GIS-Lab - Вклад [ru]

Создание открытого слоя геоданных по ООПТ регионального значения

2016-02-01T16:00:27Z

Константин Силкин: /* Координационная таблица */

{{Статья|Черновик}}

== Цели и задачи проекта ==

Эти геоданные появились в результате коллективного проекта на GIS-Lab.info.

'''Цель проекта''': создать набор открытых геоданных по особо охраняемым территориям (ООПТ) регионального значения на основе официальных источников.

'''Зачем''': созданный слой открытых данных будет общедоступен, и сможет быть использован в различных картографических проектах, связанных с охраной природы и вопросами ООПТ. Мы полагаем, что эта работа поможет как авторам природоохранных проектов, так и государственным и прочим организациям, в том числе, научным, скоординировать свои действия и не путаться при работе с геоданными по региональным ООПТ.

== Участники ==

[http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9386 Игорь Лебедь], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=16624 Рябцев], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9242 Александр Деловеров], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18491 Дмитрий Сарычев], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=12627 Константин Силкин]

Надеемся, список будет пополняться!

== Описание данных ==

Исходные данные представляют собой структурированную базу данных в виде шейп-файла (прочие форматы будут обсуждаться после, возможно, PostGIS и geopackage) по региональным ООПТ, обязательно содержащие ссылки на нормативно-правовые акты региональных и федеральных властей, в которых опубликованы утвержденные этими органами координаты региональным ООПТ.

Два уровня данных:
1) ссылки нет (или текстовое описание типа "по границе лесного квартала до ручья у канавы вдоль тропинки...") - данные не утверждены, так как нет официально опубликованных границ лесных кварталов
2) ссылка на PDF, опубликованного НПА - такие данные считаются законченными в рамках проекта, (или если есть текстовое описание типа "по границе лесного квартала до ручья у канавы вдоль тропинки...", а также документы, где утверждена граница лесного квартала, канавы, тропинки и проч., тогда в виде дополнительной ссылки на эти документы) как вариант пока можно считать утверждёнными РООПТ, поставленные на кадастровый учёт, тогда здесь кроме ссылки нужно писать кадастровый номер или ссылку на кадастровую выписку или КПТ (как появятся примеры, появится наверно и отдельное поле).

'''Цели проекта''' — в первую очередь, опубликовать открытый общий слой региональных ООПТ, доступный для просмотра и работы с ним в настольных ГИС-приложениях, например, в QGIS.

Вопросы публикации, API, WMS, интеграции с другими ресурсами важны, но не являются первоочередными.
Данные будут представлены в виде общего слоя геоданных по России, в перспективе — выборки по уровню данных и по регионам.

=== Слой геоданных: ===
''[https://yadi.sk/d/WE1f3JZokzKcy 20151205_1327]''

''[https://yadi.sk/d/yqyOjM1mkzz6L 20151206_0208]''

''[https://yadi.sk/d/UIxMzpybm3R63 20151207_1102]''

''[https://yadi.sk/d/v7Iwundpm3hmp 20151207_1434]''

''[https://yadi.sk/d/AVsx-9IKm3nDd 20151207_1520]''

''[https://yadi.sk/d/fBRF9mAem4eRH 20151208_0139]''

''[https://yadi.sk/d/pRmuT8PwmCTUV 20151213_2021]''

''[https://yadi.sk/d/OlhH0V1MmcEkW 20151231_0423]''

''[https://yadi.sk/d/jiHPEEQco7sHd 20160201_1900]''

=== Кодировка UTF-8 ===
=== Проекция EPSG=4326 ===

'''''Описание полей:'''''

{| class="wikitable"
|-
! Название поля !! тип и количество знаков !! описание !! пример
|-
| Id || N,10,0 || Идентификатор || 2004
|-
| Name_rus || C,254 || Русское название || Урочище Ольхи
|-
| Name_engl || C,254 || Английское название || Alders Landscape
|-
| Category || C,254 || Категория || Памятник природы
|-
| Importance || C,254 || Значение || Региональное
|-
| Profil || C,100 || Профиль || Комплексный, ландшафтный
|-
| Region || C,50 || Субъект РФ || Воронежская область
|-
| Rayon || C,50 || Муниципальное образование в составе субъекта || Новохопёрский
|-
| Tek_status || C,50 || Текущий статус || Действующий на 01.09.2014
|-
| Data_sozd || C,50 || Дата создания ООПТ || 28.05.1998
|-
| SQW_HA || N,19,11 || Площадь, га || 2
|-
| Care_objec || C,254 || Объект охраны || Природные комплексы хвойно-широколиственных лесов
|-
| Descriptio || C,254 || Описание || Хорошо сохранившийся мало-нарушенный ландшафт
|-
| Link_o_doc || C,254 || Ссылки на документы без координат || http://oopt.aari.ru/oopt/%D0%A3%D1%80%D0%BE%D1%87%D0%B8%D1%89%D0%B5-%D0%9E%D0%BB%D1%8C%D1%85%D0%B8
|-
| Dop_INF || C,254 || Дополнительная информация || Л.Х. регламент Новохопёрского лесничества
|-
| Vedomstvo || C,254 || Ответственная организация || Департамент природных ресурсов и экологии Воронежской области
|-
| Internatio || C,254 || Международный статус || нет
|-
| IUCN || C,50 || IUCN || нет
|-
| Place || C,254 || Описание местоположения || В пойме реки Елань, Новохопёрское лесничество
|-
| '''Bordstatus''' || C,254 || ссылка на официальный документ, если нет (или заполнено текстовым описанием), данные неутвержденные, если поле не заполнено, данные считаются неутвержденными, большая просьба приводить только ссылки на официальные документы, иначе текст или оставлять пустым! || https://yadi.sk/i/01OMNxYYkgP2K
|-
| Gislabuser || C,254 || Участник ГИС-ЛАБ, внесший информацию || Пётр Пустота
|-
| HHHHMMYY || N,8,0 || Дата внесения информации || 20151201
|}

== Координационная таблица ==

{| class="wikitable"
|-
! № !! регион !! добавил участник !! дата
|-
| 11 || Республика Коми || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 29 || Архангельская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 35 || Вологодская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 36 || Воронежская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9386 Игорь Лебедь] || 20151201
|-
| 38 || Иркутская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9242 Александр Деловеров] || 20151207
|-
| 48 || Липецкая область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18491 Дмитрий Сарычев] || 20151231
|-
| 50 || Московская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 53 || Новгородская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=16624 Рябцев] || 20151201
|-
| 66 || Свердловская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 76 || Ярославская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 89 || Ямало-Ненецкий автономный округ || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 36 || Воронежская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=12627 Константин Силкин] || 20160201
|-
| 999 || добавляйте || кто геокодировал координаты || ГГГГММДД
|}

Добавляете (merge) объекты в шейп,
'''добавляете''' архив (не удаляйте предыдущий, добавляйте ниже, пока для безопасности надо хранить историю правок), обязательно заполните три последних поля в таблице атрибутов шейпфайла, они прописаны в проект-вики.

Желательно отметиться и в координационной таблице выше.
Число объектов от каждого участника посчитаем потом, пока только вписываем имя участника напротив объекта в атрибутах шейп-файла и имя участника в координационной таблице.

Вопросы по почте: gis-engineer@mail.ru

Координатор (пока) - [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9386 Игорь Лебедь].

== Спасибо! ==

Обсуждение ООПТ регионального значения на форуме — [http://gis-lab.info/forum/viewtopic.php?f=58&t=16354 здесь].

Обсуждение проекта на форуме — [http://gis-lab.info/forum/viewtopic.php?f=50&t=20243 здесь].

Создание открытого слоя геоданных по ООПТ регионального значения

2016-02-01T15:58:41Z

Константин Силкин: /* Слой геоданных: */

{{Статья|Черновик}}

== Цели и задачи проекта ==

Эти геоданные появились в результате коллективного проекта на GIS-Lab.info.

'''Цель проекта''': создать набор открытых геоданных по особо охраняемым территориям (ООПТ) регионального значения на основе официальных источников.

'''Зачем''': созданный слой открытых данных будет общедоступен, и сможет быть использован в различных картографических проектах, связанных с охраной природы и вопросами ООПТ. Мы полагаем, что эта работа поможет как авторам природоохранных проектов, так и государственным и прочим организациям, в том числе, научным, скоординировать свои действия и не путаться при работе с геоданными по региональным ООПТ.

== Участники ==

[http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9386 Игорь Лебедь], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=16624 Рябцев], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9242 Александр Деловеров], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18491 Дмитрий Сарычев], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=12627 Константин Силкин]

Надеемся, список будет пополняться!

== Описание данных ==

Исходные данные представляют собой структурированную базу данных в виде шейп-файла (прочие форматы будут обсуждаться после, возможно, PostGIS и geopackage) по региональным ООПТ, обязательно содержащие ссылки на нормативно-правовые акты региональных и федеральных властей, в которых опубликованы утвержденные этими органами координаты региональным ООПТ.

Два уровня данных:
1) ссылки нет (или текстовое описание типа "по границе лесного квартала до ручья у канавы вдоль тропинки...") - данные не утверждены, так как нет официально опубликованных границ лесных кварталов
2) ссылка на PDF, опубликованного НПА - такие данные считаются законченными в рамках проекта, (или если есть текстовое описание типа "по границе лесного квартала до ручья у канавы вдоль тропинки...", а также документы, где утверждена граница лесного квартала, канавы, тропинки и проч., тогда в виде дополнительной ссылки на эти документы) как вариант пока можно считать утверждёнными РООПТ, поставленные на кадастровый учёт, тогда здесь кроме ссылки нужно писать кадастровый номер или ссылку на кадастровую выписку или КПТ (как появятся примеры, появится наверно и отдельное поле).

'''Цели проекта''' — в первую очередь, опубликовать открытый общий слой региональных ООПТ, доступный для просмотра и работы с ним в настольных ГИС-приложениях, например, в QGIS.

Вопросы публикации, API, WMS, интеграции с другими ресурсами важны, но не являются первоочередными.
Данные будут представлены в виде общего слоя геоданных по России, в перспективе — выборки по уровню данных и по регионам.

=== Слой геоданных: ===
''[https://yadi.sk/d/WE1f3JZokzKcy 20151205_1327]''

''[https://yadi.sk/d/yqyOjM1mkzz6L 20151206_0208]''

''[https://yadi.sk/d/UIxMzpybm3R63 20151207_1102]''

''[https://yadi.sk/d/v7Iwundpm3hmp 20151207_1434]''

''[https://yadi.sk/d/AVsx-9IKm3nDd 20151207_1520]''

''[https://yadi.sk/d/fBRF9mAem4eRH 20151208_0139]''

''[https://yadi.sk/d/pRmuT8PwmCTUV 20151213_2021]''

''[https://yadi.sk/d/OlhH0V1MmcEkW 20151231_0423]''

''[https://yadi.sk/d/jiHPEEQco7sHd 20160201_1900]''

=== Кодировка UTF-8 ===
=== Проекция EPSG=4326 ===

'''''Описание полей:'''''

{| class="wikitable"
|-
! Название поля !! тип и количество знаков !! описание !! пример
|-
| Id || N,10,0 || Идентификатор || 2004
|-
| Name_rus || C,254 || Русское название || Урочище Ольхи
|-
| Name_engl || C,254 || Английское название || Alders Landscape
|-
| Category || C,254 || Категория || Памятник природы
|-
| Importance || C,254 || Значение || Региональное
|-
| Profil || C,100 || Профиль || Комплексный, ландшафтный
|-
| Region || C,50 || Субъект РФ || Воронежская область
|-
| Rayon || C,50 || Муниципальное образование в составе субъекта || Новохопёрский
|-
| Tek_status || C,50 || Текущий статус || Действующий на 01.09.2014
|-
| Data_sozd || C,50 || Дата создания ООПТ || 28.05.1998
|-
| SQW_HA || N,19,11 || Площадь, га || 2
|-
| Care_objec || C,254 || Объект охраны || Природные комплексы хвойно-широколиственных лесов
|-
| Descriptio || C,254 || Описание || Хорошо сохранившийся мало-нарушенный ландшафт
|-
| Link_o_doc || C,254 || Ссылки на документы без координат || http://oopt.aari.ru/oopt/%D0%A3%D1%80%D0%BE%D1%87%D0%B8%D1%89%D0%B5-%D0%9E%D0%BB%D1%8C%D1%85%D0%B8
|-
| Dop_INF || C,254 || Дополнительная информация || Л.Х. регламент Новохопёрского лесничества
|-
| Vedomstvo || C,254 || Ответственная организация || Департамент природных ресурсов и экологии Воронежской области
|-
| Internatio || C,254 || Международный статус || нет
|-
| IUCN || C,50 || IUCN || нет
|-
| Place || C,254 || Описание местоположения || В пойме реки Елань, Новохопёрское лесничество
|-
| '''Bordstatus''' || C,254 || ссылка на официальный документ, если нет (или заполнено текстовым описанием), данные неутвержденные, если поле не заполнено, данные считаются неутвержденными, большая просьба приводить только ссылки на официальные документы, иначе текст или оставлять пустым! || https://yadi.sk/i/01OMNxYYkgP2K
|-
| Gislabuser || C,254 || Участник ГИС-ЛАБ, внесший информацию || Пётр Пустота
|-
| HHHHMMYY || N,8,0 || Дата внесения информации || 20151201
|}

== Координационная таблица ==

{| class="wikitable"
|-
! № !! регион !! добавил участник !! дата
|-
| 11 || Республика Коми || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 29 || Архангельская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 35 || Вологодская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 36 || Воронежская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9386 Игорь Лебедь] || 20151201
|-
| 38 || Иркутская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9242 Александр Деловеров] || 20151207
|-
| 48 || Липецкая область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18491 Дмитрий Сарычев] || 20151231
|-
| 50 || Московская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 53 || Новгородская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=16624 Рябцев] || 20151201
|-
| 66 || Свердловская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 76 || Ярославская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 89 || Ямало-Ненецкий автономный округ || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 999 || добавляйте || кто геокодировал координаты || ГГГГММДД
|}

Добавляете (merge) объекты в шейп,
'''добавляете''' архив (не удаляйте предыдущий, добавляйте ниже, пока для безопасности надо хранить историю правок), обязательно заполните три последних поля в таблице атрибутов шейпфайла, они прописаны в проект-вики.

Желательно отметиться и в координационной таблице выше.
Число объектов от каждого участника посчитаем потом, пока только вписываем имя участника напротив объекта в атрибутах шейп-файла и имя участника в координационной таблице.

Вопросы по почте: gis-engineer@mail.ru

Координатор (пока) - [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9386 Игорь Лебедь].

== Спасибо! ==

Обсуждение ООПТ регионального значения на форуме — [http://gis-lab.info/forum/viewtopic.php?f=58&t=16354 здесь].

Обсуждение проекта на форуме — [http://gis-lab.info/forum/viewtopic.php?f=50&t=20243 здесь].

Создание открытого слоя геоданных по ООПТ регионального значения

2016-02-01T15:53:34Z

Константин Силкин: /* Участники */

{{Статья|Черновик}}

== Цели и задачи проекта ==

Эти геоданные появились в результате коллективного проекта на GIS-Lab.info.

'''Цель проекта''': создать набор открытых геоданных по особо охраняемым территориям (ООПТ) регионального значения на основе официальных источников.

'''Зачем''': созданный слой открытых данных будет общедоступен, и сможет быть использован в различных картографических проектах, связанных с охраной природы и вопросами ООПТ. Мы полагаем, что эта работа поможет как авторам природоохранных проектов, так и государственным и прочим организациям, в том числе, научным, скоординировать свои действия и не путаться при работе с геоданными по региональным ООПТ.

== Участники ==

[http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9386 Игорь Лебедь], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=16624 Рябцев], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9242 Александр Деловеров], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18491 Дмитрий Сарычев], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=12627 Константин Силкин]

Надеемся, список будет пополняться!

== Описание данных ==

Исходные данные представляют собой структурированную базу данных в виде шейп-файла (прочие форматы будут обсуждаться после, возможно, PostGIS и geopackage) по региональным ООПТ, обязательно содержащие ссылки на нормативно-правовые акты региональных и федеральных властей, в которых опубликованы утвержденные этими органами координаты региональным ООПТ.

Два уровня данных:
1) ссылки нет (или текстовое описание типа "по границе лесного квартала до ручья у канавы вдоль тропинки...") - данные не утверждены, так как нет официально опубликованных границ лесных кварталов
2) ссылка на PDF, опубликованного НПА - такие данные считаются законченными в рамках проекта, (или если есть текстовое описание типа "по границе лесного квартала до ручья у канавы вдоль тропинки...", а также документы, где утверждена граница лесного квартала, канавы, тропинки и проч., тогда в виде дополнительной ссылки на эти документы) как вариант пока можно считать утверждёнными РООПТ, поставленные на кадастровый учёт, тогда здесь кроме ссылки нужно писать кадастровый номер или ссылку на кадастровую выписку или КПТ (как появятся примеры, появится наверно и отдельное поле).

'''Цели проекта''' — в первую очередь, опубликовать открытый общий слой региональных ООПТ, доступный для просмотра и работы с ним в настольных ГИС-приложениях, например, в QGIS.

