对于Landsat MSS, TM, ETM+和 EO-1 ALI当前辐射定标系数的总结 ( Gyanesh Chander, Brian L. Markham, Dennis L. Helder) 摘要

本文提供了目前用于转换定标后的数字数值（DN）到传感器处辐射率、大气顶端（TOA）反射率和传感器处亮温的方程和重调节因子的总结。文章以表格形式列出了多光谱扫描仪（MSS），专题绘图仪（TM），增强型专题绘图仪（ETM+）和高级陆地成像仪(ALI)所必需的常数。这类转换提供了单幅影像数据或不同日期、不同传感器获得的影像数据进行标准化比较的基础。文章构建了Landsat数据用户所需的指导，现在他们可以免费获取Landsat全部存档。 关键词 Landsat MSS, TM, ETM+，EO-1 ALI 辐射特征和定标 传感器处光谱辐射率 大气顶端反射率 传感器亮温

Keywords: Landsat MSS, TM, ETM+，EO-1 ALI Radiometric

characterization & calibration At-sensor spectral radiance Top-of-atmosphere reflectance At-sensor brightness temperature

1.引言

Landsat系列卫星提供卫星对地观测的最长时间连续资料。因此，Landsat是监测全球变化非常宝贵的资源，并且是中等空间分辨率地球观测数据用于决策的主要来源（Fuller et al.,1994；Townshend et al.，1995； Goward & Williams，1997；Vogelmann et al.，20xx；Woodcock et al.，20xx； Cohen & Goward，20xx； Goward et al.， 20xx；Masek et al.， 20xx； Wulder et al.， 20xx）。在能够同时揭示自然和人造景观变化这种尺度上满足观测的需求上，Landsat提供了全球陆地表面季节基础上全部时间的观测数据的唯一库存（Landsat 1984, 1985, 1997, 20xx, 20xx, 20xx, 20xx数据存在光谱问题）。Landsat计划始于19xx年发射了第一颗系列卫星。由于技术水平的提高，卫星上搭载的传感器拍摄的影像数据的数量和质量亦随之提高。表1列出了Landsat各个卫星的主要信息。

基于传感器和搭载平台的特征，Landsat卫星可以分为三组。第一组包含了Landsat1（L1），Landsat2（L2）和Landsat3（L3），卫星在“雨云”平台上搭载了多光谱扫描仪（MSS）和返回光束光导摄像管(RBV)相机作为有效荷载。MSS的空间分辨率大约为79m（但是经常处理为60m像元大小），拥有四个波段，从可见光蓝光波段到近红外（NIR）波段。L3上的MSS传感器在热红外波长范围包含了一个第五波段，波谱范围为10.4μm到12.6μm。L1-L3的MSS传感器使用的波段命名惯例是MSS-4，MSS-5，MSS-6和MSS-7分别对应蓝光、绿光、红光和近红外波段（Markham & Barker, 1983）。这种名称已经过时了，为了与TM和ETM+相一致，MSS波段在文中分别被称为1-4波段。

第二组包括了Landsat4（L4）和Landsat5（L5），它们在多任务模块航天器上同时搭载了专题绘图仪(TM)和MSS。通过增加更加先进的传感器，提高了获取和传输数据的能力，在高度自动化处理设备上更加快速地处理数据，第二代Landsat卫星标志了遥感史上的一个显著的进步。MSS被包含进来以保持与先

前的Landsat任务的连贯性，然而，因为与MSS数据相比，TM数据提供了增强的空间、光谱、辐射和几何表现，TM数据迅速成为应用这些卫星的主要信息来源。TM传感器拥有6个反射波段，空间分辨率为30m，和一个空间分辨率为120m的热波段。由于传感器上没有搭载记录仪，数据获取局限于只能实时下载。

第三组包含Landsat6（L6）和Landsat7（L7），它们分别搭载了增强型专题绘图仪（ETM）和增强型专题绘图仪（ETM+）。MSS传感器没有搭载在任何一颗卫星上。Landsat6发射失败。L7ETM+拥有30m空间分辨率的6个反射波段和60m分辨率的热波段，以及一个15m分辨率的全色（pan）波段。L7同时带有一个378千兆（Gb）固体记录器可以记录42min（约100幅）的传感器数据和29h的例行遥测（L7科学数据用户手册）。

