关于MODIS卫星数据的几何校正方法

郭广猛

(中科院地理科学与资源研究所北京,100101)

摘要:M OD IS(M OD erate-reso lu ti on I m aging Spectro radi om eter)L1B产品中存在着bow tie effect,即“双眼皮”现象,几何校正之后仍无法去除,因此必须在几何校正之前加以去除。本文使用bu ilt GL T和expo rt GCP两种方法对M OD IS数据进行几何校正,结果表明两种方法的效果都比较准确。但是前一种方法运算耗时太多,因此建议采用后一种方法校正。

关键词:M OD IS;几何校正;Bow tie effect

中图分类号:T P751　　文献标识:A　　文章编号:1000-3177(2002)-67-026-03

　　1999年12月美国的T ERRA卫星发射成功,星上搭载的中分辨率成像光谱仪M OD IS (M OD erate-reso lu ti on I m aging Sp ectro radi om eter)是该星上唯一实行全球免费接收的传感器。M OD IS具有36个波段(0.405～14.385um),拥有250m、500m、1000m三个不同的空间分辨率,扫描宽度2330km,只需2～3轨即可覆盖全国,相对于现在常用的NOAA-AV HRR数据(5个波段,分辨率1.1km)有了极大改进,这些数据将在地球科学的综合研究和海洋、陆地、大气的专门研究中发挥重要作用。

1　去除处理“双眼皮”现象(bow tie effect)

M OD IS数据经辐射校正之后生成的L1B产品中存在着独有的“双眼皮”现象(bow tie effect),使得M OD IS的边缘数据无法使用,影响了数据的实际应用,因几何校正亦无法去除“双眼皮”现象,因此必须在几何校正之前就加以去除。“双眼皮”现象表现为相邻两个扫描行之间有部分数据相同,越向边缘重复数据越多,在线状地物附近表现尤为明显,见图1所示,河流不仅左右错开,而且上下有部分重叠。图2是bow tie effect示意图[1],图中显示有3个扫描行,每行有10个像元,每个像元在星下点处分辨率为1km,所以每个扫描行宽度为10km。由于每扫描一次地球会自转一定距离,因此图上显示3个扫描行之间有一个小的错动。M OD IS扫描角度为±55°,对应地面宽度为2330km。由于地球曲率的影响和扫描角度的增大,越向边缘像元尺寸越大,在最边缘处一个扫描行的宽度已增大到20km,相邻的扫描行之间已有10km的重叠,于是就产生了“双眼皮”现象。对于1km分辨率的M OD IS数据而言,在角度大约25度时开始有重叠,分辨率250m的数据在17度时就有了重叠

。

图1　M OD IS250m数据的bow tie

effect

图2　M OD IS1km数据左半部分bow tie effect示意图(Bow tie Effect Sketch M ap of L eft H alf M OD IS1km D ata)

　　M OD IS数据采用HD F格式(H ierarch ical D ata Fo rm at),是美国国家高级计算应用中心研制的新型数据格式[2]。它将多种类型的数据,例如图像数

收稿日期:2002-05

作者简介:郭广猛,(1976～),男,1998年毕业于青岛海洋大学,2001年毕业于中国地质大学(武汉),现就读于中科院地理与资62

源研究所,主要从事遥感与地理信息方面的研究。

据、地理位置、轨道参数、仪器噪声等全部存储在一个HD F 文件中。正因为其复杂的数据结构,使得一般研究人员难以编制程序对其进行处理。美国R S I 公司的I DL (In teractive D ata L anguage )交互式数据语言中提供了几十个函数可对HD F 数据进行读写处理[3],极大地方便了普通用户。本文即利用I DL 中的函数对HD F 文件进行处理以去除“双眼皮”现象。

下面以250m 的M OD IS 数据为例说明数据处理思路。250m 的数据每扫描一次产生5416列、40行数据,每相邻的两个40行之间存在有“双眼皮”现象。一幅250m 的M OD IS 数据有5416列、4080行。首先计算相邻的两个40行之间存在多少行重复数据。以第1列为例:

(1)第1列到第3列、第38行到第40行数据产生一个333矩阵A ,以第1列到第3列、第41行到第43行数据产生矩阵B ,计算A 和B 的相关系数。

(2)将矩阵B 下移一行,重新计算相关系数。(3)重复步骤2,直到第80行,这样就得到40

个相关系数。

(4)取40个相关系数中最大的一个,它所对应的行数减去40,再加上3,即为重复的行数。最后算出对于第1～3列数据每两个扫描行有20行是重复的。

(5)去除每个扫描行的20行重复数据,这样即可去除“双眼皮”现象。但是原来的3列、4080行变成了3列、2040行,这时需重采样将其变为原来大小。

(6)将矩阵A 向图像中心移动,计算每列上的重复,结果应该是逐渐减小,利用这一规律可以对某些异常值进行取舍。图3是与图1对应的去除“双眼皮”现象之后的结果,

河流边缘平滑,且周围地物没有重叠现象。

图3　去除bow tie effect 之后的图象

2　M OD IS 图像的几何校正方法

去除M OD IS 图像的“双眼皮”现象之后就可进行其图像的校正,一般有如下两种方法:B u ilt GL T 方法和Expo rt GCP 方法。

2.1　B u ilt GL T 方法的图像几何校正

M OD IS 数据的HD F 文件中已经包含有经度和纬度数据,我们可以利用这些数据进行校正而不必人工选取地面控制点。使用遥感图像处理软件ENV I 的B u ilt GL T (Geom etry L ookup T ab le )功能,以经度作为X 方向数据,以纬度作为Y 方向数据建立GL T ,然后使用GL T 对图像进行几何校正。其原理就是使图像中的每一个像素对应一个坐标,根据坐标值将此像素放在相应的位置上,从而达到几何校正的目的。

因为一个像素对应一个坐标,所以这种方法要求图像的尺寸和经纬度数据的尺寸大小相同,不涉及重采样的问题。而M OD IS 数据的HD F 文件中经纬度数据的大小和图像的大小是不同的。分辨率1km 的图像(1354×1020)其对应的经纬度数据大小为271×204,而分辨率250m (5416×4080)的图像其对应的经纬度数据大小为1354×1020。当GL T 的大小同图像尺寸大小不同时,虽然校正可以

继续进行,但其得出的结果是错误的,因此用这种方法对M OD IS 图像校正时就涉及到重采样问题。可以将经纬度数据重采样为同图像一样大,也可以将图像重采样为同经纬度数据一样小。前者对经纬度数据进行了内插,由于越向边缘像素尺寸越大,使用最近邻方法插值会产生很大的斑块状,效果不好,为使图像平滑,采用了双线性插值法。后者把图像缩小,虽然校正后效果不错,却丧失了M OD IS 250m 分辨率的优势。这里我们使用前一种方法对经纬度数据进行内插以保留M OD IS 250m 分辨率的优势。

2.2　Expo rt GCP 方法的图像几何校正

将HD F 文件中的经纬度数据导出为地面控制点(GCP )文件,然后采用常规的多项式方法进行校正。因为GCP 点数目众多,分辨率250m 的M OD IS 图像中GCP 点可达1354×1020=1381080个,理论上可使多项式的次数达到上千次。实际使用中一般不超过四次,如果次数继续增加,则位置精度增加很少而计算量增加很多,已没有实际意义[4]。对于

GCP 点数目众多且不规则排列的情况宜采用D elaunay 三角网方法。构建三角网时遵循以下准

则:扩展点与扩展边两点连线的夹角最大。这时所形

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2

。

图4　使用bu ilt GL T方法(左)和expo rt GCP方法(右)校正的结果对比

　　图4是分别采用bu ilt GL T和expo rt GCP方

法校正后太湖地区的图像。同矢量叠加的结果可以

看出bu ilt GL T方法的校正结果比较准确,矢量同

湖的边沿以及湖中的岛屿轮廓很准确的重合,而

expo rt GCP方法校正的图像中矢量在整体上向下、

向右偏移。这是因为M OD IS250m数据中的经纬度

是每4个像素有一个坐标,即第一个坐标对应的行

列数是(4,4)。采用D elaunay三角网方法校正时将

点(4,4)看作了图像的左上角,点(4,4)与点(1,1)之

间没有进行插值,结果就导致校正后的图像向下、向

右偏移。将这一因素考虑之后重新校正,结果图像与

矢量准确重合,证明该方法同bu ilt GL T方法一样

准确。

最后需要说明的是,采用bu ilt GL T方法时需

要逐点计算,对于M OD IS250m数据来说要计算5

416×4080个点,在P 800的机器上耗时近3个

小时;采用expo rt GCP方法时只需计算1354×1

020个点,在同样机器上只需20分钟。因此建议采

用expo rt GCP方法校正。

参考文献

1　M OD IS L evel1A Earth L ocati on:A lgo rithm T heo retical Basis Docum en t,1997,h tttp: modis.gsfc.nasa.gov.

2　HD F U ser’s Gu ide,1999,h ttp: modis.gsfc.nasa.gov.

3　h ttp: www.sup resoft.com.cn.

4　彭望录.遥感数据的计算机处理与地理信息系统[M].北京师范大学出版社,1991,50～56.

5　朱庆,陈楚江.不规则三角网的快速建立及其动态更新[J].武汉测绘科技大学学报,1998(3):204～207.

Geom etr ic Calibration of MOD IS Data

GU O Guang2m eng

(Institu te of Geog rap hy S cience and N a tu ra l R esou rce R esea rch,CA S,100101)

Abstract:T here ex ist bow tie effects in M OD IS L1B data and th is can’t be eli m inated after geom etry calib rati on,so eli m inating bow tie effects has to be done befo re geom etric calib rati on.Tw o m ethods are u sed in th is p ap er:bu ilt GL T and expo rt GCP.T he resu lt show s bo th are accu rate,w h ile the fo rm er co sts too m uch ti m e that the latter is suggested.

Keywords:M OD IS;Bow tie effect;Geom etry Calib rati on

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