HJ-1卫星已在轨运行超过6年，远远超过其设计运行期限2年，但是由于HJ-1 CCD缺乏星上定标系统，因此亟须替代定标手段评估HJ-1 CCD传感器的辐射响应稳定性和衰减特性。虽然中国资源卫星应用中心(CRESDA)每年在敦煌定标场实施了场地替代定标(Jiang et al.，2010)，同时也有一些研究使用交叉定标手段对HJ-1 CCD的辐射特性进行了研究(Chen，Chen et al.，2013；Chen et al.，2010)，然而场地替代或者交叉定标手段的频次都较低，无法实现对传感器辐射响应特性的连续追踪。如以往的研究证明2009—2011年，仅可获得13景HJ-1A/1B CCD和Terra/MODIS同步影像进行交叉定标(Jiang et al.，2013)，即每年仅有3~4景有效定标的数据。因此，为了获取更有效的连续的HJ-1 CCD辐射响应特性的分析，本研究提出来一种基于稳定辐射定标场的连续观测数据的辐射特性定量评估方法。

图6-1展示了HJ-1A/1B CCD辐射响应特性定量分析方法流程图，整体思路为对于时序稳定的敦煌定标场，在精确模拟卫星接受到的辐射信号输入的前提下，输出影像信号的变化反映了传感器辐射响应水平的不稳定性。具体步骤如下:

1.遥感影像数据选择和处理

选取了2008年9月至2013年9月的所有覆盖敦煌定标场的HJ-1A/1B CCD数据，并通过以下筛选规则选择质量较好的影像数据:①由于敦煌定标场空间特性、时间特性和光谱特性都较为稳定，因此首先利用变异系数去除受到云、降雨和沙尘等天气影响造成的空间不均一影像。此时变异系数往往较高，通过设置阈值5%剔除(图6-2)；②利用最新发布的MODIS Collection 6(C6)Level 1B(L1B)产品筛选时序不稳定的影像。由于MODIS C6产品具有较高的辐射稳定性(Angal，Xiong，Choi et al.，2013)，同时敦煌定标场也是稳定的，因此在MODIS C6时序数据中的异常数据即表示该日的观测条件不稳定，需要剔除该日的HJ-1A/B CCD数据。获取了敦煌定标场的2009—2013年的408景清洁无云MODIS L1B数据，通过设定均值±3倍标准差作为筛选标准，超过3倍标准差即认为是异常数据。通过以上筛选规则，获取了较高质量的HJ-1A/B CCD数据集用于分析其时序辐射响应趋势，具体的数据集分布见表6-1。

为了限制长时序监测中由于观测几何变化引起的二向性反射不确定性，数据筛选时限制HJ-1A/1B CCD的观测天顶角为±31°，太阳天顶角为20°~60°。所选的数据通过几何校正(以Landsat TM数据为参考)，然后提取敦煌定标场区域的平均DN值作为传感器输出信号值用于后续分析。

图6-1　HJ-1A/1B CCD辐射响应特性定量分析方法流程图

表6-1　用于时序辐射响应趋势分析的HJ-1A/B CCD数据集

2.TOA辐亮度模拟

对于每一景HJ-1A/1B CCD影像，获取对应的地表反射率数据，观测几何参数和大气参数，利用6S辐射传输方程精确模拟相应的天顶辐亮度信号:

图6-2　敦煌定标场位置及空间稳定性分析(变异系数影像)

式中:ρTOA(θs，θv，ψ)为天顶反射率；ρpath(θs，θv，ψ)为受到瑞利和气溶胶散射引起的大气程辐射；T(θs)和T(θv)分别为大气下行(太阳-地表方向)和上行(地表-传感器方向)透过率；ρtarget为地表反射率数据(模拟过程中假设为地表朗伯体)；S为大气漫反射率。具体的辐射模拟输入参数包括:①敦煌地表反射率数据，②大气参数数据，③观测几何与传感器辐射响应函数。

