Landsat5TM数据辐射定标

ａ２／ＤＮ·（Ｗ·ｍ－ ２· ｓｒ－ １·μｍ－ １）－ １ １．２４３ ０．６５６ １ ０．９０５ ０ １．０８２ ０ ８．２０９ １４．７０
１ Ｌａ ｎｄｓ ａ ｔ ５ ＴＭ 数据产品辐射定标
Ｌａｎｄｓａｔ ５ ＴＭ 数据产品包括 ０ 级产品 （ Ｌ０） 和 １ 级产品 （ Ｌ１） 。０ 级产品（ 也称为 ｒａｗ ｄａｔａ） 记录的是传感器对地表辐射 的线性响应值， 量化为 ８ 位， ０ 级产品没有经过任何辐射和几 何校正。通常用户拿到的都是 １ 级产品， 从 ０ 级产品到 １ 级 产品生产过程中， 对 ０ 级产品进行了辐射定标， 从 ０ 级产品 ＤＮ 值计算出辐射亮度值（ 以 ３２ 位浮点数表示） ， 然后将其进 行线性变换， 转换为 ８ 位 ＤＮ 值提供给用户。
目前辐射定标包括 ３ 个方面的内容： ① 发射前的实验 室定标； ② 基于星载定标器的飞行中定标； ③ 在轨运行期 间采用基于陆地（ 或海面） 特性的“替代定标”， 或借助其他卫 星进行的“交叉定标”［１］。辐射定标贯穿卫星整个生命周期， 是 保持卫星数据精度的一项非常重要的基础工作。通过辐射定 标， 可以监测传感器的性能变化， 并定期或不定期地给出传感 器的辐射定标系数。
美国地质调查局（ ＵＳ ＧＳ ） 分别在 ２００３ 年 ５ 月和 ２００７ 年 ４ 月对其辐射定标算法进行了两次更新， 新算法采用基于查找表的定标算
法， 和 Ｌａ ｎｄｓ ａ ｔ ７ ＥＴＭ＋的定标算法相似。但是目前在遥感定量应用中对 ＴＭ 数据的辐射定标问题存在混乱状况， 影响了定标精度。
针对此状况， 对 Ｌａ ｎｄｓ ａ ｔ ５ ＴＭ 数据辐射定标问题进行了系统介绍， 重点分析了定标算法变化情况， 为正确进行 Ｌａ ｎｄｓ ａ ｔ ５ ＴＭ 数据
研究论文（ Ａｒｔｉｃｌｅ ｓ ）
Ｌａ ｎｄｓ ａ ｔ ５ ＴＭ 数据辐射定标
张兆明 ， １，２，３ 何国金 ２
１． 中国科学院遥感应用研究所， 北京 １００１０１ ２． 中国科学院对地观测与数字地球科学中心， 北京 １００１９０ ３． 中国科学院研究生院， 北京 １０００３９
摘要 Ｌａ ｎｄｓ ａ ｔ ５ 卫星自 １９８４ 年 ３ 月 １ 日发射以来已成功运转 ２４ ａ ， 在 Ｌａ ｎｄｓ ａ ｔ ５ ＴＭ 的数据处理历史中， 为提高辐射定标精度，
Ｌａｎｄｓａｔ ５ 卫星发射于 １９８４ 年 ３ 月 １ 日， 星上携带多光 谱 扫 描 仪 （ Ｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌ Ｓｃａｎｎｅｒ， ＭＳＳ） 和 专 题 制 图 仪 （ Ｔｈｅｍａｔｉｃ Ｍａｐｐｅｒ， ＴＭ） ， 其 中 ＭＳＳ 在 １９９２ 年 底 停 止 接 收 数 据， ＴＭ 迄今一直正常运转， 积累了长达 ２４ ａ 的中分辨率对地 观测数据。ＴＭ 共有 ７ 个光谱波段， 其中 １￣５ 和 ７ 波段是可见 光－ 近红外波段， 空间分辨率为 ３０ ｍ， 第 ６ 波段是热红外波 段 ， 空 间 分 辨 率 为 １２０ ｍ， 各 波 段 的 中 心 波 长 大 致 为 ０．４９， ０．５６， ０．６６， ０．８３， １．６７， １１．５ 和 ２．２４ μｍ。ＴＭ 的探测器共有 １００ 个， 分 ７ 个波段， １￣５ 和 ７ 波段探测器每组 １６ 个， 呈两行 错开排列， ＴＭ１ 至 ＴＭ４ 用硅探测器（ 即 ＣＣＤ 探 测 阵列 ） ， ＴＭ５ 和 ＴＭ７ 各用 １６ 个锑化铟红外探测器， 其排列和 ＴＭ１ 至 ＴＭ４ 一样。ＴＭ６ 用 ４ 个汞镉碲热红外探测器， 也成两行排列。ＴＭ１ 至 ＴＭ５ 及 ＴＭ７ 每个探测器的瞬时视场在地面上为 ３０ ｍ×３０ ｍ， ＴＭ６ 为 １２０ ｍ×１２０ ｍ。
定量遥感技术的发展， 全球资源和环境变化的遥感监测 以 及 多 光 谱 、多 时 相 和 多 种 卫 星 传 感 器 遥 感 数 据 的 综 合 应 用 和定量分析技术的发展， 迫切地对卫星传感器的辐射定标提 出高精度的要求。为提高辐射定标精度， ２０ 世纪 ７０ 年代， 国 外航天大国开始研究利用地面大面积稳定目标对卫星遥感 仪器进行在轨辐射定标， 美国宇航局（ ＮＡＳＡ） 和亚利桑那大学 光学科学中心利用美国新墨西哥州的白沙场， 对 Ｌａｎｄｓａｔ 等
辐射定标提供参考。
关键词 Ｌａ ｎｄｓ ａ ｔ ５ ＴＭ； 辐射定标； 查找表
中图分类号 ＴＰ ７５１．１
文献标识码 Ａ
文章编号 １０００－ ７８５７（２００８）０７－ ００５４－ ０５
Ｒａｄｉｏｍｅｔｒ ｉｃ Ｃａｌｉｂｒ ａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｎｄｓａｔ ５ ＴＭ Ｄａｔａ
ＺＨＡＮＧ Ｚｈａｏｍｉｎｇ１，２，３， ＨＥ Ｇｕｏｊｉｎ２
