EO_1Hyperion高光谱数据的预处理

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应用技术
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)
2005. 6
摘要: 针对 EO- 1 Hyper ion 高光谱遥感数据的特点, 在图像质量检 查的基础上 , 对 Hy perion 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。
Hyper ion L 1 产品从 L 0 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 L 1 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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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。Hyper-i on 的 V RIN 波段条纹较重、清楚, 且较 少; SWI R 波 段条纹 较 轻、隐约, 且较多。图 4 为波段 VN IR57 和 SW IR100 的原 始 图像, 从中可明显地看到条纹的分布。
图 2 Hyperion 数据 预处理流程
标问题。由 于 H yperion 系 统 是 推 扫 式 成 像 , 而 且 光 谱 区 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 Hyper ion 图像的 242 波段 中, 辐射 定标 的波 段为 VN IR
Han 等[ 5] 人 曾 对 Hyperion 的 L 0 级产品和 L 1 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 L 1 级产 品 上 有 的 非 正 常 像 元 在
L 0 级 产 品上 也 存 在。他 们 推 断, 可能 的原 因 是传 感 器 的定
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0 ( 编号: 2002AA 133050) 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。
8~ 57, SWI R 77~ 224, 没有定标的波段置为 0 值, 它们是 波
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 SWI R 77~ 78 的噪 音 比 V NI R 56~ 57 的 大, 通 常 保 留 V NI R 56 ~ 57, 而 删 除 SW IR 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。
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L 1 产 品 有 242 个 波 段, 1 ~ 70 为 可 见 近 红 外 波 段 ( V NIR ) , 71~ 242 为短波红外波段( SW IR) , 其中 198 个波 段 经过辐射定 标处理, 定标 的波段 分别为 V NIR 8~ 57, SWIR 77~ 224。由于 V N 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。Hyper ion 产品没有作几何纠正。
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 Hyper ion 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。
表 1 Hyperion L1 产品的特性说明
波长
波段数 像元大小 图像大小 V NIR 波段 SWIR 波段 数据类型 像元格式 Byt e Order 文件大小
356~ 2 577( nm)
242 30( m) 256 @ 6460 1 ~ 70 ( 356~ 1 058nm ) 71 ~ 242 ( 852~ 2 577nm ) 2 位有符号整型 BIL N et w ork( IEE E) 800, 427, 520( bytes)
2 Hyperion 数据产品
Hyperion 是以 推扫 方 式 获取 可 见光 - 近 红 外( V N IR, 400~ 1 000nm) 和短 波红 外 ( SW IR, 900~ 2 500nm) 光 谱 数 据。Hyper ion 产品 分 两级: Level0 和 L evel1, 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] 。
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( Earth Observing - 1 ) 是美 国 N ASA 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 L andsat 7 基本 相同, 为太阳同 步 轨道, 轨 道 高度 为 705km, 倾 角 98. 7b, 与 L andsat 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 ( A dvanced L and Imag er ) 、大气校正仪 A C( A tmospher ic Corrector ) 和高光 谱成像光谱仪 H yperion。图 1 为 EO - 1 卫星 与 L andsat 7 卫 星轨迹平面图[ 1~ 2] , EO- 1 H yperion 是第一个星载民用成像 光谱仪, 其 应用状况 得到了美国 NA SA 的高度 重视, 分别成 立了不同领域的 EO - 1Hyperion 研究科学小组。由 于 EO1 Hy perion 数据是非商 业性的 , 虽 然对 全 世界 开放, 但 获取 EO - 1 Hy perion 数据并不容易。一是其性 能价格比较高, 每 景 Hy perion 2 000美金( 180km @ 7. 5km) , 相当于 1. 48 美金/
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 Hyper ion 数 据, 处理内容和方法。
Hy perion L 1 产品 只 有一 种 数 据格 式, 即: Hierarchical Data Format( HDF ) , 波 段存储 格式为 BIL 。Hy perion L 1 产 品又分为 L 1A、L1B 和 L1R 三种。2002 年以前处 理的数 据 为 L 1A 。L1B 产品由美国 T RW 处理而成, L1R 产品由美国 U SGS 处理生成。L1A 与 L1B 和 L1R 最大的不 同在于 L 1A 产品没有纠正 V N IR 与 SW IR 之间的空 间错位问题, 而 L 1B 和 L 1R 产品中的 V NIR 波段与 SWI R 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 L 1R 产品。
明显差异的带状现象, 称条 纹;
¼由于光谱定标而产生 的光谱 差异, 称为/ Smile0 效应; ½ 水汽 影响严重, 噪音大 的波段, 称水 汽影响波段。
Hyper ion 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 .
表 2 被剔除的 Hyperion 波段
Hyperion 原始波段 波长范围( nm)
1~ 7 58~ 78 121~ 127 167~ 178 224~ 240
355~ 416 936~ 923 1 356~ 1 426 1 820~ 1 931 2 395~ 2 577
表 3 保留的 H yperion 波段
3 Hyperion 数据预处理
Hyper ion 数据预处理流程见图 2, 预处 理后得到 Hyper-i on 反射率图像。
3. 1 非正常像元的分类
Hyper ion 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; º 一
行或一列 像元 DN 值为零 或非 常小的, 称 为 坏线; » 像 元 DN 值较小但 不为 零 的、与 周 围有
Hyperion 原始波段 波长范围( nm)