率的定标不确定性之前，综合定标方法还包括：根据参考基准确定至少两种独立定标方式，独立定标方式之间的参考基准不同。
[0020]
综合定标方法可选地，根据横坐标、纵坐标以及定标权重系数确定第二拟合关系包括：采用加权最小二乘法处理横坐标和纵坐标，确定第二拟合关系，其中，加权最小二乘法采用定标权重系数作为权重。
[0021]
可选地，根据第二拟合关系确定定标增益和定标偏置系数包括：根据第二拟合关
系的斜率和截距分别确定定标增益和定标偏置系数。
[0022]
本发明另一方面提供了一种遥感载荷综合定标装置，包括：独立定标模块，用于根据至少两种独立定标方式确定每种独立定标方式对应的遥感载荷的卫星观测信号值、遥感载荷的辐亮度和/或反射率以及辐亮度和/或反射率的定标不确定性；独立定标权重系数计算模块，用于根据定标不确定性确定每种独立定标方式的定标权重系数；基于独立定标权重的综合定标系数计算模块，用于根据卫星观测信号值、辐亮度和/或反射率和定标权重系数确定综合定标系数；综合定标不确定性分析模块，用于根据定标不确定性和定标权重系数确定综合定标方法的综合定标不确定性。
附图说明
[0023]
图1示意性示出了本发明提供的遥感载荷综合定标方法的流程图。
[0024]
图2示意性示出了本发明提供的独立定标方式的技术方案图。
具体实施方式
[0025]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0026]
在太阳反射谱段的遥感载荷的在轨辐射定标方法的方法中，现有的星上定标、场地替代定标以及交叉传递定标等不同定标方式所选用的基准、使用的参数、定标过程、以及各环节不确定性等存在差异，在定标基准引入、关键参数测量、模型推算等一系列过程中，不可避免的引入系统或者偶然误差。本发明考虑仅采用单一定标方式，存在定标结果出现系统性偏差或者较大不确定性等问题，而利用多种定标途径，具有降低系统偏差以及总体不确定性的潜力。因此，本发明针对目前太阳反射谱段遥感载荷在轨绝对辐射定标中面临多途径定标方法相互独立且定标不确定性存在差异带来定标结果不一致的问题，基于独立定标结果，以独立定标不确定性以及如何有效合成的角度入手，提出了综合利用不同途径定标结果来提升太阳遥感载荷在轨绝对辐射定标精度的方法，称为综合定标方法。
[0027]
参见图1，图1示意性示出了本发明提供的遥感载荷综合定标方法的流程图。
[0028]
本发明一方面提供了一种太阳反射谱段遥感载荷综合定标方法，包括操作s101～s104：
[0029]
在s101，根据至少两种独立定标方式确定每种独立定标方式对应的遥感载荷的卫星观测信号值、遥感载荷的辐亮度和/或反射率以及辐亮度和/或反射率的定标不确定性。
[0030]
在s101之前，综合定标方法还包括：根据参考基准确定至少两种独立定标方式，独立定标方式之间的参考基准不同。即本发明中提及的独立定标方式是根据参考基准不同因而采用的定标手段不同的定标方式。参见图2，图2示意性示出了本发明提供的独立定标方式的技术方案图。这些独立定标方式主要是在轨辐射定标的中的参考基准、获取参数类型和方式以及算法的差异，主要分为基于场地的替代定标、基于参考卫星或基准卫星的交叉/传递定标以及基于星上参考源的定标。
[0031]
其中，基于场地的替代定标是以获取地表反射辐亮度/反射率信息以及同步大气信息为主，采用辐射传输模拟的方式得到理论上卫星高度(大气层顶，toa)所能观测的辐亮度/反射率，再利用理论toa辐亮度/反射率与卫星载荷观测信号值(dn)，得到定标系数，该
类方法又可进一步细分为反射率基法、辐照度基法、辐亮度基法等。
[0032]
基于参考卫星或基准卫星的交叉/传递定标则选择搭载有高精度参考载荷或辐射基准载荷的卫星为参照，利用待定标卫星与参照卫星交轨观测或者对地球稳定目标观测的数据，对参考载荷和待定标载荷进行必要的光谱匹配，以及在部分情况下进行卫星间观测角度、观测时空差异补偿等，得到待定标卫星的理论toa辐亮度/反射率，并进一步得到定标系数，该类方法包括面向高精度参考卫星的sno交叉定标方法、面向未来空间辐射基准卫星的基准传递定标方法、以及基于固定场地的传递定标方法等。
[0033]
基于星上参考源的定标则是利用待定标载荷直接观测星上漫反射板或者内置光源，由于漫反射板的反射率已知，内置光源的辐射照度和辐射亮度已知，直接建立载荷观测辐亮度/反射率与dn值的关系，得到定标系数。
[0034]
