TM傳感器輻射定標(biāo)參數(shù)精度分析

侯 東，宋國寶，董燕生，顧建宇

(1．北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京 100875;2．大連理工大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)院，工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室，大連 116024)

TM傳感器輻射定標(biāo)參數(shù)精度分析

侯 東1，宋國寶2，董燕生1，顧建宇1

(1．北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京 100875;2．大連理工大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)院，工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室，大連 116024)

以2007年4月26日北京地區(qū)TM圖像為例，對美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)和中國遙感衛(wèi)星地面站(RSGS)提供的傳感器輻射定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行精度評價。首先，根據(jù)不同來源的輻射定標(biāo)參數(shù)，采用對應(yīng)的定標(biāo)系數(shù)計算公式得到相應(yīng)的定標(biāo)系數(shù)，采用不同的定標(biāo)系數(shù)分別對DN值進(jìn)行反演，得到不同輻射定標(biāo)參數(shù)下的表觀輻亮度數(shù)據(jù);然后，將兩種表觀輻亮度反演結(jié)果輸入FLAASH大氣校正模型，反演圖像獲取時的氣象視距和地表反射率;最后，通過同步氣溶膠觀測數(shù)據(jù)和高分辨率遙感影像對所反演的氣象視距和地表反射率分類精度進(jìn)行評價，得到傳感器定標(biāo)參數(shù)精度評價結(jié)果。研究表明:USGS提供的輻射定標(biāo)參數(shù)能更為精確地反映TM傳感器的輻射特征。

輻射定標(biāo);大氣校正;FLAASH;氣象視距;最大似然分類

0 引言

由傳感器收集到的光輻射數(shù)據(jù)精確地反演或推算地球物理參量，并建立相應(yīng)的測算與識別數(shù)值模型是定量遙感的目標(biāo)［1］。然而，傳感器在獲取地表信息的過程中由于受到大氣分子、氣溶膠和云粒子等大氣成分吸收與散射的影響，使其獲取的遙感信息中帶有一定的非目標(biāo)地物的大氣信息［2］。輻射定標(biāo)是利用遙感圖像進(jìn)行大氣信息和地表反射率反演的基礎(chǔ)流程，傳感器輻射定標(biāo)參數(shù)對輻射定標(biāo)結(jié)果精度有重要影響。

Landsat5所攜帶的傳感器(TM)在不同時期的物理特性變化較大，各地面接收站采用的接收系統(tǒng)存在差異，導(dǎo)致多套反映TM傳感器響應(yīng)能力的輻射參數(shù)同時存在［3］。參數(shù)的正確選擇對地球物理參量的準(zhǔn)確計算具有重要影響。徐春燕［4］用6S模型分析大氣校正各參數(shù)對TM圖像進(jìn)行地表反射率計算的影響，指出遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用在很大程度上取決于輻射定標(biāo)的精度;陳俊等［5］從地面接收站處理系統(tǒng)算法的角度，對定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行評價;韋玉春等［6］用不同的定標(biāo)參數(shù)對植被和水體的表觀反射率進(jìn)行計算，通過表觀反射率的反演精度對定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行評價?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，上述研究多從地表參數(shù)反演的角度分析不同參數(shù)的精度，但同時從大氣和地表兩個角度綜合進(jìn)行評價的研究較少。本文以北京市為研究區(qū)，選擇TM圖像，用不同來源的兩套定標(biāo)參數(shù)反演氣象視距和地表反射率，通過同步的氣溶膠觀測數(shù)據(jù)和高分辨率遙感影像評價氣象視距和地表反射率反演精度，從而評價定標(biāo)參數(shù)的精度。

1 FLAASH模型

FLAASH(Fast Line of Sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes)模塊是ENVI的大氣校正模塊，它采用MODTRAN 4+輻射傳輸模型，能夠反演整景影像的氣象視距，并以1 cm－1的光譜分辨率對0．2～∞μm范圍的波段逐像元進(jìn)行大氣校正，反演地表反射率。

