TM傳感器輻射定標參數精度分析

侯 東，宋國寶，董燕生，顧建宇

(1．北京師范大學資源學院，北京 100875;2．大連理工大學環境與生命學院，工業生態與環境工程教育部重點實驗室，大連 116024)

TM傳感器輻射定標參數精度分析

侯 東1，宋國寶2，董燕生1，顧建宇1

(1．北京師范大學資源學院，北京 100875;2．大連理工大學環境與生命學院，工業生態與環境工程教育部重點實驗室，大連 116024)

以2007年4月26日北京地區TM圖像為例，對美國地質調查局(USGS)和中國遙感衛星地面站(RSGS)提供的傳感器輻射定標參數進行精度評價。首先，根據不同來源的輻射定標參數，采用對應的定標系數計算公式得到相應的定標系數，采用不同的定標系數分別對DN值進行反演，得到不同輻射定標參數下的表觀輻亮度數據;然后，將兩種表觀輻亮度反演結果輸入FLAASH大氣校正模型，反演圖像獲取時的氣象視距和地表反射率;最后，通過同步氣溶膠觀測數據和高分辨率遙感影像對所反演的氣象視距和地表反射率分類精度進行評價，得到傳感器定標參數精度評價結果。研究表明:USGS提供的輻射定標參數能更為精確地反映TM傳感器的輻射特征。

輻射定標;大氣校正;FLAASH;氣象視距;最大似然分類

0 引言

由傳感器收集到的光輻射數據精確地反演或推算地球物理參量，并建立相應的測算與識別數值模型是定量遙感的目標［1］。然而，傳感器在獲取地表信息的過程中由于受到大氣分子、氣溶膠和云粒子等大氣成分吸收與散射的影響，使其獲取的遙感信息中帶有一定的非目標地物的大氣信息［2］。輻射定標是利用遙感圖像進行大氣信息和地表反射率反演的基礎流程，傳感器輻射定標參數對輻射定標結果精度有重要影響。

Landsat5所攜帶的傳感器(TM)在不同時期的物理特性變化較大，各地面接收站采用的接收系統存在差異，導致多套反映TM傳感器響應能力的輻射參數同時存在［3］。參數的正確選擇對地球物理參量的準確計算具有重要影響。徐春燕［4］用6S模型分析大氣校正各參數對TM圖像進行地表反射率計算的影響，指出遙感數據的應用在很大程度上取決于輻射定標的精度;陳俊等［5］從地面接收站處理系統算法的角度，對定標參數進行評價;韋玉春等［6］用不同的定標參數對植被和水體的表觀反射率進行計算，通過表觀反射率的反演精度對定標參數進行評價。總結發現，上述研究多從地表參數反演的角度分析不同參數的精度，但同時從大氣和地表兩個角度綜合進行評價的研究較少。本文以北京市為研究區，選擇TM圖像，用不同來源的兩套定標參數反演氣象視距和地表反射率，通過同步的氣溶膠觀測數據和高分辨率遙感影像評價氣象視距和地表反射率反演精度，從而評價定標參數的精度。

1 FLAASH模型

FLAASH(Fast Line of Sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes)模塊是ENVI的大氣校正模塊，它采用MODTRAN 4+輻射傳輸模型，能夠反演整景影像的氣象視距，并以1 cm－1的光譜分辨率對0．2～∞μm范圍的波段逐像元進行大氣校正，反演地表反射率。

