地表反射率外场无人值守测量方法.pdf

第 31 卷 第 16 期2023 年 8 月Vol.31 No.16Aug.2023光学 精密工程 Optics and Precision Engineering地表反射率外场无人值守测量方法夏志伟，王硕，衣小龙，王玉鹏*，方伟（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春）摘要：在轨运行载荷的性能不可避免地出现衰减，场地定标是一些卫星载荷在轨辐射定标主要手段之一，其精度主要取决于地表反射率的准确程度。本文介绍了地表反射率自动观测系统原理和系统组成，并在敦煌辐射校正场实现无人执守自动化、无间断的地表光谱反射率测量，采用标准白板法和辐照度法两种方法同步观测，对两种方法获取的地表反射率数据分别进行了短期和长期稳定性的对比分析，地表反射率可直接溯源至标准白板反射率，减少了定标传递环节。结果表明：标准白板法测量地表反射率短期均值偏差为 0.130%，长期测量 350600 nm 波段均值偏差为 4.996%，6002 500 nm 波段均值偏差为 2.104%。标准白板法测量地表反射率合理可行，测量曲线连续、平滑、抖动少，可通过定期清洁标准白板提高测量准确性。辐照度法短期测量与标准白板法具有相近的性能，3501 900 nm 波段均值偏差为0.236%，1 9002 500 nm 波段均值偏差为 0.443%。长期测量地表反射率整体漂移小，平均漂移为 0.735%，但存在反射率曲线局部噪声大的缺点。可将两种方法相结合，获得更为准确的地表反射率数据。关键词：标准白板法；辐照度法；地表反射率；自动观测系统；场地定标中图分类号：TP23；P422.1+5 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233116.2319Method for unattended measurement of surface reflectance in field sitesXIA Zhiwei，WANG Shuo，YI Xiaolong，WANG Yupeng*，FANG Wei（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）*Corresponding author，E-mail：Abstract：The performance of on-orbit payloads is inevitably degraded.Field calibration is a primary method of on-orbit radiometric calibration for some satellite payloads，and its accuracy mainly depends on how accurate the surface reflectance is.This study introduces the working principle and system composition of the Automatic Observation System of Surface Reflectance，and unattended，automated，and continuous spectral surface reflectance measurements were conducted at the Dunhuang Radiation Calibration Field.The short-and long-term stabilities of the surface reflectance data acquired simultaneously were compared and analyzed using the standard whiteboard and irradiance methods，respectively.The surface reflectance is directly traceable to the reflectance of the standard whiteboard，and the data processing method reduces the calibration transfer link.The results are as follows.The mean deviation of short-term measurement of the surface reflectance by the standard whiteboard method is 0.130%.For the long-term mea文章编号 1004-924X（2023）16-2319-14收稿日期：2022-07-13；修订日期：2022-11-02.