GB/T 34509.2-2017 陆地观测卫星光学遥感器在轨场地辐射定标方法 第2部分：热红外

　　ICS 49 . 020 V 70

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 34509 . 2—2017

　　陆地观测卫星光学遥感器在轨场地辐射

　　定标方法

　　第 2 部分：热红外

　　In-orbitfieldradiometriccalibrationforopticalremote

　　sensoroflandobservationsatellite—

　　part2：Thermalinfrared

　　2017-1 1-01 发布 2018-05-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 34509 . 2—20 17

　　GB/T 34509 . 2—20 17

　　前 言

　　GB/T 34509《陆地观测卫星光学遥感器在轨场地辐射定标方法》分为 3 个部分：

　　— 第 1 部分：可见光近红外;

　　— 第 2 部分：热红外;

　　— 第 3 部分：中波红外。

　　本部分为 GB/T 34509 的第 2 部分。

　　本部分按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本部分由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会(SAC/TC 425)提出并归口 。

　　本部分起草单位：中国资源卫星应用中心、中国航天标准化研究所、北京空间飞行器总体设计部。

　　本部分主要起草人：傅俏燕、韩启金、王爱春、秦敬芳、徐翠平、贺玮。

　　GB/T 34509 . 2—20 17

　　陆地观测卫星光学遥感器在轨场地辐射

　　定标方法

　　第 2 部分：热红外

　　1 范围

　　GB/T 34509 的本部分规定了陆地观测卫星热红外遥感器在轨场地辐射定标的一般要求、数据获取、技术流程、计算方法和不确定度分析等内容。

　　本部分适用于陆地观测卫星(以下简称卫星)热红外(8 μm~14 μm)遥感器在轨场地辐射定标，其

　　他卫星的同类遥感器可参照执行。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注 日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 14950 摄影测量与遥感术语

　　GB/T 32453 卫星对地观测数据产品分类分级规则

　　3 术语和定义

　　GB/T 14950 和 GB/T 32453 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　辐射定标场 radiometriccalibrationsite

　　地表光学特性、大气光学特性、气象条件、地貌条件等适合卫星遥感器在轨场地辐射定标的 自然或人工场地。

　　3.2

　　在轨场地辐射定标 in-orbitfieldradiometriccalibration

　　在卫星经过辐射定标场时，利用实际测量的场地光学辐射特性参数，经过大气辐射传输计算，建立卫星遥感器观测值与遥感器入瞳处辐亮度之间定量关系的过程。

　　4 一般要求

　　4 . 1 辐射定标场

　　4 . 1 . 1 陆地场

　　陆地场应符合如下要求：

　　a) 陆地场试验期间大气干燥、洁净;

　　b) 陆地场的海拔高程宜大于 1 000 m ;

　　c) 场地面积应不小于待定标遥感器的 10 像元× 10 像元对应的面积;

　　d) 场地地表发射率和温度在场地面积内应均匀一致;

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　　e ) 场地平坦，且周边无影响定标测量的大目标遮挡物。

　　4 . 1 . 2 水体场

　　水体场应符合如下要求：

　　a) 场地面积应不小于待定标遥感器的 50 像元× 50 像元对应的面积，水体深度不小于 3 m ;

　　b) 场地表面发射率和温度在场地面积内应均匀一致;

　　c ) 场地周边无影响定标测量的大目标遮挡物。

　　4 . 2 测量条件

　　4 . 2 . 1 测量仪器

　　4 . 2 . 1 . 1 测量仪器主要包括：

　　a) 红外辐射计;

　　b) 温度测量仪器，如热电偶温度计、辐射温度计等;

　　c) 标准黑体源;

　　d ) 参考标准板;

　　e) 大气廓线测量仪器;

　　f) 风力风速测量仪;

　　g) 定位仪器。

　　4 . 2 . 1 . 2 测量仪器应符合如下要求：

　　a) 红外测量仪器的工作波段应涵盖卫星遥感器工作波段;

　　b) 测量仪器在使用前应进行标定，在有条件的情况下宜进行现场标定;

　　c) 测量仪器的精度应满足测试要求;

　　d) 测量仪器使用严格按仪器操作手册进行。

　　4 . 2 . 2 测量天气条件

　　定标时观测天气条件应符合如下要求：

　　a) 天气晴朗，目标区周边 10 km2 内天顶无云;

