MODIS 数据特点及其预处理 http://www.paper.edu.cn 王冠 辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院，辽宁阜新（123000） E-mail: wangguan_gis@sina.com 摘 要：MODIS 是搭载在 TERRA 和 AQUA 卫星上的主要传感器之一，它具有 36 个光谱 波段覆盖了 0.4µm～14µm 的电磁波谱范围，与 NOAA AVHRR、Landsat TM 数据相比, MODIS 具有高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率的特点。自从 MODIS 数据发布以来已逐 渐被人们所熟悉并得到了广泛的应用，本文介绍了 MODIS 传感器及其所获得数据的特点， 并对针对这些特点阐述了 MODIS 数据的预处理方法。 关键词：MODIS；数据预处理；EOS EOS 即地球观测系统,是美国国家航空航天局(NASA)针对全球变化研究对建立长期的 数据采集系统的实际需求而规划实施的计划。TERRA 和ＡＱＵＡ两颗星是分别于 1999 年 12 月 18 日和 2002 年 5 月 4 日发射成功，它们是 EOS 计划的重要组成部分。中分辨率成像 光谱仪（Moderate resolution Imaging Spectroradiometer 简称 MODIS）是 TERRA 和 AQUA 卫星上搭载的传感器之一。从 MODIS 数据发布以来已逐渐被人们所熟悉并得到了广泛的应 用，本文介绍了 MODIS 传感器及其所获得数据的特点，并对针对这些特点阐述了 MODIS 数据的预处理方法。 1. MODIS 传感器及其数据的特点 1.1 MODIS 传感器简介 MODIS 是搭载在 TERRA 和 AQUA 卫星上的主要传感器之一，它具有 36 个光谱波段 覆盖了 0.4µm～14µm 的电磁波谱范围。其中 1--19 和 26 波段为可见光和近红外通道，其余 16 个波段均为热红外通道。另外 MODIS 数据的空间分辨率有 250 m（2 个波段）、500m（5 个波段）和 1km （29 个波段）[1]。每 1～2 天可获取一次全球观测的 MODIS 数据。与 NOAA AVHRR、Landsat TM 数据相比, MODIS 具有高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率 和特点。 1.2 MODIS 的数据产品 NASA 提供 MODIS 便于数据产品,共有 44 种标准产品,具有不同的时间和空间分辨率。 若按区域划分，主要有陆地、海洋和大气等产品。若按处理级别划分，又可以分为如下 6 种产品： 0 级产品: 指由进机板进入计算机的数据包，也称原始数据（Raw Data）； 1 级产品: 指 1A 数据，即已经被赋予定标参数的数据； 2 级产品: 指 1B 级数据 ，经过定标定位后的数据，采用国际标准的 HDF 格式存储， 可用商用软件包（如 ENVI）直接读取。 3 级产品: 在 1B 数据的基础上，对由遥感器成像过程产生的边缘畸变（Biwtie 效应） 进行校正，产生 3 级产品； 4 级产品: 由参数文件提供的参数，对图像进行几何纠正，辐射校正，使图像的每一点 都有精确的地理编码、反射率和辐射率。 5 级产品：根据各种应用模型开发的产品被称为 5 级产品。 - 1 - 

http://www.paper.edu.cn 1.3 MODIS 数据文件存储格式 MODIS 数据各级数据产品是以 HDF 格式存储、处理和发布的。HDF 文件格式是为了 满足各种领域研究需求而研制的一种能高效存储和分发数据的新型数据格式。一个 HDF 文 件中可以包含多种类型的数据，并且可以包含关于该数据的全面数据，即全面的元数据。 HDF 的数据结构是一种分层式的数据管理结构，允许用户把相关数据上标集中在一个 HDF 文件的某个分层结构中，具有灵活性和可扩展性。另外，HDF 格式是一种与平台无关的数 据格式，可在不同格式间传输具有较高的独立性。 1.4 MODIS 数据的畸变特点及成因 MODIS 数据同其它遥感数据一样具有各种噪声和畸变，除了几何和辐射畸变外条带噪 声和边缘重叠最为重要。 MODIS 传感器 250 米分辨率的波段数据一个扫描带包含 40 个探测单元，500 米分辨率 的波段包含 20 个探测单元，而 1km 米分辨率的波段一个扫描带包含 10 个探测单元。这种 多元并扫的扫描方式不可避免的会使遥感图像中存在条带噪声。这种现象的产生主要是因为 传感器存在差异使相邻的扫描线在亮度方面产生不协调，表现为规则的横向条带。同时这种 噪声也可能是由内部校准系统的微小误差及其噪声引起的[2]。另外图像由于传输过程中丢失 或中断形成的坏线是随机分布没有规律的，它不同于这种条带噪声。 另外在垂直于航迹的扫描方向上,1km 米分辨率的影像扫描跨度为 1354km；但事实上， 由于地球曲率的影响使得一次扫描的跨度为 2330km。因此两个相邻的扫描带在边缘处就有 10km 即 50%的数据是对地面同一区域进行重复扫描。这种现象我们称为数据重叠现象。 2. MODIS 数据的预处理 所谓数据预处理是指遥感数据在应用之前需要对图像的各种畸变进行校正，例如降噪 处理、几何校正等。MODIS 数据在应用这前同样需要进行这样的预处理过程。 2.1 条带噪声的去除 条带噪声在影像中是一种具有一定周期性、方向性且呈条带分布的特殊噪声。MODIS 影像的条带噪声以第 5 波段和第 26 波段最为明显。本文尝试用傅立叶变换的方法滤除条带 噪声。 傅立叶变换是一种正交变换。它的应用领域非常广泛，主要是用于消除图像的周期性 噪声，以及由于传感器异常引起的规则性错误，并且效果都非常好。由于它可将空间域的复 杂的卷积去处转化为频率域的简单的乘积运算，同时，它还可以在频率域中简单而有效的实 现影像的增强、去噪声处理和进行特征提取，因此在傅立叶变换是影像处理中得到了广泛的 应用。 MODIS 影像上的条带噪声属于周期性噪声，这为选用博立叶变换法去除条带噪声提供 了理论基础。首先将 MODIS 影像进行快速傅立叶变换得到 MODIS 影像在频率域中的分布 特征。MODIS 条带噪声在影像中是呈水平分布，其在频谱图中则分布在原点的上下两侧， 为常见的“十”字交叉亮线垂直方向强度比较明显，并且亮点呈周期分布，如图 1 所示。 - 2 - 

