Landsat7 ETM+数据的增益设置及增益改变

Landsat7 ETM+数据的增益设置及增益改变

本文就Landsat 7 ETM+的增益设置和数据的增益改变现象，及相关的数据使用问题，做一简要介绍。

1. 什么是传感器的增益设置

在美国的Landsat 7计划中，以建立并定期更新全球陆地卫星 存档数据库为目的，设计了长期数据获取计划(Long Term Acquisition Plan，即LTAP计划)，计划在5年内定期地获取 每一景无云的陆地图象数据。 为保证对地面数据的正常获取、及对数据的充分利用，Landsat 7对ETM+传感器的信号处理部 分进行了重新设计，使其可以在两种状态下工作，即高增益状 态和低增益状态。从信号处理的角度讲，传感器的增益设置，将影响到其输出信号的强度，在图象上将表现为象元亮度的变化。LTAP计划对各波段增益做如下统一设置：

1. Band 1，2，3设置同一值；
2. Band 4单独设置；
3. Band 5，7设置同一值；
4. Band 6在格式1时总设置为低增益(6L)，格式2时总设置为高增益(6H)；
5. Band 8(Pan)总设置为低增益。传感器增益设置的依据是，以景或空间区域的平均信息量(熵值) 用来确定增益的设置；传感器增益设置的目的是，使获取的图象 数据能够尽可能充分地反映地物的光谱信息，避免出现亮度饱和 或过暗；传感器增益设置的规律是，按季节在某一纬度范围内对 传感器的增益进行设置。

2. 什么是数据的增益改变

在了解了传感器的增益设置后，对数据的增益改变就很容易理解了。当传感器某一波段的增益设置发生变化时，就表现出对应图象数据 的增益变化现象，即在图象上从某一行开始，象元的亮度值发生了 阶越性变化。如右图所示。

3. 有增益改变数据的修正

当传感器发生增益改变时，处理系统可自动判断增益改变的位置和 变化方式，并对增益改变后的数据进行相应的处理。但是，这种处 理将依然在图象上呈现出象元亮度值的阶越性 变化。对此有两种修正措施：

• 图象亮度调整：。在对数据的常规处理之后，根据增益变化前后的数据平均亮度，按照相邻地区地物亮度比较接近的规律，将增益改变后的图象象元亮度调整到增益改变前的水平上，从视觉上消除象元亮度值的阶越性变化现象；
• 辐射定标处理：在对数据的常规处理之后，采用辐射定标处理的方法，对增益改变前后的图象数据分别选用相应的处理参数，将图象亮度值转换为地物辐射值(如：辐射亮度或反射率)，此时由传感器增益改变带来的图象亮度的阶越性变化可以完全消除。目前，地面站采用第一种方法对有增益改变的数据进行处理。

4. 有增益改变数据的使用

有增益改变现象数据的使用与正常数据的使用没有本质的差别，特别是在消除了增益改变对图象亮度值的视觉影响后，可近似看 作正常数据。但要注意的是：在数据产品的头文件中并未对传感 器的增益改变做任何标记，因此在进行辐射值标定处理时，可考 虑使用未经修正的图象数据，并寻求相应的标定参数。

5. ETM+波段6的增益设置问题

我们知道，Landsat 7下行数据有两个通道，分别记作格式1和 格式2。前文中提到，波段6在格式1时总设置为低增益(6L)，在格式2时总设置为高增益(6H)，没有增益改变的问题。在数据使 用方面，用户可根据各自的研究区域和应用目的选择使用某一通道。

6. 关于Landsat 7快速格式产品的头文件

在Landsat 7快速格式产品的头文件辐射记录段中含有与辐射校正 有关的参数，用户可利用这些参数将图象象元的亮度值转换成地 物的辐射值或反射率。辐射记录段以“gains and biases in ascending band number order”开始，逐行、按波段顺序记录了 辐射校正有关的参数，每行中按bias、gain的顺序排列，其中bias 的单位是W/m2 . ster .μm，gain的单位是(W/m2 . ster . μm)/DN。需要注意的是：在产品的头文件中仅记录了该产品各波段数据开始 时增益设置下的辐射校正参数；在波段6的头文件中则分别记录了两 种增益设置下(L、H)的辐射校正参数。

7. 地物辐射值的计算

利用头文件中记录的辐射校正参数，用户可方便地计算出地物在大气 顶部的辐射亮度或反射率。计算式如下： L = gain * DN + bias r = πL ds2 / (E0 cosq) 其中：L是地物在大气顶部的辐射亮度，DN是象元值，gain和bias可从头文件中得到，r是地物反射率，ds是日地天文单位距离 ，E0太阳辐照度，q是太阳天顶角。 对热红外波段(6L和6H)，可用下列 公式计算地物的传感器温度(K。)： 其中：L6是由上式给出的地物在大气顶部的辐射亮度，K1和K2是计算常数，分别为K1 = 666. 093 W/m2 . ster . μm，K2 =1282. 7108 K。。延伸知识： Landsat-7数据的辐射标定精度： 根据ETM+仪器设计，可保证在5年的设计寿命期内使辐射精度维持在+/-5% 的范围之内。它室是通过变更硬件设计、卫星发射前特性的确定、在轨监测与标定程序、变更地面数据处理来实现的。 怎样利用“确定 的星历数据（definitive ephemeris）”来改进预处理：Level 1G ETM+ 数据产品的处理方法正在得到改进。不久将用“确定的星历数据” 来代替“预测的星历数据（predicted ephemeris）”进行ETM+数据的 几何校正，并把Lever lG产品与地图投影配准。这样Level 1G产品的地 理精度将得以大大提高。