地球观测1号（EO-1）搭载的高级陆地成像仪（ALI）是一个技术示范，作为陆地卫星数据连续性任务（LDCM）一个原型。 ALI以10光谱波段观察地球， 9个光谱波段为空间分辨率30米和具有10μm空间分辨率的全色波段。 Landsat数据存档于美国地质调查局（USGS）地球资源观测中心（EROS），它拥有无与伦比的xx年地球表面记录，并且用户可以通过互联网免费获取

（Woodcock et al., 20xx）。用户可以通过进入地球探索（EE）网站和全球可视化浏览器（GloVis）网站搜索Landsat数据存档。注意，由国际地面站网络内部站点收集的Landsat影像可能只能从特定的收集此影像的站点得到。

2. 目的

转换定标的DN值到某一物理单位，例如传感器处辐射率或大气顶端反射率的方程和参数已经在其他地方以“具体传感器”的方式呈现出来。例如：MSS（Markham & Barker, 1986, 1987; Helder, 1993），TM（Chander & Markham, 20xx; Chander et al., 20xxa），ETM+(Handbook)，和ALI

（Markham et al., 20xxa）。然而，本文以表格形式一次性统一定义列出了所有Landsat传感器所必需的常数，并且提供一个辐射定标过程的概述，总结通过由美国地面处理系统生产的标准数据实施这些辐射转换，目前得到的传感器处辐射率精度。

3. 辐射定标过程

探测和量化地球环境变化的能力取决于传感器能否提供长期定标的（即准确度和精度）和一致的地球表面特征测量。从全球、长期系列的遥感产品中正确阐释科学信息要求有区别产品人工问题和地球监测过程中发生变化的能力（Roy et al., 20xx）。辐射特征和定标是创造高质量科学数据以及更高级别下游产品的先决条件。

3.1 MSS

每个MSS传感器均集成了一个内部校准系统，包括一对灯光组件（用于备用）和一个旋转遮光轮。遮光轮包含一个反光镜和一个中型密级滤光片以随着旋转角改变透光率。定标系统输出表现为焦平面上升起迅速而衰变缓慢的光脉冲。这道脉冲被称为定标楔（Markham & Barker,1987）。MSS的辐射定标分为2个

步骤。首先，波段1-3原始数据“解压”或线性化并使用线性查找表重新调整为7比特（bit）。发射前测量压缩放大器获得查找表。第二，发射后四个波段各自探测器的增益值和偏置值各自计算，通过对拥有发射前辐射率的样点辐射楔在轨道上探测器的响应值线性回归得到。每个MSS传感器在传感器处的光谱辐射率的整体定标不确定性的合理估计为10%，这是传感器规定的准确度（Markham & Barker,1987）。在大多数情况下，地面处理系统必须增加一步来解除MSS数据定标，因为多数MSS影像以辐射校正后的产品存档。先前定标存档的MSS数据必须使用之前进行辐射定标过程存在数据中的参数重新转换为DN原始数据。评估MSS定标一致性并且提供MSS传感器定标后校正以保持它们随时间变化及传感器之间的连贯性的研究正在进行（Helder,20xx）。

3.2 TM

TM传感器包括一个叫做内部校准器（IC）的星载定标系统。内部校准器由一个黑色遮光器，三个灯光组件，一个黑体腔和使灯及黑体腔辐射到焦平面所必需的光学器件组成。灯光组件用于校正反射波段，黑体腔用于校正热波段。一般地，TM辐射定标过程使用探测器对IC的响应来决定一幅接一幅影像的增益和偏置。发射前，用于每个反射波段的灯的有效辐射率已经确定以便把探测器对内部灯的响应和外部定标源的响应相比较。飞行中数据的反射波段定标算法使用了针对发射前八盏灯辐射状态的探测器响应值的线性回归。线性回归的斜率表现为增益值，而截距表现为偏置值。该算法假定校正灯的辐射发射后随时间保持不变。任何响应的变化被视为传感器响应的变化，

