国家标准 GB/34509.1一2017 陆地观测卫星光学遥感器在轨场地辐射定标方法第1部分:可见光近红外 I-orbitfieldradiometric ealibrationforoptiealremtesensorf landobservationsatellite一Part1:Visible-nearinfrared 2017-11-01发布 2018-05-01实施国家质量监督检验检疫总局发布国家标准化管理委员会国家标准
GB;/T34509.1一2017 目次前言范围 2 规范性引用文件术语和定义 -般要求 4.1辐射定标场 1.1地表特性 4 4.1.2工作条件 4.2测量条件 .2.1测量仪器 4.2.2测量天气条件数据获取地表光学特性参数 5.l 5.2大气参数 5.3气象参数 5.!场地参数 5.5卫星及遥感器参数与卫星遥感器观测值卫星及遥感器参数 5,5.1 5.5.2卫星遥感器观测值技术流程与计算方法 6.1概述 6,.2技术流程 6.3计算方法 6.3.1卫星遥感器人幢处辐亮度 6.3.2卫星遥感器波段处等效辐亮度 6.3.3卫星遥感器波段定标系数不确定度分析 7.1一般要求 7.2不确定度分析因素 7.2.1反射率法 7.2.2辐亮度法 7.2.3辐照度法 7.3不确定度计算公式附录A资料性附录在轨场地辐射定标不确定度分析
GB;/T34509.1一2017 前言 GB/T34509《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/T34509的第1部分本部分按照GB/T1.l一2009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/TC425)归口本部分起草单位;资源卫星应用中心、二十一世纪空间技术应用股份有限公司、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;傅悄燕,王爱春,韩启金、秦敬芳、严明、会珍,伍非,徐攀平,贺班
GB;/T34509.1一2017 陆地观测卫星光学遥感器在轨场地辐射定标方法第1部分:可见光近红外范围 GB/T34509的本部分规定了陆地观测卫星可见光近红外遥感器在轨场地辐射定标的一般要求、数据获取、技术流程与计算方法、不确定度分析等内容本部分适用于陆地观测卫星可见光近红外遥感器在轨场地辐射定标(以下简称在轨场地辐射定标),其他卫星的同类遥感器可参照使用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/T2900.65电工术语照明 GB/T3102.6光及有关电磁辐射的量和单位 GB/T14950摄影测量与遥感术语 GB/T32453卫星对地观测数据产品分类分级规则术语和定义 GB/T2900.65,GB/T3102.6,GB/T14950和GB/T32453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radiommetriecealbrationsite 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-orbitfieldradiometrieea ealhrtin 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人瞳处辐亮度之间定量关系的过程 -般要求 4.1辐射定标场 4.1.1地表特性地表特性应符合如下要求: 场地试验期间大气干燥、洁净 a b 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
GB/T34509.1一2017 场地表面应具有良好的朗伯特性,地表光谱反射率随波长变化较为平缓 c d 场地地表反射率因子在场地面积内应均匀一致,变化应不大于3%; 场地周边环境无影响定标的遮挡物 e 4.1.2工作条件工作条件如下辐射定标场应选择在交通便利试验人员与设备易于进出的地带 a b 辐射定标场能满足野外试验的工作条件 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 光谱辐射计; 方向反射设备 b e 参考标准板; a 太阳光度计; 光谱照度计; 臭氧分光光度计; 多波段微波辐射计; 8 h 激光雷达; 探空气球; 温度湿度气压传感器; k 风力风速测量仪; 定位仪器 I 4.2.1.2测量仪器应符合如下要求地表反射率测量仪器的工作波段应涵盖卫星遥感器工作波段 a bb 测量仪器的精度应满足测试要求; 测量仪器在试验前应进行标定,在有条件的情况下宜进行现场标定 c d)测量仪器使用严格按照仪器操作手册执行 4.2.2测量天气条件测量天气条件应符合如下要求天气晴朗,目标区周边10km内天顶无云; a b) 气溶胶光学厚度小于0.,25(水平能见度大于10kn m e 风力小于4级 5 数据获取 5.1地表光学特性参数地表光学特性参数如下: 采用光谱辐射计和参考标准板测量人射辐射; a b)采用光谱辐射计测量反射辐射;