Вопросы публикации, API, WMS, интеграции с другими ресурсами важны, но не являются первоочередными.
Данные будут представлены в виде общего слоя геоданных по России, в перспективе — выборки по уровню данных и по регионам.

=== Слой геоданных: ===
''[https://yadi.sk/d/WE1f3JZokzKcy 20151205_1327]''

''[https://yadi.sk/d/yqyOjM1mkzz6L 20151206_0208]''

''[https://yadi.sk/d/UIxMzpybm3R63 20151207_1102]''

''[https://yadi.sk/d/v7Iwundpm3hmp 20151207_1434]''

''[https://yadi.sk/d/AVsx-9IKm3nDd 20151207_1520]''

''[https://yadi.sk/d/fBRF9mAem4eRH 20151208_0139]''

''[https://yadi.sk/d/pRmuT8PwmCTUV 20151213_2021]''

''[https://yadi.sk/d/OlhH0V1MmcEkW 20151231_0423]''

=== Кодировка UTF-8 ===
=== Проекция EPSG=4326 ===

'''''Описание полей:'''''

{| class="wikitable"
|-
! Название поля !! тип и количество знаков !! описание !! пример
|-
| Id || N,10,0 || Идентификатор || 2004
|-
| Name_rus || C,254 || Русское название || Урочище Ольхи
|-
| Name_engl || C,254 || Английское название || Alders Landscape
|-
| Category || C,254 || Категория || Памятник природы
|-
| Importance || C,254 || Значение || Региональное
|-
| Profil || C,100 || Профиль || Комплексный, ландшафтный
|-
| Region || C,50 || Субъект РФ || Воронежская область
|-
| Rayon || C,50 || Муниципальное образование в составе субъекта || Новохопёрский
|-
| Tek_status || C,50 || Текущий статус || Действующий на 01.09.2014
|-
| Data_sozd || C,50 || Дата создания ООПТ || 28.05.1998
|-
| SQW_HA || N,19,11 || Площадь, га || 2
|-
| Care_objec || C,254 || Объект охраны || Природные комплексы хвойно-широколиственных лесов
|-
| Descriptio || C,254 || Описание || Хорошо сохранившийся мало-нарушенный ландшафт
|-
| Link_o_doc || C,254 || Ссылки на документы без координат || http://oopt.aari.ru/oopt/%D0%A3%D1%80%D0%BE%D1%87%D0%B8%D1%89%D0%B5-%D0%9E%D0%BB%D1%8C%D1%85%D0%B8
|-
| Dop_INF || C,254 || Дополнительная информация || Л.Х. регламент Новохопёрского лесничества
|-
| Vedomstvo || C,254 || Ответственная организация || Департамент природных ресурсов и экологии Воронежской области
|-
| Internatio || C,254 || Международный статус || нет
|-
| IUCN || C,50 || IUCN || нет
|-
| Place || C,254 || Описание местоположения || В пойме реки Елань, Новохопёрское лесничество
|-
| '''Bordstatus''' || C,254 || ссылка на официальный документ, если нет (или заполнено текстовым описанием), данные неутвержденные, если поле не заполнено, данные считаются неутвержденными, большая просьба приводить только ссылки на официальные документы, иначе текст или оставлять пустым! || https://yadi.sk/i/01OMNxYYkgP2K
|-
| Gislabuser || C,254 || Участник ГИС-ЛАБ, внесший информацию || Пётр Пустота
|-
| HHHHMMYY || N,8,0 || Дата внесения информации || 20151201
|}

== Координационная таблица ==

{| class="wikitable"
|-
! № !! регион !! добавил участник !! дата
|-
| 11 || Республика Коми || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 29 || Архангельская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 35 || Вологодская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 36 || Воронежская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9386 Игорь Лебедь] || 20151201
|-
| 38 || Иркутская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9242 Александр Деловеров] || 20151207
|-
| 48 || Липецкая область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18491 Дмитрий Сарычев] || 20151231
|-
| 50 || Московская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 53 || Новгородская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=16624 Рябцев] || 20151201
|-
| 66 || Свердловская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 76 || Ярославская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 89 || Ямало-Ненецкий автономный округ || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 999 || добавляйте || кто геокодировал координаты || ГГГГММДД
|}

Добавляете (merge) объекты в шейп,
'''добавляете''' архив (не удаляйте предыдущий, добавляйте ниже, пока для безопасности надо хранить историю правок), обязательно заполните три последних поля в таблице атрибутов шейпфайла, они прописаны в проект-вики.

Желательно отметиться и в координационной таблице выше.
Число объектов от каждого участника посчитаем потом, пока только вписываем имя участника напротив объекта в атрибутах шейп-файла и имя участника в координационной таблице.

Вопросы по почте: gis-engineer@mail.ru

Координатор (пока) - [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9386 Игорь Лебедь].

== Спасибо! ==

Обсуждение ООПТ регионального значения на форуме — [http://gis-lab.info/forum/viewtopic.php?f=58&t=16354 здесь].

Обсуждение проекта на форуме — [http://gis-lab.info/forum/viewtopic.php?f=50&t=20243 здесь].

Коррекция материалов Landsat

2015-12-15T04:49:13Z

Константин Силкин: /* Определение температуры земной поверхности */

{{Статья|Опубликована|landsat-data-correction}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \sin \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = M_R ~ Q + A_R. \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> можно найти в файле мета-данных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле. Из списка параметров, приведённых на рис. 2, должны быть выбраны RADIANCE_MULT (<math> \ M_R </math>) и RADIANCE_ADD (<math> \ A_R </math>), соответствующие нужному каналу.

[[Файл:LandsatTrans2a.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, альбедо <math> \ \rho </math> вычисляется проще:

<center>
<math> \rho = \frac {2 \cdot 10^{-5} ~ Q - 0{,}1} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> для сцены Landsat 8 также можно найти в файле метаданных (рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans5a.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8]]

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить радиояркостную температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формула 2).

Для Landsat 4-7 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (4) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы Landsat 4-7 для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (4) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также<ref>Landsat 8 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплава-нию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.usgs.gov/documents/Landsat8DataUsersHandbook.pdf. 2015 (дата обращения: 02.10.2015). – P. 61-62.</ref> и с помощью той же формулы (4) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 6.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

На нём видно, что городская территория уже хорошо прогревается тёплым весенним солнцем, в то время как за городом ещё лежит холодный снег. Одновременно выделяются интенсивные положительные аномалии от крупных заводов, ТЭЦ и очистных сооружений.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Создание открытого слоя геоданных по ООПТ регионального значения

2015-12-13T19:29:20Z

Константин Силкин: /* Слой геоданных: */

{{Статья|Черновик}}

== Цели и задачи проекта ==

Эти геоданные появились в результате коллективного проекта на GIS-Lab.info.

'''Цель проекта''': создать набор открытых геоданных по особо охраняемым территориям (ООПТ) регионального значения на основе официальных источников.

'''Зачем''': созданный слой открытых данных будет общедоступен, и сможет быть использован в различных картографических проектах, связанных с охраной природы и вопросами ООПТ. Мы полагаем, что эта работа поможет как авторам природоохранных проектов, так и государственным и прочим организациям, в том числе, научным, скоординировать свои действия и не путаться при работе с геоданными по региональным ООПТ.

== Участники ==

[http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9386 Игорь Лебедь], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=16624 Рябцев], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота], [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9242 Александр Деловеров]

Надеемся, список будет пополняться!

== Описание данных ==

Исходные данные представляют собой структурированную базу данных в виде шейп-файла (прочие форматы будут обсуждаться после, возможно, PostGIS и geopackage) по региональным ООПТ, обязательно содержащие ссылки на нормативно-правовые акты региональных и федеральных властей, в которых опубликованы утвержденные этими органами координаты региональным ООПТ.

Два уровня данных:
1) ссылки нет (или текстовое описание типа "по границе лесного квартала до ручья у канавы вдоль тропинки...") - данные не утверждены, так как нет официально опубликованных границ лесных кварталов
2) ссылка на PDF, опубликованного НПА - такие данные считаются законченными в рамках проекта, (или если есть текстовое описание типа "по границе лесного квартала до ручья у канавы вдоль тропинки...", а также документы, где утверждена граница лесного квартала, канавы, тропинки и проч., тогда в виде дополнительной ссылки на эти документы) как вариант пока можно считать утверждёнными РООПТ, поставленные на кадастровый учёт, тогда здесь кроме ссылки нужно писать кадастровый номер или ссылку на кадастровую выписку или КПТ (как появятся примеры, появится наверно и отдельное поле).

'''Цели проекта''' — в первую очередь, опубликовать открытый общий слой региональных ООПТ, доступный для просмотра и работы с ним в настольных ГИС-приложениях, например, в QGIS.

Вопросы публикации, API, WMS, интеграции с другими ресурсами важны, но не являются первоочередными.
Данные будут представлены в виде общего слоя геоданных по России, в перспективе — выборки по уровню данных и по регионам.

=== Слой геоданных: ===
''[https://yadi.sk/d/WE1f3JZokzKcy 20151205_1327]''

''[https://yadi.sk/d/yqyOjM1mkzz6L 20151206_0208]''

''[https://yadi.sk/d/UIxMzpybm3R63 20151207_1102]''

''[https://yadi.sk/d/v7Iwundpm3hmp 20151207_1434]''

''[https://yadi.sk/d/AVsx-9IKm3nDd 20151207_1520]''

''[https://yadi.sk/d/fBRF9mAem4eRH 20151208_0139]''

''[https://yadi.sk/d/pRmuT8PwmCTUV 20151213_2021]''

=== Кодировка UTF-8 ===
=== Проекция EPSG=4326 ===

'''''Описание полей:'''''

{| class="wikitable"
|-
! Название поля !! тип и количество знаков !! описание !! пример
|-
| Id || N,10,0 || Идентификатор || 2004
|-
| Name_rus || C,254 || Русское название || Урочище Ольхи
|-
| Name_engl || C,254 || Английское название || Alders Landscape
|-
| Category || C,254 || Категория || Памятник природы
|-
| Importance || C,254 || Значение || Региональное
|-
| Profil || C,100 || Профиль || Комплексный, ландшафтный
|-
| Region || C,50 || Субъект РФ || Воронежская область
|-
| Rayon || C,50 || Муниципальное образование в составе субъекта || Новохопёрский
|-
| Tek_status || C,50 || Текущий статус || Действующий на 01.09.2014
|-
| Data_sozd || C,50 || Дата создания ООПТ || 28.05.1998
|-
| SQW_HA || N,19,11 || Площадь, га || 2
|-
| Care_objec || C,254 || Объект охраны || Природные комплексы хвойно-широколиственных лесов
|-
| Descriptio || C,254 || Описание || Хорошо сохранившийся мало-нарушенный ландшафт
|-
| Link_o_doc || C,254 || Ссылки на документы без координат || http://oopt.aari.ru/oopt/%D0%A3%D1%80%D0%BE%D1%87%D0%B8%D1%89%D0%B5-%D0%9E%D0%BB%D1%8C%D1%85%D0%B8
|-
| Dop_INF || C,254 || Дополнительная информация || Л.Х. регламент Новохопёрского лесничества
|-
| Vedomstvo || C,254 || Ответственная организация || Департамент природных ресурсов и экологии Воронежской области
|-
| Internatio || C,254 || Международный статус || нет
|-
| IUCN || C,50 || IUCN || нет
|-
| Place || C,254 || Описание местоположения || В пойме реки Елань, Новохопёрское лесничество
|-
| '''Bordstatus''' || C,254 || ссылка на официальный документ, если нет (или заполнено текстовым описанием), данные неутвержденные, если поле не заполнено, данные считаются неутвержденными, большая просьба приводить только ссылки на официальные документы, иначе текст или оставлять пустым! || https://yadi.sk/i/01OMNxYYkgP2K
|-
| Gislabuser || C,254 || Участник ГИС-ЛАБ, внесший информацию || Пётр Пустота
|-
| HHHHMMYY || N,8,0 || Дата внесения информации || 20151201
|}

== Координационная таблица ==

{| class="wikitable"
|-
! № !! регион !! добавил участник !! дата
|-
| 11 || Республика Коми || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 29 || Архангельская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 35 || Вологодская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 36 || Воронежская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9386 Игорь Лебедь] || 20151201
|-
| 38 || Иркутская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9242 Александр Деловеров] || 20151207
|-
| 50 || Московская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 53 || Новгородская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=16624 Рябцев] || 20151201
|-
| 66 || Свердловская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 76 || Ярославская область || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 89 || Ямало-Ненецкий автономный округ || [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=18478 Пётр Пустота] || 20151206
|-
| 999 || добавляйте || кто геокодировал координаты || ГГГГММДД
|}

Добавляете (merge) объекты в шейп,
'''добавляете''' архив (не удаляйте предыдущий, добавляйте ниже, пока для безопасности надо хранить историю правок), обязательно заполните три последних поля в таблице атрибутов шейпфайла, они прописаны в проект-вики.

Желательно отметиться и в координационной таблице выше.
Число объектов от каждого участника посчитаем потом, пока только вписываем имя участника напротив объекта в атрибутах шейп-файла и имя участника в координационной таблице.

Вопросы по почте: gis-engineer@mail.ru

Координатор (пока) - [http://gis-lab.info/forum/memberlist.php?mode=viewprofile&u=9386 Игорь Лебедь].

== Спасибо! ==

Обсуждение ООПТ регионального значения на форуме — [http://gis-lab.info/forum/viewtopic.php?f=58&t=16354 здесь].

Обсуждение проекта на форуме — [http://gis-lab.info/forum/viewtopic.php?f=50&t=20243 здесь].

Коррекция материалов Landsat

2015-10-05T20:00:35Z

Константин Силкин: /* Радиометрическая коррекция */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \sin \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = M_R ~ Q + A_R. \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> можно найти в файле мета-данных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле. Из списка параметров, приведённых на рис. 2, должны быть выбраны RADIANCE_MULT (<math> \ M_R </math>) и RADIANCE_ADD (<math> \ A_R </math>), соответствующие нужному каналу.

[[Файл:LandsatTrans2a.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, альбедо <math> \ \rho </math> вычисляется проще:

<center>
<math> \rho = \frac {2 \cdot 10^{-5} ~ Q - 0{,}1} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> для сцены Landsat 8 также можно найти в файле метаданных (рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans5a.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8]]

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формула 2).

Для Landsat 4-7 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (4) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы Landsat 4-7 для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (4) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также<ref>Landsat 8 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплава-нию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.usgs.gov/documents/Landsat8DataUsersHandbook.pdf. 2015 (дата обращения: 02.10.2015). – P. 61-62.</ref> и с помощью той же формулы (4) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 6.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

На нём видно, что городская территория уже хорошо прогревается тёплым весенним солнцем, в то время как за городом ещё лежит холодный снег. Одновременно выделяются интенсивные положительные аномалии от крупных заводов, ТЭЦ и очистных сооружений.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-10-05T19:58:10Z

Константин Силкин: /* Радиометрическая коррекция */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \sin \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = M_R ~ Q + A_R. \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> можно найти в файле мета-данных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле. Из списка параметров, приведённых на рис. 2, должны быть выбраны RADIANCE_MULT (<math> \ M_R </math>) и RADIANCE_ADD (<math> \ A_R </math>), соответствующие нужному каналу.

[[Файл:LandsatTrans2a.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, альбедо <math> \ \rho </math> вычисляется проще:

<center>
<math> \rho = \frac {2 \cdot 10^{-5} ~ Q - 0{,}1} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> для сцены Landsat 8 также можно найти в файле метаданных (Рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans5a.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8]]

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формула 2).

Для Landsat 4-7 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (4) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы Landsat 4-7 для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (4) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также<ref>Landsat 8 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплава-нию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.usgs.gov/documents/Landsat8DataUsersHandbook.pdf. 2015 (дата обращения: 02.10.2015). – P. 61-62.</ref> и с помощью той же формулы (4) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 6.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

На нём видно, что городская территория уже хорошо прогревается тёплым весенним солнцем, в то время как за городом ещё лежит холодный снег. Одновременно выделяются интенсивные положительные аномалии от крупных заводов, ТЭЦ и очистных сооружений.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-10-05T19:56:15Z

Константин Силкин: /* Радиометрическая коррекция */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \sin \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = M_R ~ Q + A_R. \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> можно найти в файле мета-данных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле. Из списка параметров, приведённых на рис. 2, должны быть выбраны RADIANCE_MULT (<math> \ M_R </math>) и RADIANCE_ADD (<math> \ A_R </math>), соответствующие нужному каналу.

[[Файл:LandsatTrans2a.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, альбедо ρ вычисляется проще:

<center>
<math> \rho = \frac {2 \cdot 10^{-5} ~ Q - 0{,}1} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> для сцены Landsat 8 также можно найти в файле метаданных (Рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans5a.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8]]

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формула 2).

