引用本文
陈静, 姚静. Landsat-5 TM影像增益偏置值对地面反射率计算影响分析[J]. 国土资源遥感, 2010,22(2): 45-48
CHEN Jing, YAO Jing. The Analysis of Impaction on Calculating Surface Reflectance of Landsat-5 TM Caused by Gain and Bias Values[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2010,22(2): 45-48  
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Landsat-5 TM影像增益偏置值对地面反射率计算影响分析
陈静1, 姚静2
1.广东工业大学华立学院,增城 511325
2.广东省国土资源信息中心,广州 510075

第一作者简介: 陈 静(1981-),女,硕士,主要研究方向为遥感与地理信息系统应用。

收稿日期: 2009-07-29
摘要

增益和偏置是对TM影像计算反射率的两个基本参数,如果这两个参数存在偏差,辐射定标、辐射校正及大气校正的结果都会出现错误。由于Landsat-5卫星的老化,辐射精度有一定程度的下降,USGS多次公布了不同的辐射校正参数。根据USGS公布的结果以及影像头文件中的增益和偏置值,对1998年获取的Landsat-5 TM影像进行了实验; 求解了地面反射率并对2种地物(茂密植被和清洁水体)的地面反射率与标准值进行了对比分析。实验结果表明,利用影像头文件中的增益和偏置值对影像进行处理能获得最好的结果; 如果影像不包含头文件,则建议使用USGS公布的相同时期的参数。

关键词: Landsat-5 TM; 增益/偏置; USGS; 地面反射率
中图分类号:TP75 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2010)02-0045-04
The Analysis of Impaction on Calculating Surface Reflectance of Landsat-5 TM Caused by Gain and Bias Values
CHEN Jing1, YAO Jing2
1. Huali College, Guangdong University of Technology, Zengcheng 511325, China
2. Guangdong Land and Resources Information Center, Guangzhou 510075, China
Abstract

Gain and Bias are two basic parameters for the reflectance calculation of TM images. The deviations of the two parameters will lead to the erroneous results of radiometric calibration, radiometric correction and atmospheric correction. Because of the ageing of Landsat-5 TM and the decrease of the radiation accuracy to some extent, the USGS has published different parameters of radiation correction in the past few years. Based on the Gain and Bias values acquired from the USGS and the image head file, the authors calculated the surface reflectance of water and vegetation and compared the calculation result with the standard reflectance. The results show that the Gain and Bias acquired from the head file is the best way. If the image has no head file, the Gain and Bias offered by the USGS could be used.

Keyword: Landsat-5 TM; Gain/Bias; USGS; Surface reflectance
0 引言

Landsat系列卫星所获取的影像是迄今为止在全球应用最为广泛、成效最为显著的地球资源卫星遥感信息源之一, 尤其是Landsat-5卫星已成为运行时间最长的光学遥感卫星。但由于其设备逐渐老化, 传感器特性在发射后持续变化, 卫星的轨道定位精度也不能保持在一个较好的水平, 造成辐射精度与几何定位精度都有一定程度的下降, 误差较大[1] 。传统的辐射定标是以Landsat-5头文件中的7组Gain/Bias为参数构建线性方程组进行的, 由于这种辐射定标方法误差较大[2], 2003年5月, 美国USGS/EROS (U. S. Geological Survey/Earth Resources Observation Systems)更新了Landsat-5 TM数据的辐射处理方法与辐射校正参数。新方法使用一个与时间相关的查找表进行定标, 该查找表是由整个有效期的增益方程得来的[1]。自2003年USGS实行新定标算法以来, 又继续对传感器增益函数进行了验证和优化, 2007年发布了新的传感器增益函数[3]。随着传感器增益函数的改变, 增益值和偏置值也发生相应的改变。面对众多的增益/偏置值, 对Landsat-5 TM数据进行辐射定标时该如何选取是一个令人费解的难题。韦玉春等[4]以Landsat-5 TM影像为例, 利用影像头文件、USGS提供的同期以及2003年公布的增益/偏置值对影像进行了辐射定标, 并求解了表观反射率, 分析了不同辐射定标参数对表观反射率的影响。