1．1 氣象視距反演

FLAASH模型采用暗目標(biāo)法反演整景影像的氣象視距。暗目標(biāo)是指在660 nm和2 100 nm波段具有較低反射率的濃密植被。氣溶膠在不同波段對濃密植被表觀輻亮度的影響是不同的:在2 100 nm波段，大部分氣溶膠微粒的直徑都小于2 100 nm，濃密植被的表觀輻亮度受氣溶膠影響可以忽略;在660 nm波段，濃密植被的表觀輻亮度是氣溶膠和濃密植被雙重反射的結(jié)果。FLAASH利用2 100 nm波段濃密植被的表觀輻亮度計算其地表反射率，根據(jù)660 nm和2 100 nm波段濃密植被地表反射率之間存在的穩(wěn)定比例關(guān)系［7］，計算660 nm波段濃密植被地表反射率，通過660 nm波段濃密植被表觀反射率和地表反射率之間的差異反演氣溶膠的光學(xué)厚度，計算氣象視距。就TM數(shù)據(jù)而言，其紅光波段(0．63～0．69 μm)和短波紅外波段(2．08 ～2．35 μm)位于這兩個特征波段內(nèi)，光譜性質(zhì)適于氣象視距反推。

1．2 地表反射率反演

在地表為均勻朗伯面的假定前提下，傳感器入瞳處單像元的表觀輻亮度L可以表示為

式中，ρ為該像元地表反射率(Pixel Surface Reflectance);ρe為該像元及周邊像元的混合平均地表反射率(Average Surface Reflectance for the Pixel and a Surrounding Region);S為大氣球面反照率(Spherical Albedo of the Atmosphere);La為大氣程輻射(Radiance Back Scattered by the Atmosphere);A、B是依賴于大氣(透過率)和幾何狀況的系數(shù)。FLAASH中內(nèi)嵌的MODTRAN根據(jù)圖像成像時大氣參數(shù)和傳感器與地表之間的幾何參數(shù)計算A、B、S和La。L由原始DN值根據(jù)定標(biāo)參數(shù)經(jīng)過輻射定標(biāo)后得到。ρe通過以下方程估算，即

式中，Le是 FLAASH利用大氣點擴(kuò)散函數(shù)(Point－Spread Function)根據(jù)輻射定標(biāo)得到的表觀輻亮度數(shù)據(jù)估算得到;A、B、S和La參數(shù)的計算同上。將估算的ρe代入式(1)，計算出單元的地表反射率ρ。

2 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

采用2007年4月26日TM系統(tǒng)級別產(chǎn)品，其軌道 號 為 123/32，景 中 心 坐 標(biāo) 為 39．59°N，116．29°E，過境時間為格林尼治時間 2:48:50，平均云覆蓋量為1%。本研究去除光譜特性不同的熱紅外波段，保留可見光波段和短波紅外波段。大氣觀測數(shù)據(jù)采用2007年4月26日AERONET北京站［8］(116°22'51″E，39°58'37″N)二級數(shù)據(jù)。

選擇兩個實驗區(qū)分別進(jìn)行氣溶膠反演和地表分類精度實驗。氣溶膠反演選擇整景TM數(shù)據(jù)所覆蓋的范圍作為實驗區(qū)，AERONET北京站位于實驗區(qū)中心，其觀測結(jié)果能有效代表該區(qū)域平均氣溶膠性質(zhì);地表分類精度實驗將位于39°58'12″N、116°37'41″E 和39°32'00″N、117°10'11″E 之間的區(qū)域作為地表分類區(qū)。該區(qū)域覆蓋北京市通州區(qū)、河北省香河縣和天津市武清縣的部分地區(qū)，地勢平坦，平均海拔50 m。土地利用類型豐富，各類型邊界清晰，混合現(xiàn)象少，適合土地利用分類。研究區(qū)分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig．1 The Schematic diagram of the study area

3 實驗流程

本實驗流程如圖2所示。

圖2 定標(biāo)參數(shù)精度評價流程Fig．2 The flow chart of accuracy evaluation of radiometric parameters

3．1 定標(biāo)系數(shù)計算和表觀輻亮度反演

Landsat5 TM數(shù)據(jù)頭文件中沒有直接提供定標(biāo)系數(shù)。定標(biāo)系數(shù)需要根據(jù)傳感器響應(yīng)值計算獲得。美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)在TM數(shù)據(jù)說明文件中提供了TM傳感器各波段最大最小輻射量，單位是W/(m2．sr．μm)。USGS 參數(shù)的定標(biāo)系數(shù)計算公式為［9］

