高原追月 撬动卫星定标的杠杆

　　随着我国卫星遥感事业的快速发展，国家对卫星的遥感应用，特别是定量应用日益重视，由此，对高质量辐射定标的需求也日益迫切。在国家863课题“可见光谱段月球定标技术”的支持下，我国遥感领域科学家首次实现了地基对国际月球模型的精度验证和星地月同步观测比对。他们获得的这批宝贵数据，同时将为下一步建立我国自主知识产权的高精度月球辐射模型打下基础。
　　月球模型：给遥感卫星数据标上精确刻度
　　照射到地球上再反射回来的太阳光，携带了大气中温度、湿度、气压、污染气体量等许多物理量的“信息”。太空中遥感卫星搭载了特定的辐射观测仪器，通过测量太阳辐射量，推演出对应的大气要素数据。
　　如此，科学家要想获得准确的大气信息，必须要获得准确的目标辐射量。卫星上的遥感仪器属光敏器件，可以将辐射量转换成电信号。辐射量和电信号之间有一个对应关系，获得一个个信号的“数字”后，再对照仪器的“刻度表”，就可以换算出相应的辐射量。
　　所以，遥感数据是否可靠,最终取决于“刻度表”准确与否，即“定标精度”是否达标。
　　卫星定标的基本原理是：调整辐射源亮度，让星载仪器观测该辐射源，将获得的每个电信号都进行标定，最终获得辐射和仪器响应信号之间的对应关系。
　　目前，国外遥感卫星载荷太阳反射波段星上定标的独特方式是月球定标。月球对外辐射光来自太阳的反射光，具有周期稳定性。从科学上来说，把月球的一整套辐射量测好之后，利用卫星在太空中正常工作的间隙，摆过去看一下月球的辐射量，就可以完成一次定标。相比于国内使用较多的场地定标，这种新方法具有观测频次高、人力物力消耗少等明显优势。
　　基于月球源定标需要掌握精准的月球辐射量。目前，国际上多采用美国的ROLO模型作为月球反射波段的标准模型。其绝对辐射精度约为5%-10%。但是随着国际遥感卫星技术的提高，这个精度已经渐渐满足不了定标高要求。
　　“精度这个概念就是指模型值和真值之间的偏差。我们希望，模型的精度能够小于5%，最好能达到2%到3%。”胡秀清说。
　　外场试验：追求更高精度模型的第一步
　　“风云三号”卫星地面系统工程和863课题“可见光谱段月球定标技术”给了中国科学家一个很好的契机。国家卫星气象中心牵头组织，联合中科院长春光机所、西安光机所、安徽光机所、遥感与数字地球研究所，以及中国航天科技集团704研究所等多家单位，于2015年12月至2016年3月，在高美古高原上，进行了跨三个月相周期的地基连续对月观测试验。
　　近日，数据处理工作初步成果出炉。经过比对，外场试验数据和ROLO模型的差异小于5%，已经达到了国际水平。
　　从地球的视角来看，月球的亮度长期是稳定的，但在一定周期中存在几种变化状态：与每天亮度基本恒定的太阳不同，随着月球在“圆缺”“圆满”之间进行着循环往复的变化，其亮度时刻都在发生改变；月球虽然总是同一面朝向地球，但却有着非常缓慢的周期性微弱震荡，即天平动；同样是月牙，上弦月与下弦月、观测者从月球的东边和西边看，获得的辐射量也有一定差别。
　　“我们所做的工作，就是想通过大量试验，获取月球在不同太阳照射和观测条件下的连续数据。”胡秀清介绍。
　　既然卫星定标对已有月球模型精度有了更高的要求，那么，改进ROLO模型，甚至是构建一套新的高精度月球模型，就成了国际卫星遥感领域有重大科学意义的一项工作。值得一提的是，由于观测试验为国内首次开展，且专业性较强，缺乏现成的观测仪器，亦无仪器进口渠道，因此科学家进行了大量的自主观测仪器研发工作。其中，高光谱成像光谱仪具有全月面观测能力，相比于ROLO模型所用仪器的32通道，其通道覆盖400纳米到1100纳米的连续可见光、近红外范围，观测更为精细；另外一种对月球进行点源观测的高光谱月球光度计为首次研发应用，能获得月球的细分光谱总照度。
　　团队在三个月中的每一个黑夜里遥测月球，甚至通宵达旦，已属不易。但胡秀清表示，要想把月球的每一个变化基本“穷尽”，一般需要六至八年。美国建立ROLO模型，即花费了6年多时间，获取8万张图像，才最终用海量数据拟合出解析方程。通过这次试验，科学家走出了第一步，他们积累了数据，把地基对月观测流程成功走通，考验了观测仪器的科学适用性。下一阶段，他们将在此基础上进一步积累长序列高精度数据，对现有国际模型进行改进。“最终，当积累的数据足够多时，我们就可以建立自主知识产权的高精度月球模型。”
　　实际上，虽然高精度月球模型攻关团队由气象部门牵头，但所有的民用遥感卫星，包括资源卫星、海洋卫星、环境卫星等，只要属于太阳反射波段，都将受益。在胡秀清看来，这是一项通用技术，是“基础性、公用性极强”的研究。
　　科研团队的目标是，通过长期试验，最终实现将月球辐射源基准控制在2%以内。
　　前景展望：轻微雾和霾也可被卫星捕获
　　模型精度的提高，将直接提高遥感卫星星上定标精度，最终对数据应用产生实实在在的收益。
　　可以这样说，模型精度从5%提高3%，观测到的太阳光反射率会跟着提高2%，此后将有一个“放大效益”，能够帮助科学界推演的物理量成倍提高。
　　以海洋水色遥感为例。海洋中存在大量的蓝藻，属于低亮度目标。与沙漠、城市建筑物等亮目标相比，卫星观测到的海洋水色信号非常微弱。海洋本身的反射率非常低，假设只有4%，当定标精度为5%时，水色信息就会被湮没掉。
　　今冬雾和霾天气过程给华北大部地区造成了困扰。而在遥感对象中，大气中的气溶胶也属于微弱信号。附着气溶胶的大气形成光后向散射，散射越强烈，污染物越浓。通过背景叠加，微弱气溶胶的后向散射信号也只有5%左右。如果定标精度无法达到明显低于5%，同样也会把气溶胶信号覆盖。
　　从实践来看，卫星反演气溶胶浓度跟实际情况有较大出入，除了算法本身不能做到100%准确外，数据精度也不高。目前，强雾和霾天气虽然能被卫星监测到，但准确度不高；而轻微雾和霾则无法被卫星“捕获”。
　　在定标之外，下一步，高精度月球模型还将有望在夜间微光遥感中发挥重要作用。囿于技术发展水平，目前国际上卫星观测仍以白天遥感为主。而随着科技的进步，近些年夜间遥感正在成为国际上的热门研究方向。美国遥感卫星已经成功搭载可用于夜间遥感的微光仪器。未来，我国风云卫星也将搭载有微光通道和弱光通道的遥感仪器，夜间微光遥感就是以月球作为地球目标的照射源。
　　月球能否成为“第二个太阳”？在胡秀清看来，月球输入模型的作用很关键。“太阳我们已经摸得很透，绝对辐射的误差基本在1%以内。而对于月球来说，仅初一、十五的辐射量就有百倍之差。所以，对于这项技术来说，获得一套高精度月球模型则更是决定性的。”
　　（本文来源：中国气象局）

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