GB;/T34509.1一2017 采用方向反射设备测量二向反射分布函数 c d 依据a),b)和c)计算地表反射率因子 5.2大气参数大气参数如下 a)采用太阳光度计测量太阳光谱直射辐射,计算垂直柱大气光学厚度和垂直柱水汽含量; 采用光谱照度计测量天空谩射辐照度和总辐射照度,计算天空漫射总辐照度比 b 采用激光雷达测量大气后向散射回波信号,计算和确定大气粒子垂直分布廓线; c d)采用臭氧分光光度计测量太阳光谱直射辐射,计算垂直柱臭氧含量 5.3气象参数气象参数如下采用温度湿度气压传感器测量地面的温度、湿度和大气压强 aa b)采用多波段微波辐射计或探空气球测量不同大气层的温度、湿度和大气压强廓线采用风力风速测量仪测量风力,风速 c 5,4场地参数场地参数如下 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) 采用定位仪器测量辐射定标场的海拔高度 b 5.5卫星及遥感器参数与卫星遥感器观测值 5.5.1卫星及遥感器参数卫星及遥感器参数包括卫星轨道高度; aa 卫星过辐射定标场的时间 b 卫星过辐射定标场时的遥感器观测天顶角、观测方位角,太阳天顶角和太阳方位角 c d 卫星遥感器波段的归一化光谱响应函数 5.5.2卫星遥感器观测值在卫星遥感器飞过牺射定标场成像时的L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技术流程与计算方法 6.1概述在轨场地辐射定标法主要是在卫星遥感器飞过辐射定标场的前后半小时内,通过反射率法或辐照度法(地面准同步测量)或辐亮度法(航空器准同步测量),获取地表参数,大气参数、气象参数及其他参数,借助大气辐射传输模型计算卫星遥感器人`处辐亮度值,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技术流程在轨场地辐射定标技术流程如图1所示
GB/T34509.1一2017 测量仪器标定卫星图像获取仪器布设与测量测量数据处理相对辐射校正入腋处辐射亮度计算测量区逊感器观测值波段处等效牺射亮度计算卫星逊感器波段定标系数图1在轨场地辐射定标技术流程 6.3计算方法 6.3.1卫星遥感器入瞳处辐亮度 6.3.1.1反射率法基于反射率法的卫星遥感器人瞳处辐亮度L,(a)按式(1)计算一"十E.(a)]e一"十L,(a) L,(入= T.(Q)(a.)[AE,(a)e" 式中 L.( -波长入处的卫星遥感器人瞳处辐亮度,单位为瓦每平方米球面度微米[w/(nm srm)] T.(a) -波长入处向上和向下双向的气体吸收透过率; p(a) -波长入处的地表反射率因子; 太阳天顶角已的余弦(cos,) ia 波长入处的大气外太阳辐射照度,单位为瓦每平方米微米[w/m m]; 太阳到地面方向的垂直柱大气光学厚度; Ea(a) 波长入处人射到地表的大气漫射辐照度,单位为瓦每平方米微米[w/(m'4m)] 地面到卫星遥感器方向的垂直柱大气光学厚度; 观测天顶角0、的余弦cos/,); 从 L,(a) 波长入处的大气路径辐亮度,单位为瓦每平方米球面度微米[w/(tm sr4nm)] 6.3.1.2辐亮度法基于辐亮度法的卫星遥感器人瞳处辐亮度L.(a)按式(2)计算
GB;/T34509.1一2017 L.(a)=L()T(a)十L() 式中: Ln(a) 航空器飞行高度上波长入处光谱辐射计测量的人瞳辐亮度,单位为瓦每平方米球面度微米[w/m”sr”m)门; 波长入处光谱辐射计到卫星遥感器之间的大气透过率 T(A 波长入处光谱辐射计到卫星遥感器间的大气路径辐亮度,单位为瓦每平方米球面度微 LA(入米[w/m'sr丝m)] 6.3.1.3辐照度法基于辐照度法的卫星遥感器人幢处辐亮度L.(A)按式(3)计算 a十aa一asan L.(a)=一E.(a)p,T,(a)" 式中: p.(a -波长入处的大气固有反射率; a 太阳人射方向漫射辐射与总辐射照度之比; S(入 -波长入处的大气球面反照率，卫星观测方向漫射辐射与总辐射照度之比卫星遥感器波段处等效辐亮度 6.3.2 卫星遥感器波段处等效辐亮度L.(入 )按式(4)计算 L.(入)Ran(入)d入 Imin L.(入.)- Rm(a)d 式中 L.(入. -卫星遥感器波段的等效辐亮度,单位为瓦每平方米球面度微米[w/m sr”Mm)]; 卫星遥感器波段的等效中心波长; 卫星遥感器波段光谐响应函数的最大波长,单位为微米(um); 卫星遥感器波段光谱响应函数的最小波长,单位为微米(pm):; 入min R(入卫星遥感器波段的归一化光谱响应函数 6.3.3卫星遥感器波段定标系数当遥感器响应为线性时,将卫星遥感器通道等效辐亮度和卫星遥感器观测值的多组数据按式(5)得到方程组,利用方程组解算卫星遥感器波段的定标系数Gai(定标斜率)和Bha(定标截距)》. L.(入.=(Gain×DN十Bias (5 式中: 定标斜率,单位为瓦每平方米球面度微米[w/msrm)]; Gain DN 卫星遥感器观测值 Bias 定标截距,单位为瓦每平方米球面度微米[w/m=”sr”m)] 不确定度分析 7.1 -般要求不确定度分析一般要求如下
