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[数据预处理] HyperionL1T级高光谱数据处理

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发表于 2016-4-28 14:36:02 | 显示全部楼层 |阅读模式
HyperionL1T级高光谱数据处理

1概述

Hyperion是地球观测卫星EO-1(Earth Observing-1)携带的高光谱传感器。EO-1于2000年11月21日发射升空,在完成一年的技术验证后,至今仍超期运行,可以根据用户的请求来获取Hyperion高光谱和ALI(Advanced Land Imager)多光谱数据。其卫星轨道与Landsat7基本相同,比Landsat迟一分钟过赤道。EO-1搭载的Hyperion高光谱成像仪是目前常用的星载民用高光谱传感器,共有220个波段,波长覆盖范围为357 ~ 2567nm,光谱分辨率为10nm,其L1级产品实际上有242个波段,其中1 ~ 70为可见光近红外(V-NIR)波段,71 ~ 242为中红外(SWIR)波段。
传感器参数

表1.1 Hyperion传感器参数


数据组织

目前,Hyperion常用的数据级别为L1R和L1T。其中,L1R数据产品包括一个元数据文件(.MET),一个HDF数据集文件(.L1R),一个ENVI格式的hdr文件(.hdr),一个辅助文件(.AUX),一个美国联邦地理数据委员会标准元数据文件(.fgdc),和一个README.txt文件;L1T数据产品包括242个TIFF格式的单波段文件,一个元数据文件(.TXT)和一个README.txt文件。

命名规则
EO1SPPPRRRYYYYDDDXXXML
EO1:卫星
S:传感器(A:ALI传感器,H:Hyperion传感器)
PPP:条带号(WRS path)
RRR:行编号(WRS row)
YYYY:影像获得年份
DDD:影像获得日期,儒略日
X:Hyperion传感器状态(0=关,1=开)
X:ALI传感器状态(0=关,1=开)
X:AC传感器状态(0=关,1=开)
M:模式(N:Nadir,P:Pointed within path/row,K:Pointed outside path/row)
L:图像长度(F:Full scene,P:Partial scene,Q:Second partial scene,S:Swatch,另外有一些字母可能是为了保持IDs的不同)
GGG:地面接收站
VV:数据版本号

下载地址
目前,常用的下载地址主要有下面两个:
地理空间数据云:http://www.gscloud.cn
美国地质调查局:http://glovis.usgs.gov
本专题以一景2013年5月1日获取的L1T级Hyperion数据为例介绍其在ENVI下的处理流程。包括数据打开、辐射定标、FLAASH大气校正以及图像自动配准等操作。
注:关于Hyperion L1R级数据的处理可以参考博文:ENVI下Hyperion高光谱数据预处理补丁Workshop及操作。(注:搜索网站中可找到这篇博文)

2处理流程介绍

图2.1 Hyperion L1T级数据预处理流程

流程说明:
1、Hyperion L1T级数据已经做过正射校正(使用地形数据的进行几何校正),一般情况下不需要再做几何校正。如果下载的数据几何位置有偏差(可与Landsat数据对比),可以用对应区域的Landsat数据为基准对其进行配准,这就是上述流程中图像配准选做的原因;
2、对于非定量的遥感应用,比如:土地利用类型分类、目视解译等,辐射定标(非真实意义上的辐射定标)和大气校正两步也可以不做。也就是说,对这一类应用Hyperion L1T数据可以直接使用,无需进行预处理。

3 详细处理过程

3.1 数据打开
常用的数据打开方式有两种。一种是使用菜单栏或工具栏打开;对于ENVI原生支持的传感器类型,也可以直接拖拽相应文件到视图窗口中打开。下面我们使用的是第二种方式。
注:使用菜单打开数据时,不同软件版本会有些微差别。本文操作均在ENVI 5.3.1下完成。
1.启动ENVI,同时对素材包中的Hyperion原始数据文件进行解压;
2.打开解压后的数据文件夹,选中EO1H1230322013121110PZ_MTL_L1T.TXT文件,按住鼠标左键拖拽该文件到ENVI视图窗口中,当出现数据添加标志时(空心箭头,右下角有个小加号),松开鼠标,数据自动添加到软件中。
注:也可以通过菜单栏File > Open As > Optical Sensors > EO-1 > GeoTIFF,在弹出Open对话框,选择上述文件打开数据。

3.2 水汽吸收波段标识

正式分发的Hyperion L1级数据中下述波段已经被设置为零值(Barry,2001),这些波段也称之为坏波段(Bad Bands)。ENVI5.3.1会自动识别这些波段并作出标识(图3.1)。
  • 1-7
  • 58-76
  • 225-242


