《ISPRS JOURNAL OF PHOTOGRAMMETRY AND REMOTE SENSING》：On-orbit relative radiometric calibration of remote sensing satellite planar array sensors with geometric constraints and multi-scale radiometric cascades
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相对辐射定标（relative radiometric calibration, RRC）通过调整各探测器的辐射响应模型，消除因辐射特性差异导致的探测器级系统误差，是提升遥感影像质量的关键环节。当前遥感卫星面阵传感器（planar array sensor）的
相对辐射定标（relative radiometric calibration, RRC）通过调整各探测器的辐射响应模型，消除因辐射特性差异导致的探测器级系统误差，是提升遥感影像质量的关键环节。当前遥感卫星面阵传感器（planar array sensor）的成像探测器数量较线阵推扫传感器（linear push?broom sensor）增加百倍，带来前所未有的定标挑战。现有在轨定标方法依赖星上设备（星上定标）或大范围均匀地表数据（均匀场定标），均需占用宝贵的轨道资源进行专项成像任务。对于无星上定标设备的卫星，均匀场定标是首选，但随着空间分辨率提高，可覆盖全探测器的足够均匀场日益稀缺，限制了应用。本研究提出一种高效、高精度的面阵传感器在轨相对辐射定标方法，通过几何一致性约束（geometric consistency constraint）校正序列影像的几何畸变并实现精准配准，利用概率统计分析构建定标基准，并通过多尺度误差校正（multi?scale error correction）优化探测器级定标系数。研究人员以商用光学遥感平台吉林?1 02B卫星为对象验证该方法，在三波段中取得1.14%至2.35%的相对辐射校正精度，红、绿波段性能优于其他方法，蓝波段精度与均匀场法相当。结果表明，该定标系数可对传感器全动态范围内不同亮度的地物特征实现准确校正。该方法无需专用成像任务，可利用任意常规观测数据完成高效高精度在轨定标，突破了轨道资源限制，为当前及下一代面阵传感器遥感卫星提供了可扩展的解决方案。
研究背景与意义
光学遥感卫星主要采用线阵推扫传感器（1?×?N 探测器排列）和面阵传感器（M?×?N 探测器排列）。面阵传感器支持扫描或凝视成像，可实现区域动态目标实时监测，也可配合拜耳模板（Color Filter Array, CFA）获取RGB影像。由于制造工艺、发射应力释放、热环境变化及器件老化等因素，各探测器的固定噪声、暗电流、辐射响应和电子偏置存在差异，导致在均匀辐亮度下输出数字量化值（Digital Number, DN）不一致，产生条纹、条带噪声和非均匀噪声，严重影响影像质量。相对辐射定标旨在消除这些系统误差。然而，面阵传感器的M?×?N探测器规模远大于线阵，使得定标基准获取更加困难。现有方法包括星上定标（定标灯、漫反射板、黑体）、均匀场定标、统计定标和偏航定标，其中仅均匀场法适用于面阵传感器，但其依赖全球稀缺的大面积均匀区，且受限于分辨率提升后均匀性不足、反射率类型有限，难以实现高频次、高精度定标。此前提出的无均匀场景视频卫星定标方法（WU方法）因几何模型精度不足而受限。为此，研究人员开发了结合几何处理与多尺度误差校正的新型定标方法，并在《ISPRS JOURNAL OF PHOTOGRAMMETRY AND REMOTE SENSING》发表成果。
主要技术方法
研究采用吉林?1 02B卫星的面阵传感器序列影像作为样本，首先通过几何一致性约束消除单景影像内部几何畸变及序列影像间形变，实现精确配准；其次利用概率统计理论构建相对辐射定标基准；最后通过多尺度误差细化估计每个探测器的定标参数。实验选取低反射率海洋、中反射率农田和高反射率城市三类典型区域，以覆盖传感器全动态范围，并与SIFT?AF配准方法、均匀场法及WU方法进行对比评估。
研究结果
Methodology
通过分析序列影像间的相对位置关系，识别同一地物被不同探测器观测的情况，为多次观测统计提供基础。结合几何处理与辐射建模，实现全探测器定标参数估计。
Imaging Areas and Datasets
美国圣地亚哥海域作为低反射率均匀区，农田为中反射率区，城市为高反射率区，构成涵盖不同亮度的数据集。
Results
所提方法在红、绿波段的校正精度优于对比方法，蓝波段与均匀场法相当；整体相对辐射校正精度达1.14%–2.35%。定标系数在全动态范围内对不同亮度特征均有效。
Discussion
沿轨方向校正精度低于跨轨方向，主要源于探测器运动路径采样不均与几何匹配残差。尽管如此，该方法不依赖均匀场景，避免了轨道资源消耗，且可在单次常规成像序列中完成定标。
Conclusion
针对面阵遥感卫星传感器，研究提出了一种高效、高精度的在轨相对辐射定标方法，突破了均匀场景依赖与轨道资源限制，单次常规成像即可获得媲美甚至优于均匀场法的定标结果。该方法首先通过几何处理消除单景与序列影像间的几何畸变，实现精确配准；随后利用概率统计构建辐射定标基准，并通过多尺度误差细化得到各探测器系数。实验证明其在多反射率场景中均具可靠性能，为面阵传感器的在轨定标提供了可扩展的新方案。
研究结论翻译
The study proposes an efficient and high?accuracy on?orbit relative radiometric calibration method for planar?array remote?sensing satellite sensors, addressing limitations of uniform scene dependence, orbital resource consumption, and low calibration efficiency. A single normal imaging sequence achieves results comparable to or better than those of uniform calibration. Geometric processing is first applied to eliminate intra?scene and inter?scene geometric distortions, followed by construction of a radiometric calibration reference via probabilistic statistics and estimation of detector?level coefficients through multi?scale error refinement. Validation using Jilin?1 02B satellite data demonstrates 1.14%–2.35% accuracy across three spectral bands, with reliability over the full dynamic range. The method enables calibration without dedicated tasks, offering a scalable solution for current and future planar?array sensor satellites.
