GB∕T 38935-2020 光学遥感器在轨成像辐射性能评价方法 可见光-短波红外

书书书犐犆犛０７．０４０犃７７中华人民共和国国家标准犌犅／犜３８９３５—２０２０光学遥感器在轨成像辐射性能评价方法　可见光短波红外犗狀狅狉犫犻狋狉犪犱犻狅犿犲狋狉犻犮犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊犪狊狊犲狊狊犿犲狀狋犳狅狉狅狆狋犻犮犪犾犻犿犪犵犻狀犵狉犲犿狅狋犲狊犲狀狊狅狉—犞犐犛犛犠犐犚２０２００７２１发布２０２１０２０１实施国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会发布书书书目　　次前言Ⅲ…………………………………………………………………………………………………………１　范围１………………………………………………………………………………………………………２　规范性引用文件１…………………………………………………………………………………………３　术语和定义、缩略语１………………………………………………………………………………………　３．１　术语和定义１…………………………………………………………………………………………　３．２　缩略语２………………………………………………………………………………………………４　评价对象和评价指标２……………………………………………………………………………………　４．１　评价对象２……………………………………………………………………………………………　４．２　评价指标２……………………………………………………………………………………………５　评价方法２…………………………………………………………………………………………………　５．１　信噪比２………………………………………………………………………………………………　５．２　辐射分辨率３…………………………………………………………………………………………　５．３　动态范围４……………………………………………………………………………………………　５．４　非线性度７……………………………………………………………………………………………　５．５　盲元率７………………………………………………………………………………………………附录Ａ（资料性附录）　信噪比规定化方法１０………………………………………………………………附录Ｂ（资料性附录）　高空间分辨率光学遥感器在轨动态范围、非线性度评价地面靶标布设需求１１……………………………………………………………………………………………………………参考文献１２……………………………………………………………………………………………………Ⅰ犌犅／犜３８９３５—２０２０前　　言　　本标准按照ＧＢ／Ｔ１．１—２００９给出的规则起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本标准由中国科学院提出。本标准由全国遥感技术标准化技术委员会（ＳＡＣ／ＴＣ３２７）归口。本标准起草单位：中国科学院光电研究院、中国资源卫星应用中心、国家卫星气象中心、北京空间机电研究所、中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。本标准主要起草人：李传荣、李晓辉、王新鸿、高彩霞、唐伶俐、马灵玲、王宁、傅俏燕、方翔、伏瑞敏、马艳华、王钢、李伟、刘照言、赵永光、朱博、张静、朱家佳、刘耀开、钱永刚、邱实、周勇胜、朱小华、任璐。Ⅲ犌犅／犜３８９３５—２０２０光学遥感器在轨成像辐射性能评价方法　可见光短波红外１　范围本标准规定了工作波长在可见光到短波红外范围（３８０ｎｍ～２５００ｎｍ）的星载成像光学遥感器的在轨成像辐射性能评价对象、评价指标和评价方法。本标准适用于搭载在卫星平台上，采用线阵列探测器扫描成像的被动光学遥感器在轨运行过程中进行的辐射性能评价。其他类型星载被动光学遥感器的在轨外场辐射性能评价可参考使用。２　规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。