资源一号02C-PMS相机多光谱数据大气校正

资源一号02C PMS相机的多光谱数据拥有很好的空间分辨率和幅宽，包括绿色、红色和近红外波段。本文介绍利用ENVI FLAASH工具完成资源一号02C PMS多光谱图像的大气校正，主要分为以下三步：

• 数据定标
• 波谱响应函数制作
• FLAASH大气校正

  注：ENVI5.3以上的版本可以直接读取资源一号02C PMS多光谱相机的定标系数和光谱响应函数，用户可以直接对资源一号02C PMS多光谱数据进行辐射定标和大气校正FLAASH大气校正。

    本文是在ENVI5.0下和ENVI classic完成，辐射定标手动添加了定标参数，大气校正之前制作了波谱响应函数。

1 数据定标

利用绝对定标系数将DN值图像转换为辐亮度图像的公式为：

 

式中L为辐亮度，A为绝对定标系数增益，转换后辐亮度单位为W⋅m⁻²⋅sr⁻¹⋅μm⁻¹。

定标参数参照表1，来源于中国资源卫星应用中心：http://www.cresda.com/n16/n1115/n1522/n2103/index.html

注：2013年9月7号，中国资源卫星应用中心网站公布了2013版的定标参数。

表1  ZY-1 02C星PMS相机（G22，S18）的定标系数

卫星	参量	波段
		Band1（全色）	Band2	Band3	Band4
ZY-1 02C-PMS	A（DN /W×m-2×sr-1×mm-1）	1.6739	1.5175	1.5086	1.6459

进行数据定标计算时候，我们可以有两种方法选择使用：

一、Bandmath

以下是利用Bandmath工具进行定标，这种方法灵活，不过需要一个一个波段定标。

1)        有了绝对定标参数和定标公式，选择Toolbox/Band Ratio/Band Math工具很容易进行传感器定标。

2)        由于是单个波段文件的定标，选择Toolbox/Raster Management/Layer Stacking将定标后的单波段文件组合成一个多波段文件。

二、Apply Gain and Offset工具

     我们可以使用Apply Gain and Offset工具。使用这个工具前，需要计算1/A。

1)        启动Toolbox/Radiometric Correction/Apply Gain and Offset。

2)        在Gain and Offset Values中填入 增益Gain值即可。偏移Offset默认0。

3)        选择输出路径和文件名执行定标。

 

图1：Gain and Offset Values面板

计算好之后，继续执行以下步骤（原数据的储存顺序是BIP）：

(1)      选择Toolbox/Raster Management/ Edit ENVI Header ->Edit Attributes->Wavelength，将每个波段的中心波长输入——b1(555nm)，b2(660nm)，b3(830nm)

讨论：中心波长取的是波长范围的中间值，与波谱响应中反射率为1的波长不是一个值，这里需要进一步验证，因为波谱响应中近红外波段没有反射率为1的波长。 

目前为止，影像数据准备工作完成了。

2 波谱响应函数

波段响应函数，英文名为spectral response function（SRF）或者叫Relative Spectral Response (RSR) ，与宽波段传感器出现。我们知道每一个波段都有一个波段范围，比如HJ-b1(475nm)波段为520-430纳米，实际上传感器的感光元件在这个波段范围内的每一点所感应的强度都是不一样。在成像中，原则上讲应该根据波段响应函数来进行加权平均，但由于处理起来比较麻烦，而且一般的精度要求不太高，所以大多数图像都是直接取了波段范围内的中点值来运算。波段响应函数是描述一定波长范围内（超出波段范围）的量子效应，当需要精确计算像元响应时候，比如大气校正反演真实地表反射率，就需要使用波谱响应函数。

任何传感器在设计时都会给出严格的波段响应函数，ZY-1 02C也不例外。在中国资源卫星应用中心可下载：http://www.cresda.com/n16/n1115/n1522/n2118/index.html。资源一号02c和资源三号是以.xls格式提供，需要将数据拷贝到文本文件中。

如下图中为波谱响应函数数字表达的一部分，第一列表示波长，后面四列分别表示全色和3个多光谱对应波长的波谱响应值。

 

图2： 波谱响应值

在ENVI中，使用波谱曲线来描述波谱响应函数，也就是以波长作为x轴，波谱响应值作为y轴，存储格式为ENVI波谱库文件(.sli)。下面介绍ENVI classic中的波谱响应函数的制作。

(1)      选择Window->Start New Plot Window，ENVI Plot Window窗口中，选择File->Input Data->ASCII,如图3所示，自动将第一列作为X轴，后面3列作为Y轴。单击OK。

(2)      如图所示，生成了3条曲线。选择Edit->Data Parameters，更改每一条曲线的名称：b1,b2,b3，便于区分。

(3)      选择File- >Save Plot As->Spectral Library，将波谱曲线保存为波谱库文件。

 

图:3：导入ASCII文件

 

图4：波谱响应函数的曲线表达

下载制作好的波谱响应函数：http://vdisk.weibo.com/s/zrSeGYf9hiGWn

3 FLAASH大气校正

（1）      工具箱/Radiometric Correction/Atmospheric Correction Module/FLAASH Atmospheric Correction打开FLAASH大气校正模块；

（2）      点击Input Radiance Image，前面处理好的数据，在Radiance Scale Factors面板中选择Use single scale factor for all bands，由于定标的辐射量数据与FLAASH的辐射亮度的单位相差10倍，所以在此Single scale factor选择默认：10，单击OK；

  注：定标后的单位是W⋅m⁻²⋅sr⁻¹⋅μm⁻¹，与FLAASH要求的单位（μW）/（cm²*nm*sr）相差10倍关系，因此在Radiance Scale Factors中输入10缩放系数。

（3）      设置输出文件及路径设置；

（4）      传感器基本信息设置：

• 成像中心点经纬度FLAASH自动从影像中获取。
• 传感器高度（Sensor Altitude）：780.099km
• 像元大小（pixel Size）：10m
• 成像区域平均高度可以通过统计DEM数据获取
• 成像时间：，从数据头文件中读取（.XML），位置为：2012-07-26 11:34:41；减去8换算GMT时间

（5）      大气模型和气溶胶模型，根据经纬度和影像区域选择。

（6）      气溶胶反演方法选择None（缺少短波红外），能见度设置为30km。

 

图5： FLAASH大气校正参数设置

（7）      单击Multispectral Setting按钮，在Filter Function File 导入光谱响应曲线“ZY-1 02C PMS相机归一化光谱响应函数.sli”，单击OK；

（8）      单击Advanced Settings，在高级设置中

• Tile Size 默认的是Cash size 的大小，手动改为50-100Mb（根据内存大小设定），单击OK；
• 从xml文件中得到：192.274

                     0.801565。

     讨论：一般中低分辨率的影像近似天顶角：180和方位角：0，即垂直观测。ENVI FLAASH的天顶角：90-180度，方位角：-180 and 180，没有查到资源一号02C的角度说明，这里选择默认。

 

图6：大气校正高级参数设置

（9）      设置好后，在大气校正模块面板中，单击Apply。

（10）  大气校正完成后，检查大气校正的结果，分别加载校正前后的图像（选择CIR假彩色方式加载，可以更好的识别植被），查看典型地物的大气校正前后的光谱曲线。

4 总结

   从上面可以看到，对于未知的多光谱传感器的FLAASH大气校正，关键是获取波谱响应函数，而波谱响应函数一般都是公开的。类似的方法可用于资源三号的FLAASH大气校正。