GIS-LAB

Географические информационные системы и дистанционное зондирование

Коррекция материалов Landsat

Обсудить в форуме Комментариев — 34Редактировать в вики

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


В статье описывается упрощённая технология коррекции многозональных снимков Landsat: компенсация радиометрической неоднородности режима съёмки, а также пересчёт значений теплового канала в температуру

Содержание

[править] 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.

[править] 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).

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.

[править] 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.

[править] Радиометрическая коррекция

Значения, содержащиеся в файлах каналов многозонального изображения, представляют собой безразмерную величину. Она пропорциональна интенсивности излучения, достигающего орбиты, на которой находится спутник Landsat[1]. То, что мы получаем из файла – дискретное калиброванное значение пикселя  \ Q , – номинировано в условных относительных единицах DN (Digital Numbers – числовые значения).

Требуется получить из  \ Q значения отражающей способности (альбедо)  \ \rho наземных объектов, видимых на космоснимке. Для материалов Landsat до 7 включительно, полученных из архива USGS, это производится следующим образом (1):

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

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

Интенсивность излучения объекта, достигающего орбиты  \ R , вычисляется по формуле (2):

 R = M_R ~ Q + A_R. \qquad (2)

Калибровочные коэффициенты  \ M_R и  \ A_R 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 ( \ M_R ) и RADIANCE_ADD ( \ A_R ), соответствующие нужному каналу.

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

Значение интенсивности излучения на сенсоре  \ R 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  \ d может быть вычислено по приближённой формуле:

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

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

Рис. 3. Метаданные сцены: дата регистрации (DATE_ACQUIRED)

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

Величина  \ d измеряется в астрономических единицах (а.е.).

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

Табл. 1. Коэффициенты светимости для каналов Landsat, Вт/м²/мкм

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

И последний, необходимый для вычисления альбедо, параметр  \ \theta – 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.

Рис. 4. Метаданные сцены: высота Солнца (SUN _ELEVATION)

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

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

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

Рис. 5. Метаданные для вычисления интенсивности излучения по данным Landsat 8

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

 \mbox{NDVI} = \frac {\rho_{_{\mbox{NIR}}} - \rho_{_{\mbox{RED}}}} {\rho_{_{\mbox{NIR}}} + \rho_{_{\mbox{RED}}}}.

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

Табл. 2. Соответствие между диапазонами электромагнитного излучения и номерами каналов спутников разных поколений миссии Landsat[2][3][4][5][6]

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

[править] 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  \ R , пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. Величина  \ R определяется в соответствии с методикой, описанной в предыдущем разделе (формула 2).

Для Landsat 4-7 температура  \ T вычисляется по следующей формуле:

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

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

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

Диапазон Landsat 4 Landsat 5 Landsat 7
 \ K_1 671.62 607.76 666.09
 \ K_2 1284.30 1260.56 1282.71

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[7] и с помощью той же формулы (4) производится вычисление температуры по данным Landsat 8, за исключением того, что значения констант  \ K_1 и  \ K_2 надо брать отдельно для каждого теплового канала данной сцены из её файла метаданных (рис. 5).

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.

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.

[править] Литература

  1. 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.
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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.

[править] См. также

Константин Силкин 22:34, 24 сентября 2015 (MSD)

Обсудить в форуме Комментариев — 34Редактировать в вики

Последнее обновление: 2015-12-15 07:49

Дата создания: 16.09.2015
Автор(ы): Константин Силкин


(Геокруг)

Если Вы обнаружили на сайте ошибку, выберите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter