一种用于反射太阳波段的多场地定标跟踪方法与流程

1.本发明涉及卫星气象技术领域，具体为一种用于反射太阳波段的多场地定标跟踪方法。


背景技术：

2.定量遥感对遥感器的辐射性能敏感，因此，遥感器定标是进行卫星定量遥感应用的前提之一，反射太阳波段(rsbs)的在轨响应变化显著，特别是波长小于500nm的短波波段，必须予以有效的监测和订正。
3.定期和可靠的星上绝对定标可以保证遥感器的辐射测量质量(良好的精度和稳定度)，但目前大多数反射波段的遥感仪器尚不具备在轨可定期工作且溯源到发射前或是国际标准(si)的星上定标设备。
4.反射太阳波段的在轨定标与监测方法有很多，包括基于均匀定标场采用辐射传输模型和同步现场测量参数或者其他来源参数的替代定标、利用高亮的均匀稳定目标(如沙漠、冰川和深对流云)进行辐射跟踪、利用月亮目标的辐射跟踪以及基于参考遥感器或者波段的交叉定标，其中，尽管基于中国遥感卫星辐射校正场(crcs)的替代定标平均精度可达3％，但是一年一次的有限定标次数远不能满足在轨定标系数更新的需求，为此，我们提出一种不依赖于同步现场测量的用于反射太阳波段的多场地定标跟踪方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于反射太阳波段的多场地定标跟踪方法，为了提高定标频次并监测fy-4a多通道扫描成像辐射计(agri)的辐射响应变化，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于反射太阳波段的多场地定标跟踪方法，包括如下步骤：
7.s1：数据预处理；
8.s2：辐射传输模拟；
9.s3：定标校验计算；
10.s4：响应衰减计算。
11.作为优选，在s1数据预处理时，读取所选场地周边n
×
n个像素点范围的dn值进行计算，并以选定通道dn值标准差/平均值为基准，剔除值大于0.02的数据。
12.作为优选，在s1数据预处理时，计算耀斑角并剔除耀斑角＜40
°
的观测数据。
13.作为优选，在s1数据预处理时，将太阳天顶角＞70
°
和观测天顶角＞60
°
的观测数据进行剔除处理。
14.作为优选，在s2辐射传输模拟时，使用矢量辐射传输模型6sv计算晴空目标区的光谱辐射。
15.作为优选，在6sv计算时，采用modtran计算的大气透过率对6sv的结果进行大气层
顶反射率的吸收订正。
16.作为优选，对6sv计算模拟结果进行日地距离校正和太阳天顶角余弦校正。
17.作为优选，在s3定标校验计算时，利用6sv模型计算得到的大气层顶表观反射率与卫星观测经定标处理得到的反射率计算定标校验系数：
[0018][0019]
其中为模拟的大气层顶表观反射率，为观测的经定标处理得到的等效到日地平均距离和太阳位于天顶时的表观反射率，i表示第i通道，solz为太阳天顶角，d为日地天文单位距离，slopei为第i通道的定标校验系数；
[0020]
并利用所有场地数据拟合得到给定定标周期内的定标校验系数，并累积其时间序列。
[0021]
作为优选，定标周期可选5天。
[0022]
作为优选，基于定标校验系数时间序列，采用多项式模型，如二次多项式建立定标校正时变模型，描述定标校验系数的长期变化趋势：
[0023]
slopei＝fun1(dsl)＝a1idsl a2idsl2 a3i[0024]
其中，dsl为自发星日起的日计数，a为定标校正时变模型系数。
[0025]
作为优选，在s4响应衰减计算时，若为观测的经发射前定标处理得到的反射率，则定义第i个通道的归一化辐射响应为nresponsei＝a3i/slopei,描述遥感器辐射响应的衰变表示为：
[0026]
nresponsei＝fun2(dsl)＝c1idsl c2idsl2 c3i[0027]
其中，c为辐射响应时变模型系数。计算得出遥感器辐射响应的平均年衰变率可为：
[0028]
annualratei＝(fun2(0)-fun2(dsl))*365/(dsl)。
[0029]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0030]
本发明区别于现有技术，提高了在轨定标校验频次，可以满足有效监测仪器在轨长期响应衰减和在轨定标系数更新的需求，且该方法以稳定目标物的辐射传输模拟值作为基准，通过比对模拟值与观测值计算定标校正系数，并基于定标校正系数的长期趋势分析建立定标校正系数更新模型。
附图说明
[0031]
图1为本发明fy-4a/agri辐射传输模拟大气层顶表观反射率流程图；
