ENVI中高分五号02星高光谱数据处理

标签：02 校正 大气 FLAASH 星高 RPC ENVI 面板 参数设置

高分五号02星于2021年9月7日成功发射，这颗卫星也被称为高光谱观测卫星，卫星搭载了一台60公里幅宽、330谱段、30米分辨率的可见短波红外高光谱相机（AHSI），可见近红外和短波红外光谱分辨率分别达到5纳米和10纳米。

本文档以一景L1级五号02星AHSI数据为例介绍其在ENVI5.6下（ENVI5.3.1及以上版本类似）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。

注：可访问 envi.geoscene.cn/envi_license 获取最新ENVI5.6.3软件试用。

 

1处理流程

图1   高分五号02星AHSI L1级数据预处理流程

流程说明：

• 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。对于非定量的遥感应用，比如：土地利用类型分类、目视解译等，大气校正可以不做；
• 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，通过自带的RPC文件并借助经过地形矫正的Landsat8数据为参考影像可完成正射校正；
• 大气校正和正射校正的先后顺序对结果影响较小。

3详细处理过程

请使用易智瑞公司遥感事业部开发的“中国国产卫星支持工具”高分五号02星数据。

建议使用ENVI App Store进行ENVI扩展工具的安装与管理。

ENVI App Store下载地址：envi.geoscene.cn/appstore

• 在App Store找到中国国产卫星支持工具，点击安装进行安装。
• 重启 ENVI即可。

或手动安装扩展工具： envi.geoscene.cn/china

2.1数据打开

（1）启动ENVI；

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

软件会自动将可见光-近红外（VN）和短波红外(SW)两个图像文件打开，同时会自动将两个图像文件合并为330个波段的图像文件，连同RPC和其他元数据文件一并打开。

图2 打开L1A级高分五号02星AHSI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，根据情况选择VN、SW、VNSW数据，这里选择VNSW，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3 Radiometric Calibration参数设置面板

2.3大气校正

大气校正处理分别介绍利用两种工具进行FLAASH大气校正：扩展工具FLAASH Easy-to-Use和FLAASH大气校正工具。

2.3.1 FLAASH Easy-to-Use

利用ENVI App Store安装该工具，该工具为了更方便的使用FLAASH功能特意编写易用版扩展工具，只需设置简单几个参数即可完成复杂的大气校正处理，内核还是FLAASH工具。

• 在Toolbox中，选择/Radiometric Correction/Atmospheric Correction Module/FLAASH Easy-to-Use。设置如下参数：
• Input Radiance Raster：输入辐射亮度值图像。

注：该工具对输入数据要求：

• 与FLAASH工具要求一致。辐亮度数据（最好使用Radiometric Calibration 工具定标，设置 Apply FLAASH Setting）
• 要求包含拍摄时间信息
• 要求包含波长信息
• 高光谱数据要求包含FWHM信息
• Scale Factor：辐射亮度值单位换算。
• Aerosol Model：气溶胶模型。
• 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(K-T，需要短波红外波段)，该值将作为初始值参与大气校正。
• Use Tiled Processing：是否采用分块处理。默认为Yes，如果计算机物理内存较大推荐不进行分块处理。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%，
• 点击OK执行。

图4 FLAASH Easy-to-Use参数面板

2.3.2 FLAASH大气校正工具

第一步：FLAASH大气校正

• 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。
• 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，大部分为自动获取，这里只需要设置不能自动获取参数：

• 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，注意单位是km；
• Pixel Size(m)：像元大小，30m；

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；
• 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；
• 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。本例子选择了VNSW波段，可选择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5 FLAASH大气校正基本参数设置面板

• 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。

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，如果计算机物理内存较大推荐不进行分块处理。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8G以上一般可选择）；
• 其他参数保持默认即可，参数设置完毕后点击OK。
• 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6 FLAASH大气校正结果面板

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：

• 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；
• 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；
• 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；
• 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。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；
• 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。

图7 FLAASH大气校正前后植被光谱曲线对比（左-大气校正前，右-大气校正后）

大气校正后的波谱曲线有几个波段是“断开”的，是因为Flaash大气校正后的结果会标识几个水汽影响波段为“bad bands”，实际这几个波段在原始图像中的像素值也都为0.

2.4正射校正

高分五号02星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。可选择流程化正射校正（/Geometric Correction/Orthorectification/RPC Orthorectification Workflow）或者基于参考影像正射校正（/Geometric Correction /Orthorectification/RPC Orthorectification Using Reference Image）。

    本例子使用Landsat8作为参考影像，如下图为两个数据叠加显示结果，可以看到有不小的偏差。

图8 两个数据的叠加显示（小窗口显示的为Landsat影像）

• 打开/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：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。这里选择选择覆盖该区域的Landsat8图像全色波段；
• Input DEM Raster：这里使用全球200米分辨率的DEM；
• DEM Is Height Above Ellipsoid：DEM数据是否是椭球高。这里使用全球200米分辨率的DEM，则按照默认No。
• Requested Number of GCPs：50，需要采集的控制点最大数量；
• Search Windows Size：551,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；
• 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；
• 参数设置好之后，点击OK开始执行。

注：如果有多个数据需要处理，ENVI5.6（需要单独安装Geospatial Services Framework——GSF）提供后台并行处理功能，在RPC Orthorectification Using Reference Image面板左下角点开三角形按钮点击Run Task in the Background。

图9  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10  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。

标签：02,校正,大气,FLAASH,星高,RPC,ENVI,面板,参数设置
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