袁 媛，許惠平

（1.同濟(jì)大學(xué) 海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092； 2.上海市地震局，上海 201203）

基于海色遙感應(yīng)用的MODIS數(shù)據(jù)預(yù)處理

袁 媛1,2，許惠平1

（1.同濟(jì)大學(xué) 海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092； 2.上海市地震局，上海 201203）

較系統(tǒng)地介紹了從MODIS原始分發(fā)數(shù)據(jù)到海洋水色遙感反射率、離水輻射率等數(shù)據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)出過(guò)程；分析了各步驟原理，尤其針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)大氣校正算法無(wú)法計(jì)算出近岸二類水體離水輻射率問(wèn)題提出鄰近清潔水體外推混濁水體的思路；探索并改進(jìn)了大氣校正算法，計(jì)算出大部分近岸水體的離水輻射率數(shù)據(jù)。

MODIS；預(yù)處理；大氣校正

MODIS覆蓋了能提取相關(guān)海色信息（葉綠素、海表溫度以及水色等方面）的波段，在赤潮監(jiān)測(cè)、洋流、海洋漁業(yè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。而如何將有用信息從MODIS原始分發(fā)數(shù)據(jù)中抽取出來(lái)，需進(jìn)行預(yù)處理。目前常用的軟件有SEADAS，ENVI等，但只能做一些單方面處理，無(wú)法一次性產(chǎn)出所需的海色數(shù)據(jù)。本文詳細(xì)介紹了從原始數(shù)據(jù)至所需海色產(chǎn)品產(chǎn)出的具體處理過(guò)程，并統(tǒng)計(jì)鄰近潔凈水體和近岸水體氣溶膠和離水輻射率線性關(guān)系，利用外推思路，實(shí)驗(yàn)性計(jì)算出了近岸水體離水輻射率值。

1 MODIS數(shù)據(jù)預(yù)處理

MODIS數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分發(fā)共享格式為L(zhǎng)1B文件，該數(shù)據(jù)文件存在圖像畸形、條帶噪聲、數(shù)據(jù)重疊、太陽(yáng)高度角偏值和未進(jìn)行大氣效應(yīng)糾正等問(wèn)題，必須先對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理包括反/輻射率定標(biāo)、太陽(yáng)高度角校正、條帶噪聲去除、重疊效應(yīng)去除、幾何校正和海洋水色反演所必需的大氣校正。

1.1 反（輻）射率定標(biāo)

由于MODIS信號(hào)數(shù)據(jù)的精度很高，所以L1B產(chǎn)品將這些信號(hào)值按一定的比例縮放為16位整數(shù)SI保存，縮放比scales和截距offsets參數(shù)用SDS數(shù)據(jù)集的屬性保存起來(lái)。定標(biāo)后的單位為W/m2/μm/sr。例如，太陽(yáng)反射波段定標(biāo)的反射率產(chǎn)品通過(guò)式（1）導(dǎo)出：

1.2 太陽(yáng)高度角校正

衛(wèi)星探測(cè)過(guò)程中，由于探測(cè)點(diǎn)的太陽(yáng)高度角不同，造成了探測(cè)值的偏差，其值隨太陽(yáng)高度角增大而增大。因此，在圖像處理中，需把不同太陽(yáng)高度角下的探測(cè)數(shù)據(jù)換算成相當(dāng)于太陽(yáng)處于天頂時(shí)的數(shù)據(jù)，即式中，Rc為訂正后的反射率；R（Zs）為定標(biāo)后的反射率；Zs為太陽(yáng)高度角。