在本发明一具体的实施例中，在实施综合定标方法时，需要至少使用两种以上的独立定标方式。进一步地，为了减少独立定标方式可能存在的系统偏差或者较大的不确定性，可以使用两种以上不同大类的定标方式。
[0035]
太阳反射谱段的卫星遥感载荷定标，其核心在于获得载荷观测dn值与其对应的拥有明确物理含义的辐亮度或反射率，进而构建辐亮度或反射率与dn值之间的关系，一般在线性响应范围内，在完成了独立定标方式的选择之后，需要根据每种独立定标方式获取的数据计算得到对应于载荷dn值的辐亮度或反射率。
[0036]
针对不同类型的定标方式，辐亮度或反射率物理量的计算有所不同，以下针对典型方式进行描述：
[0037]
(1)反射率基法替代定标：在卫星过境同步时刻，利用地物光谱仪等测量均匀地表的反射率，并使用光度计或类似设备测量大气气溶胶和大气水汽含量，然后将地表和大气测量数据、卫星过境时刻、地表高程、卫星通道响应等输入大气辐射传输模型(例如modtran或者6s)，从而得到toa辐亮度或者反射率；
[0038]
(2)辐照度基法替代定标：整体过程与反射率基法类似，但在过程中需要测量天空漫射辐照度和总辐照度，从而进一步提升大气辐射传输过程的模拟精度；
[0039]
(3)辐亮度基法替代定标：在卫星过境的同时，使用飞机搭载经过精确定标的机载遥感载荷，在一定的海拔高度上，以与星载遥感载荷相同的几何观测角进行同步测量，并在修正卫星与飞机之间的大气影响差异之后，计算星载遥感载荷的toa辐亮度或反射率；
[0040]
(4)基于sno的交叉定标方法：通过约束参考卫星与待定标卫星之间对同一空间区域的观测时间和角度差异，选择近似同步观测数据，假定大气和地表参数在短时间内不会发生太大变化的条件下，对不同卫星进行光谱匹配，进而推演出待定标卫星所应观测的toa辐亮度或反射率；
[0041]
(5)基准传递定标方法：目前随着欧洲、美国以及中国的空间辐射基准卫星计划的不断实施，未来以基准卫星为参考的基准传递定标也采用类似交叉定标的方法，但其在光谱匹配以及空间精细补偿等方面存在部分差异；
[0042]
(6)基于固定场地的传递定标方法：对于非太阳同步轨道卫星或者窄视场载荷，难以与参考卫星载荷匹配足够数据满足交叉定标的要求，因此，利用某些固定的地表稳定场地，利用参考卫星构建场地toa辐亮度或反射率模型，再利用待定标卫星经过这些场地的观测参数，获得toa辐亮度或反射率；
[0043]
(7)星上定标方法：利用太阳或者内部定标灯为参考源，由于参考源以及传递过程中的参考板反射率已知，从而可直接获取载荷特定观测条件下的辐亮度或反射率。
[0044]
对于不同独立定标方法，根据其定标流程均有特定的不确定性评估方法。例如，在场地替代定标为代表的方法中，其不确定性通常由以下几方面构成：一是进行地表反射率或辐亮度、以及大气参数测量设备本身的不确定性，通常利用实验室定标方式获得；二是大气辐射传输过程的不确定性，通常采用蒙特卡洛方法，借助大气辐射传输模型获得。
[0045]
在基于参考卫星或基准卫星的交叉/传递定标方法中，其不确定性通常由以下几方面构成：一是参考载荷或基准载荷不确定性；二是参考载荷与待定标载荷光谱匹配的不确定性；三是时空差异或必要的时空转换与建模所带来的不确定性，可采用蒙特卡洛的方法进行建模仿真得到。
[0046]
在星上参考源定标方法中，其不确定性主要与星上定标源的稳定性相关，较为成熟的卫星通常会配有相应的监测设备，同时也可配备冗余装置来保证定标源稳定性。
[0047]
可选地，在s102之前，综合定标方法还包括：根据卫星观测信号值和辐亮度和/或反射率得到关于卫星观测信号值的第一拟合关系；根据第一拟合关系对定标不确定性进行修正，得到修正后的定标不确定性。例如，对toa辐亮度定标方法中，第i种方法第j次观测得到的dn值为dn
i,j
，对应的观测辐亮度为l
i,j
，第i种方法进行初始最小二乘拟合的关系为fi(dn)，该方法理论分析不确定性为ui，则定标不确定性进行修正包括如下步骤1～5：
[0048]
步骤1，利用初始最小二乘拟合关系计算每次观测的残差，残差值记为：
[0049]
ε
i,j
＝fi(dn
i,j
)-l
i,j
；
[0050]
步骤2，计算残差值的标准差，记为σi；
[0051]
步骤3，判断ε
i,j
的绝对值是否有超出3σi的观测，若有，则删除这些点，同时重新拟合得到更新后的fi(dn)，同时重复步骤1和步骤2，直至所有点均符合条件，从而得到修正后的拟合方程f'i(dn)，同时利用重新修正的方程更新每个观测残差ε'
i,j
；
[0052]
步骤4，计算重新拟合后每个观测的相对误差，相对误差定义为
