Question

Landsat-5卫星的TM数据

Answer 1

Landsat一5的成像传感器TM 获取的数据属于光学类遥感数据，目前中国科学院中国遥感卫星地面站(以下简称中国遥感卫星地面站)所生产的Landsat一5数据产品一共有四个级别，分别是0级、1级、系统级纠正(Systematic Geocorrection)与精纠正(Precision Geocorrection)。
0级产品是指像素值没有经过处理的图像数据，1级产品是指对0级产品进行辐射纠正后的产品，系统级纠正产品是在1级产品的基础上进行系统几何纠正后的产品，精纠正产品是引入了控制点信息进行几何精纠正后的产品。相对于0级和1级产品，系统级纠正与精纠正的产品可以增加高程纠正(elevation correction)功能，高程纠正有三种选择级别：base、Coarse DEM与Fine DEM，base是全球尺度的高程纠正，CoarseDEM 是1：1O0万比例尺的DEM 数据，Fine DEM是1：25万以上比例尺的DEM 数据。
0级与1级产品的数据格式有EOsAT FAST 与CCRS LG—SOwG两种，系统级纠正与精纠正产品的数据格式有EOSAT FAST、CCRS LGSOWG与Geo Tiff三种。0级产品没有经过辐射纠正和几何纠正处理，这类产品主要是面向具有一定遥感卫星数据处理经验的高级用户，所以一般情况下不建议普通用户使用。目前中国遥感卫星地面站给用户提供最多的是经过辐射纠正和几何纠正的系统级纠正产品。用户如果对图像定位精度要求比较高，平原地区可选用精纠正产品，高程较高的区域建议选用经过高程纠正的精纠正产品，其几何定位精度误差在1-2个像元之内。 中国遥感卫星地面站所生产的Landsat一5卫星数字产品格式分为EOSAT FAST、GEO TIFF和CCRS LGSOWG三大类。TM 数字产品可以选择的数据格式以及相适用的记录方式和记录介质如表2所示。
表2 TM 数字产品数据格式 数据格式 EOSAT FAST GEO TIFF CCRS LGSOWG 记录方式 BSQ BSQ BSQ、BIL 记录介质 磁带、CD—ROM 磁带、CD—ROM 磁带、CD—ROM EOSAT FAST格式
EOSAT FAST格式辅助数据与图像数据分离，具有简便、易读的特点。辅助数据以ASCII码字符记录，图像数据只含图像信息，用户使用起来非常方便。该格式又可分为FAST B和FAST C两种。目前绝大多数用户选择订购都是FAST B格式产品。
FAST B格式所遵循的基本规则有：
① FAST B格式仅有BSQ记录方式；
② 存储介质上的每一个图像文件对应于一个波段的数据，并且所有图像文件尺寸相同；
③ 每一盘磁带/光盘可包括多个图像文件，但同一波段文件不跨存于两个介质上。
EOSAT FAST B格式磁带上包括两类文件：带头文件和图像文件。带头文件是磁带上的第一个文件，共1536字节，全部为ASCII码字符。文件中的字符域为左对齐，而数字域则为右对齐。图像文件只含图像数据，不包括任何辅助数据信息。图像的行列数在带头文件中给出。
CCRS LGSOWG格式
CCRS LGSOWG格式符合LGSOWG和加拿大CCRS的有关规范。CCRS LGSOWG格式所包含的辅助数据全面，但结构比较复杂，且许多说明字段为二进制码，不易直接阅读。用户订购该格式产品时，应考虑自己使用的图像处理系统是否支持CCRS LGSOWG输入。
CCRS LGSOWG格式的记录方式可为BSQ，也可为BIL。磁带上文件分为以下5类：
①卷目录文件(Volume Directory Fi1e)—— 磁带上的第一个文件，由若干个记录组成，每个记录大86小为360字节。卷目录文件描述本卷磁带所含文件的基本信息。
②头文件(Leader Fi1e)一一包含影像标识、影像位置、处理参数、地图投影、辐射校正等辅助数据，记录大小为432O字节。
③ 图像文件(Imagery File)—— 图像文件由1个图像数据说明记录和L个(for BSQ)或Lx n个(for BIL)图像记录组成，L为图像行数，n为图像波段数。图像数据说明记录中第237～244字节描述图像行数，第249-256描述图像列数。图像记录的大小与产品类型有关，对于常用的Georeference整景产品(L5728×P6920)，记录长度为7020，四分之一景产品，记录长度为3600，每个图像记录的前32个字节和后68个字节是有关该记录的说明，中间字节为图像数据。对于Geocoded产品，图像记录的前32个字节和后148个字节是有关该记录的说明，中间字节为图像数据。
④ 尾文件(Trailer File)— — 描述与它相关的图像文件的数据质量和统计信息等内容。由9个记录组成，每个记录大小为4320字节。
⑤ 卷尾标识文件(Null Volume Directory Fi1e)—— 标识本卷磁带内容结束。由1个记录组成，记录大小为360字节。
GEO TIFF格式
