Kalibrierungsexperiment für Weltraumkameras basierend auf einem automatischen Kalibrierungsfeld

Die radiometrische Kalibrierung ist Voraussetzung und Grundlage für die quantitative Anwendung von Satellitenfernerkundungsdaten. Eine präzise Kalibrierung der radiometrischen Leistung im Orbit beeinflusst direkt die quantitative Genauigkeit und Zuverlässigkeit nachfolgender Fernerkundungsprodukte für die Landwirtschaft, die Rohstoffexploration und die ökologische Umwelt. Dieser Artikel beschreibt ein Feldkalibrierungsexperiment einer hyperspektralen Weltraumkamera mithilfe eines automatischen Kalibrierungsfelds. Durch den Einsatz eines langfristig stabilen, unbeaufsichtigten Reflektivitätsmesssystems und synchroner Geräte zur Überwachung atmosphärischer Parameter innerhalb des automatischen Kalibrierungsfelds wurden während des Satellitentransits gleichzeitig wichtige Parameter wie Oberflächenreflektivität, optische Dicke der Atmosphäre und Wasserdampfgehalt erfasst. Mithilfe einer auf Reflektivität basierenden Kalibrierungsmethode in Kombination mit dem atmosphärischen Strahlungstransportmodell MODTRAN5 konnte eine absolute radiometrische Kalibrierung der hyperspektralen Weltraumkamera im sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich erfolgreich durchgeführt werden.

Für das Experiment wurde das automatisierte Kalibrierfeld Railroad Valley Playa (RVUS), das auf der Website RadCalNet aufgeführt ist, als Teststandort ausgewählt. Dieses Feld ist ein international anerkanntes, hochpräzises radiometrisches Kalibrierreferenzfeld mit Vorteilen wie gleichmäßiger Oberflächenabdeckung, stabilen spektralen Eigenschaften und kontinuierlichen, zuverlässigen Langzeitbeobachtungsdaten. Das zugehörige unbeaufsichtigte Überwachungssystem kann menschliche Eingriffsfehler effektiv vermeiden und die Anforderungen an eine hochpräzise radiometrische Kalibrierung vollständig erfüllen.

Basierend auf dem Satelliten-Transitfenster wurden für dieses Experiment Satelliten-Transitdaten vom 17. September 2025 um 18:30 UTC zur Standortkalibrierung ausgewählt. Das L1B-Bild des automatischen RVUS-Kalibrierungsfelds an diesem Tag ist in Abbildung 1 dargestellt; der rote Bereich markiert den Bereich der atmosphärischen Datenüberwachung. Zwei Arten von Kerndaten wurden gleichzeitig über das Standortüberwachungssystem erfasst: erstens die Oberflächenreflexionskurve eines 1 km × 1 km großen Überwachungsbereichs (entsprechend 28 × 28 Pixeln im Satellitenbild) und zweitens ein vollständiger Datensatz atmosphärischer Parameter, einschließlich Sonnenazimut, Aerosoldicke, Wasserdampfgehalt und Ozonkonzentration (siehe Tabelle 1).

Abbildung 1. Satellitengestützte automatische Kalibrierungsfeldaufnahmen des RVUS

Tabelle 1. Atmosphärische Parameter der RVUS-Station um 18:30 Uhr (UTC) am 17. September 2025.

Die atmosphärischen Parameter aus Tabelle 1 und die gemessene Oberflächenreflexionskurve (siehe Abbildung 2) wurden in das MODTRAN5-Modell eingegeben. Die wichtigsten Modellparameter sind in Tabelle 2 aufgeführt. Das Strahlungsspektrum an der Eintrittspupille der Satellitenkamera wurde mittels Vorwärtsmodellierung simuliert und die Strahlungsspektrumskurve ermittelt (siehe Abbildung 3). Das simulierte Strahlungsspektrum wurde auf den tatsächlichen Bandbereich der Satellitenkamera resampelt, und der mittlere DN-Wert des Kalibrierungsfeldes im Kamerabild wurde extrahiert, um die Anpassungsbeziehung zwischen der Strahlungsdichte an der Eintrittspupille und dem DN-Wert herzustellen (siehe Abbildung 4). Durch Berechnung des Verhältnisses der beiden Werte wurden schließlich die absoluten radiometrischen Kalibrierungskoeffizienten für jedes Band der hyperspektralen Satellitenkamera ermittelt (siehe Abbildung 5), womit die Kernkalibrierungsberechnung abgeschlossen war.

Abbildung 2. Oberflächenreflexionskurve um 18:30 Uhr (UTC) am 17. September 2025.

Diese Studie schloss die standortspezifische absolute radiometrische Kalibrierung einer hyperspektralen Weltraumkamera mithilfe des automatischen Kalibrierungsfelds Railroad Valley Playa (RVUS) erfolgreich ab. Die experimentellen Ergebnisse belegten eindeutig eine quantitative Korrespondenz zwischen der Strahlungsintensität der Eintrittspupille und den DN-Werten des Bildes, ermittelten präzise radiometrische Kalibrierungskoeffizienten für jedes Spektralband und bestätigten die Effektivität und Genauigkeit der Kalibrierungsmethode.

Experimente zeigen, dass die auf Reflexionsvermögen basierende Kalibrierungsmethode mit automatischen Kalibrierfeldern einfach anzuwenden und langfristig stabil ist und keine manuelle Eingriffe erfordert. Sie kann die Kosten und den Aufwand herkömmlicher Standortkalibrierungen deutlich reduzieren und bietet somit einen effizienten und nachhaltigen Ansatz zur On-Orbit-Kalibrierung für kommerzielle Fernerkundungssatelliten.