Способ радиационной калибровки спутникового сенсора высокого пространственного разрешения

Изобретение относится к области космических технологий, в частности к способам полетной калибровки спутниковых сенсоров оптического диапазона в абсолютных энергетических единицах, и может быть использовано для калибровки спутниковых сенсоров высокого пространственного разрешения. Способ радиационной калибровки включает измерение сигнала спутниковым сенсором и одновременные подспутниковые наземные измерения коэффициентов яркости и альбедо подстилающей поверхности. Измеряют оптическую толщину атмосферы и освещенность, создаваемую солнцем на тестовом участке, размер которого соответствует пространственному разрешению сенсора. Измерения проводят на двух (или более) тестовых участках с различающимися альбедо подстилающей поверхности и рассчитывают калибровочный коэффициент по зависимости измеренного сигнала на входе спутникового сенсора от коэффициента яркости подстилающей поверхности. Изобретение позволяет повысить точность абсолютной энергетической калибровки и упростить процедуру калибровки.

 

Изобретение относится к области космических технологий, в частности к способам калибровки во время полета спутниковых сенсоров оптического диапазона в абсолютных энергетических единицах, и может быть использовано для калибровки спутниковых сенсоров высокого пространственного разрешения.

Известен способ радиационной калибровки спутникового сенсора, включающий измерение сигнала спутниковым сенсором, одновременные подспутниковые наземные измерения параметров атмосферы, коэффициентов яркости и альбедо подстилающей поверхности и расчет спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) солнечного излучения на входе спутникового сенсора (SPOT calibration at the La Crau Test Site (France) / R.Santer [et al.] // Remote Sensing of Environment. - 1992. - V.41. - P.227-237; Reflectance and radiance-based methods for the in-flight absolute calibration of multispectral sensors / P.N.Slater [et al.] // Remote Sensing of Environment. - 1987. - V.22. - P.11-37).

Недостатками данного способа являются:

- необходимость использования априорных предположений о модели вертикальной структуры неоднородной молекулярно-газовой и аэрозольной атмосферы;

- необходимость проведения расчета переноса излучения в сложной системе атмосфера - подстилающая поверхность;

- отсутствие учета влияния солнечного излучения, отраженного от неоднородной подстилающей поверхности в соседних пикселях, на сигнал, регистрируемый от тестового пикселя. Такое влияние имеет место вследствие молекулярного и аэрозольного рассеяния излучения в атмосфере и распространяется на расстояние порядка 5 км (Dave J.V. Effect of atmospheric conditions on remote sensing of a surface nonhomogeneity / Photogrammetric Engineering and Remote Sensing. - 1980. - V.46. - P.1173-1180; Kaufman Y.J. The atmospheric effect on the separability of field classes measured from satellites / Remote Sensing of Environment. - 1985. - V.18. P.21-34).

Точность калибровки спутникового сенсора по данному способу зависит неконтролируемым образом от точности модели атмосферы, точности кода расчета переноса излучения в системе атмосфера-подстилающая поверхность, однородности подстилающей поверхности, окружающей тестовый пиксель, и пространственного разрешения спутникового сенсора. Третий из указанных недостатков может приводить к большой погрешности калибровки спутниковых сенсоров высокого пространственного разрешения.

Наиболее близким техническим решением (прототип) является способ радиационной калибровки спутникового сенсора, включающий измерение сигнала спутниковым сенсором, одновременные подспутниковые наземные измерения параметров атмосферы, коэффициентов яркости и альбедо подстилающей поверхности и расчет спектральной плотности энергетической яркости солнечного излучения на входе спутникового сенсора, причем размер тестового участка в семь раз больше, чем пространственное разрешение сенсора (Richter R. On the in-flight absolute calibration of high spatial resolution spaceborne sensors using small ground targets / Int. j. remote sensing. - 1997, V.18. - №13. - P.2827-2833). Увеличение размера тестового участка в семь раз по сравнению с пространственным разрешением сенсора позволяет уменьшить неконтролируемое влияние неоднородной подстилающей поверхности в соседних пикселях на сигнал, регистрируемый сенсором от тестового пикселя, и тем самым повысить точность абсолютной калибровки спутникового сенсора высокого пространственного разрешения.

