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 GB∕T38935-2020 标准压缩包解压密码：www.bzxz.net

ICS07.040
中华人民共和国国家标准
GB/T38935—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
On-orbit radiometric characteristics assessment foropticalimagingremotesensorVIS-SWIR2020-07-21发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2021-02-01实施
规范性引用文件
术语和定义、缩略语
术语和定义
3.2缩略语
4评价对象和评价指标
评价对象
评价指标
评价方法
信噪比
辐射分辨率
动态范围
非线性度
盲元率
附录A（资料性附录）
信噪比规定化方法
GB/T38935—2020
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
本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。GB/T38935—2020
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、主钢、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m
1范围
光学遥感器在轨成像辐射性能
评价方法可见光-短波红外
GB/T38935—2020
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。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
radiometriccharacteristics
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signal-to-noiseratio
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
radiometricresolution
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dynamicrange
光学遥感器输出能够随输人发生变化的最小人射辐射量和最大人射辐射量所界定的区间。3.1.5
非线性度
non-linearity
在动态范围内，响应的实际值偏离对应拟合直线的最天偏差。GB/T38935—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blindpixelratio
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。
VIS-SWIR
地面采样距离（groundsamplingdistance）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（380nm2500nm），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。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iiKaee
元率。
5评价方法
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：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）a)
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l（l=1，2，，Nband，Nhanm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D，对应某一灰度等级k，k=12.，K,K为参与评测的均匀场景灰度等级数作为均匀区子图像Ik。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I.进行转置操作piyl.k-p,it..
式中：
第「波段灰度等级k下均匀区子图像I.第行第列的灰度值。Pi.l.
P...——第1波段灰度等级k下均匀区子图像I第；行第列的灰度值。c）利用式（2)计算得到均匀区子图像I的差值图像。d.)..e =p(i+1).j..k-pr.j.l.
.......(l)
...（2)
式中：
GB/T38935—2020
第波段灰度等级k下均匀区子图像I.的差值图像的第i行第；列的灰度值；第1波段灰度等级k下均勾区子图像I第i十1行第i列的灰度值：d）利用式（3）计算第「波段灰度等级k下均匀区子图像I的每一列的列噪声。(d..t.）
式中：
一第l波段灰度等级下均匀区子图像I.的第j列的噪声；G
第1波段灰度等级k下均匀区子图像I的行数。利用式（4）计算第I波段灰度等级k下均匀区子图像I.每一列的信噪比。e）
式中：
·（3)免费标准下载网bzxz
第1波段灰度等级k下均匀区子图像I.第；列的列信噪比f）利用式（5）计算列信噪比的平均值作为第1波段灰度等级k下均匀区子图像I，的信噪比。1
式中：
第1波段灰度等级k下均匀区子图像I的信噪比；第1波段灰度等级k下均勾区子图像I.的列数。·（5）
g）按照步骤b)～f)计算样本图像中第1波段所有灰度等级下的均匀区子图像I.的信噪比。h）利用步骤g)得到的信噪比RsNR.（k=1，2，，K,K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1波段在某一参考入瞳辐亮度Lo,水平下的信噪比RsNRe.
利用式(6)将步骤h)得到的信噪比RsNRa,转换为信噪比的功率表示。i
RpB-sNRo-t=20.1g(RsNRo.t)
式中：
RDE-SNRo.
.（6)
第1波段在某一参考入瞳辐亮度水平L。下的信噪比的功率表示，单位为分贝（dB)。按照步骤b）~i)得到遥感器所有波段的信噪比R-SNRo.（l=1，2，*，Nhand，Nhana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l（l=1，2，，Nband，Nkana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1波段在某一参考入瞳辐亮度水平Lo.下的信噪比RsNRo.1·同5.1中步3
GB/T38935—2020
骤b)～h）。
利用式（7)～式（9)计算第1波段的辐射分辨率。Lo-t
RNEApo-RsNRo.t
元Lad?