Ｌａｎｄｓａｔ ５ 卫 星 由 ＮＡＳＡ 研 制 和 发 射 ， 经 过 在 轨 测 试 ， Ｌａｎｄｓａｔ ５ 最 初 由 美 国 国 家海 洋 和 大 气 管 理 局 （ ＮＯＡＡ） 管 理 。 １９８５ 年 ９ 月， Ｌａｎｄｓａｔ ５ 的日常运转移交给地球观测卫星公司 （ ＥＯＳＡＴ， 即后来的 Ｓｐａｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ 公司） 负责。在 ２００１ 年 ７ 月， Ｌａｎｄｓａｔ ５ 以及全部存档数据又移交给 ＵＳＧＳ。同时， 美国 先后有 ３ 套针对 Ｌａｎｄｓａｔ ５ 卫星数据产品的生产系统， 第 １ 个 是 ＴＭ 图像处理系统 （ ＴＭ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ， ＴＩＰＳ） ， 由 ＮＯＡＡ 和 ＥＯＳＡＴ 公 司 使 用 ； １９９１ 年 １０ 月 ， ＥＯＳＡＴ 公 司 将 ＴＩＰＳ 系 统 升 级 为 增 强 型 图 像 处 理 系 统 （ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ， ＥＩＰＳ） ； 之后， ＵＳＧＳ 处理 Ｌａｎｄｓａｔ ５ 卫 星 数 据 时 则 使 用 国 家 陆 地 卫 星 存 档 生 产 系 统 （ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｎｄｓａｔ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ， ＮＬＡＰＳ） 。
收稿日期： ２００８－ ０３－ ０３ 基金项目： 国家自然科学基金项目（ ６０２７２０３２） 作者简介： 张兆明， 北京市北三环西路 ４５ 号中国科学院中国遥感卫星地面站， 博士研究生， Ｅ－ ｍａｉｌ： ｚｍｚｈａｎｇ＠ｎｅ．ｒｓｇｓ．ａｃ．ｃｎ； 何国金（ 通讯作者） ， 北京市北
三环西路 ４５ 号中国科学院对地观测与数字地球科学中心， 研究员， Ｅ－ ｍａｉｌ： ｇｊｈｅ＠ｎｅ．ｒｓｇｓ．ａｃ．ｃｎ
Ｌａｎｄｓａｔ ５ 卫星 迄 今 已 运 转 ２４ ａ， 仪 器 逐 渐 老 化 ， 为 了 保 持数据的一致性和数据精度， 各研究机构对 Ｌａｎｄｓａｔ ５ 卫星数 据的辐射定标进行了长期的研究。
Ｑ＝ＧＬλ＋Ｂ
（ １）
故
Ｌλ＝
（Ｑ－ Ｂ） Ｇ
（ ２）
其 中 ， Ｑ 是 ０ 级 产 品 的 存 储 值 （ ＤＮ） ， Ｇ 是 传 感 器 的 增 益
１． Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１０１， Ｃｈｉｎａ
２． Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｅａｒｔｈ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅａｒｔｈ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９０， Ｃｈｉｎａ
５４ 科技导报 ２００８， ２６（ ７）
研究论文（ Ａｒｔｉｃｌｅ ｓ ）
多颗卫星传感器进行了绝对辐射定标试验； 法国利用马赛附 近 的 Ｌａ Ｃｒａｕ 试 验 场 对 ＳＰＯＴ ＨＲＶ 传 感 器 进 行 了 辐 射 定 标 。 从 １９９３ 年开始我国以敦煌戈壁作为可见光近红外波段辐射 校正场， 以青海湖广阔的水面作为热红外波段辐射校正场， 开始了中国遥感卫星辐射校正场项目的建设和辐射定标方 法与技术的研究。
０ 引言
随着遥感技术的迅速发展， 遥感应用逐渐从定性走向定 量， 辐射定标是实现遥感信息定量化的基本前提。
通常遥感数字图像给出的是像元 ＤＮ 值。利用 ＤＮ 值， 只 能进行同景图像内部的相对比较。全球资源和环境变化研究 要 求 遥 感 技 术 能 够 提 供 长 时 相 、多 区 域 、多 种 传 感 器 的 遥 感 数 据。只有将图像 ＤＮ 值转换成对应像元的辐射亮度值， 才能对 不同地点、不同时间和不同类型传感器获取的遥感数据进行 定量比较与应用， 以满足全球资源和环境变化研究的需要， 而 这个转换过程就称为辐射定标。
（ ＤＮ／（ Ｗ·ｍ－２·ｓｒ－１·μｍ－１） ） ， Ｂ 是传感器偏置 （ ＤＮ） ， Ｌλ是传感器 入瞳处的光谱辐射亮度（ Ｗ／（ ｍ２·ｓｒ·μｍ） ） ， 可见计算光谱辐射
亮度的关键在于确定 Ｇ 和 Ｂ。
Ｌａｎｄｓａｔ ５ ＴＭ 长期以来一直采用基于星上内部定标灯的
辐射定标算法， 然而随着内部定标灯的逐渐老化， 定标精度
日） ） ， ａ０， ａ１ 和 ａ２ 为系数。 ２００３ 年采 用 的 新 定 标 算 法 中 传感 器 增 益 函 数 各 波 段 的