基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.42001316）第 31 卷光学 精密工程surement，the mean deviation of the 350-600 nm band is 4.996%，and the mean deviation of the 600-2 500 nm band is 2.104%.The standard whiteboard method is reasonable and feasible for measuring the surface reflectance，and the figure of reflectance is continuous and smooth，and it has less fluctuation.The accuracy of reflectance can be improved by regularly cleaning the standard whiteboard.The short-term measurement of the irradiance method is similar to that of the standard whiteboard method；the mean deviation of the 350-1 900 nm band is 0.236%，and the mean deviation of the 1 900-2 500 nm band is 0.443%.For the long-term measurement，the overall drift of the reflectance is small，with an average drift of 0.735%.However，there is a disadvantage of large local noise in the reflectance curve.The two methods can be combined to obtain accurate surface reflectance data.Key words：standard whiteboard method；irradiance method；surface reflectance；automatic observation system；field calibration1 引 言在轨运行的载荷长期遭受太阳辐射、宇宙粒子冲击、原子氧等恶劣环境的影响，且仪器本身会随时间发生老化，其性能参数不可避免地会出现不同程度的衰减，需要通过定期定标来减小测量精度的降低1。对于一些环境监测载荷，其定量探测具有严苛要求，仪器的辐射定标策略和定标精度至关重要2。通过辐射定标可以确定遥感仪器系统特性，为提高仪器测量数据可信度提供重要依据3。由于遥感载荷在轨运行过程中的性能退化并无通用的规律可循4，场地定标因不受卫星系统设计的限制，而成为已长期运行产生较大程度退化和无星上定标手段的卫星载荷在轨辐射定标主要手段之一5。敦煌辐射校正场是我国国家级光学辐射校正场，具有面积大、地势平坦、地表均一、方向特性较好等得天独厚的地理优势，已得到国际上的认可，适用于可见近红外遥感器的在轨绝对辐射定标。多年来，己被成功地用于高分一号、HJ系列、FY 系列等多颗遥感卫星载荷的绝对辐射定标5-7。通过实时测量的地表反射率，为地面场地定标基准提供数据支撑，有利于提高不同卫星载荷间的交互定标8频次。利用无人值守的设备辅助开展场地定标实验数据的获取是近十多年较为关注的问题，国内外有不少单位开展了此方面研究，并已在场地中布设，如敦煌场的自动化多通道光谱辐射计9、包头场的光谱式4，10和通道式4目标光谱自动观测系统等。场地定标精度主要取决于地表反射率的准确程度，目前虽已有设备可实现自动观测，但精度不能满足业务化需求，获取高精度地表反射率的方法仍需要现场人工测量7，11-12、无人机遥控测量13-14，需要实验人员在现场值守测量。由于定标场地多为戈壁、沙漠，远离城镇，费时费力且不能获取连续不间断的反射率数据，已不能满足日益增长的高精度、季次乃至月次的高定标频次需求4，迫切需要对应的自动化观测设备和稳定可靠的测量方法。本文采用自主研发的地表反射率自动观测系统，安装于敦煌辐射校正场，在恶劣的野外环境下，实现无人执守自动化、无间断的获取地表光谱反射率；采用标准白板法和辐照度法两种测量方法获取地表反射率，并对两种方法获取的地表反射率数据分别进行了短期和长期稳定性的对比分析；最后，对两种方法中测量数据的漂移、噪声等问题进行了分析，讨论了问题产生原因并给出了改进方法。2 地表反射率自动观测系统地表反射率自动观测系统为自主研发，包含地表反射率自动观测仪、漫总比自动观测仪两套设备。为实现无人值守自动工作，系统配备太阳总辐照度辐射表、雨传感器、风速计、温度传感器等环境参量传感器，并且系统设有多个工作模式：测量模式、待机模式、休眠模式等，能够根据2320第 16 期夏志伟，等：地表反射率外场无人值守测量方法环境参量自动切换工作模式。