定量/高光谱遥感之——传感器定标
我們常用影像的像元值大多是經(jīng)過量化的、無量綱的DN值，而進行遙感定量化分析時，常用到輻射亮度值、反射率值、溫度值等物理量。傳感器定標(biāo)就是要獲得這些物理量的過程。本專題敘述的主要是衛(wèi)星傳感器的定標(biāo)，航空傳感器有很多相似地方。
本專題包括以下內(nèi)容：
l?傳感器定標(biāo)概念
l?傳感器定標(biāo)類型
l? ENVI下的傳感器定標(biāo)
1傳感器定標(biāo)概念
傳感器定標(biāo)很多地方又名為輻射定標(biāo)，嚴(yán)格意義上講，輻射定標(biāo)是傳感器定標(biāo)的一部分內(nèi)容。以下是國內(nèi)的定義，如趙英時等《遙感應(yīng)用分析原理與方法》上描述：定標(biāo)是將遙感器所得的測量值變換為絕對亮度或變換為與地表反射率、表面溫度等物理量有關(guān)的相對值的處理過程。或者說，遙感器定標(biāo)就是建立遙感器每個探測器輸出值與該探測器對應(yīng)的實際地物輻射亮度之間的定量關(guān)系；建立遙感傳感器的數(shù)字量化輸出值DN與其所對應(yīng)視場中輻射亮度值之間的定量關(guān)系（陳述彭）。輻射亮度的典型的單位為：W/cm2.μm.sr（瓦特/平方厘米.微米.球面度）。
我們總結(jié)以上的定義，通俗的說法：傳感器定標(biāo)就是將圖像的數(shù)字量化值（DN）轉(zhuǎn)化為輻射亮度值或者反射率或者表面溫度等物理量的處理過程。其中反射率又分為大氣外層表觀反射率和地表實際反射率，后者又屬于大氣校正的范疇，有的時候也會將大氣校正納入傳感器定標(biāo)的一種途徑。
2傳感器定標(biāo)類型（定標(biāo)參數(shù)測量）
傳感器定標(biāo)可分為絕對定標(biāo)和相對定標(biāo)。絕對定標(biāo)是獲取圖像上目標(biāo)物的絕對輻射值等物理量；相對定標(biāo)是將圖像目標(biāo)物輻射量歸一化某個值范圍內(nèi)，比如以其他數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)。
傳感器定標(biāo)可分為三個階段或者說三個方面內(nèi)容：①發(fā)射前的實驗室定標(biāo)；②基于星載定標(biāo)器的星上定標(biāo)；③發(fā)射后的定標(biāo)（場地定標(biāo)）。
一、???????????實驗室定標(biāo)
在遙感器發(fā)射之前對其進行的波長位置、輻射精度、光譜特性等進行精確測量，也就是實驗室定標(biāo)。它一般包含兩部分內(nèi)容：
l?光譜定標(biāo)
確定遙感傳感器每個波段的中心波長和帶寬，以及光譜響應(yīng)函數(shù)。
l?輻射定標(biāo)
在模擬太空環(huán)境的實驗室中，建立傳感器輸出的量化值（DN）與傳感器入瞳處的輻射亮度之間的模型，一般用線性模型表示。
Y=aX+b
a和b就是我們常說的偏移和增益。
也有些傳感器使用其他表達式，如環(huán)境小衛(wèi)星中的元數(shù)據(jù)說明文件中的這段話明確說明了定標(biāo)公式、參數(shù)值、定標(biāo)單位信息：
(gain1,Fielddata,L=DN/g+L0,W*m^(-2)*sr^(-1)*um^(-1))B1:g0.5782, L0 3.4608, B2:g 0.5087, L0 5.8769, B3:g 0.6825, L0 8.0069, B4:g 0.6468,L0 8.8583
二、???????????星上定標(biāo)
有些衛(wèi)星載有輻射定標(biāo)源、定標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)，在成像時實時、連續(xù)的進行定標(biāo)。
三、???????????場地定標(biāo)
