LandSat8-数据处理流程v0.1

武汉中心LandSat-8数据处理流程v0.111.LandSat8数据简介1.1传感器平台2013年2月11号，NASA成功发射了Landsat8卫星，为走过了四十年辉煌岁月的Landsat计划重新注入新鲜血液。LandSat-8上携带有两个主要载荷：OLI和TIRS。2013年5月30号开始向全球提供免费下载（）。波段：成像宽幅为185x185km。OLI包括了ETM+传感器所有的波段，为了避免大气吸收特征，OLI对波段进行了重新调整，比较大的调整是OLIBand5(0.845–0.885μm)，排除了0.825μm处水汽吸收特征；OLI全色波段Band8波段范围较窄，这种方式可以在全色图像上更好区分植被和无植被特征；此外，还有两个新增的波段：蓝色波段(band1;0.433–0.453μm)主要应用海岸带观测，短波红外波段(band9;1.360–1.390μm)包括水汽强吸收特征可用于云检测；近红外band5和短波红外band9与MODIS对应的波段接近。表1-1OLI陆地成像仪OLI与ETM+波段一览OLI陆地成像仪ETM+序号波段(μm)空间分辨率(m)序号波段(μm)空间分辨率(m)10.433–0.4533020.450–0.5153010.450–0.5153030.525–0.6003020.525–0.6053040.630–0.6803030.630–0.6903050.845–0.8853040.775–0.9003061.560–1.6603051.550–1.7503072.100–2.3003072.090–2.3503080.500–0.6801580.520–0.9001591.360–1.39030TIRS成像仪介绍：Landsat-8卫星搭载了由戈达德航天飞行中心(GSFC)研制的专用于热红外谱段成像的热红外探测器——TIRS成像仪。TIRS成像仪与OLI成像仪工作方式相似，也是推扫式结构，在Landsat-8卫星705km的轨道上，能够获取成像幅宽为185km、地面分辨率为100m的两个热红外波段图像。TIRS成像仪能够获取10.8μｍ和12μｍ两个热红外波段图像（表2），二者配合使用能够在反演的时候对大气削弱进行修正，将地表温度从大气温度中分离出来，可用于热强度测定分析，探测地表物质自身热辐射。TIRS成像仪的数据量化为12比特，辐射分辨率也比ETM+的热红外图像更高。表1-2TIRS载荷参数Band#中心波长(μm)最小波段边界(μm)最大波段边界(μm)空间分辨率(m)1010.910.611.21001112.011.512.51001.2LandSat-8产品分级参照美国对Landsat卫星数据及其产品的描述，Landsat-8数据产品分为L0Rp、L1G、L1Gt和L1T几个等级1。表1-3LandSat-8产品级别产品级别描述格式L0Rp经过分景、编目处理，以地面参考网格为单位（景）分割的数据子集HDF5L1G辐射校正数据经过系统级几何校正处理（未使用地面控制点和数字高程模型数据）得到的数据产品GeoTIFFL1Gt辐射校正数据进行系统几何校正并在校正处理中使用数字高程模型得到的数据产品GeoTIFFL1T辐射校正数据经过几何精校正处理（使用地面控制点和数字高程模型数据）得到的数据产品GeoTIFFL0Rp数据产品是卫星地面系统对卫星原始数据进行帧同步、去格式化、解压缩、分帧、分景、重新格式化处理生成的数据集，其中包含后续处理所需的所有图像数据和辅助数据。但是，由于Landsat-8卫星上传感器阵列的排列方式以及推扫式的成像方式，导致了相邻传感器获取的地物图像在几何位置上存在偏移，L0Rp数据没有对这个偏移进行校正处理，所以用户无法直接使用L0Rp数据。L1G数据产品是辐射校正数据经过系统级几何校正处理（未使用地面控制点和数字高程模型数据）得到的数据产品。L1Gt数据产品是辐射校正数据进行系统几何校正并在校正处理中使用数字高程模型得到的数据产品。L1T数据产品是辐射校正数据使用地面控制点和数字高程模型数据进行精确校正后的数据产品。在几何校正产品生产过程中，中国地区采用的数字高程模型数据源为SRTM(ShuttleradarTopographyMission)，其水平分辨率为30m，相对精度为10m；采用的地面控制点库为GLS2005(GlobalLandSurvey,2005)，根据2012年USGS、NASA以及马里兰大学的精度评价，GLS200580％的数据精度高于30m，97％的数据精度高于50ｍ。经过几何精校正后的Landsat-8L1T产品，与以往的Landsat产品相比，产品精度方面有了大幅提升。根据USGS提供的信息，OLI成像仪L1T产品的理论设计几何标称精度为12m，TIRS成像仪L1T产品的理论设计几何标称精度为41m。现在中科院和USGS共享的Landsat-8数据均为L1T产品。1.3数据组织Landsat-8的L1T产品下载后为一压缩包，其中文件如图1-1，包括一个元数据文件（.Txt），十一个单波段文件（.Tif），和一个BQA波段影像（用于影像质量评估，可用于构建某些光谱分析的mask文件，比如去除云雪影响）。a.下载的压缩包b.解压后的文件列表图1-1USGS网站下载的Landsat-8文件列表1.4命名规则Landsat-8压缩包的命名遵循以下规则：例如：LC81240422013299LGN00.tar.zipLC8：Landsat-8卫星124：WRSpath042：WRSrow2013：影像获得年份299：影像获得日期，从1月1日为1算起累计。299即为10月26日LGN：接站代码00：产品级别2.数据预处理流程2.1数据下载和读取Landsat-8数据在网站上可以免费下载(注册账户:ww.wcgs;密码:w419419419)，可下载数据基本能覆盖全球，行列号采用WRS2(卫星条带号的一个参考坐标系统)，下载的数据多为L1T数据包。