[0032]
图2为本发明fy-4a/agri多场地定标校验方法流程图；
[0033]
图3为本发明单日累计数据和单月累计数据比对示意图；
[0034]
图4为本发明fy-4a/agri归一化辐射响应长时间序列图；
[0035]
图5为本发明fy-4a/agri通道1的反射率偏差长时间序列图。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种用于反射太阳波段的多场地定标跟踪方法，包括如下步骤：
[0038]
s1：数据预处理；
[0039]
s2：辐射传输模拟；
[0040]
s3：定标校验计算；
[0041]
s4：响应衰减计算。
[0042]
进一步的，在s1数据预处理时，为了过滤有云情况对数据分析的影响，对观测数据要进行均匀性判断，读取所选场地周边n
×
n个像素点范围的dn值进行计算，并以选定通道dn值标准差/平均值为基准，剔除值大于0.02的数据；
[0043]
且对于反射波段，由于水体镜面反射会对观测数据造成一定影响，因此还需进行水体场地的耀斑角判断，在此计算耀斑角并剔除耀斑角＜40
°
的观测数据；
[0044]
还由于太阳天顶角＞70
°
和观测天顶角＞60
°
的辐射传输模拟和观测数据精度不够高，所以对这部分数据也进行了剔除处理。
[0045]
进一步的，基于观测时刻的太阳和卫星角度、光谱响应函数和对应的地表和大气特性参数，在s2辐射传输模拟时，使用矢量辐射传输模型6sv计算晴空目标区的光谱辐射；
[0046]
另外，由于6sv更适用于对散射的模拟，其计算的气体透过率精确度有限，因此在6sv计算时，采用modtran计算的大气透过率对6sv的结果进行大气层顶反射率的吸收订正；
[0047]
且为了使模拟结果与观测结果间可进行比对，对6sv计算模拟的大气层顶仪器入瞳处瞬时反射率结果进行日地距离校正和太阳天顶角余弦校正，得到日地平均距离和太阳位于天顶时的反射率。
[0048]
进一步的，在s3定标校验计算时，利用6sv模型计算得到的大气层顶表观反射率与卫星观测经定标处理得到的反射率计算定标校验系数：
[0049][0050]
其中为模拟的大气层顶表观反射率，为观测的经定标处理得到的等效到日地平均距离和太阳位于天顶时的表观反射率，i表示第i通道，solz为太阳天顶角，d为日地距离，slopei为第i通道的定标校验系数；
[0051]
并利用所有场地数据拟合得到给定定标周期内的定标检验系数，并累积其时间序列。定标周期可选5天。
[0052]
进一步的，基于定标校验系数时间序列，采用多项式模型，如二次多项式建立定标校正时变模型，描述定标校验系数的长期变化趋势：
[0053]
slopei＝fun1(dsl)＝a1idsl a2idsl2 a3i[0054]
其中，dsl为自发星日起的日计数，a为定标校正时变模型系数。
[0055]
进一步的，在s4响应衰减计算时，若为观测的经发射前定标处理得到的反射率，则定义第i个通道的归一化辐射响应为nresponsei＝a3i/slopei,描述遥感器辐射响应的衰变表示为：
[0056]
nresponsei＝fun2(dsl)＝c1idsl c2idsl2 c3i[0057]
其中，c为辐射响应时变模型系数。计算得出遥感器辐射响应的平均年衰变率可为：
[0058]
annualratei＝(fun2(0)-fun2(dsl))*365/(dsl)。
[0059]
以下，根据fy-4a/agri可见光通道的定标校验和响应衰减计算来进一步阐述本方案：
[0060]
如附图1所示的fy-4a/agri可见光通道辐射传输模拟方法流程图，具体实现步骤如下：
[0061]
1.观测数据筛选：
[0062]
读取agri的l1数据，统计场地周边3
×
3范围像素点dn值的平均值和标准差，以第2通道为基准，剔除该通道dn值标准差/平均值＞0.02的数据，剔除太阳天顶角＞70
°
以及卫星观测天顶角＞60
°
的数据，对于海洋上的场地，剔除耀斑角＜40
°
的数据；
[0063]
2.地表和大气特性参数获取：
[0064]
查找模拟日期当天往前30天范围内有效的brdf(modis双向反射比产品)文件，读取三个核系数，利用modis的地表brdf模型计算地表反射率：
[0065]
r(senz,solz,rela,λ)＝par1)λ) par2(λ)κvol(senz,solz,rela) par3(λ)κgeo(senz,solz,rela)
