定量/高光谱遥感之——传感器定标

远方~ · 发表于 2020-12-9 14:22

我们常用影像的像元值大多是经过量化的、无量纲的DN值，而进行遥感定量化分析时，常用到辐射亮度值、反射率值、温度值等物理量。传感器定标就是要获得这些物理量的过程。本专题叙述的主要是卫星传感器的定标，航空传感器有很多相似地方。

本专题包括以下内容：

l 传感器定标概念

l 传感器定标类型

l ENVI下的传感器定标

1传感器定标概念

传感器定标很多地方又名为辐射定标，严格意义上讲，辐射定标是传感器定标的一部分内容。以下是国内的定义，如赵英时等《遥感应用分析原理与方法》上描述：定标是将遥感器所得的测量值变换为绝对亮度或变换为与地表反射率、表面温度等物理量有关的相对值的处理过程。或者说，遥感器定标就是建立遥感器每个探测器输出值与该探测器对应的实际地物辐射亮度之间的定量关系；建立遥感传感器的数字量化输出值DN与其所对应视场中辐射亮度值之间的定量关系（陈述彭）。辐射亮度的典型的单位为：W/cm2.μm.sr（瓦特/平方厘米.微米.球面度）。

我们总结以上的定义，通俗的说法：传感器定标就是将图像的数字量化值（DN）转化为辐射亮度值或者反射率或者表面温度等物理量的处理过程。其中反射率又分为大气外层表观反射率和地表实际反射率，后者又属于大气校正的范畴，有的时候也会将大气校正纳入传感器定标的一种途径。

2传感器定标类型（定标参数测量）

传感器定标可分为绝对定标和相对定标。绝对定标是获取图像上目标物的绝对辐射值等物理量；相对定标是将图像目标物辐射量归一化某个值范围内，比如以其他数据作为基准。

传感器定标可分为三个阶段或者说三个方面内容：①发射前的实验室定标；②基于星载定标器的星上定标；③发射后的定标（场地定标）。

一、实验室定标

在遥感器发射之前对其进行的波长位置、辐射精度、光谱特性等进行精确测量，也就是实验室定标。它一般包含两部分内容：

l 光谱定标

确定遥感传感器每个波段的中心波长和带宽，以及光谱响应函数。

l 辐射定标

在模拟太空环境的实验室中，建立传感器输出的量化值（DN）与传感器入瞳处的辐射亮度之间的模型，一般用线性模型表示。

Y=aX+b

a和b就是我们常说的偏移和增益。

也有些传感器使用其他表达式，如环境小卫星中的元数据说明文件中的这段话明确说明了定标公式、参数值、定标单位信息：

(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、星上定标

　　有些卫星载有辐射定标源、定标光学系统，在成像时实时、连续的进行定标。

三、场地定标

　　场地定标指的是遥感器处于正常运行条件下，选择辐射定标场地。一般选择沙漠地区，它的光谱响应稳定，如利比亚沙漠用于定标AVHRR、北非沙漠定标SPOT影像、敦煌西戈壁沙漠定标CBERS影像、美国的白沙导弹靶场常用于高分辨率图像的定标。通过选择典型的均匀稳定目标，用精密仪器进行地面同步测量感器过顶时的大气环境参量和地物反射率，利用遥感方程，建立图像与实际地物间的数学关系，得到定标参数以完成精确的传感器定标。

　　基本原理：在遥感器飞越辐射定标场地上空时，在定标场地选择偌干个像元区，测量传感器对应的地物各波段光谱反射率和大气环境参量（大气气溶胶光学厚度，大气中水，臭氧含量等）等参量，并利用大气辐射传输模型等手段求解传感器入瞳处各光谱带的辐射亮度，最后确定它与传感器输出的数字量化值之间的数量关系，求解定标系数，并估算定标不确定性。

　　主要方法有：

　　反射率法：在卫星过顶时同步测量地面目标反射率因子和大气光学参量（如大气光学厚度、大气柱水汽含量等）然后利用大气辐射传输模型计算出遥感器入瞳处辐射亮度值。具有较高的精度。

　　辐亮度法：采用经过严格光谱与辐射标定的辐射计，通过航空平台实现与卫星遥感器观测几何相似的同步测量，把机载辐射计测量的辐射度作为已知量，去标定飞行中遥感器的辐射量，从而实现卫星的标定。最后辐射校正系数的误差以辐射计的定标误差为主。

