资源一号02D卫星(5米光学卫星)于2019年9月12日成功发射,卫星搭载的两台相机,可有效获取115公里幅宽的9谱段多光谱数据以及60公里幅宽的166谱段高光谱数据,其中全色谱段分辨率可达2.5米、 多光谱为10米、高光谱优于30米,高光谱载荷可见近红外和短波红外光谱分辨率分别达到10纳米和20纳米。
本文档以一景L1级资源一号02DAHSI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:请访问https://www.cnblogs.com/enviidl/p/16275745.html 下载ENVI5.6安装包和许可申请工具。
1 资源一号02D卫星与数据简介
如下表为资源一号02D卫星两个载荷的主要参数。
表:资源一号02D卫星载荷主要参数
项目 |
参数 |
||
可见光/近红外相机 |
光谱范围 |
B01 |
0.452~0.902μm |
B02 |
0.452~ 0.521μm |
||
B03 |
0.522~ 0.607μm |
||
B04 |
0.635~ 0.694μm |
||
B05 |
0.776 ~ 0.895μm |
||
B06 |
0.416~ 0.452μm |
||
B07 |
0.591 ~ 0.633μm |
||
B08 |
0.708~ 0.752μm |
||
B09 |
0.871~ 1.047μm |
||
空间分辨率 |
B01 |
2.5m |
|
B0~B09 |
10m |
||
幅宽 |
115km |
||
高光谱相机 |
光谱范围 |
0.40~2.50μm 共166个谱段 |
|
空间分辨率 |
30m |
||
光谱分辨率 |
可见光-近红外 |
10nm |
|
短波红外 |
20nm |
||
幅宽 |
60km |
||
侧摆能力 |
±26° |
||
重返周期 |
3天 |
||
全球覆盖能力 |
55天 |
- L1A级数据组织
资源一号02D地面处理系统常规流程生产L1级产品数据,AHSI载荷L1A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。如下图为一景L1A级产品的文件目录,期中数据文件根据波谱分类分别存在两个tiff图像文件中。
图1资源一号02DL1A级产品的文件目录
- 命名规则
资源一号02D AHSI载荷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:
ZY1E_AHSI_E106.46_N39.27_20200612_003932_L1A0000095372
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 |
ZY1E |
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:E106.46 |
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:N39.27 |
5 |
观测日期 |
8位的包含年月日的日期字符串,示例:20200612 |
6 |
圈号 |
观测数据下传圈号,示例:003932 |
7 |
产品号 |
两个或三个字符表示产品级别, L1A之后为10位数字表示的唯一产品ID,示例:0000095372 |
2 资源一号02D-AHSI数据处理流程
图2 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文件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;
(3) 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
需要用到中国国产卫星支持工具,若已安装,可略过此步骤,建议更新至最新版工具。
推荐使用 ENVI App Store 进行 ENVI 扩展工具的下载和管理,方便随时查看和更新最新版工具。ENVI App Store 下载地址:https://envi.geoscene.cn/appstore/
或可以手动下载链接:https://pan.baidu.com/s/1miL3euk
密码:obyz
1)将下载的 Zip 文件解压到 ENVI 安装路径下(覆盖同名文件夹):
2)重启 ENVI 即可。
2.1数据打开
(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 -> ZY1-02D,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-近红外和短波红外两个图像文件打开,同时会自动将两个图像文件合并为166个波段的图像文件,连同RPC和其他元数据文件一并打开。
图3 打开L1A级资源一号02D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4 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,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,778km(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0.464,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。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);
注:需要短波红外波段。
- 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
(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。
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。
(4) 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:
(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,点击光谱曲线图标或使用快捷键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,再次点击工具栏上光谱曲线图标,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。
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
资源一号02D 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8 影像RPC信息查看选项卡
本例子使用Landsat8作为参考影像。
(1) 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;
- 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:100,需要采集的控制点最大数量;
- Search Windows Size:351,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;
(2) 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,如本例中的GCP误差为CE95=16.8米,小于一个像素。
图11 RPC Orthorectification Workflow工具