高分五號衛(wèi)星大氣校正精度分析

高分五號衛(wèi)星大氣校正精度分析

目前的應(yīng)用前景第四組衛(wèi)星是中國第一種發(fā)表的全球高距離地球靜態(tài)衛(wèi)星。這是2016年6月開始使用的。這條軌道高度為36.3萬公里，位于中國東部105.6號車道上。高分四號衛(wèi)星的研制代表了我國地球靜止衛(wèi)星的頂級水平,在國際上也處于領(lǐng)先地位當前有多種大氣校正方法,如6S模型、MORTRAN模型、LOWRAN模型和FLAASH模型等,這些模型未充分考慮水色遙感的特點,對水色遙感的適用性與普適性較差。目前應(yīng)用最普遍的水色遙感大氣校正方法是基于暗像元的Gordon算法。自Gordon等高分四號衛(wèi)星的輻射定標系數(shù)于2016年10月公布,目前還沒有針對該衛(wèi)星在水色遙感領(lǐng)域,特別是渾濁二類水體方面的大氣校正研究,迫切需要評價高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)在水色遙感方面的應(yīng)用價值。本研究以太湖為研究區(qū),利用同步MODIS數(shù)據(jù)輔助高分四號多光譜數(shù)據(jù)進行大氣校正,并通過與地球靜止水色衛(wèi)星GOCI(geostationaryoceancolorimager)數(shù)據(jù)大氣校正結(jié)果以及地面同步實測光譜數(shù)據(jù)的協(xié)同比對,對高分四號多光譜數(shù)據(jù)經(jīng)大氣校后得到的反射率精度進行驗證,據(jù)此評價高分四號衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)在內(nèi)陸二類渾濁水體水色遙感領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。1實驗部分1.1數(shù)據(jù)收集1.1.1東南角2不同路徑大氣校正效果評價太湖位于長江三角洲南部,橫跨江蘇與浙江兩省。太湖面積約2338km遙感反射率的計算公式為式中,L式中,L為更客觀的評價遙感數(shù)據(jù)大氣校正效果,對地面實測光譜數(shù)據(jù)作如下處理,從而得到遙感數(shù)據(jù)對應(yīng)通道的等效反射率式中,λ1.1.2遙感數(shù)據(jù)和預(yù)處理1.1.2.遙感影像預(yù)處理從中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心數(shù)據(jù)服務(wù)平臺獲取了2016年7月21日與2016年8月17日衛(wèi)星成像時間與實測數(shù)據(jù)準同步的兩景高分四號遙感影像。經(jīng)幾何精校正等相關(guān)處理后,進行輻射定標將傳感器接收到的DN值(digitalnumber)轉(zhuǎn)換為表觀輻亮度,在得到表觀輻亮度的基礎(chǔ)上,通過式(7)得到行星反射率。式(7)中,ρ式(8)中,f(λ)為高分四號衛(wèi)星光譜響應(yīng)函數(shù),L(λ)為太陽光譜輻照度。1.1.2.goci和數(shù)字地形分析數(shù)據(jù)的獲取為更有效的評價高分四號多光譜數(shù)據(jù)大氣校正后反射率的精度,通過KOSC下載了與實測數(shù)據(jù)同步的GOCIL1B級數(shù)據(jù)進行輔助驗證。地球靜止氣象衛(wèi)星COMS(communicationoceanandmeteorologicalsatellite)搭載的GOCI水色遙感傳感器可獲取8個波段的數(shù)據(jù),空間分辨率500m,時間分辨率1h,每天提供8點至15點8次觀測數(shù)據(jù),實時監(jiān)測包括太湖水域在內(nèi)的2500km×2500km的目標區(qū)域,以滿足高頻次的水色參數(shù)動態(tài)變化的監(jiān)測需求GOCI的L1B級數(shù)據(jù)使用專用軟件GDPS(GOCIdataprocessingsystem)進行處理,可直接獲取表觀輻亮度值。通過式(8),得到GOCI各波段大氣頂層太陽輻照度(表4)。1.2氣溶膠類型參數(shù)的確定使用同步MODIS短波紅外波段進行輔助式(9)中,L大氣漫射透過率t(λ式(11)中,τ大氣程輻射LF對于氣溶膠散射輻射L假設(shè)研究區(qū)內(nèi)氣溶膠類型沒有變化,因此氣溶膠散射相位函數(shù)與單次散射反照率隨波長也基本沒有變化,在只考慮單次氣溶膠散射的情況下,兩個波長的單次散射反射率具有比例的關(guān)系,即可定義一個大氣校正參數(shù)ε進行計算式中λ其中,c即為氣溶膠類型參數(shù)。F′根據(jù)無錫市環(huán)境監(jiān)測中心站對太湖水域長年的監(jiān)測數(shù)據(jù),太湖東部水域懸浮物含量較低,可認為是清潔水體,并在該范圍內(nèi)取一定數(shù)量的清潔像元樣本,通過MODIS第5和第6短波紅外波段的輔助,假設(shè)LL將待求波段的等效波長和經(jīng)臭氧修正的大氣上層輻照度代入式(18),從而獲得各波段對應(yīng)的氣溶膠散射。