MODIS數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

張 怡，何政偉，薛東劍

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059）

遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括對遙感圖像進(jìn)行輻射校正和幾何糾正、圖像整飾、投影變換、鑲嵌、特征提取、分類以及各種專題處理的方法。MODIS數(shù)據(jù)擁有覆蓋面積和涉及波段廣、免費(fèi)獲取、數(shù)據(jù)更新頻率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)評估、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域。本文對天山公路附近區(qū)域的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，為之后的雪深反演、積雪面積計(jì)算、雪害評價(jià)研究等作好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

1 MODIS數(shù)據(jù)及軟件介紹

美國地球觀測衛(wèi)星(EOS)系列中的第一顆上午太陽同步Terra衛(wèi)星攜帶的中分辨率成像光譜儀MODIS是EOS衛(wèi)星系列中最主要和最有特色的儀器。MODIS具有較高的光譜分辨率，為36個(gè)波段，地面分辨率分別為250 m (1～2波段)，500 m(3～7波段)，1 000 m(8～36波段)，掃描觀測寬度達(dá)2 330 km，影像數(shù)據(jù)可以每天上、下午獲取，并免費(fèi)接收[1-3]。MODIS擁有的這36個(gè)光譜波段的地球綜合信息對于開展自然災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、全球環(huán)境和氣候變化研究以及進(jìn)行全球變化的綜合性研究等具有重要意義。為了有效地提取雪的覆蓋面積和反演雪深深度，本文采用的主要是500 m分辨率的二級數(shù)據(jù)產(chǎn)品MODIS 1B數(shù)據(jù)。MODIS數(shù)據(jù)根據(jù)處理程度劃分成多級，MODIS 1B數(shù)據(jù)屬于二級產(chǎn)品，即在原始數(shù)據(jù)上進(jìn)行了定標(biāo)定位后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可被軟件直接讀取和處理。

本文采用的是ENVI軟件，是美國ITT VIS公司的旗艦產(chǎn)品，它是快速、便捷、準(zhǔn)確地從影像中提取信息的首屈一指的軟件工具[4]。其具有強(qiáng)大的圖像處理功能；專業(yè)的高光譜分析功能；獨(dú)有的IDL支持強(qiáng)大的擴(kuò)展功能，能夠進(jìn)行二次開發(fā)，加入其他所需的功能；與ESRI公司的全面合作，能與ArcGIS完美地整合，為遙感和GIS的一體化集成提供了一個(gè)最佳的解決方案。

2 MODIS數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 圖像的幾何校正

幾何校正是指對由于MODIS探測器對地球觀測的視野幾何特性、地球表面的曲率、地形起伏和探測器運(yùn)動(dòng)中的抖動(dòng)等因素的共同影響產(chǎn)生的影像幾何畸變進(jìn)行校正的過程[5]。由于上述因素的共同影響，MODIS 1B數(shù)據(jù)存在幾何畸變，特別是MODIS 1B數(shù)據(jù)的掃描條帶之間的錯(cuò)位現(xiàn)象十分嚴(yán)重，俗稱“雙眼皮”。“雙眼皮”現(xiàn)象隨著觀測角度的增大而變得嚴(yán)重。計(jì)算表明，在視角為24°時(shí)，條帶之間的重疊度為10%，而在條帶的兩端重疊度達(dá)到50%[6,7]。因此針對MODIS數(shù)據(jù)除了要進(jìn)行幾何校正外，還需去除其“雙眼皮”現(xiàn)象，也叫Bow-tie處理。而在ENVI中既有專門的MODIS數(shù)據(jù)幾何校正功能模塊Georeference MODIS，也有去除“雙眼皮”現(xiàn)象的Perform Bow Tie Correction模塊。

ENVI根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)本身的坐標(biāo)經(jīng)緯度信息進(jìn)行地理坐標(biāo)定位。利用每行數(shù)據(jù)有的51個(gè)經(jīng)緯度值，進(jìn)行地理坐標(biāo)定位從而對圖像校正。在我們選擇了所需的圖像波段后，會(huì)彈出MODIS數(shù)據(jù)幾何校正界面，在進(jìn)行幾何校正前，需要輸入圖像的投影信息。由于我們選擇的是UTM坐標(biāo)系統(tǒng)，在標(biāo)有“Zone”的文本框里，輸入?yún)^(qū)域號(hào)，或點(diǎn)擊“Set Zone”按鈕，鍵入經(jīng)緯度值，自動(dòng)計(jì)算出區(qū)域號(hào)。

