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辐射定标教程
在新版本ENVI中(4.5版本以及更新),没有单独设立ASTER和MODIS定标的工具。
对于ASTERL1A/L1B和MODIS02级数据,在打开数据时会自动完成对数据的定标。
如图1所示打开ASTERL1B的结果,在波段列表中,自动读取各个波段的中心波长信息,并按照波段范围信息(VNIR、SWIR、TIR)分组波段。
其中VNIR、SWIR自动定标为辐射亮度,单位是:
W/m2/sr/μm;TIR数据定标为大气表观温度值,单位:
开尔文。
打开其中一个数据,浏览像元值,可以看到已经定标为浮点型的辐射亮度值。
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图1ASTERL1B数据
如图2为打开MODIS02级1km数据,其中250米和500米的波段经过重采样为1km加入这个数据集中。
ENVI根据各个波段的中心波长信息定标为三个类型数据:
反射率数据(Reflectance)、辐射亮度值数据(Radiance)和发射率数据(Emissive)。
其中反射率和发射率为0~1无单位值,辐射亮度值单位是:
W/m2/μm/sr。
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图2MODIS02级数据
如果打开原始的ASTER和MODIS的DN值数据,可以在ENVI主菜单中选择File->preferences,切换到Miscellaneous面板,将Auto-CorrectASTER/MODIS项设置为NO。
3.2Landsat数据定标
ENVI4.7版本改进了Landsat数据定标的功能,对于Landsat4/5数据可以手动选择以下两种定标公式:
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式中:
•QCAL为原始量化的DN值
•LMINλ为QCAL=0时的辐射亮度值
•LMAXλ为QCAL=QCALMAX时的辐射亮度值
注:
LMINλ和LMAXλ的值取自Chander,Markham,andHelder(2009)的研究成果。
•QCALMIN是最小量化定标像素值(与LMINλ类似)。
取值如下:
1:
LPGS产品
1:
04April2004之后的NLAPS产品
0:
04April2004之前的NLAPS产品
注:
如果没有元数据信息,QCALMIN取默认值1(TM和ETM+))或者0(MSS)。
•QCALMAX为最小量化定标像素值(与LMAXλ类似)。
根据元数据信息取值为127,254,255。
当缺少元数据时,QCALMAX取默认值:
255(TM和ETM+)或者127(MSS)。
作为结果的辐射亮度值的单位为(W/(cm2*sr*µm))。
定标参数使用Chander,Markham,andHelder(2009)的研究成果,其中LPGS和NLAPS分别是两种数据处理系统得到的产品:
theLevel1ProductGenerationSystem(LPGS)和the
NationalLandArchiveProductionSystem(NLAPS),从2008年12月份开始,L7ETM+和L5都是以LPGS系统处理,L4TM和MSS以NLAPS系统处理。
具体参数如下所示:
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NLAPS处理和LPGS处理产品的MSS定标参数
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NLAPS处理产品的TM4、5定标参数
说明:
L5TM在(1984–1991)间数据使用(LMAXλ=169,333)定标参数。
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LPGS处理产品的ETM+数据定标参数
同时ENVI还可以定标为表观大气反射率(ρp):
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公式3
式中:
Lλ为辐射亮度值
d为天文单位的日地距离
ESUNλ为太阳表观辐射率均值,对于Landsat7ETM+,ENVI使用“theLandsat7ScienceDataUsersHandbook”上记录的参数;对于LandsatTM4/5,ENVI使用ChanderandMarkham(2003)研究成果
θs是以度为单位的太阳高度角。
如果定标的Landsat数据带有元数据,ENVI会自动识别定标参数。
对于带元数据文件的Landsat7GeoTIFF(*_MTL.txt),需要通过这种方式打开文件File→OpenExternalFile→Landsat→GeoTIFFwithMetadata。
选择BasicTools→Preprocessing→CalibrationUtilities→LandsatCalibration,可以打开定标工具。
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图3Fast格式的L7定标界面