1.3 條帶噪聲去除

MODIS工作時(shí)同時(shí)獲取多種分辨率數(shù)據(jù)，多元并掃，相鄰的掃描線在亮度方面會(huì)產(chǎn)生不協(xié)調(diào)，表現(xiàn)為規(guī)則的橫向條帶[1-3]，嚴(yán)重影響了圖像的可讀性。但這種橫向條帶的分布具有清晰的規(guī)律性，即條帶間有固定的間隔，因此只要找出第一條帶噪聲所在位置，就可以對(duì)整幅影像進(jìn)行噪聲去除。本文采用加權(quán)平均法：如果某像素屬性值相對(duì)于上下2個(gè)像素的屬性的平均值增加的百分比超過(guò)閾值T，就認(rèn)為該點(diǎn)為“噪聲像素”。統(tǒng)計(jì)每行“噪聲像素”的數(shù)量，以行號(hào)為橫坐標(biāo)、每行的“噪聲像素”數(shù)為縱坐標(biāo)制作統(tǒng)計(jì)曲線圖，異常突起的峰值對(duì)應(yīng)行就是條帶噪聲所在行。定位出噪聲行位置后，采用插值平均法得到的行數(shù)據(jù)值代替原來(lái)的噪聲行。

1.4 “蝴蝶結(jié)”現(xiàn)象及幾何校正

MODIS在正常掃描狀況下，會(huì)有很大部分的數(shù)據(jù)重疊。這種現(xiàn)象稱為“蝴蝶結(jié)”效應(yīng)，如圖1圓圈所示。郭廣猛提出了以數(shù)據(jù)間的相關(guān)性為判斷依據(jù)計(jì)算各列像元的重復(fù)數(shù)量[4]。本文采用雙線性內(nèi)插法，使用鄰近4個(gè)點(diǎn)的像元值，按照其與內(nèi)插點(diǎn)的距離賦予不同的權(quán)重，進(jìn)行線性內(nèi)插，可在進(jìn)行幾何校正時(shí)同時(shí)完成。在對(duì)MODIS影像作幾何校正時(shí)，本文利用了MODIS數(shù)據(jù)本身就包含比較精確的空間坐標(biāo)文件的特點(diǎn)，采用其自帶的經(jīng)緯坐標(biāo)進(jìn)行像素糾正，該坐標(biāo)文件大小與1 000 m分辨率數(shù)據(jù)文件一致，即2 030×1 354，因此針對(duì)1 000 m分辨率文件幾何校正時(shí)無(wú)需對(duì)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)插值，校正精度高，計(jì)算速度快。針對(duì)250 m、500 m分辨率文件幾何校正仍需插值，但是插值幅度小。彩色圓圈所在的河流有明顯的重疊現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)校正后，重疊現(xiàn)象消失，地物分布連續(xù)而正常，見圖2。

圖1 MODIS數(shù)據(jù)的“蝴蝶結(jié)”效應(yīng)示意圖

圖2 幾何校正并去除“蝴蝶結(jié)”效應(yīng)后的影像圖

2 大氣校正處理

MODIS L1B原始數(shù)據(jù)記錄的是傳感器所接收到的各波段總的反射率數(shù)據(jù)尺度值和輻射率尺度值。星載傳感器所測(cè)得的輻射亮度值Lt可分解為下列多項(xiàng)之和[5]：

式中，Lr為瑞利輻射率；La為純粹由氣溶膠散射所構(gòu)成的路徑輻射及相應(yīng)的海面對(duì)漫輻射的直接反射；Lra代表分子散射與氣溶膠散射的多次散射項(xiàng)；Lg為太陽(yáng)耀斑輻射率；Lf為海浪“白帽”效應(yīng)產(chǎn)生的輻射率；Lb為來(lái)自海底的反射輻射率；t是來(lái)自海洋通過(guò)大氣到達(dá)衛(wèi)星信號(hào)的大氣漫射透過(guò)率；T為大氣直射透過(guò)率[6]；Lw為離水輻射率。

海色遙感是為反演出各水色因子的濃度而進(jìn)行的定量研究，因此經(jīng)過(guò)了海表水體的浮游生物、懸浮顆粒等的輻射數(shù)據(jù)及離水輻射率才具有真實(shí)意義。其計(jì)算公式為：

