海洋水色卫星光学传感器星上辐射定标技术规范编制说明

海洋水色卫星光学传感器星上辐射定标技术规范

编制说明

一、概况

1.1任务来源

2023年7月24日，自然资源部下达《2023年度自然资源标准制修订工作

计划》（自然资办发[2023]30号），本文件是自然资源部发布的2023年自然资源

卫星应用行业标准计划项目之一，标准计划名称《海洋水色卫星光学传感器星

上辐射定标技术规范》，项目编号：202333005。本文件由全国地理信息标准化

技术委员会卫星应用分技术委员会归口，由国家卫星海洋应用中心牵头起草。

计划周期：24个月。

1.2目的意义

随着航天技术的快速发展，海洋水色卫星遥感已逐渐成为获取海洋水色信

息的重要手段。海洋水色卫星是一种利用所搭载的传感器对海面进行光学探测

来获取有关海洋水色信息的卫星。它有效弥补了传统海洋观测手段的不足，使

人类极大地加深了对海洋的认识。自1978年，美国发射的云雨-7卫星上装载的

海岸带水色扫描仪（CZCS）证明了海洋水色遥感的可行性以来，海洋水色遥感

技术不断进步，经历了海洋观测宽视场传感器（SeaWiFS）、中分辨率成像光谱

仪（MODIS）、中等分辨率成像光谱仪（MERIS）、可见光红外成像辐射仪（VIIRS）、

地球同步海洋水色成像仪（GOCI）、海洋与陆地颜色仪（OLCI）等多代卫星的

发展。目前，海洋水色卫星逐渐应用于海洋渔业资源保护、渔场现状评估、海

岸带资源调查、河口及邻近海域污染监测与环境评估、海洋权益维护以及全球

环境变化研究等诸多领域，具有很高的实际应用和科学研究价值，在全球碳循

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环、初级生产力以及海洋与海岸带环境变化等方面有着不可替代的重要作用，

越来越受到人们的重视。

由于海洋水色卫星多用于定量应用，需要精确探测辐亮度的数值，因此确

定各波段探测到的数码值（DN）与入瞳辐亮度之间的准确对应关系非常重要。

一般在发射之前会对传感器进行实验室定标，其中包括辐射定标与光谱定标。

然而，卫星传感器在运输、发射的过程中，会受到环境变化、冲击、振动等不

可避免因素的影响，其光机结构参数往往会发生改变；同时，在传感器长期的

在轨运行期间，由于光学元件、探测器电子器件的老化，也会造成传感器响应

度的下降，使得发射前的实验室辐射定标结果不再适用。为获得入瞳辐亮度的

准确数据，对在轨海洋水色卫星进行在轨辐射定标，跟踪其性能变化非常有必

要。目前，水色卫星在轨辐射定标方法主要包括交叉定标、替代定标和星上辐

射定标。其中，星上辐射定标是通过安装在卫星上的定标装置来实现对传感器

的定标，具有高频率和高精度的特点，其在上述三种在轨定标方法中具有最高

的辐射定标精度。

在上述背景之下，由于近年来我国海洋水色卫星快速发展，为满足水色卫

星定量化应用需求，需要通过星上辐射定标技术对传感器辐射响应随时间的变

化进行校正，从而提高国产卫星传感器的定标精度和卫星产品的数据质量。但

是由于星上辐射定标技术在我国处于发展的起步阶段，目前国内还没有国家或

行业标准可以遵循，存在定标流程不规范统一、精度要求不明确等问题，影响

海洋水色卫星光学传感器的星上辐射定标精度。因此，急需制定海洋水色卫星

光学传感器星上辐射定标技术规范，来指导传感器星上辐射定标的规范性，提

高我国业务化海洋卫星水色传感器的辐射定标精度，进一步拓展我国海洋水色

卫星产品的应用潜力。本项目拟制定并确定海洋水色卫星光学传感器星上辐射

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定标的总体规定、处理流程，规定了数据准备、星上辐射定标过程、定标结果

