高分五号卫星大气校正精度分析

高分五号卫星大气校正精度分析

目前的应用前景第四组卫星是中国第一种发表的全球高距离地球静态卫星。这是2016年6月开始使用的。这条轨道高度为36.3万公里，位于中国东部105.6号车道上。高分四号卫星的研制代表了我国地球静止卫星的顶级水平,在国际上也处于领先地位当前有多种大气校正方法,如6S模型、MORTRAN模型、LOWRAN模型和FLAASH模型等,这些模型未充分考虑水色遥感的特点,对水色遥感的适用性与普适性较差。目前应用最普遍的水色遥感大气校正方法是基于暗像元的Gordon算法。自Gordon等高分四号卫星的辐射定标系数于2016年10月公布,目前还没有针对该卫星在水色遥感领域,特别是浑浊二类水体方面的大气校正研究,迫切需要评价高分四号卫星数据在水色遥感方面的应用价值。本研究以太湖为研究区,利用同步MODIS数据辅助高分四号多光谱数据进行大气校正,并通过与地球静止水色卫星GOCI(geostationaryoceancolorimager)数据大气校正结果以及地面同步实测光谱数据的协同比对,对高分四号多光谱数据经大气校后得到的反射率精度进行验证,据此评价高分四号卫星多光谱数据在内陆二类浑浊水体水色遥感领域的应用潜力。1实验部分1.1数据收集1.1.1东南角2不同路径大气校正效果评价太湖位于长江三角洲南部,横跨江苏与浙江两省。太湖面积约2338km遥感反射率的计算公式为式中,L式中,L为更客观的评价遥感数据大气校正效果,对地面实测光谱数据作如下处理,从而得到遥感数据对应通道的等效反射率式中,λ1.1.2遥感数据和预处理1.1.2.遥感影像预处理从中国资源卫星应用中心数据服务平台获取了2016年7月21日与2016年8月17日卫星成像时间与实测数据准同步的两景高分四号遥感影像。经几何精校正等相关处理后,进行辐射定标将传感器接收到的DN值(digitalnumber)转换为表观辐亮度,在得到表观辐亮度的基础上,通过式(7)得到行星反射率。式(7)中,ρ式(8)中,f(λ)为高分四号卫星光谱响应函数,L(λ)为太阳光谱辐照度。1.1.2.goci和数字地形分析数据的获取为更有效的评价高分四号多光谱数据大气校正后反射率的精度,通过KOSC下载了与实测数据同步的GOCIL1B级数据进行辅助验证。地球静止气象卫星COMS(communicationoceanandmeteorologicalsatellite)搭载的GOCI水色遥感传感器可获取8个波段的数据,空间分辨率500m,时间分辨率1h,每天提供8点至15点8次观测数据,实时监测包括太湖水域在内的2500km×2500km的目标区域,以满足高频次的水色参数动态变化的监测需求GOCI的L1B级数据使用专用软件GDPS(GOCIdataprocessingsystem)进行处理,可直接获取表观辐亮度值。通过式(8),得到GOCI各波段大气顶层太阳辐照度(表4)。1.2气溶胶类型参数的确定使用同步MODIS短波红外波段进行辅助式(9)中,L大气漫射透过率t(λ式(11)中,τ大气程辐射LF对于气溶胶散射辐射L假设研究区内气溶胶类型没有变化,因此气溶胶散射相位函数与单次散射反照率随波长也基本没有变化,在只考虑单次气溶胶散射的情况下,两个波长的单次散射反射率具有比例的关系,即可定义一个大气校正参数ε进行计算式中λ其中,c即为气溶胶类型参数。F′根据无锡市环境监测中心站对太湖水域长年的监测数据,太湖东部水域悬浮物含量较低,可认为是清洁水体,并在该范围内取一定数量的清洁像元样本,通过MODIS第5和第6短波红外波段的辅助,假设LL将待求波段的等效波长和经臭氧修正的大气上层辐照度代入式(18),从而获得各波段对应的气溶胶散射。于是便可得到待校正影像各波段的离水辐亮度L其中,t(λ式中,E2goci使用结果为检验高分四号多光谱数据经大气校正方法校正后在内陆二类水体的精度,将高分四号多光谱数据校正结果与地面准同步实测反射率进行对比分析;另外,使用同种大气校正方法对与高分四号影像成像时间相近的GOCI数据进行校正,并与高分四号的校正结果进行对比。