1、定量遥感传感器定标 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： 传感器定标概念 传感器定标类型 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
2、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.m.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 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
3、；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：发射前的实验室定标；基于星载定标器的星上定标；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： 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。 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+ba和b就是我们常说的偏移和增益。二、星上定标有些卫星载有辐射定标源、定标光学系
4、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
5、，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
6、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 ENVI下的传感器定标
7、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，下面介绍在ENVI下的ASTER、MODIS、AVHRR, Landsat的定标过程。 3.1 ASTER与MODIS定标 在新版本ENVI中（4.5版本以及更新），没有单独设立ASTER和MODIS定标的工具。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 L1
8、B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/m；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。 下载 (95.57 KB)2009-10-28 20:36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
9、（Radiance）和发射率数据（Emissive）。其中反射率和发射率为01无单位值，辐射亮度值单位是：W/m2/m/sr。下载 (88.52 KB)2009-10-28 20:36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ENVI4.7版本改进了Landsat数据定标的功能，对于Landsat4/5数据可以手动选择以下两种定标公式：下载 (12.45 KB)2009
10、-10-28 20:36式中:QCAL为原始量化的DN值LMIN为QCAL = 0时的辐射亮度值LMAX为QCAL = QCALMAX时的辐射亮度值 注：LMIN和LMAX的值取自Chander, Markham, and Helder (2009)的研究成果。QCALMIN是最小量化定标像素值（与LMIN类似）。取值如下： 1：LPGS产品 1：04 April 2004之后的NLAPS产品 0：04 April 2004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)。QCALMAX为最小量化定标像素值（与LMAX类似）。根据元数
11、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 theNational Land Archive Production System (NLAPS)，从2008年12月份开始，L7 ETM+ 和
12、 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：下载 (36.45 KB)2009-10-28 20:36NLAPS处理和LPGS处理产品的MSS定标参数下载 (46.78 KB)2009-10-28 20:36NLAPS处理产品的TM4、5定标参数说明：L5 TM在(19841991)间数据使用(LMAX=169, 333)定标参数。下载 (31.73 KB)2009-10-28 20:36LPGS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（p）：下载 (3.85 KB)2009-10-28 20:36公式3 式中：L为辐射
13、亮度值d为天文单位的日地距离ESUN为太阳表观辐射率均值，对于Landsat 7 ETM+，ENVI使用“the Landsat 7 Science Data Users Handbook”上记录的参数；对于Landsat TM 4/5,ENVI使用Chander and Markham (2003)研究成果s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 GeoTIFF with M
14、etadata。选择Basic Tools Preprocessing Calibration Utilities Landsat Calibration，可以打开定标工具。 下载 (70.81 KB)2009-10-28 20:36图3 Fast格式的L7定标界面 下载 (68.32 KB)2009-10-28 20:36图4 Landsat 7 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（默认情况下的参数经常不准），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
15、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注意的是如果定标的数据格式是ENVI标准格式或者TIF格式，一次只能定标一个波段。下载 (63.22 KB)2009-10-28 20:36图5 缺少元数据文件时候的定标界面下面表1和表2是Landsat5的其他版本定标参数供参考。表1 Landsat TM5飞行前辐射定标系数（实验室定标）BandGainoffset10.602-1.5221.170-2.8430.806-1.174
16、0.815-1.5150.108-0.3760.0551.2470.057-0.15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BandLMINLMAXGainoffsetLMINLMAXGainoffset1-1.52152.100.602431-1.52-1.52193.00.762824-1.522-2.84296.811.175100-2.84-2.84365.01.442510-2.843-1.17204.300.805765-1.17-1.17264.01.039880-1
17、.174-1.51206.200.814549-1.51-1.51221.00.872588-1.515-0.3727.190.108078-0.37-0.3730.20.119882-0.3761.237815.3030.0551581.23781.237815.3030.0551581.23787-0.1514.380.056980-0.15-0.1516.50.065294-1.153.3 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
18、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-Specific Utilities-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triple-window），分别用于白天和夜间的数据。每
19、种方法的计算公式如下所示。1.NOAA-12,-14,-15：Day MCSST Split Ts = a0 + a1*band4 + a2* (band4 - band5) + a3* (band4 - band5) * (sec() -1)Night MCSST Split Ts = a0 + a1*band4 + a2* (band4 - band5) + a3* (band4 - band5) * (sec()-1)Night MCSST Dual Ts = a0 + a1*band4 + a2* (band3 - band4) + a3* (sec() -1)Night MCSST
20、Triple Ts = a0 + a1*band4 + a2* (band3 - band5) + a3* (sec()-1)2.NOAA-16,-17,-18：Day MCSST Split Ts = a0 + a1*band4 + a2*band5 + a3* (band4 - band5) * (sec() -1)Night MCSST Split Ts = a0 + a1*band4 + a2*band5 + a3* (band4 - band5) * (sec() -1)Night MCSST Dual Ts = a0 + a1*band4 + a2* (band3 - band4)
21、 + a3* (sec() -1)Night MCSST Triple Ts = a0 + a1*band3 + a2*band4 + a3*band5 + a4* (band3 - band5) * (sec() -1)3.NOAA-19Day MCSST Split Ts = a0 + a1*band4 + a2(band4 - band5) + a3(band4 - band5)(sec() -1)Night MCSST Split Ts = a0 + a1*band4 + a2(band4 - band5) + a3(band4 - band5)(sec() -1)Night MCSS
22、T Dual Ts = a0 + a1*band4 + a2(band3 - band4) + a3(sec() -1)Night MCSST Triple Ts = a0 + a1*band4 + a2(band3 - band5) + a3(band3 - band5)(sec() -1)4.NOAA MetOp-A FRAC：Day MCSST Split Ts = a0 + a1*band4 + a2* (band4 - band5) + a3* (band4 - band5) * (sec() -1)Night MCSST Split Ts = a0 + a1*band4 + a2*
23、 (band4 - band5) + a3* (band4 - band5) * (sec() -1)Night MCSST Dual Ts = a0 + a1*band4 + a2* (band3 - band4) + a3* (sec() -1)Night MCSST TripleTs = a0 + a1*band4 + a2* (band3 - band5) + a3*(band3 - band5) * (sec() -1)其中Sec()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
24、星对应的参数不一样，详细参见表36。表3 Day MCSST SplitSatellite 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.
25、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 SplitSatellite 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-
26、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 DualSatellite a0 a1 a2 a3 NOAA-12 -279.846 1.031355 1.288548 2.265075 NOAA-14
27、 -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 1.8837
28、3 表6 Night MCSST TripleSatellite 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
29、 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 4 总结 对于一些新上天的传感器，实验室定标参数基本能满足应用需求。当对精度要求较高时候，往往需要通过场地定标的方式提高定标的结果。对于一些服役时间较长的传感器，也需要通过场地定标的方式来校对实验室定标结果，最典型的是Landsat系列卫星。 值得注意的是，为保证精度，定标时的数据源往往是初级别的，因为定标是对DN进行运算，如果经过重采样的数据其DN值会发生一定变化。
