Metode de achiziție și procesare a datelor satelitare MODIS

Comandarea datelor

In functie de tipul de date de care avem nevoie, cererea datelor satelitare se face pe unul din urmatoarele servere web:

• http://ladsweb.nascom.nasa.gov. Date MODIS Level 1 (geolocatie, masca de nori si produse atmosferice);
• http://edcdaac.usgs.gov/dataproducts.asp. Produse MODIS pentru suprafata Pamantului;
• http://nsidc.org/daac/modis/index.html. Produse MODIS pentru suprafete de zapada sau inghetate;
• http://oceancolor.gsfc.nasa.gov. Produse MODIS pentru suprafetele de apa.

Datele MODIS Level 1B sunt utile pentru prelucrari in perspective, astfel ca mai jos sunt descrisi pasii pentru obtinerea acestora de pe serverul care le gazduieste:

Accesarea serverului http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html

1. Alegerea tipului de Produs si selectarea intervalului de timp, a colectiei si a extinderii spatiale (Fig. 1 si 2)
2. Se obtin datele selectate (Fig. 3), dupa care exista posibilitatea de a vizualiza un quicklook RGB corespunzator (Fig. 4) pentru a decide daca pozitia si acoperirea cu nori sunt convenabile pentru scopul in care vor fi folosite datele.
3. Se selecteaza datele ce urmeaza a fi comandate;

Figura 1.

Figura 2.

Figura 3.

Figura 4.

1. Adaugarea datelor in “Shopping Cart” daca se doreste realizarea de subseturi sau “Order Files Now” daca se vor utilize imaginile in intregime (spatial si spectral)
2. Se activeaza “View Your Shopping Cart” (Fig. 5);
3. Exista o selectie optionala “Post Process and Order data” (Fig. 6) – daca este necesara realizarea de subseturi;
4. Fig. 7 – se pot selecta oricare dintre optiuni sau toate si de asemenea optiunea de a include informatii despre fisier “Include Information Files”;
5. In urmatoarea fereastra se vizualizeaza detalii ale selectiei facute “Set Post Process Criteria” – Fig. 8;
6. In fereastra care se va deschide (Fig.9) se cer detalii despre modul de livrare a datelor comandate si adresa de e-mail unde se va primi notificarea de primire a datelor. Se alege Ftp Pull pentru ca datele sa fie descarcate de pe un server FTP pe care vor fi puse la dispozitia utilizatorului pentru o perioada de timp limitata. Dupa ce se se face comanda prin apasarea butonului “Order” se deschide o alta fereastra;
7. Se vizualizeaza comanda si aveti posibilitatea de a activa linkul catre comanda (Order Id – Fig. 10) care va deschide o noua fereastra;
8. Ce va contine detaliile despre comanda privind adresa FTP unde se gaseste (acelasi lucru il veti gasi in notificarea prin e-mail) – Fig. 11;
9. Fisierele se pot descarca prin client FTP (in Command Prompt sau Total Commander, WinCommander, etc.), prin conectare la server cu instructiunile oferite in detaliile din Fig. 11 sau
10. Deschiderea direct in browser: ftp://ladsweb.nascom.nasa.gov/orders/500115908/ (asa cum apare in “Order Details”) – Fig. 12. Se va cere user (anonymous) and si parola (adreasa e-mail pe care ati folosit-o pentru comanda) – Fig. 13
11. Se copiaza fisierul .hdf pe hard disc cu click-dreapta si “Copy to Folder”

Figura 5.

Figura 6.

Figura 7.

Figura 8.

Figura 9.

Figura 10.

Figura 11.

Figura 12.

Figura 13.

Citirea si prelucrarea datelor

Formatul datelor MODIS

Datele MODIS din colectia EOS sunt in format HDF. Docmentatia pentru formatul HDF-EOS se gaseste la: http://nsidc.org/data/hdfeos. Unele programe de prelucrare a imaginilor satelitare permit citirea directa a formatului HDF EOS (cum este ENVI), altele pot necesita importul datelor in propriul format (unele din ele pot citi datele, dar nu recunosc informatia despre georeferentiere fara a le importa). Prin operatiunea de import a datelor se pot face de asemenea corectii sau calibrari.

