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Landsat 8影像像元地理坐标计算
张浩;葛小青;冯旭祥
【摘 要】在遥感卫星数据处理中,计算影像中像元对应地面点的地理坐标不仅是遥感影像数据编目的主要工作之一,同时也是各级几何校正的基础,其计算精度直接影响数据产品处理的几何精度.本文在充分了解Landsat 7卫星和SPOT5卫星像元地理坐标计算算法的基础上,对USGS提出的Landsat 8卫星像元地理坐标计算算法进行了系统性整理和研究,并比较了3种传感器间扫描方式和探测器排布的差异造成计算方法的差异,最后以一景Landsat 8的模拟数据为样本,以GLS2005地面控制点库为参考,将本文介绍算法得到的坐标与控制点库坐标作了对比分析,结果验证了该算法的有效性.
【期刊名称】《遥感信息》
【年(卷),期】2013(028)005
【总页数】滑雪需要带什么东西7页(P52-58)
【关键词】Landsat 8;视线矢量;像元地理坐标
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【作 者】张浩;葛小青;冯旭祥
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【作者单位】中国科学院遥感与数字地球研究所,北京100094;中国科学院大学,北京100094;中国科学院遥感与数字地球研究所,北京100094;中国科学院遥感与数字地球研究所,北京100094
【正文语种】中 文
【中图分类】TP79
1 引 言
美国的陆地资源系列卫星(Landsat)对地球进行了长达30余年的连续观测，获取了大量的地球遥感影像数据。这些数据被广泛应用于各类资源调查、生态环境监测、城乡规划与建设、重大自然灾害监测以及农林畜牧业等众多领域。在Landsat系列卫星中，从Landsat 1到Landsat 4已经不再运行，Landsat 6发射失败，目前只有Landsat 5和Landsat 7继续在轨运行。而Landsat 5已发射近30年，其设备严重老化，各项性能不断下降，由于电子元件的急剧退化，已于2011年11月停止成像。Landsat 7在2003年扫描行矫正器(Scan Line Corre
ctor,SLC)发生严重故障后，目前只能得到缺损的图像数据。鉴于此，美国地质调查局(USGS)于2013年2月11日成功发射了Landsat 8卫星，以延续Landsat系列卫星的对地观测任务。Landsat 8卫星的整体外观如图1所示，卫星轨道高度为705km，轨道周期为98.2分钟，重访周期为16天。与之前Landsat系列卫星不同的是，Landsat 8首次采用推扫式成像扫描方式，卫星搭载OLI(Operational Land Imager)和TIRS(Thermal Infrared Sensor)两个传感器，其成像波段参数如表1所示[1]。
图1 Landsat 8整体外观图表1 Landsat 8卫星传感器波段参数
波段号波段名称波长范围(单位:μm)地面分辨率(单位:m)波段范围传感器Band 1海岸/气溶胶(Coastal/Aerosal)0.433～0.45330可见光/近红外OLIBand 2蓝(Blue)0.450～0.51530可见光/近红外OLIBand 3绿(Green)0.525～0.60030可见光/近红外OLIBand 4红(Red)0.630～0.68030可见光/近红外OLIBand 5近红外(NIR)0.845～0.88530可见光/近红外OLIBand 6短波红外1(SWIR-1)1.560～1.66030短波红外OLIBand 7短波红外2(SWIR-2)2.100～2.30030短波红外OLIBand 8全色(PAN)0.500～0.68015可见光/近红外OLIBand 9卷云(Cirrus)1.360～1.39030短波红外OLIBand 10长波红外1(LWIR-1)10.30～11.30100热红外TIRSBand 11长波红外2(LWIR-2)11.50～12.50100热红外TIRS
在遥感卫星数据处理中，计算遥感影像中像元对应地面点的地理坐标不仅是遥感影像数据编目的主要工作之一，同时也是各级几何校正的基础，其计算精度直接影响数据产品处理的几何精度。之前发射的Landsat系列卫星中，其传感器的扫描方式均为双向扫描式，与Landsat 8的两个传感器所采用的扫描方式存在明显差异，而扫描方式又直接决定了传感器坐标系下像元成像视线(Line of Sight,LOS)矢量的计算方式。因此，USGS针对Landsat 8成像特点，提出了新的像元地理坐标计算算法。本文在充分了解Landsat 7、SPOT5卫星像元地理坐标计算算法的基础上，详细比较了Landsat 7、SPOT5和Landsat 8在传感器坐标系下LOS矢量计算方法的差异，并根据Landsat 8传感器的成像模型特点，详细整理了其图像像元地理坐标的计算过程。
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2 像元地理坐标计算
像元地理坐标计算是将像元在图像空间中的平面坐标(x,y,h)转化为该像元对应地面点大地经纬度坐标(λ,φ，h)的过程[2]，如图2所示。
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图2 像元地理坐标计算示意图
Landsat 8传感器的像元地理坐标计算过程是根据像元所在的扫描行号、波段序号、传感器芯片组(Sensor Chip Asmblies,SCA)编号以及像元对应探测器在SCA内的序号，计算该像元对应地面点的经纬度坐标。其计算的完整流程图如图3所示[3]。
下面以OLI传感器为例介绍USGS提出的Landsat 8像元地理坐标计算算法的详细步骤，该算法同样适用于TIRS传感器图像像元地理坐标的计算。
青岛旅游路线图3 像元地理坐标计算流程图
2.1 计算像元成像时间
像元地理坐标计算过程中需要用到像元成像时刻的卫星姿态和星历数据，而这些数据可根据像元成像时间对已有卫星姿态和星历数据插值计算获得。因此，首先要计算出像元的成像时刻t，具体计算公式为：
(1)
其中，Tf为该像元所在帧(所有探测器成像一次所产生的数据，多光谱波段每帧对应一行图
像数据，全色波段每帧对应两行图像数据)的完成时刻，其值记录在辅助数据中；Ts为探测器成像结束后的采样稳定时间；Ti为探测器曝光时间，Nl为像元所在图像的行号，n为每帧图像数据的行数，Nf为像元所在的帧号，Tsample为每行数据的采样时间。
2.2 LOS矢量计算
像元成像LOS矢量的计算与传感器的成像扫描方式密切相关，对不同的扫描方式，其LOS矢量计算方法不同。LOS矢量最初被定义在传感器坐标系中，其计算方式与探测器在焦平面坐标系的相对位置有关，在焦平面坐标系中定义了各波段探测器相对于光学轴的偏移量，并最终用于产生单个探测器成像的LOS矢量。目前，全球范围内陆地卫星的成像方式主要有双向扫描式(Landsat 1～7等)和推扫式(SPOT1～5/Landsat 8等)两种。本小节详细介绍了Landsat 7、Spot5和Landsat 8所搭载传感器像元成像LOS矢量的计算方法，并详细比较了不同计算方法之间的差异。
