Landsat7 ETM+數據的增益設置及增益改變
本文就Landsat 7 ETM+的增益設置和數據的增益改變現象，及相關的數據使用問題，做一簡要介紹。
1. 什么是傳感器的增益設置
在美國的Landsat 7計劃中，以建立并定期更新全球陸地衛星 存檔數據庫為目的，設計了長期數據獲取計劃(Long Term Acquisition Plan，即LTAP計劃)，計劃在5年內定期地獲取 每一景無云的陸地圖象數據。 為保證對地面數據的正常獲取、及對數據的充分利用，Landsat 7對ETM+傳感器的信號處理部 分進行了重新設計，使其可以在兩種狀態下工作，即高增益狀 態和低增益狀態。從信號處理的角度講，傳感器的增益設置，將影響到其輸出信號的強度，在圖象上將表現為象元亮度的變化。LTAP計劃對各波段增益做如下統一設置：
- Band 1，2，3設置同一值；
- Band 4單獨設置；
- Band 5，7設置同一值；
- Band 6在格式1時總設置為低增益(6L)，格式2時總設置為高增益(6H)；
- Band 8(Pan)總設置為低增益。傳感器增益設置的依據是，以景或空間區域的平均信息量(熵值) 用來確定增益的設置；傳感器增益設置的目的是，使獲取的圖象 數據能夠盡可能充分地反映地物的光譜信息，避免出現亮度飽和 或過暗；傳感器增益設置的規律是，按季節在某一緯度范圍內對 傳感器的增益進行設置。
2. 什么是數據的增益改變
在了解了傳感器的增益設置后，對數據的增益改變就很容易理解了。當傳感器某一波段的增益設置發生變化時，就表現出對應圖象數據 的增益變化現象，即在圖象上從某一行開始，象元的亮度值發生了 階越性變化。如右圖所示。
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3. 有增益改變數據的修正
當傳感器發生增益改變時，處理系統可自動判斷增益改變的位置和 變化方式，并對增益改變后的數據進行相應的處理。但是，這種處 理將依然在圖象上呈現出象元亮度值的階越性 變化。對此有兩種修正措施：
- 圖象亮度調整：。在對數據的常規處理之后，根據增益變化前后的數據平均亮度，按照相鄰地區地物亮度比較接近的規律，將增益改變后的圖象象元亮度調整到增益改變前的水平上，從視覺上消除象元亮度值的階越性變化現象；
- 輻射定標處理：在對數據的常規處理之后，采用輻射定標處理的 *** ，對增益改變前后的圖象數據分別選用相應的處理參數，將圖象亮度值轉換為地物輻射值(如：輻射亮度或反射率)，此時由傳感器增益改變帶來的圖象亮度的階越性變化可以完全消除。目前，地面站采用之一種 *** 對有增益改變的數據進行處理。
4. 有增益改變數據的使用
有增益改變現象數據的使用與正常數據的使用沒有本質的差別，特別是在消除了增益改變對圖象亮度值的視覺影響后，可近似看 作正常數據。但要注意的是：在數據產品的頭文件中并未對傳感 器的增益改變做任何標記，因此在進行輻射值標定處理時，可考 慮使用未經修正的圖象數據，并尋求相應的標定參數。
5. ETM+波段6的增益設置問題
我們知道，Landsat 7下行數據有兩個通道，分別記作格式1和 格式2。前文中提到，波段6在格式1時總設置為低增益(6L)，在格式2時總設置為高增益(6H)，沒有增益改變的問題。在數據使 用方面，用戶可根據各自的研究區域和應用目的選擇使用某一通道。
6. 關于Landsat 7快速格式產品的頭文件
在Landsat 7快速格式產品的頭文件輻射記錄段中含有與輻射校正 有關的參數，用戶可利用這些參數將圖象象元的亮度值轉換成地 物的輻射值或反射率。輻射記錄段以“gains and biases in ascending band number order”開始，逐行、按波段順序記錄了 輻射校正有關的參數，每行中按bias、gain的順序排列，其中bias 的單位是W/m2 . ster .μm，gain的單位是(W/m2 . ster . μm)/DN。需要注意的是：在產品的頭文件中僅記錄了該產品各波段數據開始 時增益設置下的輻射校正參數；在波段6的頭文件中則分別記錄了兩 種增益設置下(L、H)的輻射校正參數。
7. 地物輻射值的計算
利用頭文件中記錄的輻射校正參數，用戶可方便地計算出地物在大氣 頂部的輻射亮度或反射率。計算式如下： L = gain * DN + bias r = πL ds2 / (E0 cosq) 其中：L是地物在大氣頂部的輻射亮度，DN是象元值，gain和bias可從頭文件中得到，r是地物反射率，ds是日地天文單位距離 ，E0太陽輻照度，q是太陽天頂角。 對熱紅外波段(6L和6H)，可用下列 公式計算地物的傳感器溫度(K。)： 其中：L6是由上式給出的地物在大氣頂部的輻射亮度，K1和K2是計算常數，分別為K1 = 666. 093 W/m2 . ster . μm，K2 =1282. 7108 K。。延伸知識： Landsat-7數據的輻射標定精度： 根據ETM+儀器設計，可保證在5年的設計壽命期內使輻 *** 度維持在+/-5% 的范圍之內。它室是通過變更硬件設計、衛星發射前特性的確定、在軌監測與標定程序、變更地面數據處理來實現的。 怎樣利用“確定 的星歷數據（definitive ephemeris）”來改進預處理：Level 1G ETM+ 數據產品的處理 *** 正在得到改進。不久將用“確定的星歷數據” 來代替“預測的星歷數據（predicted ephemeris）”進行ETM+數據的 幾何校正，并把Lever lG產品與地圖投影配準。這樣Level 1G產品的地 理精度將得以大大提高。
來源：開源地理空間基金會中文分會
來源鏈接：https://www.osgeo.cn/post/2005g
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