(1)地表反射率数据

敦煌定标场由于其高度稳定的辐射特性被国际对地观测卫星委员会(CEOS)列为国际重要定标场之一，该区域地表和大气条件都较为稳定，气溶胶浓度水平较低，地表以砂石为主，反射率较稳定(Hu，Zhang et al.，2001；Cao et al.，2010；Gao et al.，2012)。因此，敦煌定标场非常有利于卫星传感器辐射特性的分析，并已经得到了较广泛的应用。例如，Helde等论证了敦煌场的时序稳定性在1 %左右，接近撒哈拉和阿拉伯沙漠场的精度水平(Helder，Basnet and Morstad，2010)。在NOAA/AVHRR，EOS/MODIS，FY-2B，CBERS-02B/CCD，HJ-1A/1B CCD，和HJ-1A HSI等传感器的辐射定标中得到了应用(Zhang et al.，2004；Jiang et al.，2010；Chen et al.，2010；Gao et al.，2012)，以及监测ATSR-2自1995—2000年的辐射衰减情况(Smith，Mutlow，and Nagaraja Rao，2002)和FY-3A MERSI 2008—2011年的辐射稳定性水平(Sun et al.，2012)。本研究利用经过二向性反射校正的MODIS MCD43C地表反射率产品进一步论证了敦煌定标场的辐射稳定性。图6-3展示了敦煌定标场自2009—2014年的MODIS MCD43C数据时序趋势图，以及多年平均的地表反射率数据。结果表明除去观测几何引起的季节性变化，敦煌定标场的MODIS反射率数据较为稳定，变异水平小于2 %，基本与以往研究结果一致(Hu，Liu et al.，2010；Helder，Basnet and Morstad，2010)。多年平均的地表反射率数据的标准差整体在1%以下，因此敦煌定标场的时序辐射稳定性可以作为传感器时序辐射特性分析的有力基础。

图6-3　(a)敦煌MODIS MCD43C数据时序趋势图；(b)敦煌多年平均实测地表反射率数据

因此，本研究所采用的地表反射率数据为利用多年现场实测地表数据集的平均值，包括1999年，2000年，2002年，2004年，2005年，2006年和2008年ASD FieldSpec Spectral Radiometers实测光谱数据，选取光谱范围为350~1000 nm，光谱分辨率为3 nm(China and Administration，2008)。同时采用了2009年8月26日和2011年8月的实测数据作为参考(Gao et al.，2010；Sun et al.，2012)。敦煌场可见光-近红外波段的反射率为18%~25%，该数据作为6S模拟的地表反射率数据输入。

(2)大气参数数据

6S辐射传输模拟输入的大气参数包括臭氧含量、水汽含量和气溶胶光学厚度。其中，臭氧数据是通过NASA Space-Based Measurement of Ozone and Air Quality网站获取的OMI卫星的三级产品，其分辨率为0.25×0.25°(http://ozoneaq.gsfc.nasa.gov)。水汽含量采用了Terra/MODIS Level 2水汽含量产品，分辨率为1km(Gao and Kaufman，2003)。由于敦煌场气象条件较稳定且水汽含量一般较低，因此可认为在HJ-1卫星和Terra/MODS过境时刻的水汽含量保持不变。气溶胶光学厚度(AOD)是影响卫星天顶辐亮度精度的关键因素。由于缺乏长时序的与HJ-1过境时刻同步的气溶胶现场实测数据，因此本研究采用了Aqua/MODIS Collection 6“Deep Blue”气溶胶产品(http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)作为6S模拟中气溶胶参数的输入(Sayer et al.，2013)。

MODIS C6 DB气溶胶产品采用了最新的针对量地表的蓝光波段反射算法(Hsu et al.，2006)，并已经在我国西北和北非沙漠地区进行了验证(Xie et al.，2011，Li，Xia et al.，2012，Shi et al.，2012)，其中75%左右的产品误差在30%以内。本研究利用敦煌场附近气溶胶自动观测站(AERONET)(http://aeronet.gsfc.nasa.gov/)的实测数据对敦煌场的MODIS气溶胶产品进行了验证。共获取了Dunhuang和Dunhuang_LZU两个站点的44对与MODIS气溶胶产品同步的数据，如图6-4，结果显示MODIS AOD和AERONET AOD数据高度相关，采用全部数据进行分析其相关性为0.88，而只采用质量等级为3的数据时，相关系数可达到0.92。同时两者的拟合斜率为0.96，非常接近1，RMSE为0.17，因此，MODIS气溶胶产品的数据质量在敦煌场可以满足研究的需求。

