Hyperion高光谱数据的预处理
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高光谱遥感数据中 ,光谱范围 1 356～1 417nm、1 820～ 1 932nm 和大于 2 395nm 的波段受水汽的影响较大 ,在这些 波段中 ,极少包含地面信息 。因此 ,需把它们剔除 。对 Hype2 rion 数据 ,受水汽影响的波段为 :121～127 、167～178 和 224 , 共 20 个波段 。剔除受水汽影响的波段后 ,剩下 176 个波段 , 即 :8～57 、79～120 、128～166 、179～223 。被剔除波段和保 留波段及其波长范围分别见表 2 和表 3 。
B IL Network ( IEEE) 800 ,427 ,520 (bytes)
Hyperion L1 产品只有一种数据格式 , 即 : Hierarchical Data Format ( HDF) , 波段存储格式为 B IL 。Hyperion L1 产 品又分为 L1A 、L1B 和 L1R 三种 。2002 年以前处理的数据 为 L1A 。L1B 产品由美国 TRW 处理而成 ,L1R 产品由美国 USGS 处理生成 。L1A 与 L1B 和 L1R 最大的不同在于 L1A 产品没有纠正 VN IR 与 SWIR 之间的空间错位问题 ,而 L1B
关键词 :高光谱 ;遥感 ; EO - 1 ; Hyperion ;大气纠正 中图分类号 : P237. 3 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 - 3177 (2005) 82 - 0036 - 06
1 引 言
EO - 1 ( Eart h Observing - 1 ) 是美国 NASA 面向 21 世 纪为接替 Landsat 7 而研制的一新型地球观测卫星 ,于 2000 年 11 月 21 日发射升空 。EO - 1 卫星轨道与 Landsat 7 基本 相同 ,为太阳同步轨道 ,轨道高度为 705km ,倾角 98. 7°,与 Landsat 7 相隔 50km ,比 Landsat 7 差一分钟过赤道 。EO - 1 上搭载 了 3 种 传 感 器 , 即 高 级 陆 地 成 像 仪 AL I ( Advanced Land Imager) 、大气校正仪 AC(Atmosp heric Corrector) 和高光 谱成像光谱仪 Hyperion 。图 1 为 EO - 1 卫星与 Landsat 7 卫 星轨迹平面图[1～2 ] , EO - 1 Hyperion 是第一个星载民用成像 光谱仪 ,其应用状况得到了美国 NASA 的高度重视 ,分别成 立了不同领域的 EO - 1 Hyperion 研究科学小组 。由于 EO 1 Hyperion 数据是非商业性的 ,虽然对全世界开放 ,但获取 EO - 1 Hyperion 数据并不容易 。一是其性能价格比较高 ,每 景 Hyperion 2 000美金 (180km ×7. 5km) ,相当于 1. 48 美金/
在分析应用 Hyperion 数据时 ,必须将像元值转换为绝对 辐射值 。首先 ,所有 VN IR 波段除以 40 ,生成一个新图像文 件 ,所有 SWIR 波段除以 80 ,生成另一个新图像文件 ;然后 , 将两个图像文件合并 ,得到绝对辐射值图像 。
3. 2. 3 坏线的修复 由于传感器的标定还存在一定的错误 ,在 Hyperion 的 L1 级产品中 ,仍然存在不正常的数据 。通常将无数据或数 据值非常小的一行或一列成为坏线 。对 176 个波段的 Hype2 rion 图像进行逐波段的检查 ,并记录有坏线存在的波段和对 应的列号 ,检查结果见表 4 。然后 ,用其相邻行或列的平均值 修复 ,坏线修复前后的图像比较见图 3 。 3. 2. 4 垂直条纹的去除 Hyperion 传感器是推扫型成像光谱仪 ,面阵 CCD 器件 上的上万个探测元件的标定很困难 ,致使 Hyperion 图像除了 坏线之外 ,多数波段都不同程度地存在许多条纹 ,尤其 SWIR 波段 。条纹的像元 DN 值一般较小 ,但不为零 。条纹的存在
表 2 被剔除的 Hyperion 波段
Hyperion 原始波段
1～7 58～78 121～127 167～1ห้องสมุดไป่ตู้8 224～240
波长范围 (nm)
355～416 936～923 1 356～1 426 1 820～1 931 2 395～2 577
表 3 保留的 Hyperion 波段
Hyperion 原始波段
表 4 Hyperion 图像坏线的检查结果
波段号
列号
波段号
列号
8- 9 10 - 11 12 - 26 27 - 28 29 - 35 32 39
1 ,6 ,68 ,114 1 ,6 ,114 ,199 1 ,114 47 ,114 1 ,114 1 ,114 177
77 - 224 94 99 116 119 - 120 124 190 200 - 201
VN IR 和 SWIR 分 别 由 两 个 传 感 器 获 取 数 据 , 因 此 , 面 阵
CCD 器件上的上万个探测元件的定标很困难 。
3. 2 非正常像元的纠正
3. 2. 1 未标定及水气影响波段的去除
Hyperion 图像的 242 波段中 ,辐射定标的波段为 VN IR
8～57 , SWIR 77～224 ,没有定标的波段置为 0 值 ,它们是波
值较小但不为零的 、与周围有
明显差异的带状现象 ,称条纹 ;
④由于光谱定标而产生的光谱
差异 ,称为“Smile”效应 ; ⑤水汽
影响严重 ,噪音大的波段 ,称水
汽影响波段 。
Hyperion 图像上非正常像
元产生的因素很多 ,可能有传
感器问题 、数据转换过程出错 、
不适当的数据纠正等原因 。T.