中國科學(xué)院遙感衛(wèi)星地面站(RSGS)在TM產(chǎn)品的頭文件中以“GAINS/BIASES=”形式也給出了TM 傳感器響應(yīng)值［6］，單位是 mW/(cm2．sr)?？紤]各波段對應(yīng)的波譜寬度(Width)和單位換算關(guān)系［4］，RSGS 參數(shù)的定標(biāo)系數(shù)計算公式為［6］

根據(jù)不同來源的輻射定標(biāo)參數(shù)，采用對應(yīng)的定標(biāo)系數(shù)計算公式得到不同的定標(biāo)系數(shù)，如表1所示。

表1 USGS和RSGS不同校正參數(shù)的定標(biāo)系數(shù)比較Tab．1 The comparison for calibration coefficients generated by radiometric parameters from USGS and RSGS

采用不同的定標(biāo)系數(shù)分別對DN值進(jìn)行反演，得到不同輻射定標(biāo)參數(shù)下的表觀輻亮度數(shù)據(jù)。

3．2 氣象視距和地表反射率反演

將獲得的USGS表觀輻亮度輸入FLAASH模型，在FLAASH模型中輸入TM數(shù)據(jù)景中心經(jīng)緯度和成像時間，選擇TM傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù);根據(jù)研究區(qū)實際和成像時間，選擇亞北極夏季大氣模型和城市氣溶膠類型;利用FLAASH模型反演出USGS參數(shù)定標(biāo)下的氣象視距和地表反射率數(shù)據(jù)。將RSGS表觀輻亮度輸入FLAASH模型，使用相同設(shè)置反演RSGS參數(shù)下的氣象視距和地表反射率數(shù)據(jù)。

3．3 氣象視距精度評價

AERONET氣溶膠觀測由分布于全球各地的觀測臺站聯(lián)網(wǎng)組成，采用CIMEL光譜儀進(jìn)行觀測，能夠獲取440 nm、675 nm、870 nm及1 020 nm等4個波長的氣溶膠光學(xué)厚度和波段間的Angstrom混濁系數(shù)，以及水汽含量等參數(shù)［8］。為了利用 AERONET地面觀測數(shù)據(jù)對反演氣象視距進(jìn)行評價，需要將觀測波長處的氣溶膠光學(xué)厚度轉(zhuǎn)換為550 nm處的氣象視距。

Angstrom給出了氣溶膠光學(xué)厚度與波長之間的關(guān)系式為

式中，τλ是波長為λ的氣溶膠光學(xué)厚度;β為Angstrom混濁系數(shù);α為Angstrom波長指數(shù)。在一定波段內(nèi)，可以忽略β的差異。將不同波長帶入式(7)且相除，得到不同波長氣溶膠光學(xué)厚度之間的關(guān)系，即

何立明［10］根據(jù)MODTRAN 4的模擬結(jié)果歸納出氣溶膠光學(xué)厚度和氣象視距的經(jīng)驗公式為

式中，τ550為550 nm處氣溶膠光學(xué)厚度;V550為550 nm處氣象視距;a、b為經(jīng)驗公式斜率和截距，在春夏季節(jié)的取值分別為 0．120、0．297［10］。

綜合式(7)～(9)可以得到550 nm處氣象視距和不同波長下氣溶膠光學(xué)厚度關(guān)系為

根據(jù)AERONET北京站2007年4月26日2:43:04的觀測記錄，使用440 nm和675 nm兩個波段的氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)真實觀測值和440～675 nm波段Angstrom系數(shù)，通過式(10)計算得到550 nm處的氣象視距，與FLAASH通過不同定標(biāo)參數(shù)下的表觀輻亮度數(shù)據(jù)反演的氣象視距對比，如表2所示。

表2 550 nm氣象視距反演值和觀測值對比Tab．2 The comparison for meteorological range

3．4 土地利用分類和地表反射率分類精度評價

將研究區(qū)土地利用類型分為水體、林地、未利用地、城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點、休耕地及冬小麥7類［11］。根據(jù)Google Earth中高分辨影像的紋理和TM數(shù)據(jù)光譜，在TM圖像上選擇訓(xùn)練樣本，每類60個［12］，共420個樣本。利用選取的訓(xùn)練樣本，分別對USGS和RSGS的地表反射率及圖像DN值進(jìn)行最大似然監(jiān)督分類，獲得3個土地利用分類結(jié)果。