Для Landsat 4-7 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (4) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы Landsat 4-7 для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (4) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также<ref>Landsat 8 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплава-нию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.usgs.gov/documents/Landsat8DataUsersHandbook.pdf. 2015 (дата обращения: 02.10.2015). – P. 61-62.</ref> и с помощью той же формулы (4) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 6.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

На нём видно, что городская территория уже хорошо прогревается тёплым весенним солнцем, в то время как за городом ещё лежит холодный снег. Одновременно выделяются интенсивные положительные аномалии от крупных заводов, ТЭЦ и очистных сооружений.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Файл:LandsatTrans2a.png

2015-10-05T19:55:34Z

Константин Силкин: Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 5, необходимыми для получения интенсивности излучения

Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 5, необходимыми для получения интенсивности излучения

Файл:LandsatTrans2.png

2015-10-05T19:52:03Z

Константин Силкин:

Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре

Файл:LandsatTrans2.png

2015-10-05T19:50:44Z

Константин Силкин:

Файл:LandsatTrans2.png

2015-10-05T19:49:16Z

Константин Силкин:

Коррекция материалов Landsat

2015-10-05T19:43:56Z

Константин Силкин: /* Определение температуры земной поверхности */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \sin \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = M_R ~ Q + A_R. \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> можно найти в файле мета-данных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле. Из списка параметров, приведённых на рис. 2, должны быть выбраны RADIANCE_MULT (<math> \ M_R </math>) и RADIANCE_ADD (<math> \ A_R </math>), соответствующие нужному каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, альбедо ρ вычисляется проще:

<center>
<math> \rho = \frac {2 \cdot 10^{-5} ~ Q - 0{,}1} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> для сцены Landsat 8 также можно найти в файле метаданных (Рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans5a.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8]]

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формула 2).

Для Landsat 4-7 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (4) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы Landsat 4-7 для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (4) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также<ref>Landsat 8 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплава-нию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.usgs.gov/documents/Landsat8DataUsersHandbook.pdf. 2015 (дата обращения: 02.10.2015). – P. 61-62.</ref> и с помощью той же формулы (4) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 6.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

На нём видно, что городская территория уже хорошо прогревается тёплым весенним солнцем, в то время как за городом ещё лежит холодный снег. Одновременно выделяются интенсивные положительные аномалии от крупных заводов, ТЭЦ и очистных сооружений.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-10-05T19:42:25Z

Константин Силкин: /* Радиометрическая коррекция */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \sin \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = M_R ~ Q + A_R. \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> можно найти в файле мета-данных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле. Из списка параметров, приведённых на рис. 2, должны быть выбраны RADIANCE_MULT (<math> \ M_R </math>) и RADIANCE_ADD (<math> \ A_R </math>), соответствующие нужному каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, альбедо ρ вычисляется проще:

<center>
<math> \rho = \frac {2 \cdot 10^{-5} ~ Q - 0{,}1} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> для сцены Landsat 8 также можно найти в файле метаданных (Рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans5a.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8]]

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-7 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы Landsat 4-7 для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также<ref>Landsat 8 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплава-нию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.usgs.gov/documents/Landsat8DataUsersHandbook.pdf. 2015 (дата обращения: 02.10.2015). – P. 61-62.</ref> и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 6.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

На нём видно, что городская территория уже хорошо прогревается тёплым весенним солнцем, в то время как за городом ещё лежит холодный снег. Одновременно выделяются интенсивные положительные аномалии от крупных заводов, ТЭЦ и очистных сооружений.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-10-05T19:25:00Z

Константин Силкин: /* Радиометрическая коррекция */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \sin \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = M_R ~ Q + A_R. \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> можно найти в файле мета-данных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле. Из списка параметров, приведённых на Рис. 3.2, должны быть выбраны RADIANCE_MULT (<math> \ M_R </math>) и RADIANCE_ADD (<math> \ A_R </math>), соответствующие нужному каналу.
Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, альбедо ρ вычисляется проще:

<center>
<math> \rho = \frac {2 \cdot 10^{-5} ~ Q - 0{,}1} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> для сцены Landsat 8 также можно найти в файле метаданных (Рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans5a.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8]]

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-7 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы Landsat 4-7 для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также<ref>Landsat 8 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплава-нию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.usgs.gov/documents/Landsat8DataUsersHandbook.pdf. 2015 (дата обращения: 02.10.2015). – P. 61-62.</ref> и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 6.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

На нём видно, что городская территория уже хорошо прогревается тёплым весенним солнцем, в то время как за городом ещё лежит холодный снег. Одновременно выделяются интенсивные положительные аномалии от крупных заводов, ТЭЦ и очистных сооружений.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-10-05T06:40:15Z

Константин Силкин: /* Радиометрическая коррекция */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \sin \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, корректирующие вычисления проводятся следующим образом:

<center>
<math> \rho = \frac {2 \cdot 10^{-5} ~ Q - 0{,}1} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

<center>
<math> R = M_R ~ Q + A_R. \qquad (4) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> можно найти в файле метаданных. Из списка параметров, приведённых на рис. 5, должны быть выбраны RADIANCE_MULT (<math> \ M_R </math>) и RADIANCE_ADD (<math> \ A_R </math>), соответствующие нужному каналу.

[[Файл:LandsatTrans5a.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8]]

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-7 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы Landsat 4-7 для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также<ref>Landsat 8 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплава-нию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.usgs.gov/documents/Landsat8DataUsersHandbook.pdf. 2015 (дата обращения: 02.10.2015). – P. 61-62.</ref> и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 6.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

На нём видно, что городская территория уже хорошо прогревается тёплым весенним солнцем, в то время как за городом ещё лежит холодный снег. Одновременно выделяются интенсивные положительные аномалии от крупных заводов, ТЭЦ и очистных сооружений.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-10-04T12:04:59Z

Константин Силкин: /* Определение температуры земной поверхности */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, корректирующие вычисления проводятся следующим образом:

<center>
<math> \rho = \frac {2 \cdot 10^{-5} ~ Q - 0{,}1} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

<center>
<math> R = M_R ~ Q + A_R. \qquad (4) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> можно найти в файле метаданных. Из списка параметров, приведённых на рис. 5, должны быть выбраны RADIANCE_MULT (<math> \ M_R </math>) и RADIANCE_ADD (<math> \ A_R </math>), соответствующие нужному каналу.

[[Файл:LandsatTrans5a.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8]]

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-7 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы Landsat 4-7 для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также<ref>Landsat 8 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплава-нию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.usgs.gov/documents/Landsat8DataUsersHandbook.pdf. 2015 (дата обращения: 02.10.2015). – P. 61-62.</ref> и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 6.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

На нём видно, что городская территория уже хорошо прогревается тёплым весенним солнцем, в то время как за городом ещё лежит холодный снег. Одновременно выделяются интенсивные положительные аномалии от крупных заводов, ТЭЦ и очистных сооружений.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-10-02T20:10:57Z

Константин Силкин: /* Определение температуры земной поверхности */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, корректирующие вычисления проводятся следующим образом:

<center>
<math> \rho = \frac {2 \cdot 10^{-5} ~ Q - 0{,}1} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

<center>
<math> R = M_R ~ Q + A_R. \qquad (4) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> можно найти в файле метаданных. Из списка параметров, приведённых на рис. 5, должны быть выбраны RADIANCE_MULT (<math> \ M_R </math>) и RADIANCE_ADD (<math> \ A_R </math>), соответствующие нужному каналу.

[[Файл:LandsatTrans5a.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8]]

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы Landsat 4-7 для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также<ref>Landsat 8 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплава-нию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.usgs.gov/documents/Landsat8DataUsersHandbook.pdf. 2015 (дата обращения: 02.10.2015). – P. 61-62.</ref> и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 6.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

На нём видно, что городская территория уже хорошо прогревается тёплым весенним солнцем, в то время как за городом ещё лежит холодный снег. Одновременно выделяются интенсивные положительные аномалии от крупных заводов, ТЭЦ и очистных сооружений.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-10-02T20:10:20Z

Константин Силкин: /* Определение температуры земной поверхности */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, корректирующие вычисления проводятся следующим образом:

<center>
<math> \rho = \frac {2 \cdot 10^{-5} ~ Q - 0{,}1} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

<center>
<math> R = M_R ~ Q + A_R. \qquad (4) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> можно найти в файле метаданных. Из списка параметров, приведённых на рис. 5, должны быть выбраны RADIANCE_MULT (<math> \ M_R </math>) и RADIANCE_ADD (<math> \ A_R </math>), соответствующие нужному каналу.

[[Файл:LandsatTrans5a.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8]]

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы Landsat 4-7 для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также<ref>18. Landsat 8 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплава-нию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.usgs.gov/documents/Landsat8DataUsersHandbook.pdf. 2015 (дата обращения: 02.10.2015). – P. 61-62.</ref> и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 6.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

На нём видно, что городская территория уже хорошо прогревается тёплым весенним солнцем, в то время как за городом ещё лежит холодный снег. Одновременно выделяются интенсивные положительные аномалии от крупных заводов, ТЭЦ и очистных сооружений.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-10-02T20:00:47Z

Константин Силкин: /* Определение температуры земной поверхности */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, корректирующие вычисления проводятся следующим образом:

<center>
<math> \rho = \frac {2 \cdot 10^{-5} ~ Q - 0{,}1} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

<center>
<math> R = M_R ~ Q + A_R. \qquad (4) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> можно найти в файле метаданных. Из списка параметров, приведённых на рис. 5, должны быть выбраны RADIANCE_MULT (<math> \ M_R </math>) и RADIANCE_ADD (<math> \ A_R </math>), соответствующие нужному каналу.

[[Файл:LandsatTrans5a.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8]]

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы Landsat 4-7 для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 6.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

На нём видно, что городская территория уже хорошо прогревается тёплым весенним солнцем, в то время как за городом ещё лежит холодный снег. Одновременно выделяются интенсивные положительные аномалии от крупных заводов, ТЭЦ и очистных сооружений.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-10-02T19:59:44Z

Константин Силкин: /* Определение температуры земной поверхности */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, корректирующие вычисления проводятся следующим образом:

<center>
<math> \rho = \frac {2 \cdot 10^{-5} ~ Q - 0{,}1} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

<center>
<math> R = M_R ~ Q + A_R. \qquad (4) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> можно найти в файле метаданных. Из списка параметров, приведённых на рис. 5, должны быть выбраны RADIANCE_MULT (<math> \ M_R </math>) и RADIANCE_ADD (<math> \ A_R </math>), соответствующие нужному каналу.

[[Файл:LandsatTrans5a.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8]]

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы Landsat 4-7 для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 5).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 6.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-10-02T19:56:19Z

Константин Силкин: /* Радиометрическая коррекция */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, корректирующие вычисления проводятся следующим образом:

<center>
<math> \rho = \frac {2 \cdot 10^{-5} ~ Q - 0{,}1} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

<center>
<math> R = M_R ~ Q + A_R. \qquad (4) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ M_R </math> и <math> \ A_R </math> можно найти в файле метаданных. Из списка параметров, приведённых на рис. 5, должны быть выбраны RADIANCE_MULT (<math> \ M_R </math>) и RADIANCE_ADD (<math> \ A_R </math>), соответствующие нужному каналу.

[[Файл:LandsatTrans5a.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8]]

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы Landsat 4-7 для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Файл:LandsatTrans5a.png

2015-10-02T19:53:14Z

Константин Силкин: Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8

Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8

Коррекция материалов Landsat

2015-10-02T19:29:11Z

Константин Силкин: /* Определение температуры земной поверхности */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы Landsat 4-7 для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-10-02T19:24:06Z

Константин Силкин: /* Радиометрическая коррекция */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Файл:LandsatTrans2.png

2015-10-02T19:23:03Z

Константин Силкин: загружена новая версия «Файл:LandsatTrans2.png»: (Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности изл

Файл:LandsatTrans2.png

2015-10-02T19:21:49Z

Файл:LandsatTrans2.png

2015-10-02T19:21:02Z

Константин Силкин: загружена новая версия «Файл:LandsatTrans2.png»

Коррекция материалов Landsat

2015-10-02T18:16:36Z

Константин Силкин: /* Радиометрическая коррекция */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \cos \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-09-30T16:06:28Z

Константин Силкин: /* Радиометрическая коррекция */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math>, вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-09-30T16:02:42Z

Константин Силкин: /* Определение температуры земной поверхности */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math> вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-09-30T10:33:35Z

Константин Силкин: /* Определение температуры земной поверхности */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач:
* анализа теплового потока Земли,
* исследования распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружения природных пожаров,
* экологического мониторинга полигонов ТБО,
* обнаружения теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math> вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить, какие номера каналов соответствует этим диапазонам, можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако, дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина <math> \ R </math> определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержат два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами длин волн теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае, можно усреднить их.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-09-29T20:12:54Z

Константин Силкин: /* Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется при решении широкого круга фундаментальных и прикладных задач, среди которых можно упомянуть такие примеры как:
* анализ теплового потока Земли,
* исследование распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружение природных пожаров,
* экологический мониторинг полигонов ТБО,
* обнаружение теплового загрязнения водоёмов сбросами промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math> вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить какие номера каналов соответствует эти диапазонам можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом, в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержит два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами длин волн теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае можно усреднить их.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-09-29T19:59:48Z

Константин Силкин:

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, с учетом кривизны поверхности Земли, особенностей рельефа снимаемой территории, применено масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены, главным образом, на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.

Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений. Кроме того, тепловой канал, содержащийся в материалах Landsat, начиная с № 3, позволяет достаточно точно определить температуру подстилающей поверхности. Для этого также потребуется произвести определённые вычисления с исходными значениями.

=== Пример, когда радиометрическая коррекция становится необходимой ===

Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важными становятся не относительные изменения значений по одной сцене, а соотношения NDVI по одной сцене или разновременным сценам в абсолютном выражении.

Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить, как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за одни сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют нечто совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы, можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет. Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.

Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.

Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

=== Для чего может потребоваться вычисление температуры земной поверхности ===

Дистанционное определение температуры поверхности Земли находит применение при геотермическом картировании, которое используется при решении широкого круга фундаментальных и прикладных задач, среди которых можно упомянуть такие примеры как:
* анализ теплового потока Земли,
* исследование распространения вечномёрзлых пород,
* обнаружение природных пожаров,
* экологический мониторинг полигонов ТБО,
* тепловое загрязнение водоёмов от сброса промышленных вод.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива [http://earthexplorer.usgs.gov/ USGS], это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math> вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива USGS, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить какие номера каналов соответствует эти диапазонам можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом, в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержит два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами длин волн теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае можно усреднить их.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/thermal.html Дистанционное геотермическое картографирование]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Участник:Константин Силкин

2015-09-24T18:40:30Z

Константин Силкин: Новая страница: «{| |- | '''Род занятий:''' || естествоиспытатель || |- | '''E. mail:''' || Const.Silkin@mail.ru || |- | '''Skype:''' || Quagdu || (…»

{|
|-
| '''Род занятий:''' || естествоиспытатель ||
|-
| '''E. mail:''' || Const.Silkin@mail.ru ||
|-
| '''Skype:''' || Quagdu || (''прошу в запросе чётко указать цель обращения'')
|-
| '''Дата рождения:''' || 4 июля 1973 года || (''для поздравлений'')
|}

Коррекция материалов Landsat

2015-09-24T18:34:44Z

Константин Силкин: /* См. также */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: радиометрическая за неоднородность режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, за кривизну Земли, особенности рельефа снимаемой территории, масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены главным образом на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.
Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений.
Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь, – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важным становится не относительные изменения значений по одной сцене. Более важны соотношения NDVI по одной или разновременным сценам в абсолютном выражении.
Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за 1 сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют что-то совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет! Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.
Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.
Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой летает спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).
Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива ГС США, это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math> вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива ГС США, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить какие номера каналов соответствует эти диапазонам можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом, в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержит два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами длин волн теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае можно осреднить их.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-09-24T18:34:18Z

Константин Силкин: /* См. также */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: радиометрическая за неоднородность режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, за кривизну Земли, особенности рельефа снимаемой территории, масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены главным образом на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.
Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений.
Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь, – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важным становится не относительные изменения значений по одной сцене. Более важны соотношения NDVI по одной или разновременным сценам в абсолютном выражении.
Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за 1 сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют что-то совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет! Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.
Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.
Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой летает спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).
Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива ГС США, это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math> вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива ГС США, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить какие номера каналов соответствует эти диапазонам можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом, в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержит два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами длин волн теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае можно осреднить их.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
--[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-09-24T18:19:45Z

Константин Силкин: /* Радиометрическая коррекция */

Коррекция материалов Landsat

2015-09-24T18:16:58Z

Константин Силкин: /* Радиометрическая коррекция */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: радиометрическая за неоднородность режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, за кривизну Земли, особенности рельефа снимаемой территории, масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены главным образом на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.
Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений.
Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь, – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важным становится не относительные изменения значений по одной сцене. Более важны соотношения NDVI по одной или разновременным сценам в абсолютном выражении.
Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за 1 сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют что-то совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет! Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.
Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.
Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой летает спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).
Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из ГС США, это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math> вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива ГС США, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить какие номера каналов соответствует эти диапазонам можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом, в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержит два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами длин волн теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае можно осреднить их.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]