2.2. Importul si georeferentierea datelor MODIS
Mai jos sunt descrise aceste operatiuni printr-un exemplu practic pentru o imagine MODIS Level 1B calibrat in radianta la 1km – pentru toate benzile spectrale.
Imaginea comandata pe site-ul http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html este aceasta:
mod021kma200619809150052006207230027ss000500116463.hdf. Tipul imaginii este MOD02 – imagine Level 1B calibrata in radianta, provenita de la senzorul de pe satelitul TERRA (MYD pentru senzorul AQUA), la 1km, ziua iuliana 198 din 2006 (17 iulie), receptionata la ora 09:15 UTM, colectia 005.

Importul si georeferentierea datelor MODIS in ERDAS Imagine 8.7

Din meniul principal al ERDAS Imagine: Import – Type: MODIS EOS HDF Format – Media: File si se alege imaginea in format HDF si locul unde va fi salvat rezultatul importului.

In fereastra care apare: se selecteaza Correct Panoramic Distortion and Write Transform to Image – OK.

Imaginea obtinuta va avea un volum de aprozimativ 2.5 mai mare decat imaginea originala HDF si va fi in proiectie Geografica (lat-long).

In cazul in care este necesar, imaginea poate fi reproiectata intr-o proiectie definita: Din meniul principal: Data Prep – Image Geometric Correction – From Image File (in cazul in care imaginea nu este deschisa deja intr-o fereastra) – Browse and choose image – OK – (imaginea va fi deschisa intr-o fereastra) – Set Geometric Model – Reproject – Projection – Add/Change Projection – Standard or Custom (Choose) – OK – Recompute Solutions – OK – Back to Reproject Model Properties – Parameters – Polynomial Order 2 – Apply – Go to Geo Correction Tools – Se selecteaza al treilea buton (Display Image Resample Dialog) – Choose an Output File, Resample Method and Output Cell Sizes – OK.

Importul si georeferentierea datelor MODIS in ENVI 4.2

Din meniul principal ENVI: Import – File – Open External File – EOS – MODIS si se alege fisierul HDF. Imaginea deschisa nu va fi in coordonatele corecte si va trebui georeferentiata: Din meniul principal: Map – Georeference MODIS – Input MODIS File – Choose the open file (se poate alege un subset spatial sau spectral) – OK – In fereastra Georeference MODIS Parameters – Choose Map Projection – Datum – Units – etc. (optiunea implicita este aceea de a face corectia de bow tie) – OK – In Registration Parameters window – Make options and choose an Output Filename – OK

Calibrarea datelor MODIS

Senzorul MODIS inregistreaza in 36 de benzi spectrale:

• 20 de benzi sunt in portiunea de reflexie a radiatiei solare (1-19, 26), la care se adauga 2 benzi inregistrate cu low gain si high gain pentru benzile13 si 14) – Reflective Solar Band (RSB);
• 16 benzi in portiunea de emisie termica a spectrului (20-25, 27-36) – Thermal Emissive Band (TEB);

Datele L1B reprezinta date calibrate Earth View (EV) pentru toate cele 36 de canale spectrale, organizate in trei fisiere HDF corespunzatoare celor trei rezolutii spatiale ale imaginilor MODIS si fisierele de metadata asociate.

Datele EV Level 1B calibrate includ:

• factorii de reflectanta la partea superioara a atmosferei (TOA) pentru RSB;
• radiantele la TOA pentru RSB si TEB;
• indici de incertitudine si semnalizatoare de calitate a datelor.

Atributele antetului sunt dferite pentru RSB si TEB.

Pentru RSB:

• units
• valid_range
• FillValue
• long_name
• band_names
• radiance_scales
• radiance_offsets
• radiance_units
• reflectance_scales
• reflectance_offsets
• reflectance_units
• corrected_counts_scales
• corrected_counts_offsets
• corrected_counts_units

Pentru TEB:

• units
• valid_range
• _FillValue
• long_name
• band_names
• radiance_scales
• radiance_offsets
• radiance_units

Algoritmul de calibrare radiometrica este impartit in doua module principale in programul original: unul pentru RSB si unul pentru TEB. Calibrarea benzilor RSB calibration foloseste unele din datele prelucrate dupa calibrarea TEB, astfel ca se realizeaza dupa calibrarea TEB.