图6-4　利用AERONET实测数据的MODIS气溶胶产品验证

图6-5(a)显示出MODIS AOD和AERONET AOD数据的平均偏差为20%左右，由于敦煌场多年平均的AOD为0.3，因此AOD的不确定性水平约为0.3±0.06。图6-5(b)给出了敦煌场多年AOD数据的直方图分布，其中超过80 %的数据分布小于0.3。因此，采用了辐射传输误差传递方法模拟了由于AOD的不确定性引起的TOA辐亮度的误差。图6-5(c)显示了AOD的不确定性在蓝光波段对天顶辐亮度的影响最大，在近红外波段影响最小。当AOD由0.3变化到0.5，蓝光波段和近红外波段的辐亮度误差分别约为4%和2%。因此考虑到敦煌场气溶胶的低变异水平，本研究认为由于气溶胶产品不确定性引起的模拟误差小于5%。类似地，由于水汽和臭氧含量的不确定性评估也表明对辐射传输模拟的误差影响小于1%。

因此，采用了上述大气参数数据，以及每一景影像的观测几何，利用6S辐射传输模拟实现了HJ-1A/1B CCD天顶辐亮度的模拟:

式中:LTOA为模拟的传感器接收到的辐射信号；DN为影像的输出信号值；Ldark(λ)为传感器的背景噪声信号。利用公式(6-3)可以计算每一景影像观测时刻的传感器辐射响应系数R(λ)(DN/W/m2/sr/μm)，并通过进一步的趋势分析获得传感器的响应变化特性。

图6-5　MODIS AOD产品精度引起的辐射不确定性误差(实线:辐亮度；虚线:相对误差)(www.daowen.com)

3.辐射衰减趋势拟合

为了获取有效的传感器辐射响应变化趋势，必须去除或者抑制由于时序观测中观测几何变化引起的二向性反射问题(BRDF)。由于缺乏大量的实测数据分析敦煌场的二向反射物理特性，并且其物理特性会随着时间存在变化，因此物理校正模型无法适用(Latifovic，Cihlar and Chen，2003；Cihlar et al.，1997)。本研究为了减小二向反射问题对时序趋势分析的影响，采用了一种核驱动的半经验二向反射校正模型(Roujean，Leroy and Deschamps，1992)，通过该模型对长时序的观测数据进行光照和观测几何的归一化校正。模型中将辐射响应系数分解为三个分别描述同样散射、几何阴影和体散射的内核的多元线性方程:

式中:f1和f2为受到观测几何影响的核函数(Roujean，Leroy and Deschamps，1992；Latifovic，Cihlar and Chen，2003)。为了获取回归系数α0，α1和α2，利用最小二乘法获取模拟和实测的辐射响应系数的最小差异作为基准，通过大量的观测数据解析公式(6-4)，获取校正后的辐射响应系数，其中i代表影像的自发射之日算的天数。利用BRDF校正后的长时序传感器辐射响应系数，利用线性分析和统计方法获取其时序变化趋势:

式中:Days(i)表示卫星在轨运行的天数；slope和intercept为拟合的传感器时序辐射响应系数的斜率和截距，表征传感器是否发生了衰减。利用统计学显著性分析方法Student's ttest对斜率是否为0进行了显著性分析。其原假设为斜率为0(H0:slope＝0)，即辐射特性未发生衰减。将检验P值分别设定为5%，1%和0.1%。若P值小于0.05，则否定原假设，即传感器存在衰减变化。

图6-6为HJ-1A/1B CCD自2008年9月到2013年9月的辐射响应系数变化趋势图(BRDF校正前)。受到太阳天顶角和观测几何变化的综合影响，原始的未经BRDF校正的时序辐射响应系数趋势中存在典型的季节性变化特征，变化周期约为一年，在夏季太阳天顶角最小的时候达到峰值，在秋冬季得到谷值。类似的季节性波动趋势也在MODIS和Landsat 7 ETM+等传感器的时序数据中得到论证(Angal，Xiong，Choi et al.，2013)，由于综合受到太阳光照条件和观测几何的影响。同样，本研究中在MODIS MCD43C时序数据中也发现了类似的趋势(图6-3)。HJ-1A/1B CCD由于是宽视角扫描成像，因此其观测天顶角变化范围达到0°~30°，选取的数据的太阳天顶角的变化范围为20°~60°。因此，HJ-1A/1B CCD时序数据的BRDF效果综合了太阳天顶角，卫星天顶角和相对方位角的变化因素影响。