事實(shí)上離水輻射率在衛(wèi)星接收到的總輻射率中所占比例相當(dāng)小。用式（4）方法計(jì)算Lw只適用于一類清潔水體，對(duì)于較為混濁的二類水體，如果依然采用標(biāo)準(zhǔn)大氣校正算法，將會(huì)高估氣溶膠輻射值，使得離水輻射率為0甚至出現(xiàn)負(fù)值。以長(zhǎng)江口為例，長(zhǎng)江口海域泥沙含量高，利用標(biāo)準(zhǔn)算法則近岸的離水輻射率值無(wú)法計(jì)算出來(lái)，而只有在離長(zhǎng)江口較遠(yuǎn)海清潔水體才能計(jì)算出離水輻射率值。因此，如果要計(jì)算近岸離水輻射率值，需改進(jìn)大氣校正算法。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都在這方面做了有益的嘗試[7,8]。Gordon[9]曾發(fā)現(xiàn)無(wú)論清潔水體或混濁水體，其765 nm和865 nm 2個(gè)波段的離水輻射率值和氣溶膠輻射均存在極大的相關(guān)性。由于MODIS在近紅外中心波段設(shè)置為748 nm和869 nm，因此本文采用這2個(gè)波段對(duì)長(zhǎng)江口海域的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正。首先利用SEADAS標(biāo)準(zhǔn)大氣校正算法得到748 nm和869 nm2個(gè)波段的總輻射值Lt和瑞利散射值Lr，定義Lt-r（λ）=Lt（λ）-Lr（λ），λ為波長(zhǎng)，以Lt-r（869）為橫坐標(biāo)，Lt-r（748）為縱坐標(biāo)，分別選取一塊較為清潔的水體和一塊渾濁水體，并利用在清潔水體中離水輻射率Lw幾近為0的特性，分別建立了2個(gè)波段在去除了瑞利散射后的散射值的回歸關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其具有極強(qiáng)的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0．947 4和0．941 4，見圖3、圖4。

圖3 潔凈水體748 nm和869 nm波段Lt-r相關(guān)性分析圖

圖4 混濁水體748 nm和869 nm波段Lt-r相關(guān)性分析圖

大氣校正的關(guān)鍵在于對(duì)氣溶膠散射和多次散射的處理，定義Lam=La+Lra，下標(biāo)m表示多次散射。由于在上面的統(tǒng)計(jì)計(jì)算中，得到748 nm和869 nm2個(gè)波段具有明顯的線性關(guān)系和空間一致性，并且氣溶膠在一定區(qū)域內(nèi)具有相對(duì)穩(wěn)定性，因此假設(shè)長(zhǎng)江口及附近海域的大氣組成成分均勻，氣溶膠光學(xué)厚度不變[7]，可認(rèn)為該二類水體區(qū)域的離水輻射率也具有某種線性關(guān)系，并利用清潔水體中748 nm和869 nm波段離水輻射率為0的特性（即Lam=Lt-Lr=Lt-r），可將這2個(gè)波段的氣溶膠多次散射之間的關(guān)系表示為式：

式中，上標(biāo)7、8分別代表748 nm和869 nm波段。對(duì)于不同的海域，可通過(guò)回歸關(guān)系選擇不同的ε7.8、ε7.8wam

和c值作為大氣校正因子，然后求出氣溶膠多次散射值，將式（5）、式（6）代入Lt-r=Lt-Lr=Lam+Lw，則可以得出下列2個(gè)等式：

解上述方程得：

這樣就得到748 nm和869 nm 2個(gè)波段的氣溶膠散射值。然后就利用外推的方法計(jì)算出其他波段的氣溶膠散射值：

式中，ε（7．8）=（748/869）C；C= ln（La7m*Fs8/La8m*Fs7）/ln(748/869)；C為外推系數(shù)；Fs為經(jīng)太陽(yáng)－地球距離校正后的輻照度。最后利用式（4）計(jì)算出各波段的離水輻射率值。