Коррекция материалов Landsat

2015-09-24T18:16:28Z

Константин Силкин: /* Радиометрическая коррекция */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: радиометрическая за неоднородность режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, за кривизну Земли, особенности рельефа снимаемой территории, масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены главным образом на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.
Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений.
Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь, – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важным становится не относительные изменения значений по одной сцене. Более важны соотношения NDVI по одной или разновременным сценам в абсолютном выражении.
Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за 1 сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют что-то совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет! Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.
Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.
Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой летает спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).
Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из ГС США, это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \ theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math> вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива ГС США, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить какие номера каналов соответствует эти диапазонам можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом, в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержит два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами длин волн теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае можно осреднить их.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]

Коррекция материалов Landsat

2015-09-24T18:15:26Z

Константин Силкин: /* Радиометрическая коррекция */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: радиометрическая за неоднородность режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, за кривизну Земли, особенности рельефа снимаемой территории, масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены главным образом на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.
Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений.
Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь, – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важным становится не относительные изменения значений по одной сцене. Более важны соотношения NDVI по одной или разновременным сценам в абсолютном выражении.
Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за 1 сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют что-то совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет! Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.
Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.
Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой летает спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).
Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из ГС США, это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала, <math> \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math> вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива ГС США, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить какие номера каналов соответствует эти диапазонам можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом, в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержит два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами длин волн теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае можно осреднить их.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]

Коррекция материалов Landsat

2015-09-18T19:18:48Z

Константин Силкин: /* Радиометрическая коррекция */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: радиометрическая за неоднородность режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, за кривизну Земли, особенности рельефа снимаемой территории, масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены главным образом на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.
Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений.
Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь, – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важным становится не относительные изменения значений по одной сцене. Более важны соотношения NDVI по одной или разновременным сценам в абсолютном выражении.
Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за 1 сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют что-то совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет! Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.
Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.
Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой летает спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).
Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из ГС США, это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты <math> \ R </math> вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива ГС США, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить какие номера каналов соответствует эти диапазонам можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом, в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержит два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами длин волн теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае можно осреднить их.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]

Обработка многозональных космоснимков в MultiSpec

2015-09-18T07:59:30Z

Константин Силкин: /* Объединение файлов отдельных каналов в единое многозональное изображение */ Добавлены пропуски между абзацами для удобочитаемости

{{Статья|Опубликована|multispec-sat}}
{{Аннотация|В статье описываются основные функции распространяемой свободно программы MultiSpec, которая может быть использована для обработки, интерпретации и анализа многозональных космоснимков. Примеры обработки даются по данным Landsat}}
== Основные функции MultiSpec ==
Программа [https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/ MultiSpec] была разработана и поддерживается Дэвидом Лэндгрибом ([https://engineering.purdue.edu/~landgreb/ David Landgrebe]) и Ларри Бьелем ([https://engineering.purdue.edu/~biehl/ Larry Biehl]) из [https://ru.wikipedia.org/wiki/Университет_Пердью университета Пердью] (США). MultiSpec является результатом продолжающихся многолетних исследований, направленных на получение мощного и надёжного инструмента для анализа многозональных и гиперспектральных данных. MultiSpec вместе с документацией доступна для свободного скачивания с [https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/download_win.html официального сайта] программы. Установки программа не требует и может запускаться со сменных носителей.

С 2015 года программа начала работать и в виде [https://mygeohub.org/tools/multispec/ веб-сервиса]. Работа с ним, однако, требует предварительно пройти многоэтапную процедуру регистрации.

К основным функциям программы относятся<ref name="Ref01">An introduction and reference for MultiSpec. [Электронный ресурс] // PURDUE.EDU: сервер университета Пердью. URL: https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/MultiSpec_Intro_9_11.pdf. – 2011. – 189 pp. (дата обращения: 31.08.2015).</ref>:
* Импорт данных, как из двоичных, так и текстовых файлов.
* Визуализация многозональных изображений с помощью множества черно-белых и цветных режимов; показ создаваемых типизированных растров. Наложение векторных данных поверх изображений.
* Расчёт гистограмм по многозональным изображениям.
* Переформатирование данных, включающее изменение каналов, объединение файлов, создание мозаик, изменение геометрии и др.
* Создание новых каналов из существующих с помощью извлечения информации из многозонального изображения или в результате попиксельных алгебраических вычислений.
* Кластерный анализ (классификация без обучения) в отношении многозональных изображений и создание в результате типизированных растров.
* Классификация с обучением после подготовки набора эталонов для основных классов наземных объектов, видимых на многозональном изображении.
* Построение графика спектральных значений для выделенных участков многозонального изображения.
* Экспорт исходных данных и их трансформант в текстовый файл.
* Экспорт изображений в графический файл и буфер обмена.

== Объединение файлов отдельных каналов в единое многозональное изображение ==
Многозональные спутниковые снимки Landsat поступают из хранилища ГС США в виде упакованных в архив монохромных файлов формата GeoTIFF (*.tif). Причём каждый файл представляет отдельный канал многозонального изображения. Такой подход к предоставлению материалов имеет как плюс – пользователь может ограничить объём обрабатываемых данных только нужными ему каналами, так и минус – для дальнейшей работы каналы должны быть предварительно объединены в многоканальный файл.

Создание многозонального изображения выполняется в программе MultiSpec следующим образом<ref>Tutorial: Combining separate image files into a single multispectral image file. [Электронный ресурс] // PURDUE.EDU: сервер университета Пердью. URL: https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/tutorials/MultiSpec_Tutorial_5.pdf. – 2013. – 10 pp. (дата обращения: 31.08.2015).</ref>:

1. Выполнить команду из главного меню File/Open Image… или щёлкнуть по кнопке Open на панели инструментов. Появится диалоговое окно Open Image File.

2. Выделить в окне те файлы каналов, которые должны быть включены в многозональное изображение (рис. 1).

[[Файл:MulSpe01.jpg|center|thumb|750px|Рис. 1. Выделение нескольких одноканальных файлов перед объединением]]

:Можно обратить внимание на то, что при выделении более чем одного файла опция в нижнем левом углу переключается в Link selected files to new image window (Привязать выделенные файлы к новому окну изображения).

3. Щёлкнуть по кнопке Открыть. Появится диалоговое окно Set Display Specifications for (Параметры визуализации) (рис. 2). Это окно позволяет устанавливать большое число параметров, используемых при показе собираемого изображения.

[[Файл:MulSpe02.jpg|center|thumb|750px|Рис. 2. Окно установки параметров визуализации изображения]]

:По умолчанию для показа представляется полный размер сцены (параметры Area to Display) и тип изображения выбран 3-Channel Color (3-канальный цветной).

4. Установить в группе Channels (Каналы) соответствие между цветом экрана (Red – Красный, Green – Зелёный, Blue – Синий) и номерами каналов.

:Если были открыты все каналы Landsat, то комбинация Red:3, Green:2, Blue:1 даёт «натуральные цвета» на космоснимке, которая, впрочем, из-за сильного рассеяния атмосферой синего цвета используется мало. Гораздо чаще, особенно при анализе состояния растительности, применяется комбинация «псевдо цвета» Red:4, Green:3, Blue:2, которая поэтому и устанавливается по умолчанию.

:Следует заметить, что MultiSpec нумерует каналы по-своему, а не как это делает поставщик материалов. Например, тепловой канал сцены Landsat 5 хранится в файле с именем «*_B6.tif», т.е. у поставщика это канал № 6. Однако при просмотре многозональной сцены, содержащей все каналы, включая и тепловой, он окажется седьмым. Объяснение этого таково: MultiSpec перенумерует каналы в порядке возрастания длины волны их диапазона. Тепловой канал характеризуется наибольшими длинами регистрируемых волн (10,4–12,5 мкм) из всех каналов материалов Landsat и поэтому он у MultiSpec следует после микроволнового канала № 7 (2,09–2,35 мкм).

5. Щёлкнуть по кнопке OK. В появившемся окне Histogram (Гистограмма) тоже щёлкнуть по кнопке OK. В результате в отдельном графическом окне появится многозональное изображение, оформленное в соответствии с установленными параметрами.

== Управление визуализацией многозонального изображения ==
Открытое в программе MultiSpec с параметрами по умолчанию многозональное изображение можно визуализировать как-нибудь иначе с помощью группы опций, доступных с помощью команды Processor/Display Image… главного меню. К этим опциям относятся Bits of color (глубина цвета), Stretch (кривая яркости), Min-max (пределы), Treat ‘0’ (представление нуля) и Display levels per channel (число уровней яркости) в диалоговом окне Set Display Specification.
Назначение этих параметров следующее<ref>MultiSpec exercise: Image enhancement. [Электронный ресурс] // PURDUE.EDU: сервер университета Пердью. URL: https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/tutorials/MultiSpec_Exercise_2.pdf. – 2009. – 5 pp. (дата обращения: 31.08.2015).</ref>:
* Параметры Bits of color и Display levels per channel по умолчанию имеют максимально возможные значения (24 и 256 соответственно). При желании их можно уменьшить, что может быть полезно для выполнения простейшей кластеризации изображения (разделения на объекты, принципиально различающиеся по своим свойствам: пашня, леса, вода, строения и т.п.) (рис. 3).

{| align="center"
|-
|
{|
|-
| [[Файл:MulSpe03a.jpg]] || [[Файл:MulSpe03b.jpg]]
|}
|-
| Рис. 3. Визуализация изображения с 256 уровнями яркости (миллионы цветов) и 2 уровнями яркости (8 цветов)
|}

* Параметр Treat ‘0’ позволяет управлять интерпретацией нулевых значений в исходных файлах каналов материалов Landsat. Изначально нулевые значения обозначают фон, который не используется при дальнейших вычислениях и может быть показан чёрным (black) или белым (white) цветом. Однако при желании можно нулевые значения считать в качестве данных с нулевой яркостью (as data) (рис. 4).

{| align="center"
|-
|
{|
|-
| [[Файл:MulSpe04a.jpg]] || [[Файл:MulSpe04b.jpg]]
|}
|-
| Рис. 4. Изображение фона (нулевых данных) чёрным или белым цветом
|}

* Параметры Stretch и Min-max обычно используются для улучшения визуализации отдельных частей изображения. Они контролируют соотношением между значениями яркости в исходных файлах каналов и уровнями яркости на экране. Есть три варианта параметра Stretch: Linear (линейная), Equal Area (равноплощадная) и Gaussian (гауссова) (рис. 5).
** В случае линейной кривой яркости интервалы серого цвета на экране равномерно распределены между значениями яркости в исходных данных.
** В то же время равноплощадная кривая автоматически подбирает такое соотношение между ними, чтобы каждый уровень яркости занимал на экране одинаковое число пикселей. Обычно это существенно повышает контрастность изображения.
** Гауссова кривая яркости использует гауссово распределение уровней серого цвета на экране, что позволяет улучшить изображения слабосветящихся объектов.

{| align="center"
|-
|
{|
|-
| [[Файл:MulSpe05a.jpg]] || [[Файл:MulSpe05b.jpg]] || [[Файл:MulSpe05c.jpg]]
|}
|-
| Рис. 5. Три варианта кривой яркости (линейная, равноплощадная и гауссова)
|}

* Опция Min-max позволяет установить предельные значения (и диапазон между ними) для исходных данных, которые будут использоваться при показе изображения на экране. Уровни яркости и кривая яркости будут ограничены этими пределами.
** Вариант Entire Range (весь диапазон) для параметра Min-maxes ставит в соответствии минимальное значение исходных данных (0) чёрному цвету, а максимальное (255) – белому. Однако иногда требуется не показывать значения, например, меньше 50 и больше 150.
** Вариант 2 Percent Tails Clipped (обрезать двухпроцентные края) позволяет сделать так, чтобы визуализировались значения исходных данных только в диапазоне 2-98% от их предельных значений. Это позволяет увеличить контрастность изображения за счёт исключения из показа редко встречающихся самых тёмных и самых светлых точек.
** Если выбрать вариант User Specified..., то появится диалоговое окно Set Specifications for Display Enhancement (Установить параметры кривой яркости). Это окно позволит задать свой собственный процент отсечения краёв (рис. 6), который может отличаться от 2%.

[[Файл:MulSpe06.jpg|center|thumb|750px|Рис. 6. Окно установки пределов кривой яркости]]

На этом рисунке показан пример значений, типичных для материалов Landsat 1-7. Предельные величины для полей Max не могут превышать 255. Однако последний, восьмой спутник миссии обладает более высоким радиометрическим разрешением своей аппаратуры, поэтому при обработке зарегистрированных ею космоснимков в данном диалоговом окне будут появляться более крупные числа, вплоть до 65535.

== Выделение участков на многозональном изображении ==
Если в программе MultiSpec открыто изображение, то часть его можно выделить для того чтобы проводить дальнейшие преобразования только с этой частью, а не со всей картой. Существует 2 способа создания выделения<ref>MultiSpec exercise: Selecting areas and the coordinate view. [Электронный ресурс] // PURDUE.EDU: сервер университета Пердью. URL: https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/tutorials/MultiSpec_Exercise_7.pdf. – 2009. – 2 pp. (дата обращения: 31.08.2015).</ref>:

1. Выполнить команду Edit/Selection Rectangle (Рамка выделения) главного меню программы. Появится соответствующее диалоговое окно. В этом окне надо ввести или отредактировать значения, задающие минимальное и максимальное значение координат в выбранной системе координат. Имеется 3 варианта систем координат:
* Lines-Columns (строки и столбцы) – локальная система координат данного изображения, основанная на нумерации его пикселей от верхнего левого угла вниз (строки) и направо (столбцы).
* Transverse Mercator-Meters (глобальная прямоугольная поперечная проекция Меркатора с метрами в качестве единиц измерения).
* Latitude-Longitude (Широта-Долгота) – глобальная сферическая система координат с единицами измерения – градусами (рис. 7).

[[Файл:MulSpe07.jpg|center|thumb|750px|Рис. 7. Окно задания параметров рамки выделения]]

:Кнопка Preview (Просмотр) позволяет увидеть на карте сделанные изменения выделения.

2. С меньшей точностью, но быстрее рамку выделения можно нарисовать по карте прямо с помощью указателя мыши, ориентируясь на значения координат, которые можно видеть на панели Coordinate View (Координаты) (рис. 8).

[[Файл:MulSpe08.jpg|center|thumb|750px|Рис. 8. Панель координат и выделение с помощью указателя мыши]]

== Сохранение в едином файле собранного многоканального изображения ==
Постоянно собирать многоканальное изображение из разрозненных файлов каналов при каждой необходимости использования – нерационально. Кроме того часто после сборки требуется продолжить работу не со всей 185-км сценой, а только с областью интереса, которая обычно значительно меньше. Существенно упростить работу может сохранение собранного многозонального изображения или его части в отдельный файл. Для этого потребуется следующее<ref name="Ref01" />:

1. Собрать многозональное изображение из тех каналов, которые планируется использовать в дальнейшем.

2. Выделить часть изображения, представляющую область интереса или удалить выделение, если должна быть сохранена сцена целиком.

3. Выполнить команду Processor/Reformat/Rectify Image… (Сохранить прямоугольный фрагмент). Появится диалоговое окно Set Image Rectification Parameters (Установить параметры прямоугольного фрагмента). Все параметры этого окна имеют по умолчанию значения, изменять которые обычно нет необходимости.

4. Щёлкнуть по кнопке OK. Это закроет окно и вызовет стандартный диалог для сохранения создаваемого файла. Надо ввести имя и расширение «.tif» для этого файла. По неизвестной причине MultiSpec сама в данном случае расширение к имени файла не добавляет, что впоследствии мешает ей же открывать такие файлы.

== Получение сводной статистической информации по многозональному изображению ==
Пункт меню Histogram image (Гистограмма изображения) позволяет вычислить и вывести в текстовом окне сводную статистическую информацию по всем каналам многозонального изображения или его части. Причём это может быть как пространственная часть изображения, так и выборка из спектральных каналов<ref name="Ref01" />.
1. Выделить часть изображения, по которому будут производиться вычисления. Или удалить выделение с помощью клавиши Delete, чтобы обработать всё изображение.

2. Выполнить команду Processor/Histogram image. Появится диалоговое окно Set Histogram Specifications (Установить параметры гистограммы) (рис. 9).

[[Файл:MulSpe09.jpg|center|thumb|750px|Рис. 9. Окно установки параметров вычисления гистограммы изображения]]

3. Выбрать метод (Method) вычисления гистограммы – Compute new histogram (Вычислить новую гистограмму).

4. С помощью списка Channels (Каналы) можно выбрать каналы, используемые для вычислений. По умолчанию установлен вариант All (Все).

5. Для получения сводной информации надо включить опцию List histogram summary (вывести сводную гистограмму) и выключить List histogram (вывести всю гистограмму).

6. При нажатии на кнопку OK в текстовом окне появится информация похожая на приведённый ниже пример (Табл. 1).