在天气晴朗时进入测量模式实现野外场地可见、近红外地表光谱反射率的自动观测；在阴雨天、大风扬沙等恶劣天气时，切换到休眠模式以保护设备。其次，设备配备了网络通讯模块，实现测量数据的远程自动传输和设备运行状态监控。此外，夏季酷热、冬季严寒的恶劣外场环境对高光谱测量设备是一个严峻的考验，为提高设备环境适应性，对设备的光谱测量核心模块采取半导体制冷、加热片、外敷保温材料等措施进行温控，保证测量数据稳定度。2.1工作原理本文中所述的地表反射率实际为场地的二向反射率因子（Bidirectional Reflectance Factor,BRF），其定义为在相同的辐照度E条件下，地物向某个方向的反射辐射亮度Lobject()与理想漫反 射 朗 伯 体 在 相 同 方 向 上 的 反 射 辐 射 亮 度Ldiffuser()作比值6：RBRF()=Lobject()/Ldiffuser().（1）BRF 并 没 有 对 辐 射 环 境 做 出 限 定，因 此BRF的数值不仅取决于地物本身的反射特性，而且还与辐射环境有关。虽然 BRF 并不是一个理想的描述地物反射特性的物理量，但由于 BRF容易实现实时测量，且在特定的物理应用模型中还可以与二向反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF）相 联 系6，15，在目前的场地定标方法经常使用7，11。地表反射率的测量可以采用“标准白板法”或“辐照度法”进行观测。标准白板法是通过测量地物的反射辐射亮度Lobject()和漫反射朗伯体的反射辐射亮度Ldiffuser()获得，如式（1）BRF 的定义所示。辐照度法则是通过测量辐照度E和地物的反射辐射亮度Lobject()进行，由于辐照度E和理想漫反射朗伯体的反射辐射亮度Ldiffuser()存在关系：Ldiffuser()=E/，所以有：RBRF()=Lobject()/E.（2）地表反射率自动观测仪能够测量标准漫反射白板的反射辐亮度、地物目标的反射辐亮度，通过标准白板法实现地表反射率的测量。漫总比自动观测仪本身通过测量环境漫射辐照度、环境总辐射照度，通过两者的比值获得漫总比，但如果将两套设备的数据结合，则可以通过环境总辐射照度、地表目标的反射辐亮度利用辐照度法实现地表反射率的测量。由于涉及到两套设备，测量采用定时触发的方式保证数据的同步性，两套设备每天均利用 GPS 单元获取世界标准时间（Coodinated Universal Time，UTC）并更新系统时钟，可以保证同步触发时间误差在1 s内。2.2地表反射率自动观测系统设备2.2.1地表反射率自动观测仪地表反射率自动观测仪由反射率测量与控制模块、数据采集与处理模块、环境适应性及保障模块、通讯模块、电源管理模块、安装支架等组成。反射率测量与控制模块主要实现地表反射率测量，由光谱仪、观测光路、白板自动切换/自清洁机构等组成；数据采集与处理模块包括主控单元、光谱数据采集处理单元等内容；环境适应性及保障模块包括温控模块、太阳总辐照度辐射表、雨传感器、风速计、GPS单元、温度传感器、白板监控单元等；电源管理模块实现整机系统的电源供应与监控，包括太阳能板、蓄电池硬件、电源电压监测/上电启动/断电控制单元等。仪器整体结构组成如图 1所示。地表反射率自动观测仪的技术参数如表 1所示。地表反射率自动观测仪外场安装于敦煌辐射校正场（场地 1 号），如图 2 所示。仪器固定牢靠，可以保证全年观测均为同一区域。四周设有围栏保护，既可以保障仪器安全，又可以避免地图 1地表反射率自动观测仪的组成Fig.1Composition of the automatic surface reflectance monitor2321第 31 卷光学 精密工程表被人或动物践踏破坏。2.2.2漫总比自动观测仪漫总比自动观测仪由漫总比测量与控制模块、数据采集与处理模块、环境适应性及保障模块、通讯模块、电源管理模块、安装支架等组成。漫总比测量与控制模块主要实现地表总辐照度和漫射辐照度测量，计算生成漫总比数据，由光谱仪、辐照度观测光路、遮光球切换机构、太阳跟踪转台等组成；数据采集与处理模块包括主控单元、光谱数据采集处理单元等内容；环境适应性及保障模块包括温控模块、太阳总辐照度辐射表、雨传感器、风速计、GPS单元、温度传感器、辐照度光度头监控单元等；电源管理模块实现整机系统的电源供应与监控，包括太阳能板、蓄电池硬件、电源电压监测/上电启动/断电控制单元等。仪器整体结构组成如图 3所示。漫总比自动观测仪的技术参数如表 2所示。