图3.1 ENVI自动识别坏波段信息

    此外,下述波段受水汽吸收影响比较严重(Dat et al.,2003),也需要将其以坏波段方式标识出来,以便后续处理和使用。
  • 121-126
  • 167-180
  • 222-224


下面,我们就来标识受水汽吸收影响严重的这些波段。
1.在Toolbox中,选择Raster Management > Edit ENVI Header,在弹出的File Selection对话框中选择上一步打开的数据,点击OK;
2.在Set Raster Metadata面板中,找到Bad Bands List选项,可以看到ENVI已经对零值波段做了坏波段标识。此处,我们只需要将上述水汽吸收波段添加进行即可;
3.点击右侧Add…按钮,在弹出的Add面板中,选择上述水汽吸收波段(图3.2,按住Ctrl键可多选),点击OK。


图3.2标识水汽吸收波段为坏波段


这样,总共有67个波段被以坏波段形式标识,原始波段数为242,最终剩余的可用波段数为175。

3.3 辐射定标

1. 在Toolbox中,选择Radiometric Correction > Radiometric Calibration,在弹出的File Selection对话框中,选择上一步处理的数据(图3.3),点击OK;

图3.3 File Selection文件选择面板

注:从File Selection面板中可以看出,Spectral Subset自动选择为除零值和水汽吸收影响严重波段外的175个波段。
    2.在Radiometric Calibration参数设置面板中,直接点击Apply FLAASH Settings按钮,其余参数会自动调整为FLAASH大气校正所要求的数据输入格式;
    3.设置辐射定标结果输出路径和文件名,不勾选Display result(图3.4);
    4.点击OK开始执行,定标结束后结果会自动加载到Data Manager中。




图3.4 Radiometric Calibration参数设置面板



3.3 大气校正

第一步:FLAASH大气校正

1.在Toolbox搜索框中,输入FLAASH,双击筛选出的FLAASH Atmospheric Correction工具,弹出FLAASH Atmospheric Correction Model Input Parameters参数设置面板。该面板中需要设置的参数较多,我们可以大致将其分为三个部分:基本参数设置、多/高光谱参数设置和高级参数设置。

2.便于学习,我们又可以将基本参数设置面板大致分为上中下三部分。
上面部分主要用于设置数据输入输出:
  • Input Radiance Image:选择上一步辐射定标后的结果;
  • Radiance Scale Factors:选择Use single scale factor for all bands,数值保持默认1(原因:原始辐射定标结果的单位为W·m-2·sr-1·μm-1,FLAASH要求输入辐亮度数据的单位为μW·cm-2·sr-1·nm-1,二者正好相差10倍,在做辐射定标时我们已经做了Scale Factor单位转换,故保持默认即可);
  • Output Reflectance File:设置经大气校正后的地表反射率数据输出路径及文件名;
  • Output Directory for FLAASH Files:校正过程中生成其他文件的存储路径,默认在当前用户系统临时文件夹下,如果该文件夹没有权限或所在磁盘空间不足,建议修改至其他磁盘,否则会出现代码为102的错误);
  • Rootname for FLAASH Files:输出文件名前缀,可不填。



至此,上面部分参数已经设置完毕,中间部分主要用于设置影像和传感器相关参数:

  • Scene Center Location:影像中心经纬度,从ENVI5.1版本开始自动读取;
  • Sensor Type:传感器类型,选择HYPERION;
  • Sensor Altitude(km):传感器高度,705km(ENVI5.3.1默认不会自带填入,手动输入即可);
  • Ground Elevation(km):影像对应区域地面平均高程。该值是一个大概值,可从对应DEM数据统计获得或者借助Google Earth、ArcGIS Earth(本教程采用此方法)等地图软件获取。此处输入0.25,注意单位是km;
  • Pixel Size(m):像元大小,30m;
  • Flight Date:影像获取时间,可通过View Metadata面板中Time选项卡获取。此处为2013/05/01 02:20:41。



至此,中间部分已经设置完毕,最下部为大气模型及气溶胶反演相关参数设置:

  • Atmospheric Model:大气模型,一般根据影像中心纬度和获取月份确定,需借助帮助文档完成。这里选择Sub-Arctic Summer;
  • Water Retrieval:是否进行水汽反演,选择Yes,此时下方Water Absorption Feature选项激活,有1135/940/820nm三个选项可选,推荐选择1135nm。此处保持默认;
  • Aerosol Model:气溶胶模型,有Rural、Urban、Maritime和Tropospheric四个选项可选。观察影像可以发现影像50%被城市和工业区覆盖。参考帮助文档,此处选择Urban;
  • Aerosol Retrieval:气溶胶反演方法,使用暗像元反射比模型估算影像气溶胶含量和平均能见度,有None、2-Band(K-T)和2-Band Over Water三个选项可选。此处保持默认;
  • Initial Visibility(km):初始能见度。根据影像获取时大气情况设置,如果气溶胶无法反演时,该值将作为初始值参与大气校正,此处保持默认即可;
  • Spectral Polishing:光谱平滑。保持默认Yes;
  • Width (number of bands):光谱平滑窗口大小。数值越大,输出反射率数据光谱越平滑,奇数值较偶数值计算效率略高。此处保持默认。
  • Wavelength Recalibration:输入波长校准。AVIRIS、HYDICE、HyMap、HYPERION、 CASI和AISA传感器ENVI会自动校准,其他高光谱传感器需要提供额外的光谱仪定义文件。此处保持默认No。



至此,基本参数面板全部设置完毕,设置结果如图3.5所示:



图3.5FLAASH大气校正基本参数设置面板

3.高光谱参数设置面板,用来设置水汽和气溶胶反演通道:

  • 在基本参数设置面板底部,点击Hyperspectral Settings…,打开高光谱参数设置面板;
  • Select Channel Definitions by:通道参数来源。对于ENVI原生支持的高光谱数据来说,此处选择Automatic Selection即可。若不是ENVI原生支持的高光谱数据,需要自定义参数文件,然后选择File导入(具体格式可参考帮助文档Select Hyperspectral Options部分)。这里我们保持默认。



4.高级参数设置面板:

  • 在基本参数设置面板中,点击右下角Advanced settings…,打开高级参数设置面板;
  • Spectrograph Definition File:光谱仪定义文件。用于输入高光谱图像的波长校准,当基本参数设置面板中Wavelength Recalibration选择Yes时该选项激活;



左下方参数框中的参数一般保持默认即可,每个参数说明如下:
  • Aerosol Scale Height (km):气溶胶尺度高,仅用于计算邻域散射的范围,通常在1 ~ 2km之间,默认为1.5km;
  • CO2 Mixing Ratio (ppm):CO2混合比,2001年,该值大约为370ppm。为了获得更好的校正结果,该值设置通常比实际值大20ppm,默认为390ppm;
  • Use Square Slit Function:是否使用方缝函数。对于从平均相邻波段派生的图像来说,使用方缝函数可以更好地模拟派生波段的波谱响应。默认为No;
  • Use Adjacency Correction:是否使用邻域校正。使用邻域校正可以减弱邻近像元的散射影响,但对于低分辨率影像(如1km MODIS数据),由于其分辨率较低,几乎不存在邻域散射,该选项选择No。这里保持默认Yes;
  • Reuse MODTRAN Calculations:是否使用之前大气校正时MODTRAN模型的计算结果。对于获取条件(光照、观测角度和能见度等)相似的影像,选择Yes可以加快数据处理的速度。选择No则重新计算。每次FLAASH大气校正结束后,均会在临时目录(File > Preferences中设置)和基本参数设置面板中设置的其他文件输出目录中生成一个名为acc_modroot.fla的文件,用于保存计算结果。若选择Yes,ENVI搜索该文件的优先顺序为:输出目录 > 临时目录;
  • Modtran Resolution:控制MODTRAN模型的光谱分辨率,同时平衡模型部分计算的速度和精度。较低光谱分辨率可以得到较快速度,但牺牲了精度,对精度影响最大的区域主要在2000nm附近。若进行气溶胶反演,MODTRAN模型将运行两次,第一次运行光谱分辨率为15cm-1,第二次运行此处设置的分辨率;若不进行气溶胶反演,则只运行15cm-1。高光谱数据默认为5cm-1,多光谱数据默认为15cm-1。这里,保持默认5cm-1即可;
  • Modtran Multiscatter Model:选择MODTRAN模型使用的多散射算法。有下述三个算法可选:Isaacs、Scaled DISORT和DISORT。其中,Isaacs速度最快,DISORT精度最高(在< 1000nm范围内),Scaled DISORT比较契中,默认为Scaled DISORT;
  • Number of DISORT streams:当选择DISORT或Scaled DISORT算法时,该选项激活,有2、4、8、16四项可选。这个数量与算法估算的散射方向数有关。不推荐选择2和4,因为其在很大程度上增加计算时间时结果却几乎没有提升。对Scaled DISORT算法,增大流数对其运行速度不会有太大影响。二者默认值均为8;
  • Zenith Angle和Azimuth Angle:对于倾斜拍摄的影像,需要输入对应的天顶角和方位角。天顶角定义为光线与天顶(星下点天顶为180°)之间的夹角,方位角定义为地面观测到的传感器方位(光线与正北方向的夹角)。天顶角在90° ~ 180°之间,方位角在-180° ~ 180°之间。对于常见的传感器(非倾斜和立体)来说,可以近似为立体成像,所以此处保持默认即可;
  • Use Tiled Processing:是否采用分块处理。默认为Yes,推荐进行分块,分块大小(Tile Size)可根据计算机内存情况确定,可设置为安装内存的75%,默认为100M或者大于Classic中设置的缓存大小(Cache Size)。对于包含许多0值的影像,分块大小不易设置太小,避免出现分块像元值全为0而报错。此处选择No,不进行分块(计算机物理内存16G);
  • Radiance Image:点击Spatial Subset选择处理的图像范围,默认对整幅影像进行处理。保持默认;
  • Re-define Scale Factors For Radiance Image:重新设置辐亮度图像单位转换系数。保持默认;
  • Output Reflectance Scale Factor:输出反射率数据缩放系数,默认扩大10000倍(转换为整型,节省存储空间)。保持默认;
  • Automatically Save Template File:是否保存FLAASH参数设置。选择Yes可以在运行结束后自动保存所有参数设置在指定的输出文件夹中(文件名为template.txt),与在基本参数设置面板中使用Save保存结果一致,方便以后查对、避免重新设置,保存默认;
  • Output Diagnostic Files:输出中间数据文件,包括水汽和气溶胶反演时通道的定义情况,默认为No。保持默认;
  • 所有参数设置完毕后点击OK。