{| align="center"
|-
| Табл. 1. Пример таблицы сводной статистической информации
|-
|
{|
|-
| Channel || Channel Description || Data Range || Mean || Median || Standard Deviation
|-
| 1 || 0.45-0.52 um || 39 to 50 || 43.1 || 43 || 1.6
|-
| 2 || 0.53-0.61 um || 15 to 21 || 17.8 || 18 || 1.2
|-
| 3 || 0.63-0.69 um || 12 to 21 || 15.6 || 15 || 2.0
|-
| 4 || 0.78-0.90 um || 24 to 59 || 41.7 || 41 || 6.4
|-
| 5 || 1.55-1.75 um || 22 to 54 || 38.2 || 39 || 6.0
|-
| 6 || 2.09-2.35 um || 10 to 23 || 15.4 || 15 || 2.4
|-
| 7 || 10.4-12.5 um || 103 to 111 || 106.7 || 107 || 1.8
|}
|}

Столбцы таблицы несут следующую информацию:
* Channel – номер канала.
* Channel Description – описание канала (диапазон длин волн в мкм).
* Data Range – диапазон значений канала.
* Mean – среднее арифметическое.
* Median – медиана значений.
* Standard Deviation – стандартное отклонение.

Приведённые в последней таблице значения характерны для Landsat 1-7. Если обрабатываются материалы Landsat 8, то величины статистических характеристик изображения, полученные при вычислении гистограммы, будут, как правило, на 3 порядка больше.

Если предварительно был выделен достаточно однородный участок космоснимка, то набор величин Mean даёт оценку спектрального портрета этого участка. О степени однородности участка можно судить по величинам Standard Deviation. Повышенные значения должны предупредить о том, что в выделенный фрагмент попали пиксели сразу нескольких объектов с различными спектральными характеристиками.

== Создание схем распределения NDVI ==
В программе MultiSpec можно создавать трансформанты многозональных снимков – изображения, представляющие собой алгебраические комбинации значений исходных файлов каналов материалов Landsat. При этом чаще всего создают схемы распределения нормализованного дифференциального вегетационного индекса (NDVI). Назначение этого индекса – улучшить читаемость и представительность изображения путём подчёркивания особенностей распределения растительности и почвы.
Создаётся такая схема следующим образом<ref>MultiSpec exercise: Creating vegetation indices images. [Электронный ресурс] // PURDUE.EDU: сервер университета Пердью. URL: https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/tutorials/MultiSpec_Exercise_8.pdf. – 2010. – 7 pp. (дата обращения: 31.08.2015).</ref>:

1. Выделить часть изображения, по которому будут производиться вычисления. Или удалить выделение с помощью клавиши Delete, чтобы обработать всё изображение.

2. В меню Processor (Обработчик) выбрать команду Reformat/Change Image File Format… (Изменить формат файла изображения). В результате появится соответствующее диалоговое окно (рис. 10).

[[Файл:MulSpe10.jpg|center|thumb|750px|Рис. 10. Окно установки параметров изменения формата файла]]

3. Отметить опцию Transform Data… (Преобразовать данные). В результате появится соответствующее диалоговое окно.

4. Выбрать опцию New Channel from General Algebraic Transformation (Создать новый канал с помощью алгебраического преобразования). Окно изменит свой интерфейс (рис. 11).

[[Файл:MulSpe11.jpg|center|thumb|750px|Рис. 11. Ввод формулы алгебраического преобразования каналов многозонального снимка]]

:Ячейки для ввода значений в этом окне позволяют задать формулу алгебраической комбинации исходных каналов. С их помощью можно создать новый канал, например NDVI, если ввести после символа «C» номера каналов, соответствующие красному и ближнему ИК каналу.
:Когда многозональный снимок содержит все каналы сцены Landsat 1-7, то это будут: канал 1 – синий, канал 2 – зелёный, канал 3 – красный, канал 4 – ближний инфракрасный и т.д. Тогда в ячейки окна надо вводить формулу как показано на последнем рисунке.

5. Далее щёлкнуть по кнопке OK, что применит введённую формулу преобразования, закроет окно Set Reformat Transform Parameters и вернёт фокус в окно Image File Format Change Options.

6. В окне Image File Format Change Options для параметра Data value type (Тип значений данных) задать вариант 32-bit Real (вещественный). Программа может и сама установить этот тип, если определит, что результат вычислений будет не целочисленным.

7. Щёлкнуть по кнопке OK. Это закроет окно и вызовет стандартный диалог для сохранения создаваемого файла. Надо ввести имя и расширение «.tif» для этого файла.

8. После этого можно просмотреть получившейся результат, если при открытии файла задать тип изображения 1-channel thematic (1-канальный тематический) (рис. 12).

[[Файл:MulSpe12.jpg|center|thumb|750px|Рис. 12. Схема распределения NDVI]]

На данном изображении сине-зелёные оттенки соответствуют воде, красно-оранжевые – растительности разной пышности. Остальное – почво-грунты.

У Landsat 8 соответствие номеров и диапазонов сдвинуто на 1: канал 2 – синий, канал 3 – зелёный, канал 4 – красный, канал 5 – ближний инфракрасный и т.д.

== Экспорт изображения в текстовый файл ==
Нередко изобразительных свойств программы MultiSpec бывает недостаточно. Возникает желание передать информацию в другую, более подходящую, программу, например, Golden Software Surfer. Для этого надо экспортировать открытое в MultiSpec изображение в текстовый файл, который впоследствии может быть открыт в Surfer.

Экспорт в текстовый файл выполняется так<ref name="Ref01" />:

1. Выделить часть изображения, по которому будут производиться вычисления. Или удалить выделение с помощью клавиши Delete, чтобы обработать всё изображение.

2. Выполнить команду Processor/List Data… (Вывести данные). Появится диалоговое окно Set List Data Specifications (Установить параметры экспорта данных) (рис. 13).

[[Файл:MulSpe13.jpg|center|thumb|750px|Рис. 13. Параметры экспорта данных]]

3. Включить переключатель Include latitude and longitude values (Включить значения широты и долготы).

4. В группе Output results to (Вывести результаты в) убрать отметку опции Text window (Текстовое окно) и включить отметку опции Disk file (Дисковый файл).

5. Щёлкнуть по кнопке OK. Это закроет окно и вызовет стандартный диалог для сохранения создаваемого файла. Он имеет простой текстовый формат. В файле сформирована таблица, содержащая как координаты каждой точки изображения, так и значения всех каналов в ней.

Пример обработки результатов в Surfer показан на рис. 14.

[[Файл:MulSpe14.jpg|center|thumb|750px|Рис. 14. Пример построения распределения NDVI средствами Surfer]]

На данном изображении благодаря богатым возможностям визуализации двумерных данных у Surfer применены более естественные цвета (зелёный – пышная растительность, жёлто-зелёный – редкая растительность, коричневый – грунт, синий – вода) с точно подобранными рубежами перехода между цветами.

Рассмотрение технологии использования Surfer для подобных построений находится за пределами данного пособия.

== Наложение векторных данных в окне изображения ==
Векторные данные – это подготовленные в других программах наборы графических примитивов (полигонов, линий, точек), в совокупности представляющие собой чаще всего элементы топографической карты (реки, дороги, населённые пункты и т.п.). Векторные данные, наложенные на многозональное или классифицированное изображение, помогают легче ориентироваться по нему и быстро находить области интереса.

MultiSpec имеет возможность открывать векторные данные из shape-файлов (*.shp)<ref>MultiSpec exercise: Overlay shape files on image window. [Электронный ресурс] // PURDUE.EDU: сервер университета Пердью. URL: https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/tutorials/MultiSpec_Exercise_6.pdf. – 2009. – 2 pp. (дата обращения: 31.08.2015).</ref>. После открытия хотя бы одного shape-файла (при условии, что до этого был открыт растровый файл) на панели инструментов станет активной кнопка наложений (оверлеев) в виде большой красной буквы O, предоставляющая доступ к списку загруженных shape-файлов (рис. 15). Ставя или убирая галочку в соответствующей строке можно управлять видимостью накладываемых слоёв.

[[Файл:MulSpe15.jpg|center|thumb|750px|Рис. 15. Пример наложения векторных данных на многозональный снимок]]

На этом рисунке показан пример, где маленькими чёрными квадратиками отмечены пробные площадки в лесном массиве, окружающем апатитово-нефелиновую обогатительную фабрику № 2 в г. Апатиты.
Для открытия shape-файла требуется в диалоговом окне Открыть в списке фильтров Тип файлов выбрать вариант Shape (*.shp) (рис. 16).

[[Файл:MulSpe16.jpg|center|thumb|750px|Рис. 16. Установка фильтра для открытия shape-файла]]

Имеется возможность произвольно менять цвет и толщину линий, с помощью которых прорисовываются векторные данные. Для этого надо щёлкнуть по кнопке оверлеев при нажатой клавише Shift. В выпавшем списке открытых shape-файлов выбрать строку с нужным слоем. Появится диалоговое окно Set Overlay Parameters (Установка параметров оверлея) (рис. 17).

[[Файл:MulSpe17.jpg|center|thumb|750px|Рис. 17. Установка параметров линий shape-файла]]

Для удаления наложенных векторных данных можно использовать команду Edit/Clear Overlays (Убрать оверлеи).

== Разбиение изображения на классы по образцам ==
Программа MultiSpec позволяет выполнять автоматическое выделение на многозональном изображении участков, сходных с эталонными по спектральным характеристикам<ref>MultiSpec exercise: Supervised classification. [Электронный ресурс] // PURDUE.EDU: сервер университета Пердью. URL: https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/tutorials/MultiSpec_Exercise_4.pdf. – 2009. – 7 pp. (дата обращения: 31.08.2015).</ref>. Такая операция называется классификация с обучением. Когда алгоритм классификации разобьёт всё изображение на ограниченное число классов (соответствующих типам наземных объектов), то это будет большим подспорьем при дешифрировании и интерпретации космоснимка. Предварительно требуется произвести обучение алгоритма на эталонных образцах – участках изображения с характерными (и известными интерпретатору) спектральными портретами.
=== Выбор эталонных участков ===
Подготовка набора эталонных участков производится следующим образом.

1. Открыть ранее собранный файл многоканального изображения. Если просто открыть несколько файлов отдельных каналов одной сцены, то необходимая команда меню будет недоступной.

2. В меню Processor выбрать команду Statistics (Статистика). В появившемся диалоговом окне Set Project Options (Параметры проекта) (рис. 18) щёлкнуть по кнопке OK. Значения по умолчанию, применённые в таком случае будут вполне уместны.

[[Файл:MulSpe18.jpg|center|thumb|750px|Рис. 18. Окно установки параметров проекта]]

3. Новое окно проекта (с надписью Project в заголовке) появится в правой части окна.

4. Для выбора эталонных участков по каждому классу потребуется просто нарисовать прямоугольную рамку выделения поверх космоснимка. Или (при выборе опции Polygon Enter) нарисовать многоугольник, щёлкая мышкой в вершинах ломаной линии.
Желательно так выделить эталонный участок, чтобы пространство внутри него было максимально однородно по спектральным характеристикам. Также важно отступать на пару пикселей внутрь от границы участка. Это позволит избежать краевых эффектов.

5. В случае ошибки просто повторить процесс рисования границы эталонного участка сначала.

6. Щёлкнуть по кнопке Add To List… (рис. 19).

[[Файл:MulSpe19.jpg|center|thumb|750px|Рис. 19. Пример выделения эталонного участка озера]]

7. Появится диалоговое окно Define Class and/or Field Description (Определить описание эталонного класса и/или участка) (рис. 20). В этом окне можно задать название класса и наименование участка эталона.

[[Файл:MulSpe20.jpg|center|thumb|750px|Рис. 20. Диалоговое окно описания эталонного участка]]

8. Завершить с помощью кнопки OK.

Таким образом надо создать набор обучающих эталонов для всех существенных классов объектов, встречающихся на изображении (рис. 21). Для одного класса можно определить несколько эталонов.

[[Файл:MulSpe21.jpg|center|thumb|750px|Рис. 21. Пример результата создания набора обучающих эталонов]]

Окно проекта (Project) может находиться в четырёх различных режимах:
* Выделение обучающих эталонов (кнопка >Select).
* Список классов (кнопка >Classes).
* Список эталонов (кнопка >Fields).
* Список координат (кнопка >Coord.).
Пользователь может, переключившись в соответствующий режим, удалить ненужный класс. Для этого надо выделить его в списке классов и выполнить команду Edit/Cut Class (Вырезать класс). Аналогичным образом можно удалить и эталон.

Имеется возможность задавать границы эталонных участков не с помощью прямоугольника, как по умолчанию, а в виде полигона. Для этого надо включить опцию Polygon Enter, когда окно проекта находится в режиме выделения. Затем надо щёлкать мышью по изображению, задавая таким образом вершины полигона. Двойной щелчок завершает ввод полигональной границы.

=== Выполнение классификации ===
Когда набор эталонных участков разных классов подготовлен, можно приступать к выполнению самой классификации. Для этого надо выполнить следующие действия:

1. Выполнить команду Processor/Classify… (Классификация). Появится диалоговое окно Set Classification Specifications (Установка параметров классификации) (рис. 22).

[[Файл:MulSpe22.jpg|center|thumb|750px|Рис. 22. Диалоговое окно установки параметров классификации]]

2. На первом этапе отключить параметр Image Selection (Выделение изображения). Это необходимо для того, чтобы провести классификацию только по обучающим эталонам и получить начальную оценку качества определения классов.

3. Оставить все остальные параметры со значениями по умолчанию.

4. Щёлкнуть по кнопке OK в диалоговом окне параметров классификации, а затем по кнопке OK в окне Update Project Statistics (Обновить статистику проекта) (рис. 23) для запуска процесса классификации.

[[Файл:MulSpe23.jpg|center|thumb|750px|Рис. 23. Предупреждение об обновлении статистики проекта]]

5. После окончания вычислений можно посмотреть результаты классификации (табл. 2). Для этого выполнить команду Window/Text Output (Текстовое окно).

{| align="center"
|-
| Табл. 2. Пример таблицы результатов классификации
|-
|
{|
|-
| Project Class Name || Reference Class Number|| Accuracy, % || Number Samples || Озеро || Хвостохранилище || Облако || Тень || Тайга || Луг || Грунт || Скалы
|-
| Озеро || 1 || 100.0 || 1064 || 1064 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|-
| Хвостохранилище || 2 || 100.0 || 720 || 0 || 720 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|-
| Облако || 3 || 100.0 || 60 || 0 || 0 || 60 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|-
| Тень || 4 || 100.0 || 330 || 0 || 0 || 0 || 330 || 0 || 0 || 0 || 0
|-
| Тайга || 5 || 100.0 || 156 || 0 || 0 || 0 || 0 || 156 || 0 || 0 || 0
|-
| Луг || 6 || 100.0 || 182 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 182 || 0 || 0
|-
| Грунт || 7 || 100.0 || 36 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 36 || 0
|-
| Скалы || 8 || 100.0 || 132 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 132
|-
| TOTAL || || || 2680 || 1064 || 720 || 60 || 330 || 156 || 182 || 36 || 132
|-
| Reliability Accuracy (%) || || || || 100.0 || 100.0 || 100.0 || 100.0 || 100.0 || 100.0 || 100.0 || 100.0
|}
|}

:Таблица, напечатанная в текстовом окне, содержит информацию о том, насколько качественно были классифицированы пиксели каждого класса. Параметр Accuracy (Точность) должен быть около 100% для всех обучающих эталонов. Если же этот параметр имеет низкое значение, меньше 50% у какого-то класса, то это значит, что для него надо переназначить эталонные участки.
:Если результаты классификации являются удовлетворительными, то можно приступать к классификации всего изображения.

6. Снова выполнить команду Processor/Classify… Появится диалоговое окно Set Classification Specifications.

7. Отключить параметр Training (resubstitution) (Обучение (повторная подстановка)).

8. Включить параметр Image Selection.

9. Убедиться, что будет классифицироваться всё изображение, для чего нажать на квадратную кнопку в группе Area to Classify (Область классификации), если она активна.

10. Включить параметр Disk file в группе Write classification results to:, что позволит сохранить результаты для дальнейшего использования. По умолчанию сохранение будет производиться в формате ERDAS.GIS.

11. Щёлкнуть по кнопке OK. Это закроет окно и вызовет стандартный диалог для сохранения создаваемого файла с результатами классификации.

12. Сохранить проект с помощью команды File/Save Project (Сохранить проект). Это приведёт к сохранению набора обучающих эталонных участков и соответствующих им классов для последующего анализа.

=== Просмотр классифицированного растра ===
Результат классификации в виде типизированного растра был сохранён в файле «*.gis». Если открыть его, то результат будет подобен приведённому ниже (рис. 24).

[[Файл:MulSpe24.jpg|center|thumb|750px|Рис. 24. Графический результат классификации]]

Выполнить команду Project/Add as Associated Image (Добавить как связанное изображение). Это приведёт к наложению границ обучающих эталонов с подписями поверх изображения.

Есть возможность изменить цвет этих линий и надписей на чёрный, если выполнить команду Processor/Statistics… и выбрать пункт Black (Чёрный) в списке Color (Цвет) группы Outline selected areas: (Линии выделенных областей).