表 1地表反射率自动观测仪的技术参数Tab.1Specifications of the automatic surface reflectance monitorSpectral rangeSpectral resolutionField of viewAccuracy of reflectance measurementOperating environment temperature3502 500 nm4 nm3501 000 nm10 nm1 0001 900 nm7 nm1 9002 500 nm40.01（Non-absorbing band）-2060 表 2地表反射率自动观测仪的技术参数Tab.2Specifications of automatic diffuse-to-global irradiance ratios monitorSpectral rangeSpectral resolutionField of viewAccuracy of diffuse-to-global ratios measurementOperating environment temperature3502 500 nm4 nm3501 000 nm10 nm1 0001 900 nm7 nm1 9002 500 nm1800.01（Non-absorbing band）-2060 图 2地表反射率自动观测仪外场安装实物Fig.2Pictures of automatic surface reflectance monitor installation图 3漫总比自动观测仪的组成Fig.3Composition of automatic diffuse-to-global irradiance ratios monitor2322第 16 期夏志伟，等：地表反射率外场无人值守测量方法漫总比自动观测仪外场安装于敦煌辐射校正场（场地 2号），如图 4所示。2.3地表反射率测量方法地表反射率可以采用“标准白板法”或“辐照度法”进行测量，两种方法所需要观测的物理量有所不同，下文中将对这两种方法的测量数据进行对比，尝试探索出适合长期野外观测的实用方法。2.3.1标准白板法设地表反射率自动观测仪的辐亮度定标系数为Cf，观测标准白板和地表目标的测量值分别为DNwhite和DNfield，则标准白板和地表目标的辐亮度为：Lwhite=CfDNwhite，Lfield=CfDNfield.（3）设 标 准 白 板 和 地 表 目 标 的 反 射 率 分 别 为Rwhite和Rfield，由式（1）可知：Rfield=LfieldLdiffuser=LfieldLwhiteRwhite=DNfieldDNwhiteRwhite.（4）从式（4）中可以看出，辐亮度定标系数为Cf已在计算过程中被约去，说明光谱仪的响应度真值是不重要的，即使响应度发生缓慢改变也不影响反射率测量精度，地表反射率测量结果的精度直接溯源于标准白板的反射率Rwhite，减少了定标传递环节。地表反射率自动观测仪所采用的标准白板，其反射率由中国计量科学研究院定标。测量几何条件为垂直/漫射（0/d），校准设备为：光谱反射比量值复现装置，反射比不确定度 0.44%（k=2）；近红外漫反射比标准工作板，反射比不确定度 0.69%（k=2）；（双光束）紫外可见近红外分光光度计，准确度等级 I级。反射率校准结果如图 5所示，平均反射率为 97.2%，校准结果绝对不确定度为 1.0%（k=2）。2.3.2辐照度法设漫总比自动观测仪的辐照度定标系数为Cm，观测环境总辐射照度的测量值为DNirr，则对环境总辐射照度Eirr有：Eirr=CmDNirr.（5）由式（2）可知，对标准白板的反射率Rwhite有：Rwhite=Lwhite/Eirr=CfDNwhiteCmDNirr.（6）令Rfm=Cf/Cm，则有：图 4漫总比自动观测仪外场安装实物Fig.4Pictures of automatic diffuse-to-global irradiance ratios monitor installation图 5标准白板反射率曲线Fig.5Diagram of the standard whiteboard reflectance2323第 31 卷光学 精密工程Rfm=DNirr/DNwhiteRwhite.（7）同样的，对地表目标的反射率Rfield有：Rfield=Lfield/Eirr=CfDNfieldCmDNirr=DNfield/DNirrRfm.（8）将式（8）与式（4）相比较，可将Rfm视为辐照度法的反射率定标系数。一般来说，短期内地表反射率自动观测仪的辐亮度定标系数为Cf和漫总比自动观测仪的辐照度定标系数为Cm是稳定值，反射率定标系数Rfm也应当是稳定值。因此，该系数可利用式（7）通过在同一外场辐射条件下，地表反射率自动观测仪测量标准白板，并同时漫总比自动观测仪测量环境总辐射照度来获得。下文中将选择晴朗少 云 天 气，通 过 外 场 实 测 获 得 该 反 射 率 定 标系数Rfm。由式（7）和式（8）可知，定标系数Rfm已取代辐亮度定标系数Cf和辐照度定标系数Cm，地表反射率的测量精度同样溯源于标准白板的反射率Rwhite。3 地表反射率外场数据分析与验证地表反射率自动观测系统外场安装完成后，开始地表反射率的自动化无人执守测量。以下分析中所采用的数据获取时间为 2021 年 1 月至11月，选用数据均为正午时分（地方时）附近的数据，以保证太阳辐射在方位角上的一致性减少影响因素。3.1地表反射率测量精度为评估地表反射率的测量精度，取初始测量的前 3 天正午时分（地方时）的数据，并分别采用标准白板法和辐照度法进行计算地表反射率。