http://www.paper.edu.cn 图 1 图 2 MODIS 影像频谱图的噪声分布 滤去噪声的 MODIS 影像频谱图 因此要想去除影像上的条带噪声就必需要滤除频谱图上垂直分布的亮点。实验中我选择 了圆形掩膜的方法对频谱图进滤波，尽量将“十”字交叉处的亮点滤掉，同时又保证不损坏图 像中的原有信息。图 2 为圆形掩膜处理后的 MODIS 影像频谱图。 经过圆形掩膜滤波的频谱图再经过博立叶逆变换即可消除 MODIS 影像的条带噪声。图 3 为利用博立叶变换法去除 MODIS 影像条带噪声前后的对比图，其中图 a 是未经变换的 MODIS 影像，图 b 为利用博立叶变换法去除条带噪声之后的影像。 图 a 图 b 图 3 利用傅立叶变换法去除 MODIS 影像条带噪声前后对比图 2.2 MODIS 影像的几何校正 对遥感影像进行几何校正的目的就是要纠正遥感影像中由系统以及非系统因素引起的 图像变形，并将遥感影像数据转换到标准的地理空间之中，使影像具有空间属性。目前应用 于 MODIS 数据的几何校正方法有两种： 1）利用 MODIS 数据文件中自带的经度各纬度数据对影像进行几何校正，这种方法适 用于 MODIS 的全扫描带校正，符合大尺度小比例尺（例如小于 1：1000000）制图的需求。 - 3 - 

http://www.paper.edu.cn 在校正的过程中所使用的经纬度数据是以波段形式进行存储的，每个像素所记录的数值 对应的是图像数据中相应像元的经度或纬度数据。校正的原理就是使图像中的每个像元对应 一个经纬度坐标值，根据坐标值将些像元对应到的标准地理空间的相应位置上，从而达到几 何校正的目的。但是在 MODIS 数据中经纬度数据的大小与图像数据的大小是不等的，分辨 率为 1km 的图像大小为 1354×1010,对应的经纬度数据大小为 271×202；分辨率为 500m 和 250m 的图像大小分别是 2708×2020 和 5416×4040,对应的经纬度数据的大小都是 1354×1010。 因此，在进行几何校正以前必须将经纬度数据重采样到图像数据的大小，或者将图像数据重 采样到经纬度数据的大小[3][4]。 2）以 1：250000—1：1000000 的地形图为标准地理空间，对相应的影像区域，用选取 地面控制点的方式进行校正。这种几何校正方法可用于 MODIS 250m 分辨率的影像数据， 符合小尺度中小比例尺的制图要求。这种校正方法是以经过地理编码的中小比例尺地形图作 为标准地理空间，在遥感图像中切割出与地形图相对应的区域的图像。然后，在遥感图像及 地形图中选取一定数量的地面控制点，分别读出各个控制点在图像上的像元坐标及地形图中 的坐标，选择合适的坐标变换函数式（即数学纠正模型），建立图像坐标与标准地理空间坐 标之间的关系式。通常又称为多项式纠正模型[5]。在实际操作过程中，针对 MODIS 数据空 间分辨低的特点，地面控制点通常选取水域等明显的地物特征点。 2.3 MODIS 数据重叠的去除 数据重叠现象也称 Bowtie 现象俗称“双眼皮现象”。要想去除数据重叠现象，就必须先 找出数据的重叠现象出现在图像中的列数。然后将重复的数据删除，这样原来的数据就只剩 下一半，势必造成数据的不连贯，因此需要我们对原来数据重叠的部分进行插值。经过这样 一系列操作便可去除 MODIS 数据中的重叠现象。实际操作中通常利用商用软件包 ENVI 中 集成的方法去除数据的重叠现象。 参考文献 [1] 刘玉洁、杨忠东等.MODIS 遥感信息处理原理与算法.北京:科学出版社,2001 [2] 陈径松,朱博勤,邵芸.基于小波变换的多波段遥感图像条带噪声的去除.遥感信息,2003 [3] 张京红,景毅刚.遥感图像处理系统 ENVI 及其在 MODIS 数据处理中的应用.陕西气象,2004 [4] 蒋耿明,刘荣高,牛铮,庄大方.MODIS 1B 影像几何纠正方法研究及软件实现.遥感学报,2004,8（2） [5] Zhengming Wan. Estimate of noise and systematic error in early thermal infrared data of the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS).Remote Sensing of Environment,2002 Features and Preparation of MODIS Data Survey and Geographical Scientific Institute, Liaoning Technical University, Fuxin (123000) Wang Guan Abstract MODIS is one of the main sensors of the TERRA and AQUA. It has a 36-band spectrum that covering 0.4 µ m ~ 14 µ m of the electromagnetic spectrum. Compare with the data of NOAA AVHRR and Landsat TM, MODIS has high spatial resolution, high time-resolution and high-spectral resolution. Since the MODIS data has been released, it has widely used by people. This paper introduces the characteristics of MODIS sensor and data. And it describes the preparative method of MODIS data. Key Words: MODIS; Data preparation; EOS - 4 -