圖5 2種大氣校正方法的比較

圖5 b為利用改進(jìn)大氣校正計(jì)算的412 nm波段的離水輻射率值圖。可以看出，已算出大部分區(qū)域的離水輻射率，紅色方框代表同一區(qū)域，但是仍然有部分區(qū)域數(shù)值為0（近岸黑色區(qū)域），這是因?yàn)樵搮^(qū)域的原始Lt值就為0，因而無(wú)法計(jì)算。完成一系列數(shù)據(jù)預(yù)處理后，便得到了MODIS 2級(jí)產(chǎn)品，各波段的離水輻射率、遙感反射率等，為后續(xù)的計(jì)算打下了基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語(yǔ)

進(jìn)行海洋水色遙感反演需要獲取數(shù)據(jù)處理的主動(dòng)權(quán)，也就是能根據(jù)研究的需要，自由對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，現(xiàn)有的處理軟件只能是輔助，而不能局限數(shù)據(jù)處理。例如，采用ENVI軟件處理后的數(shù)據(jù)無(wú)法被SEADAS識(shí)別，而SEADAS在大氣校正方面比ENVI強(qiáng)大，而這2款軟件都無(wú)法進(jìn)行條帶噪聲去除。因此進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理就必須掌握各步驟的原理，加上目前并沒(méi)有一款軟件可實(shí)現(xiàn)MODIS完整的預(yù)處理過(guò)程，如果能編程實(shí)現(xiàn)各預(yù)處理過(guò)程，將極大提高數(shù)據(jù)使用的靈活性。此外，二類水體大氣校正一直是海色遙感的難點(diǎn)，各海域的大氣參數(shù)、水質(zhì)特點(diǎn)等均不相同，因此要進(jìn)行更加精確的大氣校正，需要對(duì)所研究海域做長(zhǎng)時(shí)間序列的遙感反演與地面數(shù)據(jù)研究，找到適合研究海域的反演參數(shù)。

[1] Masuoka E, Fleig A， Wolfe R E, et al． Key Characteristics of MODIS Data Products[J]． IEEE Transactions on, Geoscience and Remote Sensing,1998, 36(4): 1 313- 1 323

[2] MDST Attitude and Ephemeris User Guide[EB/OL]． http:// daac．gsfc．nasa．gov/MODIS/FAQ/A_ephem_att_user_guide．shtml, 2013-03-29

[3] 黃曉園，周汝良，羅輝．MODIS影像條帶噪聲去除鄰域插值法研究[J]．地理空間信息，2008，6(1):101-103

[4] 郭廣猛． 關(guān)于MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的幾何校正方法[J]．遙感信息，2002(3)：26-28

[5] Gordon H R, Wang M． Rretrieval of Water-leaving Radiance and Aerosol Optical Thickness over the Oceans with SeaWiFS: A Preliminary Algorithm[J]． Applied Optics,1994,33:443-452

[6] Kevin G R, Fabrice O, Machteld R． Atmospheric Correction of SeaWiFS Imagery for Turbid Coastal and Island Waters[J]．Applied Optics,2000,39(6):897-912

[7] 韋鈞，陳楚群，施平． 一種實(shí)用的二類水體SeaWiFS資料大氣校正方法[J]．海洋學(xué)報(bào)，2002，24(4):118-126

[8] Wang Meng-hua． A Sensitivity Study of the SeaWiFS Atmospheric Correction Algorithm: Effects of Spectral Band Variations[J]． Remote Sensing Environ,1999,67:348-359

[9] Wang M, Gordon H R． A Simple Moderately Accurate Atmospheric Correction Algorithm for SeaWiFS[J]． Remote Sensing of Environment,1994,50:231-239

P237.3

B

1672-4623（2014）01-0093-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.01.032

袁媛，助理研究員，主要從事地形變監(jiān)測(cè)及遙感應(yīng)用研究。

2013-03-29。

項(xiàng)目來(lái)源：上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)重點(diǎn)資助項(xiàng)目（09DZ1201000）；上海市地震局科技專項(xiàng)（2012專5）。