系统在测量模式下自动测量时，测量标准白板辐亮度、地表目标辐亮度、环境总辐射照度的光谱采样时间均为 5 s，现场测量频次为 2 min 一次，持续测量。由于光谱范围比较宽，核心测量模块具有 3 个探测器：Si，InGaAs和扩展 InGaAs探测器，分别进行（351），（-50.1）和（-100.1）的温控以保证测量稳定性。冬季至夏季敦煌正午太阳高度角变化范围为 26.173.1，如图 6 所示。由于标准白板并非理想的郎伯漫反射，需要根据太阳高度角的变化对白板反射率进行郎伯校正，参照文献16-17中的数据，本文所采用的郎伯校正系数曲线如图 7所示，不同高度角下的校正系数采用插值方式得到。在测量开始第 1 天，通过采用标准白板法实测地表的反射率，如图 8 所示，图题中的 Ei 为太阳高度角、Az 为太阳方位角，并通过 2.3.2 节种所述方法进行外场同时观测，获得了如图 9 所示图 6敦煌一年正午太阳高度角变化曲线Fig.6Annual variation curve of noon solar elevation angle in Dunhuang图 7不同太阳高度角下的郎伯校正系数Fig.7Lambert correction coefficients at different solar elevation angles图 8标准白板法场地实测反射率曲线（第 1 天，Ei=27.94，Az=183.72）Fig.8Measured reflectance of the field by whiteboard method（Day 1，Ei=27.94，Az=183.72）2324第 16 期夏志伟，等：地表反射率外场无人值守测量方法的辐照度法反射率定标系数。从式（7）可知，辐照度法反射率定标系数的相对不确定度表达式为：Rfm=2DNirr+2DNwhite+2Rwhite，（9）其中：2DNirr和DNwhite分别为光谱仪测量辐照度和白板辐亮度的相对不确定度，Rwhite为标准白板的反射率相对不确定度。辐亮度和辐照度测量不确定度通过采用光谱测量模块连续测量 10 次标准白板辐亮度，利用标准差/平均值的方法获得，如图 10所示。从图中可以看出，绝大多数光谱范围内（非吸收波段），相对不确定度均0.5%。辐照度法反射率定标系数不确定度如表 3所示。采用标准白板法第 2 天、第 3 天的反射率测量结果如图 11（a）、图 11（b）所示。以第 1天标准白板法测量的地表反射率为标准，通过比较验证其测量稳定性，如图 12（a）、图 12（b）所示，若不考虑 大 气 吸 收 带（约 1 3501 450 nm 和 1 8001 950 nm）区 域，反 射 率 整 体 差 异 分 别 为（0.0360.238）%和（0.1300.273）%（k=2），地表反射率最大偏差为 0.403%（k=2）。从图 12 中的数据可知，标准白板法在整个3502 500 nm 测量光谱范围内，3天内短期测量数据的稳定性极好，反射率的测量曲线连续、平滑、抖动少，均值偏差仅为 0.130%。采用辐照度法第 2 天、第 3 天的反射率测量结果如图 13（a）和图 13（b）所示。以第 1 天标准白板法测量的地表反射率为标准，通过比较验证其测量稳定性，如图 14 所示，若不考虑大气吸收带 区 域，反 射 率 整 体 差 异 分 别 为（0.1971.153）%和（0.3231.277）%（k=2），地表反射率最大偏差为 1.600%（k=2）；3501 900 nm 光谱 范 围 差 异 分 别 为（0.1830.482）%和图 9辐照度法反射率定标系数Fig.9Reflectance coefficient of irradiance method图 10光谱测量模块的相对不确定度Fig.10Relative uncertainty of spectral measurement module表 3辐照度法反射率定标系数不确定度Tab.3Uncertainty of the coefficient of irradiance methodRelative uncertainty of reflectance of whiteboardLambert correction of whiteboardRelative uncertainty of radiance measurementRelative uncertainty of irradiance measurementComposite relative uncertainty1.029%0.0050.5%0.5%1.345%图 11标准白板法场地实测反射率曲线Fig.11Measured reflectance of field by whiteboard method2325第 31 卷光学 精密工程（0.2820.462）%（k=2），1 9002 500 nm 光谱范围差异分别为（0.2362.131）%和（0.4432.392）%（k=2）。