基于青藏高原永久冰川的卫星传感器在轨辐射响应衰变跟踪研究

To monitor changes in sensor performance and sensor calibration is a critical step to ensure data quality and to meet the needs of quantitative remote sensing in a broad range of scientific applications. One of the least expensive and increasingly popular methods of on-orbit calibration has been the use of pseudo invariant calibration sites (PICS). In this study, we analyze for the first time the potential of Glaciers on the Tibetan Plateau as PICS using the land and atmosphere products from ASTER, MODIS and OMI. A spatial homogeneity and temporal stability sub-region with high reflectance within Glaciers on the Tibetan Plateau is firstly identified through above analysis. Then, FY-3A/MERSI is used as the demonstration satellite, and the radiometric degradation model of MERSI is established by using time series analysis techniques to the sequences of normalized top-of-atmosphere (TOA) reflectance by Bi-directional Reflectance Distribution Function (BRDF) model of the snow surface. Compared to the polar ice-sheet, Tibetan Plateau glaciers located at lower latitudes have the advantage of providing continuous observations for monitoring the performance of satellite instruments, thus the seasonal oscillation patterns of satellite instrument degradation can be better understood. Compared with the desert site, Tibetan Plateau glaciers have the advantage of lower atmospheric disturbances and higher response. Through this study, the number of PICS in China can be enriched, which is helpful to promote the in-flight vicarious calibration of China's own satellite towards the direction of high precision, high quality, and high frequency.

卫星传感器在轨期间，对其辐射响应特性进行长期跟踪和定标更新是保证数据质量、满足定量遥感应用需求的前提。基于地球稳定目标跟踪卫星仪器在轨辐射响应变化是一种低成本、日益被广泛应用的定标跟踪方法。本研究利用国际上的地表和大气产品，在时空尺度上首次将青藏高原冰川作为潜在的稳定目标进行分析，识别出可用于定标跟踪的冰川区。以FY-3A/MERSI为示范星，采用多时相图像空间相关理论和自动平移算法，克服高原地区定位精度较低的难题，利用冰川目标BRDF模型，结合时间序列分析技术，去除目标观测数据序列中由观测几何、大气等因素变化导致的干扰信息后，建立MERSI在轨辐射响应衰变模型。与沙漠目标相比，青藏高原冰川具有受大气干扰小，响应度高的特点。同时还克服了极地冰川受极夜影响的缺陷，利于连续监测卫星仪器性能，获取仪器衰变的季节性振荡特征。本研究成果可用于完善地球稳定目标库，为国产卫星在轨辐射定标的发展奠定基础。

稳定目标跟踪定标法既避免了场地定标中需要进行卫星同步测量的问题，也弥补了交叉定标中需要依赖其他卫星传感器的不足，具有成本低、定标频次高等优势，是未来辐射定标的一个发展趋势。目前广泛使用的地球稳定目标以沙漠目标和极地冰雪目标为主。沙漠目标属于中低亮度目标，卫星入瞳处能量受大气影响大，影响着跟踪定标精度。虽然极地冰川是高亮度目标，有助提高卫星入瞳处能量的信噪比，但其易受极夜的限制，难以实现全年的连续跟踪监测遥感器性能。.本项目通过对青藏高原永久冰川（主要针对冰帽冰川或平顶冰川）反射率的空间均一性、时间稳定性、及坡度大小等方面进行定量评估与综合分析，选取出满足稳定目标特征的冰川区域。采用多时相图像空间相关理论和自动平移算法，解决青藏高原冰川目标面积较小，易引起多时相遥感影像提取范围不一致的难题。基于较高定标精度的MODIS数据，揭示青藏高原冰川目标上空卫星接收信号随卫星观测几何变化规律，并构建青藏高原冰雪稳定目标的大气顶双向反射率（BRDF）模型。继之，以气象卫星FY-3A/MERSI为示范星，结合多时相图像空间相关理论和自动平移算法以及冰川目标的大气顶BRDF模型，基于时间序列分析技术，构建了在轨辐射响应衰变模型，揭示了MERSI自发射以来到生命晚期的在轨辐射响应衰变规律，并与沙漠等稳定目标和敦煌场地业务定标方法的跟踪监测结果进行了比对验证。.通过项目的研究，在青藏高原地区识别出了4个面积在8-38 km2的稳定目标区域。冰川目标在较短可见光波段，反射率光谱平坦且值在97%以上，明显高于沙漠目标，因此进一步丰富了高端响应目标。本研究构建的冰川目标大气顶BRDF模型精度较高，模型误差均在5%以内（金阳岗日除外，~5.5%），满足气象卫星绝对辐射定标精度要求。基于青藏高原冰川目标构建的FY-3A/MERSI在轨辐射响应衰变模型与其他方法的结果具有很好的一致性，年均衰减率差异<1%。