　　b ) 风力小于 4 级。

　　5 数据获取

　　5 . 1 地表辐射特性参数

　　5 . 1 . 1 温度

　　采用温度测量仪器测量陆地表面或水体表面温度。

　　5 . 1 . 2 辐亮度

　　采用红外辐射计测量陆地表面或水体表面辐亮度。

　　5 . 1 . 3 发射率

　　利用 5 . 1 . 1 和 5 . 1 . 2 中测量的温度和辐亮度数据计算目标的发射率。

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　　5 . 2 气象参数

　　气象参数测量如下：

　　a) 采用大气廓线测量仪器测量场地上空大气温湿压廓线;

　　b) 采用风力风速测量仪测量风力、风速。

　　5 . 3 场地参数

　　场地参数测量如下：

　　a) 采用定位仪器测量地面采集样点的地理位置(经度和纬度);

　　b) 采用定位仪器测量辐射定标场的海拔高度。

　　5 . 4 卫星及遥感器参数与卫星遥感器观测值

　　5 . 4 . 1 卫星及遥感器参数

　　卫星及遥感器参数包括：

　　a) 卫星轨道高度;

　　b) 卫星过辐射定标场的时间;

　　c) 卫星过辐射定标场时的卫星遥感器观测天顶角、卫星遥感器观测方位角、太阳天顶角和太阳方位角;

　　d) 卫星遥感器波段的归一化光谱响应函数。

　　5 . 4 . 2 卫星遥感器观测值

　　在卫星遥感器过辐射定标场成像时的 L1 级影像上，提取测量区对应的遥感器观测值，并进行质量控制和取算术平均值。

　　6 技术流程与计算方法

　　6 . 1 概述

　　卫星热红外遥感器飞过辐射定标场的前后半小时内，同步获取地表辐亮度、大气参数和其他参数，借助大气辐射传输模型计算卫星遥感器入瞳处等效辐亮度值，结合卫星遥感器在辐射定标场区的观测值计算定标系数。

　　6 . 2 技术流程

　　陆地观测卫星热红外遥感器在轨场地辐射定标方法技术流程如图 1 所示。

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　　图 1 热红外遥感器在轨场地辐射定标技术流程

　　6 . 3 计算方法

　　6 . 3 . 1 大气顶层外的光谱辐亮度

　　6 . 3 . 1 . 1 基于温度测量的计算方法

　　卫星遥感器入瞳处光谱辐亮度按式(1)计算。

　　犔s (λ) =ε(λ)犅(犜s ,λ)τ(λ) +犔u (λ) + [1 -ε(λ)]τ(λ)犔d (λ) ………………( 1 )

　　式中：

　　犔s (λ) — 波长 λ 处的卫星遥感器入瞳处辐亮度，单位为瓦每平方米球面度微米[W/(m2 ·

　　sr · μm)] ;

　　犜s — 场地表面热力学温度，单位为开尔文(K) ;

　　犅(犜s ,λ) — 波长 λ 处黑体在温度 犜s 下的辐亮度，单位为瓦每平方米球面度微米[W/(m2 · sr ·

　　μm)] ;

　　ε(λ) — 波长 λ 处的地表发射率;

　　τ(λ) — 波长 λ 处的卫星遥感器观测方向整层大气透过率;

　　犔u (λ) — 波长 λ 处卫星遥感器观测方向大气路径向上辐亮度，单位为瓦每平方米球面度微米

　　[W/(m2 · sr · μm)] ;

　　犔d (λ) — 波长 λ 处的大气下行辐亮度，单位为瓦每平方米球面度微米[W/(m2 · sr · μm)]。

　　6 . 3 . 1 . 2 基于辐射测量的计算方法

　　卫星遥感器入瞳处光谱辐亮度按式(2)计算。

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　　犔s (λ) =犔surf (λ)τ(λ) +犔u (λ) …………………………( 2 )

　　式中：

　　犔surf (λ) — 波长 λ 处的地表自身发射与反射的辐亮度，单位为瓦每平方米球面度微米[W/(m2 · sr · μm)]。

　　6 . 3 . 2 卫星遥感器通道等效辐亮度

　　卫星遥感器通道等效辐亮度按式(3)计算。

　　犔 …………………………( 3 )

