机载Watersat成像光谱仪实验的系统替代定标与大气校正

《Sensors》：System Vicarious Calibration and Atmospheric Correction of the Airborne Watersat Imaging Spectrometer Experiment

　　

研究人员介绍了机载Watersat成像光谱仪实验（WISE）传感器的系统替代定标与大气校正验证，该传感器部署于圣劳伦斯湾安蒂科斯蒂岛西南海岸。同步原位水离反射率（water-leaving reflectance）分别从科里奥利二世号研究船（HyperSAS，水上辐射测量）和摩托艇（水下辐射测量）获取。HyperSAS高光谱表面采集系统（Hyperspectral Surface Acquisition System）数据集用于定标，而摩托艇数据集被分割为30%用于定标，70%用于验证。研究人员评估了比率法（Ratio）和经验线法（Empirical Line, EL）两种定标方法，并调查了残余太阳耀斑的影响。模型预测与实测的入瞳反射率残差表现出对镜面反射方向角距离的明显依赖，说明几何相关的耀斑偏差影响系统替代定标增益的估计。比率法在有限的定标范围内表现尚可（500 nm处精度约50%），但应用于更广泛的匹配数据集时性能下降。相比之下，经验线法通过同时容纳加性和乘性差异，提供了更稳定的增益（500 nm处精度约20%）。这些结果凸显了在机载水生成像光谱学中考虑残余太阳耀斑的重要性（无论是用于定标还是其他目的），并支持采用标准主轴回归的经验线法作为从WISE定量反演水离反射率的最稳健定标策略。

WISE机载成像光谱仪系统替代定标与大气校正研究解读

成像光谱技术能以高空间和高光谱分辨率精细探测环境特征，但其反射率产品必须具有高精度和高准确度。在水生应用中，水离信号在入瞳总信号中占比很小，通常不到可见光波段的10%，因此对辐射定标和大气校正尤为敏感。Watersat成像光谱仪实验（WISE）传感器是加拿大航天局委托ITRES开发的原型机，相对于前代紧凑机载光谱成像仪（CASI），其在可见光波段具有更高的信噪比。然而，加拿大国家研究委员会飞行研究实验室的测试发现，WISE的绝对辐射定标存在系统性低估入瞳辐亮度的问题，导致无法直接通过标准大气校正流程获取准确的水面反射率。为满足定量水生遥感需求，有必要开展系统替代定标（SVC），以修正实验室定标与飞行部署之间的偏差以及大气校正模型的误差。本研究于2022年7月在圣劳伦斯湾安蒂科斯蒂岛西南海岸的贝加姆什湾部署WISE，同步采集了大量原位辐射数据，目标是评估两种替代定标方法，并检验残余太阳耀斑对定标的影响，最终生成可用的水离反射率产品。

实验使用两个原位平台：科里奥利二世号科考船搭载HyperSAS系统进行水上辐射测量，摩托艇则搭载水下辐射计进行连续测量。HyperSAS数据集（N=5）用于评估比率法，摩托艇数据集被随机分割为30%定标（N=116）和70%验证（N=270）。大气校正采用暗谱拟合（DSF）算法，并针对机载高度改进了查找表维度。替代定标方法包括比率法（仅乘性增益）和经验线法（EL，兼具乘性截距和加性斜率），其中EL分别采用普通最小二乘（OLS）和标准主轴（SMA）回归。精度指标使用中位对称精度（MdSA）、对称符号百分比偏差（SSPB）和中位绝对误差（MdAE）。此外，通过计算观测方向与太阳镜面反射方向的角距离来量化耀斑影响。

预替代定标结果表明，直接应用DSF反演的水离反射率在400 nm附近出现负值，相对原位测量呈现系统性高估，且动态范围偏大，归因于残余太阳耀斑。应用高和李（2021）耀斑校正后，短波段出现低估和负值，光谱形状发生明显变形，说明必须进行SVC。定标增益分析显示，模型与实测入瞳反射率在蓝光（400 nm）和红光（700 nm）波段动态范围有限，而残差与观测方向距太阳镜面反射方向的角距离呈线性正相关，且该关系在光谱上平坦，表明耀斑贡献近似为波长无关的加性项。比率法增益在580 nm后逐渐降低，并在760 nm氧吸收带处出现峰值畸变。EL法的截距项从蓝到红递减，符合大气路径辐射和表面反射贡献的光谱特征。比率法在有限校准范围内尚可，但在扩展匹配数据集后性能恶化，生成大量负反射率，是最不稳健的方法。EL OLS改善了蓝波段，但在700 nm处出现光谱平坦化。EL SMA在可见光全波段与实测分布一致性最好，蓝波段线性改善并避免负值，长波段过度平坦化问题也得到缓解。对比六个验证站点，EL SMA得到最合理的光谱形状和变异，在500 nm处相对精度约20%，而比率法约50%。在EL SMA基础上应用耀斑校正，可在400–700 nm范围内小幅提升精度，但会在>700 nm处造成轻微退化。

讨论部分指出，预SVC反演噪声主要源于绝对辐射偏差和耀斑校正的局限；定标增益强烈依赖匹配数据集的动态范围和几何覆盖。比率法因纯乘法结构无法吸收耀斑等加性项，导致增益结构偏差。EL法通过截距项吸收未建模的路径辐射和表面反射贡献，更适应模型缺陷。由于实测和模拟数据均含有误差，SMA回归比OLS更合适，因为它对称处理两个变量的不确定性。研究还强调，在水生遥感中保持水离反射率光谱形状至关重要，因为生物光学反演算法依赖光谱斜率和波段比值。实际应用中，建议在匹配数据选择时考虑耀斑几何距离，或直接在定标模型中增加可吸收耀斑变化的加性项。

研究结论表明，残余太阳耀斑表现为光谱平坦的加性分量，会系统性偏置乘性替代定标，因此推荐采用包含截距的经验线法，并在双方变量均有不确定度时使用SMA回归。即使在未进行严格耀斑过滤的情况下，EL SMA也能提供适用于光学浅水遥感的高质量水离反射率数据。该工作强调，严谨的辐射定标和替代定标不是可选的优化步骤，而是机载和无人机高光谱影像在水生环境中可靠应用的基础性要求。未来应将耀斑校正集成于大气校正模型中，或通过耀斑距离指标筛选匹配点，以确保下一代高光谱系统能够产出可靠的定量水生遥感产品。