В помощь для более удобного анализа графических результатов классификации пользователю предоставляется следующие полезные возможности:
* Если при нажатой клавише Shift щёлкнуть левой кнопкой мыши по цветному прямоугольнику интересуемого класса в легенде, то это приведёт к окрашиванию в белый цвет всех пикселей этого класса на изображении.
* Если одновременно нажать клавиши Shift и Ctrl и щёлкнуть левой кнопкой мыши по цветному прямоугольнику класса, то все классы, кроме этого, поменяют свой цвет на белый.
* Двойной щелчок мыши по цветному прямоугольнику класса позволит изменить цвет, ассоциированный с ним по умолчанию на более подходящий по смыслу.

== Экспорт графического изображения в растровый файл ==
Многозональные изображения, создаваемые в MultiSpec, особенно, если они содержат более 3 каналов, не могут быть открыты для просмотра многими графическими программами или импортированы текстовыми редакторами. Поэтому для передачи полученных изображений в другие программы можно, помимо копирования через буфер обмена, использовать возможность сохранения в простой растровый файл<ref name="Ref01" />.

При экспорте информация сохраняется «как есть», т.е. просто делается мгновенный снимок изображения при текущих значениях параметров визуализации космоснимка. Дальнейшее изменение внешнего вида, такие как смена комбинации каналов, использование разных кривых яркости и т.п. становится недоступным.

Одновременно с созданием растрового файла (*.tif), если это многозональный, а не тематический растр, создаётся одноимённый kml-файл, позволяющий сохранить также пространственную привязку изображения.

Для экспорта в растровый файл необходимо выполнить команду File/Save Image To GeoTIFF As… (Сохранить изображение в формате GeoTIFF) и в появившемся стандартном диалоговом окне задать имя экспортируемого фала.

Если предварительно выделить часть изображения, то команда для экспорта преобразится в Save Selection Image To GeoTIFF As… (Сохранить выделение в формате GeoTIFF).

== Литература ==
<references />
== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-bandcomb.html Интерпретация комбинаций каналов данных Landsat TM / ETM+]
* [http://gis-lab.info/qa/grass-ismap.html Классификация космического снимка с обучением с помощью QGIS и GRASS]
* [http://gis-lab.info/qa/layerstack.html Объединение многоканальных данных в единый файл]
* [http://gis-lab.info/qa/qgis-landsat-merge.html Как собрать и показать снимок Landsat из отдельных каналов в QGIS]
* [http://www.geogr.msu.ru/science/aero/acenter/int_sem2/int_sem2.htm Работа с многозональными снимками в свободно распространяемой программе MultiSpec]

[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:45, 8 сентября 2015 (MSD)

Обработка многозональных космоснимков в MultiSpec

2015-09-18T07:52:24Z

Константин Силкин: /* Основные функции MultiSpec */ правка стилистики

{{Статья|Опубликована|multispec-sat}}
{{Аннотация|В статье описываются основные функции распространяемой свободно программы MultiSpec, которая может быть использована для обработки, интерпретации и анализа многозональных космоснимков. Примеры обработки даются по данным Landsat}}
== Основные функции MultiSpec ==
Программа [https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/ MultiSpec] была разработана и поддерживается Дэвидом Лэндгрибом ([https://engineering.purdue.edu/~landgreb/ David Landgrebe]) и Ларри Бьелем ([https://engineering.purdue.edu/~biehl/ Larry Biehl]) из [https://ru.wikipedia.org/wiki/Университет_Пердью университета Пердью] (США). MultiSpec является результатом продолжающихся многолетних исследований, направленных на получение мощного и надёжного инструмента для анализа многозональных и гиперспектральных данных. MultiSpec вместе с документацией доступна для свободного скачивания с [https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/download_win.html официального сайта] программы. Установки программа не требует и может запускаться со сменных носителей.

С 2015 года программа начала работать и в виде [https://mygeohub.org/tools/multispec/ веб-сервиса]. Работа с ним, однако, требует предварительно пройти многоэтапную процедуру регистрации.

К основным функциям программы относятся<ref name="Ref01">An introduction and reference for MultiSpec. [Электронный ресурс] // PURDUE.EDU: сервер университета Пердью. URL: https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/MultiSpec_Intro_9_11.pdf. – 2011. – 189 pp. (дата обращения: 31.08.2015).</ref>:
* Импорт данных, как из двоичных, так и текстовых файлов.
* Визуализация многозональных изображений с помощью множества черно-белых и цветных режимов; показ создаваемых типизированных растров. Наложение векторных данных поверх изображений.
* Расчёт гистограмм по многозональным изображениям.
* Переформатирование данных, включающее изменение каналов, объединение файлов, создание мозаик, изменение геометрии и др.
* Создание новых каналов из существующих с помощью извлечения информации из многозонального изображения или в результате попиксельных алгебраических вычислений.
* Кластерный анализ (классификация без обучения) в отношении многозональных изображений и создание в результате типизированных растров.
* Классификация с обучением после подготовки набора эталонов для основных классов наземных объектов, видимых на многозональном изображении.
* Построение графика спектральных значений для выделенных участков многозонального изображения.
* Экспорт исходных данных и их трансформант в текстовый файл.
* Экспорт изображений в графический файл и буфер обмена.

== Объединение файлов отдельных каналов в единое многозональное изображение ==
Многозональные спутниковые снимки Landsat поступают из хранилища ГС США в виде упакованных в архив монохромных файлов формата GeoTIFF (*.tif). Причём каждый файл представляет отдельный канал многозонального изображения. Такой подход к предоставлению материалов имеет как плюс – пользователь может ограничить объём обрабатываемых данных только нужными ему каналами, так и минус – для дальнейшей работы каналы должны быть предварительно объединены в многоканальный файл.

Создание многозонального изображения выполняется в программе MultiSpec следующим образом<ref>Tutorial: Combining separate image files into a single multispectral image file. [Электронный ресурс] // PURDUE.EDU: сервер университета Пердью. URL: https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/tutorials/MultiSpec_Tutorial_5.pdf. – 2013. – 10 pp. (дата обращения: 31.08.2015).</ref>:

1. Выполнить команду из главного меню File/Open Image… или щёлкнуть по кнопке Open на панели инструментов. Появится диалоговое окно Open Image File.

2. Выделить в окне те файлы каналов, которые должны быть включены в многозональное изображение (рис. 1).

[[Файл:MulSpe01.jpg|center|thumb|750px|Рис. 1. Выделение нескольких одноканальных файлов перед объединением]]

:Можно обратить внимание на то, что при выделении более чем одного файла опция в нижнем левом углу переключается в Link selected files to new image window (Привязать выделенные файлы к новому окну изображения).

3. Щёлкнуть по кнопке Открыть. Появится диалоговое окно Set Display Specifications for (Параметры визуализации) (рис. 2). Это окно позволяет устанавливать большое число параметров, используемых при показе собираемого изображения.

[[Файл:MulSpe02.jpg|center|thumb|750px|Рис. 2. Окно установки параметров визуализации изображения]]

:По умолчанию для показа представляется полный размер сцены (параметры Area to Display) и тип изображения выбран 3-Channel Color (3-канальный цветной).

4. Установить в группе Channels (Каналы) соответствие между цветом экрана (Red – Красный, Green – Зелёный, Blue – Синий) и номерами каналов.

:Если были открыты все каналы Landsat, то комбинация Red:3, Green:2, Blue:1 даёт «натуральные цвета» на космоснимке, которая, впрочем, из-за сильного рассеяния атмосферой синего цвета используется мало. Гораздо чаще, особенно при анализе состояния растительности, применяется комбинация «псевдо цвета» Red:4, Green:3, Blue:2, которая поэтому и устанавливается по умолчанию.
:Следует заметить, что MultiSpec нумерует каналы по-своему, а не как это делает поставщик материалов. Например, тепловой канал сцены Landsat 5 хранится в файле с именем «*_B6.tif», т.е. у поставщика это канал № 6. Однако при просмотре многозональной сцены, содержащей все каналы, включая и тепловой, он окажется седьмым. Объяснение этого таково: MultiSpec перенумерует каналы в порядке возрастания длины волны их диапазона. Тепловой канал характеризуется наибольшими длинами регистрируемых волн (10,4–12,5 мкм) из всех каналов материалов Landsat и поэтому он у MultiSpec следует после микроволнового канала № 7 (2,09–2,35 мкм).

5. Щёлкнуть по кнопке OK. В появившемся окне Histogram (Гистограмма) тоже щёлкнуть по кнопке OK. В результате в отдельном графическом окне появится многозональное изображение, оформленное в соответствии с установленными параметрами.

== Управление визуализацией многозонального изображения ==
Открытое в программе MultiSpec с параметрами по умолчанию многозональное изображение можно визуализировать как-нибудь иначе с помощью группы опций, доступных с помощью команды Processor/Display Image… главного меню. К этим опциям относятся Bits of color (глубина цвета), Stretch (кривая яркости), Min-max (пределы), Treat ‘0’ (представление нуля) и Display levels per channel (число уровней яркости) в диалоговом окне Set Display Specification.
Назначение этих параметров следующее<ref>MultiSpec exercise: Image enhancement. [Электронный ресурс] // PURDUE.EDU: сервер университета Пердью. URL: https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/tutorials/MultiSpec_Exercise_2.pdf. – 2009. – 5 pp. (дата обращения: 31.08.2015).</ref>:
* Параметры Bits of color и Display levels per channel по умолчанию имеют максимально возможные значения (24 и 256 соответственно). При желании их можно уменьшить, что может быть полезно для выполнения простейшей кластеризации изображения (разделения на объекты, принципиально различающиеся по своим свойствам: пашня, леса, вода, строения и т.п.) (рис. 3).

{| align="center"
|-
|
{|
|-
| [[Файл:MulSpe03a.jpg]] || [[Файл:MulSpe03b.jpg]]
|}
|-
| Рис. 3. Визуализация изображения с 256 уровнями яркости (миллионы цветов) и 2 уровнями яркости (8 цветов)
|}

* Параметр Treat ‘0’ позволяет управлять интерпретацией нулевых значений в исходных файлах каналов материалов Landsat. Изначально нулевые значения обозначают фон, который не используется при дальнейших вычислениях и может быть показан чёрным (black) или белым (white) цветом. Однако при желании можно нулевые значения считать в качестве данных с нулевой яркостью (as data) (рис. 4).

{| align="center"
|-
|
{|
|-
| [[Файл:MulSpe04a.jpg]] || [[Файл:MulSpe04b.jpg]]
|}
|-
| Рис. 4. Изображение фона (нулевых данных) чёрным или белым цветом
|}

* Параметры Stretch и Min-max обычно используются для улучшения визуализации отдельных частей изображения. Они контролируют соотношением между значениями яркости в исходных файлах каналов и уровнями яркости на экране. Есть три варианта параметра Stretch: Linear (линейная), Equal Area (равноплощадная) и Gaussian (гауссова) (рис. 5).
** В случае линейной кривой яркости интервалы серого цвета на экране равномерно распределены между значениями яркости в исходных данных.
** В то же время равноплощадная кривая автоматически подбирает такое соотношение между ними, чтобы каждый уровень яркости занимал на экране одинаковое число пикселей. Обычно это существенно повышает контрастность изображения.
** Гауссова кривая яркости использует гауссово распределение уровней серого цвета на экране, что позволяет улучшить изображения слабосветящихся объектов.

{| align="center"
|-
|
{|
|-
| [[Файл:MulSpe05a.jpg]] || [[Файл:MulSpe05b.jpg]] || [[Файл:MulSpe05c.jpg]]
|}
|-
| Рис. 5. Три варианта кривой яркости (линейная, равноплощадная и гауссова)
|}

* Опция Min-max позволяет установить предельные значения (и диапазон между ними) для исходных данных, которые будут использоваться при показе изображения на экране. Уровни яркости и кривая яркости будут ограничены этими пределами.
** Вариант Entire Range (весь диапазон) для параметра Min-maxes ставит в соответствии минимальное значение исходных данных (0) чёрному цвету, а максимальное (255) – белому. Однако иногда требуется не показывать значения, например, меньше 50 и больше 150.
** Вариант 2 Percent Tails Clipped (обрезать двухпроцентные края) позволяет сделать так, чтобы визуализировались значения исходных данных только в диапазоне 2-98% от их предельных значений. Это позволяет увеличить контрастность изображения за счёт исключения из показа редко встречающихся самых тёмных и самых светлых точек.
** Если выбрать вариант User Specified..., то появится диалоговое окно Set Specifications for Display Enhancement (Установить параметры кривой яркости). Это окно позволит задать свой собственный процент отсечения краёв (рис. 6), который может отличаться от 2%.

[[Файл:MulSpe06.jpg|center|thumb|750px|Рис. 6. Окно установки пределов кривой яркости]]

На этом рисунке показан пример значений, типичных для материалов Landsat 1-7. Предельные величины для полей Max не могут превышать 255. Однако последний, восьмой спутник миссии обладает более высоким радиометрическим разрешением своей аппаратуры, поэтому при обработке зарегистрированных ею космоснимков в данном диалоговом окне будут появляться более крупные числа, вплоть до 65535.

== Выделение участков на многозональном изображении ==
Если в программе MultiSpec открыто изображение, то часть его можно выделить для того чтобы проводить дальнейшие преобразования только с этой частью, а не со всей картой. Существует 2 способа создания выделения<ref>MultiSpec exercise: Selecting areas and the coordinate view. [Электронный ресурс] // PURDUE.EDU: сервер университета Пердью. URL: https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/tutorials/MultiSpec_Exercise_7.pdf. – 2009. – 2 pp. (дата обращения: 31.08.2015).</ref>:

1. Выполнить команду Edit/Selection Rectangle (Рамка выделения) главного меню программы. Появится соответствующее диалоговое окно. В этом окне надо ввести или отредактировать значения, задающие минимальное и максимальное значение координат в выбранной системе координат. Имеется 3 варианта систем координат:
* Lines-Columns (строки и столбцы) – локальная система координат данного изображения, основанная на нумерации его пикселей от верхнего левого угла вниз (строки) и направо (столбцы).
* Transverse Mercator-Meters (глобальная прямоугольная поперечная проекция Меркатора с метрами в качестве единиц измерения).
* Latitude-Longitude (Широта-Долгота) – глобальная сферическая система координат с единицами измерения – градусами (рис. 7).

[[Файл:MulSpe07.jpg|center|thumb|750px|Рис. 7. Окно задания параметров рамки выделения]]

:Кнопка Preview (Просмотр) позволяет увидеть на карте сделанные изменения выделения.

2. С меньшей точностью, но быстрее рамку выделения можно нарисовать по карте прямо с помощью указателя мыши, ориентируясь на значения координат, которые можно видеть на панели Coordinate View (Координаты) (рис. 8).

[[Файл:MulSpe08.jpg|center|thumb|750px|Рис. 8. Панель координат и выделение с помощью указателя мыши]]

== Сохранение в едином файле собранного многоканального изображения ==
Постоянно собирать многоканальное изображение из разрозненных файлов каналов при каждой необходимости использования – нерационально. Кроме того часто после сборки требуется продолжить работу не со всей 185-км сценой, а только с областью интереса, которая обычно значительно меньше. Существенно упростить работу может сохранение собранного многозонального изображения или его части в отдельный файл. Для этого потребуется следующее<ref name="Ref01" />:

1. Собрать многозональное изображение из тех каналов, которые планируется использовать в дальнейшем.

2. Выделить часть изображения, представляющую область интереса или удалить выделение, если должна быть сохранена сцена целиком.

3. Выполнить команду Processor/Reformat/Rectify Image… (Сохранить прямоугольный фрагмент). Появится диалоговое окно Set Image Rectification Parameters (Установить параметры прямоугольного фрагмента). Все параметры этого окна имеют по умолчанию значения, изменять которые обычно нет необходимости.

4. Щёлкнуть по кнопке OK. Это закроет окно и вызовет стандартный диалог для сохранения создаваемого файла. Надо ввести имя и расширение «.tif» для этого файла. По неизвестной причине MultiSpec сама в данном случае расширение к имени файла не добавляет, что впоследствии мешает ей же открывать такие файлы.

== Получение сводной статистической информации по многозональному изображению ==
Пункт меню Histogram image (Гистограмма изображения) позволяет вычислить и вывести в текстовом окне сводную статистическую информацию по всем каналам многозонального изображения или его части. Причём это может быть как пространственная часть изображения, так и выборка из спектральных каналов<ref name="Ref01" />.
1. Выделить часть изображения, по которому будут производиться вычисления. Или удалить выделение с помощью клавиши Delete, чтобы обработать всё изображение.

2. Выполнить команду Processor/Histogram image. Появится диалоговое окно Set Histogram Specifications (Установить параметры гистограммы) (рис. 9).

[[Файл:MulSpe09.jpg|center|thumb|750px|Рис. 9. Окно установки параметров вычисления гистограммы изображения]]

3. Выбрать метод (Method) вычисления гистограммы – Compute new histogram (Вычислить новую гистограмму).

4. С помощью списка Channels (Каналы) можно выбрать каналы, используемые для вычислений. По умолчанию установлен вариант All (Все).

5. Для получения сводной информации надо включить опцию List histogram summary (вывести сводную гистограмму) и выключить List histogram (вывести всю гистограмму).

6. При нажатии на кнопку OK в текстовом окне появится информация похожая на приведённый ниже пример (Табл. 1).