場地定標(biāo)指的是遙感器處于正常運行條件下，選擇輻射定標(biāo)場地。一般選擇沙漠地區(qū)，它的光譜響應(yīng)穩(wěn)定，如利比亞沙漠用于定標(biāo)AVHRR、北非沙漠定標(biāo)SPOT影像、敦煌西戈壁沙漠定標(biāo)CBERS影像、美國的白沙導(dǎo)彈靶場常用于高分辨率圖像的定標(biāo)。通過選擇典型的均勻穩(wěn)定目標(biāo)，用精密儀器進行地面同步測量感器過頂時的大氣環(huán)境參量和地物反射率，利用遙感方程，建立圖像與實際地物間的數(shù)學(xué)關(guān)系，得到定標(biāo)參數(shù)以完成精確的傳感器定標(biāo)。
基本原理：在遙感器飛越輻射定標(biāo)場地上空時，在定標(biāo)場地選擇偌干個像元區(qū)，測量傳感器對應(yīng)的地物各波段光譜反射率和大氣環(huán)境參量（大氣氣溶膠光學(xué)厚度，大氣中水，臭氧含量等）等參量，并利用大氣輻射傳輸模型等手段求解傳感器入瞳處各光譜帶的輻射亮度，最后確定它與傳感器輸出的數(shù)字量化值之間的數(shù)量關(guān)系，求解定標(biāo)系數(shù)，并估算定標(biāo)不確定性。
主要方法有：
反射率法：在衛(wèi)星過頂時同步測量地面目標(biāo)反射率因子和大氣光學(xué)參量（如大氣光學(xué)厚度、大氣柱水汽含量等）然后利用大氣輻射傳輸模型計算出遙感器入瞳處輻射亮度值。具有較高的精度。
輻亮度法：采用經(jīng)過嚴(yán)格光譜與輻射標(biāo)定的輻射計，通過航空平臺實現(xiàn)與衛(wèi)星遙感器觀測幾何相似的同步測量，把機載輻射計測量的輻射度作為已知量，去標(biāo)定飛行中遙感器的輻射量，從而實現(xiàn)衛(wèi)星的標(biāo)定。最后輻射校正系數(shù)的誤差以輻射計的定標(biāo)誤差為主。
輻照度法：又稱改進的反射率法，利用地面測量的向下漫射與總輻射度值來確定衛(wèi)星遙感器高度的表觀反射率，進而確定出遙感器入瞳處輻射亮度，。這種方法是使用解析近似方法來計算反射率，從而可大大縮減計算時間和計算復(fù)雜性。
因此，我們常用的定標(biāo)參數(shù)，有使用實驗室定標(biāo)的結(jié)果（如高分辨率傳感器QuickBird、WorldView-1等）；也有使用實驗室定標(biāo)與星上定標(biāo)相結(jié)合的參數(shù)（如NOAA、MSS等）；由于設(shè)備老化，Landsat TM5的定標(biāo)參數(shù)有用實驗室定標(biāo)的（2003年前），也有用經(jīng)過場地定標(biāo)的參數(shù)（2003年后）；也有些學(xué)者為了獲得更精確定標(biāo)數(shù)據(jù)，使用場地定標(biāo)的方法完成一些傳感器數(shù)據(jù)的定標(biāo)過程。
3定標(biāo)實現(xiàn)
上述傳感器定標(biāo)的方法很多，看起來也非常復(fù)雜，其實我們對遙感影像進行定標(biāo)時候，只需要知道這類影像的定標(biāo)公式和參數(shù)即可，這些公式和參數(shù)一般在數(shù)據(jù)帶的元數(shù)據(jù)文件中，或者固定的公式和參數(shù)。現(xiàn)在很多軟件提供的特定傳感器的定標(biāo)工具，如果沒有也可以使用波段運算的方式實現(xiàn)定標(biāo)。
4 ENVI下的傳感器定標(biāo)
ENVI支持很多數(shù)據(jù)的定標(biāo)，包括ASTER、MODIS、AVHRR, MSS,TM ,QuickBird, WorldView-1,TIMS等。也可以根據(jù)定標(biāo)參數(shù)利用BandMath工具很方便的完成定標(biāo)。QuickBird, WorldView-1的定標(biāo)比較簡單。或者使用Apply gaine and offset工具可以實現(xiàn)Y=aX+b公式的定標(biāo)。
下面介紹在ENVI下的ASTER、MODIS、AVHRR, Landsat的定標(biāo)過程。
3.1 ASTER與MODIS定標(biāo)
對于ASTER L1A/L1B和MODIS 02級數(shù)據(jù)，在打開數(shù)據(jù)時會自動完成對數(shù)據(jù)的定標(biāo)。