Han 等[5 ] 人 曾 对 Hyperion 的
表 1 Hyperion L1 产品的特性说明
波长
356～2 577 (nm)
波段数 像元大小 图像大小 VN IR 波段 SWIR 波段 数据类型 像元格式
Byte Order 文件大小
242 30 ( m) 256 ×6460 1 ～70 ( 356～1 058nm) 71 ～ 242 (852～2 577nm) 2 位有符号整型
图 1 EO - 1 卫星与 Landsat 7 卫星轨迹平面图
km2 。二是此数据需要编程订购 ,时间较长 。因此 ,在国内 开展 EO - 1 Hyperion 数据的应用研究较少 。
本单位通过国际合作获取了一景 Hyperion 数据 ,本文 着重阐述了 EO - 1 Hyperion 数据的预处理内容和方法 。
8～57 79～120 128～166 179～223 总计 :176
波长范围 (nm)
426～926 933～1 346 1 427～1 810 1 942～2 385
3. 2. 2 像元值到绝对辐射值的转换 Hyperion 的 L1 产品数据集 ,以有符号的整型数据记录 ,
数值范围为 - 32 767～ + 32 767 。但是 ,实际上的地物辐射 值很小 ,VN IR 的最大辐射为 750 W/ m2/ sr/μm , SWIR 的为 350 W/ m2/ sr/μm 。因 此 , 产 品 生 成 时 , 采 用 了 扩 大 因 子 , VN IR 和 SWIR 的因子系数分别为 40 和 80[4 ] 。
Hyperion L1 产品从 L0 数据经过一系列处理生成 ,包括 斑点去除 、回波纠正 、背景去除 、辐射纠正 、坏像元恢复以及 图像质量检查等过程 。一旦 L1 数据集生成 ,应该不再有坏 像元或条纹等误差存在 。但是 ,实际上不正常的像元仍然存 在 ,在进行图像应用之前 ,必须将不正常的像元识别出来并 加以纠正[5 ] 。
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2005. 6 应用技术 遥感信息
L1 产 品 有 242 个 波 段 , 1 ～ 70 为 可 见 近 红 外 波 段 (VN IR) ,71～242 为短波红外波段 (SWIR) ,其中 198 个波段 经过辐射定标处理 ,定标的波段分别为 VN IR 8～57 ,SWIR 77～224 。由于 VN IR56～57 与 SWIR77～78 的重叠 ,实际 上只有 196 个独立的波段 。没有定标的波段置为 0 值 。Hy2 perion 产品没有作几何纠正 。
L0 级产品和 L1 级产品进行了
比较 ,发现图像上非正常像元
不是由 L0 级产品到 L1 级产品
生产过程中产生的 ,因为在 L1
级产 品 上 有 的 非 正 常 像 元 在
L0 级产品上也 存 在 。他 们 推 断 ,可能的原因是传感器的定
图 2 Hyperion 数据 预处理流程
标问题 。由 于 Hyperion 系 统 是 推 扫 式 成 像 , 而 且 光 谱 区
2 Hyperion 数据产品
Hyperion 是以推扫方式获取可见光 - 近红外 ( VN IR , 400～1 000nm) 和短波红外 ( SWIR ,900～2 500nm) 光谱数 据 。Hyperion 产品分两级 : Level0 和 Level1 ,L0 是原始数 据 ,仅用来生产成 L1 产品 。用户所使用的是 L1 产品 ,其特 性见表 1[4 ] 。
37
遥感信息 应用技术 2005. 6
严重影响了图像的质量和图像的应用 。在上述处理后保留 的 176 个波段中 ,有不同程度条纹的波段达近百个 。Hyperi2 on 的 VRIN 波段条纹较重 、清楚 ,且较少 ; SWIR 波段条纹较 轻 、隐约 ,且较多 。图 4 为波段 VN IR57 和 SWIR100 的原始 图像 ,从中可明显地看到条纹的分布 。
和 L1R 产品中的 VN IR 波段与 SWIR 波段之间的空间位置 是经过纠正的 ,用户无需再进行匹配 。本研究所用数据为
L1R 产品 。
收稿日期 :2005 - 03 - 10 修订日期 :2005 - 07 - 07 基金项目 :国家 863 课题“遥感数据森林资源定量应用”(编号 :2002AA133050) 资助 。 作者简介 :谭炳香 (1966～) , 女 ,山东昌邑人 ,副研究员 ,硕士 ,主要研究领域 :林业与环境资源遥感应用 。
