环境小卫星多光谱数据FLAASH精确大气校正方法.docx

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环境小卫星多光谱数据FLAASH精确大气校正方法

环境与灾害监测预报小卫星星座A、B星（简称环境小卫星，简写HJ-1A/1B）于2009年3月30日开始正式交付使用，HJ-1-A星搭载了CCD相机和超光谱成像仪（HSI），HJ-1-B星搭载了CCD相机和红外相机（IRS）。

HJ-1A/1B卫星是继我国继气象、海洋、国土资源卫星之后一个全新的民用卫星。

卫星投入使用后，对自然灾害、生态破坏、环境污染进行大范围、全天候、全天时的动态监测，对灾害和环境质量进行快速和科学评估，提高灾害和环境信息的观测、采集、传送和处理能力，为紧急救援、灾后救助及恢复重建和环境保护工作提高科学依据。

HJ-1数据应用于自然灾害、生态环境之前，需要进行几何及光谱方面的预处理。

ENVI在数据读取、图像配准、精确大气校正等方面提供了非常好的工具。

1、数据读取

目前，网上免费获取的HJ-1A/1B卫星CCD和HSI影像的分发的格式主要有两种：

CCD为Geotiff，每一个波段为一个Geotiff文件，并提供一个元数据说明（.XML）;HSI为HDF5格式，也提供一个元数据说明（.XML）。

CCD相机的Geotiff格式直接可以在ENVI软件下打开，利用ENVI->BasicTools->LayerStacking工具将各个波段组合成一个文件输出。

HIS高光谱数据是以HDF5格式提供，安装ENVI的HDF5读取补丁后直接在ENVI中打开。

更为方便的方法是直接使用HJ-1数据读取补丁，下载网址为：

http:

//bbs.esrichina-.sav或拷贝sav文件到ENVI安装目录的save_add目录下，

1）启动ENVI->File->OpenExternalFile->HJ-1->HJ-1A/1BTools工具（下图）。

直接读取CCD、HIS、IRS数据，输出结果为一个多波段的ENVI标准栅格文件，并带有中心波长等信息，其中CCD数据可以直接输出定标结果（辐射亮度）。

图1.1HJ-1A/1BTools

注意此步骤中Calibration和LayerStacking选项应勾上。

如果数据是BSQ格式的，要转换成BIL或者BIP格式的。

转换方法

2）构建波谱响应函数

任何传感器在设计时都会给出严格的波段响应函数，环境小卫星也不例外。

在中国资源卫星应用中心可下载：

选择Window->StartNewPlotWindow，ENVIPlotWindow窗口中，选择File->InputData->ASCII,如图2所示，选择相应的波普响应函数

3）选择File->SavePlotAs->SpectralLibrary，将波谱曲线保存为波谱库文件。

注意此处的WavelengthUnits应选Nanometers.

4）如下图3.2所示，生成了4条曲线。

选择Edit->DataParameters，更改每一条曲线的名称：

b1,b2,b3,b4，便于区分。

2、FLAASH大气校正

启动FLAASH模块，将准备好的数据输入，注意定标后的单位是W/（m2*um*sr）与FLAASH要求的单位（μW）/（cm2*nm*sr）相差10倍关系，因此在RadianceScaleFactors中输入10缩放系数。

其他特殊参数设置主要如下：

l一般参数设置

传感器高度（SensorAltitude）：

650km

像元大小（pixelSize）：

30m

地面高程（）：

0.05km

多光谱数据参数设置

FileterFunctionFile：

选择前面生成的波谱响应文件。

大气模型（AtmosphericModel）根据经纬度和日期来定。

表1六种标准的大气模型

Latitude（°N）

Jan.

March

May

July

Sept.

Nov.