ＧＢ／Ｔ３３９８８—２０１７　城镇地物可见光短波红外光谱反射率测量ＧＢ／Ｔ３６２９７—２０１８　光学遥感载荷性能外场测试评价指标ＧＢ／Ｔ３６５４０—２０１８　水体可见光短波红外光谱反射率测量３　术语和定义、缩略语３．１　术语和定义ＧＢ／Ｔ３６２９７—２０１８界定的以及下列术语和定义适用于本文件。３．１．１　辐射性能　狉犪犱犻狅犿犲狋狉犻犮犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊遥感器成像时获取与保持地物目标场景相对或绝对辐射能量分布的能力。３．１．２　信噪比　狊犻犵狀犪犾狋狅狀狅犻狊犲狉犪狋犻狅遥感器输出的有效信号功率与噪声功率之比。３．１．３　辐射分辨率　狉犪犱犻狅犿犲狋狉犻犮狉犲狊狅犾狌狋犻狅狀遥感器感测（敏感）元件在接收波谱辐射信号时能分辨的最小辐射度差，或指对两个不同的辐射源的辐射量的分辨能力。［ＧＢ／Ｔ１４９５０—２００９，定义４．１０３］３．１．４　动态范围　犱狔狀犪犿犻犮狉犪狀犵犲光学遥感器输出能够随输入发生变化的最小入射辐射量和最大入射辐射量所界定的区间。３．１．５　非线性度　狀狅狀犾犻狀犲犪狉犻狋狔在动态范围内，响应的实际值偏离对应拟合直线的最大偏差。１犌犅／犜３８９３５—２０２０注１：一般采用百分比表示。注２：改写ＧＢ／Ｔ１７４４４—２０１３，定义２．３７。３．１．６　盲元率　犫犾犻狀犱狆犻狓犲犾狉犪狋犻狅遥感器的盲像元数占总像元数的百分比。３．２　缩略语下列缩略语适用于本文件。ＧＳＤ　　　　地面采样距离（ｇｒｏｕｎｄｓａｍｐｌｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅ）ＶＩＳＳＷＩＲ可见光短波红外（ｖｉｓｉｂｌｅｔｏｓｈｏｒｔｗａｖｅｉｎｆｒａｒｅｄ）４　评价对象和评价指标４．１　评价对象本标准针对搭载于卫星平台上，工作波长在可见光到短波红外范围（３８０ｎｍ～２５００ｎｍ），采用线阵列探测器扫描成像的被动光学遥感器（如可见光全色相机、多光谱相机、高光谱成像仪等），利用其在轨运行时获取的图像数据进行遥感器辐射性能分析与监测。４．２　评价指标星载光学遥感器在轨成像辐射性能评价指标包括：信噪比、辐射分辨率、动态范围、非线性度、盲元率。５　评价方法５．１　信噪比基于仅经过相对辐射校正处理的遥感器观测图像数据进行评价。具体步骤如下：ａ）　选取遥感器在相近时间段内获取的若干景受大气影响小的、具有不同灰度等级（灰度等级≥５）的大面积均匀场景的图像作为样本图像，如深海、湖泊等水体，南极或格陵兰等地区的大范围冰雪覆盖区域，沙漠、戈壁或均匀浓密植被覆盖区域等。图像中的均匀区域应尽可能大（至少大于５０像素×５０像素），最好的情况是在沿遥感器阵列方向覆盖阵列所有像元，在沿遥感器阵列扫描方向（垂直遥感器阵列方向）大于或等于１００像素。ｂ）　对于样本图像的某一波段犾（犾＝１，２，…，犖ｂａｎｄ，犖ｂａｎｄ为遥感器波段数），选取图像中满足信噪比评测要求的某一均匀区域（区域内所有像素的灰度均值为珡犇犾，犽，对应某一灰度等级犽，犽＝１，２，…，犓，犓为参与评测的均匀场景灰度等级数）作为均匀区子图像犐犾，犽。若遥感器采用阵列摆扫方式成像，则利用式（１）对均匀区子图像犐犾，犽进行转置操作。狆犻，犼，犾，犽＝狆犼，犻，犾，犽……………………（１）　　式中：狆犻，犼，犾，犽———第犾波段灰度等级犽下均匀区子图像犐犾，犽第犻行第犼列的灰度值。狆犼，犻，犾，犽———第犾波段灰度等级犽下均匀区子图像犐犾，犽第犼行第犻列的灰度值。ｃ）　利用式（２）计算得到均匀区子图像犐犾，犽的差值图像。犱犻，犼，犾，犽＝狆（犻＋１），犼，犾，犽－狆犻，犼，犾，犽……………………（２）　　２犌犅／犜３８９３５—２０２０式中：犱犻，犼，犾，犽　　　———第犾波段灰度等级犽下均匀区子图像犐犾，犽的差值图像的第犻行第犼列的灰度值；狆（犻＋１），犼，犾，犽———第犾波段灰度等级犽下均匀区子图像犐犾，犽第犻＋１行第犼列的灰度值；ｄ）　利用式（３）计算第犾波段灰度等级犽下均匀区子图像犐犾，犽的每一列的列噪声。