3 Hyperion 数据预处理
Hyperion 数据预处理流程见图 2 ,预处理后得到 Hyperi2
on 反射率图像 。
3. 1 非正常像元的分类
Hyperion 图像上非正常像
元大致分为 5 类 : ①像元值为
零的波段 ,称未定标波段 ; ②一
行或一列像元 DN 值为零或非
常小的 ,称为坏线 ; ③像元 DN
段 1～7 、58～76 、225～242 。将定标波段提取出来生成一幅
198 个波段的图像 。 由于 VN IR 的波段 56～57 和 SWIR 的波段 77～78 重
叠 ,实际上只有 196 个独立的波段 ,且 SWIR 77～78 的噪音 比 VN IR 56 ～ 57 的 大 , 通 常 保 留 VN IR 56 ～ 57 , 而 删 除 SWIR 77～78 。这样 ,生成一幅 196 个波段的图像 ,其对应原 始波段为 8～57 和 79～224 。
遥感信息 应用技术 2005. 6
EO - 1 Hyperion 高光谱数据的预处理
谭炳香 ,李增元 ,陈尔学 ,庞勇
(中国林科院资源信息所 ,北京 100091)
摘要 :针对 EO - 1 Hyperion 高光谱遥感数据的特点 ,在图像质量检查的基础上 ,对 Hyperion 图像进行了未定标和受水汽 影响波段的去除 、坏线修复 、条纹去除 、Smile 效应降低 、大气纠正等预处理 ,获得了较好质量的图像 ,为图像的进一步分析和 实际应用提供了保障 。结果表明图像大气纠正后光谱优化处理能进一步提高图像的质量 。
B IL Network ( IEEE) 800 ,427 ,520 (bytes)
Hyperion L1 产品只有一种数据格式 , 即 : Hierarchical Data Format ( HDF) , 波段存储格式为 B IL 。Hyperion L1 产 品又分为 L1A 、L1B 和 L1R 三种 。2002 年以前处理的数据 为 L1A 。L1B 产品由美国 TRW 处理而成 ,L1R 产品由美国 USGS 处理生成 。L1A 与 L1B 和 L1R 最大的不同在于 L1A 产品没有纠正 VN IR 与 SWIR 之间的空间错位问题 ,而 L1B
关键词 :高光谱 ;遥感 ; EO - 1 ; Hyperion ;大气纠正 中图分类号 : P237. 3 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 - 3177 (2005) 82 - 0036 - 06
1 引 言
EO - 1 ( Eart h Observing - 1 ) 是美国 NASA 面向 21 世 纪为接替 Landsat 7 而研制的一新型地球观测卫星 ,于 2000 年 11 月 21 日发射升空 。EO - 1 卫星轨道与 Landsat 7 基本 相同 ,为太阳同步轨道 ,轨道高度为 705km ,倾角 98. 7°,与 Landsat 7 相隔 50km ,比 Landsat 7 差一分钟过赤道 。EO - 1 上搭载 了 3 种 传 感 器 , 即 高 级 陆 地 成 像 仪 AL I ( Advanced Land Imager) 、大气校正仪 AC(Atmosp heric Corrector) 和高光 谱成像光谱仪 Hyperion 。图 1 为 EO - 1 卫星与 Landsat 7 卫 星轨迹平面图[1～2 ] , EO - 1 Hyperion 是第一个星载民用成像 光谱仪 ,其应用状况得到了美国 NASA 的高度重视 ,分别成 立了不同领域的 EO - 1 Hyperion 研究科学小组 。由于 EO 1 Hyperion 数据是非商业性的 ,虽然对全世界开放 ,但获取 EO - 1 Hyperion 数据并不容易 。一是其性能价格比较高 ,每 景 Hyperion 2 000美金 (180km ×7. 5km) ,相当于 1. 48 美金/
在分析应用 Hyperion 数据时 ,必须将像元值转换为绝对 辐射值 。首先 ,所有 VN IR 波段除以 40 ,生成一个新图像文 件 ,所有 SWIR 波段除以 80 ,生成另一个新图像文件 ;然后 , 将两个图像文件合并 ,得到绝对辐射值图像 。
