袁 媛，許惠平

（1.同濟大學 海洋地質國家重點實驗室，上海 200092； 2.上海市地震局，上海 201203）

基于海色遙感應用的MODIS數(shù)據(jù)預處理

袁 媛1,2，許惠平1

（1.同濟大學 海洋地質國家重點實驗室，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)產品的產出過程；分析了各步驟原理，尤其針對標準大氣校正算法無法計算出近岸二類水體離水輻射率問題提出鄰近清潔水體外推混濁水體的思路；探索并改進了大氣校正算法，計算出大部分近岸水體的離水輻射率數(shù)據(jù)。

MODIS；預處理；大氣校正

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

1 MODIS數(shù)據(jù)預處理

MODIS數(shù)據(jù)的存儲和分發(fā)共享格式為L1B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、太陽高度角偏值和未進行大氣效應糾正等問題，必須先對MODIS數(shù)據(jù)進行預處理。預處理包括反/輻射率定標、太陽高度角校正、條帶噪聲去除、重疊效應去除、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

由于MODIS信號數(shù)據(jù)的精度很高，所以L1B產品將這些信號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。定標后的單位為W/m2/μm/sr。例如，太陽反射波段定標的反射率產品通過式（1）導出：

1.2 太陽高度角校正

衛(wèi)星探測過程中，由于探測點的太陽高度角不同，造成了探測值的偏差，其值隨太陽高度角增大而增大。因此，在圖像處理中，需把不同太陽高度角下的探測數(shù)據(jù)換算成相當于太陽處于天頂時的數(shù)據(jù)，即式中，Rc為訂正后的反射率；R（Zs）為定標后的反射率；Zs為太陽高度角。

1.3 條帶噪聲去除

MODIS工作時同時獲取多種分辨率數(shù)據(jù)，多元并掃，相鄰的掃描線在亮度方面會產生不協(xié)調，表現(xiàn)為規(guī)則的橫向條帶[1-3]，嚴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，就可以對整幅影像進行噪聲去除。本文采用加權平均法：如果某像素屬性值相對于上下2個像素的屬性的平均值增加的百分比超過閾值T，就認為該點為“噪聲像素”。統(tǒng)計每行“噪聲像素”的數(shù)量，以行號為橫坐標、每行的“噪聲像素”數(shù)為縱坐標制作統(tǒng)計曲線圖，異常突起的峰值對應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)值代替原來的噪聲行。

1.4 “蝴蝶結”現(xiàn)象及幾何校正

MODIS在正常掃描狀況下，會有很大部分的數(shù)據(jù)重疊。這種現(xiàn)象稱為“蝴蝶結”效應，如圖1圓圈所示。郭廣猛提出了以數(shù)據(jù)間的相關性為判斷依據(jù)計算各列像元的重復數(shù)量[4]。本文采用雙線性內插法，使用鄰近4個點的像元值，按照其與內插點的距離賦予不同的權重，進行線性內插，可在進行幾何校正時同時完成。在對MODIS影像作幾何校正時，本文利用了MODIS數(shù)據(jù)本身就包含比較精確的空間坐標文件的特點，采用其自帶的經緯坐標進行像素糾正，該坐標文件大小與1 000 m分辨率數(shù)據(jù)文件一致，即2 030×1 354，因此針對1 000 m分辨率文件幾何校正時無需對經緯度數(shù)據(jù)插值，校正精度高，計算速度快。針對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，經過校正后，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”效應示意圖

圖2 幾何校正并去除“蝴蝶結”效應后的影像圖

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。星載傳感器所測得的輻射亮度值Lt可分解為下列多項之和[5]：

式中，Lr為瑞利輻射率；La為純粹由氣溶膠散射所構成的路徑輻射及相應的海面對漫輻射的直接反射；Lra代表分子散射與氣溶膠散射的多次散射項；Lg為太陽耀斑輻射率；Lf為海浪“白帽”效應產生的輻射率；Lb為來自海底的反射輻射率；t是來自海洋通過大氣到達衛(wèi)星信號的大氣漫射透過率；T為大氣直射透過率[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行的定量研究，因此經過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意義。其計算公式為：