Datele MODIS EV calibrate sunt stocate ca date intregi SDS (Scaled integer – SI, scientific data sets – SDS) in fisiere de tip Level 1B. Fisierele de iesire contin de asemenea scara si factorii de compensare stocate ca atribute care permit utilizatorilor sa transforme datele calibrate in radiante la TOA si, in cazul RSB, in factori de reflectanta la TOA.

Exemplu in ERDAS:

Se ia ca exemplu imaginea MODIS EOS-HDF: mod021kma200619809150052006207230027ss000500116463.hdf

importata in Erdas: mod021kma200619809150052006207230027ss000500116463.img

Se alege un pixel, spre exemplu (35.356418, 24.884171):

• Band20 SI = 17900
• Band8 SI = 8960 (Fig. 14-17)

Figura 14.

Figura 15.

Figura 16.

Figura 17.

In fereastra in care este afisata imaginea: Utility-Layer Info:

Pentru TEB (Fig. 18):

Figura 18.

• radiance_scales = 6.26239853e-005
• radiance_offsets = 2.73058325e+003

Radianta TEB:
L = radiance_scales (SI – radiance_offsets) = 6.26239853e-005 * (17900 – 2.73058325e+003) = 0.94997

Temperatura de stralucire TEB. Folosind formula lui Plank inversa:

unde

• L = radianta (Watts/m2/steradian/m)
• h = constanta lui Planck’s (joule second)
• c = viteza luminii in vid (m/s)
• k = constanta lui Boltzmann (joules/Kelvin)
• l = lungimea de unda centrala pentru banda sau senzor (m)
• T = temperatura (Kelvin)

Sau, rescris cu ajutorul c1 si c2 (prima si a doua constanta de radiatie):

T = c2 / (wavelength * ln (c1 / (wavelength5 * L) + 1))

unde

• wavelength = lungimea de unda (m)
• c1 = prima constanta de radiatie (3.741775×10-22 W m3 μ-1)
• c2 = a doua constanta de radiatie (0.0143877 m °K)

A se vedea modelul .gmd ERDAS.

Pentru RSB (Fig. 19 si 20):

• reflectance_scales = 1.98893740e-005
• reflectance_offsets = 3.16972198e+002

• radiance_scales = 1.06995227e-002
• radiance_offsets = 3.16972198e+002

• corrected_counts_scales¹⁵ = 1.26194030e-001
• corrected_counts_offsets¹⁵ = 3.16972198e+002

Figura 19.

Figura 20.

• Dsun = 1.01635277e+000
• SOLAR IRRADIANCE ON RSB DETECTORS OVER PI = 5.11459991e+002

Reflectanta:

• R*cos(teta) = reflectance_scales (SI – reflectance_offsets) = 1.98893740e-005 * (8960 – 3.16972198e+002) = 0.1719

Radianta RSB:

• L = R*cos(teta) * Esun/pi/d2 = 0. 1719 * 511.459991 / 1.016352772 = 85.11353

Spre deosebire de reflectanta obtinuta prin calibrarea produsului MOD02 Level 1B, produsul Spectral Reflectance MOD09 este corectat de influentele atmosferice.

Exemplu in ENVI:

In ENVI, valorile din fisierele originale HDF sunt importate direct in radianta (RSB and TEB) si in reflectanta (RSB), astfel incat nu putem vedea DN (Digital Number) si nici informatiile din antet (asa cum este posibil in ERDAS).

In ce priveste Temperatura de stralucire, in ENVI este posibila transformarea valorilor din benzile emisive direct in temperatura de stralucire, cu ajutorul modulului Modistools descarcat de pe http://eostation.scanex.ru/software.html (care aplica si corectia de bowtie). Se pare ca aceasta operatiune nu functioneaza cu date HDF comandate ca subseturi.

Bibliografie:

1. MODIS Level 1B Algorithm Theoretical Basis Document, Version 3, December 14, 2005, Prepared for National Aeronautics and Space Administration, MODIS Characterization Support Team, Jack Xiong, Gary Toller, Vincent Chiang, Junqiang Sun, Joe Esposito, and William Barnes

2. MODIS Level 1B Product User’s Guide for Level 1B Version 5.0.6 (Terra) and Version 5.0.7 (Aqua) Prepared by Members of the MODIS Characterization Support Team for NASA/Goddard Space Flight Center Greenbelt, MD 20771 August 22, 2006