ENVI中高分五号高光谱数据处理

高分五号卫星(GF-5卫星)于2018年5月9日发射成功,是世界首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星,填补了国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白,可满足环境综合监测等方面的迫切需求,是中国实现高光谱分辨率对地观测能力的重要标志。卫星首次搭载了可见短波红外高光谱相机(Advanced HyperSpectral Imager, AHSI)、全谱段光谱成像仪(Visual and Infrared Multspectral Sensor, VIMS)、大气温室气体监测仪(Greenhouse gas Monitoring Instrument, GMI)、大气痕量气体差分吸收光谱仪(Environment  Monitoring Instrument, EMI)、大气气溶胶多角度偏振探测仪(Directional Polarization Camera, DPC)、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪(Atmospheric Infrared Ultraspectral Sounder, AIUS)共6台载荷。

  • GF-5卫星轨道参数

表:GF-5卫星轨道标称技术指标

参数

指标

轨道类型

太阳同步回归轨道

轨道高度

705km

倾角

98.203°

轨道周期

98.723

降交点地方时

13:30

回归周期

51天

偏心率

0.001

  • AHSI传感器参数

表:可见短波红外高光谱相机AHSI传感器参数

光谱范围

0.4-2.5μm,共318个通道

空间分辨率

30m

幅宽

60km

光谱分辨率

VNIR:5nm;SWIR:10nm

量化位数

12bits

  • 数据组织

高分五号地面处理系统常规流程生产L1级产品数据,AHSI载荷L1级产品为对L0级数据进行预处理、辐射校正等处理后得到的辐亮度数据。AHSI的L1级产品的主文件为GeoTiff格式,产品数据包包括Geotiff数据文件、xml说明文件、RPC参数文件、浏览图文件、覆盖矢量文件、观测几何角度文件和定标系数文件。

  • 命名规则

GF-5卫星对地观测载荷AHSI产品数据包内所有文件的名称主体部分一致,仅有后缀有所区别。文件名主体部分各个字段之间以下划线分隔,示例:

GF5_AHSI_E121.9_N42.9_20191017_000001_L10000100881

表:AHSI产品文件名字段说明表

序号

字段内容

字段格式说明

1

卫星名

GF5

2

载荷名称

可见短波红外高光谱相机(Advanced HyperSpectral Imager, AHSI)

3

中心经度

一个字母表示东西经E,W。之后为一个精确到小数点后一位的浮点数。示例:E121.9

4

中心纬度

一个字母表示南北纬S,N。之后为一个精确到小数点后一位的浮点数。示例:N42.9

5

观测日期

8位的包含年月日的日期字符串,示例:20191017

6

圈号

观测数据下传圈号

7

产品号

两个或三个字符表示产品级别,L0、L1、L2,之后为10位数字表示的唯一产品ID

  • 下载地址

目前,常用的下载地址主要有下面两个(目前仅供协议用户下载):

高分辨率对地观测系统网格平台:https://www.cheosgrid.org.cn/app/search/search.htm

陆地观测卫星数据服务:http://data.cresda.com:90/#/home

本专题以一景2019年4月23日获取的L1级高分五号AHSI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大气校正以及正射校正等操作。

1 GF5-AHSI数据处理流程

图1  AHSI L1级数据预处理流程

流程说明:

(1)      AHSI L1级数据进行过辐射校正、坏像元修复、光谱校正等处理,没有进行过系统几何校正,但通过自带的RPC等观测几何参数并借助经过地形矫正的Landsat8数据为参考影像即可完成正射校正;

(2)      通常情况下,高光谱数据普遍用于定量遥感的应用,辐射定标和大气校正为必须进行的步骤。对于个别非定量的遥感应用,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AHSI数据可以直接使用,无需进行预处理。

2详细处理过程 

2.1数据打开

常用的数据打开方式有两种。一种是对于ENVI原生支持的传感器类型,可以直接拖拽相应文件到视图窗口中打开;另一种是使用菜单栏或工具栏打开。下面我们使用的是第二种方式。

(1)    启动ENVI,同时对素材包中的GF5 AHSI原始数据文件进行解压;

(2)    通过菜单栏File -> Open As-> China Satellites -> GF-5,在弹出的对话框,选择GF5_AHSI_E125.88_N47.06_20190423_005092_L10000041791.xml文件打开数据。

2.2辐射定标

(1)    在Toolbox中,选择Radiometric Correction -> Radiometric Calibration,在弹出的Data Selection对话框中,选择AHSI高光谱数据,点击OK;

(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;

(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2  Radiometric Calibration参数设置面板

2.3大气校正

第一步:FLAASH大气校正

(1)      在Toolbox中,打开/Radiometric Correction/Atmospheric Correction Module/FLAASH Atmospheric Correction工具,弹出FLAASH Atmospheric Correction Model Input Parameters参数设置面板。