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图4Landsat7GeoTIFF(*_MTL.txt)定标界面
当遇到没有元数据文件的数据时,需要手动输入定标参数(默认情况下的参数经常不准),定标参数可以通过NASA网站查询或者是一些研究成果,由于不同处理系统或者数据经过重采样后原始的DN会有所不同,因此定标参数也有很多套标准。
如下网址为NASA公布的定标参数。
http:
//landsathandbook.gsfc.nasa.gov/handbook/handbook_htmls/chapter9/chapter9.html
注意的是如果定标的数据格式是ENVI标准格式或者TIF格式,一次只能定标一个波段。
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图5缺少元数据文件时候的定标界面
下面表1和表2是Landsat5的其他版本定标参数供参考。
表1LandsatTM5飞行前辐射定标系数(实验室定标)
Band
Gain
offset
1
0.602
-1.52
2
1.170
-2.84
3
0.806
-1.17
4
0.815
-1.51
5
0.108
-0.37
6
0.055
1.24
7
0.057
-0.15
表2LandsatTM5辐射定标系数(GyanneshChander等(2003年))
从1984年3月1号至2003年5月4号
2003年5月5号之后
Band
LMIN
LMAX
Gain
offset
LMIN
LMAX
Gain
offset
1
-1.52
152.10
0.602431
-1.52
-1.52
193.0
0.762824
-1.52
2
-2.84
296.81
1.175100
-2.84
-2.84
365.0
1.442510
-2.84
3
-1.17
204.30
0.805765
-1.17
-1.17
264.0
1.039880
-1.17
4
-1.51
206.20
0.814549
-1.51
-1.51
221.0
0.872588
-1.51
5
-0.37
27.19
0.108078
-0.37
-0.37
30.2
0.119882
-0.37
6
1.2378
15.303
0.055158
1.2378
1.2378
15.303
0.055158
1.2378
7
-0.15
14.38
0.056980
-0.15
-0.15
16.5
0.065294
-1.15
3.3AVHRR数据定标ENVI提供的AVHRR定标工具可以对来自NOAA-6、-7、-8、-9、-10、-11、-12、-14、-15、-16、-17、-18和-19卫星的AVHRR数据进行定标。
波段1和2被定标为反射率,波段3、4和5被定标为亮温值(单位:
开尔文)。
其中NOAA-6、-7、-8、-9、-10、-11选择主模块->BasicTools(或Spectral)->Preprocessing->Data-SpecificUtilities->AVHRR->CalibrateNOAA6/7/8/9/10/11。
界面比较简单。
在SST技术方面,ENVI使用多通道海面温度(Multi-ChannelSeaSurfaceTemperature——MCSST)计算算法(包括三种:
Split-window、dual-window和triple-window
),分别用于白天和夜间的数据。
每种方法的计算公式如下所示。
1.NOAA-12,-14,-15:
●DayMCSSTSplit
Ts=a0+a1*band4+a2*(band4-band5)+a3*(band4-band5)*(sec(φ)-1)
●NightMCSSTSplit
Ts=a0+a1*band4+a2*(band4-band5)+a3*(band4-band5)*(sec(φ)-1)
●NightMCSSTDual
Ts=a0+a1*band4+a2*(band3-band4)+a3*(sec(φ)-1)
●NightMCSSTTriple
Ts=a0+a1*band4+a2*(band3-band5)+a3*(sec(φ)-1)
2.NOAA-16,-17,-18:
●DayMCSSTSplit
Ts=a0+a1*band4+a2*band5+a3*(band4-band5)*(sec(φ)-1)
●NightMCSSTSplit
Ts=a0+a1*band4+a2*band5+a3*(band4-band5)*(sec(φ)-1)
●NightMCSSTDual
Ts=a0+a1*band4+a2*(band3-band4)+a3*(sec(φ)-1)
●NightMCSSTTriple
Ts=a0+a1*band3+a2*band4+a3*band5+a4*(band3-band5)*(sec(φ)-1)
3.NOAA-19
●DayMCSSTSplit
Ts=a0+a1*band4+a2(band4-band5)+a3(band4-band5)(sec(φ)-1)
●NightMCSSTSplit
Ts=a0+a1*band4+a2(band4-band5)+a3(band4-band5)(sec(φ)-1)
●NightMCSSTDual
