基于海色遙感應(yīng)用的MODIS數(shù)據(jù)預(yù)處理

袁 媛，許惠平

（1.同濟(jì)大學(xué) 海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092； 2.上海市地震局，上海 201203）

基于海色遙感應(yīng)用的MODIS數(shù)據(jù)預(yù)處理

袁 媛1,2，許惠平1

（1.同濟(jì)大學(xué) 海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092； 2.上海市地震局，上海 201203）

較系統(tǒng)地介紹了從MODIS原始分發(fā)數(shù)據(jù)到海洋水色遙感反射率、離水輻射率等數(shù)據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)出過程；分析了各步驟原理，尤其針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣校正算法無法計(jì)算出近岸二類水體離水輻射率問題提出鄰近清潔水體外推混濁水體的思路；探索并改進(jìn)了大氣校正算法，計(jì)算出大部分近岸水體的離水輻射率數(shù)據(jù)。

MODIS；預(yù)處理；大氣校正

MODIS覆蓋了能提取相關(guān)海色信息（葉綠素、海表溫度以及水色等方面）的波段，在赤潮監(jiān)測(cè)、洋流、海洋漁業(yè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。而如何將有用信息從MODIS原始分發(fā)數(shù)據(jù)中抽取出來，需進(jìn)行預(yù)處理。目前常用的軟件有SEADAS，ENVI等，但只能做一些單方面處理，無法一次性產(chǎn)出所需的海色數(shù)據(jù)。本文詳細(xì)介紹了從原始數(shù)據(jù)至所需海色產(chǎn)品產(chǎn)出的具體處理過程，并統(tǒng)計(jì)鄰近潔凈水體和近岸水體氣溶膠和離水輻射率線性關(guān)系，利用外推思路，實(shí)驗(yàn)性計(jì)算出了近岸水體離水輻射率值。

1 MODIS數(shù)據(jù)預(yù)處理

MODIS數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分發(fā)共享格式為L1B文件，該數(shù)據(jù)文件存在圖像畸形、條帶噪聲、數(shù)據(jù)重疊、太陽高度角偏值和未進(jìn)行大氣效應(yīng)糾正等問題，必須先對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理包括反/輻射率定標(biāo)、太陽高度角校正、條帶噪聲去除、重疊效應(yīng)去除、幾何校正和海洋水色反演所必需的大氣校正。

1.1 反（輻）射率定標(biāo)

由于MODIS信號(hào)數(shù)據(jù)的精度很高，所以L1B產(chǎn)品將這些信號(hào)值按一定的比例縮放為16位整數(shù)SI保存，縮放比scales和截距offsets參數(shù)用SDS數(shù)據(jù)集的屬性保存起來。定標(biāo)后的單位為W/m2/μm/sr。例如，太陽反射波段定標(biāo)的反射率產(chǎn)品通過式（1）導(dǎo)出：

1.2 太陽高度角校正

衛(wèi)星探測(cè)過程中，由于探測(cè)點(diǎn)的太陽高度角不同，造成了探測(cè)值的偏差，其值隨太陽高度角增大而增大。因此，在圖像處理中，需把不同太陽高度角下的探測(cè)數(shù)據(jù)換算成相當(dāng)于太陽處于天頂時(shí)的數(shù)據(jù)，即式中，Rc為訂正后的反射率；R（Zs）為定標(biāo)后的反射率；Zs為太陽高度角。

1.3 條帶噪聲去除

MODIS工作時(shí)同時(shí)獲取多種分辨率數(shù)據(jù)，多元并掃，相鄰的掃描線在亮度方面會(huì)產(chǎn)生不協(xié)調(diào)，表現(xiàn)為規(guī)則的橫向條帶[1-3]，嚴(yán)重影響了圖像的可讀性。但這種橫向條帶的分布具有清晰的規(guī)律性，即條帶間有固定的間隔，因此只要找出第一條帶噪聲所在位置，就可以對(duì)整幅影像進(jìn)行噪聲去除。本文采用加權(quán)平均法：如果某像素屬性值相對(duì)于上下2個(gè)像素的屬性的平均值增加的百分比超過閾值T，就認(rèn)為該點(diǎn)為“噪聲像素”。統(tǒng)計(jì)每行“噪聲像素”的數(shù)量，以行號(hào)為橫坐標(biāo)、每行的“噪聲像素”數(shù)為縱坐標(biāo)制作統(tǒng)計(jì)曲線圖，異常突起的峰值對(duì)應(yīng)行就是條帶噪聲所在行。定位出噪聲行位置后，采用插值平均法得到的行數(shù)據(jù)值代替原來的噪聲行。