1．1 氣象視距反演

FLAASH模型采用暗目標法反演整景影像的氣象視距。暗目標是指在660 nm和2 100 nm波段具有較低反射率的濃密植被。氣溶膠在不同波段對濃密植被表觀輻亮度的影響是不同的:在2 100 nm波段，大部分氣溶膠微粒的直徑都小于2 100 nm，濃密植被的表觀輻亮度受氣溶膠影響可以忽略;在660 nm波段，濃密植被的表觀輻亮度是氣溶膠和濃密植被雙重反射的結果。FLAASH利用2 100 nm波段濃密植被的表觀輻亮度計算其地表反射率，根據660 nm和2 100 nm波段濃密植被地表反射率之間存在的穩定比例關系［7］，計算660 nm波段濃密植被地表反射率，通過660 nm波段濃密植被表觀反射率和地表反射率之間的差異反演氣溶膠的光學厚度，計算氣象視距。就TM數據而言，其紅光波段(0．63～0．69 μm)和短波紅外波段(2．08 ～2．35 μm)位于這兩個特征波段內，光譜性質適于氣象視距反推。

1．2 地表反射率反演

在地表為均勻朗伯面的假定前提下，傳感器入瞳處單像元的表觀輻亮度L可以表示為

式中，ρ為該像元地表反射率(Pixel Surface Reflectance);ρe為該像元及周邊像元的混合平均地表反射率(Average Surface Reflectance for the Pixel and a Surrounding Region);S為大氣球面反照率(Spherical Albedo of the Atmosphere);La為大氣程輻射(Radiance Back Scattered by the Atmosphere);A、B是依賴于大氣(透過率)和幾何狀況的系數。FLAASH中內嵌的MODTRAN根據圖像成像時大氣參數和傳感器與地表之間的幾何參數計算A、B、S和La。L由原始DN值根據定標參數經過輻射定標后得到。ρe通過以下方程估算，即

式中，Le是 FLAASH利用大氣點擴散函數(Point－Spread Function)根據輻射定標得到的表觀輻亮度數據估算得到;A、B、S和La參數的計算同上。將估算的ρe代入式(1)，計算出單元的地表反射率ρ。

2 研究區及數據

采用2007年4月26日TM系統級別產品，其軌道 號 為 123/32，景 中 心 坐 標 為 39．59°N，116．29°E，過境時間為格林尼治時間 2:48:50，平均云覆蓋量為1%。本研究去除光譜特性不同的熱紅外波段，保留可見光波段和短波紅外波段。大氣觀測數據采用2007年4月26日AERONET北京站［8］(116°22'51″E，39°58'37″N)二級數據。

選擇兩個實驗區分別進行氣溶膠反演和地表分類精度實驗。氣溶膠反演選擇整景TM數據所覆蓋的范圍作為實驗區，AERONET北京站位于實驗區中心，其觀測結果能有效代表該區域平均氣溶膠性質;地表分類精度實驗將位于39°58'12″N、116°37'41″E 和39°32'00″N、117°10'11″E 之間的區域作為地表分類區。該區域覆蓋北京市通州區、河北省香河縣和天津市武清縣的部分地區，地勢平坦，平均海拔50 m。土地利用類型豐富，各類型邊界清晰，混合現象少，適合土地利用分類。研究區分布如圖1所示。

圖1 研究區示意圖Fig．1 The Schematic diagram of the study area

3 實驗流程

本實驗流程如圖2所示。

圖2 定標參數精度評價流程Fig．2 The flow chart of accuracy evaluation of radiometric parameters

3．1 定標系數計算和表觀輻亮度反演

Landsat5 TM數據頭文件中沒有直接提供定標系數。定標系數需要根據傳感器響應值計算獲得。美國地質調查局(USGS)在TM數據說明文件中提供了TM傳感器各波段最大最小輻射量，單位是W/(m2．sr．μm)。USGS 參數的定標系數計算公式為［9］

中國科學院遙感衛星地面站(RSGS)在TM產品的頭文件中以“GAINS/BIASES=”形式也給出了TM 傳感器響應值［6］，單位是 mW/(cm2．sr)。考慮各波段對應的波譜寬度(Width)和單位換算關系［4］，RSGS 參數的定標系數計算公式為［6］

根據不同來源的輻射定標參數，采用對應的定標系數計算公式得到不同的定標系數，如表1所示。

表1 USGS和RSGS不同校正參數的定標系數比較Tab．1 The comparison for calibration coefficients generated by radiometric parameters from USGS and RSGS