3. 2. 3 坏线的修复 由于传感器的标定还存在一定的错误 ,在 Hyperion 的 L1 级产品中 ,仍然存在不正常的数据 。通常将无数据或数 据值非常小的一行或一列成为坏线 。对 176 个波段的 Hype2 rion 图像进行逐波段的检查 ,并记录有坏线存在的波段和对 应的列号 ,检查结果见表 4 。然后 ,用其相邻行或列的平均值 修复 ,坏线修复前后的图像比较见图 3 。 3. 2. 4 垂直条纹的去除 Hyperion 传感器是推扫型成像光谱仪 ,面阵 CCD 器件 上的上万个探测元件的标定很困难 ,致使 Hyperion 图像除了 坏线之外 ,多数波段都不同程度地存在许多条纹 ,尤其 SWIR 波段 。条纹的像元 DN 值一般较小 ,但不为零 。条纹的存在
表 2 被剔除的 Hyperion 波段
Hyperion 原始波段
1～7 58～78 121～127 167～1ห้องสมุดไป่ตู้8 224～240
波长范围 (nm)
355～416 936～923 1 356～1 426 1 820～1 931 2 395～2 577
表 3 保留的 Hyperion 波段
Hyperion 原始波段
表 4 Hyperion 图像坏线的检查结果
波段号
列号
波段号
列号
8- 9 10 - 11 12 - 26 27 - 28 29 - 35 32 39
1 ,6 ,68 ,114 1 ,6 ,114 ,199 1 ,114 47 ,114 1 ,114 1 ,114 177
77 - 224 94 99 116 119 - 120 124 190 200 - 201
VN IR 和 SWIR 分 别 由 两 个 传 感 器 获 取 数 据 , 因 此 , 面 阵
CCD 器件上的上万个探测元件的定标很困难 。
3. 2 非正常像元的纠正
3. 2. 1 未标定及水气影响波段的去除
Hyperion 图像的 242 波段中 ,辐射定标的波段为 VN IR
8～57 , SWIR 77～224 ,没有定标的波段置为 0 值 ,它们是波
值较小但不为零的 、与周围有
明显差异的带状现象 ,称条纹 ;
④由于光谱定标而产生的光谱
差异 ,称为“Smile”效应 ; ⑤水汽
影响严重 ,噪音大的波段 ,称水
汽影响波段 。
Hyperion 图像上非正常像
元产生的因素很多 ,可能有传
感器问题 、数据转换过程出错 、
不适当的数据纠正等原因 。T.
Han 等[5 ] 人 曾 对 Hyperion 的
表 1 Hyperion L1 产品的特性说明
波长
356～2 577 (nm)
波段数 像元大小 图像大小 VN IR 波段 SWIR 波段 数据类型 像元格式
Byte Order 文件大小
242 30 ( m) 256 ×6460 1 ～70 ( 356～1 058nm) 71 ～ 242 (852～2 577nm) 2 位有符号整型
图 1 EO - 1 卫星与 Landsat 7 卫星轨迹平面图
km2 。二是此数据需要编程订购 ,时间较长 。因此 ,在国内 开展 EO - 1 Hyperion 数据的应用研究较少 。
本单位通过国际合作获取了一景 Hyperion 数据 ,本文 着重阐述了 EO - 1 Hyperion 数据的预处理内容和方法 。
8～57 79～120 128～166 179～223 总计 :176
波长范围 (nm)
426～926 933～1 346 1 427～1 810 1 942～2 385
3. 2. 2 像元值到绝对辐射值的转换 Hyperion 的 L1 产品数据集 ,以有符号的整型数据记录 ,
数值范围为 - 32 767～ + 32 767 。但是 ,实际上的地物辐射 值很小 ,VN IR 的最大辐射为 750 W/ m2/ sr/μm , SWIR 的为 350 W/ m2/ sr/μm 。因 此 , 产 品 生 成 时 , 采 用 了 扩 大 因 子 , VN IR 和 SWIR 的因子系数分别为 40 和 80[4 ] 。
Hyperion L1 产品从 L0 数据经过一系列处理生成 ,包括 斑点去除 、回波纠正 、背景去除 、辐射纠正 、坏像元恢复以及 图像质量检查等过程 。一旦 L1 数据集生成 ,应该不再有坏 像元或条纹等误差存在 。但是 ,实际上不正常的像元仍然存 在 ,在进行图像应用之前 ,必须将不正常的像元识别出来并 加以纠正[5 ] 。