[0066][0067][0068]
其中，λ为波长，par1、par2、par3为核系数，κ
vol
为体散射&，κ
geo
为几何光学核，senz,solz,rela分别为卫星天顶角、太阳天顶角和相对方位角，
[0069]
550nm气溶胶光学厚度同样查找模拟日期当天往前30天内的有效aod(modis气溶胶光学厚度日产品)数据，其它大气参数，如臭氧含量和水汽总量等从气候态产品中读取；
[0070]
3.辐射传输模拟：
[0071]
首先输入观测几何、地表反射率和大气特性参数等，利用modtran模拟得到光谱吸收透过率，再将光谱透过率与agri通道光谱响应函数卷积，计算得到通道透过率；对agri光谱响应函数进行光谱插值到符合6sv的标准分辨率光谱上，同时输入观测几何、地表反射率、气溶胶光学厚度以及大气特性参数等，模拟得到各太阳反射通道的大气层顶表观反射率，并对模拟结果进行吸收透过率订正、太阳天顶角余弦订正、日地距离校正。
[0072]
如附图2所示为定标检验和响应衰减计算方法流程图，以下结合附图及具体的实施样例对本发明的技术方案做进一步描述。
[0073]
1.数据预处理和质量控制：
[0074]
以5天为一个周期，读取模拟的经过吸收透过率订正、太阳天顶角余弦订正、日地距离校正的反射率结果和观测表观反射率；剔除填充值以及气溶胶和地表反射率质量标识为差的数据；计算各通道模拟反射率与观测反射率的相对偏差，剔除相对偏差＞0.3的数据；
[0075]
2.定标校验计算：
[0076]
利用筛选后的数据绘制观测数据和模拟数据比对散点图，拟合计算定标校验系数，以及1次标准差剔除和2次标准差剔除后的散点图，并输出2次标准差剔除后的定标校验系数，即线性拟合斜率；
[0077]
合并每个5天周期的定标校验系数，绘制定标校验系数时间序列图，并进行1次标
准差剔除，根据时间变化趋势建模拟合时变模型系数slopei＝fun1(dsl)＝a1idsl a2idsl2 a3i；
[0078]
3.响应衰减计算：
[0079]
计算归一化辐射响应nresponsei＝a3i/slopei，绘制归一化辐射响应时间序列图，并进行1次标准差剔除，最后根据时间变化趋势建模拟合时变模型系数nresponsei＝fun2(dsl)＝c1idsl c2idsl2 c3i；
[0080]
计算遥感器辐射响应的平均年衰变率annualratei＝(fun2(0)-fun2(dsl))*365/(dsl)计算得到年衰减率。
[0081]
以区别于现有技术，提高了在轨定标校验频次，可以满足有效监测仪器在轨长期响应衰减和在轨定标系数更新的需求，且该方法以稳定目标物的辐射传输模拟值作为基准，通过比对模拟值与观测值计算定标校正系数，并基于定标校正系数的长期趋势分析建立了定标校正系数更新模型。
[0082]
需要补充的是：
[0083]
1、关于上述提及的提高定标检验频次：
[0084]
其星上定标试验设备和替代定标不能满足在轨长期定标系数高频次更新的需求，基于多场地稳定目标物的辐射传输模拟，可以实现对模拟值和观测值的准实时比对，给出准实时定标校验系数，如附图3所示为fy-4a/agri通道3和通道5多场地模拟结果与观测结果的对比散点图，拟合得到这个5天周期的定标校验系数为别为1.108和1.20；
[0085]
该方法可以实现每天统计前5天的观测与模拟结果的对比结果，对仪器响应进行准实时监测。
[0086]
2、关于长期趋势分析，建立定标校正系数更新模型：
[0087]
累积每个5天周期的定标校验系数，分析长期变化趋势，建立定标校验系数的时变模型，可实现定期更新定标校正系数；同时计算归一化辐射响应，建立归一化辐射响应的时变模型，得到仪器的辐射响应衰减率，作为更新实施的判断依据。如附图4所示为fy-4a/agri发星以来通道1和通道5的归一化辐射响应长时间序列，计算得到通道1和通道5的平均年衰减分别为13％和1.9％。
[0088]
3、关于经过定标校正系数更新后的效果：
[0089]
利用计算得到的定标校验系数的时变模型逐天更新定标校正系数，得到新的观测反射率与模拟的偏差长时间序列，长期趋势相对平稳，如附图5所示为fy-4a/agri通道1更新定标校正系数后得到的观测与模拟偏差和相对偏差长时间序列图。
[0090]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0091]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。