基于Metop-B/GOME-2的TG-2/MAI可见光通道交叉定标

摘要

2016年9月15日发射的T G-2空间实验室上搭载的M A I是我国首个在轨运行的多角度偏振成像仪,主要用于获取云和气溶胶等大气环境信息.星载遥感仪器的定标是观测资料定量应用的关键前提且贯穿仪器的整个寿命期.MAI发射前已经进行了实验室定标,且精度较高.为了监测MAI发射后的在轨运行情况,针对其未配置在轨定标装置的问题,利用Metop-B/GOME-2可见光波段的高光谱分辨率和较高探测精度的优势,提出了基于GOME-2对MAI 565,670以及763 nm通道进行在轨监测及交叉定标的方法.该方法首先通过时空匹配、视线几何匹配等获取MAI与GOME-2相近时刻、相近视线几何条件下的同目标观测数据,再将GOM E-2反射率按照M AI可见光通道光谱响应函数进行卷积,得到各通道的参考反射率,与MAI反射率进行对比分析,从而实现对MAI的定标.利用不同反照率特性目标的匹配观测数据,该方法能够实现仪器的高、中、低端观测的全覆盖定标.定标过程主要包括:(1)对2016年12月到2017年2月期间TG-2和Metop-B的运行轨道进行预报,获取二者交叉观测的整轨数据;设置观测时间差为900 s,初步匹配得到8组MAI与GOME-2交叉观测样例,包含2455组匹配像元;(2)对匹配像元空间位置进行检验,保留单个GOM E-2像元覆盖的M AI像元数超过338的交叉样本,以确保单个GOM E-2像元尽可能被M AI观测充满;(3)给定GOME-2观测天顶角小于30°的限制条件,同时设置视线几何检验条件为两仪器观测天顶角余弦的比值接近于1,且相差不超过0.05,并充分利用MAI的多角度观测优势,对每一个MAI像元采用最多14个方向的视线几何进行匹配,从而选择最优的视线匹配方向;(4)设置观测目标均匀性检验条件为一个GOME-2像元覆盖的全部MAI像元反射率的标准差和均值之比小于0.5,对匹配像元进行检验,得到469个匹配的GOME-2像元.(5)将以上GOME-2像元对应的各个波长的反射率按照MAI可见光通道的光谱响应函数进行积分,即可得到MAI各通道对应的GOME-2参考反射率.(6)利用GOME-2像元空间分辨率显著大于MAI分辨率的特征,对每个GOME-2像元覆盖的全部MAI像元反射率进行平均作为MAI反射率,显著降低了定标结果对观测目标均匀性的依赖程度.(7)将GOME-2参考反射率与MAI反射率进行回归分析,得到定标系数,实现对MAI的在轨交叉定标.为了分析各匹配条件对定标结果的影响,利用单一变量法对像元匹配过程中各检验条件阈值进行调整并开展了分析试验.结果表明,当进一步严格匹配筛选条件时,定标结果不会产生显著变化.基于该方法对M AI三个通道反射率和GOM E-2参考反射率进行对比分析,结果表明二者之间存在显著地线性关系,且相关系数均优于0.97,对比差异的均值分别为1.6％,4.2％ 和2.3％,标准差分别为3.1％,4.1％ 和2.4％.总体来看,利用在轨交叉定标方法能够实现MAI可见光波段的在轨监测及定标,为MAI数据的定量应用奠定了基础.