至此,高级参数设置面板设置完毕,如图3.6所示:



图3.6FLAASH大气校正高级参数设置面板

5.在基本参数设置面板中,点击左下角Apply按钮,弹出FLAASH Atmospheric Correction面板,显示处理进度。处理结束后,会弹出一个简单的统计面板(图3.7),说明大气校正结束。



图3.7 FLAASH大气校正结果面板

至此,大气校正结束。校正后的地表反射率数据存放在设置的Output Reflectance File路径下,其他结果文件存放在设置的Output Directory for FLAASH Files路径下。

第二步:结果查看

大气校正结果是否正确可通过查看典型地物波谱曲线进行,一般选择查看植被波谱曲线。具体操作如下:

1.在Data Manager中,选择FLAASH大气校正结果,右键选择Load CIR以标准假彩色合成方式加载显示;
2.在工具栏中,点击  图标或使用快捷键Alt + Z,弹出Spectral Profile面板,显示视图中心像素光谱曲线;
3.在Layer Manager中,选择辐射定标数据图层,再次点击工具栏上  图标,打开另一个Spectral Profile面板,将该面板拖动到与(2)中打开的面板便于对比的位置;
4.移动视图窗口中的定位框,选择植被覆盖较密(假彩色影像中愈红)的像元,查看大气校正前后该像元处的光谱曲线。例如:当在工具栏Go To中输入像素坐标646,1369时,所定位像元处植被前后光谱曲线如图3.8所示,可以看到FLAASH大气校正基本消除了大气的影响;
5.同理,可多查看几个不同区域植被像元大气校正前后的光谱曲线,确保结果无误。


图3.8FLAASH大气校正前后植被光谱曲线对比

3.4 图像配准(可选)

如前所述,如果下载的Hyperion L1T级数据本身位置没有偏差,那么图像配准这一步可以不做。下面操作教大家如何判断数据位置是否正确。

1.在菜单栏中,选择File > Open,在弹出的Open对话框中,选择"…\0-辅助数据"文件夹下的BaseImage_LT5.dat数据,点击打开;
注:这里用到的基准数据是Landsat TM5,Landsat L1T级系列数据是经过正射校正的,也就是说它的位置信息是准确的。这里,我们就是通过来比较Hyperion数据与对应区域TM5的位置关系来判断Hyperion数据位置是否准确。
2.在Layer Manager中,调整图层顺序如图3.9所示,然后选中BaseImage_LT5.dat图层,右键选择Display in Portal,将在视图窗口中Hyperion图像上弹出一个小窗口,显示基准影像,移动此窗口查看不同区域二者的配准情况(图3.10);



图3.9 调整后数据图层顺序

3.通过对比可以看出,本专题所用数据与基准影像位置配准较好(一个像元以内),可以不用进行配准处理。如果发现位置配准不好,可使用Geometric Correction > Registration > Image Registration Workflow工具进行自动配准。关于该工具的使用方法可以参考"201-应用专题:基于遥感的自然生态环境监测"中3.3.1节Landsat图像几何精校正部分。



图3.10对比查看Hyperion影像与基准影像的位置配准情况


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