使用均方根误差(rootmeansquareerror,RMSE)和平均绝对误差(meanabsolutepercentageerror,MAPE)衡量结果精度,计算公式分别为式中,R2.1大气校正反射率与实测数据的比较使用1.2小节中的大气校正方法,对2016年7月21日和2016年8月17日的高分四号多光谱数据进行大气校正,其中7月21日成像时间为15点17分,8月17日成像时间为8点21分,均为与地面实测准同步(时差3h左右)。由于B1波段是全色波段,一般不用于水色遥感反演,因此仅评价高分四号多光谱数据的B2,B3,B4和B5波段。分别选取每日与成像时间最接近的两个样点的大气校正结果与实测反射率数据比较,结果如图2所示。图2中,从左至右的散点分别对应着高分四号B2,B3,B4和B5波段中心波长处大气校正后的反射率,曲线则对应准同步实测光谱反射率。从图2可以看出,B3,B4和B5波段与实测值差距较小,而B2波段有比较明显的差异。总体来说,对于550~580nm范围由于叶绿素和胡萝卜素对光能量的弱吸收和细胞的散射作用形成的反射峰、670nm附近叶绿素a对红光波段的强烈吸收导致的反射谷表5列出了2016年7月21日、2016年8月17日准同步地面数据针对高分四号换算的等效反射率与两景高分四号多光谱影像各波段大气校正反射率的精度评价结果。总体而言,红光B4波段校正精度最高,误差达到10.71%;绿光B3波段校正精度次高,误差为13.21%;近红外B5波段校正精度次低,误差为33.06%,这可能是因为近红外波段信号整体比较弱,从而影响了校正精度;蓝光B2波段校正精度最低,误差达到53.55%,一方面可能由于瑞利散射和气溶胶散射在蓝光波段最强烈,导致水体信息占比很小,较小的校正偏差就会造成较大误差,另一方面可能与高分四号蓝光波段本身的辐射精度有关。2.2地方分类分两景GOCI数据均选用11点16分成像的影像,与地面实测光谱数据基本同步。表6为同步地面数据针对GOCI换算的等效反射率与两景GOCI影像大气校正后得到的各波段反射率的精度评价结果。通过表3的GOCI波段和参数信息,确定GOCI的B3波段为蓝波段,B4波段为绿波段,B5波段为红波段,B7波段为近红外波段。从表6可以看出,7月21日GOCI的蓝光波段MAPE均值为14.11%,8月17日为24.98%,校正精度均显著高于高分四号,一方面可能因为GOCI与地面实测的同步性略高于高分四号,另一方面,也可能是高分四号在蓝光波段的成像精度低于GOCI;而在绿光、红光和近红外波段,GOCI的校正精度均低于高分四号,这可能与高分四号空间分辨率高、混合像元影响较小有关。3反射率精度对比大洋等一类水体的离水辐亮度相对误差一般要求小于5%,而近岸和内陆二类水体由于光学特性比较复杂,反演得到的离水辐亮度相对误差一般较高。使用MODIS短波红外辅助的Gordon单次散射改进算法对高分四号多光谱数据进行大气校正,并通过地面同步实测光谱数据、辅以GOCI数据对校正得到的反射率结果进行精度评价。结果表明,高分四号多光谱数据经大气校正后得到的反射率整体精度较高,特别是在绿光、红光波段精度最高,平均相对误差在10%左右,显著高于GOCI影像的精度;近红外波段精度稍差,平均相对误差在30%左右,但精度也高于GOCI影像,这主要是由于高分四号的空间分辨率远高于GOCI,混合像元导致的精度误差相对GOCI小,充分显示了高分四号作为一颗高空间分辨率地球静止卫星在水色遥感方面的优势。但在蓝光波段,高分四号的精度不太理想,平均相对误差高于50%,精度显著低于GOCI影像。今后有必要对该波段进行重新定标等处理,在未得到有效处理的情况下,水色遥感应用应尽量避开该波段。为进一步提高高分四号大气校正后反射率的精度,从而更好服务于二类浑浊水体的水色遥感,今后有必要开展一些针对性工作:(1)在试验区建立