Landsat7 ETM+數(shù)據(jù)的增益設(shè)置及增益改變
本文就Landsat 7 ETM+的增益設(shè)置和數(shù)據(jù)的增益改變現(xiàn)象，及相關(guān)的數(shù)據(jù)使用問(wèn)題，做一簡(jiǎn)要介紹。
1. 什么是傳感器的增益設(shè)置
在美國(guó)的Landsat 7計(jì)劃中，以建立并定期更新全球陸地衛(wèi)星 存檔數(shù)據(jù)庫(kù)為目的，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)期數(shù)據(jù)獲取計(jì)劃(Long Term Acquisition Plan，即LTAP計(jì)劃)，計(jì)劃在5年內(nèi)定期地獲取 每一景無(wú)云的陸地圖象數(shù)據(jù)。 為保證對(duì)地面數(shù)據(jù)的正常獲取、及對(duì)數(shù)據(jù)的充分利用，Landsat 7對(duì)ETM+傳感器的信號(hào)處理部 分進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，使其可以在兩種狀態(tài)下工作，即高增益狀 態(tài)和低增益狀態(tài)。從信號(hào)處理的角度講，傳感器的增益設(shè)置，將影響到其輸出信號(hào)的強(qiáng)度，在圖象上將表現(xiàn)為象元亮度的變化。LTAP計(jì)劃對(duì)各波段增益做如下統(tǒng)一設(shè)置：
- Band 1，2，3設(shè)置同一值；
- Band 4單獨(dú)設(shè)置；
- Band 5，7設(shè)置同一值；
- Band 6在格式1時(shí)總設(shè)置為低增益(6L)，格式2時(shí)總設(shè)置為高增益(6H)；
- Band 8(Pan)總設(shè)置為低增益。傳感器增益設(shè)置的依據(jù)是，以景或空間區(qū)域的平均信息量(熵值) 用來(lái)確定增益的設(shè)置；傳感器增益設(shè)置的目的是，使獲取的圖象 數(shù)據(jù)能夠盡可能充分地反映地物的光譜信息，避免出現(xiàn)亮度飽和 或過(guò)暗；傳感器增益設(shè)置的規(guī)律是，按季節(jié)在某一緯度范圍內(nèi)對(duì) 傳感器的增益進(jìn)行設(shè)置。
2. 什么是數(shù)據(jù)的增益改變
在了解了傳感器的增益設(shè)置后，對(duì)數(shù)據(jù)的增益改變就很容易理解了。當(dāng)傳感器某一波段的增益設(shè)置發(fā)生變化時(shí)，就表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)圖象數(shù)據(jù) 的增益變化現(xiàn)象，即在圖象上從某一行開(kāi)始，象元的亮度值發(fā)生了 階越性變化。如右圖所示。
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3. 有增益改變數(shù)據(jù)的修正
當(dāng)傳感器發(fā)生增益改變時(shí)，處理系統(tǒng)可自動(dòng)判斷增益改變的位置和 變化方式，并對(duì)增益改變后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。但是，這種處 理將依然在圖象上呈現(xiàn)出象元亮度值的階越性 變化。對(duì)此有兩種修正措施：
- 圖象亮度調(diào)整：。在對(duì)數(shù)據(jù)的常規(guī)處理之后，根據(jù)增益變化前后的數(shù)據(jù)平均亮度，按照相鄰地區(qū)地物亮度比較接近的規(guī)律，將增益改變后的圖象象元亮度調(diào)整到增益改變前的水平上，從視覺(jué)上消除象元亮度值的階越性變化現(xiàn)象；
- 輻射定標(biāo)處理：在對(duì)數(shù)據(jù)的常規(guī)處理之后，采用輻射定標(biāo)處理的 *** ，對(duì)增益改變前后的圖象數(shù)據(jù)分別選用相應(yīng)的處理參數(shù)，將圖象亮度值轉(zhuǎn)換為地物輻射值(如：輻射亮度或反射率)，此時(shí)由傳感器增益改變帶來(lái)的圖象亮度的階越性變化可以完全消除。目前，地面站采用之一種 *** 對(duì)有增益改變的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