采用不同的定標系數分別對DN值進行反演，得到不同輻射定標參數下的表觀輻亮度數據。

3．2 氣象視距和地表反射率反演

將獲得的USGS表觀輻亮度輸入FLAASH模型，在FLAASH模型中輸入TM數據景中心經緯度和成像時間，選擇TM傳感器的光譜響應函數;根據研究區實際和成像時間，選擇亞北極夏季大氣模型和城市氣溶膠類型;利用FLAASH模型反演出USGS參數定標下的氣象視距和地表反射率數據。將RSGS表觀輻亮度輸入FLAASH模型，使用相同設置反演RSGS參數下的氣象視距和地表反射率數據。

3．3 氣象視距精度評價

AERONET氣溶膠觀測由分布于全球各地的觀測臺站聯網組成，采用CIMEL光譜儀進行觀測，能夠獲取440 nm、675 nm、870 nm及1 020 nm等4個波長的氣溶膠光學厚度和波段間的Angstrom混濁系數，以及水汽含量等參數［8］。為了利用 AERONET地面觀測數據對反演氣象視距進行評價，需要將觀測波長處的氣溶膠光學厚度轉換為550 nm處的氣象視距。

Angstrom給出了氣溶膠光學厚度與波長之間的關系式為

式中，τλ是波長為λ的氣溶膠光學厚度;β為Angstrom混濁系數;α為Angstrom波長指數。在一定波段內，可以忽略β的差異。將不同波長帶入式(7)且相除，得到不同波長氣溶膠光學厚度之間的關系，即

何立明［10］根據MODTRAN 4的模擬結果歸納出氣溶膠光學厚度和氣象視距的經驗公式為

式中，τ550為550 nm處氣溶膠光學厚度;V550為550 nm處氣象視距;a、b為經驗公式斜率和截距，在春夏季節的取值分別為 0．120、0．297［10］。

綜合式(7)～(9)可以得到550 nm處氣象視距和不同波長下氣溶膠光學厚度關系為

根據AERONET北京站2007年4月26日2:43:04的觀測記錄，使用440 nm和675 nm兩個波段的氣溶膠光學厚度(AOD)真實觀測值和440～675 nm波段Angstrom系數，通過式(10)計算得到550 nm處的氣象視距，與FLAASH通過不同定標參數下的表觀輻亮度數據反演的氣象視距對比，如表2所示。

表2 550 nm氣象視距反演值和觀測值對比Tab．2 The comparison for meteorological range

3．4 土地利用分類和地表反射率分類精度評價

將研究區土地利用類型分為水體、林地、未利用地、城鎮、農村居民點、休耕地及冬小麥7類［11］。根據Google Earth中高分辨影像的紋理和TM數據光譜，在TM圖像上選擇訓練樣本，每類60個［12］，共420個樣本。利用選取的訓練樣本，分別對USGS和RSGS的地表反射率及圖像DN值進行最大似然監督分類，獲得3個土地利用分類結果。

精度評價樣本點的布設采用Stratified Random方式［11］，保證每個類別中至少有 10 個［13］，整景共400個樣本點。根據Google Earth中高分辨影像的紋理特征和TM數據光譜，獲得樣本點的真實土地覆蓋類型。利用布設的樣本點，分別建立3個分類結果的混淆矩陣，得到3個分類結果的精度，如表3所示。

表3 分類結果精度對比Tab．3 The comparison for classification accuracy of different images

4 結果和分析

4．1 定標系數計算結果對比

通過對比不同校正參數的定標系數(表1)可以發現，傳感器各波段的偏移(Bias)相差較小，說明兩套參數對傳感器最小響應值(暗電流)的描述相似。相比之下，兩套參數同一波段的增益(Gain)相差較大，尤其是第7波段，兩者的差距達到6．72%，說明不同來源的定標參數對短波紅外波段的最大響應值的描述存在較大差異。