系数见表 １［３］。
表 １ Ｌａ ｎｄｓ ａ ｔ ５ ＴＭ 传感器增益函数各波段系数 Ｔａｂｌｅ １ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｆｏｒ ｔｉｍｅ－ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ
利。
研究发现各反射波段传感器增益随时间呈指数函数变
化， 变化形式如下［２］
Ｇｎｅｗ（ｔ）＝ａ０·ｅｘｐ（－ ａ１（ｔ－ １９８４．２０８２））＋ａ２
（ ３）
其中 ， ｔ 是 以 小 数 表 示 的 年 份 （ １９８４．２０８２ 指 “时 间 ０”， 即 存 档
的 第 一 景 Ｌａｎｄｓａｔ ５ ＴＭ 数 据 的 接 收 时 间 （ １９８４ 年 ３ 月 １６
越来越差。为提高定标精度， ＵＳＧＳ 在 ２００３ 年 ５ 月采用 了 一
种新的定标算法， 即利用查找表（ Ｌｏｏｋ Ｕｐ Ｔａｂｌｅ， ＬＵＴ） 对 ＴＭ
的反射波段进行辐射定标， 该方法与 Ｌａｎｄｓａｔ ７ ＥＴＭ＋的定标
方法相似， 从而使得这两颗卫星的数据更具有一致性， 给综
合利用这两颗卫星数据进行长期持续性地表研究带来了便
３． Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ Байду номын сангаасｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９， Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓ ｔｒａｃｔ Ｌａｎｄｓａｔ ５ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｌａｕｎｃｈｅｄ ｏｎ Ｍａｒｃｈ １， １９８４ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｗｅｌｌ ｆｏｒ ｏｖｅｒ ２３ ｙｅａｒｓ． Ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｏｆ Ｌａｎｄｓａｔ ５， ＵＳＧＳ ｕｐｄａｔｅｄ ｉｔｓ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｏｎ Ｍａｙ， ２００３ ａｎｄ Ａｐｒｉｌ， ２００７， ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ， ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ ｏｖｅｒ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ ｗｉｔｈ Ｌａｎｄｓａｔ ７ ＥＴＭ＋ ｄａｔａ． Ｎｏｗ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍｕｃｈ ｃｏｎｆｕｓｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｎｄｓａｔ ５ ＴＭ ｄａｔａ ｗｈｉｃｈ ｍａｙ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ｏｎ ｔｈｅ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＴＭ ｄａｔａ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ， ｔｏ ｈｅｌｐ ｕｓｅｒｓ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｔｈｅ ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｏｒｒｅｃｔｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｌａｎｄｓａｔ ５ ＴＭ； ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ； ｌｏｏｋ ｕｐ ｔａｂｌｅ
ｏｆ Ｌａｎｄｓ ａｔ ５ ＴＭ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｇａｉｎ
系数 波段
１ ２ ３ ４ ５ ７
ａ０／ＤＮ·（Ｗ·ｍ－ ２· ｓｒ－ １·μｍ－ １）－ １ ０．１４５ ７ ０．０５８ ６５ ０．１１１ ９ ０．１０７ ７ ０．２６３ ０ ０．５０２ ７
ａ１／ａ－ １
０．９５５ １ ０．８３６ ０ １．００２ １．２７７ １．０９３ ０．９７９ ５