{| align="center"
|-
| Табл. 1. Пример таблицы сводной статистической информации
|-
|
{|
|-
| Channel || Channel Description || Data Range || Mean || Median || Standard Deviation
|-
| 1 || 0.45-0.52 um || 39 to 50 || 43.1 || 43 || 1.6
|-
| 2 || 0.53-0.61 um || 15 to 21 || 17.8 || 18 || 1.2
|-
| 3 || 0.63-0.69 um || 12 to 21 || 15.6 || 15 || 2.0
|-
| 4 || 0.78-0.90 um || 24 to 59 || 41.7 || 41 || 6.4
|-
| 5 || 1.55-1.75 um || 22 to 54 || 38.2 || 39 || 6.0
|-
| 6 || 2.09-2.35 um || 10 to 23 || 15.4 || 15 || 2.4
|-
| 7 || 10.4-12.5 um || 103 to 111 || 106.7 || 107 || 1.8
|}
|}

Столбцы таблицы несут следующую информацию:
* Channel – номер канала.
* Channel Description – описание канала (диапазон длин волн в мкм).
* Data Range – диапазон значений канала.
* Mean – среднее арифметическое.
* Median – медиана значений.
* Standard Deviation – стандартное отклонение.

Приведённые в последней таблице значения характерны для Landsat 1-7. Если обрабатываются материалы Landsat 8, то величины статистических характеристик изображения, полученные при вычислении гистограммы, будут, как правило, на 3 порядка больше.

Если предварительно был выделен достаточно однородный участок космоснимка, то набор величин Mean даёт оценку спектрального портрета этого участка. О степени однородности участка можно судить по величинам Standard Deviation. Повышенные значения должны предупредить о том, что в выделенный фрагмент попали пиксели сразу нескольких объектов с различными спектральными характеристиками.

== Создание схем распределения NDVI ==
В программе MultiSpec можно создавать трансформанты многозональных снимков – изображения, представляющие собой алгебраические комбинации значений исходных файлов каналов материалов Landsat. При этом чаще всего создают схемы распределения нормализованного дифференциального вегетационного индекса (NDVI). Назначение этого индекса – улучшить читаемость и представительность изображения путём подчёркивания особенностей распределения растительности и почвы.
Создаётся такая схема следующим образом<ref>MultiSpec exercise: Creating vegetation indices images. [Электронный ресурс] // PURDUE.EDU: сервер университета Пердью. URL: https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/tutorials/MultiSpec_Exercise_8.pdf. – 2010. – 7 pp. (дата обращения: 31.08.2015).</ref>:

1. Выделить часть изображения, по которому будут производиться вычисления. Или удалить выделение с помощью клавиши Delete, чтобы обработать всё изображение.

2. В меню Processor (Обработчик) выбрать команду Reformat/Change Image File Format… (Изменить формат файла изображения). В результате появится соответствующее диалоговое окно (рис. 10).

[[Файл:MulSpe10.jpg|center|thumb|750px|Рис. 10. Окно установки параметров изменения формата файла]]

3. Отметить опцию Transform Data… (Преобразовать данные). В результате появится соответствующее диалоговое окно.

4. Выбрать опцию New Channel from General Algebraic Transformation (Создать новый канал с помощью алгебраического преобразования). Окно изменит свой интерфейс (рис. 11).

[[Файл:MulSpe11.jpg|center|thumb|750px|Рис. 11. Ввод формулы алгебраического преобразования каналов многозонального снимка]]

:Ячейки для ввода значений в этом окне позволяют задать формулу алгебраической комбинации исходных каналов. С их помощью можно создать новый канал, например NDVI, если ввести после символа «C» номера каналов, соответствующие красному и ближнему ИК каналу.
:Когда многозональный снимок содержит все каналы сцены Landsat 1-7, то это будут: канал 1 – синий, канал 2 – зелёный, канал 3 – красный, канал 4 – ближний инфракрасный и т.д. Тогда в ячейки окна надо вводить формулу как показано на последнем рисунке.

5. Далее щёлкнуть по кнопке OK, что применит введённую формулу преобразования, закроет окно Set Reformat Transform Parameters и вернёт фокус в окно Image File Format Change Options.

6. В окне Image File Format Change Options для параметра Data value type (Тип значений данных) задать вариант 32-bit Real (вещественный). Программа может и сама установить этот тип, если определит, что результат вычислений будет не целочисленным.

7. Щёлкнуть по кнопке OK. Это закроет окно и вызовет стандартный диалог для сохранения создаваемого файла. Надо ввести имя и расширение «.tif» для этого файла.

8. После этого можно просмотреть получившейся результат, если при открытии файла задать тип изображения 1-channel thematic (1-канальный тематический) (рис. 12).

[[Файл:MulSpe12.jpg|center|thumb|750px|Рис. 12. Схема распределения NDVI]]

На данном изображении сине-зелёные оттенки соответствуют воде, красно-оранжевые – растительности разной пышности. Остальное – почво-грунты.

У Landsat 8 соответствие номеров и диапазонов сдвинуто на 1: канал 2 – синий, канал 3 – зелёный, канал 4 – красный, канал 5 – ближний инфракрасный и т.д.

== Экспорт изображения в текстовый файл ==
Нередко изобразительных свойств программы MultiSpec бывает недостаточно. Возникает желание передать информацию в другую, более подходящую, программу, например, Golden Software Surfer. Для этого надо экспортировать открытое в MultiSpec изображение в текстовый файл, который впоследствии может быть открыт в Surfer.

Экспорт в текстовый файл выполняется так<ref name="Ref01" />:

1. Выделить часть изображения, по которому будут производиться вычисления. Или удалить выделение с помощью клавиши Delete, чтобы обработать всё изображение.

2. Выполнить команду Processor/List Data… (Вывести данные). Появится диалоговое окно Set List Data Specifications (Установить параметры экспорта данных) (рис. 13).

[[Файл:MulSpe13.jpg|center|thumb|750px|Рис. 13. Параметры экспорта данных]]

3. Включить переключатель Include latitude and longitude values (Включить значения широты и долготы).

4. В группе Output results to (Вывести результаты в) убрать отметку опции Text window (Текстовое окно) и включить отметку опции Disk file (Дисковый файл).

5. Щёлкнуть по кнопке OK. Это закроет окно и вызовет стандартный диалог для сохранения создаваемого файла. Он имеет простой текстовый формат. В файле сформирована таблица, содержащая как координаты каждой точки изображения, так и значения всех каналов в ней.

Пример обработки результатов в Surfer показан на рис. 14.

[[Файл:MulSpe14.jpg|center|thumb|750px|Рис. 14. Пример построения распределения NDVI средствами Surfer]]

На данном изображении благодаря богатым возможностям визуализации двумерных данных у Surfer применены более естественные цвета (зелёный – пышная растительность, жёлто-зелёный – редкая растительность, коричневый – грунт, синий – вода) с точно подобранными рубежами перехода между цветами.

Рассмотрение технологии использования Surfer для подобных построений находится за пределами данного пособия.

== Наложение векторных данных в окне изображения ==
Векторные данные – это подготовленные в других программах наборы графических примитивов (полигонов, линий, точек), в совокупности представляющие собой чаще всего элементы топографической карты (реки, дороги, населённые пункты и т.п.). Векторные данные, наложенные на многозональное или классифицированное изображение, помогают легче ориентироваться по нему и быстро находить области интереса.

MultiSpec имеет возможность открывать векторные данные из shape-файлов (*.shp)<ref>MultiSpec exercise: Overlay shape files on image window. [Электронный ресурс] // PURDUE.EDU: сервер университета Пердью. URL: https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/tutorials/MultiSpec_Exercise_6.pdf. – 2009. – 2 pp. (дата обращения: 31.08.2015).</ref>. После открытия хотя бы одного shape-файла (при условии, что до этого был открыт растровый файл) на панели инструментов станет активной кнопка наложений (оверлеев) в виде большой красной буквы O, предоставляющая доступ к списку загруженных shape-файлов (рис. 15). Ставя или убирая галочку в соответствующей строке можно управлять видимостью накладываемых слоёв.

[[Файл:MulSpe15.jpg|center|thumb|750px|Рис. 15. Пример наложения векторных данных на многозональный снимок]]

На этом рисунке показан пример, где маленькими чёрными квадратиками отмечены пробные площадки в лесном массиве, окружающем апатитово-нефелиновую обогатительную фабрику № 2 в г. Апатиты.
Для открытия shape-файла требуется в диалоговом окне Открыть в списке фильтров Тип файлов выбрать вариант Shape (*.shp) (рис. 16).

[[Файл:MulSpe16.jpg|center|thumb|750px|Рис. 16. Установка фильтра для открытия shape-файла]]

Имеется возможность произвольно менять цвет и толщину линий, с помощью которых прорисовываются векторные данные. Для этого надо щёлкнуть по кнопке оверлеев при нажатой клавише Shift. В выпавшем списке открытых shape-файлов выбрать строку с нужным слоем. Появится диалоговое окно Set Overlay Parameters (Установка параметров оверлея) (рис. 17).

[[Файл:MulSpe17.jpg|center|thumb|750px|Рис. 17. Установка параметров линий shape-файла]]

Для удаления наложенных векторных данных можно использовать команду Edit/Clear Overlays (Убрать оверлеи).

== Разбиение изображения на классы по образцам ==
Программа MultiSpec позволяет выполнять автоматическое выделение на многозональном изображении участков, сходных с эталонными по спектральным характеристикам<ref>MultiSpec exercise: Supervised classification. [Электронный ресурс] // PURDUE.EDU: сервер университета Пердью. URL: https://engineering.purdue.edu/~biehl/MultiSpec/tutorials/MultiSpec_Exercise_4.pdf. – 2009. – 7 pp. (дата обращения: 31.08.2015).</ref>. Такая операция называется классификация с обучением. Когда алгоритм классификации разобьёт всё изображение на ограниченное число классов (соответствующих типам наземных объектов), то это будет большим подспорьем при дешифрировании и интерпретации космоснимка. Предварительно требуется произвести обучение алгоритма на эталонных образцах – участках изображения с характерными (и известными интерпретатору) спектральными портретами.
=== Выбор эталонных участков ===
Подготовка набора эталонных участков производится следующим образом.

1. Открыть ранее собранный файл многоканального изображения. Если просто открыть несколько файлов отдельных каналов одной сцены, то необходимая команда меню будет недоступной.

2. В меню Processor выбрать команду Statistics (Статистика). В появившемся диалоговом окне Set Project Options (Параметры проекта) (рис. 18) щёлкнуть по кнопке OK. Значения по умолчанию, применённые в таком случае будут вполне уместны.

[[Файл:MulSpe18.jpg|center|thumb|750px|Рис. 18. Окно установки параметров проекта]]

3. Новое окно проекта (с надписью Project в заголовке) появится в правой части окна.

4. Для выбора эталонных участков по каждому классу потребуется просто нарисовать прямоугольную рамку выделения поверх космоснимка. Или (при выборе опции Polygon Enter) нарисовать многоугольник, щёлкая мышкой в вершинах ломаной линии.
Желательно так выделить эталонный участок, чтобы пространство внутри него было максимально однородно по спектральным характеристикам. Также важно отступать на пару пикселей внутрь от границы участка. Это позволит избежать краевых эффектов.

5. В случае ошибки просто повторить процесс рисования границы эталонного участка сначала.

6. Щёлкнуть по кнопке Add To List… (рис. 19).

[[Файл:MulSpe19.jpg|center|thumb|750px|Рис. 19. Пример выделения эталонного участка озера]]

7. Появится диалоговое окно Define Class and/or Field Description (Определить описание эталонного класса и/или участка) (рис. 20). В этом окне можно задать название класса и наименование участка эталона.

[[Файл:MulSpe20.jpg|center|thumb|750px|Рис. 20. Диалоговое окно описания эталонного участка]]

8. Завершить с помощью кнопки OK.

Таким образом надо создать набор обучающих эталонов для всех существенных классов объектов, встречающихся на изображении (рис. 21). Для одного класса можно определить несколько эталонов.

[[Файл:MulSpe21.jpg|center|thumb|750px|Рис. 21. Пример результата создания набора обучающих эталонов]]

Окно проекта (Project) может находиться в четырёх различных режимах:
* Выделение обучающих эталонов (кнопка >Select).
* Список классов (кнопка >Classes).
* Список эталонов (кнопка >Fields).
* Список координат (кнопка >Coord.).
Пользователь может, переключившись в соответствующий режим, удалить ненужный класс. Для этого надо выделить его в списке классов и выполнить команду Edit/Cut Class (Вырезать класс). Аналогичным образом можно удалить и эталон.

Имеется возможность задавать границы эталонных участков не с помощью прямоугольника, как по умолчанию, а в виде полигона. Для этого надо включить опцию Polygon Enter, когда окно проекта находится в режиме выделения. Затем надо щёлкать мышью по изображению, задавая таким образом вершины полигона. Двойной щелчок завершает ввод полигональной границы.

=== Выполнение классификации ===
Когда набор эталонных участков разных классов подготовлен, можно приступать к выполнению самой классификации. Для этого надо выполнить следующие действия:

1. Выполнить команду Processor/Classify… (Классификация). Появится диалоговое окно Set Classification Specifications (Установка параметров классификации) (рис. 22).

[[Файл:MulSpe22.jpg|center|thumb|750px|Рис. 22. Диалоговое окно установки параметров классификации]]

2. На первом этапе отключить параметр Image Selection (Выделение изображения). Это необходимо для того, чтобы провести классификацию только по обучающим эталонам и получить начальную оценку качества определения классов.

3. Оставить все остальные параметры со значениями по умолчанию.

4. Щёлкнуть по кнопке OK в диалоговом окне параметров классификации, а затем по кнопке OK в окне Update Project Statistics (Обновить статистику проекта) (рис. 23) для запуска процесса классификации.

[[Файл:MulSpe23.jpg|center|thumb|750px|Рис. 23. Предупреждение об обновлении статистики проекта]]

5. После окончания вычислений можно посмотреть результаты классификации (табл. 2). Для этого выполнить команду Window/Text Output (Текстовое окно).

{| align="center"
|-
| Табл. 2. Пример таблицы результатов классификации
|-
|
{|
|-
| Project Class Name || Reference Class Number|| Accuracy, % || Number Samples || Озеро || Хвостохранилище || Облако || Тень || Тайга || Луг || Грунт || Скалы
|-
| Озеро || 1 || 100.0 || 1064 || 1064 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|-
| Хвостохранилище || 2 || 100.0 || 720 || 0 || 720 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|-
| Облако || 3 || 100.0 || 60 || 0 || 0 || 60 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0
|-
| Тень || 4 || 100.0 || 330 || 0 || 0 || 0 || 330 || 0 || 0 || 0 || 0
|-
| Тайга || 5 || 100.0 || 156 || 0 || 0 || 0 || 0 || 156 || 0 || 0 || 0
|-
| Луг || 6 || 100.0 || 182 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 182 || 0 || 0
|-
| Грунт || 7 || 100.0 || 36 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 36 || 0
|-
| Скалы || 8 || 100.0 || 132 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || 132
|-
| TOTAL || || || 2680 || 1064 || 720 || 60 || 330 || 156 || 182 || 36 || 132
|-
| Reliability Accuracy (%) || || || || 100.0 || 100.0 || 100.0 || 100.0 || 100.0 || 100.0 || 100.0 || 100.0
|}
|}

:Таблица, напечатанная в текстовом окне, содержит информацию о том, насколько качественно были классифицированы пиксели каждого класса. Параметр Accuracy (Точность) должен быть около 100% для всех обучающих эталонов. Если же этот параметр имеет низкое значение, меньше 50% у какого-то класса, то это значит, что для него надо переназначить эталонные участки.
:Если результаты классификации являются удовлетворительными, то можно приступать к классификации всего изображения.

6. Снова выполнить команду Processor/Classify… Появится диалоговое окно Set Classification Specifications.

7. Отключить параметр Training (resubstitution) (Обучение (повторная подстановка)).

8. Включить параметр Image Selection.

9. Убедиться, что будет классифицироваться всё изображение, для чего нажать на квадратную кнопку в группе Area to Classify (Область классификации), если она активна.

10. Включить параметр Disk file в группе Write classification results to:, что позволит сохранить результаты для дальнейшего использования. По умолчанию сохранение будет производиться в формате ERDAS.GIS.

11. Щёлкнуть по кнопке OK. Это закроет окно и вызовет стандартный диалог для сохранения создаваемого файла с результатами классификации.

12. Сохранить проект с помощью команды File/Save Project (Сохранить проект). Это приведёт к сохранению набора обучающих эталонных участков и соответствующих им классов для последующего анализа.

=== Просмотр классифицированного растра ===
Результат классификации в виде типизированного растра был сохранён в файле «*.gis». Если открыть его, то результат будет подобен приведённому ниже (рис. 24).

[[Файл:MulSpe24.jpg|center|thumb|750px|Рис. 24. Графический результат классификации]]

Выполнить команду Project/Add as Associated Image (Добавить как связанное изображение). Это приведёт к наложению границ обучающих эталонов с подписями поверх изображения.