于是便可得到待校正影像各波段的離水輻亮度L其中,t(λ式中,E2goci使用結(jié)果為檢驗高分四號多光譜數(shù)據(jù)經(jīng)大氣校正方法校正后在內(nèi)陸二類水體的精度,將高分四號多光譜數(shù)據(jù)校正結(jié)果與地面準同步實測反射率進行對比分析;另外,使用同種大氣校正方法對與高分四號影像成像時間相近的GOCI數(shù)據(jù)進行校正,并與高分四號的校正結(jié)果進行對比。使用均方根誤差(rootmeansquareerror,RMSE)和平均絕對誤差(meanabsolutepercentageerror,MAPE)衡量結(jié)果精度,計算公式分別為式中,R2.1大氣校正反射率與實測數(shù)據(jù)的比較使用1.2小節(jié)中的大氣校正方法,對2016年7月21日和2016年8月17日的高分四號多光譜數(shù)據(jù)進行大氣校正,其中7月21日成像時間為15點17分,8月17日成像時間為8點21分,均為與地面實測準同步(時差3h左右)。由于B1波段是全色波段,一般不用于水色遙感反演,因此僅評價高分四號多光譜數(shù)據(jù)的B2,B3,B4和B5波段。分別選取每日與成像時間最接近的兩個樣點的大氣校正結(jié)果與實測反射率數(shù)據(jù)比較,結(jié)果如圖2所示。圖2中,從左至右的散點分別對應(yīng)著高分四號B2,B3,B4和B5波段中心波長處大氣校正后的反射率,曲線則對應(yīng)準同步實測光譜反射率。從圖2可以看出,B3,B4和B5波段與實測值差距較小,而B2波段有比較明顯的差異。總體來說,對于550~580nm范圍由于葉綠素和胡蘿卜素對光能量的弱吸收和細胞的散射作用形成的反射峰、670nm附近葉綠素a對紅光波段的強烈吸收導(dǎo)致的反射谷表5列出了2016年7月21日、2016年8月17日準同步地面數(shù)據(jù)針對高分四號換算的等效反射率與兩景高分四號多光譜影像各波段大氣校正反射率的精度評價結(jié)果?？傮w而言,紅光B4波段校正精度最高,誤差達到10.71%;綠光B3波段校正精度次高,誤差為13.21%;近紅外B5波段校正精度次低,誤差為33.06%,這可能是因為近紅外波段信號整體比較弱,從而影響了校正精度;藍光B2波段校正精度最低,誤差達到53.55%,一方面可能由于瑞利散射和氣溶膠散射在藍光波段最強烈,導(dǎo)致水體信息占比很小,較小的校正偏差就會造成較大誤差,另一方面可能與高分四號藍光波段本身的輻射精度有關(guān)。2.2地方分類分兩景GOCI數(shù)據(jù)均選用11點16分成像的影像,與地面實測光譜數(shù)據(jù)基本同步。表6為同步地面數(shù)據(jù)針對GOCI換算的等效反射率與兩景GOCI影像大氣校正后得到的各波段反射率的精度評價結(jié)果。通過表3的GOCI波段和參數(shù)信息,確定GOCI的B3波段為藍波段,B4波段為綠波段,B5波段為紅波段,B7波段為近紅外波段。從表6可以看出,7月21日GOCI的藍光波段MAPE均值為14.11%,8月17日為24.98%,校正精度均顯著高于高分四號,一方面可能因為GOCI與地面實測的同步性略高于高分四號,另一方面,也可能是高分四號在藍光波段的成像精度低于GOCI;而在綠光、紅光和近紅外波段,GOCI的校正精度均低于高分四號,這可能與高分四號空間分辨率高、混合像元影響較小有關(guān)。3反射率精度對比大洋等一類水體的離水輻亮度相對誤差一般要求小于5%,而近岸和內(nèi)陸二類水體由于光學特性比較復(fù)雜,反演得到的離水輻亮度相對誤差一般較高。使用MODIS短波紅外輔助的Gordon單次散射改進算法對高分四號多光譜數(shù)據(jù)進行大氣校正,并通過地面同步實測光譜數(shù)據(jù)、輔以GOCI數(shù)據(jù)對校正得到的反射率結(jié)果進行精度評價。結(jié)果表明,高分四號多光譜數(shù)據(jù)經(jīng)大氣校正后得到的反射率整體精度較高,特別是在綠光、紅光波段精度最高,平均相對誤差在10%左右,顯著高于GOCI影像的精度;近紅外波段精度稍差,平均相對誤差在30%左右,但精度也高于GOCI影像,這主要是由于高分四號的空間分辨率遠高于GOCI,混合像元導(dǎo)致的精度誤差相對GOCI小,充分顯示了高分四號作為一顆高空間分辨率地球靜止衛(wèi)星在水色遙感方面的優(yōu)勢。但在藍光波段,高分四號的精度不太理想,平均相對誤差高于50%,精度顯著低于GOCI影像。今后有必要對該波段進行重新定標等處理,在未得到有效處理的情況下,水色遙感應(yīng)用應(yīng)盡量避開該波段。為進一步提高高分四號大氣校正后反射率的精度,從而更好服務(wù)于二類渾濁水體的水色遙感,今后有必要開展一些針對性工作:(1)在試驗區(qū)建立