環(huán)境小衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)FLAASH精確大氣校正方法

1、環(huán)境小衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)FLAASH精確大氣校正方法 環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座A、B星（簡(jiǎn)稱環(huán)境小衛(wèi)星，簡(jiǎn)寫HJ-1A /1B）于2009年3月30日開始正式交付使用，HJ-1-A星搭載了CCD相機(jī)和超光譜成像儀（HSI），HJ-1-B星搭載了CCD相機(jī)和紅外相機(jī)（IRS）。HJ-1A /1B衛(wèi)星是繼我國(guó)繼氣象、海洋、國(guó)土資源衛(wèi)星之后一個(gè)全新的民用衛(wèi)星。衛(wèi)星投入使用后，對(duì)自然災(zāi)害、生態(tài)破壞、環(huán)境污染進(jìn)行大范圍、全天候、全天時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)災(zāi)害和環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行快速和科學(xué)評(píng)估，提高災(zāi)害和環(huán)境信息的觀測(cè)、采集、傳送和處理能力，為緊急救援、災(zāi)后救助及恢復(fù)重建和環(huán)境保護(hù)工作提高科學(xué)依據(jù)。 HJ-1數(shù)據(jù)應(yīng)用

2、于自然災(zāi)害、生態(tài)環(huán)境之前，需要進(jìn)行幾何及光譜方面的預(yù)處理。ENVI在數(shù)據(jù)讀取、圖像配準(zhǔn)、精確大氣校正等方面提供了非常好的工具。1、數(shù)據(jù)讀取 目前，網(wǎng)上免費(fèi)獲取的 HJ-1A /1B衛(wèi)星CCD和HSI影像的分發(fā)的格式主要有兩種：CCD為Geotiff，每一個(gè)波段為一個(gè)Geotiff文件，并提供一個(gè)元數(shù)據(jù)說明（.XML）; HSI為HDF5格式，也提供一個(gè)元數(shù)據(jù)說明（.XML）。 CCD相機(jī)的Geotiff格式直接可以在ENVI軟件下打開，利用ENVI->Basic Tools->Layer Stacking工具將各個(gè)波段組合成一個(gè)文件輸出。HIS高光譜數(shù)據(jù)是以HDF5格式提供，安裝E

3、NVI的HDF5讀取補(bǔ)丁后直接在ENVI中打開。 更為方便的方法是直接使用HJ-1數(shù)據(jù)讀取補(bǔ)丁，下載網(wǎng)址為：。直接雙擊運(yùn)行 .sav 或拷貝 sav 文件到 ENVI安裝目錄的save_add 目錄下， 1）啟動(dòng)ENVI->File->Open External File->HJ-1->HJ-1A /1B Tools工具（下圖）。直接讀取CCD、HIS、IRS數(shù)據(jù)，輸出結(jié)果為一個(gè)多波段的ENVI標(biāo)準(zhǔn)柵格文件，并帶有中心波長(zhǎng)等信息，其中CCD數(shù)據(jù)可以直接輸出定標(biāo)結(jié)果（輻射亮度）。圖1.1 HJ-1A /1B Tools注意此步驟中Calibration 和Layer St

4、acking選項(xiàng)應(yīng)勾上。如果數(shù)據(jù)是BSQ格式的，要轉(zhuǎn)換成BIL或者BIP格式的。轉(zhuǎn)換方法2) 構(gòu)建波譜響應(yīng)函數(shù)任何傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)給出嚴(yán)格的波段響應(yīng)函數(shù)，環(huán)境小衛(wèi)星也不例外。在中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心可下載：。以四列數(shù)字形式提供，第一列表示波長(zhǎng)，后面四列分別表示4個(gè)波段對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的波譜響應(yīng)值。 選擇Window->Start New Plot Window，ENVI Plot Window窗口中，選擇File->Input Data->ASCII,如圖2所示，選擇相應(yīng)的波普響應(yīng)函數(shù)3) 選擇File- >Save Plot As->Spectral Library，將

5、波譜曲線保存為波譜庫(kù)文件。注意此處的Wavelength Units 應(yīng)選Nanometers.4）如下圖3.2所示，生成了4條曲線。選擇Edit->Data Parameters，更改每一條曲線的名稱：b1,b2,b3,b4，便于區(qū)分。2 、FLAASH大氣校正啟動(dòng)FLAASH模塊，將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)輸入，注意定標(biāo)后的單位是W/（m2*um*sr）與FLAASH要求的單位（W）/（cm2*nm*sr）相差10倍關(guān)系，因此在Radiance Scale Factors中輸入10縮放系數(shù)。其他特殊參數(shù)設(shè)置主要如下：l 一般參數(shù)設(shè)置 傳感器高度（Sensor Altitude）：650km 像元