如圖1所示打開ASTER L1B的結(jié)果，在波段列表中，自動讀取各個波段的中心波長信息，并按照波段范圍信息（VNIR、SWIR、TIR）分組波段。其中VNIR、SWIR自動定標(biāo)為輻射亮度，單位是：W/m2/sr/μm；TIR數(shù)據(jù)定標(biāo)為大氣表觀溫度值，單位：開爾文。打開其中一個數(shù)據(jù)，瀏覽像元值，可以看到已經(jīng)定標(biāo)為浮點型的輻射亮度值。
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圖1： ASTER L1B數(shù)據(jù)
如圖2為打開MODIS 02級1km數(shù)據(jù)，其中250米和500米的波段經(jīng)過重采樣為1km加入這個數(shù)據(jù)集中。ENVI根據(jù)各個波段的中心波長信息定標(biāo)為三個類型數(shù)據(jù)：反射率數(shù)據(jù)（Reflectance）、輻射亮度值數(shù)據(jù)（Radiance）和發(fā)射率數(shù)據(jù)（Emissive）。其中反射率和發(fā)射率為0~1無單位值，輻射亮度值單位是：W/m2/μm/sr。
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圖2 MODIS 02級數(shù)據(jù)
如果打開原始的ASTER和MODIS的DN值數(shù)據(jù)，可以在ENVI主菜單中選擇File->preferences，切換到Miscellaneous面板，將Auto-Correct ASTER/MODIS項設(shè)置為NO。
3.2 Landsat數(shù)據(jù)定標(biāo)
對于Landsat4/5數(shù)據(jù)可以手動選擇以下兩種定標(biāo)公式：
式中:
? QCAL為原始量化的DN值
? LMINλ為QCAL = 0時的輻射亮度值
? LMAXλ為QCAL = QCALMAX時的輻射亮度值
??注：LMINλ和LMAXλ的值取自Chander, Markham, and Helder (2009)的研究成果。
? QCALMIN是最小量化定標(biāo)像素值（與LMINλ類似）。取值如下：
??1：LPGS產(chǎn)品
??1：04 April2004之后的NLAPS產(chǎn)品
??0：04 April2004之前的NLAPS產(chǎn)品
??注：如果沒有元數(shù)據(jù)信息，QCALMIN取默認(rèn)值1（TM和ETM+)）或者0 (MSS)。
? QCALMAX為最小量化定標(biāo)像素值（與LMAXλ類似）。根據(jù)元數(shù)據(jù)信息取值為127, 254, 255。當(dāng)缺少元數(shù)據(jù)時，QCALMAX取默認(rèn)值：255 (TM和ETM+)或者127 (MSS)。作為結(jié)果的輻射亮度值的單位為(W/(cm2*sr*μm))。
定標(biāo)參數(shù)使用Chander, Markham, and Helder (2009)的研究成果，其中LPGS和NLAPS分別是兩種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到的產(chǎn)品：the Level 1 Product Generation System (LPGS) 和the
National Land Archive Production System(NLAPS)，從2008年12月份開始，L7 ETM+ 和L5都是以LPGS系統(tǒng)處理，L4 TM和MSS以NLAPS系統(tǒng)處理。具體參數(shù)如下所示：
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圖3：NLAPS處理和LPGS處理產(chǎn)品的MSS定標(biāo)參數(shù)
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圖4：NLAPS處理產(chǎn)品的TM4、5定標(biāo)參數(shù)
說明：L5 TM在(1984–1991)間數(shù)據(jù)使用(LMAXλ=169, 333)定標(biāo)參數(shù)。
?