Недостатками данного способа, как и аналога, являются необходимость использования априорных предположений о модели вертикальной структуры неоднородной молекулярно-газовой и аэрозольной атмосферы, необходимость проведения расчета переноса излучения в сложной системе атмосфера-подстилающая поверхность, а также неполный учет влияния неоднородной подстилающей поверхности в соседних пикселях на сигнал, регистрируемый сенсором от тестового пикселя, что приводит к погрешности калибровки спутникового сенсора высокого пространственного разрешения.

Задачей изобретения является повышение точности абсолютной энергетической калибровки спутникового сенсора высокого пространственного разрешения и упрощение процедуры калибровки.

Задача решается за счет того, что в предлагаемом способе радиационной калибровки спутникового сенсора высокого пространственного разрешения, включающем измерение сигнала спутниковым сенсором и одновременные подспутниковые наземные измерения коэффициентов яркости и альбедо подстилающей поверхности, измеряют оптическую толщину атмосферы и освещенность, создаваемую солнцем на двух (или более) тестовых участках, размер которых соответствует пространственному разрешению сенсора, с различающимися альбедо поверхности и по зависимости измеренного сигнала на входе спутникового сенсора от коэффициента яркости подстилающей поверхности рассчитывают калибровочный коэффициент, связывающий спектральную плотность энергетической яркости солнечного излучения на входе спутникового сенсора с измеряемым сенсором сигналом, по формуле:

,

где

N_i (i=1,2) - измеряемые спутниковым сенсором сигналы для i-го тестового участка,

и (i=1,2) - средние по поверхности i-го тестового участка коэффициенты яркости и альбедо поверхности, соответственно,

Е_норм(µ₀) - освещенность тестового участка, нормированная на освещенность, создаваемую солнцем на верхней границе атмосферы,

µ₀E₀ - освещенность, создаваемая солнечным излучением на верхней границе земной атмосферы,

T₀(µ)=ехр(-τ_atm/µ), τ_атм - оптическая толщина атмосферы,

λ - длина волны излучения,

µ₀ - косинус зенитного угла солнца,

µ - косинус угла наблюдения,

φ - азимут направления наблюдения по отношению к направлению на солнце.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Регистрируемый спутниковым сенсором сигнал N пропорционален СПЭЯ I(λ,µ,µ₀,φ) солнечного излучения на входе спутникового сенсора, где λ - длина волны излучения, µ₀ - косинус зенитного угла солнца, µ - косинус угла наблюдения, φ - азимут направления наблюдения по отношению к направлению на солнце. То есть

где k - искомый калибровочный коэффициент.

СПЭЯ солнечного излучения на входе спутникового сенсора равна

где µ₀E₀(λ) - спектральная плотность потока солнечного излучения, падающего на верхнюю границу земной атмосферы, R(λ,µ,µ₀,φ) - спектральный коэффициент яркости на верхней границе системы атмосфера - подстилающая поверхность. Ниже для сокращения записи параметр λ будет опускаться.

В общем случае коэффициент яркости на верхней границе атмосферы можно записать в виде:

где R_атм(µ,µ₀,φ) - коэффициент яркости излучения, отраженного атмосферой, T(µ₀) - интегральный (по углам) коэффициент пропускания атмосферы при зенитном угле солнца arcos µ₀, T₀(µ) - коэффициент пропускания атмосферы для прямопрошедшего (без рассеяния) света, - сферическое альбедо атмосферы при освещении ее снизу, - среднее сферическое альбедо окружающей поверхности, и - средние по поверхности пикселя коэффициенты яркости и альбедо поверхности. В формуле (3) первый член учитывает вклад излучения, рассеянного в атмосфере без взаимодействия с поверхностью, второй и третий члены в сумме описывают вклад излучения, отраженного от тестового пикселя, причем третий член учитывает поправку на неламбертовость поверхности. Четвертый член учитывает вклад излучения, отраженного от окружающей поверхности, который часто называют вкладом бокового подсвета.

В частном случае ламбертовской подстилающей поверхности, для которой коэффициент яркости не зависит от угла падения и угла диффузного отражения, т.е. , из формулы (3) имеем:

С учетом соотношений (1)-(3) измеренный спутниковым сенсором сигнал можно записать в виде:

где

Заметим, что здесь величина T₀(µ) есть пропускание прямопрошедшего света, которое определяется оптической толщиной атмосферы τ_атм, т.е.