从图 14 中的曲线可知，辐照度法亦表现良好，在 3501 900 nm 光谱范围与标准白板法具有相近的稳定性，3 天内短期测量数据的均值偏差为 0.236%。在 1 9002 500 nm 光谱范围，反射率数据曲线出现了上下波动的现象，这是由于红外光辐亮度较弱和 InGaAs探测器固有热噪声造成的，但整体均值偏差不大，为 0.443%。从式（4）可知，标准白板法获取地表反射率的绝对不确定度表达式为：field=2DNfield+2DNwhite+2RwhiteRfield，（10）其中，DNfield为光谱仪测量地表的辐亮度相对不确定度。从式（8）可知，辐照度法获取地表反射率的绝对不确定度表达式为：Rfield=2DNfield+2DNirr+2RfmRfield.（11）从上文测量数据可知，地表反射率Rfield最大值0.35，两种方法的不确定度分析如表 4所示。标准白板法和辐照度法的地表反射率测量精度图 13辐照度法场地实测反射率曲线Fig.13Measured reflectance of field by irradiance method图 14反射率曲线差异比较Fig.14Difference comparison of surface reflectance图 12反射率曲线差异比较Fig.12Difference comparison of surface reflectance2326第 16 期夏志伟，等：地表反射率外场无人值守测量方法达到了0.01水平。3.2地表反射率长期测量稳定性随着测量时间的增加，无论标准白板法还是辐照度法，其与第 1 天测量的地表反射率的差异均有少量增加，说明标准白板的表面和辐照度光度头的石英球罩正在逐渐受到外场风沙的污染，导致它们的反射率和透过率有所下降。为进一步确认和验证地表反射率自动测量系统的长期稳定性，取外场测量的第 30 天、第100天、第 200天和第 301天正午时分（地方时）的数据，并分别采用标准白板法和辐照度法进行计算地表反射率。采用标准白板法得到的反射率测量结果如图15（a）15（d）所示。以第 1天标准白板法测量的地表反射率为标准，通过比较进行分析验证其长期测量稳定性，如图 16（a）16（d）所示。若不考虑大气吸收带区域，反射率差异分别为（2.1011.019）%，（3.4441.511）%，（3.4551.468）%和（2.7062.938）%（k=2）。从图 15中的反射率曲线可以看出，标准白板法在整个 3502 500 nm 测量光谱范围内仍然保持着连续、平滑、抖动少的特点，但是从图 16中的反射率差异数据比较可知，整体出现了反射率漂移、反射率增大，并且 600 nm 之前，漂移量随波长的减小而增加。到第 301 天时，350600 nm波段反射率平均漂移（4.9963.449）%（k=2），6002 500 nm 波 段 反 射 率 平 均 漂 移（2.1040.446）%（k=2）。尤其是 350 nm 漂移量已达到了的 8.247%。采用辐照度法得到的反射率测量结果如图17（a）17（d）所示。以第 1天标准白板法测量的地表反射率为标准，通过比较进行分析验证其长期测量稳定性，如图 18（a）18（d）所示，若不考虑大气吸收带区域，反射率差异分别为（0.1211.846）%，（0.7262.826）%，（0.4172.840）%和（0.7352.781）%（k=2）。从图 18中的曲线可知，辐照度法获得的反射率曲线整体与初期保持基本一致，整体平均漂移小于 1%。但在局部区域，反射率亦表现出较大了 的 偏 差，如 350 nm 附 近，反 射 率 亦 增 大 了3.1%左右。在 3501 900 nm 光谱范围，在第100 天后就出现了较大幅度的上下抖动，反射率曲线不再平滑。典型表现为 760 nm 附近的氧气吸收带区域出现了一个约 3%的尖峰，这可能是由于设备长期处于野外环境下，环境温度变化、昼夜温差交替等原因，使分别观测地表目标的辐亮度和观测环境总辐射照度的两台光谱仪在一些波段出现了响应度的改变和波长漂移，但辐照度法仍然沿用初期的反射率定标系数，导致产生反射率测量偏差。地表反射率长期随时间变化的曲线如图 19所示，图中数据为取 1 个波长（650 nm）每天正午时分的 5 个测量数据，分别采用标准白板法和辐照度法得到地表反射率。从图中可以看出，反射率变化趋势与上文分析基本相同，标准白板法存在漂移，辐照度法则相对稳定一些。