Ts=a0+a1*band4+a2(band3-band4)+a3(sec(φ)-1)
●NightMCSSTTriple
Ts=a0+a1*band4+a2(band3-band5)+a3(band3-band5)(sec(φ)-1)
4.NOAAMetOp-AFRAC:
●DayMCSSTSplit
Ts=a0+a1*band4+a2*(band4-band5)+a3*(band4-band5)*(sec(φ)-1)
●NightMCSSTSplit
Ts=a0+a1*band4+a2*(band4-band5)+a3*(band4-band5)*(sec(φ)-1)
●NightMCSSTDual
Ts=a0+a1*band4+a2*(band3-band4)+a3*(sec(φ)-1)
●NightMCSSTTriple
Ts=a0+a1*band4+a2*(band3-band5)+a3*(band3-band5)*(sec(φ)-1)
其中Sec(φ)是卫星高度角的正切值,Band3、4、5是定标后的亮温值(单位:
开尔文),“a”参数值是根据漂流浮标和热带太平洋固定浮标数据,利用回归模型获得。
不同的卫星对应的参数不一样,详细参见表3~6。
表3DayMCSSTSplit
Satellite
a0
a1
a2
a3
NOAA-12
-263.006
0.963563
2.579211
0.242598
NOAA-14
-278.43
1.017342
2.139588
0.779706
NOAA-15
-261.029735
0.959456
2.663579879
0.570613
NOAA-16
-273.77
3.301267
-2.30195
0.628966
NOAA-17
-271.206
0.992818
-2.49916
0.915103
NOAA-18
-280.43
1.02453
2.10044
0.0784059
NOAA-19
-278.74596
1.01922
1.72270
0.80263
MetOp-AFRAC
-273.816
1.00255
2.39451
0.903773
表4NightMCSSTSplit
Satellite
a0
a1
a2
a3
NOAA-12
-263.94
0.967077
2.384376
0.480788
NOAA-14
-282.24
1.029088
2.275385
0.752567
NOAA-15
-271.3969724
0.993892
2.7523466369
0.662999
NOAA-16
-273.15
-2.53655
3.5316
0.753291
NOAA-17
-276.59
1.01015
-2.5815
1.000541
NOAA-18
-276.075
1.00841
2.23459
0.736946
NOAA-19
-277.71304
1.01432
1.91798
0.72064
MetOp-AFRAC
-277.447
1.01377
2.52362
1.03056
表5NightMCSSTDual
Satellite
a0
a1
a2
a3
NOAA-12
-279.846
1.031355
1.288548
2.265075
NOAA-14
-273.914
1.008751
1.409936
1.975581
NOAA-15
-283.5117285
1.041037
1.5875819344
1.67743
NOAA-16
-273.082
1.50825
1.00413
1.52452
NOAA-17
-276.603
1.01805
1.49789
1.96181
NOAA-18
-279.755
1.02958
0.0502887
1.78302
NOAA-19
-276.61174
1.01873
1.47374
1.88560
MetOp-AFRAC
-273.235
1.00711
1.49927
1.88373
表6NightMCSSTTriple
Satellite
a0
a1
a2
a3
a4
NOAA-12
-271.971
1.000281
0.911173
1.710028
NOAA-14
-275.364
1.010037
0.920822
1.760411
NOAA-15
-276.7558563
1.015354
1.0635723508
1.294955
NOAA-16
-271.763
0.733532
1.01684
0.344182
-0.753123
NOAA-17
-274.622
1.00903
0.913248
0.440015
NOAA-18
-274.398
1.00820
0.841674
0.377061
NOAA-19
-275.24563
1.01084
0.81643
0.43235
MetOp-AFRAC
-273.044
1.00424
0.894349
0.508159
4总结
对于一些新上天的传感器,实验室定标参数基本能满足应用需求。
当对精度要求较高时候,往往需要通过场地定标的方式提高定标的结果。
对于一些服役时间较长的传感器,也需要通过场地定标的方式来校对实验室定标结果,最典型的是Landsat系列卫星。
值得注意的是,为保证精度,定标时的数据源往往是初级别的,因为定标是对DN进行运算,如果经过重采样的数据其DN值会发生一定变化。