6、大?。╬ixel Size）：30m 地面高程（）：0.05km多光譜數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置 Fileter Function File：選擇前面生成的波譜響應(yīng)文件。大氣模型（Atmospheric Model）根據(jù)經(jīng)緯度和日期來定。表1六種標(biāo)準(zhǔn)的大氣模型Latitude (°N)Jan.MarchMayJulySept.Nov.80SAWSAWSAWMLWMLWSAW70SAWSAWMLWMLWMLWSAW60MLWMLWMLWSASSASMLW50MLWMLWSASSASSASSAS40SASSASSASMLSMLSSAS30MLSMLSMLSTTMLS20TTTTTT10TTTTTT0T

7、TTTTT-10TTTTTT-20TTTMLSMLST-30MLSMLSMLSMLSMLSMLS-40SASSASSASSASSASSAS-50SASSASSASMLWMLWSAS-60MLWMLWMLWMLWMLWMLW-70MLWMLWMLWMLWMLWMLW-80MLWMLWMLWSAWMLWMLW高級(jí)設(shè)置 其它參數(shù)參考FLAASH大氣校正的參數(shù)說明。 高級(jí)設(shè)置里注意將Title Size設(shè)置成合適的值，一般設(shè)置成100-800不等，如有發(fā)現(xiàn)此類問題相關(guān)報(bào)錯(cuò)，請(qǐng)?jiān)囍{(diào)試Title Size大小和圖7中的 Image Title Size大小，一般Cache Size設(shè)置成物理內(nèi)存的一半，

8、Image Title Size大小設(shè)置成Cache Size的一半。圖 7FLAASH大氣校正常見錯(cuò)誤及解決方法FLAASH對(duì)輸入數(shù)據(jù)類型有以下幾個(gè)要求： 1、波段范圍：衛(wèi)星圖像：4002500nm，航空?qǐng)D像：860nm-1135nm。如果要執(zhí)行水汽反演，光譜分辨率<=15nm（環(huán)境小衛(wèi)星的光譜分辨率平均為5nm），且至少包含以下波段范圍中的一個(gè)： l1050-1210 nm l770-870 nm l870-1020 nm 2、像元值類型：經(jīng)過定標(biāo)后的輻射亮度（輻射率）數(shù)據(jù)，單位是：（W）/（cm2*nm*sr）。 3、數(shù)據(jù)類型：浮點(diǎn)型（Floating Point）、32位無符號(hào)整

9、型（Long Integer）、16位無符號(hào)和有符號(hào)整型（Integer、Unsigned Int)，但是最終會(huì)在導(dǎo)入數(shù)據(jù)時(shí)通過Scale Factor轉(zhuǎn)成浮點(diǎn)型的輻射亮度（W）/（cm2*nm*sr）。 4、文件類型：ENVI標(biāo)準(zhǔn)柵格格式文件，BIP或者BIL儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)。 5、中心波長(zhǎng)：數(shù)據(jù)頭文件中（或者單獨(dú)的一個(gè)文本文件）包含中心波長(zhǎng)（wavelenth）值，如果是高光譜還必須有波段寬度（FWHM），這兩個(gè)參數(shù)都可以通過編輯頭文件信息輸入（Edit Header）。運(yùn)行錯(cuò)誤1.Unable to write to this file.File or directory is invalid

10、or unavailable。 沒有設(shè)置輸出反射率文件名。 解決方法是單擊Output Reflectance File按鈕，選擇反射率數(shù)據(jù)輸出目錄及文件名，或者直接手動(dòng)輸入。2.ACC Error：convert7 IDL Error：End of input record encountered on file unit:0. 平均海拔高程太大。 注意：填寫影像所在區(qū)域的平均海拔高程的單位是km：Ground Elevation（Km）。3.ACC error：avrd: IDL error：Unable to allocate memory:to make array Not enoug

11、h space ACC_AVRD為了能處理大數(shù)據(jù)，ENVI采用分塊計(jì)算的方式，這個(gè)提示是分塊（Tile）太大了。在高級(jí)設(shè)置里面（Advanced Settings），tile size：它默認(rèn)是File-> preferences ->miscellaneous:cache的大小，這個(gè)值正常是14Mb（0背景很少的情況下）;如果0背景較多，這個(gè)值還是需要設(shè)置大一些，比如100200m。4. ACC error:avrd:No nonblank pixels found IDL error: OPENR: Error opening file. Unit: 100, 為了能處理大數(shù)據(jù)

12、，ENVI采用分塊計(jì)算的方式，當(dāng)Tile設(shè)置太小，而且有背景值（0），就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)Tile中全部為0的情況，提示這個(gè)錯(cuò)誤信息。 在高級(jí)設(shè)置里面（Advanced Settings），tile size：設(shè)置稍微大一些，如100200M等。5. ACC error:lsmooth2: IDL error: ACC_LSMOOTH2:Cannot continue with smoothing calculation ENVI的FLAASH提供領(lǐng)域糾正功能，但是MODIS、AVHRR等圖像分辨率比較低，領(lǐng)域效應(yīng)區(qū)分不出來。 解決方法是在在高級(jí)設(shè)置里面（Advanced Settings），將領(lǐng)域糾