计算和定标误差分析等内容。

1.3主要起草人及工作分工

编制任务下达后，国家卫星海洋应用中心为牵头单位，联合中国海洋大学

和中国海洋大学三亚海洋研究院等参加单位，共同成立了编制组。编制组成员

包括总体技术负责人和长期从事海洋卫星遥感应用、海洋卫星水色传感器辐射

定标专业领域的技术人员，编制组成员分工合作开展标准各章节的编写，编制

组主要人员组成及分工见表1。

表1编制组人员分工

序号姓名单位任务分工备注

1彭海龙国家卫星海洋应用中心起草此项目的目的、意义和规范

确立此项目的范围、主要技术内容和时

陈树果中国海洋大学

2间进度安排等

中国海洋大学三亚海洋

李思聪撰写并明确星上辐射定标的详细流程

3研究院

4王俊帏中国海洋大学项目建议书的编写与完善

5宋庆君国家卫星海洋应用中心项目实施方案的编写与完善

6胡连波中国海洋大学项目建议书的编写与完善

7张亭禄中国海洋大学撰写常用名词和术语的定义

8周武国家卫星海洋应用中心规定发射前定标和相关参数配置

9穆博国家卫星海洋应用中心撰写并明确定标频次以及数据处理流程

撰写并明确定标过程中的条件限制与误

杨晟国家卫星海洋应用中心

10差来源

11张宇飞国家卫星海洋应用中心撰写并明确定标过程中的数据质量控制

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12腾和丽国家卫星海洋应用中心撰写常用名词

1.4主要工作过程

1.4.1征求意见稿阶段

2023年6月~2023年10月，编制组开展了大量的调研工作，包括国内外有

关现有标准，以及《海洋水色卫星光学传感器星上辐射定标技术规范》的实施

情况，编制组开始起草标准草案。

2023年11月~2024年8月，以标准草案为基础，编制组以电话、社交软件、

电子邮件和视频会议的形式与海洋卫星遥感领域生产作业单位、大学、科研院

所的多位技术专家和生产专家进行多次交流探讨，并根据专家意见对标准草案

进行修改完善，于2024年8月完成了标准征求意见稿和编制说明。

二、标准编制原则和确定标准主要内容的依据

2.1标准编制原则

2.1.1一致性与规范性

本文件涉及的对象是海洋水色卫星光学传感器，采用的手段是星上辐射定

标，因此规范中的术语及内容与GB/T3102.6-1993《光及有关电磁辐射的量和单

位》等相关标准相互协调，保持标准内容间的一致性，避免新制定标准同已经

颁布实施或正在报批的相关标准之间的冲突和矛盾。标准编制的所有阶段均遵

守国家标准GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和

起草规则》的规定，保证标准编制的规范性。

2.1.2科学性与系统性

本文件采用卫星对日观测数据对海洋水色卫星光学传感器进行星上辐射定

标，根据不同数据特点进行数据质量控制和处理，开展海洋水色卫星光学传感

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器星上绝对辐射定标系数的计算和定标过程的误差分析。整个定标流程依据内

容完整、技术规范、步骤合理的原则，在数据读取、误差修正、太阳定标时机

选择、漫反射板观测角度选择、定标过程中的日地距离校正、衰减入射太阳光、

漫反射板衰减校正、漫反射板辐亮度、星上绝对辐射定标系数计算与定标误差

分析等方面开展相关内容的编制，使本规范具有科学性和系统性。

2.1.3有效性与可靠性

海洋水色卫星光学传感器星上辐射定标技术规范是基于编制组在国产海洋

水色卫星在轨辐射定标方面的经验积累和总结编制的，伴随相关工作的不断开

展和深入，补充加入新的内容。目前，在多颗国产海洋水色卫星光学传感器星

上辐射定标任务中使用了本文件中的技术流程，有效保证了国产水色卫星传感

器的在轨辐射定标精度，便于规范定标流程、减小定标误差、保证成果有效性

和可靠性。

2.1.4实用性和可扩展性

本文件编制过程中充分考虑了数据质量、数据匹配、海洋水色卫星光学传

感器星上辐射定标技术的流程、定标系数计算等方面，依据海洋水色卫星辐射

定标多年的工作经验，能够满足未来一定时期内的水色卫星光学传感器星上辐

射定标的需求，并具有可扩展性。

2.2国内外调研情况

水色遥感的应用是了解和监测全球生态系统的基础。水色卫星作为获得水

色遥感产品的主要手段，对其遥感数据的定量化已经成为了水色遥感技术进一

步发展的必要趋势。因此，需要通过提高水色卫星传感器的辐射定标精度来确

保水色遥感产品的质量。以太阳作为定标源的星上辐射定标方法，是保证传感

器在轨运行时精度的主要手段之一。实现国产海洋水色卫星光学传感器高精度、

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高频率的星上辐射定标，是辐射定标技术发展的目标和方向。为此，星上辐射