1.4 “蝴蝶結(jié)”現(xiàn)象及幾何校正

MODIS在正常掃描狀況下，會(huì)有很大部分的數(shù)據(jù)重疊。這種現(xiàn)象稱為“蝴蝶結(jié)”效應(yīng)，如圖1圓圈所示。郭廣猛提出了以數(shù)據(jù)間的相關(guān)性為判斷依據(jù)計(jì)算各列像元的重復(fù)數(shù)量[4]。本文采用雙線性內(nèi)插法，使用鄰近4個(gè)點(diǎn)的像元值，按照其與內(nèi)插點(diǎn)的距離賦予不同的權(quán)重，進(jìn)行線性內(nèi)插，可在進(jìn)行幾何校正時(shí)同時(shí)完成。在對(duì)MODIS影像作幾何校正時(shí)，本文利用了MODIS數(shù)據(jù)本身就包含比較精確的空間坐標(biāo)文件的特點(diǎn)，采用其自帶的經(jīng)緯坐標(biāo)進(jìn)行像素糾正，該坐標(biāo)文件大小與1 000 m分辨率數(shù)據(jù)文件一致，即2 030×1 354，因此針對(duì)1 000 m分辨率文件幾何校正時(shí)無需對(duì)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)插值，校正精度高，計(jì)算速度快。針對(duì)250 m、500 m分辨率文件幾何校正仍需插值，但是插值幅度小。彩色圓圈所在的河流有明顯的重疊現(xiàn)象，經(jīng)過校正后，重疊現(xiàn)象消失，地物分布連續(xù)而正常，見圖2。

圖1 MODIS數(shù)據(jù)的“蝴蝶結(jié)”效應(yīng)示意圖

圖2 幾何校正并去除“蝴蝶結(jié)”效應(yīng)后的影像圖

2 大氣校正處理

MODIS L1B原始數(shù)據(jù)記錄的是傳感器所接收到的各波段總的反射率數(shù)據(jù)尺度值和輻射率尺度值。星載傳感器所測(cè)得的輻射亮度值Lt可分解為下列多項(xiàng)之和[5]：

式中，Lr為瑞利輻射率；La為純粹由氣溶膠散射所構(gòu)成的路徑輻射及相應(yīng)的海面對(duì)漫輻射的直接反射；Lra代表分子散射與氣溶膠散射的多次散射項(xiàng)；Lg為太陽耀斑輻射率；Lf為海浪“白帽”效應(yīng)產(chǎn)生的輻射率；Lb為來自海底的反射輻射率；t是來自海洋通過大氣到達(dá)衛(wèi)星信號(hào)的大氣漫射透過率；T為大氣直射透過率[6]；Lw為離水輻射率。

海色遙感是為反演出各水色因子的濃度而進(jìn)行的定量研究，因此經(jīng)過了海表水體的浮游生物、懸浮顆粒等的輻射數(shù)據(jù)及離水輻射率才具有真實(shí)意義。其計(jì)算公式為：

事實(shí)上離水輻射率在衛(wèi)星接收到的總輻射率中所占比例相當(dāng)小。用式（4）方法計(jì)算Lw只適用于一類清潔水體，對(duì)于較為混濁的二類水體，如果依然采用標(biāo)準(zhǔn)大氣校正算法，將會(huì)高估氣溶膠輻射值，使得離水輻射率為0甚至出現(xiàn)負(fù)值。以長江口為例，長江口海域泥沙含量高，利用標(biāo)準(zhǔn)算法則近岸的離水輻射率值無法計(jì)算出來，而只有在離長江口較遠(yuǎn)海清潔水體才能計(jì)算出離水輻射率值。因此，如果要計(jì)算近岸離水輻射率值，需改進(jìn)大氣校正算法。

國內(nèi)外許多學(xué)者都在這方面做了有益的嘗試[7,8]。Gordon[9]曾發(fā)現(xiàn)無論清潔水體或混濁水體，其765 nm和865 nm 2個(gè)波段的離水輻射率值和氣溶膠輻射均存在極大的相關(guān)性。由于MODIS在近紅外中心波段設(shè)置為748 nm和869 nm，因此本文采用這2個(gè)波段對(duì)長江口海域的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正。首先利用SEADAS標(biāo)準(zhǔn)大氣校正算法得到748 nm和869 nm2個(gè)波段的總輻射值Lt和瑞利散射值Lr，定義Lt-r（λ）=Lt（λ）-Lr（λ），λ為波長，以Lt-r（869）為橫坐標(biāo)，Lt-r（748）為縱坐標(biāo)，分別選取一塊較為清潔的水體和一塊渾濁水體，并利用在清潔水體中離水輻射率Lw幾近為0的特性，分別建立了2個(gè)波段在去除了瑞利散射后的散射值的回歸關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其具有極強(qiáng)的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0．947 4和0．941 4，見圖3、圖4。

圖3 潔凈水體748 nm和869 nm波段Lt-r相關(guān)性分析圖

圖4 混濁水體748 nm和869 nm波段Lt-r相關(guān)性分析圖

大氣校正的關(guān)鍵在于對(duì)氣溶膠散射和多次散射的處理，定義Lam=La+Lra，下標(biāo)m表示多次散射。由于在上面的統(tǒng)計(jì)計(jì)算中，得到748 nm和869 nm2個(gè)波段具有明顯的線性關(guān)系和空間一致性，并且氣溶膠在一定區(qū)域內(nèi)具有相對(duì)穩(wěn)定性，因此假設(shè)長江口及附近海域的大氣組成成分均勻，氣溶膠光學(xué)厚度不變[7]，可認(rèn)為該二類水體區(qū)域的離水輻射率也具有某種線性關(guān)系，并利用清潔水體中748 nm和869 nm波段離水輻射率為0的特性（即Lam=Lt-Lr=Lt-r），可將這2個(gè)波段的氣溶膠多次散射之間的關(guān)系表示為式：

