Landsat7 ETM+数据的增益设置及增益改变[原创]

本文就Landsat 7 ETM+的增益设置和数据的增益改变现象，及相关的数据使用问题，做一简要介绍。  
1．        1．  什么是传感器的增益设置
在美国的Landsat 7计划中，以建立并定期更新全球陆地卫星存档数据库为目的，设计了长期数据获取计划(Long Term Acquisition Plan，即LTAP计划)，计划在5年内定期地获取每一景无云的陆地图象数据。
为保证对地面数据的正常获取、及对数据的充分利用，Landsat 7对ETM+传感器的信号处理部分进行了重新设计，使其可以在两种状态下工作，即高增益状态和低增益状态。从信号处理的角度讲，传感器的增益设置，将影响到其输出信号的强度，在图象上将表现为象元亮度的变化。
LTAP计划对各波段增益做如下统一设置：
1.        Band 1，2，3设置同一值；
2.        Band 4单独设置；
3.        Band 5，7设置同一值；
4.        Band 6在格式1时总设置为低增益(6L)，格式2时总设置为高增益(6H)；
5.        Band 8(Pan)总设置为低增益。
传感器增益设置的依据是，以景或空间区域的平均信息量(熵值)用来确定增益的设置；传感器增益设置的目的是，使获取的图象数据能够尽可能充分地反映地物的光谱信息，避免出现亮度饱和或过暗；传感器增益设置的规律是，按季节在某一纬度范围内对传感器的增益进行设置。
2．        2．  什么是数据的增益改变
在了解了传感器的增益设置后，对数据的增益改变就很容易理解了。
当传感器某一波段的增益设置发生变化时，就表现出对应图象数据的增益变化现象，
即在图象上从某一行开始，象元的亮度值发生了阶越性变化。如右图所示。
3．          
4．        3． 有增益改变数据的修正
当传感器发生增益改变时，处理系统可自动判断增益改变的位置和变化方式，并对增益改变后的数据进行相应的处理。但是，这种处理将依然在图象上呈现出象元亮度值的阶越性变化。对此有两种修正措施：
Ø                 图象亮度调整：(如左图所示)。在对数据的常规处理之后，根据增益变化前后的数据平均亮度，按照相邻地区地物亮度比较接近的规律，将增益改变后的图象象元亮度调整到增益改变前的水平上，从视觉上消除象元亮度值的阶越性变化现象；
Ø                 辐射定标处理：在对数据的常规处理之后，采用辐射定标处理的方法，对增益改变前后的图象数据分别选用相应的处理参数，将图象亮度值转换为地物辐射值(如：辐射亮度或反射率)，此时由传感器增益改变带来的图象亮度的阶越性变化可以完全消除。
目前，地面站采用第一种方法对有增益改变的数据进行处理。
5．        4．  有增益改变数据的使用
有增益改变现象数据的使用与正常数据的使用没有本质的差别，特别是在消除了增益改变对图象亮度值的视觉影响后，可近似看作正常数据。但要注意的是：在数据产品的头文件中并未对传感器的增益改变做任何标记，因此在进行辐射值标定处理时，可考虑使用未经修正的图象数据，并寻求相应的标定参数。
6．        5．  ETM+波段6的增益设置问题
我们知道，Landsat 7下行数据有两个通道，分别记作格式1和格式2。前文中提到，波段6在格式1时总设置为低增益(6L)，在格式2时总设置为高增益(6H)，没有增益改变的问题。在数据使用方面，用户可根据各自的研究区域和应用目的选择使用某一通道。
7．        6．  关于Landsat 7快速格式产品的头文件
在Landsat 7快速格式产品的头文件辐射记录段中含有与辐射校正有关的参数，用户可利用这些参数将图象象元的亮度值转换成地物的辐射值或反射率。辐射记录段以“gains and biases in ascending band number order”开始，逐行、按波段顺序记录了辐射校正有关的参数，每行中按bias、gain的顺序排列，其中bias的单位是W/m2 . ster .μm，gain的单位是(W/m2 . ster .μm)/DN。
需要注意的是：在产品的头文件中仅记录了该产品各波段数据开始时增益设置下的辐射校正参数；在波段6的头文件中则分别记录了两种增益设置下(L、H)的辐射校正参数。
8．        7．  地物辐射值的计算
利用头文件中记录的辐射校正参数，用户可方便地计算出地物在大气顶部的辐射亮度或反射率。计算式如下：
L = gain * DN + bias
r = πL ds2 / (E0 cosq)
其中：L是地物在大气顶部的辐射亮度，DN是象元值，gain和bias可从头文件中得到，r是地物反射率，ds是日地天文单位距离，E0太阳辐照度，q是太阳天顶角。
对热红外波段(6L和6H)，可用下列公式计算地物的传感器温度(K。)：
  
   其中：L6是由上式给出的地物在大气顶部的辐射亮度，K1和K2是计算常数，分别为K1 = 666.093 W/m2 . ster .μm，K2 = 1282.7108 K。。
Landsat-7数据的辐射标定与应用
* Landsat-7数据的辐射标定精度
    根据ETM+仪器设计，可保证在5年的设计寿命期内使辐射精度维持在+/-5%的范围之内。它室是通过变更硬件设计、卫星发射前特性的确定、在轨监测与标定程序、变更地面数据处理来实现的。
* 怎样利用“确定的星历数据（definitive ephemeris）”来改进预处理
    Level 1G ETM+数据产品的处理方法正在得到改进。不久将用“确定的星历数据” 来代替“预测的星历数据（predicted ephemeris）”进行ETM+数据的几何校正，并把Lever lG产品与地图投影配准。这样Level 1G产品的地理精度将得以大大提高。
* Landsat-7数据的应用
    Landsat-7 ETM+数据的有更广泛的应用领域，下面列出一些供用户参考。
农业、林业和草场资源
作物、用材林和草类植被识别
作物和用材林面积测算
作物估产
林木蓄积量调查
草场生物量与载蓄量估算
森林草原火灾评估
野生生物栖息地调查
土地利用制图
土地利用分类
地理制图与图件更新
土地承载力分级
城市扩展监测
区域规划
交通制图
水陆边界制图
交通线路选址
泛滥平原管理
地质
主要地质单元制图
地质图更新
岩性识别
土壤土质调查制图
近代火山喷发物制图
地貌制图
地表矿化指示物分析
区域构造分析
水资源
水体面积和水陆边界测定
洪涝制图
冰雪覆盖范围测定
冰川特征研究
沉积物与扩散模式研究
灌溉区调查
湖泊调查
融雪量估算
海岸资源
潮汐和洋流形态分析
海岸线动态制图
潮间带制图
海冰制图与监测
海岸侵蚀监测
石油泄漏与污染监测
环境
人类活动对环境影响监测（如湖泊富营养化）
水污染制图与监测
自然灾害监测
地表采矿与恢复监测
干旱评估
固体废弃物堆放选址
发电厂及其它工业选址