本文试图对USGS公布的多组增益/偏置值以及影像头文件提供的定标参数对地面反射率反演的影响进行对比分析; 采用多组定标参数对1998年12月获取的珠江口地区Landsat-5 TM影像进行辐射校正, 对辐射校正的结果进行表观反射率求解, 经大气校正得到相对反射率; 分析求解的表观反射率与标准反射率的差异, 说明不同辐射定标参数对地面反射率反演的影响, 以期对使用光学遥感数据进行地面相对反射率反演的研究人员有一定的参考价值。

1 地面反射率反演流程

地面反射率的求解过程主要包括辐射定标、表观反射率计算和大气校正。

1.1 数据辐射定标

Landsat-5 TM数据产品包括0级产品(L0)和1级产品(L1)。0级产品(亦称Raw Data)记录的是传感器对地表辐射的线性响应值, 量化为8位, 未经过任何辐射和几何校正。通常用户拿到的都是1级产品, 从0级产品到1级产品生产过程中, 对0级产品进行了辐射定标。从0级产品DN值计算出辐射亮度值(以32位浮点数表示), 然后对其进行线性变换, 转换为8位DN值提供给用户[3]。由于1级产品使用较为广泛, 因此本文以1级产品的辐射定标为例, 对不同增益/偏置值对地面相对反射率反演精度的影响进行对比分析。

由于1级产品的DN值是由辐射亮度经线性变换得到的, 因此从1级产品计算辐射亮度只需利用相关参数进行线性反变换即可, 其计算公式[5]为

Lλ =Gain· Qca1+Bias(1)

式中, Gain为增益; Bias为偏置; Qca1表示1级产品的DN值; Lλ 表示传感器入瞳处的光谱辐射亮度值(W· m-2· sr-1· μ m-1)。

1.2 表观反射率计算

表观反射率的计算公式为

ρ =π · Lλ · D2/ESUN· cosθ (2)

式中, ρ 为大气层顶表观反射率(无量纲); D为日地之间距离; ESUN为大气层顶的太阳光谱辐照度(W· m-2· μ m-1); θ 为太阳的天顶角。

1.3 大气校正

大气校正是遥感信息定量化研究过程中不可缺少的环节。目前, 关于大气校正的方法较多, 常用的有暗目标减法, 即DOS法(Dark-Object Subtraction), 以及一些基于辐射传输模型的6S模型、ATCOR模型等。本文采用DOS法对表观反射率进行校正, 由于对其计算公式已有较多阐述, 本文省略了这部分公式。

2 增益和偏置参数的取值

增益/偏置值按数据来源可分为两种: 头文件获取参数值和USGS公布参数值。

2.1 头文件获取参数值

在Landsat-5 TM数据的头文件中, 可以找到以“ RAD GAIN/BIASES=” 开始的7组数据, 这就是各个波段的增益/偏置值。以1998年12月22日获取的珠江口Landsat-5 TM影像为例, 从其头文件中获取的第1~5波段和第7波段增益/偏置值如表1所示。(实验数据头文件中并没有提供第6波段的增益/偏置值, 根据USGS公布的文档[6], 第6波段的增益/偏置值可以采用2003年之后的相应结果, 而且一直使用相同的增益/偏置值, 所以本文不考虑第6波段的增益/偏置值。)

表1 Landsat-5 TM增益/偏置值 Tab.1 Gain/Bias values of Landsat-5 TM

在头文件中, 虽然指明是“ GAIN/BIASES” , 但数值的含义与实际并不相同[4, 7] 。从量纲来看, 头文件中的增益/偏置值的量纲是mW· cm-2· sr-1, 而不是标准单位W· m-2· sr-1· μ m-1。在使用时, 必须进行数值转换和量纲转换, 即

Gains=Gain· 10/Wi(3)

Biass=Bisa· 10/Wi(4)

式中, Gains和Biass分别为标准单位的增益/偏置值; Wi为波段宽度, 第1~5波段和第7波段的宽度分别为0.066、0.082、0.067、0.128、0.217和0.252[2], 单位为μ m。

2.2 USGS公布参数值

USGS也公布了增益/偏置值的计算方法, 具体算法见式(5)和式(6)。

Gain=(Lmax-Lmin)/255(5)

Bias=Lmin(6)

式中, Lmax和Lmin分别是最大和最小光谱辐射亮度(W· m-2· sr-1)。

随着传感器辐射定标算法的改变, 对Lmax和Lmin也做了相应的调整, 表2和表3给出了USGS公布的不同时期的Lmax和Lmin值[3], 利用这些Lmax和Lmin即可计算增益/偏置值。