GEOTIFF格式是在TIFF6．0的基础上发展起来的，并且完全兼容于TIFF6．0格式，目前的版本号为1.0。在TIFF图像中有关图像的信息都是存放在Tag中，并且规定软件在读取TIFF格式图像时如果遇到非公开或者未定义的Tag，一律作忽略处理，所以对于一般的图像软件来说，GEOTIFF和一般的TIFF图像没有什么区别，不会影响到对图像的识别；对于可以识别GEOTIFF格式的图像软件，可以反映出有关图像的一些地理信息。 为了正确的解读从遥感卫星上获取的数据，需要在卫星载荷所获得的观测量和真实观测的地球物理量之间建立对应关系。进行辐射定标的目的就是建立传感器每个探测元输出的数字信号与该探测器输入的(入瞳处)辐射亮度值之间的数量关系。
中国遥感卫星地面站Landsat一5卫星的处理系统是由加拿大MDA公司开发研制的，该数据处理系统使用的是基于星上内部定标灯的辐射定标算法，这种算法从二十世纪八十年代就开始使用。但是随着设备的不断老化，Landsat一5卫星内部定标灯已逐渐失效，所以这种基于星上内部定标灯的辐射定标算法变得越来越不准确。
2004年3月中国遥感卫星地面站对Landsat一5处理系统进行了更新，使用新的类似Landsat一7的传感器增益算法来进行辐射定标。在处理系统中仍然保持了原先的使用内部定标灯的算法，即NASA、CCRS两种算法，更新后处理系统新增了NASA CPF、CCRS CPF两种算法。这样，提供的可供选择的算法有NASA、NASA CPF、CCRS、CCRS CPF四种。CCRS算法使用一个探测器作为基准，所有其他的探测器对它进行匹配；NASA算法则将所有的探测器进行平均来取得基准值。CCRS CPF和NASA CPF的区别也是如此。新的辐射定标算法只适用于1～5波段和7波段，6波段仍然沿用老的基于星上内部定标灯的辐射定标算法，对于该波段的新辐射定标算法数据正在研究中。由于新的辐射定标算法类似于Landsat一7卫星，在进行辐射定标时使用从数据库中读出的绝对辐射增益值，这将使得这两颗卫星的辐射定标数据更具有可比性。
用户可以根据公式L=Gain×DN+Bias 计算得到传感器孔径所接受的光谱辐射率L，DN 为产品数据的亮度值，Gain与Bias可以通过Lmax与Lmin计算得到，计算公式如下：
Gain=(Lmax—Lmin)/255 (1)
Bias= Lmin (2)
Lmax与Lmin值如表3所示，该组数据由美国USGS发布，其单位是w / (㎡ ．sr．μm)，我们推荐使用这种方法计算辐射值。
表3 美国USGS发布的Lmax与Lmin值 波段 Lmax Lmin 1 -1.52 193.00 2 -2.84 365.00 3 -1.17 264.00 4 -1.51 221.00 5 -0.37 30.20 6 1.2378 15.3032 7 -0.15 16.50 另外，在Landsat一5TM 数据fast格式产品的头文件header．dat中，第281字节找到以“RAD GAIN/BIASES=”开始的7组数据，它们按波段顺序记录了每一波段的最大与最小辐射值，格式为Lmax/Lmin，具体值如表4所示
表4 Landsat5TM 数据头文件中的Lmin与Lmax值 波段 Lmax Lmin 1 1.26880 -0.0100 2 2.98126 -0.0232 3 1.76186 -0.0078 4 2.81771 -0.0193 5 0.65277 -0.0080 6 3.20107 0.25994 7 0.44375 -0.0040 需要注意的是，表4中的最大与最小辐射值的单位是mw/(c㎡ ．sr)(即毫瓦/(平方厘米*球面度))，不含有μm^-1，所以使用时还需考虑波段的波谱宽度，表5给出了各个波段对应的波谱宽度。最后还需转换到标准单位w / (㎡ ．sr．μm)，w / (㎡ ．sr．μm)与mw / (㎡ ．sr．μm)的换算关系为1：10。
表5 TM 数据波段对应波谱宽度 波段号 频谱宽度 1 0.066 2 0.082 3 0.067 4 0.128 5 0.217 7 0.252 由于这种计算方法误差较大，我们不推荐使用这种方法对Landsat一5 TM 数据进行辐射定标的计算。 在Landsat一5 TM 数据的系统级几何校正中是使用星历参数确定产品的绝对地理位置的。Landsat一5的处理系统MPGS采用的是传统的处理方法，即从卫星的下行数据中提取PCD星历参数，再将其用于TM 数据的系统级几何校正。
由于Landsat一5卫星长期运行，致使卫星的轨道定位精度不能保持在一个较好的水平，而且从2002年切换到BUMPER模式工作以后，卫星的姿态控制系统和仪器的坐标系统之间的转换关系和发射前也有很大的差别，所以按照传统方法使用PCD星历参数生成系统级产品时定位误差就比较大，有些景的定位误差达到了几千米。为此，USGS建议使用精确星历参数确定产品的地理经纬度，提高系统级产品的几何定位精度。
2004年底，中国遥感卫星地面站的技术人员对Landsat一5 TM 的处理系统MPGS进行了更新，使用精确星历参数后Landsat一5 TM BUMPER模式数据的系统级产品的几何定位精度得到了大幅度的提高，沿卫星飞行方向(Along—track)的几何定位精度大约为300m左右，垂直卫星飞行方向(Across--track)的定位精度大约为250m左右。