GB/T34509.1一2017 确定遥感器输出值与被观测量的关系式,即遥感器的定标方程， a b 列出影响遥感器人瞳处辐亮度的不确定性因素; 测量或估算每个不确定性因素的不确定度 c 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不确定度分析因素 7.2.1反射率法基于反射率法的在轨场地辐射定标不确定度因素包括以下几个方面(具体分析示例参见附录A中 A.1) a)地表反射率测量的不确定因素,主要包括参考标准板标定、漫射辐射校正和地表测量; b 大气光学厚度测量的不确定因素,主要包括大气总光学厚度测量和光学厚度分离 c 大气吸收气体测量的不确定因素,主要包括水汽含量测量和臭氧含量测量; d 气溶胶光学参量假设的不确定因素，主要包括气溶胶折射指数的选择和气溶胶大小分布的选择; 大气牺射传输模型计算的不确定度; e f 太阳辐照度在可见光近红外波段变化的不确定度; 太阳天顶角计算的不确定度， g h)其他假设带来的不确定因素包括垂直分布、地面非朗伯体特性和极化辐射的非极化假设等 7.2.2辐亮度法基于辐亮度法的在轨场地辐射定标不确定度因素包括以下儿个方面(具体分析示例参见附录A中 A.1) 航空器辐射计观测的不确定因素,主要包括波长和亮度定标、角度定向精度和记录精度 a b 航空器飞行的不确定因素,主要包括高度偏差校正精度和姿态偏差校正精度大气辐射传输模型计算的不确定度; c d 太阳辐照度在可见光近红外波段变化的不确定度; 太阳天顶角计算的不确定度 e 7.2.3辐照度法基于辐照度法的在轨场地辐射定标不确定度因索包括以下几个方面(具体分析示例参见A.l) 天空漫射总辐照比测量的不确定因素,主要包括漫射测量和总照度测量; a b 地表反射率测量的不确定因素,主要包括参考标准板标定、漫射辐射校正和地表测量; 大气光学厚度测量的不确定因素，主要包括大气总光学厚度测量和光学厚度分离" d 大气吸收气体测量的不确定因素,主要包括水汽含量测量和臭氧含量测量; 大气辐射传输模型计算的不确定度 e 太阳辐照度在可见光近红外波段变化的不确定度; 太阳天顶角计算的不确定度日 h 其他假设带来的不确定因素包括球面反照率和大气反射率以及垂直分布等 7.3不确定度计算公式依据误差传递理论对在轨场地辐射定标结果的不确定度进行分析,相关分析计算公式参见A.2
GB;/T34509.1一2017 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反射率法的可见光近红外遥感器在轨场地辐射定标不确定度分析示例见表A.1 表A.1基于反射率法的在轨场地辐射定标不确定度分析示例不确定度对合成标准不确定度的贡献序号不确定度因素 % % 地表反射率测量 2.1 2. 参考标准板标定 1.l 0.5 漫射辐射校正 0. 地表测量 2.0 大气光学厚度测量 5.4 1. 大气总光学厚度测量 5.0 2.2 光学厚度分离 2.0 大气吸收气体测量 7.1 1.3 水汽含量测量 3.l 5.0 臭氧含量测量 5.0 气溶胶折射指数的选择 2.0 2.0 气溶胶大小分布的选择 0.54 3.0 分布类型 5.1 粒子大小范围 0.2 5.2 5.3 Junge参数 0.5 垂直分布假设 l.0 l.0 1.2 1.2 地面非朗伯体特性假设极化码的非极化假设 0.1 0,1 大气辐射传输模型 l.0 1.0 10 太阳辐照度的变化 1.0 1.0 丝、的不确定度 0.2 0.2 11 合成标准不确定度 4.9
GB/T34509.1一2017 基于辐亮度法的可见光近红外遥感器在轨场地辐射定标不确定度分析示例见表A.2 表A.2基于辐亮度法的在轨场地辐射定标不确定度分析示例不确定度对合成标准不确定度的贡献序号不确定度因素 % % 航空器辐射计观测 2.0 2.0 定标(波长,亮度)》 1.l l.0 1.5 1.2 角度定向精度 1.0 数据记录精度 1.3 飞行高度及姿态偏差校正精度 1.5 1.5 大气辐射传输模型 1.0 1.0 太阳辐照度的变化 1.0 1,0 "，的不确定度 0. 0,2 合成标准不确定度 2.9 基于辐照度法的可见光近红外遥感器在轨场地辐射定标不确定度分析示例见表A.3 表A.3基于辐照度法的在轨场地辐射定标不确定度分析示例不确定度对合成标准不确定度的贡献序号不确定度因素 % % 天空漫射总辐照比测量 2.0 2.0 1. 漫射测量 1.5 1.2 总照度测量 1.3 地表反射率测量 2.1 2.1 参考标准板标定 2. 0.5 谩射辐射校正 2.2 0.5 2.3 2.0 地表测量大气光学厚度测量 5.4 3,1 大气总光学厚度测量 5.0 3.2 光学厚度分离 2.0 大气吸收气体测量 7.1 1.3 水汽含量测量 4.l 5,0 4.2 臭氧含量测量 5.0 垂直分布假设 1.0 l.0 球面反照率及大气反射率 1.0 1.0 辐射传输模型 1.0 1.0 太阳辐照度的变化 1.0 1.0 "，的不确定度 0.2 0.2 合成标准不确定度 3.9
GB;/T34509.1一2017 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中是若干自变量r,y,,u 的非线性函数形式表示按照式A.l)计算 =F(.r (A.1 .ry,,u 之间的关系按照式A.2 则因变量的标准偏差o，与自变量,y,,u 的标准偏差o o，.o .O” 计算 aF aF /aF F a十+ a -p,.d，十 y ry FE FF 十2 A.2) 2 一p.a, 一e.冈十+ y7u 如果自变量r,y,,是相互独立的,则独立变量的误差传递按照式(A.3)计算 /aF /oF 十十 A.3 au 式中 aFF aF 自变量r,y,,u的误差传递系数(权重系数). . a.r'ay 7u aF 7F aF E,也称为自变量,y的误差通过各自对因变量夕的贡献-发了.,几-a,d n 各不确定因素的不确定度)传递和引人到因变量柬的误差上,则独立变量的误差传递按照式(A.4 计算 a，=/6干干 A.4 式(A.4)是遥感器在轨场地绝对辐射定标不确定度分析的理论基础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