定标技术标准制定应紧紧围绕我国海洋水色卫星光学传感器定标需求，重点研

制辐射定标技术流程、误差分析等规范和标准。

以太阳作为定标源的星上辐射定标方法（太阳定标）通过使待定标的水色

卫星光学传感器观测具有接近理想反射特性的漫反射板反射的太阳光来达到定

标的目的，从而实现高精度、高效率和高频次的在轨绝对辐射定标。国际上已

具有在轨太阳定标能力的水色传感器包括但不限于：海洋观测宽视场传感器

（SeaWiFS，1997~2010）、中分辨率成像光谱仪（MODIS-Terra，1999~至今

/MODIS-Aqua，2002~至今）、中分辨率成像光谱仪（MERIS，2002~2012）、可

见光红外成像辐射仪（VIIRS-SNPP，2011~至今/VIIRS-NOAA20，2017~至今）

以及海陆颜色仪（OLCI-S3A，2016~至今/OLCI-S3B，2018~至今）等。多个传

感器的定标结果表明通过太阳定标方法可以实现不确定度优于2%的星上辐射

定标。中国的海洋一号C/D（HY-1C，2018~至今/HY-1D，2020~至今）是部署

有试验性星上辐射定标系统的水色卫星，也是我国首次可以实现星上辐射定标

功能的水色卫星。星上辐射定标技术在我国仍处于发展阶段，因此，制定相应

的星上辐射定标技术规范具有重要的指导性意义和重要作用。

海洋水色卫星光学传感器在轨定标受定标精度和频率的限制，传统的星星

交叉定标和替代定标难以完整监测传感器的在轨性能变化情况。星上辐射定标

技术的发展，为水色传感器在轨定标提供了新的手段，可以实现对传感器高精

度、高频率的辐射定标。随着国产海洋水色卫星光学传感器的不断发展，基于

星上辐射定标技术的光学传感器定标成为可能，此技术将是未来持续监测水色

卫星传感器在轨性能变化情况最为重要的手段。同时，海洋水色卫星光学传感

器星上辐射定标技术已应用于全球多个水色传感器，经国家标准、行业标准共

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享服务平台检索，尚未有相关国家标准、行业标准、国际标准和国外同类标准

记录情况。

由于当前国内外还没有国家或行业标准可以遵循，存在定标流程不统一、

精度要求不明确等问题，影响海洋水色卫星光学传感器星上辐射定标的成果应

用。因此急需制定海洋水色卫星光学传感器星上辐射定标技术规范，来指导定

标技术的规范性，提高星上辐射定标技术在水色卫星传感器定标方面的可靠性

及应用水平。

2.3主要技术内容的说明

2.3.1标准的范围

本文件针对海洋水色卫星光学传感器星上辐射定标需求，以多年来从事海

洋水色卫星传感器辐射定标的实践经验总结，充分考虑技术的实用性，规范相

关的处理流程。由于传统的交叉定标和替代定标等定标方法会不可避免地受到

大气路径的影响，从而降低在轨辐射定标的精度和稳定性。而以太阳作为辐射

定标源的星上辐射定标方法具有高频次、高效率、高精度等特点，已经成为海

洋水色卫星传感器光学传感器在轨辐射定标过程中的重要手段。基于太阳漫反

射板、太阳衰减屏和漫反射板稳定性监测器等仪器设备的太阳定标方法可以有

效提高海洋水色卫星光学传感器在轨辐射定标的精度。

本文件针对以太阳作为辐射定标源，以太阳漫反射板、太阳衰减屏和漫反

射板稳定性监测器作为定标装置的星上辐射定标技术制定了相关规范，包括用

于海洋水色卫星光学传感器星上辐射定标技术所需观测数据的读取和质量控制

的要求、定标时机与角度选择的要求、衰减和校正处理过程的要求以及星上绝

对辐射定标结果计算的要求规范等。海洋水色卫星光学传感器星上辐射定标处

理流程见图1。

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图1海洋水色卫星光学传感器星上辐射定标处理流程

2.3.2观测数据的获取和质量控制

在以太阳作为辐射定标源的星上辐射定标过程中，传感器依次对太阳漫反

射板、太阳漫反射板稳定性监测器和深冷空间（或采集暗电流的空板）进行观

测采集数据，读取其对地观测数据和辅助数据等。其中，辅助数据包括在地面

实验室测量中获得星上辐射定标系统中各漫反射板组件的二向性反射分布函

数，在地面实验室测量中获得太阳衰减屏在不同入射角度下的透过率。针对这

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些观测数据需要进行误差修正，从而保证传递到定标过程的观测数据的可靠性