图6-6　HJ-1A/1B CCD的辐射响应系数变化趋势(BRDF校正前)

图6-7显示了经过BRDF校正的HJ-1A/1B CCD传感器自卫星发射之后的在轨运行长时序辐射响应系数变化趋势，以及各个传感器各个波段的时序系数的线性拟合结果。结果显示HJ-1A/1B CCD的辐射响应水平均出现了不同程度的衰减趋势，整体的衰减斜率在-10-5~-10-4范围内。整体上，蓝光和绿光波段辐射衰减的趋势较为严重，红光和近红外波段的辐射衰减相对较小。HJ-1B CCD的绿光波段表现出斜率为-0.0001的衰减趋势，而HJ-1A CCD的红光波段的衰减斜率仅为-2×10-6。HJ-1A/1B 4个CCD传感器的辐射衰减趋势存在显著差异，同时由于各个波段的斜率都较小，其截距差异也暗示了不同传感器辐射特性的差异。因此，虽然4个CCD按照相同的用途设计，并在实际的遥感监测中互相补充，然而由于其辐射特性和辐射衰减的不一致性，需要在定量遥感应用中进行校正。

图6-7　HJ-1A/1B CCD的辐射响应系数变化趋势(BRDF校正后)

表6-2进一步展示了传感器辐射响应趋势的统计分析结果，包括拟合斜率，年平均衰减百分比以及T-检验结果。结果显示蓝光波段的衰减最为严重，年平均衰减为2.8 %~4.2%，因此从发射起到2013年，总体最大衰减约达到10%以上。HJ-1B CCD2的蓝光波段衰减最严重，多年衰减比例约为15%。各个CCD红光波段衰减的比例为0.7%~3.1%，相对较为稳定。在4个CCD传感器中，HJ-1A CCD1相对最为稳定，其四个波段的衰减百分比分别为2.8%，2.8%，0.7%和0.9%，而HJ-1B CCD1衰减最剧烈，四个波段的衰减百分比分别达到3.5 %，4.2 %，2.3 %和3.4 %。BRDF校正前后的衰减趋势基本一致，但BRDF校正后更有效地突出了辐射响应系数的线性趋势。

表6-2　HJ-1A/1B CCD的辐射响应系数统计表

*Significant at p＜0.05.**Significant at p＜0.01.***Significant at p＜0.001.

考虑到敦煌定标场长时序的辐射稳定性，由于场地反射率数据引起的辐射模拟误差约为1%(Cao et al.，2010)。由于本研究在数据选择的时候将观测几何尽可能地限制在一定的范围内，因BRDF不确定性引起的误差约为5 %(Wang，Xiao et al.，2013)，同时BRDF半经验模型校正的误差RMSE集中在-0.05~0.05之间(图6-8)。6S辐射传输模型的误差约为1%(Kotchenova et al.，2006)。

表6-3列出了辐射响应特性分析中的各种不确定性误差来源及影响，其总误差水平在6%~7%之间。

图6-8　BRDF校正残差分布图

表6-3　辐射传输模拟不确定性分析表

利用HJ-1A/1B CCD每年在敦煌定标场的现场实测定标结果，进一步评价了本研究方法的有效性。由于基于敦煌场的实测定标每年进行一次，因此共获取了从4个CCD的20对匹配的数据集实现交叉验证。图6-9显示了两者存在高度的相关性和一致性，相关系数接近1，拟合斜率也非常接近1。两者的平均相对误差从蓝光波段到近红外波段分别为2.48%，4.54%，2.97%和5.18%(表6-4)。通过实测数据验证的精度远高于上述基于理论分析的误差结果(7.3%，6.7%，6.1%，6.1 %)。因此本研究的精度可与现场实测定标的精度相当，可为传感器的辅助辐射定标和长时序传感器的辐射稳定性监测提供有力支撑。

图6-9　基于现场定标系数的交叉验证结果

表6-4　本研究结果与现场定标结果系数的相对偏差分析表

续表