式中，上標(biāo)7、8分別代表748 nm和869 nm波段。對(duì)于不同的海域，可通過回歸關(guān)系選擇不同的ε7.8、ε7.8wam

和c值作為大氣校正因子，然后求出氣溶膠多次散射值，將式（5）、式（6）代入Lt-r=Lt-Lr=Lam+Lw，則可以得出下列2個(gè)等式：

解上述方程得：

這樣就得到748 nm和869 nm 2個(gè)波段的氣溶膠散射值。然后就利用外推的方法計(jì)算出其他波段的氣溶膠散射值：

式中，ε（7．8）=（748/869）C；C= ln（La7m*Fs8/La8m*Fs7）/ln(748/869)；C為外推系數(shù)；Fs為經(jīng)太陽－地球距離校正后的輻照度。最后利用式（4）計(jì)算出各波段的離水輻射率值。

圖5 2種大氣校正方法的比較

圖5 b為利用改進(jìn)大氣校正計(jì)算的412 nm波段的離水輻射率值圖。可以看出，已算出大部分區(qū)域的離水輻射率，紅色方框代表同一區(qū)域，但是仍然有部分區(qū)域數(shù)值為0（近岸黑色區(qū)域），這是因?yàn)樵搮^(qū)域的原始Lt值就為0，因而無法計(jì)算。完成一系列數(shù)據(jù)預(yù)處理后，便得到了MODIS 2級(jí)產(chǎn)品，各波段的離水輻射率、遙感反射率等，為后續(xù)的計(jì)算打下了基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語

進(jìn)行海洋水色遙感反演需要獲取數(shù)據(jù)處理的主動(dòng)權(quán)，也就是能根據(jù)研究的需要，自由對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，現(xiàn)有的處理軟件只能是輔助，而不能局限數(shù)據(jù)處理。例如，采用ENVI軟件處理后的數(shù)據(jù)無法被SEADAS識(shí)別，而SEADAS在大氣校正方面比ENVI強(qiáng)大，而這2款軟件都無法進(jìn)行條帶噪聲去除。因此進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理就必須掌握各步驟的原理，加上目前并沒有一款軟件可實(shí)現(xiàn)MODIS完整的預(yù)處理過程，如果能編程實(shí)現(xiàn)各預(yù)處理過程，將極大提高數(shù)據(jù)使用的靈活性。此外，二類水體大氣校正一直是海色遙感的難點(diǎn)，各海域的大氣參數(shù)、水質(zhì)特點(diǎn)等均不相同，因此要進(jìn)行更加精確的大氣校正，需要對(duì)所研究海域做長時(shí)間序列的遙感反演與地面數(shù)據(jù)研究，找到適合研究海域的反演參數(shù)。

[1] Masuoka E, Fleig A， Wolfe R E, et al． Key Characteristics of MODIS Data Products[J]． IEEE Transactions on, Geoscience and Remote Sensing,1998, 36(4): 1 313- 1 323

[2] MDST Attitude and Ephemeris User Guide[EB/OL]． http:// daac．gsfc．nasa．gov/MODIS/FAQ/A_ephem_att_user_guide．shtml, 2013-03-29

[3] 黃曉園，周汝良，羅輝．MODIS影像條帶噪聲去除鄰域插值法研究[J]．地理空間信息，2008，6(1):101-103

[4] 郭廣猛． 關(guān)于MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的幾何校正方法[J]．遙感信息，2002(3)：26-28

[5] Gordon H R, Wang M． Rretrieval of Water-leaving Radiance and Aerosol Optical Thickness over the Oceans with SeaWiFS: A Preliminary Algorithm[J]． Applied Optics,1994,33:443-452

[6] Kevin G R, Fabrice O, Machteld R． Atmospheric Correction of SeaWiFS Imagery for Turbid Coastal and Island Waters[J]．Applied Optics,2000,39(6):897-912

[7] 韋鈞，陳楚群，施平． 一種實(shí)用的二類水體SeaWiFS資料大氣校正方法[J]．海洋學(xué)報(bào)，2002，24(4):118-126

[8] Wang Meng-hua． A Sensitivity Study of the SeaWiFS Atmospheric Correction Algorithm: Effects of Spectral Band Variations[J]． Remote Sensing Environ,1999,67:348-359

[9] Wang M, Gordon H R． A Simple Moderately Accurate Atmospheric Correction Algorithm for SeaWiFS[J]． Remote Sensing of Environment,1994,50:231-239

P237.3

B

1672-4623（2014）01-0093-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.01.032

袁媛，助理研究員，主要從事地形變監(jiān)測(cè)及遙感應(yīng)用研究。

2013-03-29。

項(xiàng)目來源：上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)重點(diǎn)資助項(xiàng)目（09DZ1201000）；上海市地震局科技專項(xiàng)（2012專5）。