和有效性。因此，本文件给出了海洋水色卫星光学传感器星上辐射定标技术所

需的数据获取和误差修正方法。对于观测数据，通过剔除异常值、消除暗电流

等手段来进行误差修正。

另外，为了在合适的时机获取星上辐射定标技术所需的传感器观测数据，

需要确定卫星进行观测的时空信息，从而为后续的定标过程提供高精度的输入

参数。本文件规定星上辐射定标一般选取在两极的晨昏交界线处进行，对应卫

星出地球阴影时刻，此时卫星的星下点在阴影区内。

2.3.3日地距离与漫反射板衰减校正

在海洋水色卫星光学传感器星上辐射定标的过程中，需要进行日地距离校

正、入射太阳光的衰减和二向性反射分布函数的衰减校正。其中，日地距离校

正是根据卫星在定标时刻的实时位置计算出日地距离，与一整年平均日地距离

比较得到日地距离校正因子，从而获得定标时刻的日地距离。对入射太阳光的

衰减是利用太阳衰减屏来实现，太阳衰减屏为多孔纯机械结构件，主要通过单

元的通光孔占比实现对入射能量的衰减。衰减屏的透过率由实验室的测量结果

提供。太阳漫反射板反射率在空间环境中随时间会发生衰减，需要对其进行监

测并校正，以此确保传感器在全寿命期内的太阳定标精度。太阳定标系统中通

常采用两种方法来对太阳漫反射板的衰减进行校正，其一为采用一块与太阳漫

反射板材料相同、工艺相同的参考漫反射板通过比对测量方法来实现对太阳漫

反射板的稳定性监测与校正，太阳漫反射板与参考漫反射板在相同环境中使用，

衰减规律相同，仅由于使用频次不同，而导致衰减程度不同。根据在轨定标频

次以及每次使用时的曝光时间估算，全寿命期内参考漫反射板的总曝光时间最

好不超过2小时，在该曝光时间水平上参考漫反射板的衰减可以忽略；其二为

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采用一个比辐射计作为对定标漫反射板稳定性的监视器，在工作时，其交替观

测入射的太阳光和由漫反射板反射的太阳光，并通过对观测值的比较来监测并

跟踪定标漫反射板二向性反射分布函数的衰减。本文件规定了上述衰减和校正

方法的流程。

2.3.4星上辐射定标系数的计算

基于太阳的星上辐射定标方法与实验室中基于“标准灯和漫反射板”的定

标原理相类似，不同的是将参考光源换成了太阳。在星上辐射定标时刻稳定的

太阳光源照明下，太阳漫反射板可形成光谱辐射参数已知且能充满待定标传感

器孔径、视场的近似朗伯面光源。在经过传感器观测数据的获取与质量控制、

辐射定标过程中的衰减与校正后，根据太阳照明漫反射板的几何关系即可确定

太阳漫反射板反射光谱辐亮度。由于实验室定标溯源与星上辐射定标溯源不能

归至同一标准（实验室-低温黑体，星上-太阳），在输入波段辐亮度相同的情况

下，传感器的输出计数值并不是完全一致。通常情况下，传感器在发射前会经

过实验室充分定标，各种特性和参数等均已全部获取，且传感器系统是线性位

移不变系统，因此可用星上辐射定标时刻漫射板“单点”等效入瞳辐亮度与传

感器实际观测的数码值和暗电流对应数码值的差值进行比较得到星上绝对辐射

定标系数。

本文件对定标过程中的各参数都提出了对应的要求，对定标流程进行了规

范。

三、验证试验的情况和结果

3.1验证内容

本文件制定的是海洋水色卫星光学传感器星上辐射定标技术的主要工作流

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程，因此主要对星上辐射定标获取传感器定标系数的过程进行误差分析。