а величина

- освещенность тестового участка поверхности. Т.е. величина

есть освещенность тестового участка, нормированная на освещенность, создаваемую солнцем на верхней границе атмосферы. Поэтому формулу (5) можно переписать в виде:

Произведя измерения на двух (или более) тестовых участках с различающимися коэффициентами яркости подстилающей поверхности, из формулы (10) получим:

Здесь считается, что тестовые участки находятся близко друг к другу и их освещенности можно считать одинаковыми и равными E(µ₀).

Из формулы (11) определяется искомый калибровочный коэффициент

Все величины в формуле (12) являются либо хорошо известными априори (Е₀), либо измеряемыми. Так величина N_i есть сигнал, регистрируемый спутниковым сенсором, и - средние по поверхности i-го пикселя коэффициент яркости и альбедо поверхности, Е_норм(µ₀) - нормированная освещенность, связанная формулой (9) с измеряемой реальной освещенностью тестовых площадок E(µ₀). Величина Т₀(µ) рассчитывается по формуле (7) по измеряемой величине τ_atm.

В случае ламбертовской поверхности формула (12) упрощается и принимает вид:

Если с целью повышения точности определения калибровочного коэффициента k измерения производятся на нескольких (более двух) тестовых участках, то искомая величина находится из уравнения (11) каким-либо методом статистической оптимизации, например методом наименьших квадратов. В случае ламбертовской поверхности формула (11) имеет вид

и искомый калибровочный коэффициент k определяется по линейной зависимости .

Указанная последовательность выполнения операций позволяет упростить процедуру и повысить точность радиационной калибровки спутникового сенсора, поскольку при этом автоматически учитывается вклад в регистрируемый спутниковым сенсором сигнал как излучения, отраженного атмосферой, так и излучения, отраженного поверхностью, окружающей тестовый пиксель, т.е. бокового подсвета. Поэтому отпадает необходимость

а) использования априорных предположений о модели вертикальной структуры неоднородной молекулярно-газовой и аэрозольной атмосферы;

б) учета радиационного влияния отражения солнечного излучения от неоднородной подстилающей поверхности в соседних пикселях на сигнал, регистрируемый от тестового пикселя;

в) проведения расчета переноса излучения в сложной системе атмосфера-подстилающая поверхность.

Таким образом, радиационная калибровка спутникового сенсора высокого пространственного разрешения предложенным способом производится без неконтролируемых ошибок, обусловленных априорными предположениями о модели атмосферы и влиянием бокового подсвета.

Способ радиационной калибровки спутникового сенсора высокого пространственного разрешения в абсолютных энергетических единицах, включающий измерение сигнала спутниковым сенсором и одновременные подспутниковые наземные измерения коэффициентов яркости и альбедо подстилающей поверхности, отличающийся тем, что измеряют оптическую толщину атмосферы и освещенность, создаваемую солнцем на двух (или более) тестовых участках, размер которых соответствует пространственному разрешению сенсора, с различающимися альбедо поверхностями и по зависимости измеренного сигнала на входе спутникового сенсора от коэффициента яркости подстилающей поверхности рассчитывают калибровочный коэффициент, связывающий спектральную плотность энергетической яркости солнечного излучения на входе спутникового сенсора с измеряемым сенсором сигналом, по формуле:

где N_i (i=1, 2) - измеряемые спутниковым сенсором сигналы для i-го тестового участка;
и (i=1, 2) - средние по поверхности i-го тестового участка коэффициенты яркости и альбедо поверхности соответственно;
Е_норм(µ₀) - освещенность тестового участка, нормированная на освещенность, создаваемую солнцем на верхней границе атмосферы;
µ₀Е₀ - освещенность, создаваемая солнечным излучением на верхней границе земной атмосферы;
T₀(µ)=ехр(-τ_атм/µ), τ_атм - оптическая толщина атмосферы;
µ₀ - косинус зенитного угла солнца;
µ - косинус угла наблюдения;
φ - азимут направления наблюдения по отношению к направлению на солнце.