(2)      在基本参数设置面板中,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

注: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;
  •  Sensor Type:传感器类型,保持默认UNKNOWN-HSI;
  •   Sensor Altitude(km):传感器高度,705km(ENVI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。此处输入0.194,注意单位是km;
  •  Pixel Size(m):像元大小,30m;
  • Flight Date:影像获取时间,自动获取。

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位于郊区,此处选择Rural;
  •  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。此处选择2-Band(K-T);
  •   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,设置结果如图所示:

图3  FLAASH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。这里我们保持默认设置Automatic Selection即可,FLAASH自动选择通道定义,通道定义由FLAASH根据数据的光谱特征自动分配。

(1)      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;

左方参数框中的参数一般保持默认即可,对于右侧参数框中的参数:

  •   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);
  •   其他参数保持默认即可,参数设置完毕后点击OK。

至此,高级参数设置面板设置完毕,如下图所示:

图4  FLAASH大气校正高级参数设置面板

(2)      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,说明大气校正结束。

图5  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;

(4)      移动视图窗口中的定位框,选择植被覆盖较密的像元,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614,751时,所定位像元处植被前后光谱曲线如下图所示,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6  FLAASH大气校正前后植被光谱曲线对比

2.4正射校正

高分五号的AHSI L1级包括了RPC文件,在经过了辐射定标、大气校正等处理后,ENVI仍可以最大程度的保持元数据信息,会自动将RPC嵌入处理结果中(hdr头文件中)。在Layer Manager中,大气校正结果文件上点击右键选择View Metadata,打开元数据查看面板。可以看到RPC信息。下面对大气校正的结果进行RPC正射校正。

注:如果不做定量方面的应用,可以不用做辐射定标和大气校正,对打开的原始数据直接进行正射校正即可。

图 7 影像RPC信息查看选项卡

      本专题正射校正使用基于基准影像自动找点的RPC正射校正工具,学习该工具的使用。所用的参考影像为30米的Landsat8多光谱数据(1景裁剪得到),DEM使用30米的Aster GDEM V2数据。

(1) 分别打开“……\ 103-处理专题:卫星高光谱数据处理\ 02-高分五号AHSI数据处理\2-正射校正”文件夹中的参考影像LC81180272018111LGN00_mul.dat和DEM数据ASTGTM2_N47E126_dem.tif;

(2) 点击/Geometric Correction/Orthorectification/RPC Orthorectification Using Reference Image,打开基于基准影像的RPC正射校正工具;在面板上进行数据读写和参数设置:

  • Input Raster:具有RPC信息的待校正影像。选择上一步得到的大气校正结果;
  • Input Reference Raster:具有准确地理位置信息的参考影像。选择LC81180272018111LGN00_mul.dat;
  • Input DEM Raster:覆盖待校正影像区域的DEM数据。选择ASTGTM2_N47E126_dem.tif;
  • DEM Is Height Above Ellipsoid:DEM数据是否是椭球高。Aster_DEM是椭球高,选择Yes;

注:如果这里使用ENVI自带的全球900米分辨率的DEM,则按照默认No。

  • Requested Number of GCPs:100,需要采集的控制点最大数量;
  • Search Windows Size351,搜索窗口大小,理论窗口越大,找点精度越高,时间越长。
  • Output Coordinate System:可选项,如果不设置,则输出的正射校正结果是UTM WGS84坐标系的;
  • Output Pixel Size:X:30,Y:30。

注:输出像元大小为可选项,如果不设置,则输出的像元大小为根据RPC自动计算的平均像元大小,建议手动设置输出数据的分辨率。

  • Image Resampling:重采样方法,默认双线性内插Bilinear,推荐使用精度更高的Cubic Convolution;
  • Grid Spacing:像素栅格间距。保持默认10;这个值越大,校正速度越快,精度越低。
  • Output Raster:正射校正结果输出路径及文件名。软件会自动设置,可手动修改;
  • Output GCPs:控制点文件输出路径及文件名,软件会自动设置,可手动修改;

(3) 参数设置好之后,点击OK开始执行。

图8  RPC Orthorectification Using Reference Image参数设置面板

分别显示正射校正后的结果以及基准影像,打开透视窗口,进行对比查看。

图9  对比查看正射校正影像与参考影像位置配准情况

在Toolbox中,打开/Geometric Correction/Orthorectification/RPC Orthorectification Workflow工具,可以将前面自动生成的控制点文件导入,查看自动寻找的控制点精度,如本例中的GCP误差为CE95=26.88米,小于一个像素。也可手动修改GCP点。

图10  RPC Orthorectification Workflow工具

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