　　式中：

　　犔e (λ犼)— 卫星遥感器通道 犼等效辐亮度，单位为瓦每平方米球面度微米[W/(m2 · sr · μm)] ; λ犼 — 卫星遥感器通道 犼的等效波长，单位为微米(μm) ;

　　犚(λ) — 卫星遥感器通道 犼的归一化光谱响应函数。

　　6 . 3 . 3 卫星遥感器定标系数

　　当卫星遥感器响应为线性时，将卫星遥感器通道等效辐亮度与卫星遥感器观测值的多组数据按式

　　(4)得到方程组，利用方程组解算出卫星遥感器通道的定标系数 Gain犼 和 Bias犼。

　　犔e (λ犼)= Gain犼 × DN犼 × Bias犼 …………………………( 4 )

　　式中：

　　Gain犼 — 定标斜率，单位为瓦每平方米球面度微米[W/(m2 · sr · μm)] ;

　　DN犼 — 卫星遥感器观测值;

　　Bias犼 — 定标截距，单位为瓦每平方米球面度微米[W/(m2 · sr · μm)]。

　　7 不确定度分析

　　7 . 1 一般要求

　　不确定度分析一般要求如下：

　　a) 确定遥感器观测值与通道等效辐亮度之间的关系式，即遥感器定标方程;

　　b ) 列出影响遥感器入瞳处辐亮度的不确定性因素;

　　c) 测量或估算每个不确定性因素的不确定度;

　　d ) 根据定标方程和不确定度合成规则，计算合成标准不确定度。

　　7 . 2 不确定度影响因素

　　7 . 2 . 1 基于温度测量的计算方法

　　基于温度测量的计算方法的卫星热红外遥感器在轨场地辐射定标不确定因素包含以下几个方面(具体分析示例参见附录 A 中 A. 1) :

　　a ) 温度测量的不确定因素：

　　1) 测量仪器不确定度;

　　2) 测量不确定度。

　　b) 发射率测算的不确定因素：

　　1) 黑体定标;

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　　2) 数据测量;

　　3) 发射率计算。

　　c) 常规大气参数测量。

　　d) 大气辐射传输模型。

　　e) 其他不确定因素还包括地表特性均匀分布假设等。

　　7 . 2 . 2 基于辐射测量的方法

　　基于辐射测量的计算方法的卫星热红外遥感器在轨场地辐射定标不确定因素包含以下几方面内容(具体分析示例参见 A. 1) :

　　a ) 辐亮度测量的不确定因素：

　　1) 黑体定标;

　　2) 地面测量;

　　3) 光谱匹配。

　　b) 常规大气参数测量。

　　c) 大气辐射传输模型。

　　d) 其他不确定因素还包括地表特性均匀分布假设等。

　　7 . 3 不确定度计算式

　　依据误差传递理论对陆地观测卫星热红外遥感器在轨场地辐射定标的不确定度进行分析，相关分析计算式参见 A. 2 。

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　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　在轨场地辐射定标不确定度分析

　　A.1 在轨场地辐射定标不确定度分析示例

　　基于温度测量方法的热红外遥感器在轨场地辐射定标不确定度分析示例参见表 A. 1 。

　　表 A.1 基于温度方法的不确定度分析示例

　　基于辐射测量方法的热红外遥感器在轨场地辐射定标不确定度分析示例参见表 A. 2 。

　　表 A.2 基于辐亮度方法的不确定度分析示例

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　　A.2 不确定度分析

　　不确定度分析的依据是误差传递理论。如果因变量 φ 是若干自变量x，y，… ,u 的非线性函数形式

　　表示按照式(A. 1)计算。

　　φ =F(x，y，… ,u) …………………………( A.1 )

　　则因变量 φ 的标准偏差 σφ 与 自变量 x，y，… ,u 的标准偏差 σx，σy，… , σu 之间的关系按照式(A.2)

　　计算。

　　如果自变量 x，y，… ,u是相互独立的，则独立变量的误差传递按照式(A.3)计算。

　　2 ……………………

　　式中：

　　自变量 x，y，… ,u 的误差传递系数(权重系数)。

　　自变量 x，y，… ,u 的误差通过各自对因变量φ 的贡献y，… , σm u(也称为各不确定因素的不确定度)传递和引入到因变量 φ 的误差上，则独立变量的误差传递按照式(A. 4)

　　计算。

　　…………………………( A.4 )

　　知道不确定因素的不确定度，利用式(A. 4)计算合成标准不确定度。