3.2验证原则

星上辐射定标过程中，计算理论等效光谱辐亮度和实测等效光谱辐亮度的

相对误差即为每次太阳定标观测数据计算得到的星上绝对辐射定标系数的过程

误差，具体方法简述如下：

a)根据多组星上绝对辐射定标系数累加平均值计算每次太阳定标过程对应

的传感器实测等效光谱辐亮度；

b)计算太阳衰减屏对信号衰减后的太阳入瞳光谱辐亮度；

c)将太阳入瞳光谱辐亮度与待定标传感器光谱响应函数进行卷积得到理论

等效光谱辐亮度；

d)计算每次理论等效光谱辐亮度和实测等效光谱辐亮度的相对误差；

e)计算待定标传感器各波段下多组太阳定标数据相对误差的平均值

即为平均定标误差。

按照上述方法得到待定标传感器各波段下多组数据的平均定标误差，对误

差的具体要求如下：

a)在可见光和近红外波段应保持在2%以内；

b)在紫外波段应保持在3%以内，在短波红外波段宜保持在3%以内;

c)对于不满足上述误差要求的定标结果，不予采用。

3.3验证结果

针对国产海洋一号C卫星搭载的星上定标光谱仪（SCS）开展了星上辐射定

标试验，获得SCS在8个典型波段下的绝对辐射定标系数如图2所示。从结果来看，

不同波段的定标系数在时间上具有良好的稳定性。可见光和近红外波段的平均

定标误差都在2%以内，可以满足指标需求。

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图2国产星上定标光谱仪在8个典型波段下的星上绝对辐射定标系数随发射时间的变化情

况

文件编制组长期从事海洋水色卫星光学传感器的在轨辐射定标工作，承担

了我国多颗海洋水色卫星传感器的星上辐射定标任务，整个工作流程基本按照

本文件执行，在总结了定标工作的经验基础上，对该标准进行了进一步的完善。

结果证明，该标准可行。

四、采用国际标准和国外先进标准的程度，以及与国际、国外同类标准水平的

对比情况

在2.2节中简述了星上辐射定标方法在国内外多个海洋水色卫星平台上得

到应用，实现了对多个光学传感器的在轨辐射定标。在此基础上，这里展示了

星上辐射定标可以达到的水平和国际水平的对比情况，如表2所示。其中，基

于本技术规范对星上定标光谱仪SCS进行辐射定标，其定标精度为2%，从与国

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际上其他传感器的定标精度对比来看，已经可以达到同类方法的定标精度水平。

表2国内外星上辐射定标水平对比

传感器卫星平台来源定标精度

CZCSNimbus-7美国>5%

SeaWiFSOrbView-2美国~3%

MODISTerra/Aqua美国~2%

MERISEnvisat欧空局~2%

GOCICOMS韩国~4%

VIIRSSNPP/NOAA20美国~2%

OLCIS3A/B欧空局~2%

SCSHY-1C/D中国~2%

五、与现行法规、标准的关系

本文件发布后将成为推荐性测绘行业标准，可以为用户提供海洋水色卫星

光学传感器星上辐射定标技术规范，为海洋水色卫星管理部门提供水色传感器

的星上辐射定标办法；同时，在海洋水色卫星光学传感器星上辐射定标技术的

应用发展中，本文件给出了从观测数据获取到星上绝对辐射定标系数计算等一

系列操作流程和要求，保障了过程中重要信息的完整记录，提出了星上绝对辐

射定标的精度指标，并给出了误差分析方法，为不符合指标要求的情况提供参

考，为开展海洋水色卫星光学传感器的星上辐射定标工作提供了有益指导。

本文件预期达到国内先进水平。本文件的编制，着力于解决海洋水色卫星

光学传感器在轨辐射定标频率较低的问题，同时实现了对星上辐射定标观测数

据与定标结果的获取与更新，具有高频率、高精度的优势，为海洋水色卫星光

学传感器的星上辐射定标工作提供保障。

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六、重大分歧意见的处理经过和依据

无

七、废止现行有关标准的建议

无

八、实施标准的要求和措施建议

本文件可指导针对海洋水色卫星光学传感器星上辐射定标工作。参与定标

工作的人员首先要经过岗前培训，熟悉整个调查工作的具体流程；同时要培养

人员数据处理、质量控制和时空匹配的能力，完成传感器星上辐射定标过程和

定标系数计算工作，需要一定的工作量积累总结经验。

九、其他应予说明的事项

无

十、参考文献

[1]GB/T3102.6-1993光