4. 有增益改變數(shù)據(jù)的使用
有增益改變現(xiàn)象數(shù)據(jù)的使用與正常數(shù)據(jù)的使用沒(méi)有本質(zhì)的差別，特別是在消除了增益改變對(duì)圖象亮度值的視覺(jué)影響后，可近似看 作正常數(shù)據(jù)。但要注意的是：在數(shù)據(jù)產(chǎn)品的頭文件中并未對(duì)傳感 器的增益改變做任何標(biāo)記，因此在進(jìn)行輻射值標(biāo)定處理時(shí)，可考 慮使用未經(jīng)修正的圖象數(shù)據(jù)，并尋求相應(yīng)的標(biāo)定參數(shù)。
5. ETM+波段6的增益設(shè)置問(wèn)題
我們知道，Landsat 7下行數(shù)據(jù)有兩個(gè)通道，分別記作格式1和 格式2。前文中提到，波段6在格式1時(shí)總設(shè)置為低增益(6L)，在格式2時(shí)總設(shè)置為高增益(6H)，沒(méi)有增益改變的問(wèn)題。在數(shù)據(jù)使 用方面，用戶(hù)可根據(jù)各自的研究區(qū)域和應(yīng)用目的選擇使用某一通道。
6. 關(guān)于Landsat 7快速格式產(chǎn)品的頭文件
在Landsat 7快速格式產(chǎn)品的頭文件輻射記錄段中含有與輻射校正 有關(guān)的參數(shù)，用戶(hù)可利用這些參數(shù)將圖象象元的亮度值轉(zhuǎn)換成地 物的輻射值或反射率。輻射記錄段以“gains and biases in ascending band number order”開(kāi)始，逐行、按波段順序記錄了 輻射校正有關(guān)的參數(shù)，每行中按bias、gain的順序排列，其中bias 的單位是W/m2 . ster .μm，gain的單位是(W/m2 . ster . μm)/DN。需要注意的是：在產(chǎn)品的頭文件中僅記錄了該產(chǎn)品各波段數(shù)據(jù)開(kāi)始 時(shí)增益設(shè)置下的輻射校正參數(shù)；在波段6的頭文件中則分別記錄了兩 種增益設(shè)置下(L、H)的輻射校正參數(shù)。
7. 地物輻射值的計(jì)算
利用頭文件中記錄的輻射校正參數(shù)，用戶(hù)可方便地計(jì)算出地物在大氣 頂部的輻射亮度或反射率。計(jì)算式如下： L = gain * DN + bias r = πL ds2 / (E0 cosq) 其中：L是地物在大氣頂部的輻射亮度，DN是象元值，gain和bias可從頭文件中得到，r是地物反射率，ds是日地天文單位距離 ，E0太陽(yáng)輻照度，q是太陽(yáng)天頂角。 對(duì)熱紅外波段(6L和6H)，可用下列 公式計(jì)算地物的傳感器溫度(K。)： 其中：L6是由上式給出的地物在大氣頂部的輻射亮度，K1和K2是計(jì)算常數(shù)，分別為K1 = 666. 093 W/m2 . ster . μm，K2 =1282. 7108 K。。延伸知識(shí)： Landsat-7數(shù)據(jù)的輻射標(biāo)定精度： 根據(jù)ETM+儀器設(shè)計(jì)，可保證在5年的設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)使輻 *** 度維持在+/-5% 的范圍之內(nèi)。它室是通過(guò)變更硬件設(shè)計(jì)、衛(wèi)星發(fā)射前特性的確定、在軌監(jiān)測(cè)與標(biāo)定程序、變更地面數(shù)據(jù)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 怎樣利用“確定 的星歷數(shù)據(jù)（definitive ephemeris）”來(lái)改進(jìn)預(yù)處理：Level 1G ETM+ 數(shù)據(jù)產(chǎn)品的處理 *** 正在得到改進(jìn)。不久將用“確定的星歷數(shù)據(jù)” 來(lái)代替“預(yù)測(cè)的星歷數(shù)據(jù)（predicted ephemeris）”進(jìn)行ETM+數(shù)據(jù)的 幾何校正，并把Lever lG產(chǎn)品與地圖投影配準(zhǔn)。這樣Level 1G產(chǎn)品的地 理精度將得以大大提高。
來(lái)源：開(kāi)源地理空間基金會(huì)中文分會(huì)
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