辐照度法：又称改进的反射率法，利用地面测量的向下漫射与总辐射度值来确定卫星遥感器高度的表观反射率，进而确定出遥感器入瞳处辐射亮度，。这种方法是使用解析近似方法来计算反射率，从而可大大缩减计算时间和计算复杂性。

因此，我们常用的定标参数，有使用实验室定标的结果（如高分辨率传感器QuickBird、WorldView-1等）；也有使用实验室定标与星上定标相结合的参数（如NOAA、MSS等）；由于设备老化，Landsat TM5的定标参数有用实验室定标的（2003年前），也有用经过场地定标的参数（2003年后）；也有些学者为了获得更精确定标数据，使用场地定标的方法完成一些传感器数据的定标过程。

3定标实现

上述传感器定标的方法很多，看起来也非常复杂，其实我们对遥感影像进行定标时候，只需要知道这类影像的定标公式和参数即可，这些公式和参数一般在数据带的元数据文件中，或者固定的公式和参数。现在很多软件提供的特定传感器的定标工具，如果没有也可以使用波段运算的方式实现定标。

4 ENVI下的传感器定标

ENVI支持很多数据的定标，包括ASTER、MODIS、AVHRR, MSS,TM ,QuickBird, WorldView-1,TIMS等。也可以根据定标参数利用BandMath工具很方便的完成定标。QuickBird, WorldView-1的定标比较简单。或者使用Apply gaine and offset工具可以实现Y=aX+b公式的定标。

下面介绍在ENVI下的ASTER、MODIS、AVHRR, Landsat的定标过程。

3.1 ASTER与MODIS定标

对于ASTER L1A/L1B和MODIS 02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ASTER L1B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。

图1： ASTER L1B数据

如图2为打开MODIS 02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。

图2 MODIS 02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-Correct ASTER/MODIS项设置为NO。

3.2 Landsat数据定标

对于Landsat4/5数据可以手动选择以下两种定标公式：

式中:

Ÿ QCAL为原始量化的DN值

Ÿ LMINλ为QCAL = 0时的辐射亮度值

Ÿ LMAXλ为QCAL = QCALMAX时的辐射亮度值

注：LMINλ和LMAXλ的值取自Chander, Markham, and Helder (2009)的研究成果。

Ÿ QCALMIN是最小量化定标像素值（与LMINλ类似）。取值如下：

1：LPGS产品

1：04 April2004之后的NLAPS产品

0：04 April2004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)。

Ÿ 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, and Helder (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：the Level 1 Product Generation System (LPGS) 和the

National Land Archive Production System(NLAPS)，从2008年12月份开始，L7 ETM+ 和L5都是以LPGS系统处理，L4 TM和MSS以NLAPS系统处理。具体参数如下所示：

图3：NLAPS处理和LPGS处理产品的MSS定标参数

图4：NLAPS处理产品的TM4、5定标参数

说明：L5 TM在(1984–1991)间数据使用(LMAXλ=169, 333)定标参数。

图5：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）：

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Landsat7 ETM+，ENVI使用“the Landsat 7 Science Data Users Handbook”上记录的参数；对于LandsatTM 4/5,ENVI使用Chander and Markham (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Landsat 7 GeoTIFF（*_MTL.txt），需要通过这种方式打开文件File→Open External File→Landsat →GeoTIFFwith Metadata。选择Basic Tools→Preprocessing→Calibration Utilities→Landsat Calibration，可以打开定标工具。

图6： Landsat 5 GeoTIFF（*_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，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

下面表1和表2是Landsat5的其他版本定标参数供参考。

表1 Landsat TM4/5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2 Landsat TM 5辐射定标系数（Gyannesh Chander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

3.3 AVHRR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->Basic Tools（或Spectral）->Preprocessing-> Data-SpecificUtilities->AVHRR->Calibrate NOAA 6/7/8/9/10/11。界面比较简单。

在SST技术方面，ENVI使用多通道海面温度（Multi-Channel Sea Surface Temperature ——MCSST）计算算法（包括三种：Split-window、dual-window和[url=]triple-window[/url]），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：

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

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