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2005. 6 应用技术 遥感信息
L1 产 品 有 242 个 波 段 , 1 ～ 70 为 可 见 近 红 外 波 段 (VN IR) ,71～242 为短波红外波段 (SWIR) ,其中 198 个波段 经过辐射定标处理 ,定标的波段分别为 VN IR 8～57 ,SWIR 77～224 。由于 VN IR56～57 与 SWIR77～78 的重叠 ,实际 上只有 196 个独立的波段 。没有定标的波段置为 0 值 。Hy2 perion 产品没有作几何纠正 。
L0 级产品和 L1 级产品进行了
比较 ,发现图像上非正常像元
不是由 L0 级产品到 L1 级产品
生产过程中产生的 ,因为在 L1
级产 品 上 有 的 非 正 常 像 元 在
L0 级产品上也 存 在 。他 们 推 断 ,可能的原因是传感器的定
图 2 Hyperion 数据 预处理流程
标问题 。由 于 Hyperion 系 统 是 推 扫 式 成 像 , 而 且 光 谱 区
2 Hyperion 数据产品
Hyperion 是以推扫方式获取可见光 - 近红外 ( VN IR , 400～1 000nm) 和短波红外 ( SWIR ,900～2 500nm) 光谱数 据 。Hyperion 产品分两级 : Level0 和 Level1 ,L0 是原始数 据 ,仅用来生产成 L1 产品 。用户所使用的是 L1 产品 ,其特 性见表 1[4 ] 。
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遥感信息 应用技术 2005. 6
严重影响了图像的质量和图像的应用 。在上述处理后保留 的 176 个波段中 ,有不同程度条纹的波段达近百个 。Hyperi2 on 的 VRIN 波段条纹较重 、清楚 ,且较少 ; SWIR 波段条纹较 轻 、隐约 ,且较多 。图 4 为波段 VN IR57 和 SWIR100 的原始 图像 ,从中可明显地看到条纹的分布 。
和 L1R 产品中的 VN IR 波段与 SWIR 波段之间的空间位置 是经过纠正的 ,用户无需再进行匹配 。本研究所用数据为
L1R 产品 。
收稿日期 :2005 - 03 - 10 修订日期 :2005 - 07 - 07 基金项目 :国家 863 课题“遥感数据森林资源定量应用”(编号 :2002AA133050) 资助 。 作者简介 :谭炳香 (1966～) , 女 ,山东昌邑人 ,副研究员 ,硕士 ,主要研究领域 :林业与环境资源遥感应用 。
3 Hyperion 数据预处理
Hyperion 数据预处理流程见图 2 ,预处理后得到 Hyperi2
on 反射率图像 。
3. 1 非正常像元的分类
Hyperion 图像上非正常像
元大致分为 5 类 : ①像元值为
零的波段 ,称未定标波段 ; ②一
行或一列像元 DN 值为零或非
常小的 ,称为坏线 ; ③像元 DN
段 1～7 、58～76 、225～242 。将定标波段提取出来生成一幅
198 个波段的图像 。 由于 VN IR 的波段 56～57 和 SWIR 的波段 77～78 重
叠 ,实际上只有 196 个独立的波段 ,且 SWIR 77～78 的噪音 比 VN IR 56 ～ 57 的 大 , 通 常 保 留 VN IR 56 ～ 57 , 而 删 除 SWIR 77～78 。这样 ,生成一幅 196 个波段的图像 ,其对应原 始波段为 8～57 和 79～224 。
遥感信息 应用技术 2005. 6
EO - 1 Hyperion 高光谱数据的预处理
谭炳香 ,李增元 ,陈尔学 ,庞勇
(中国林科院资源信息所 ,北京 100091)
摘要 :针对 EO - 1 Hyperion 高光谱遥感数据的特点 ,在图像质量检查的基础上 ,对 Hyperion 图像进行了未定标和受水汽 影响波段的去除 、坏线修复 、条纹去除 、Smile 效应降低 、大气纠正等预处理 ,获得了较好质量的图像 ,为图像的进一步分析和 实际应用提供了保障 。结果表明图像大气纠正后光谱优化处理能进一步提高图像的质量 。