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基于地面目标的MODIS在轨空间特征

摘要: 中等分辨率成像光谱仪（MODIS）传感器目前正在Terra和Aqua航天器上运行。MODIS使用36个波段，分布在四个焦平面组件（FPA）中 - 可见光，近红外，短波和中波长红外以及长波红外。谱带与FPA之间的错误配准以及在轨空间特征的变化可能会影响位于不同FPA上的多个谱带产生的科学数据产品的质量。在本文中，提出了一种方法来计算使用地面测量的MODIS波段间配准（BBR）。 选择具有独特特征的特殊地面场景来计算沿着扫描和沿着轨道的空间配准。计算Terra和Aqua MODIS波段的月和年空间偏差，但某些海洋波段，云带和Aqua MODIS波段6除外。与分光辐射定标装置（一种在轨运行的装置，用于跟踪任意两个光谱带之间的BBR偏移）进行的比较，通常表现出良好的一致性。这两种方法之间的差异通常在扫描方向上小于100m，在轨道方向上小于200m。 该方法可以提供MODIS BBR的更频繁的特征描述，并且对于没有机载空间表征装置的其他传感器非常有用。

索引词汇：波段间配准BBR，BBR转换，MODIS，空间特征，分光辐射度量校准组件SRCA。

一、介绍

中分辨率成像光谱仪（MODIS）是美国国家航空航天局（NASA）地球观测系统（EOS）的关键传感器，随Terra卫星于1999年12月18日发射，随Aqua航天器于2002年5月4日发射。Terra和Aqua MODIS都在海拔705公里的太阳同步轨道上运行。Terra沿南下降，Aqua沿北上升，分别于上午10:30和下午1:30在当地时间穿越赤道。MODIS使用20个反射太阳能带（RSB）和16个热发射带（TEB）进行地球观测，波长范围为0.4-14.2mu;m。根据光谱波段及其科学应用设计了三种不同的空间分辨率 - 250米（波段1-2），500米（波段3-7）和1公里（波段8-36）。根据它们的波长 - 可见光（VIS），近红外（NIR），短波长和中波长的红外线（SMIR），长波红外（LWIR），图1所示，将36个光谱带布置在四个焦平面组件（FPA）。MODIS是一款具有双面扫描镜的跨轨扫描辐射计，它在plusmn;55°的扫描角度范围内旋转，在每个扫描中产生沿着扫描方向2330公里的扫描方向和10公里的沿轨迹方向的影像。

每个MODIS仪器都配备了一套用于传感器在轨校准和表征目的的内置校准器（OBC），包括太阳能漫射器（SD），太阳能漫射器稳定性监视器（SDSM），V形槽黑体（BB），一个空间视图（SV）端口和一个分光辐射度量校准组件（SRCA）。SD和SDSM一起运行以校准RSB。 BB和SV数据一起用于TEB的校准。SRCA是MODIS仪器内的一个独立设备，可配置为三种不同的模式 - 辐射测量，空间测量和光谱测量。当它在空间模式下操作时，SRCA本质上是一个准直器系统，内部光源（从VIS到LWIR）和位于准直器焦点处的刀口分划板，可以测量波段间配准变化（BBR）沿顺行和沿轨道方向。

然而，并非所有的传感器都具有像SRCA那样的OBC，其提供仪器在轨空间校准和特征化。在特定地点使用地面测量（GM）进行传感器在轨空间表征是另一种方法。最近，美国亚利桑那州马里科帕农业中心和路易斯安那州Pontchartrain堤道的农田中的两个燃烧区域被Schowengerdt应用于NASA EO-1先进的陆地成像仪传感器的空间表征。更重要的是，他和他的同事选择了密歇根州的麦基诺海峡大桥和马里兰州安纳波利斯的切萨皮克湾大桥，来测量超光谱数字图像采集实验的空间特征。Landsat传感器将相同的地面目标，即Pontchartrain Causeway应用于空间特征描述。纳尔逊和巴里使用了几个地面场景，包括冰川边缘以及几座桥梁，以确定Hyperion传感器的模型传递函数。尽管如此，考虑到它的中等空间分辨率，这些小型地面目标不适合MODIS空间表征。因此，选择具有一系列规则排列的黑暗目标的沙漠地区进行MODIS在轨空间特征描述。

本文提出了一种基于地靶法(Terra和Aqua)的在轨空间表征方法。与使用OBC的方法相比，这种方法可以更频繁地描述MODIS BBR，因为它不需要光源。它能够为超过一半的波段提供空间特性，包括RSBs（第1-11和17-19）和TEBs（条带20、22、23、29、31和32）。MODIS光谱波段的空间偏差是相对于第1波段计算的。实验结果表明，该方法的空间偏差较小，但在热FPAs和冷FPAs的波段之间相对较大。然后将此方法的结果与基于SRCA的MODIS的结果进行比较，大体上是一致的。第二节阐述了沿轨道和沿扫描方向计算空间偏差的地面目标方法。第三节给出了GM方法的月度和年度空间偏差。第四节提供了来自通用方法和来自SRCA的结果的比较。在第五节中给出了一个简短的结论。

