L8数据反射率产品增值服务

Landsat8卫星数据地表反射率产品共享数据说明刘良云，胡勇，王颖洁中国科学院遥感与数字地球研究所，100094联系人email：[e-mail]1、Landsat系列卫星地表反射率处理系统背景介绍Landsat系列卫星数据，由于其数据累积较长（40年）、分辨率较高（30-60m）、免费共享政策等优点，是目前应用最广泛的遥感数据之一。但目前提供的Landsat标准数据产品，其像元值为DN值。而对于大多数遥感应用，尤其是时间序列遥感数据的应用研究，都需要对遥感数据进行定量化处理（如大气辐射校正），获得地表反射率，才能有效消除传感器差异、成像条件、大气辐射传输等影响。但大气辐射校正过程较为复杂，而且所需的参数较难获取，因此大气辐射校正是大部分用户的数据处理难题，也是限制定量化遥感应用的瓶颈。中国科学院遥感与数字地球研究所在LandsatTM卫星数据定量化处理和地表反射率产品生产方面取得重要进展，开发了Landsat系列地表反射率产品生产软件。并对2013年夏季全国L8卫星图像进行了大气校正，生产了全国L8地表反射率产品。2、L8地表反射率数据处理原理与流程在遥感成像时，由于大气层的存在，大气层中所含大气分子、尘埃及水汽等对太阳辐射的吸收、散射等作用，使得传感器的测量值与目标的光谱反射率或光谱辐射亮度等物理量是不一致的，所获得的影像数据不能真实反映地物的反射或发射光谱特征。因此，为了消除大气对遥感影像成像的干扰，需要对遥感影像做大气校正。本项目采用6S大气辐射传输模型，结合MODIS大气观测资料，开展全国L8卫星数据大气校正工作，获得全国L8地表反射率遥感产品。对于同一地区，Landsat8和MODISTerra卫星过境时间相差较短，因此可以利用MODIS大气产品对Landsat数据进行大气校正。用到的MODIS大气产品分别为MOD04(AerosolOpticalDepth，下文中简写为AOD)、MOD05(WaterVapor，WV)和MOD07(TotalOzone，TO)。由于MODIS大气产品为二级产品，HDF格式。MODIS大气参数统一转换成WGS84经纬度坐标，像元分辨率为0.05°，转换完成后，利用对应Landsat影像的覆盖范围对其进行裁剪，得到约为5060像元的图像。由于像元缺失或云覆盖等原因，MODIS大气参数有无效值像元，因此需要对其进行处理，本实验采用克里格插值方法，对无效值进行插补。插值前后如错误!未找到引用源。所示。图1气溶胶数据插值前后对比，值为550nm对应的AOD利用插值后的MODIS大气参数影像、DEM数据，以及Landsat数据成像参数，逐像素配置6S输入文件，然后调用6S程序（6SVversion1.1），计算大气校正系数并生成0.05度的系数图像。由于MODIS大气参数的量纲与6S输入量纲不一致，因此在配置参数时，需要乘上相应的转换系数进行计算，其中水汽柱含量和气溶胶光学厚度的转换系数均为0.001，臭氧含量的转换系数为0.0001。根据大气参数得到的校正系数图像分辨率为0.05°，WGS84经纬度投影，而L8是UTM投影，30m分辨率，所以约有150150的L8像元对应同一组校正系数。为了避免形成斑块，本实验中先将得到的系数图像转为UTM投影，并重采样为30m的分辨率，与Landsat像元一一对应，最后利用校正系数，对Landsat辐亮图像进行计算，得到地表反射率图像。所有处理步骤如错误!未找到引用源。所示。图2TM大气校正处理流程3、Landsat地表反射率产品验证与检验利用开发的Landsat地表反射率产品生产软件，对北京地区的5景LandsatTM数据和锡林浩特地区的两景数据进行大气校正处理，并利用地面实测反射率数据和Modis地表反射率数据，对LandsatTM地表反射率产品进行真实性检验与比对。图3为5景北京地区的LandsatTM地表反射率产品与地面实测光谱的检验结果。图3显示，经过大气校正后，获得的Landsat反射率与地面测量值的一致性较好，其中R2均值为0.773，RMSE小于0.06。对于锡林浩特地区的两景数据，则用同步的MODIS日值反射率产品(MOD09)，并选取地表均匀的区域对结果进行了验证（图4）。图4显示，Landsat地表反射率和MODIS反射率也是一致的，两者R2均值为0.93。图3北京地区5景Landsat数据大气校正结果验证图4锡林浩特区域Landsat反射率和MODIS反射率对比4、L8地表反射率产品结果挑选质量较好的2013年全国夏季L8数据进行辐射定标，并计算星上(TOA)反射率图像，全国L8TOA反射率产品如图5所示。图5全国2013年夏季L8TOA反射率产品利用项目研发的Landsat地表反射率处理系统，对2013年全国夏季L8卫星图像进行了大气校正，获得地表(TOC)反射率产品，全国L8地表反射率产品如图6所示。由图5、6对比可看出，TOA影像有一层明显的薄雾，不同条带影像之间差别较大。经过6S大气校正后，得到的TOC产品中薄雾消除，图像变得更清晰，且不同条带影像之间差别明显减小。全国L8地表反射率产品表明：基于MODIS大气参数的6S大气辐射传输模型能够考虑同一景图像中的大气辐射传输差异，消除气溶胶、水汽等参数的空间异质性的影响。图6全国2013年夏季L8地表反射率产品参考文献YongHu,LiangyunLiu,LinglingLiu,DailiangPeng,QuanjunJiao,HaoZhang.ALandsat-5atmosphericcorrectionbasedonMODISatmosphereproductsand6Smodel.SelectedTopicsinAppliedEarthObservationsandRemoteSensing,IEEE,2014,7(5):1609-1615.