高分一号卫星时间序列定标研究与验证

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高分一号卫星(GF1)是我国高分辨率对地观测系统的首发星,在众多领域发挥着重要的作用。当前高分一号卫星定标采用的是中国资源卫星应用中心一年一度发布在官网上的定标系数,定标次数有限,难以监测卫星传感器的辐射性能变化状况,且全年采用固定的定标系数难以保证定标的精度。因此开展时间序列定标研究对监测卫星传感器的在轨运行状态,以及提高定标的精度具有重要意义。目前获取时间序列定标系数的方法都是基于单景影像获得独立的定标系数,未考虑传感器辐射性能随时间的变化规律,而传感器的在轨运行状态实际上是一个较为稳定的、连续渐变的过程,不同时相的定标之间应存在一定的相关性。为了监测卫星传感器辐射性能的变化状况,提高辐射定标精度,满足新时期定量遥感的应用需求。针对上述提出的问题,本文将结合时间序列定标系数之间的相关性,开展高分一号卫星的时间序列定标研究。以敦煌国家校正场为基准定标场,大灶火东校正场为验证场,获取2013年至2021年间的场地GF1-WFV传感器影像,借鉴卡尔曼滤波的思想,将采用基于稳定目标的历史数据时间序列定标方法对获得的时间序列定标系数进行再处理,实现时间序列再定标,获得最终的时间序列定标系数;采用线性拟合法构建卫星传感器定标系数的衰减模型,并分析卫星传感器的辐射性能变化状况;最后对定标结果进行验证评价。其主要研究结论如下:(1)基于卡尔曼滤波法实现再定标可以获得更为稳定、连续的定标系数再定标后的时间序列定标系数波动性比再定标前有明显降低,时间序列定标系数更具有连续性和稳定性,更符合传感器的在轨运行状态:是一个稳定的、连续的、随时间逐步变化的一个过程;WFV四个传感器在不同场地的时间序列定标系数相对差异分别不超过10.13%、5.21%、4%、4%,说明除了WFV1传感器外,其他3个传感器在不同场地下的定标结果均具有较好的一致性,多数结果说明本文的时间序列定标方法较为可靠。(2)WFV传感器辐射性能在轨运行期间未发生明显衰变通过基于时间序列定标结果构建的传感器衰减模型,得到四个WFV传感器的年衰减率均不超过0.22%、0.11%、0.27%、0.26%,说明四个传感器的辐射性能在轨运行期间较稳定,未发生明显衰变。(3)本文的定标结果提高了定标的精度利用本文获得的时间序列定标系数拟合公式计算定标系数,与资源卫星应用中心公布的定标系数进行相互比较,发现本文获得的大部分定标结果与资源卫星中心定标结果较为一致,相对差异在5%以内,但在个别年份个别波段也存在差异较大的情况。通过多年间定标结果散点图,可以看出:本文的多年间定标结果是呈稳定性变化的,而资源卫星中心的场地定标结果在个别年份个别波段呈现出明显波动性变化。并进一步针对两者差异较大的情况,将本文7-8月份的定标结果和资源卫星中心定标结果分别与Landsat8定标结果进行比较,可以看出:本文的定标误差小于资源卫星中心的定标误差,提高了定标的精度,说明通过时间序列定标系数拟合公式计算的定标系数,降低了单次定标可能存在的偶然性误差。利用Landsat8定标结果对全年不同月份下的定标系数进行验证,可以看出:本文的定标结果精度高于资源卫星中心发布的定标结果,说明了开展时间序列定标的必要性,采用对应时间的定标系数比全年采用统一的定标系数更准确。
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