全球化遥感定标新起点 —走进国家高分辨遥感综合定标场

　　大海航行靠舵手，卫星精准应用靠定标。“标”就是“标准”的意思，相当于“刻度”，没有“定标”，就无法对观测对象进行定量测量。定标是保证遥感卫星数据定量应用准确性的关键环节，相当于给卫星观测这杆“秤”加上准星。作为地面参照基准的遥感野外定标场，在整个定标过程中具有关键性的基础支撑作用。

▲国家高分辨遥感综合定标场

千锤百炼迎来新起点

　　近期，科技部国家遥感中心国家高分辨遥感综合定标场 (以下简称包头场)在内蒙古包头揭牌，宣告了由中科院光电研究院(以下简称光电院)院定量遥感信息技术重点实验室在科技部“十一五”“十二五”两个五年计划支持下牵头研建的高分辨遥感综合定标场得到国内外用户广泛认可，并正式提供高频次标准化定标服务。来自我国气象、海洋、资源、测绘等七家卫星运行管理用户单位的专家及科技部等相关单位领导参加了第一次高分辨遥感定标工作会议，并考察了定标场基础设施。

　　在为期两天的工作会议上，项目团队汇报了包头场在载荷严格航空校飞、高分辨率遥感卫星在轨定标与性能评测等方面的常态化运行支撑能力，展示了国际对地观测卫星委员会(CEOS)定标与真实性检验工作组(WGCV)考察认定的定标技术系统，汇报了作为国际首个全球自主辐射定标场网(RadcalNet)成员，与欧空局(ESA)、美国航空航天局(NASA)、法国空间研究中心(CNES)三家国际顶尖空间机构及拥有全球三大计量标准之一的英国国家物理实验室(NPL)合作开展自动辐射定标的应用示范成果。在气势恢宏的固定靶标、灵活便携的移动靶标、多类型差异化的自然场景、功能完备的常态化观测设备现场，用户单位专家们赞不绝口，“规模大、要素多、链条完整”、“服务广泛、基础保障能力好”、“能够提供国内与国际相结合、标准化、高精度的定标服务”。会议达成了多项卫星业务运行定标意向。多年努力终获认可，畅想着即将为国家运行性卫星系统提供常态化服务，项目团队激动不已。

▲国家高分辨遥感综合定标场揭牌

国际创新，攻坚克难

　　遥感图像是地面目标形貌物化特征在空中的形象展现，它可以看作一张照片，我们大体能够看到地上有什么，但是这些目标到底有多大?准确的形状是什么?它是什么材质的?它的温度、水分含量等特性到底如何?要准确地知道这些信息，就必须对获取遥感图像的仪器——遥感载荷进行定标。尽管卫星发射前，已经对遥感载荷进行了实验室定标，但随着卫星升空后工作环境的变化、时间的演变、仪器的老化，卫星图像的数值已很难真实反映地面目标的实际物理量，就像我们日常使用的秤需要调整归零一样，遥感载荷需要通过寻找地面基准不断调整定标系数。在卫星运行过程中针对自然场景开展真值测量是长期以来人们使用的主流定标方式之一，但这种方法需要“靠天吃饭”，费时费力，因而我国当前大多每年一次，难以及时追踪卫星载荷特性退化，影响到定标的精度和稳定性。为此，中科院定量遥感信息技术重点实验室李传荣研究团队利用包头场被纳入RadCalNet全球首批四个示范场的契机，在国际上率先开展了全球统一质量标准自主辐射定标技术及应用示范研究。

　　自主辐射定标是国际卫星对地观测委员会(CEOS)于2014年提出启动的国际场地定标最新理念，核心是自动化(即场地数据观测、数据处理的自动化)、无人值守(设备可长期置于野外观测)、可追溯(观测数据的质量可追溯至计量标准)。为了实现自主辐射定标，需要解决两大关键问题，一是全天时地面真值采集技术，其核心是可置于野外长期运行的地表以及大气参数自动监测;二是高精度数据处理模型和载荷无关定标信息产品处理方法。

　　作为新出现的理念，无论是自动观测硬件系统，还是数据处理方法，国内外均无成熟的经验可借鉴。考虑到不同遥感载荷的光谱响应差异，在设计之初，大家一致同意选用对于保证数据处理精度而言最理想的高光谱探测方式，以降低多光谱观测数据外推方法带来的不确定性。然而，高光谱探测器的光学结构更为精细、复杂，观测数据量呈级数上升，并且由于野外环境复杂，突发状况多，耗时一年研制出的样机安装至野外进行常态化运行试验过程中，设备的可靠性遭受了严峻的考验。供电不稳定、太阳跟踪复杂、雷电等猛烈天气、通讯不畅、设备和程序工作异常等问题层出不穷，项目组不得已把安装的系统拆回北京重新进行优化。“常态化运行一度遇到瓶颈”，团队成员马灵玲说，“我们需要与美国、法国、欧空局其他三个场开展国际比对，当时的压力非常大”。

　　重拾信心，进一步完善。大家充分分析野外环境对常态化运行系统的具体需求，在优化系统设计的基础上，反复进行实验测试，并前往实际场地进行严苛环境下的设备运行实验。为了保证关键设备对于野外环境的适应性，研发人员冒着三九严寒、顶着烈日酷暑，频繁出入野外场地，开展设备测试和调试。