二、利用GMS进行空间特征分析

（一）配准误差案例

与发射前空间特征一致，Aqua MODIS在热FPA和冷FPA之间的光谱带之间观测到相对较大的空间配准误差（由于温度不同，VIS和NIR被称为热FPA，而SMIR和LWIR被命名为冷FPA）。在协调世界时2003年1月4日11时50分以及2003年1月30日11时30分分别进行500米空间分辨率测量的两个例子表明，在轨道和扫描方向上的温热FPAs之间存在空间偏差。理想情况下，如果没有BBR移位，不同光谱波段对同一目标所做的观测(或图像)应该完全匹配，因为采集的数据是根据FPAs上的光谱波段位置重新取样的。在第一个例子中（图2），位于所选区域中心的一个暗目标会导致一个比相邻像素更小的信号。图2（a）和（b）显示了该目标上三个光谱带（波段1,4和7）的反射率变化。在沿轨道方向上，热FPA上的带1和4扫描像素数为11的暗目标（对于线传感器，沿着轨道的空间偏差可以以“线”而不是“像素”给出），而带 7在冷SMIR FPA上穿越相同的目标像素数为10，大约一个像素提前[图2（a）]。同样，在扫描方向上，带1和4扫描像素数为10的暗像素，而带7扫描像素数为11的暗像素，大约一个像素之后[图2（b）]。这表明在这两种情况下，冷热FPA之间的相对空间偏差约为1个像素或500 m。 图3（a）显示了第二个例子的红色，绿色和蓝色（RGB）通道的真彩色图像，其中包括几个水域。 RGB图像中的垂直和水平线是为了显示空间偏差而被采样的像素。再次，在两个沿轨道观察到图1所示的VIS / NIR和SMIR之间的实质性空间位移[图 3（b）]和沿着扫描[图3（c）]方向。

1. 空间表征点

选择用于传感器空间特征的地面目标必须具有高对比度特征。 因此，可以使用不同类型的地面目标来测量黑暗目标（例子1），水体（例子2），海岸线，积雪覆盖，岛屿等BBR偏移。 本文选择用于MODIS在轨空间特征描述的地点位于非洲利比亚的撒哈拉沙漠。 这个地点的纬度从北纬26.5°到北纬28.0°，经度从东经21.5°到东经22.5°。 在这个区域内，超过100个黑暗目标定期排列成几排。 每个黑色目标都有一个直径约1公里的圆形。 图4（a）显示了MODIS遥感测量的这个站点的RGB图像。 其他三个图像[图 4（b） - （d）]是从不同空间放大的Google图像中提取的。

1. 数据资源

在这项研究中，三个空间分辨率下的MODIS 1B级（L1B）数据用于计算空间偏差 - 第2波段（40个探测器/波段）为250 m，第3-7波段（20个探测器/波段）为500 m， 其他频段为1公里（10个探测器/频段）。 本研究中使用的L1B数据是美国国家航空航天局发布的第5版。 L1B数据包括几何和辐射校正。 几何校正不包括BBR校正。 MODIS科学小组决定BBR校正不适用于L1B数据。 这意味着BBR应定期确定，以便科学团队在必要时做出反应。 地理位置数据（经度和纬度）用于自动查找选定的地点。

如上所述，MODIS通过705公里的太阳同步轨道观测地球。 它的大扫描角度（plusmn;55°）确保了几乎每天的全球覆盖范围，除了赤道地区的一些小差距外。 每个MODIS传感器的两个测量值可以每天在特定选定的站点获得 - 一个在白天对于所有36个波段，另一个在夜间仅用于TEB（波段20-25和27-36）。 MODIS L1B数据的每个颗粒在5分钟内由连续的测量值组成。 通常有203个扫描沿轨道和1354个沿扫描帧，覆盖1km分辨率带2030个（沿轨道）times;1354个（沿扫描）像素的区域。 同样，250米分辨率波段有8120times;5416像素，500米分辨率波段有4060times;2708像素。对具有高对比度特征的选定目标进行的连续测量可用于在整个任务期间跟踪MODIS光谱波段的BBR偏移。 在RSB和TEB的空间特征研究中仅使用白天测量。 然而，并不是所有的测量都符合传感器空间表征。 本研究中仅选择满足两个基本要求的测量值来计算带间空间偏差。 一个要求是测量结果来自无云，沙尘暴和雪的清晰场景，以提高准确性。 另一个要求是选定的地点必须位于图像中的最低点（传感器扫描角度小于plusmn;15°）。 否则，由于蝴蝶结效应会导致圆形暗目标的形状发生很大变形。