圖5：LPGS處理產(chǎn)品的ETM+數(shù)據(jù)定標(biāo)參數(shù)
同時ENVI還可以定標(biāo)為表觀大氣反射率（ρp）：
?????
式中：
Lλ為輻射亮度值
d為天文單位的日地距離
ESUNλ為太陽表觀輻射率均值，對于Landsat7 ETM+，ENVI使用“the Landsat 7 Science Data Users Handbook”上記錄的參數(shù)；對于LandsatTM 4/5,ENVI使用Chander and Markham (2003)研究成果
θs是以度為單位的太陽高度角。
如果定標(biāo)的Landsat數(shù)據(jù)帶有元數(shù)據(jù)，ENVI會自動識別定標(biāo)參數(shù)。對于帶元數(shù)據(jù)文件的Landsat 7 GeoTIFF（*_MTL.txt），需要通過這種方式打開文件File→Open External File→Landsat →GeoTIFFwith Metadata。選擇Basic Tools→Preprocessing→Calibration Utilities→Landsat Calibration，可以打開定標(biāo)工具。
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圖6： Landsat 5 GeoTIFF（*_MTL.txt）定標(biāo)界面
當(dāng)遇到?jīng)]有元數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)時，需要手動輸入定標(biāo)參數(shù)，定標(biāo)參數(shù)可以通過NASA網(wǎng)站查詢或者是一些研究成果，由于不同處理系統(tǒng)或者數(shù)據(jù)經(jīng)過重采樣后原始的DN會有所不同，因此定標(biāo)參數(shù)也有很多套標(biāo)準(zhǔn)。如下網(wǎng)址為NASA公布的定標(biāo)參數(shù)。
http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/handbook/handbook_htmls/chapter9/chapter9.html
下面表1和表2是Landsat5的其他版本定標(biāo)參數(shù)供參考。
表1 Landsat TM4/5飛行前輻射定標(biāo)系數(shù)（實驗室定標(biāo)）
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| 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2 Landsat TM 5輻射定標(biāo)系數(shù)（Gyannesh Chander等（2003年））
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| ? | 從1984年3月1號至2003年5月4號 | 2003年5月5號之后 | ||||||
| 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 |
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3.3 AVHRR數(shù)據(jù)定標(biāo)
ENVI提供的AVHRR定標(biāo)工具可以對來自NOAA-6、-7、-8、-9、-10、-11、-12、-14、-15、-16、-17、-18和-19衛(wèi)星的AVHRR數(shù)據(jù)進行定標(biāo)。波段1和2被定標(biāo)為反射率，波段3、4和5被定標(biāo)為亮溫值（單位：開爾文）。其中NOAA-6、-7、-8、-9、-10、-11選擇主模塊->Basic Tools（或Spectral）->Preprocessing-> Data-SpecificUtilities->AVHRR->Calibrate NOAA 6/7/8/9/10/11。界面比較簡單。
在SST技術(shù)方面，ENVI使用多通道海面溫度（Multi-Channel Sea Surface Temperature ——MCSST）計算算法（包括三種：Split-window、dual-window和triple-window），分別用于白天和夜間的數(shù)據(jù)。每種方法的計算公式如下所示。
1.???????NOAA-12,-14,-15：
l? Day MCSST Split
Ts = a0 + a1*band4 + a2* (band4 - band5) +a3* (band4 - band5) * (sec(φ) -1)
l? Night MCSST Split
Ts = a0 + a1*band4 + a2* (band4 - band5) +a3* (band4 - band5) * (sec(φ)-1)
l? Night MCSST Dual
Ts = a0 + a1*band4 + a2* (band3 - band4) +a3* (sec(φ) -1)
l? Night MCSST Triple
Ts = a0 + a1*band4 + a2* (band3 - band5) +a3* (sec(φ)-1)
2.???????NOAA-16,-17,-18：
