近日，武汉大学遥感信息工程学院巫兆聪教授和王绍举教授联合指导硕士生张斯卿在IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing (JSTARS) 发表题为“Radiometric Cross-Calibration of Hyperspectral Microsatellites Using Spectral Homogeneity Factor”（基于光谱均匀性因子的微纳高光谱卫星交叉辐射定标）的研究成果。

在轨辐射定标对于高光谱卫星数据的定量化应用及其传感器的状态监测至关重要，但其频率仍然受到目前可用定标场地的限制，尤其是成像能力较为有限的微纳卫星。为了尽可能让在轨辐射定标摆脱对于特定场地的依赖，本研究创新性提出一种光谱均匀性因子 (SpecHF) 选取开放场地，进行高光谱微纳卫星的交叉辐射定标。将中国内蒙古自治区乌兰布和沙漠的开放场地作为实验区域，对研究团队完全自主控制的微纳高光谱卫星“启明星一号”进行了在轨辐射定标。空天地联合精度验证表明，该方法能够在保证在轨辐射定标精度的前提下，有效提高在轨辐射定标的灵活性与可行性。该方法主要包含三个部分：基于光谱均匀性因子选取定标目标、通过光谱匹配因子补偿响应差异、根据参考传感器计算待定标传感器的辐射定标系数，其具体流程如图1所示。

图1 基于光谱均匀性因子的在轨交叉辐射校准方法

本研究的实验区域位于中国内蒙古自治区乌兰布和沙漠南部，位置为北纬39.52°、东经106.22°，总面积约127平方公里，海拔约1040m。为了在开放场地中选取交叉辐射定标目标，本研究利用高分五号可见光短波红外高光谱相机（Advanced HyperSpectral Imager, AHSI）构建了光谱均匀性因子，该因子能够有效评估目标中各像元在全谱段上的光谱均匀性。本研究中一共筛选了十个光谱均匀性良好的目标，其分布如图2所示。

图2 本研究的实验区域以及交叉定标目标的空间分布

在完成高均匀定标目标的选取后，我们以“珠海一号”高光谱卫星作为参考，对“启明星一号”进行交叉辐射定标。“珠海一号”高光谱卫星星座由多颗光电与光谱特性相似的卫星组成，能够获取400-1000 nm范围内32波段的高光谱影像，且具有较高的辐射定标精度。我们选择了其中与“启明星一号”最接近的9个波段，二者的光谱响应函数如图3所示。交叉辐射定标结果表明“启明星一号”各个谱段响应线性度优秀，平均相关系数接近0.99。

图3 “启明星一号”与“珠海一号”光谱响应函数

为了评估所提出在轨交叉辐射定标方法的精度，我们对“启明星一号”高光谱卫星开展了空天地联合精度验证实验。一方面，我们利用全球辐射定标网（Radiometric Calibration Network, RadCalNet）位于纳米比亚戈巴贝布沙漠的标准场地所发布的大气层顶反射率数据进行了精度验证，结果表明与发射前实验室定标相比，定标精度得到了显著提升，具体如图4所示；另一方面，研究团队在中国江苏省无锡市附近区域选取了若干块均匀地物（如图5所示），在卫星同步过境时开展地面真实性检验，结果表明在经过本研究方法定标后，“启明星一号”能够准确反映真实场景中各类地物的光谱特性（如图6所示），有效满足了其高光谱数据的定量化应用需求。

图4 基于RadCalNet的精度检验结果

图5 地面真实性检验场地及地物目标

图6 地面真实性检验结果

图7 研究团队实验留影 从左至右：王可欣、饶可奕、张斯卿、方瑞欣、代志雄

综合而言，所提出的方法有效降低了在轨辐射定标对特定场地的依赖，从而提高了其可行性和灵活性。随着微纳高光谱卫星数量的不断增加和定量应用需求的不断增长，本文提出的交叉定标方法的应用前景将更加广阔。

文章引用：

S. Zhang, K. Rao, Z. Wu, S. Wang, Z. Dai, R. Fang and K. Wang, " Radiometric Cross-Calibration of Hyperspectral Microsatellites Using Spectral Homogeneity Factor," IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, doi: 10.1109/JSTARS.2024.3509933.