po.E..coso
式中：
RNEapoa
RsNRo-f
遥感器第l波段的噪声等效辐亮度，单位为瓦每平方米球面度微米[W/（msr·um)]；遥感器第1波段噪声等效反射率；遥感器第l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·pm)J;
与Lo.对应的遥感器第1波段的表观反射率值；遥感器第1波段在参考人瞳辐亮度L.水平下的信噪比；日地距离因子(天文单位）；
遥感器第l波段的大气层顶太阳辐照度，单位为瓦每平方米微米[W/（m2.um）]；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。具体步骤如下：a）根据遥感器的GSD，选择地势平坦、表面均一性好、具有不同反射率的试验区域（通常为特定的辐射定标场、验证场）或地面靶标（适用于高空间分辨率的遥感器，地面靶标的布设需求参见附录B)t..t2.tk（K≥4)；且符合下列要求：1）遥感器响应输出达到饱和的高反射率试验区域或靶标至少有一个；2）遥感器响应输出在动态范围内、未达到饱和的高反射率试验区域或靶标至少有一个、低反射率试验区域或靶标至少有一个；3）试验区域或靶标的尺寸要尽可能大，其在图像中对应的均匀区域至少大于5像素×5像素。
b）选择晴朗无云、大气干洁（一般情况下能见度应大于23km）天气，在遥感器过境的同时开展星地同步试验，对试验区域或地面靶标进行地面参数数据和大气参量数据同步测量：1）按照GB/T33988—2017和GB/T36540—2018的规定，利用光谱测量仪对试验区域或靶标t，tz，…,tk（K≥4)测量地表反射率光谱数据：2）
利用太阳光度计、地基激光雷达等大气测量设备同步获取遥感器成像时刻的大气水汽含量，气溶胶光学特性参数等大气参量数据c)
根据遥感器成像时刻和卫星轨道相关参数，获取遥感器对试验区域或靶标成像时的太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角、卫星平台高度等辅助参数d）基于上述同步地面试验中测量的试验区域或靶标的地表反射率光谱数据，根据式（10)计算遥4
感器各波段的等效反射率：
式中：
入，入2
p(a)s,(a)da
s,(a)da
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..（10)
试验区域或靶标t（k=1，2.，K.K≥4)在遥感器第l=1，2，，Namd,Nmmd为遥感器波段数)波段的等效反射率；光谱测量仪测量的试验区域或靶标的地表反射率光谱数据；遥感器第1波段的归一化光谱响应函数；遥感器第1波段的波长范围，单位为微米（μm）。e）基于上述同步试验获取和计算的地表反射率光谱数据、大气参量数据以及辅助参数（太阳天项角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角、卫星平台高度等），使用大气辐射传输模型模拟计算各试验区域或靶标t，t2，.tk在遥感器人瞳处各波段的模拟辐亮度L.1L-2，L.k（1=1，2.,Nhand），单位为瓦每平方米球面度微米[W/（m2·srμm)]。对同步试验中遥感器获取的各试验区域或靶标的观测图像数据的某一波段1（1一1，2，f
Nband，Nband为遥感器波段数），利用式（11)计算各试验区域或靶标t，t2，，tk在图像中对应均匀区子图像I.的平均灰度值D.（l=1，2，，Nhnd；k=1，2，，KK≥4）；b:s
式中：
..(11)
第1波段图像数据中第k个试验区域或靶标t对应均匀区子图像I的平均灰度值；第1波段图像数据中第k个试验区域或靶标t对应均勾区子图像I.的第i行第；列灰度值；