陆地观测卫星光学遥感器在轨场地辐射定标方法第1部分：可见光近红外GB/T34509.1-2017

随着陆地观测卫星的发展，其所搭载的光学遥感器已成为获取地球表面信息的主要手段之一。然而，由于不同时间、不同天气条件下地球表面的反射率存在较大差异，因此需要对光学遥感器进行场地辐射定标，以保证数据的准确性和可比性。

本文将重点介绍光学遥感器在轨场地辐射定标的方法，特别是针对可见光和近红外波段的GB/T34509.1-2017标准。

一、可见光近红外GB/T34509.1-2017标准

GB/T34509.1-2017标准是针对光学遥感器在轨场地辐射定标的一项重要标准，其中涵盖了可见光和近红外波段。该标准详细规定了实验中需要使用的设备、测量方法以及数据处理等方面的内容。

具体来说，该标准要求在进行场地辐射定标时，应选取代表性场地进行测量，并在不同时间、不同天气条件下进行多次观测，以获取相对应的反射率数据。同时，还需要利用Calibrated Radiance/Reflectance（CAL/R）数据进行定标系数的计算，以保证数据的准确性和精度。

二、可见光近红外场地辐射定标方法

针对可见光和近红外波段的场地辐射定标方法主要包括以下步骤：

选择合适的代表性场地，进行现场勘察和测量设备的设置。
利用辐射源产生已知辐射值的光谱信号，对设备进行定标，得到Calibrated Radiance/Reflectance（CAL/R）数据。
对选定的代表性场地进行多次观测，获取不同时间、不同天气条件下的反射率数据。
利用CAL/R数据和反射率数据计算出定标系数，并对光学遥感器数据进行处理。

三、总结

光学遥感器在轨场地辐射定标是保证数据准确性和可比性的基础工作之一。GB/T34509.1-2017标准为该过程提供了详细的规范，特别是针对可见光和近红外波段的定标方法，有助于提高数据的精度和可靠性。