In-Orbit-Kreuzkalibrierung basierend auf den hyperspektralen Satelliten Xiguang-1 01 und Xiguang-1 05 (Tianxianpei)

Einführung in die Prinzipien

Die Kreuzkalibrierung nutzt einen Sensor mit höherer Kalibriergenauigkeit als Referenzsensor, um den zu kalibrierenden Sensor zu kalibrieren. Dabei werden synchrone oder nahezu synchrone Bildpaare ausgewählt, die dasselbe Zielobjekt abbilden. Basierend auf der Analyse der Übereinstimmung der spektralen Empfindlichkeiten, der Beobachtungsgeometrie und der atmosphärischen Parameter beider Sensoren wird die Beziehung zwischen den digitalen Zählwerten der beiden Sensorbilder hergestellt. Anschließend werden die Kalibrierkoeffizienten des zu kalibrierenden Sensors mithilfe der bekannten radiometrischen Kalibrierkoeffizienten des Referenzsensors berechnet. Typischerweise besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem DN-Wert eines Satellitenfernerkundungssensors und seiner Eintrittspupillenstrahlung (scheinbare Strahlung, Strahlung am oberen Rand der Atmosphäre, TOA): L = Verstärkung · DN + Offset, wobei Verstärkung und Offset die Verstärkung bzw. der Achsenabschnitt der Kalibrierkoeffizienten sind, L die Eintrittspupillenstrahlung des Sensors und DN den digitalen Zählwert des Bildes darstellt.

Daten

 

	Nishiko Nr. 1 01 Stern	Nishiko Nr. 1 5 Sterne (perfekte Übereinstimmung)
Typ	Referenzdaten	Zu kalibrierende Daten
Wellenlängenbereich (nm)	441-854	431-853
Anzahl der Bänder	150	72
FWHM (nm)	1,945	9.16
GSD（m）	40	40
Orbitalhöhe (km)	484	492
Breite (km) (bei 500 km)	80	80

Verfahren

1. Bildauswahl

Die Einschränkungen basieren auf dem Flächenumfang, der Aufnahmezeit und dem Beobachtungswinkel. Konkret liegt der Abstand der Mittelpunkte der einzelnen Bilder innerhalb von 50 km, um eine große Überlappungsfläche zu gewährleisten. Bei Aufnahmezeitdifferenzen innerhalb eines Tages beträgt die Differenz des Beobachtungswinkels weniger als 2°.

2. Regionsauswahl

Beispiel für eine Stichprobenregion des Satelliten Xiguang-1 01

Beispiel eines Probenbereichs für den Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpeihao)

Beispiel für die durchschnittliche Strahlungskurve des Messbereichs des Satelliten Xiguang-1 01

Beispiel für die Kurve des durchschnittlichen DN-Wertes im Stichprobengebiet des Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpeihao)

Als Kalibrierungszielgebiet wurde die homogene Fläche im östlichen Teil des Qaidam-Beckens ausgewählt. Insgesamt wurden 16 Datensätze ausgewählt. Innerhalb jedes Datensatzes wurde dieselbe Region als Stichprobe aus den Daten der Satelliten Xiguang-101 und Xiguang-105 (dem „Tianxianpei“-Satelliten) ausgewählt.

3. Spektrale Korrektur des Satelliten Xiguang-1 01

Der Satellit Xiguang-1 01 wurde spektral korrigiert, indem die Sauerstoffabsorptionskante bei 760 nm genutzt wurde, um die Position der zentralen Wellenlänge für die nachfolgende spektrale Neuberechnung und die Berechnung des spektralen Anpassungsfaktors (SMF) zu korrigieren.

4. Strahlungskorrektur des Satelliten Xiguang-1 01

Zur Ermittlung der scheinbaren Strahlungswerte für das Probengebiet wurde eine radiometrische Korrektur unter Verwendung von Standortkalibrierungskoeffizienten durchgeführt. Anschließend wurde für jede Probe der durchschnittliche Strahlungswert innerhalb des Gebiets berechnet.

5. Dunkelstromkorrektur für den Satelliten Xiguang-1 05 (ein Satellit mit Himmelsanpassung).

Der Dunkelstrom wurde anhand von Nachtaufnahmen von Wüstengebieten des Satelliten Xiguang-105 (Tianxianpei) berechnet. Die Berechnung erfolgte bandweise, um das Originalbild zu korrigieren und den korrigierten DN-Wert des jeweiligen Untersuchungsgebiets zu ermitteln. Anschließend wurde der mittlere DN-Wert jedes Untersuchungsgebiets berechnet.

