基于静止卫星多星观测的场地TOA BRDF日更新算法研究

With the development of the satellite remote sensing technology, the quantitative application of VIS and NIR channels played increasingly important roles in the site of climate research, drought mitigation, agriculture and forestry statistics and terrain mapping. Driven by the application demand, the radiometric calibration of VIS and NIR channels were given increasingly attention and concern. Bottleneck problem of constraining the accuracy of VIS and NIR channels is the bidirectional reflectance distribution function (the BRDF). Compared to the 6% of the vicarious calibration accuracy, the BRDF changing magnitude caused by water content, temperature, vegetation and other factors cannot be ignored. Updating period of the existing BRDF cannot meet requirements. The project will study the establishment of Dunhuang remote satellite radiometric calibration site's top of the atmosphere (TOA) day updating BRDF algorithm based on the multi-satellite observations of geostationary satellite. Site experiment validation and correction will be carried out. On this basis, the achieved research results will be promoted to multi site vicarious calibration: global desert sites suitable for stationary / polar-orbiting satellite will be selected and the multi-brightness level day updating BRDF site vicarious calibration could be achieved. As to improve the accuracy of the VIS and NIR channels' site vicarious calibration, and provide a strong safeguard for the rich quantitative applications.

随着我国卫星遥感事业的发展，可见近红外通道的定量化应用在气候研究、抗旱减灾、农林统计、地物测绘等领域发挥的作用越来越重要。在此应用需求的推动下，可见近红外通道的辐射定标日益受到业内重视与关注。制约可见近红外通道场地替代定标精度的瓶颈问题是场地的双向反射分布函数（BRDF）。相对于场地替代定标6%的定标精度而言，场地BRDF受含水量、温度、植被等因素的影响变化幅度不容忽视。现有场地BRDF的更新周期无法满足需求。项目将研究建立在静止卫星多星观测数据基础之上的敦煌遥感卫星辐射校正场大气层顶（TOA）日更新BRDF算法，开展场地试验验证与修正。在此基础上将取得的研究成果推广至多场地替代定标，分别选取可应用于静止/极轨卫星的全球沙漠场目标，实现多亮度级别日更新BRDF的定标算法，以求有效提高可见近红外通道定标精度，为丰富的定量化应用提供有力保障。

项目的研究内容为研究建立在静止卫星多星观测数据基础之上的日更新敦煌辐射校正场TOA BRDF算法，并对敦煌场BRDF算法开展场地试验验证与修正。在此基础上将取得的研究成果推广至多场地替代定标，分别选取可应用于静止/极轨卫星的全球沙漠场目标，实现多亮度级别日更新BRDF的场地替代定标。.项目的第一个成果是开发出了一套针对戈壁与沙漠这类近似朗伯体表面的镜面BRDF模型。此套模型即拥有国际流行的核驱动BRDF模型的精度，又不包含植被信息项，同时基于简单的菲涅耳反射原理，自变量仅是镜面法线天顶角与法线入射角这两个角度的三角函数组合。同时需要指出的是这一成果还远未达到最优状态，如果能在三角函数组合上开展进一步深入的研究，有望获得更突破的成绩。.项目的第二个成果是创新性的提出了中垂面法实现多星归一化计算。中垂面法即在假设一般地物目标具有BRDF轴对称特性的基础上，取以两颗卫星为端点的线段中垂面，中垂面与地表相交线上的地物目标可以作为归一化的参考目标。两颗卫星在太阳经过该中垂面时观测参考目标将具有相同的观测天顶角、太阳天顶角和互为相反数的相对方向角。在轴对称的假设下，两个载荷输出电压的比值即是所求的归一化系数。这一方法可以跳出大气校正的约束，生成静止卫星ABRDF的输入数据。也可以作为一种定标精度的检验手段。.项目的第三个成果是获取了分区域敦煌场粒径分布函数。项目组使用此函数开展了BRDF建模研究。随着定标精度指标的逐渐提高，卫星空间分辨率的与日俱增，承载不同区域反射比特性的粒径分布函数势必在不远的未来有更广阔的用途。.项目的第四个成果是实现了多亮度级别日更新ABRDF的场地替代定标算法。MODIS遥感产品是国际公认定标精度很高的产品，其MCD43产品的更新频率已经达到了日更新级别，本算法的实现不但解决了静止卫星ABRDF产品算法从无到有的问题，而且在更新频次上可以一跃达到国际的先进水平。