Конвертация данных TM, ETM+ в показатели излучения на сенсоре

Эта страница опубликована в основном списке статей сайта
по адресу http://gis-lab.info/qa/dn2radiance.html

Описание одной из базовых операций подготовки исходного изображения для последующего анализа совместно с данными другого типа (полученных другим прибором).

Данные дистанционного зондирования полученные со спутников серии Landsat получаемые конечными пользователями (а ими является большинство из нас) проходят определенную обработку, включающую радиометрическую коррекцию и масштабирование полученных значений на шкалу возможных значений яркости элемента изображения. Эти данные зависят от радиометрического разрешения матрицы (количества уровней яркости) и представляют собой, таким образом, значения пропорциональные количеству приходящей радиации (т.н. DN - digital numbers). DN - те значения, которые мы имеем исходно, получив снимок. Чем больше радиометрическое разрешение матрицы, тем больше диапазон значений, который может принимать преобразованный из излучения сигнал, для камеры MSS этот диапазон - 0..63 (2⁶, 64 возможных значения), для TM (ETM+) - 0.255 (2⁸, 256 возможных значений), что говорит о ее более высоком радиометрическом разрешении.

Значения DN безразмерны и пропорциональны количеству восходящего излучения и излучения попадающего на сенсор (в литературе также можно встретиться следующие синонимы upwelling radiance at-sensor, at-sensor radiance, spectral radiance), которое измеряется в следующих единицах:

${\frac {W}{m^{2}\cdot ster\cdot \mu m}}$

то есть: поток энергии (ватт) на квадратный метр земной поверхности на один стерадиан (трехмерный угол от точки на поверхности Земли к сенсору) на единицу измеряемой длины волны.

Перед тем как запустить прибор в космос на земле определяется соотношение между DN и измеряемым потоком энергии. Этот процесс носит название калибровки сенсора.

В большинстве операций по обработке данных дистанционного зондирования (например при классификации изображения) использовать истинные значения излучения не обязательно, вполне достаточно значений масштабированных значений DN. Однако, когда в операции используются одновременно данные из нескольких разных источников (полученные с помощью разных камер, TM-ETM+, MSS-TM и т.д.), например для анализа изменений (change detection), следует понимать, что разные камеры калибруются по разному и свести эти данные полученные с них к единому знаменателю. Это достигается засчет перевода данных из DN в реальные значения приходящего излучения с помощью специальных формул.

Основная формула, используемая для пересчета:

$L_{\lambda }={\frac {L_{max\lambda }-L_{min\lambda }}{Q_{calmax}-Q_{calmin}}}\cdot \left(Q_{cal}-Q_{calmin}\right)+L_{min\lambda }$

где, $L_{\lambda }$ — количество приходящего излучения $L_{min}$ — количество приходящего излучения которое после масштабирования становится Qmin $L_{max}$ — количество приходящего излучения которое после масштабирования становится Qmax $Q_{calmin}$ — минимальное калиброванное значение DN (0 или 1) $Q_{calmax}$ — максимальное калиброванное значение DN (255) $Q_{cal}$ — калиброванное значение (DN)

Параметры которые нужно подставить в уравнение обычно распространяются с самими данными Landsat, если источник ваших данных — архив GLCF, то искать эти параметры следует в файле с расширением met, фрагмент файла с выделенными параметрами приведен ниже (загрузить пример файла).

Если в поставке ваших данных файла с параметрами нет, то их можно найти на официальной странице программы Landsat. На этой странице хранятся файлы CPF (calibration parameter file) в которых содержится много информации о настройках параметров калибровки сенсора, в том числе параметров которые используются прибором для перевода количества приходящего излучения в DN (Lmin,Lmax,Qmin,Qmax). Этими же можем воспользоваться этими значениями для обратного перехода из DN в количество приходящего излучения.

Файлы калибровки для Landsat-7\ETM+ (начиная с 2-ой четверти 1999 г.) >>>

Файлы калибровки для Landsat-5\MSS (начиная с Марта, 2002 г.) >>>

Приборы TM, ETM+ периодически перенастраиваются, поэтому определенному периоду времени соответствует свой набор параметров и, соответственно, свой фай CPF. После того, как вы определите дату съемки своего изображения, нужно выбрать соответствующий файл CPF и найти в нем нужные параметры.

*Настройки получаемые вместе с данными через GLCF (met-файлы), как правило, совпадают с официальными данными.

Определение режима съемки (gain)

Если вы используете параметры из файла CPF, то перед вами встанет вопрос, какие параметры использовать, для режима Low Gain или High Gain (подробнее о режимах съемки). Определить в каком режиме была произведена съемка можно используя метаданные поставляемые вместе со съемкой, в метафайле GLCF этот пункт выглядит вот так:

Применение полученных параметров

Получив параметры и используя приведенную выше формулу можно достаточно легко пересчитать имеющиеся данные Landsat, расчет производится для каждого канала отдельно.

При пересчете следует учитывать следующие особенности:

• Если система обработки Landsat - NLAPS (USGS, Eros Data Center) то значение $Q_{min}=0$, если ECS, то $Q_{calmin}=1$. Определить систему обработки NLAPS можно по наличию файла *.h1 в поставке данных, в этом же файле хранятся параметры пересчета;
• Для данных TM (Landsat5) $Q_{calmin}=0$; Соответственно формула пересчета выглядит так:

$L_{\lambda }={\frac {L_{max\lambda }-L_{min\lambda }}{Q_{calmax}}}\cdot Q_{cal}+L_{min\lambda }$

• Набор параметров для пересчета данных TM (Landsat-5) можно взять из этой таблицы, нужно обратить внимание, что в зависимости от даты съемки — коэффициенты разные (источник):

Дата съемки	01.03.1984 - 04.05.2003		с 05.05.2003
Канал	Lmin	Lmax	Lmin	Lmax
1	-1.52	152.10	-1.52	193.0
2	-2.84	296.81	-2.84	365.0
3	-1.17	204.30	-1.17	264.0
4	-1.51	206.20	-1.51	221.0
5	-0.37	27.19	-0.37	30.2
6	1.2378	15.303	1.2378	15.303
7	-0.15	14.38	-0.15	16.5

Обычно, следующим шагом после пересчета DN в количество приходящего на сенсор излучения является пересчет полученных значений в абсолютные безразмерные значения отражения (reflectance), которые характеризуют отношение количества поступившего на объект света и количество света им отраженного. Такие данные удобны тем, что они не зависят от времени и сезона съемки, влияния атмосферы и зависят только от самого объекта. О том, как пересчитать излучение на сенсоре в отражение читайте в следующих заметках.

Пользователи ERDAS IMAGINE 8.x могут воспользоваться этим файлом модели, который легко переделать для других данных. Для выполнения файла, выберите Modeler\Model Librarian...\Run. Результатом работы программы являются пересчитанные в значения излучения на сенсоре, формат файлов — float (числа с дробной частью) поэтому размер занимаемый ими на диске значительно больше исходных.

Значительно облегчить процесс пересчета (особенно если сцен много) можно используя ERDAS IMAGINE и специальный генератор MDL-файлов, разработанный специально для этой задачи.

Описание и саму программу можно взять здесь (в разработке).

Ссылки по теме

• Gyanesh Chander, Brian Markham. Revised Landsat-5 TM radiometric calibration procedures and postcalibration dynamic ranges
• Landsat Science Data Users Handbook. Data Products