第1波段图像数据中第个试验区域或靶标t对应均匀区子图像I的行数；第1波段图像数据中第k个试验区域或靶标t对应均匀区子图像I的列数。对波段I.选取位于载荷动态范围内、未达到饱和的试验区域或靶标t（k=1，，J，JK≥4)，以横轴为遥感器人瞳处的模拟辐亮度L，纵轴为试验区域或靶标图像的平均灰度值D,,将步骤e)中得到的各试验区域或靶标的第1波段的模拟人瞳辐亮度（L1，Lt2，,L），与步骤f中得到的遥感器所获取的各试验区域或靶标图像的第1波段的平均灰度值（D，D，,D.）进行最小二乘线性拟合，在（L.D）平面得到一条拟合直线LINED,=G,L,十B,，该拟合直线即为遥感器第1波段的线性响应曲线，而参数G，和B，分别为遥感器第1波段的增益和偏置，如图1所示。h
1.IN1:G,+I.,I8,
图1遥感器第1波段线性响应曲线拟合示意图5
GB/T38935—2020
对于步骤g)中拟合得到的直线LINE，，利用式（12)计算其相关系数的平方可以表征遥感器第h）
[波段的拟合线性度。
(Li-L)(DA-D,)
式中：
(Lik-L)
拟合直线LINE，的相关系数的平方；Z(Dtk-D)
·（12）
遥感器响应输出在动态范围内未达到饱和状态、参与直线拟合的试验区域或靶标的数目；使用大气辐射传输模型模拟计算的第k（k=1，2，，J）个试验区域或靶标在遥感器人瞳处的第l波段的模拟辐亮度，单位为瓦每平方米球面度微米[W/（m2·sr·μm)]；L,
——L的平均值，单位为瓦每平方米球面度微米[W/（m·sr·um)]；Dt.—第1波段图像数据中第k个试验区域或靶标对应均匀区子图像I.的平均灰度值；D
D的平均值。
在（L，，D,)平面，经过位于遥感器饱和区的点且平行于横坐标轴做一条直线，该直线与步骤g）i）
得到的拟合直线LINE，相交于点（Lat.l,DH），则Lsat.I为遥感器第1波段的饱和辐亮度，亦即动态范围高端辐亮度值。将拟合直线LINE，延长与横坐标轴相交，交点的横坐标Lmin即为遥感器第I波段的动态范围低端辐亮度值（此时对应的图像灰度值为Dt./=0），表示为Lmin.B
（Lmi.I，Lt-t）即为遥感器第1波段的动态范围，单位为瓦每平方米球面度微米[W/（m2·sr·μm)].如图2所示。p
动态范用区
Fumini
图2动态范围示意图
创和区
j）重复步骤f)～i)，完成遥感器的所有波段的动态范围评测。k）以至少1年1次的频率，在相同试验场区开展遥感器动态范围测试外场试验，按照步骤a）～i）计算遥感器不同波段下的动态范围高端与低端。采用二维折线图形式（横轴为评价时间，纵轴为动态范围高端L部），显示遥感器各波段的动态范围高端L班随时间的变化特征与趋势（对于多光谱遥感器，可以将不同波段的动态范围高端Lim.显示在同一张图中）；采用二维折线图形式（横轴为评价时间，纵轴为动态范围低端Lmim.），显示遥感器各波段的动态范围低端Lmm.随时间的变化特征与趋势（对于多光谱遥感器，可以将不同波段的动态范围低端Lm显示在同一张图中）。
5.4非线性度
GB/T38935—2020
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）按照与动态范围评价相同的方法，选择试验靶标、试验区域和试验日期进行同步地面试验获得试验区域或靶标的地表反射率光谱数据、大气参量数据以及辅助参数（太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角观测方位角、卫星平台高度等），同5.3中步骤a）～f）b）针对图像数据的某波段l（l=1，2，Nband，Nkand为遥感器波段数），按照动态范围评价方法将那些遥感器响应输出在动态范围内未达到饱和状态的丁个靶标对应的遥感器入瞳处的模拟辐亮度L与D，值进行线性拟合，在（L.D）平面得到一条遥感器第1波段线性响应直线LINE:D,=G，L+B同5.3中步骤g）。c）利用式（13)计算遥感器第1波段响应的非线性度。max(
式中：
RNL—遥感器第1波段的非线性度；Dt.k-B
·..（13)
使用大气辐射传输模型模拟计算的第k（k=1，2，…，J）个试验区域或靶标在遥感器人瞳处的第l（l=1，2.\，Lham）波段的模拟辐亮度，单位为瓦每平方米球面度微米[W/(m2.sr.μm)l;