4．2 氣象視距分析

550 nm氣象視距反演值和觀測值的對比(表2)表明:USGS參數下反演的氣象視距與真實情況更為接近，其原因是USGS參數在紅光波段(630～690 nm)和短波紅外波段(2 080～2 350 nm)更好地反映出TM傳感器的響應情況，而這兩個波段是反演氣溶膠信息的關鍵波段。利用USGS參數輻射定標可以準確地把DN值反演為傳感器入瞳處的表觀輻亮度，進而反演出準確的氣象視距。

4．3 最大似然分類結果精度分析

通過對比最大似然分類結果的精度(表3)發現:在總體分類精度的比較中，應用USGS參數反演的地表反射率精度最高，為68．25%，應用RSGS參數反演的地表反射率和DN值總體相近，二者都為63．5%左右;在總體Kappa系數的比較中，應用USGS參數反演的地表反射率最高，達到0．613，應用RSGS參數反演的地表反射率和DN值相近，二者均為0．560左右。分類結果的精度表明，應用USGS輻射定標參數反演的地表反射率更加準確。其原因有二:第一，表觀輻亮度是反演地表反射率的基礎，根據4．1和4．2節的分析，USGS參數在紅外波段對傳感器響應值的描述更加準確，因此，根據USGS參數定標得到的表觀輻亮度在紅外波段上與真實情況更加接近;第二，氣象視距作為大氣校正中的關鍵參數，對地表反射率的準確反演具有重要影響，根據4．2節分析，USGS參數反演的氣象視距與真實情況更加接近。綜合以上原因，USGS參數反演的地表反射率與真實情況更加接近，具有較高的分類精度。而RSGS參數由于對紅外波段傳感器響應值的描述存在誤差，在表觀輻亮度反演和大氣校正兩個階段引入錯誤的信息，導致RSGS地表反射率精度降低，分類精度與DN值相似。

5 結論

(1)USGS定標參數對傳感器各波段最大和最小響應值的描述準確，利用USGS提供的參數進行輻射定標有助于獲取準確的氣溶膠信息。在基于TM數據的氣溶膠應用中，建議使用USGS提供的定標參數進行輻射定標。

(2)利用USGS參數反演的地表反射率數據分類精度更高。在土地覆蓋分類的應用中，建議使用USGS參數。

致謝:本研究得到AERONET氣溶膠觀測網的大氣參數觀測數據支持，在此，對AERONET的研究者表示感謝。

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(責任編輯:刁淑娟)

Precision Analysis of Different Radiation Parameters Landsat Thematic Mapper Sensor

HOU Dong1，SONG Guo－bao2，DONG Yan－sheng1，GU Jian－yu1
(1．College of Resource Sciences ＆ Technology，Beijing Normal University，Beijing 100875，China;2．School of Environmental＆ Biological Science＆ Technology，Key Laboratory of Industrial Ecology＆ Environmental Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

The radiometric calibration parameter is very important in quantitative application of remote sense data．In this paper，the Landsat Thematic Mapper Data of Beijing acquired in April 26，2007 were applied to evaluating the radiometric calibration parameters supplied by USGS and RSGS．First，the radiance data were computed respectively with the calibration coefficients converted from calibration parameters．Second，the FLAASH atmosphere correction model was used to compute meteorological range and surface reflectance．Third，according to the aerosol observation data from AERONET and high resolution remote sensing image，the accuracy evaluation results of the two radiometric calibration parameters were obtained on the basis of the accuracy of meteorological range and classification of surface reflectance．The results show that parameters supplied by USGS can reflect radiometric features of TM sensor more accurately．

Radiometric calibration;Atmosphere correction;FLAASH;Meteorological range;Maximum likelihood classification

侯 東(1984－)，男，在讀碩士，主要從事農作物種植面積遙感測量方面的研究。

TP 75

A

1001－070X(2010)04－0014－05

2009－12－20;

2010－02－04

國家高技術研究發展計劃項目(編號:2006AA120101)和國家自然科學基金項目(編號:40871194)共同資助。