σ犼，犾，犽＝∑犕犾，犽－１犻＝１（犱犻，犼，犾，犽）２２犕犾，犽－３槡……………………（３）　　式中：σ犼，犾，犽———第犾波段灰度等级犽下均匀区子图像犐犾，犽的第犼列的噪声；犕犾，犽———第犾波段灰度等级犽下均匀区子图像犐犾，犽的行数。ｅ）　利用式（４）计算第犾波段灰度等级犽下均匀区子图像犐犾，犽每一列的信噪比。犚ＳＮＲ犼，犾，犽＝１犕犾，犽∑犕犾，犽犻＝１狆犻，犼，犾，犽σ犼，犾，犽……………………（４）　　式中：犚ＳＮＲ犼，犾，犽———第犾波段灰度等级犽下均匀区子图像犐犾，犽第犼列的列信噪比。ｆ）　利用式（５）计算列信噪比的平均值作为第犾波段灰度等级犽下均匀区子图像犐犾，犽的信噪比。犚ＳＮＲ犾，犽＝１犖犾，犽∑犖犾，犽犼＝１犚ＳＮＲ犼，犾，犽……………………（５）　　式中：犚ＳＮＲ犾，犽———第犾波段灰度等级犽下均匀区子图像犐犾，犽的信噪比；犖犾，犽———第犾波段灰度等级犽下均匀区子图像犐犾，犽的列数。ｇ）　按照步骤ｂ）～ｆ）计算样本图像中第犾波段所有灰度等级下的均匀区子图像犐犾，犽的信噪比。ｈ）　利用步骤ｇ）得到的信噪比犚ＳＮＲ犾，犽（犽＝１，２，…，犓，犓为参与评测的均匀场景灰度等级数目），采用信噪比规定化方法（参见附录Ａ），计算得到第犾波段在某一参考入瞳辐亮度犔０，犾水平下的信噪比犚ＳＮＲ０，犾。ｉ）　利用式（６）将步骤ｈ）得到的信噪比犚ＳＮＲ０，犾转换为信噪比的功率表示。犚ＤＢ－ＳＮＲ０，犾＝２０·ｌｇ犚ＳＮＲ０，犾（）……………………（６）　　式中：犚ＤＢ－ＳＮＲ０，犾———第犾波段在某一参考入瞳辐亮度水平犔０，犾下的信噪比的功率表示，单位为分贝（ｄＢ）。ｊ）　按照步骤ｂ）～ｉ）得到遥感器所有波段的信噪比犚ＤＢ－ＳＮＲ０，犾（犾＝１，２，…，犖ｂａｎｄ，犖ｂａｎｄ为遥感器波段数）。ｋ）　以至少１年１次的频率，按照步骤ａ）～ｊ）计算遥感器各波段的信噪比。采用二维折线图形式（横轴为评价时段，纵轴为信噪比），显示遥感器各波段的信噪比随时间的变化特征与趋势（对于多光谱遥感器，可以将不同波段的信噪比变化折线显示在同一张折线图中）。５．２　辐射分辨率采用噪声等效辐亮度或噪声等效反射率表示，基于仅经过相对辐射校正处理的遥感器观测图像数据进行评价。具体步骤如下：ａ）　按照与信噪比评价相同的方法和要求，选择样本图像，同５．１中步骤ａ）。ｂ）　对于样本图像的某一波段犾（犾＝１，２，…，犖ｂａｎｄ，犖ｂａｎｄ为遥感器波段数），按照与信噪比评价相同的方法计算遥感器第犾波段在某一参考入瞳辐亮度水平犔０，犾下的信噪比犚ＳＮＲ０，犾，同５．１中步３犌犅／犜３８９３５—２０２０骤ｂ）～ｈ）。ｃ）　利用式（７）～式（９）计算第犾波段的辐射分辨率。犚ＮＥΔ犔０，犾＝犔０，犾犚ＳＮＲ０，犾……………………（７）犚ＮＥΔρ０，犾＝ρ０，犾犚ＳＮＲ０，犾……………………（８）ρ０，犾＝π犔０，犾犱２犈ｓ，犾ｃｏｓθ……………………（９）　　式中：犚ＮＥΔ犔０，犾———遥感器第犾波段的噪声等效辐亮度，单位为瓦每平方米球面度微米［Ｗ／（ｍ２·ｓｒ·μｍ）］；犚ＮＥΔρ０，犾———遥感器第犾波段噪声等效反射率；犔０，犾———遥感器第犾波段的参考入瞳辐亮度，单位为瓦每平方米球面度微米［Ｗ／（ｍ２·ｓｒ·μｍ）］；ρ０，犾———与犔０，犾对应的遥感器第犾波段的表观反射率值；犚ＳＮＲ０，犾———遥感器第犾波段在参考入瞳辐亮度犔０，犾水平下的信噪比；犱———日地距离因子（天文单位）；犈ｓ，犾———遥感器第犾波段的大气层顶太阳辐照度，单位为瓦每平方米微米［Ｗ／（ｍ２·μｍ）］；θ———太阳天顶角，单位为度（°）。ｄ）　重复步骤ｂ）～ｃ），完成遥感器的所有波段的辐射分辨率评测。ｅ）　以至少１年１次的频率，按照步骤ａ）～ｄ）计算遥感器各波段的辐射分辨率。采用二维折线图形式（横轴为评价时段，纵轴为辐射分辨率），显示遥感器各波段的辐射分辨率随时间的变化特征与趋势（对于多光谱遥感器，可以将不同波段的辐射分辨率变化折线显示在同一张折线图中）。５．３　动态范围基于仅经过相对辐射校正处理的遥感器观测图像数据进行评价。具