表 4反射率测量不确定度Tab.4Uncertainty of reflectance measurementStandard whiteboard methodRelative uncertainty of reflectance of whiteboardLambert correction of whiteboardRelative uncertainty of whiteboard radiance measurementRelative uncertainty of surface radiance measurementComposite relative uncertaintyComposite absolute uncertainty1.029%0.0050.5%0.5%1.345%0.004 7Irradiance methodRelative uncertainty of reflectance calibration coefficientRelative uncertainty of surface radiance measurementRelative uncertainty of irradiance measurementComposite relative uncertaintyComposite absolute uncertainty1.345%0.5%0.5%1.520%0.005 32327第 31 卷光学 精密工程图 16反射率曲线差异比较Fig.16Difference comparison of surface reflectance图 15标准白板法场地实测反射率曲线Fig.15Measured reflectance of field by whiteboard method2328第 16 期夏志伟，等：地表反射率外场无人值守测量方法图 17辐照度法场地实测反射率曲线Fig.17Measured reflectance of field by irradiance method图 18反射率曲线差异比较Fig.18Difference comparison of surface reflectance2329第 31 卷光学 精密工程3.3测量方法分析比较从以上两个小节的数据可以发现，标准白板法中，通过地表反射率自动观测仪的同一个光谱仪分别观测标准白板和地表目标，可以抵消光谱仪自身响应度漂移，地表反射率直接溯源到标准白板，测量反射率曲线平滑、连续，短期测量数据的 稳 定 性 极 好，地 表 反 射 率 均 值 偏 差 仅 为0.130%。但存在标准白板表面易受污染，造成反射率偏大的问题，长期测量反射率 350600 nm 波段平均漂移为 4.996%，6002 500 nm 波段平均漂移 2.104%。因此，标准白板的洁净程度是保证长期观测准确性和稳定度的关键。目前地表反射率自动观测仪虽然配备了白板自动切换/自清洁机构，但从外场数据结果来看显然仍不能令人满意，可以考虑通过增加人为清洗等手段来保证标准白板的清洁，从而大幅提高地表反射率测量精度。辐照度法通过地表反射率自动观测仪和漫总比自动观测仪两个设备中各自的光谱仪分别观测标准白板和地表目标，短期测量与标准白板法具有相近的性能，地表反射率均值偏差 3501 900 nm 波段为 0.236%，1 9002 500 nm 波段为 0.443%。长期测量数据显示，由于采用的辐照度头外形为半球形、光洁度高、不易受风沙污染，地表反射率整体漂移小，长期测量反射率平均漂移为 0.735%。但由于采用了两台光谱仪，长期观测时受光谱仪间响应度改变、波长漂移影响，反射率曲线易产生不平滑、局部具有更多的噪声等问题。虽然该问题可通过外场实测重新获取反射率定标系数来解决，但反射率定标系数的精度又取决于标准白板的反射率精度，而在外场同样执行测量任务的地表反射率自动观测仪的标准白板存在风沙污染的问题，不能保证白板反射率的准确性，从而无法周期性的自动获取反射率定标系数。可以考虑在人为清洗地表反射率自动观测仪的标准白板后，及时外场实测进行获取反射率定标系数，以提高反射率测量精度。综上，标准白板法具有地表反射率曲线平滑、连续的优点，但存在长期测量漂移大的缺点；辐照度法具有地表反射率整体漂移小的优点，但存在曲线抖动、局部噪声大的缺点。因此，可以通过两者结合，扬长避短，互为补充：以标准白板法的地表反射率测量数据为主，通过辐照度法的测量数据对漂移量进行修正，这样即保证了曲线平滑，又修正了反射率漂移，获得了更为准确的地表反射率数据。以第 30天、第 100天、第 200天和第 301 天标准白板法的地表反射率数据为例，通过与辐照度法的测量数据对比，可估算出漂移量约为 1.6%，2.8%，3.0%和 2.0%，采用反射率曲线整体减去该偏移量的方法进行校正，校正后的地表反射率曲线如图 20 所示，可以看出，校正后的曲线重合度得到提高，反射率差异大幅减小。4 结 论本文介绍了地表反射率自动观测系统的原理和系统组成，将观测系统安装于敦煌辐射校正场，实现外场无人执守自动化、无间断的获取地表光谱反射率。采用标准白板法和辐照度法两种测量方法获取地表反射率，结果均溯源至经计量标定的标准白板反射率，减少了定标传递环图 19反射率随时间变化曲线Fig.19Difference comparison of surface reflectance图 20地表反射率校正Fig.20Surface reflectance correction2330第 16 期夏志伟，等：地表反射率外场无人值守测量方法节。并对两种测量方法获取的地表反射率数据分别进行了短期和长期稳定性的对比分析，结果表明：两种方