Dt——第1波段图像数据中第k（k=1，2，…J）个试验区域或靶标对应均匀区子图像I.的平Kaee
均灰度值；
G第［波段的增益；
——第1波段的偏置。
d）重复步骤a)～c)，完成遥感器所有波段的非线性度评测。e)
以至少1年1次的频率，在相同试验场区开展遥感器动态范围测试外场试验，在进行动态范围评价的同时，按照步骤a）～d)计算遥感器不同波段下的非线性度。采用二维折线图形式（横轴为评价时间，纵轴为非线性度RNL.），显示遥感器各波段的非线性度RNL.（1=1，2，，Nld，Nud为遥感器波段数）随时间的变化特征与趋势（对于多光谱遥感器，可以将不同波段的非线性度RNL显示在同一张图中）。5.5盲元率
基于仅经过解格式和解压缩处理、未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：
选取遥感器在相近时间段内获取的若干景具有不同灰度等级（灰度等级≥3）的均匀场景图像a
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。图像中的均勾区域应足够大，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大于或等于50像素。b）对于样本图像的某一波段（l=1，2，\\，Nband，Nkana为遥感器波段数），选取图像中的具有某灰度等级k的均匀区域作为均匀区子图像I.（k=1，2，K.K为参与评测的均匀场景灰度等级数，K≥3；l=1，2，…，N，Nbad为遥感器波段数）。若遥感器采用阵列摆扫方式成像，按照式（1）对均匀区子图像I进行转置操作。c）按照式（14)计算第I波段灰度等级k下均匀子图像I.的灰度均值Di.。7
GB/T38935—2020
式中：
第1波段灰度等级尺下均勾区子图像I的灰度均值：Pijt.k
第1波段灰度等级k下均匀区子图像I.第i行第列的灰度值；Mi.e
第1波段灰度等级k下均匀区子图像I的行数；N..
第1波段灰度等级k下均匀区子图像I.的列数。（14)
按照式（15)计算第1波段灰度等级k下均匀区子图像I每一列数据的平均值D，.1（j=1，d)
2...., N...
Dtk=Mi
·15）
式中：
第1波段灰度等级k下均匀区子图像I第列的灰度均值。e）对第1波段的第i（i=1，2，，N）个探测像元，在（D.，D）坐标平面内进行直线拟合，如图3所示。拟合得到的直线斜率G，即为遥感器第1波段的第；个探测像元的响应增益。由于G.≥0,若拟合得到的G<0,则令G.=0。+ .
就度等级2
灰度等级1
炎度等数5
图3遥感器第1波段第j个探测像元的响应增益G.获得示意图f）按照步骤e)得到遥感器第「波段的每一探测像元的响应增益，并按照式（16)计算第1波段的平均响应增益Gt。
式中：
遥感器第波段的平均响应增益；G
遥感器第1波段第个探测像元的响应增益；第1波段探测像元总数。
（16）
按照式（17)对第［波段下所有探测像元的响应增益G（j=1，2，，N,）进行判断，满足g）
式（17)的探测像元记为有效像元，不满足式（17)的探测像元记为盲像元。ALXG, 式中：
像元响应异常低端阈值；
（17)
A——像元响应异常高端阈值
GB/T38935—2020
统计第L波段有效像元和盲像元的数目，分别记为Ne和N，且有Nr十N=NN，为第lh)
波段探测像元总数。
按照式（18)计算第1波段盲元率B，。Nw
式中：
第1波段盲元率；
第【波段盲像元数；
第【波段有效像元数；
第1波段探测像元总数
按照步骤b）～i)得到遥感器所有波段的盲元率。（18)
以至少1年1次的频率，选择遥感器获取的相同地区的样本图像，按照步骤a）i)计算遥感器各波段的盲元率。采用二维折线图形式（横轴为评价时间，纵轴为盲像元率），显示盲元率随时间的变化特征与趋势（对于多光谱遥感器，可以将不同波段的盲元率显示在同一张图中）。
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