图2-1hyperion数据网页下载界面数据读取可采用Envi5.1，在这里以Landsat8数据“LC81240422013299LGN00”为例进行介绍。File-Open(或者File-OpenAs-Landsat-GeoTiffwithmedaData)，选择LC81240422013299LGN00_MTL.txt文件，点击OK打开。分为五个数据集：多光谱数据（1-7波段），全色波段数据（8波段），卷云波段数据（9波段），热红外数据（10，11波段）和质量波段数据（12波段）。打开真彩色波段组合后如下图所示：2.2辐射定标因为L1T文件已经经过了带DEM的地形校正，所以坐标精度基本能满足中小比例尺的要求，但还未做辐射定标和大气校正，首先需采用ENVI的工具箱中查找工具：/RadiometricCorrection/RadiometricCalibration；双击此工具，选择要校正的多光谱数据“LC81240422013299LGN00_MTL_MultiSpectral”进行辐射定标，选择参数对话框中点击“ApplyFlaashSetting”后会自动读取元数据中的正射参数，也可以自己输入参数，主要参数如下图：A.envi打开后列表B.原始影像C.植被处的DN值图2-2Envi中打开Landsat-8原始图像*注：辐射定标后发现只剩下7个波段的图像，这是因为定标过程自动剔除了无用的卷云波段（B9）和质量检查波段（BQA），而热红外的两个波段和全色波段因分辨率不同也没有参与运算。2.3大气校正大气校正是多光谱遥感数据进行地表参数定量分析的前提，主要是消除或减少大气分子和气溶胶的散射和吸收对地物反射率的影响。目前大气校正的方法主要有经验线性法和基于物理的辐射传输模型法23。现采取较为通用的大气辐射传输模型MODTRA对Landsat-8数据进行大气校正4。具体操作采用envi里的flaash模块。选择Toolbox/RadiometricCorrection/AtmosphericCorrectionModule/FLAASHAtmosphericCorrection，打开FLAASH大气校正工具。参数设置如下：A.flaash基本参数设置B.多光谱设置A.辐射定标面板B.辐射定标后的影像C.辐射定标后植被处的辐射亮度图2-3辐射定标后的影像C.flaash高级设置D.大气校正后的影像E.大气校正结果F.大气校正后的植被DN值图2-4FLAASH选项参数详细说明如下：（1）文件输入与输出信息项目单击InputRadianceImage按钮，选择上一步准备好的辐射亮度值数据lc8_rad.dat。在RadianceScaleFactors对话框中选择Usesinglescalefactorforallbands（Singlescalefactor：1.000000），在辐射定标中对单位进行了转换。单击OutputReflectanceFile按钮选择输出文件名和路径。（2）传感器与图像目标信息Lat：纬度，Lon：经度（FLAASH自动获取）SensorType：LandSat-8OLIGroundElevation（km）：0.5（从相应区域的DEM获得平均值，注意单位）FlightDate：2013-05-12FlightTime：02:55:26（格林尼治时间）注：在右边图层管理器中，单击右键选择ViewMetadata，在Metadataviewer中浏览time可以看到飞行时间（3）大气模型（AtmosphericModel）：Sub-ArcticSummer（5月份纬度：40-50）（4）气溶胶模型（AerosolModel）：Urban，应该根据实际情况选取，实例数据在郊外，采用rural。（5）气溶胶反演（AerosolRetrieval）：2-Band（K-T）（6）初始能见度（InitialVisibility）：40。（7）多光谱设置（MultispectralSettings）Defaults下拉框：Over-LandRetrievalStandard（660：2100）。FilterFunctionFile：选择ldcm_oli.sli波谱响应文件注：波谱响应函数：默认指向..\ProgramFiles\Exelis\ENVI51\classic\filt_func\landsat8_oli.sli把它重新指向：..\ProgramFiles\Exelis\ENVI51\resource\filterfuncs\landsat8_oli.sli，这是因为ENVI5.1版本的一个小bug，即Classic中的L8的波谱响应函数不正确，另外一个一劳永逸的方法是：将“\Exelis\ENVI51\resource\filterfuncs”中的Landsat8_oli.sli和Landsat8_oli.hdr两个文件拷贝覆盖：“...\ENVI51\classic\filt_func”中的两个文件。否则SWIR1波段大气校正后的结果全为0。（8）高级设置（AdvancedSettings）：tile设置为100M，其余按照默认设置。（9）单击Apply按钮，执行FLAASH，结果如图2-4d。，浏览植被波谱曲线图2-4f，大致可以看出大气校正后消除了大气散射的影响。2.4图像融合Landsat8OLI的图像，包含多光谱8个波段，30米空间分辨率，一个全色波段，15米空间分辨率，以及热红外数据。ENVI5.1的融合功能新增了Landsat8传感器，用GS融合方法将8波段30米的多光谱数据和15米的全色数据进行融合，能得到非常好的融合效果。(1)启动ENVI5.1软件，选择File-Open，选择_MTL.txt文件打开；(2)工具箱中，双击ImageSharp