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背景

传统的卫星遥感数据产品以灰度值(DN值)的形式提供给用户,DN值本身没有明确的物理意义,且由于传感器不同,成像时间、成像条件、大气状况等的差异,不同DN值间不具有可比性。随着遥感应用的不断深化,各行业对遥感数据产品的需求也越来越广泛,层次也越来越高。以DN值为主的遥感数据产品已经难以满足遥感应用的需求,例如大区域地表覆盖分类和长时间序列变化监测研究就要求遥感数据产品具有统一的基准,在空间上和时间上具有“连贯性”和“可比性”。因此在传统遥感数据产品的基础上研发新的遥感数据高级产品具有迫切的应用需求。 从中国遥感卫星地面站存档的1980年代至今的landsat系列(Landsat 5、Landsat 7和Landsat 8)卫星数据中,我们挑选出图像质量优良的影像数据,处理成不同层次的遥感数据高级产品,并通过对地观测数据共享网站予以发布(http://ids.ceode.ac.cn/query.html),供大家免费下载使用,欢迎大家将使用过程中发现的问题和需求及时反馈给我们(Email:rsgs@radi.ac.cn),以便对产品进行进一步的改进和完善。未来,我们将提供更多时相的产品集。


产品种类说明

本次共享的产品种类包含镶嵌产品、正射产品、融合产品、星上反射率/星上亮度温度产品,以及在星上反射率/星上亮度温度基础上进一步研发得到的地表反射率/陆地表面温度产品,地理覆盖范围包括中国陆地和中亚五国(哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦、乌兹别克斯坦和土库曼斯坦),时间覆盖范围包括2000年、2005年、2010年和2014年。同时,提供了长江三角洲地区、黄河入海口地区以及珠江三角洲地区自1986年以来每年一期的序列产品。 目前已经完成的Landsat系列卫星高级产品: (1) 镶嵌产品 2000年Landsat 7(中国陆地),2005年Landsat 5(中国陆地),2010年Landsat 5(中国陆地),2014年Landsat 8(中国陆地),2000年Landsat 7(中亚五国), 2010年Landsat 5(中亚五国),2014年Landsat 8(中亚五国),1986年—2011年长江三角洲地区以及珠江三角洲地区长时间序列镶嵌产品。 (2) 正射产品(Orthorectification,简写L4) 2000年Landsat 7(中国陆地),2010年Landsat 5(中国陆地),2014年Landsat 8(中国陆地),2000年Landsat 7(中亚五国),2010年Landsat 5(中亚五国),2014年Landsat 8(中亚五国),1986年—2011年长江三角洲地区、黄河入海口地区以及珠江三角洲地区长时间序列单景正射产品。 (3) 影像融合产品(Fusion,简写 FS) 2014年Landsat 8(中国陆地),2014年Landsat 8(中亚五国)。 (4) 星上反射率产品(Top of Atmosphere Reflectance, 简写TOA-REF) 2000年Landsat 7(中国陆地),2010年Landsat 5(中国陆地),2014年Landsat 8(中国陆地),2000年Landsat 7(中亚五国),2010年Landsat 5(中亚五国),2014年Landsat 8(中亚五国)。 (5) 星上亮度温度产品(Top of Atmosphere Brightness Temperature,简写TOA-BT) 2000年Landsat 7(中国陆地),2005年Landsat 5(中国陆地),2010年Landsat 5(中国陆地),2014年Landsat 8(中国陆地),2000年Landsat 7(中亚五国),2010年Landsat 5(中亚五国),2014年Landsat 8(中亚五国)。 (6) 地表反射率产品(Land Surface Reflectance, 简写LSR) 2000年Landsat 7(中国陆地),2005年Landsat 5(中国陆地),2014年Landsat 8(中国陆地)。 (7) 陆地表面温度产品(Land Surface Temperature,简写LST) 2000年Landsat 7(中国陆地),2005年Landsat 5(中国陆地),2010年Landsat 5(中国陆地),2014年Landsat 8(中国陆地),2000年Landsat 7(中亚五国),2010年Landsat 5(中亚五国),2014年Landsat 8(中亚五国)。