Есть возможность изменить цвет этих линий и надписей на чёрный, если выполнить команду Processor/Statistics… и выбрать пункт Black (Чёрный) в списке Color (Цвет) группы Outline selected areas: (Линии выделенных областей).

В помощь для более удобного анализа графических результатов классификации пользователю предоставляется следующие полезные возможности:
* Если при нажатой клавише Shift щёлкнуть левой кнопкой мыши по цветному прямоугольнику интересуемого класса в легенде, то это приведёт к окрашиванию в белый цвет всех пикселей этого класса на изображении.
* Если одновременно нажать клавиши Shift и Ctrl и щёлкнуть левой кнопкой мыши по цветному прямоугольнику класса, то все классы, кроме этого, поменяют свой цвет на белый.
* Двойной щелчок мыши по цветному прямоугольнику класса позволит изменить цвет, ассоциированный с ним по умолчанию на более подходящий по смыслу.

== Экспорт графического изображения в растровый файл ==
Многозональные изображения, создаваемые в MultiSpec, особенно, если они содержат более 3 каналов, не могут быть открыты для просмотра многими графическими программами или импортированы текстовыми редакторами. Поэтому для передачи полученных изображений в другие программы можно, помимо копирования через буфер обмена, использовать возможность сохранения в простой растровый файл<ref name="Ref01" />.

При экспорте информация сохраняется «как есть», т.е. просто делается мгновенный снимок изображения при текущих значениях параметров визуализации космоснимка. Дальнейшее изменение внешнего вида, такие как смена комбинации каналов, использование разных кривых яркости и т.п. становится недоступным.

Одновременно с созданием растрового файла (*.tif), если это многозональный, а не тематический растр, создаётся одноимённый kml-файл, позволяющий сохранить также пространственную привязку изображения.

Для экспорта в растровый файл необходимо выполнить команду File/Save Image To GeoTIFF As… (Сохранить изображение в формате GeoTIFF) и в появившемся стандартном диалоговом окне задать имя экспортируемого фала.

Если предварительно выделить часть изображения, то команда для экспорта преобразится в Save Selection Image To GeoTIFF As… (Сохранить выделение в формате GeoTIFF).

== Литература ==
<references />
== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-bandcomb.html Интерпретация комбинаций каналов данных Landsat TM / ETM+]
* [http://gis-lab.info/qa/grass-ismap.html Классификация космического снимка с обучением с помощью QGIS и GRASS]
* [http://gis-lab.info/qa/layerstack.html Объединение многоканальных данных в единый файл]
* [http://gis-lab.info/qa/qgis-landsat-merge.html Как собрать и показать снимок Landsat из отдельных каналов в QGIS]
* [http://www.geogr.msu.ru/science/aero/acenter/int_sem2/int_sem2.htm Работа с многозональными снимками в свободно распространяемой программе MultiSpec]

[[Участник:Константин Силкин|Константин Силкин]] 22:45, 8 сентября 2015 (MSD)

Коррекция материалов Landsat

2015-09-17T08:48:08Z

Константин Силкин: /* Определение температуры земной поверхности */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: радиометрическая за неоднородность режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, за кривизну Земли, особенности рельефа снимаемой территории, масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены главным образом на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.
Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений.
Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь, – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важным становится не относительные изменения значений по одной сцене. Более важны соотношения NDVI по одной или разновременным сценам в абсолютном выражении.
Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за 1 сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют что-то совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет! Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.
Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.
Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой летает спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).
Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из ГС США, это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты R вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива ГС США, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить какие номера каналов соответствует эти диапазонам можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом, в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержит два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами длин волн теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С. В общем случае можно осреднить их.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]

Коррекция материалов Landsat

2015-09-17T08:46:50Z

Константин Силкин: /* Определение температуры земной поверхности */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: радиометрическая за неоднородность режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, за кривизну Земли, особенности рельефа снимаемой территории, масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены главным образом на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.
Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений.
Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь, – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важным становится не относительные изменения значений по одной сцене. Более важны соотношения NDVI по одной или разновременным сценам в абсолютном выражении.
Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за 1 сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют что-то совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет! Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.
Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.
Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой летает спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).
Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из ГС США, это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты R вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива ГС США, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить какие номера каналов соответствует эти диапазонам можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом, в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержит два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами длин волн теплового диапазона) Landsat 8, отличаются друг от друга на 1,5-3°С.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]

Коррекция материалов Landsat

2015-09-17T07:34:25Z

Константин Силкин: /* См. также */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: радиометрическая за неоднородность режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, за кривизну Земли, особенности рельефа снимаемой территории, масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены главным образом на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.
Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений.
Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь, – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важным становится не относительные изменения значений по одной сцене. Более важны соотношения NDVI по одной или разновременным сценам в абсолютном выражении.
Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за 1 сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют что-то совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет! Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.
Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.
Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой летает спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).
Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из ГС США, это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты R вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива ГС США, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить какие номера каналов соответствует эти диапазонам можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом, в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержит два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами длин волн теплового диапазона) материалов Landsat 8 отличаются друг от друга на 1,5-3°С.

== Литература ==
<references />

== См. также ==
* [http://gis-lab.info/qa/ss.html Технические характеристики инструментов ДЗЗ и их носителей]
* [http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html Получение бесплатных космических снимков Landsat TM,ETM+ через Glovis]
* [http://gis-lab.info/qa/earthexplorer-work.html Работа с архивом материалов ДЗЗ через EarthExplorer]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре]
* [http://gis-lab.info/qa/dn2temperature.html Конвертация данных Landsat TM/ETM+ в значения температуры - Теория]
* [http://gis-lab.info/qa/earthsundist.html Определение расстояния от Земли до Солнца в момент получения снимка]
* [http://gis-lab.info/qa/ndvi.html NDVI - теория и практика]

Коррекция материалов Landsat

2015-09-17T06:52:54Z

Константин Силкин: /* Определение температуры земной поверхности */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: радиометрическая за неоднородность режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, за кривизну Земли, особенности рельефа снимаемой территории, масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены главным образом на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.
Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений.
Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь, – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важным становится не относительные изменения значений по одной сцене. Более важны соотношения NDVI по одной или разновременным сценам в абсолютном выражении.
Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за 1 сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют что-то совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет! Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.
Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.
Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой летает спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).
Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из ГС США, это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты R вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива ГС США, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить какие номера каналов соответствует эти диапазонам можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения <math> \ R </math>, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом, в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержит два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами длин волн теплового диапазона) материалов Landsat 8 отличаются друг от друга на 1,5-3°С.

== Литература ==
<references />

== См. также ==

Коррекция материалов Landsat

2015-09-17T06:49:55Z

Константин Силкин: /* Определение температуры земной поверхности */

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: радиометрическая за неоднородность режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, за кривизну Земли, особенности рельефа снимаемой территории, масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены главным образом на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.
Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений.
Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь, – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важным становится не относительные изменения значений по одной сцене. Более важны соотношения NDVI по одной или разновременным сценам в абсолютном выражении.
Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за 1 сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют что-то совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет! Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.
Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.
Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой летает спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).
Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из ГС США, это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты R вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива ГС США, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить какие номера каналов соответствует эти диапазонам можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения R, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом, в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| <math> \ K_1 </math> || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| <math> \ K_2 </math> || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержит два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами длин волн теплового диапазона) материалов Landsat 8 отличаются друг от друга на 1,5-3°С.

== Литература ==
<references />

== См. также ==

Коррекция материалов Landsat

2015-09-17T06:45:34Z

Константин Силкин:

{{Статья|Черновик}}
{{Аннотация|В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: радиометрическая за неоднородность режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру}}
== Зачем нужна коррекция ==
Материалы Landsat в том виде, как они предоставляются пользователю, уже в значительной мере скорректированы, например, за кривизну Земли, особенности рельефа снимаемой территории, масштабирование в пределах возможных значений регистрируемых величин и т.п. Однако все эти коррекции направлены главным образом на обеспечение надёжного визуального дешифрирования наземных объектов.
Если же главным при анализе космоснимков становится не форма, рисунок и взаимное расположение объектов, а их индивидуальные спектральные характеристики, то требуется дополнительная коррекция изображений.
Типичным примером такого анализа является вычисление вегетационных индексов по многозональным материалам, в первую очередь, – нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI. При интерпретации схем распределения NDVI крайне важным становится не относительные изменения значений по одной сцене. Более важны соотношения NDVI по одной или разновременным сценам в абсолютном выражении.
Например, возьмём две сцены:
* LE71870132004212EDC01 от 2004-07-30, зарегистрированную Landsat 7.
* LT51860132004213KIS00 от 2004-07-31, зарегистрированную Landsat 5.
Эти сцены имеют взаимное перекрытие, поэтому можно сравнить как выглядит на них один и тот же участок территории возле Кольской АЭС. Правомерно предположить, что за 1 сутки (с погрешностью в 12 минут, судя по времени регистрации) в состоянии растительных сообществ не должно было произойти никаких значимых изменений. Но схемы NDVI, построенные для этих сцен, демонстрируют что-то совсем иное (рис. 1).

[[Файл:LandsatTrans1.png|center|thumb|750px|Рис. 1. Сравнение двух схем NDVI, построенных по сценам, зарегистрированными разными спутниками Landsat с промежутком в 1 сутки]]

Сравнивая эти схемы можно решить, что северная тайга в последний день июля 2004 года испытала быстрый расцвет! Судя по значениям NDVI, которые в среднем изменились на 18%, растительность повсеместно из категории угнетённой разреженной перешла в разряд пышной сомкнутой.
Этот курьёзный случай может быть объяснён только одним образом – нельзя сравнивать несравнимое. Прежде чем проводить вычисления NDVI, надо было выполнить коррекцию значений каналов каждой сцены в соответствии с калибровочными коэффициентами каждой из них.
Дело в том, что в данном случае сцены были засняты разными спутниками, аппаратура которых была настроена по-разному. Следовательно, зарегистрированные ими изображения без дополнительной радиометрической коррекции не годятся для тонкого спектрального анализа.

== Радиометрическая коррекция ==
Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой летает спутник Landsat<ref>Landsat 7 Science Data Users Handbook [Электронный ресурс] // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/pdfs/Landsat7_Handbook.pdf. (дата обращения: 03.09.2015). – P. 117-120.</ref>. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя <math> \ Q </math>, – номинировано в условных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).
Требуется получить из <math> \ Q </math> значения отражающей способности (альбедо) <math> \ \rho </math> наземных объектов, видимых на космоснимке.
Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из ГС США, это производится следующим образом (1):

<center>
<math> \rho = \frac {\pi R ~ d^2} {E \cos \theta}, \qquad (1) </math>
</center>

где <math> \ R </math> – интенсивность излучения от объекта, достигшего орбиты Landsat, <math> \ d </math> – расстояние между Землёй и Солнцем, <math> \ E </math> – коэффициент светимости для каждого канала.

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты R вычисляется по формуле (2):

<center>
<math> R = \left ( R_{\mbox{max}} - R_{\mbox{min}} \right ) \frac {Q - 1} {254} + R_{\mbox{min}}, \qquad (2) </math>
</center>

Калибровочные коэффициенты <math> \ R_{\mbox{min}} </math> и <math> \ R_{\mbox{max}} </math> должны быть взяты из текстового файла метаданных с именем «*_mtl.txt», который поставляется вместе со сценой в одном архивном файле.

Если открыть этот файл для просмотра в текстовом редакторе, то там нужно найти строки, содержащие параметры, как показано на рис. 2. Из всего набора параметров следует выбрать коэффициенты, соответствующие определённому каналу.

[[Файл:LandsatTrans2.png|center|thumb|750px|Рис. 2. Содержимое файла с метаданными сцены Landsat 7, необходимыми для получения интенсивности излучения на сенсоре]]

Значение интенсивности излучения на сенсоре <math> \ R </math> имеет размерность Вт/м²/ср/мкм, т.е. мощность излучения, падающая на единицу площади земной поверхности сквозь телесный угол в 1 стерадиан, взятого относительно единицы длины волны излучения.

Расстояние между Землёй и Солнцем <math> \ d </math> может быть вычислено по приближённой формуле:

<center>
<math> d = 1 - 0{,}01668 \cos \left ( i \frac {2 \pi} {365} \right ) </math>
</center>

где <math> \ i </math> – порядковый номер в году дня получения изображения. Его можно определить по дате регистрации сцены, которая также находится в файле метаданных (рис. 3):

[[Файл:LandsatTrans3.png|center|thumb|750px|Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)]]

Если для вычислений использовать MS Excel, то в нём для получения значения <math> \ i </math> удобно использовать формулу <code> =Ref-ДАТА(ГОД(Ref);1;1)</code>, где Ref – ссылка на ячейку, где записана дата регистрации.

Величина <math> \ d </math> измеряется в астрономических единицах (а.е.).

Значения светимости <math> \ E </math> для каждого канала могут быть взяты из следующей таблицы (табл. 1):

<center>
'''Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Каналы !! 1 !! 2 !! 3 !! 4 !! 5 !! 7 !! 8
|-
| Landsat 4 || 1957 || 1825 || 1557 || 1033 || 214.9 || 80.72 || –
|-
| Landsat 5 || 1957 || 1826 || 1554 || 1036 || 215.0 || 80.67 || –
|-
| Landsat 7 || 1970 || 1842 || 1547 || 1044 || 225.7 || 82.06 || 1369
|}
</center>

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр <math> \ \theta </math> – высота стояния Солнца над горизонтом в момент съёмки – может быть взят из файла с метаданными сцены (рис. 4). Значение это в файле приведено в градусах. Перед подстановкой в формулу его надо перевести в радианы.

[[Файл:LandsatTrans4.png|center|thumb|750px|Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)]]

Для материалов Landsat 8, взятых из архива ГС США, расчётные формулы имеют гораздо более простой вид:

<center>
<math> \rho = \frac {R} { \sin \theta}, \qquad (3) </math>
</center>

где

<center>
<math> R = 2 \cdot 10^{-5} Q - 0{,}1. \qquad (4) </math>
</center>

После вычисления по представленным формулам значения альбедо <math> \ \rho </math> по разным каналам могут быть использованы, например, для определения величины NDVI:

<center>
<math> \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}. </math>
</center>

Здесь NIR – номер канала ближнего инфракрасного диапазона, RED – номер канала красного диапазона. Определить какие номера каналов соответствует эти диапазонам можно с помощью табл. 2.

<center>
'''Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat<ref>The Multispectral Scanner System // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3227. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Thematic Mapper // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3229. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>The Enhanced Thematic Mapper Plus // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=3225. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Operational Land Imager // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5107. (дата обращения: 13.09.2015).</ref><ref>Thermal Infrared Sensor // NASA.GOV: сервер Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства. URL: http://landsat.gsfc.nasa.gov/?p=5112. (дата обращения: 13.09.2015).</ref>'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 1 !! Landsat 2 !! Landsat 3 !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7 !! Landsat 8
|-
| RED || 5 || 5 || 5 || 3 || 3 || 3 || 4
|-
| NIR || 6 || 6 || 6 || 4 || 4 || 4 || 5
|-
| Тепловой || – || – || 8 || 6 || 6 || 61, 62 || 10, 11
|}
</center>

== Определение температуры земной поверхности ==
По значениям тепловых каналов (табл. 2) можно определить температуру подстилающей поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5°С, однако дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов.

Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения R, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом, в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формулы 2, 4).

Для Landsat 4-5 температура <math> \ T </math> вычисляется по следующей формуле:

<center>
<math> T = \frac {K_2} { \ln{ \left( \frac {K_1} {R} + 1 \right) }} - 273{,}15 \ (^{\circ} \mbox{C}), \qquad (5) </math>
</center>

Здесь <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> – калибровочные константы, значения которых можно взять из табл. 3.

<center>
'''Табл. 3. Калибровочные константы для вычисления температуры, Вт/м²/мкм'''

{| class="wikitable"
|-
! Диапазон !! Landsat 4 !! Landsat 5 !! Landsat 7
|-
| K1 || 671.62 || 607.76 || 666.09
|-
| K2 || 1284.30 || 1260.56 || 1282.71
|}
</center>

Пример результатов определения значений температуры подстилающей поверхности по данным теплового канала показан на рис. 5.

[[Файл:LandsatTrans5.png|center|thumb|750px|Рис. 5. Тепловая аномалия города Воронеж в марте 1985 г. Значения шкалы – °С]]

Материалы Landsat 7 содержит два тепловых канала: 61 и 62, которые отличаются настройками усиления сигнала. Для вычисления температуры можно использовать в формуле (5) любой из них или оба – они дают почти одинаковые значения (±0,1°С).

Почти также и с помощью той же формулы (5) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант <math> \ K_1 </math> и <math> \ K_2 </math> надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 6).

[[Файл:LandsatTrans6.png|center|thumb|750px|Рис. 6. Метаданные сцены Landsat 8: калибровочные константы для вычисления температуры]]

Значения температуры, определённые по каналам 10 и 11 (они различаются охватываемыми интервалами длин волн теплового диапазона) материалов Landsat 8 отличаются друг от друга на 1,5-3°С.

== Литература ==
<references />

== См. также ==