精度評價樣本點的布設(shè)采用Stratified Random方式［11］，保證每個類別中至少有 10 個［13］，整景共400個樣本點。根據(jù)Google Earth中高分辨影像的紋理特征和TM數(shù)據(jù)光譜，獲得樣本點的真實土地覆蓋類型。利用布設(shè)的樣本點，分別建立3個分類結(jié)果的混淆矩陣，得到3個分類結(jié)果的精度，如表3所示。

表3 分類結(jié)果精度對比Tab．3 The comparison for classification accuracy of different images

4 結(jié)果和分析

4．1 定標(biāo)系數(shù)計算結(jié)果對比

通過對比不同校正參數(shù)的定標(biāo)系數(shù)(表1)可以發(fā)現(xiàn)，傳感器各波段的偏移(Bias)相差較小，說明兩套參數(shù)對傳感器最小響應(yīng)值(暗電流)的描述相似。相比之下，兩套參數(shù)同一波段的增益(Gain)相差較大，尤其是第7波段，兩者的差距達(dá)到6．72%，說明不同來源的定標(biāo)參數(shù)對短波紅外波段的最大響應(yīng)值的描述存在較大差異。

4．2 氣象視距分析

550 nm氣象視距反演值和觀測值的對比(表2)表明:USGS參數(shù)下反演的氣象視距與真實情況更為接近，其原因是USGS參數(shù)在紅光波段(630～690 nm)和短波紅外波段(2 080～2 350 nm)更好地反映出TM傳感器的響應(yīng)情況，而這兩個波段是反演氣溶膠信息的關(guān)鍵波段。利用USGS參數(shù)輻射定標(biāo)可以準(zhǔn)確地把DN值反演為傳感器入瞳處的表觀輻亮度，進(jìn)而反演出準(zhǔn)確的氣象視距。

4．3 最大似然分類結(jié)果精度分析

通過對比最大似然分類結(jié)果的精度(表3)發(fā)現(xiàn):在總體分類精度的比較中，應(yīng)用USGS參數(shù)反演的地表反射率精度最高，為68．25%，應(yīng)用RSGS參數(shù)反演的地表反射率和DN值總體相近，二者都為63．5%左右;在總體Kappa系數(shù)的比較中，應(yīng)用USGS參數(shù)反演的地表反射率最高，達(dá)到0．613，應(yīng)用RSGS參數(shù)反演的地表反射率和DN值相近，二者均為0．560左右。分類結(jié)果的精度表明，應(yīng)用USGS輻射定標(biāo)參數(shù)反演的地表反射率更加準(zhǔn)確。其原因有二:第一，表觀輻亮度是反演地表反射率的基礎(chǔ)，根據(jù)4．1和4．2節(jié)的分析，USGS參數(shù)在紅外波段對傳感器響應(yīng)值的描述更加準(zhǔn)確，因此，根據(jù)USGS參數(shù)定標(biāo)得到的表觀輻亮度在紅外波段上與真實情況更加接近;第二，氣象視距作為大氣校正中的關(guān)鍵參數(shù)，對地表反射率的準(zhǔn)確反演具有重要影響，根據(jù)4．2節(jié)分析，USGS參數(shù)反演的氣象視距與真實情況更加接近。綜合以上原因，USGS參數(shù)反演的地表反射率與真實情況更加接近，具有較高的分類精度。而RSGS參數(shù)由于對紅外波段傳感器響應(yīng)值的描述存在誤差，在表觀輻亮度反演和大氣校正兩個階段引入錯誤的信息，導(dǎo)致RSGS地表反射率精度降低，分類精度與DN值相似。

5 結(jié)論

(1)USGS定標(biāo)參數(shù)對傳感器各波段最大和最小響應(yīng)值的描述準(zhǔn)確，利用USGS提供的參數(shù)進(jìn)行輻射定標(biāo)有助于獲取準(zhǔn)確的氣溶膠信息。在基于TM數(shù)據(jù)的氣溶膠應(yīng)用中，建議使用USGS提供的定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行輻射定標(biāo)。