坐标系和投影

平面坐标系采用WGS84坐标系。镶嵌产品数据集的投影采用等角圆锥投影(LCC投影);其他产品数据集的投影采用高斯—克吕格投影(TM投影),按6度分带。


产品格式

产品数据包括:产品图像文件、产品缩略图文件和产品描述文件。 产品图像文件:采用GeoTIFF格式,分波段存储。 产品缩略图文件:采用JPEG格式。对于星上反射率、地表反射率及影像融合产品,Landsat 5/7 采用543波段组合,Landsat 8采用654波段组合;对于星上亮度温度和陆地表面温度,则采用单波段形式。 产品描述文件:采用XML格式,是产品的元数据描述文件。


产品命名规则

(a)产品文件夹的命名规则采用如下形式: 卫星标识-有效载荷标识-PATH-ROW-数据采集日期时间-产品名称 例如: Landsat 5 TM path123row32 2009年9月9日的标准景星上反射率产品文件夹命名为: L5-TM-123-032-20090909-TOA-REF (b)产品描述文件的命名规则采用如下形式: 卫星标识-有效载荷标识-PATH-ROW-数据采集日期时间-产品名称.XML 例如:Landsat 5 TM path123row32 2009年9月9日的标准景星上反射率产品描述文件命名为: L5-TM-123-032-20090909-TOA-REF.XML (c)产品数据文件的命名规则采用如下形式: 卫星标识-有效载荷标识-PATH-ROW-数据采集日期时间-产品名称-波段号.TIF 例如: 第1波段的星上反射率产品数据文件命名为: L5-TM-123-032-20090909-TOA-REF-B1.TIF (d)产品缩略图文件的命名规则采用如下形式: 卫星标识-有效载荷标识-PATH-ROW-数据采集日期时间-产品名称.JPG 例如: Landsat 5 TM path123row32 2009年9月9日的标准景星上反射率产品缩略图文件命名为: L5-TM-123-032-20090909-TOA-REF.JPG


产品算法

镶嵌产品

镶嵌产品采用自然色组合的三个波段,经过区域匀色镶嵌而成。


正射产品(Orthorectification,L4)

正射产品采用物理校正模型,定位精度优于60米。


融合产品(Fusion, FS)

影像融合产品采用改进的合成变量比(Synthetic Variable Ratio,SVR)融合方法(柳文祎,2008)。


星上反射率产品(Top of Atmosphere Reflectance, TOA-REF)

(1) Landsat5/7 星上反射率产品 首先通过传感器辐射定标将影像DN值转换为辐射亮度: (1) 其中,Lλ为光谱辐射亮度(w/(m2μmsr)),QCAL为像元的DN值,QCALmax和QCALmin分别为像元可以取得的最大和最小DN值,Lmax和Lmin分别为QCAL=QCALmax和QCAL= QCALmin时的光谱辐射亮度值,这4项从头文件中获取。 然后将辐射亮度转换为星上反射率: (2) ρ为星上反射率,d为日地距离,θz为太阳天顶角,E0是大气层外相应波长的太阳光谱辐照度。 (2) Landsat8星上反射率产品 对于Landsat 8 OLI数据,利用下式将DN值转换为星上反射率: ρλ= (MρQcal + Aρ)/sin(θSE) ρλ为星上反射率;Mρ为各波段的增益,从头文件获得(REFLECTANCE_MULT_BAND_x, x为波段号);Aρ 为各波段的偏置,从头文件获得(REFLECTANCE_ADD_BAND_x, x为波段号);Qcal 为影像DN值。θSE为太阳高度角,从头文件获得(SUN_ELEVATION)


星上亮度温度产品(Top of Atmosphere Brightness Temperature, TOA-BT)