圖1是幾何校正前圖像的局部圖，能夠看出明顯的“雙眼皮”現(xiàn)象，其錯(cuò)位的條帶嚴(yán)重影響了圖像的視覺效果，也對之后進(jìn)行的各種積雪分析造成影響。圖2為幾何校正后的局部圖。圖3和圖4是整幅圖像幾何校正前后的對比，校正后的圖像有較大的拉伸及變形，消除了圖像的幾何畸變，更好地還原了圖像，真實(shí)地反映了圖像所表示的各項(xiàng)地理信息。從圖4可看出，條帶錯(cuò)位現(xiàn)象已經(jīng)被消除，圖像有被拉伸的情況。

圖1 幾何校正前局部圖

圖2 幾何校正后局部圖

圖3 幾何校正前整幅圖

圖4 幾何校正后整幅圖

2.2 圖像的拼接

圖像拼接又被稱為圖像鑲嵌，是將相鄰幾幅遙感圖像合成1幅圖。由于本文的研究區(qū)南北狹長，經(jīng)緯跨度為 80°E～85°E、40°N～45°N，覆蓋該區(qū)域有 h24v04、h23v04 2個(gè)數(shù)據(jù)塊，需要進(jìn)行拼接處理。ENVI的Mosaicking工具能根據(jù)圖像所帶的地理坐標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)拼接，拼接前需要進(jìn)行直方圖調(diào)節(jié)，使拼接后的效果良好。除了常見的遙感處理軟件ENVI，ERDAS能對MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，還有一種能專門針對MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行基本處理的軟件MRT，即MODIS Reprojection Tool，能自動(dòng)拼接MODIS 數(shù)據(jù)，輸出多種格式數(shù)據(jù)，如raw-binary、GeoTiff和HDF-EOS，圖5為本文研究的兩景MODIS數(shù)據(jù)所在。

2.3 圖像的裁剪

一幅MODIS數(shù)據(jù)的掃描范圍為1 275 km×2 330 km，而本文中所需的研究區(qū)為天山公路附近區(qū)域，因此需要對拼接好的圖像進(jìn)行裁剪。在ENVI中提供了多種裁剪方式：①直接輸入行列數(shù)進(jìn)行裁剪；②Image裁剪，直接在圖像上框選區(qū)域進(jìn)行裁剪；③Map裁剪，直接輸入經(jīng)緯度，以左上點(diǎn)、右下點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)進(jìn)行裁剪；④Flie裁剪，用其他的圖像對其進(jìn)行裁剪；⑤ROI/EVF裁剪，即感興趣區(qū)裁剪，先在ArcGIS下將研究的矢量面文件進(jìn)行投影變換，將研究區(qū)矢量面shape文件的Krasovsky_1940_Transverse_Mercator 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成WGS84的地理坐標(biāo)系；在ENVI中將矢量面文件轉(zhuǎn)換成ROI，然后通過Subset data via ROI完成對MODIS影像的裁剪。如圖6所示，裁剪后的圖像由143波段合成真彩色，可清晰地看到白色的積雪、山脈、云等。

圖5 研究區(qū)積雪所需行列顯示

圖6 裁剪后圖像

3 結(jié) 語

由于MODIS數(shù)據(jù)分辨率高、覆蓋范圍廣、免費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。本文根據(jù)需要對MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行了幾何校正，拼接和裁剪等預(yù)處理，為之后計(jì)算積雪覆蓋面積，反演積雪深度，建立空間數(shù)據(jù)庫等提供了良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1]趙英時(shí),章申,秦大河,等. 遙感應(yīng)用分析原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2004

[2]總裝備部衛(wèi)星有效載荷及應(yīng)用技術(shù)專業(yè)組應(yīng)用技術(shù)分組. 衛(wèi)星應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展[M]. 北京: 中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2001

[3]杜啟勝，劉志平，王新生，等. 基于ENVI的MODIS數(shù)據(jù)預(yù)處理方法[J].地理空間信息，2009,7（4）：98-100

[4]武藝，文先華.利用ENVI軟件處理遙感影像[J].科技信息，2011，2（16）：376-377

[5]袁金國.遙感圖像數(shù)字處理[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2006

[6]馬建文，韓秀珍.東亞飛蝗災(zāi)害遙感監(jiān)測機(jī)理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2003

[7]Wolf OE，Roy DP，Vermote E. MODIS Land Data Storage，Gridding，and ComPositing Methodology:level 2 Grid[J].IEEE Transaetions on Geoseience and Remote Sensing，1998，36(4):1 324-1 338