　　整个团队在力争建好我国首个国际接轨的常态化运行定标场信念的鼓舞下，秉持着开放、严谨的研究态度，在NPL及我国国家计量院的技术支持下，研建溯源至国际单位制(SI)的实验室定标系统，完善外场定标传递链路，并开展了上万次的数据处理模型分析工作，确保所发展软硬件系统的可靠性、精确性与可追溯性;更是以每季度一次的国际电话会议和不计其数的邮件往来，与国际同行沟通各自进展情况，共同讨论研究所发现的问题。在这些努力下，发展并完善了包括软硬系统的目标高光谱特性自动观测技术和载荷无关标准定标产品生产与质量追溯技术，实现了满足RadCalNet要求的每30分钟一次、10nm间隔标准化地面测量数据处理能力，同时也在这个过程中积累了丰富的野外工程经验。“三易其稿”的方案设计，“披星戴月”的艰苦工作，经过两年多的奋战终于完成了整个系统的开发。

　　今天，站在这经过多年艰苦、克服许多困难建成的国际知名的遥感定标场前，团队成员们有一种由衷的喜悦和自豪—— 一直以来为之奋斗的科技发展目标已经凸显成功之端倪，所取得的科研成果已经可以开始为社会服务、为我国遥感技术和空天技术的发展，作出有价值的贡献了。

▲RadCalNet全球首批四个示范场

墙内开花墙外红

　　“要建设一流的定标场，必须走出国门，让国际认可，让外国人都用起来。”李传荣带领团队走了一条国际路线。包头场的建设充分考虑了我国遥感载荷定标需求，并通过加入全球自主辐射定标场网计划，融入了国际最新辐射定标理念。

　　2015年，英国国家物理实验室(NPL)对地观测和气候中心主任Nigel Fox教授一行赴包头场进行调研。作为保证RadCalNet标准化辐射定标产品全球质量一致性的技术鉴定单位，他们对实验室自主设计研制的自主辐射定标技术系统的先进性及常态化运行能力给予了高度赞赏。同年，包头场人工固定靶标区的刃边靶标被美国地质调查局(USGS)认证为中国大陆唯一的全球光学载荷传递函数(MTF)评价地面标准目标。目前，包头场已经在国内外开展了相关的地球观测卫星载荷的定标服务实验性工作，获得了国际地球观测卫星委员会定标工作组的高度肯定，并被工作组确认为全球自主辐射定标网络体系中认证定标场。

　　2016年7月，李传荣团队成功主办CEOS第28届可见光红外定标工作组会议及第5届全球自主定标场网会议，来自十多个空间机构的国际定标专家参加了会议。会后，欧洲空间局(ESA)、法国航空航天研究院(ONERA)、美国地质调查局(USGS)、日本地质调查局(GSJ)等代表参观访问了包头场。专家们充分肯定了包头场近年来在国际遥感定标领域作出的贡献，一致表示：“虽然已经提前知道包头场是全球最完善的定标场之一，但是现场的直观感受还是让人感到强烈的震撼，国际定标领域应重视与包头场的合作，并积极要求推进与包头场的合作关系。”

　　包头场得到国际权威组织、机构和同行的肯定和赞许，是对我国定标技术和能力不断进步的肯定，是对中国可以在国际定标工作中发挥重要作用的充分肯定。可以预见，在我国科技转化为生产力的创新历程中，包头场这个在国内外众多著名定标基础设施中脱颖而出的后起之秀，将展现出旺盛的生命力，迎来定量、精准遥感信息技术与应用发展的信息经济新时代。在我国遥感从定性到定量应用的进步过程中、在我国从遥感大国到遥感强国跨越的进程中，国家高分辨遥感综合定标场这个名字，将会享誉整个国际对地观测领域。

（文/王晨绯）

关于遥感定标

        在遥感领域，定标一般分为几何定标和辐射定标两种。

　　几何定标即指对遥感图像几何特性进行校正，以还原为真实情况。

　　辐射定标指对遥感图像的辐射度进行校准，以实现定量遥感。

　　辐射定标一般也可称为校准，其主要目的是保证传感器获取遥感数据的准确性。通常，采用系统自身内部监视环路和外部标准目标方法对系统链路中的各个环节进行误差修正，来实现辐射定标过程。

　　一般在主动式遥感系统中，辐射定标可以作得很好，可以认为在一定误差范围内实现了定量遥感。而被动式遥感系统相对困难些。

　　辐射定标和辐射校正——遥感数据定量化的最基本环节

　　由于遥感图像成像过程的复杂性，传感器接收到的电磁波能量与目标本身辐射的能量是不一致的。传感器输出的能量包含了由于太阳位置、大气条件、地形影响和传感器本身的性能等所引起的各种失真，这些失真不是地面目标的辐射，因此对图像的使用和理解造成影响，必须加以校正和消除，而校正和消除的基本方法就是辐射定标和辐射校正。

　　辐射定标是指传感器探测值的标定过程方法，用以确定传感器入口处的准确辐射值。辐射校正是指消除或改正遥感图像成像过程中附加在传感器输出的辐射能量中的各种噪声的过程。

　　一般情况下，用户得到的遥感图像在地面接收站处理中心已经作了辐射定标和辐射校正。

编辑：陈柳林

审核：高冲

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