13、正（Use Adjacency Correction）設(shè)置為No。6. ACC error:modrd5:Nonfinite numbers in coefficient array coef<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />IDL error:CDRIVER4V3R2:>>>Wait for MODTRAN4 calculation to finish<?xml:namespace prefix = v ns = &qu

14、ot;urn:schemas-microsoft-com:vml" /> 提示傳入MODTRAN模型參數(shù)有誤，常常是由于太陽(yáng)高度角太小或者太大引起的。提示這個(gè)錯(cuò)誤之前會(huì)出現(xiàn)以下提示框。解決方法是確認(rèn)填寫的影像中心位置經(jīng)緯度信息（西經(jīng)為負(fù)數(shù)、南緯為負(fù)數(shù)）、影像成像時(shí)間（格林威治時(shí)間）是否正確。7.ACC error:autochanHIS數(shù)據(jù)缺少K-T氣溶膠反演的所需的波段，因此不能使用K-T方法反演氣溶膠。8、ACC error:autochanACC_AUTOCHAN:No water absorption channels selected這種錯(cuò)誤一直沒模擬出來，一般是由于

15、水汽反演、大氣模型的選擇和飛行時(shí)間的問題，如飛行時(shí)間使用的是北京時(shí)間等。9、 ACC error:avrd IDL error:REBIN:Result dimensions must be integer factor of original dimen這個(gè)錯(cuò)位一般出現(xiàn)在你多次執(zhí)行FLAASH工程文件時(shí)，沒有重新設(shè)置輸出文件而選擇替代的時(shí)候出現(xiàn)。好的方法就是重新啟動(dòng)FLAASH和加載一次工程文件。結(jié)果錯(cuò)誤1.結(jié)果中某一個(gè)波段或者多個(gè)波段全部為0或者負(fù)值 主要產(chǎn)生的原因是輸入的輻射亮度數(shù)據(jù)值偏小。 可能有以下幾種情況： (1)在傳感器定標(biāo)的時(shí)候選擇的是表觀反射率（Reflectance）而不是

16、輻射率數(shù)據(jù)（Radiance）； (2)沒有做傳感器定標(biāo)，即沒有將DN值轉(zhuǎn)換為輻射率數(shù)據(jù)； (3)選擇了錯(cuò)誤的波譜響應(yīng)函數(shù)； (4)用BandMath做了輻射亮度的單位換算，在FLAASH中導(dǎo)入輻射亮度數(shù)據(jù)時(shí)，Scale Factor選擇的不是1.0000。2.結(jié)果中極大值、極小值非常多，也就是010000之外的值。當(dāng)選擇RGB假彩色顯示的時(shí)候，出現(xiàn)花花綠綠的情況。 輻射定標(biāo)得到的輻射率數(shù)據(jù)單位與FLAASH要求的單位不一樣。 可能有以下幾種情況： (1)用BandMath做了輻射亮度的單位換算，在FLAASH中導(dǎo)入輻射亮度數(shù)據(jù)時(shí)，Scale Factor選擇的不是1.0000。 (2)沒有做

17、單位換算。3.結(jié)果中部分像元為負(fù)值 這個(gè)屬于正常現(xiàn)象。FLAASH是采用MODTRAN輻射傳輸模型模擬成像中的大氣過程，而且很多大氣屬性都是通過圖像來估算，加上大氣組成的非均一性，即使MODTRAN4模型精度很高，也不能完全表達(dá)大氣輻射傳輸?shù)恼鎸?shí)狀況。當(dāng)影像上有強(qiáng)吸收或者高反射地物時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)部分像元為負(fù)值（如深水、高密度）或者大于10000。 解決方法可以手動(dòng)修改，如用周圍的像元的平均值代替，可以使用ENVI下的The DEM Editing Tool工具。4.結(jié)果圖像以RGB顯示比原圖像視覺效果要差，如模糊。 這個(gè)需要了解下遙感軟件RGB顯示機(jī)制。遙感軟件為了讓遙感圖像顯示更加“艷麗”，方便解譯，默認(rèn)會(huì)對(duì)圖像進(jìn)行拉伸顯示，一般是2%的線性拉伸。也就是我們常常會(huì)看到圖像值有兩個(gè)，一個(gè)是Scrn值，也就是拉伸之后的顯示值，一個(gè)是Data值，也就是原始的圖像DN值。另外一個(gè)方面，目前我們的RGB加色法顯示都是基于8bit顯示，也就是0255。 FLAASH大氣校正之后的結(jié)果是16bit的整型，而且存在一些極小、極大值，這些對(duì)直方圖整體形狀有一定的影響，影響拉伸效果。解決方法是利用ENVI下的Interactive stretching工具，選擇有效值范圍進(jìn)