SAW

MLW

SAW

MLW

SAW

MLW

SAS

MLW

SAS

MLS

SAS

MLS

-10

-20

MLS

-30

MLS

-40

SAS

-50

SAS

MLW

SAS

-60

MLW

-70

MLW

-80

MLW

SAW

MLW

高级设置

其它参数参考FLAASH大气校正的参数说明。

高级设置里注意将TitleSize设置成合适的值，一般设置成100-800不等，如有发现此类问题相关报错，请试着调试TitleSize大小和图7中的ImageTitleSize大小，一般CacheSize设置成物理内存的一半，ImageTitleSize大小设置成CacheSize的一半。

图7

FLAASH大气校正常见错误及解决方法

FLAASH对输入数据类型有以下几个要求：

1、波段范围：

卫星图像：

400－2500nm，航空图像：

860nm-1135nm。

如果要执行水汽反演，光谱分辨率<=15nm（环境小卫星的光谱分辨率平均为5nm），且至少包含以下波段范围中的一个：

l1050-1210nm

l770-870nm

l870-1020nm

2、像元值类型：

经过定标后的辐射亮度（辐射率）数据，单位是：

（μW）/（cm2*nm*sr）。

3、数据类型：

浮点型（FloatingPoint）、32位无符号整型（LongInteger）、16位无符号和有符号整型（Integer、UnsignedInt），但是最终会在导入数据时通过ScaleFactor转成浮点型的辐射亮度（μW）/（cm2*nm*sr）。

4、文件类型：

ENVI标准栅格格式文件，BIP或者BIL储存结构。

5、中心波长：

数据头文件中（或者单独的一个文本文件）包含中心波长（wavelenth）值，如果是高光谱还必须有波段宽度（FWHM），这两个参数都可以通过编辑头文件信息输入（EditHeader）。

运行错误

1.Unabletowritetothisfile.Fileordirectoryisinvalidorunavailable。

没有设置输出反射率文件名。

解决方法是单击OutputReflectanceFile按钮，选择反射率数据输出目录及文件名，或者直接手动输入。

2.ACCError：

convert7

IDLError：

Endofinputrecordencounteredonfileunit:

平均海拔高程太大。

注意：

填写影像所在区域的平均海拔高程的单位是km：

GroundElevation（Km）。

3.ACCerror：

avrd:

IDLerror：

Unabletoallocatememory:

tomakearray

Notenoughspace

ACC_AVRD

为了能处理大数据，ENVI采用分块计算的方式，这个提示是分块（Tile）太大了。

在高级设置里面（AdvancedSettings），tilesize：

它默认是File->preferences->miscellaneous:

cache的大小，这个值正常是1~4Mb（0背景很少的情况下）;如果0背景较多，这个值还是需要设置大一些，比如100~200m。

4.ACCerror:

avrd:

Nononblankpixelsfound

IDLerror:

OPENR:

Erroropeningfile.Unit:

100,

为了能处理大数据，ENVI采用分块计算的方式，当Tile设置太小，而且有背景值（0），就会出现一个Tile中全部为0的情况，提示这个错误信息。

在高级设置里面（AdvancedSettings），tilesize：

设置稍微大一些，如100~200M等。

5.ACCerror:

lsmooth2:

IDLerror:

ACC_LSMOOTH2:

Cannotcontinuewithsmoothingcalculation

ENVI的FLAASH提供领域纠正功能，但是MODIS、AVHRR等图像分辨率比较低，领域效应区分不出来。

解决方法是在在高级设置里面（AdvancedSettings），将领域纠正（UseAdjacencyCorrection）设置为No。

6.ACCerror:

modrd5:

Nonfinitenumbersincoefficientarraycoef

xml:

namespaceprefix=ons="urn:

schemas-microsoft-com:

office:

office"/>

IDLerror:

CDRIVER4V3R2:

>>>WaitforMODTRAN4calculationto

finish…

xml:

namespaceprefix=vns="urn:

schemas-microsoft-com:

vml"/>

提示传入MODTRAN模型参数有误，常常是由于太阳高度角太小或者太大引起的。

提示这个错误之前会出现以下提示框。

解决方法是确认填写的影像中心位置经纬度信息（西经为负数、南纬为负数）、影像成像时间（格林威治时间）是否正确。

7.ACCerror:

autochan

HIS数据缺少K-T气溶胶反演的所需的波段，因此不能使用K-T方法反演气溶胶。

8、ACCerror:

autochanACC_AUTOCHAN:

Nowaterabsorptionchannelsselected

这种错误一直没模拟出来，一般是由于水汽反演、大气模型的选择和飞行时间的问题，如飞行时间使用的是北京时间等。

9、ACCerror:

avrd

IDLerror:

REBIN:

Resultdimensionsmustbeintegerfactoroforiginaldimen

这个错位一般出现在你多次执行FLAASH工程文件时，没有重新设置输出文件而选择替代的时候出现。

好的方法就是重新启动FLAASH和加载一次工程文件。

结果错误

1.结果中某一个波段或者多个波段全部为0或者负值

主要产生的原因是输入的辐射亮度数据值偏小。

可能有以下几种情况：

（1）在传感器定标的时候选择的是表观反射率（Reflectance）而不是辐射率数据（Radiance）；

（2）没有做传感器定标，即没有将DN值转换为辐射率数据；

（3）选择了错误的波谱响应函数；

（4）用BandMath做了辐射亮度的单位换算，在FLAASH中导入辐射亮度数据时，ScaleFactor选择的不是1.0000。

2.结果中极大值、极小值非常多，也就是0~10000之外的值。

当选择RGB假彩色显示的时候，出现花花绿绿的情况。

辐射定标得到的辐射率数据单位与FLAASH要求的单位不一样。

可能有以下几种情况：

（1）用BandMath做了辐射亮度的单位换算，在FLAASH中导入辐射亮度数据时，ScaleFactor选择的不是1.0000。

（2）没有做单位换算。

3.结果中部分像元为负值

这个属于正常现象。

FLAASH是采用MODTRAN辐射传输模型模拟成像中的大气过程，而且很多大气属性都是通过图像来估算，加上大气组成的非均一性，即使MODTRAN4模型精度很高，也不能完全表达大气辐射传输的真实状况。

当影像上有强吸收或者高反射地物时候，就会出现部分像元为负值（如深水、高密度）或者大于10000。

解决方法可以手动修改，如用周围的像元的平均值代替，可以使用ENVI下的TheDEMEditingTool工具。

4.结果图像以RGB显示比原图像视觉效果要差，如模糊。

这个需要了解下遥感软件RGB显示机制。

遥感软件为了让遥感图像显示更加“艳丽”，方便解译，默认会对图像进行拉伸显示，一般是2%的线性拉伸。

也就是我们常常会看到图像值有两个，一个是Scrn值，也就是拉伸之后的显示值，一个是Data值，也就是原始的图像DN值。

另外一个方面，目前我们的RGB加色法显示都是基于8bit显示，也就是0~255。

FLAASH大气校正之后的结果是16bit的整型，而且存在一些极小、极大值，这些对直方图整体形状有一定的影响，影响拉伸效果。

解决方法是利用ENVI下的Interactivestretching工具，选择有效值范围进行拉伸。

还有一种情况是校正图像有很多背景值，比如经过几何校正的整景TM影像。

背景及图像边缘处的像元在大气校正之后变成负值或者0值，由于这样的像元数量多，对图像的整体拉伸影响很大。

解决方法就是将这些像元掩膜掉，如在ROITool中，利用Option->BandThresholdtoROI建立一个ROI进行图像裁剪。

5.结果图像为什么像元值大多是大于1

ENVIFLAASH考虑到数据储存和后续处理，将大气校正得到的反射率结果乘以10000变成16bit整型。

如果想让反射率结果在0~1范围，可用BandMath，表达式为b1/10000.0。

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