[0053]ri,j
＝ε'
i,j
/l
i,j
；
[0054]
步骤5，判断r
i,j
是否在90％的置信度下符合ui的分布，若不符合，则调整ui，将其设置为r
i,j
的标准差数值。
[0055]
在s102，根据定标不确定性确定每种独立定标方式的定标权重系数。
[0056]
在本发明一实施例中，s102包括：按照如下公式确定定标权重系数wi，
[0057][0058]
其中，n表示独立定标方式的数目；i表示其中一种独立定标方式；ui表示i代表的独立定标方式的定标不确定性。遥感载荷综合定标方法的关键是如何确定独立定标结果在综合定标结果中所占的权重比例，本发明通过综合考虑独立定标方法在计算遥感载荷表观反射率全链路过程中的不确定性，并以此不确定性为独立定标方法的权重分量，以最大程度降低传统单一途径定标结果的不确定性，提升太阳反射谱段遥感载荷的在轨绝对辐射定标精度。
[0059]
在s103，根据卫星观测信号值、辐亮度和/或反射率和定标权重系数确定综合定标系数。
[0060]
在本发明一实施例中，s103包括：根据卫星观测信号值和辐亮度和/或反射率确定匹配点的第一集合，其中，匹配点的横坐标为卫星观测信号值，匹配点的纵坐标为辐亮度和/或反射率；根据横坐标、纵坐标以及定标权重系数确定第二拟合关系；根据第二拟合关系确定定标增益和定标偏置系数，其中，定标增益和定标偏置系数为综合定标系数。
[0061]
可选地，根据横坐标、纵坐标以及定标权重系数确定第二拟合关系包括：采用加权最小二乘法处理横坐标和纵坐标，确定第二拟合关系，其中，加权最小二乘法采用定标权重系数加权。加权最小二乘法是对原模型进行加权，使之成为一个新的不存在异方差性的模型的方法，本发明采用定标权重系数进行加权，以定标权重系数修正多种独立定标方式的影响，提高了定标的精度。
[0062]
根据第二拟合关系确定定标增益和定标偏置系数包括：根据第二拟合关系的斜率和截距分别确定定标增益和定标偏置系数。例如，在本发明另一实施例中，根据第二拟合关系确定定标增益和定标偏置系数包括：根据如下公式确定第二拟合关系，
[0063]
l＝g
l
·
dn+b
l
和/或ρ＝g
ρ
·
dn+b
ρ
[0064]
l代表辐亮度，ρ代表反射率，dn代表卫星观测信号值，g
l
代表辐亮度的定标增益，b
l
代表辐亮度的定标偏置系数，g
ρ
代表反射率的定标增益，b
ρ
代表反射率的定标偏置系数。通过该第二拟合关系，再根据第二拟合关系的斜率和截距分别确定定标增益和定标偏置系数。
[0065]
在s104，根据定标不确定性和定标权重系数确定综合定标方法的综合定标不确定性。在一实施例中，根据定标不确定性和定标权重系数确定综合定标方法的综合定标不确定性包括：按照如下公式确定综合定标不确定性u，
[0066][0067]
其中，n表示独立定标方式的数目；i表示其中一种独立定标方式；ui表示i代表的独立定标方式的定标不确定性；wi表示i代表的独立定标方式的定标权重系数。
[0068]
本发明另一方面提供了一种遥感载荷综合定标装置，包括：
[0069]
独立定标模块，用于根据至少两种独立定标方式确定每种独立定标方式对应的遥感载荷的卫星观测信号值、遥感载荷的辐亮度和/或反射率以及辐亮度和/或反射率的定标不确定性。在一实施例中，独立定标模块可以用于执行前文描述的操作s101，在此不再赘述。
[0070]
独立定标权重系数计算模块，用于根据定标不确定性确定每种独立定标方式的定标权重系数。在一实施例中，系数模块可以用于执行前文描述的操作s102，在此不再赘述。
[0071]
基于独立定标权重的综合定标系数计算模块，用于根据卫星观测信号值、辐亮度和/或反射率和定标权重系数确定综合定标系数。在一实施例中，权重模块可以用于执行前文描述的操作s103，在此不再赘述。
[0072]
综合定标不确定性分析模块，用于根据定标不确定性和定标权重系数确定综合定标方法的综合定标不确定性。在一实施例中，综合定标模块可以用于执行前文描述的操作s104，在此不再赘述。
[0073]
综上所述，本发明提出了一种太阳反射谱段的遥感载荷综合定标方法，该方法以单一途径的定标结果及其不确定性为参考，通过确定单一途径定标结果的权重系数来获取遥感载荷综合定标结果及其综合不确定性，以最大程度降低传统单一途径定标结果的不确定性，提升太阳反射谱段遥感载荷的在轨绝对辐射定标精度。
[0074]
以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。