1. 算法

这种用于MODIS空间表征的地面目标方法的原理是基于对由不同光谱带进行观测得到的暗目标的质心位置进行比较。 这些经常排列的黑暗目标充当空间特征参考。 如果频带之间存在空间偏差，则每个频带在扫描方向上以不同扫描角度和在轨道方向上以不同扫描数量观察同一目标，这也可以用位置（像素数量）表示 一个5分钟的L1B数据颗粒。 波段中同一目标的位置差异等同于空间偏差。 通常，SRCA用于建立在轨BBR趋势，其中采样相位延迟已应用于提高精度。 这种方法依靠多个目标，扫描和探测器来实现亚像素组合。

当扫描镜扫描选定区域时，由于存在黑暗目标，响应会迅速变化。如果绘制信号响应曲线（RSB的反射率和TEB的辐射率），则会出现一些信号谷。 （图5和图6）显示了Terra / MODIS和Aqua / MODIS的500 m分辨率测量的沿着扫描和沿轨道方向的信号响应曲线的两个例子。为了减少计算质心位置的不确定性，只有具有高信号对比度的谷被用来确定空间偏差。用于选择信号谷的标准阈值对于每个波段是不同的，但在整个任务期间是固定的。如果它满足设计的阈值，则谷有资格计算其质心位置。为了正确使用质心计算，对于反射波段和热波段，信号对样本的形状是相似的，以避免由于信号差异造成的影响造成的任何偏差。热带的目标信号在某些方面与反射信号不同。然而，对目标的敏锐反应的位置应该是相同的，并且所研究的地面目标的信号变化应该被最小化。

对于给定的谷，质心位置值A（b，v）可以通过归一化导出，即，

其中a(i)是在像素数字中给出的位置，R(b, v, a(i))是a(i)对给定的b和谷v的位置a(i)的响应，k是计算的一个谷的总像素个数。

某一波段b的质心位置，即A(b)是在规定的时间范围内所有质心位置值A(b, v)的平均值，即

其中M为一个合格的L1B测量(一个事件或一个通过)的山谷总数，N为定义时间范围内的事件总数，如1天、1个月或1年。由于固定阈值，M的值因事件而异。

带p相对于带q的空间偏差被定义∆A(pq)在lt;A(p)gt;和lt;A(q)gt;之间的差异。即∆A(pq) = lt;A(p)gt;-lt;A(q)gt;，pne;q (3)

代替使用像素的数量或像素的分数Delta;A，采用以米为单位的距离Dis被用于表示空间移位。 Dis可以派生如下

Dis = ∆A times; SR (4)

其中相应频带的最低点空间分辨率SR等于频段2的250，频段3-7的500以及其他频段的1000。 注意距离值实际上是扫描角度的函数，由于蝴蝶结效应，距离值随传感器扫描角度的增加而变大。因此，得到的距离值是以最低空间分辨率。

1. 结果

RSBs和TEB相对于波段1的月和年平均空间偏差是用合格的L1B测量值计算出来的，并列在III-A和B节中。但是，很难计算所有MODIS波段的空间位移，因为场景对比或 所谓的SNR是光谱依赖性的。 一些海洋色带（带12-16）的响应通常在陆地饱和，而那些主要关注大气属性（带24-25），云（带33-36），水汽（带26 -28）和臭氧（带30）可能对地面目标没有足够的响应。 此外，由Aqua MODIS 6波段中无功能或不良探测器造成的图像条纹现象严重影响响应。 显然，这些波段的测量结果不能用于空间特征描述。 在本研究中，我们关注RSB 1-11（不包括Aqua band 6）和17-19，以及TEB 20,22,23,29,31和32。

1. 每月空间偏差

每月空间偏差是给定频段在一个月内可用的质心位置值A（b，v）的平均值。有资格进行计算的事件数量通常每个月都有所不同。如图7所示，2005年Terra和Aqua MODIS在2005年的事件总数分别为52和46. Terra和Aqua MODIS在2005年12月的月度结果示例列于表I.在表中，符号“ ”表示空间位移在仪器运动（沿轨道）或扫描（沿扫描）的方向上。如果一个频带的偏移是正的（相对于频带1），则意味着该频带的探测器阵列在频带1之前偏移，以便它早于频带1观测到相同的地球场景。符号“ - ”指示相反的情况。因此，例如，Aqua band 5在光道方向（291 m）处比光圈1靠前约半个像素，而在扫描方向（-264 m）处比光圈1靠后约半个像素。标准偏差随着每个带的空间分辨率而显着变化。

1. 每年空间偏差

表II和III分别给出了Terra和

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