表2 2007年4月2日之前处理的Landsat-5 TM数据各波段的Lmax和Lmin Tab.2 Lmax and Lmin values of Landsat-5 TM data processed before April 2nd, 2007
表3 2007年4月2日之后处理的Landsat-5 TM数据各波段的Lmax和Lmin Tab.3 Lmax and Lmin values of Landsat-5 TM data processed after April 2nd, 2007

按照式(3)和式(4)对头文件中的增益/偏置值进行重新计算, 将计算结果记为方案A; 利用式(5)和式(6)对表2和表3中的数据进行计算, 求得各个时间段的增益/偏置值。为便于区分, 将对表2中19840301~20030504求得的增益/偏置值记为方案B; 由于表2中“ 处理时间为20030505~20070401” 中TM1、TM2的Lmax和Lmin与表3中“ 数据接收时间为19920101之后” 的对应值相等, 表2中“ 处理时间为20030505~20070401” 中TM3~5和TM7的Lmax和Lmin与表3中“ 数据接收时间为“ 19840301之后” 的对应值相等, 因此二者归为一类, 将其求得的增益/偏置值记为方案C; 将表3中19840301~19911231求得的增益/偏置值记为方案D。方案A、B、C、D总结如表4。

表4 增益/偏置值取值方案 Tab.4 Gain and Bias values for each band in different cases
3 地面反射率对比分析

按照A、B、C和D这4种方案, 利用式(1)进行了辐射定标, 并按式(2)计算了表观反射率; 在影像上选取山区茂密植被(常绿阔叶林)的阴影区域作为暗目标, 采用DOS法进行了大气校正, 分别得到利用4种方案求解的地面反射率。

在4种求解的反射率影像上分别选取相同位置的植被(白云山茂密植被)和水体(新丰江水库)2种地物各30个样点(样点在白云山及新丰江水库均匀分布), 分别统计其在第1~5波段和第7波段反射率的平均值, 并与地物标准反射值相对比(对比结果如图1、表5和表6所示)。

图1 各方案水体(左)、植被(右)的反射率与标准反射率对比Fig.1 Comparison between the reflectance and standard reflectance of water (left) and vegetation (right)

表5 各波段水体的反射率统计特征 Tab.5 The statistic character of water reflectance for each band
表6 各波段植被的反射率统计特征 Tab.6 The statistic character of vegetation reflectance for each band

从图1(左)中可以看出, 各方案在第3、4、5、7波段求得的水体反射率与标准值相差不大, 尤其是第5、7波段的反射率与标准值相差最小; 但是在第1、2波段的反射率与标准值相差较大, 其中方案C在第1波段以及方案B在第2波段都与标准值相差较多。

从图1(右)可以看出, 各方案在第1、2、3、5、7波段求得的植被反射率与标准反射率相差不大, 但是各方案在第4波段的反射率都小于标准值。

综合图1(左)和图1(右)可以发现, 对于本实验影像(1998年Landsat-5 TM), 方案A(即利用从头文件中的“ GAIN/BIAS” 求得的标准的Gain/Bias进行辐射定标)所求得的地物(植被、水体)反射率最接近于标准值; 其次为方案C以及方案D; 最差的是方案B。

4 结论与展望

(1)对Landsat-5 TM数据进行辐射定标、辐射校正和大气校正过程中, 在选取增益/偏置值时, 如果头文件中存在“ GAIN/BIAS” , 最好选用头文件中提供的值; 并要注意其单位是否为标准单位, 如果不是标准单位, 需要进行转换。

(2)如果需要处理的影像不包含头文件信息, 则利用USGS公布的相同时期的最大/最小光谱亮度值, 按照式(5)和式(6)进行Gain和Bias的求解。

(3)由于本次实验数据仅为一个时相(1998年获取)的影像, 因此未能对不同时期的影像进行对比分析, 以详细说明增益/偏置值对Landsat-5 TM系列影像反射率反演的影响。

(4)本次实验中仅仅选取了部分地物的标准反射率进行比较分析, 而不是同时期的实测数据, 使对比分析的精度受到一定的影响。在后续的研究中应当选取多种地物的实测反射率进行对比分析, 以得出更加精确的结果。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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