(2)利用USGS參數(shù)反演的地表反射率數(shù)據(jù)分類精度更高。在土地覆蓋分類的應(yīng)用中，建議使用USGS參數(shù)。

致謝:本研究得到AERONET氣溶膠觀測網(wǎng)的大氣參數(shù)觀測數(shù)據(jù)支持，在此，對AERONET的研究者表示感謝。

［1］李照洲，鄭小兵，唐伶俐，等．光學(xué)有效載荷高精度絕對輻射定標(biāo)技術(shù)研究［J］．遙感學(xué)報，2007，11(4):581－588．

［2］亓雪勇，田慶久．光學(xué)遙感大氣校正研究進(jìn)展［J］．國土資源遙感，2005(4):1 －6．

［3］張兆明，何國金．Landsat5 TM數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)［J］．科技導(dǎo)報，2008，26(7):54 －58．

［4］徐春燕，馮學(xué)智．TM圖像大氣校正及其對地物光譜響應(yīng)特征的影響分析［J］．南京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，43(3):309－317．

［5］陳 俊，王 文，李子楊，等．Landsat5衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品［J］．遙感信息，2007(3):85－88．

［6］韋玉春，黃家柱．Landsat5圖像的增益、偏置取值及其對行星反射率計算分析［J］．地球信息科學(xué)，2006，8(1):110－113．

［7］Kaufman Y J，etal．The MODIS 2．1 μm Channel Correlation with Visible Reflectance for Use in Remote Sensing of Aerosol［J］．Int J IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，1997，35(5):1286－1298．

［8］Holben B，Eck T，et al．AERONET—A Federated Instrument Network and Data Archive for Aerosol Characterization［J］．Int J Remote Sensing of Environment，1998，66:1 －16．

［9］USGS．Revised Landsat5 TM Radiometric Calibration Procedures and Post－ Calibration Dynamic Ranges［Z］．USA，USGS，2003

［10］何立明，王 華，閻廣建，等．氣溶膠光學(xué)厚度與水平氣象視距相互轉(zhuǎn)換的經(jīng)驗公式及其應(yīng)用［J］．遙感學(xué)報，2003，7(5):372－378．

［11］周 佳，趙冬玲，何宇華，等．基于中巴衛(wèi)星影像的土地利用分類精度評價［J］．測繪科學(xué)，2007，32(6):27－29．

［12］Pal M，Mather P．An Assessment of the Effectiveness of Decision Tree Methods for Land Cover Classification［J］．Remote Sensing of Environment，2003，86:554 － 565．

［13］黨安榮，王曉棟，陳曉峰，等．遙感圖像處理方法［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2003．

(責(zé)任編輯:刁淑娟)

Precision Analysis of Different Radiation Parameters Landsat Thematic Mapper Sensor

HOU Dong1，SONG Guo－bao2，DONG Yan－sheng1，GU Jian－yu1
(1．College of Resource Sciences ＆ Technology，Beijing Normal University，Beijing 100875，China;2．School of Environmental＆ Biological Science＆ Technology，Key Laboratory of Industrial Ecology＆ Environmental Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

The radiometric calibration parameter is very important in quantitative application of remote sense data．In this paper，the Landsat Thematic Mapper Data of Beijing acquired in April 26，2007 were applied to evaluating the radiometric calibration parameters supplied by USGS and RSGS．First，the radiance data were computed respectively with the calibration coefficients converted from calibration parameters．Second，the FLAASH atmosphere correction model was used to compute meteorological range and surface reflectance．Third，according to the aerosol observation data from AERONET and high resolution remote sensing image，the accuracy evaluation results of the two radiometric calibration parameters were obtained on the basis of the accuracy of meteorological range and classification of surface reflectance．The results show that parameters supplied by USGS can reflect radiometric features of TM sensor more accurately．

Radiometric calibration;Atmosphere correction;FLAASH;Meteorological range;Maximum likelihood classification

侯 東(1984－)，男，在讀碩士，主要從事農(nóng)作物種植面積遙感測量方面的研究。

TP 75

A

1001－070X(2010)04－0014－05

2009－12－20;

2010－02－04

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(編號:2006AA120101)和國家自然科學(xué)基金項目(編號:40871194)共同資助。