l? Day MCSST Split
Ts = a0 + a1*band4 + a2*band5 + a3* (band4- band5) * (sec(φ) -1)
l? Night MCSST Split
Ts = a0 + a1*band4 + a2*band5 + a3* (band4- band5) * (sec(φ) -1)
l? Night MCSST Dual
Ts = a0 + a1*band4 + a2* (band3 - band4) +a3* (sec(φ) -1)
l? Night MCSST Triple
Ts = a0 + a1*band3 + a2*band4 + a3*band5 +a4* (band3 - band5) * (sec(φ) -1)
3.???????NOAA-19
l? Day MCSST Split
Ts = a0 + a1*band4 + a2(band4 - band5) + a3(band4- band5)(sec(φ) -1)
l? Night MCSSTSplit
Ts = a0 + a1*band4 + a2(band4 - band5) + a3(band4- band5)(sec(φ) -1)
l? Night MCSSTDual
Ts = a0 + a1*band4 + a2(band3 - band4) + a3(sec(φ)-1)
l? Night MCSSTTriple
Ts = a0 + a1*band4 + a2(band3 - band5) + a3(band3- band5)(sec(φ) -1)
4.???????NOAA MetOp-A FRAC：
l? Day MCSST Split
Ts = a0 + a1*band4 + a2* (band4 - band5) +a3* (band4 - band5) * (sec(φ) -1)
l? Night MCSST Split
Ts = a0 + a1*band4 + a2* (band4 - band5) +a3* (band4 - band5) * (sec(φ) -1)
l? Night MCSST Dual
Ts = a0 + a1*band4 + a2* (band3 - band4) +a3* (sec(φ) -1)
l? Night MCSST Triple
Ts = a0 + a1*band4 + a2* (band3 - band5) +a3*(band3 - band5) * (sec(φ) -1)
其中Sec(φ)是衛(wèi)星高度角的正切值，Band3、4、5是定標(biāo)后的亮溫值（單位:開爾文），“a”參數(shù)值是根據(jù)漂流浮標(biāo)和熱帶太平洋固定浮標(biāo)數(shù)據(jù)，利用回歸模型獲得。不同的衛(wèi)星對應(yīng)的參數(shù)不一樣，詳細(xì)參見表3~6。
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表3 Day MCSST Split
| 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-A FRAC | -273.816 | 1.00255 | 2.39451 | 0.903773 |
表 4 Night MCSST Split
| 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-A FRAC | -277.447 | 1.01377 | 2.52362 | 1.03056 |
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表5 Night MCSST Dual
| 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-A FRAC | -273.235 | 1.00711 | 1.49927 | 1.88373 |
表6 Night MCSST Triple?
| 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-A FRAC | -273.044 | 1.00424 | 0.894349 | 0.508159 | ? |
5總結(jié)
對于一些新上天的傳感器，實驗室定標(biāo)參數(shù)基本能滿足應(yīng)用需求。當(dāng)對精度要求較高時候，往往需要通過場地定標(biāo)的方式提高定標(biāo)的結(jié)果。對于一些服役時間較長的傳感器，也需要通過場地定標(biāo)的方式來校對實驗室定標(biāo)結(jié)果，最典型的是Landsat系列衛(wèi)星。
值得注意的是，為保證精度，定標(biāo)時的數(shù)據(jù)源往往是初級別的，因為定標(biāo)是對DN進行運算，如果經(jīng)過重采樣的數(shù)據(jù)其DN值會發(fā)生一定變化。
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的定量/高光谱遥感之——传感器定标的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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