ETM+传感器同样使用地球目标物进行替代校正，像是铁路谷（Thome, 20xx; Thome et al.,20xx），和多传感器交叉校正(Teillet et al., 20xx,20xx, 20xx; Thome et al., 20xx; Chander et al., 20xxb, 20xxb, 20xx) 。ETM+的增益值走势通常使用星载校正器和替代校正来监测。ETM+传感器处的光谱辐射率定标的不确定性为5%。ETM+是Landsat传感器中最稳定的，每年辐射定标改变不超过5%（Markham et al.,20xxb）。ETM+辐射定标过程使用定标参数文件（CPF）中常用的发射前增益值。这些定标参数文件按季度发布，同时拥有“有效数据”和“版本数据”。文件的有效数据必须和影像的获取数据相匹配。一个CPF版本在数据周期中产生新的版本取代它之前一直有效。影像数据可以使用任何CPF版本，由于反映更多的富数据获取后分析，后面的版本参数更加精确。

ETM+影像不是在高增益值状态，就是在低增益值状态得到的。使用两类增益值的目的是在不导致探测器饱和的情况下最大化传感器8bits辐射分辨率。对于所有的波段，低增益值的变化范围大约是高增益值变化范围的1.5倍。因此，低增益模式常用于高亮度值的影像表面（变化范围较大而敏感度低），而高增益模式常用于低亮度值的影像表面（变化范围较小而敏感度高）。

20xx.5.31后获得的所有ETM+影像均有一个异常值，由扫描行校正器（SLC）发生故障导致的，扫描行校正器补偿了航天器的前进运动从而使所有的扫描仪可以全部保持平行。数据缺失的影像被称为SLC故障影像，而SLC失灵前采集

的影像被称为SLC影像（即没有数据缺口）。SLC反射镜组件的失灵导致了约22%的常规影像地区缺失（）。缺失的数据影响了大部分影像，从接近影像中心的地方到影像东西边缘14个像元处，扫描间隙的宽度从一个像元大小到渐变到更小，沿边缘形成了重复的楔形图案。影像的中间部分，1级产品约22km的宽度，几乎没有重复或数据缺失。注意，SLC发生故障不影响有效像元的辐射情况。

3.4 ALI

ALI搭载了两个辐射定标设备：一个基于灯组件系统和一个由光圈门控制的可变辐照度太阳散射器。除了其搭载的校准器，ALI有能力收集月球和恒星观测来进行定标。ALI辐射定标过程使用在发射后紧接着建立的一组固定的探测器-探测器增益值，关闭遮光板获取一景影像后紧接着测量的偏置值。ALI传感器处的光谱辐射率定标的不确定性为5%（）。ALI传感器表现良好且稳定，即使在任务早期，每年的响应变化也不超过2%，整个任务期间平均每年最多只略高于1%（）。

4. 转换为传感器处光谱辐射率（）

计算传感器处光谱辐射率是将来自多个传感器和平台的图像数据转换到具有普遍物理意义的辐照度的基本步骤。MSS，TM, ETM+, 和ALI的辐射定标涉及到从卫星传输的原始DN（Q）数据重新调整为校正后的DN值(Qcal)，在特定时期内,它对于地面上处理的所有影像具有相同的辐射系数。

辐射定标过程中,原始的、没经处理的影像数据的像元值被转换为使用32bits浮点运算的光谱辐射率的绝对单位。在输出到发布介质之前，绝对辐射率的数值转为7bit(MSS, Qcalmax=127 ),8bit(TM和ETM+, Qcalmax=255),和16bit (ALI, Qcalmax=32767)数来表示Qcal。

将1级产品的Qcal重新转换为传感器处的光谱辐射率（L?）要求知道原始调节因子的上限和下限。下列公式用于1级产品Qcal到L?的转换：

Lλ =LMAXλ ? LMINλQcalmax ? Qcalmin _ _Qcal e ? QcalminT+ LMINλ

or

Lλ = Grescale × Qcal + Brescale

where :

Grescale =LMAXλ ? LMINλ Qcalmax ? Qcalmin

Brescale = LMINλ ? LMAXλ ? LMINλ

Qcalmax ? Qcalmin _ _Qcalmin