Landsat 7 ETM+数据的增益设置及增益改变

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更多发布于：2004-05-09 10:21

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Landsat 7 ETM+数据的增益设置及增益改变
中科院遥感卫星地面站数据处理部副主任 冯钟葵副研究员
 
 中国遥感卫星地面站自2000年4月正式接收、分发Landsat 7 ETM+数据以来，已经有18000余景Landsat 7 ETM+数据存档。在这些数据中有些景出现了增益改变现象，用户曾多次对此提出过询问。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． 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：</DIV>
<OL>
<LI>
<DIV class=Section1 style="LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt">Band 1，2，3设置同一值；</DIV>
<LI>
<DIV class=Section1 style="LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt">Band 4单独设置；</DIV>
<LI>
<DIV class=Section1 style="LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt">Band 5，7设置同一值；</DIV>
<LI>
<DIV class=Section1 style="LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt">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)；</DIV>
<LI>
<DIV class=Section1 style="LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt">Band 8(Pan)总设置为低增益。</DIV></LI></OL>
<DIV class=Section1 style="LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt">
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． 什么是数据的增益改变
<DIV ></DIV>
<TABLE align=right height=133 width="26%">

<TR>
<TD><IMG src="http://www.rsgs.ac.cn/tech_issues/Landsat%207%20ETM+shujudezengyijizengyigaibian.files/Image002.jpg"></TD></TR></TABLE>
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． 有增益改变数据的修正
<DIV >
<TABLE align=left cellPadding=0 cellSpacing=0 height=159 width=157 hspace="0" vspace="0">

<TR>
<TD align=left height=162 style="PADDING-BOTTOM: 0cm; PADDING-LEFT: 9pt; PADDING-RIGHT: 9pt; PADDING-TOP: 0cm" vAlign=top>
<DIV >
<IMG src="http://www.rsgs.ac.cn/tech_issues/Landsat%207%20ETM+shujudezengyijizengyigaibian.files/Image004.jpg"> </DIV></TD></TR></TABLE></DIV>
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：
 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；
 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。
 
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。
 
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。
 
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。
 
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。)：

<TABLE cellPadding=0 cellSpacing=0>

<TR>
<TD height=0 width=210></TD></TR>
<TR>
<TD></TD>
<TD><IMG src="http://www.rsgs.ac.cn/tech_issues/Landsat%207%20ETM+shujudezengyijizengyigaibian.files/image006.gif"></TD></TR></TABLE> 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。。

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强极则辱情深不寿
谦谦君子温润如玉
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