(1) Landsat5/7星上亮度温度 首先通过传感器辐射定标将影像DN值转换为辐射亮度: (1) 其中,Lλ为光谱辐射亮度(w/(m2μmsr)),QCAL为像元的DN值,QCALmax和QCALmin分别为像元可以取得的最大和最小DN值,Lmax和Lmin分别为QCAL=QCALmax和QCAL= QCALmin时的光谱辐射亮度值,这4项从头文件中获取。 然后将辐射亮度转换为星上亮度温度: (2) Tsensor为星上亮度温度,K1和K2为常数。 (2) Landsat8星上亮度温度 对于Landsat8 TIRS数据,利用下面两式将影像DN值转换为星上亮度温度(Tsensor): Lsensor=MLQcal + AL Lsensor为辐射亮度,ML 为各波段的增益,从头文件获得(RADIANCE_MULT_BAND_x, x为波段号);AL为各波段的偏置,从头文件获得(RADIANCE _ADD_BAND_x, x为波段号);Qcal为影像DN值。 K1和K2从头文件获取,K1_CONSTANT_BAND_x, x 为波段号(10 或 11);K2_CONSTANT_BAND_x ,x 为波段号(10 或 11)

地表反射率产品(Land Surface Reflectance, LSR)

(1)Landsat5/7地表反射率 Landsat5/7地表反射率生产系统利用USGS LEDAPS处理系统并加以改造,地表反射率产品生产所需要的水蒸汽(Water Vapor, WV)、气压(Surface Pressure, SP)来自于NCEP(NOAA National Centers for Environmental Prediction)再分析数据,分辨率为2.5° 2.5°,臭氧数据来自TOMS (Total Ozone Mapping-Spectrometer)数据,分辨率为1.25° longitude 1.00° latitude,气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Thickness,AOT)数据则是直接根据Landsat影像采用暗像元,浓密植被法(Dense Dark Vegetation method, DDV)进行反演得到。 (2) Landsat 8 地表反射率 Landsat 8 地表反射率生产基于6S(version 4.1)模型,采用逐像元计算的方式,6S模型需要的输入参数来自于和Landsat 8卫星过境时间同步的Terra MODIS大气产品数据。其中水蒸汽采用MODIS MOD05产品,臭氧数据来自MODIS MODO7 Total Ozone 产品,气溶胶光学厚度来自MODIS MOD04 Aerosol Optical Thickness产品。利用处理后的MODIS大气参数影像、DEM数据,以及Landsat8数据的成像几何参数,逐像素配置6S输入文件,然后调用6S程序,计算大气校正系数并生成3km的系数图像。由于Landsat 8分辨率为30m,所以有100 100的Landsat8像元对应同一组校正系数。为了避免形成斑块,采用三次卷积进行插值,与Landsat8像元一一对应,最后利用校正系数,对Landsat8星上反射率进行计算,得到地表反射率图像。 (3)关于Landsat地表反射率产品精度 由于Landsat 5/7的地表反射率产品是基于LEDAPS处理系统进行生产的,因此其产品精度可参考LEDAPS生产的地表反射率产品的精度。Feng等人将LEDAPS系统生产的全球2000年和2005年的Landsat5/7地表反射率产品分别与相应的MODIS地表反射率产品进行比较分析,结果表明Landsat 5 TM的均方根差(RMSD)约为2.2%-3.5%, Landsat 7 ETM+的均方根差约为1.3%-2.8%。Landsat系列卫星地表反射率产品更深入的精度验证工作正在进行中。

陆地表面温度产品(Land Surface Temperature, LST)

陆地表面温度产品基于普适性单通道算法(GeneralizedSingle Channel algorithm, GSC),该算法是目前使用最广泛的算法之一(José A Sobrino et al., 2004;Zhang and He, 2013;Lamaro et al., 2013; Simon et al., 2014),算法所需要的关键输入参数-总大气水蒸汽含量,通过与Landsat卫星同步过境的MODIS数据(指2000年以后的Landsat数据)或者通过NCEP再分析资料来获取(指2000年以前的Landsat数据)。 GSC算法是目前具有较高精度和最强实用性的单通道陆地表面温度反演算法,它仅需要一个外源输入参数,即总大气水蒸汽含量。2009年Jiménez-Muñoz等对该算法进行了深入的验证,验证结果表明当大气水蒸汽含量在0.5-2 g/cm2的情况下,地表温度反演精度在1-2K之间。


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