事實上離水輻射率在衛(wèi)星接收到的總輻射率中所占比例相當小。用式（4）方法計算Lw只適用于一類清潔水體，對于較為混濁的二類水體，如果依然采用標準大氣校正算法，將會高估氣溶膠輻射值，使得離水輻射率為0甚至出現(xiàn)負值。以長江口為例，長江口海域泥沙含量高，利用標準算法則近岸的離水輻射率值無法計算出來，而只有在離長江口較遠海清潔水體才能計算出離水輻射率值。因此，如果要計算近岸離水輻射率值，需改進大氣校正算法。

國內外許多學者都在這方面做了有益的嘗試[7,8]。Gordon[9]曾發(fā)現(xiàn)無論清潔水體或混濁水體，其765 nm和865 nm 2個波段的離水輻射率值和氣溶膠輻射均存在極大的相關性。由于MODIS在近紅外中心波段設置為748 nm和869 nm，因此本文采用這2個波段對長江口海域的MODIS數(shù)據(jù)進行大氣校正。首先利用SEADAS標準大氣校正算法得到748 nm和869 nm2個波段的總輻射值Lt和瑞利散射值Lr，定義Lt-r（λ）=Lt（λ）-Lr（λ），λ為波長，以Lt-r（869）為橫坐標，Lt-r（748）為縱坐標，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個波段在去除了瑞利散射后的散射值的回歸關系，發(fā)現(xiàn)其具有極強的線性關系，相關系數(shù)達到了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相關性分析圖

圖4 混濁水體748 nm和869 nm波段Lt-r相關性分析圖

大氣校正的關鍵在于對氣溶膠散射和多次散射的處理，定義Lam=La+Lra，下標m表示多次散射。由于在上面的統(tǒng)計計算中，得到748 nm和869 nm2個波段具有明顯的線性關系和空間一致性，并且氣溶膠在一定區(qū)域內具有相對穩(wěn)定性，因此假設長江口及附近海域的大氣組成成分均勻，氣溶膠光學厚度不變[7]，可認為該二類水體區(qū)域的離水輻射率也具有某種線性關系，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個波段的氣溶膠多次散射之間的關系表示為式：

式中，上標7、8分別代表748 nm和869 nm波段。對于不同的海域，可通過回歸關系選擇不同的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個等式：

解上述方程得：

這樣就得到748 nm和869 nm 2個波段的氣溶膠散射值。然后就利用外推的方法計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為經太陽－地球距離校正后的輻照度。最后利用式（4）計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為利用改進大氣校正計算的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），這是因為該區(qū)域的原始Lt值就為0，因而無法計算。完成一系列數(shù)據(jù)預處理后，便得到了MODIS 2級產品，各波段的離水輻射率、遙感反射率等，為后續(xù)的計算打下了基礎。

3 結 語

進行海洋水色遙感反演需要獲取數(shù)據(jù)處理的主動權，也就是能根據(jù)研究的需要，自由對數(shù)據(jù)進行處理，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)無法被SEADAS識別，而SEADAS在大氣校正方面比ENVI強大，而這2款軟件都無法進行條帶噪聲去除。因此進行數(shù)據(jù)預處理就必須掌握各步驟的原理，加上目前并沒有一款軟件可實現(xiàn)MODIS完整的預處理過程，如果能編程實現(xiàn)各預處理過程，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，各海域的大氣參數(shù)、水質特點等均不相同，因此要進行更加精確的大氣校正，需要對所研究海域做長時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． 一種實用的二類水體SeaWiFS資料大氣校正方法[J]．海洋學報，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)測及遙感應用研究。

2013-03-29。

項目來源：上海市科學技術委員會重點資助項目（09DZ1201000）；上海市地震局科技專項（2012專5）。