【微课堂】全国Landsat8时序地表反射率产品共享数据
遥感地球所刘良云研究员研究团队在Landsat卫星数据定量化处理和地表反射率产品生产方面取得重要进展，开发了Landsat系列地表反射率高级产品生产软件，并对2015年全国5700多景Landsat8进行了大气校正和地形辐射校正，生成了2015年全国Landsat8地形辐射校正地表反射率高级产品。
此产品已在遥感地球所数据共享网站（）上进行共享，欢迎注册下载。
1产品生产背景
Landsat系列卫星数据由于其数据累积较长（40年）、分辨率较高（30-60m）、免费共享政策等优点，是目前应用最广泛的遥感数据之一。
但是，目前提供的Landsat标准数据产品，其像元值为DN值。而对于大多数遥感应用，尤其是时间序列遥感数据的应用研究，都需要对遥感数据进行定量化处理，获得地表反射率，才能有效消除传感器差异、成像条件、大气辐射传输以及地形起伏等影响。其中，大气辐射校正过程较为复杂，而且所需的参数较难获取，因此大气辐射校正是大部分用户的数据处理难题，也是限制定量化遥感应用的瓶颈。而地形辐射校正过程也涉及到较为复杂的数据处理，且地形辐射校正算法往往需要人工参与，因此，对于大区域批量的地形辐射自动校正也是数据定量化处理的一个障碍。
2大气与地形辐射校正处理流程与算法
在传感器成像时，由于大气水汽、气溶胶粒子的吸收和散射，导致传感器接收的辐射信号通常不能真实反映地物的反射和发射光谱特性。同时对于地形起伏比较明显的区域，同一地物类型在不同的坡度下光谱特征也表现出较大差异。因此，为了消除大气以及地形起伏对遥感成像的干扰，需要对遥感影像进行大气校正和地形辐射校正。
项目采用6S辐射传输模型结合MODIS大气参数的方法进行逐像元的大气校正，并在此基础上，利用地形辐射C校正算法进行高效自动的辐射校正以消除地形起伏导致的地物辐射差异。
大气辐射校正处理流程与算法
对于同一区域，Landsat8和MODIS Terra卫星过境时间相差较短（15-30min），通常可以假设大气状况在这个极短的时间范围内的变化可以忽略。因此，可以利用MODIS大气产品对Landsat数据进行大气校正。用到的MODIS大气产品分别为MOD04 (Aerosol Optical Depth，AOD)、MOD05(Water Vapor，WV)和MOD07(Total Ozone，Ozone)。
由于MODIS日值大气产品在全球范围内存在大量的无效值，而这些无效值将直接影响到大气校正的精度，且对于有效值完全缺失的区域大气校正结果将出现失真。传统的数据处理方法是利用克里格插值、自然邻域插值等算法填补无效值区域。
但是对于图1所示情况，气溶胶光学厚度缺失值达到90%以上，传统克里格插值算法会出现因变程窗口内有效值数量不足或缺失导致气溶胶插值失真，因此，研究提出了一种全球尺度的序列克里格插值算法试图解决MODIS大气产品有效值的缺失问题，图1给出了全球陆地区域2015年DOY=1时的MODIS大气产品与相应的序列克里格插值产品对比。
图1、2015年全球陆地区域MODIS大气产品序列克里格插值前后对比
利用MODIS大气产品、Landsat8 MTL文件提供的成像参数以及匹配的30米的DEM数据，结合6S辐射传输模型逐图幅构建大气校正查找表，并逐波段的生成0.05°的校正系数图。由于逐波段大气校正系数图像采用WGS84经纬度投影而Landsat采用UTM投影，且两者的空间分辨率有较大差异。因此，校正过程中需要对大气校正参数图像进行转投影与重采样，使得大气校正参数图像与Landsat像元之间一一对应。最后，利用Landsat辐亮度数据和大气校正参数图像逐像元计算得到地表反射率，详细的大气校正流程如图2所示：
图2、Landsat OLI大气校正处理流程
地形辐射校正处理流程与算法
地形起伏是影响地物辐射特性的一个重要参量，特别是起伏明显的山地区域，同一地物由于处于不同的地形坡度与坡向环境，最终的光谱特性表征出明显的差异。项目采用了通用的地形辐射C校正算法来缓解或消除这种因地形起伏导致的辐射差异。
由Landsat四个角点的经纬度坐标裁剪出匹配的DEM数据，并利用地形计算工具逐像元的计算坡度与坡向。统计图幅范围内地形起伏较为明显的区域（坡度大于8°）所占比例，若该比例小于设定的阈值，则该图幅被视为平原区域不做地形辐射校正处理；否则，利用坡度与坡向并结合Landsat成像参数逐像元计算得到入射角对应的余弦值
关于回归分析样本点的选取，首先，针对Landsat数据的波段特征依次构建云、水体以及冰雪的掩膜文件；其次，结合坡度分布情况依次随机地选取一定数量的地物样本点；再次，根据样本点位置特征提取各波段的地表反射率与相应的入射角余弦值，并以此进行线性回归分析得到各光谱波段的地形辐射校正常数
图3、地形辐射C校正的详细处理过程
3Landsat8地表反射率产品
图4为2015年全国区域云量30%的全部Landsat8地表反射率产品索引图，不同区域由于云量不同，处理的产品时相从5-24个时相不等。
图4、2015年全国Landsat8地表反射率产品时相统计
地表反射率产品已在遥感地球所数据共享网站（）上进行共享，欢迎大家注册下载。用户可以登陆网站（如图5），点击地表反射率产品，检索感兴趣区域的数据。
图5、地表反射率产品共享网站
此外，共享网站还提供2013年地表反射率产品。2013年大气校正前后的数据，如图6。
图6、2013年全国Landsat8大气校正前后的星上(左)和地表反射率产品(右)镶嵌图
以上内容由数字地球重点实验室刘良云、张肖、胡勇、王颖洁提供。