6. Anpassung der zentralen Wellenlängenstrahlung des Satelliten Xiguang-1 01 an die des Satelliten Xiguang-1 05 (perfekte Übereinstimmung)

Sowohl die Referenzdaten als auch die zu korrigierenden Daten sind hyperspektrale Daten mit gaußförmigen spektralen Empfindlichkeitsfunktionen (SRFs). Ihre Halbwertsbreiten (FWHM) unterscheiden sich jedoch deutlich, was insbesondere in Spektralbändern mit ausgeprägten spektralen Eigenschaften (wie Absorptionsbändern) zu radiometrischen Verzerrungen führen kann. Daher sind spektrales Resampling und eine Korrektur des spektralen Anpassungsfaktors erforderlich, um die FWHM-Abweichung auszugleichen.

SRF und spektrales Resampling: Mithilfe einer Gaußschen Faltung wurde die 9,16 nm SRF des Satelliten Xiguang-1 05 (auch bekannt als Xiguang-1-05) anhand von 1,945 nm-Daten des Satelliten Xiguang-1 01 simuliert, wodurch der Verlust spektraler Details reduziert wurde. Zusätzlich wurde eine kubische Interpolation verwendet, um die zentrale Wellenlänge des Satelliten Xiguang-1 05 (auch bekannt als Xiguang-1-05) anzupassen. Anschließend wurden die SRFs beider Satelliten ermittelt und verschiedene Standard-Bodenobjektspektren ausgewählt. Mithilfe eines Strahlungstransportmodells wurden TOA-Simulationen durchgeführt, um die SMF zu berechnen und den Strahlungsbias zu korrigieren.

7. Scheinbare Strahlungsanpassung des DN-Werts des Satelliten Xiguang-1 01 und des Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpei).

Tabelle mit Statistiken zur scheinbaren Strahldichte

DN-Wertstatistiktabelle

Unter Verwendung von SMF-korrigierten TOA-Daten des Satelliten Xiguang-1 01 und DN-Wertdaten des Satelliten Xiguang-1 05 (auch bekannt als Tianxianpei) als abhängige bzw. unabhängige Variablen für eine lineare Regression wurde eine lineare Regression durchgeführt und Verstärkung und Bias bandweise ermittelt, insgesamt 120 Messwerte. Der Mittelwert von Verstärkung und Bias aller Messwerte für jedes Band wurde als endgültiger Wert für dieses Band berechnet.

Überprüfung des Skalenkoeffizienten

Zur Durchführung radiometrischer und atmosphärischer Korrekturen wurden die Kalibrierungskoeffizienten des Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpeihao) angepasst und mit der TOA- und Oberflächenreflexion des Satelliten Xiguang-1 01 verglichen, um die Kalibrierungskoeffizienten zu verifizieren.

Vergleich der Strahlungsdichte zwischen Xiguang-1 01 und Xiguang-1 05 (dem Satelliten „Tianxianpei“), in W/m²/sr/μm.

Vergleich der Reflektivität zwischen den Satelliten Xiguang-1 01 und Xiguang-1 05 (perfekte Übereinstimmung) (10.000-fache Vergrößerung).

Im Vergleich mit dem Satelliten Xiguang-1 01 zeigen die scheinbare Strahlungsdichte und die Oberflächenreflexion den gleichen Trend, was darauf hindeutet, dass die Kalibrierungskoeffizienten nach der Kreuzkalibrierung sehr gut realisierbar sind.

Beispielbild für die Ergebnisse der Kreuzkalibrierung

Bild des Satelliten Xiguang-1 05 (auch bekannt als Tianxianpei) in der Nähe von Chittagong, Bangladesch (15. Januar 2025)

Strahlungskurven verschiedener Bodenmerkmale in W/m²/sr/μm

Reflexionskurven verschiedener Bodenmerkmale

Bild von Korsika, Frankreich, aufgenommen vom Satelliten Xiguang-1 05 (auch bekannt als der Satellit "Heavenly Match") (15. Juli 2025)

Schematische Darstellung der Probenahmestellen im Ozean in verschiedenen Tiefen

Schematische Darstellung der Probenahmestellen im Ozean in verschiedenen Tiefen

Strahlungskurven des Ozeans in verschiedenen Tiefen, in Einheiten von W/m²/sr/μm. Steigende Zahlen bedeuten zunehmende Tiefe.

Reflexionskurven des Ozeans in verschiedenen Tiefen

Reflexionskurven verschiedener Bodenmerkmale