Hyperion L1T高光谱数据预处理 RGB 3S博客

前言

之前一篇文章介绍了一下Hyperion高光谱数据，详情：https://www.ixxin.cn/2017/01/08/hyperiondownload/,目前民用星载高光谱比较少，，今天就来介绍一下这个传感器的数据处理。数据下载方法见：https://www.ixxin.cn/2016/11/27/landsat8freedata/,USGS共提供3种级别数据可供下载，其中L1T是级别最高的，经过辐射、地形校正后的结果，如图：
三个级别

步骤

水汽吸收波段标识

正式分发的Hyperion L1级数据中下述波段已经被设置为零值（Barry，2001），这些波段也称之为坏波段（Bad Bands）。ENVI5.3.1会自动识别这些波段并作出标识,5.3以及之前版本不会标识，如图：

1-7

58-76

225-242

1、在Toolbox中，选择Raster Management > Edit ENVI Header，在弹出的File Selection对话框中选择上一步打开的数据，点击OK；
2、在Set Raster Metadata面板中，找到Bad Bands List选项，可以看到ENVI已经对零值波段做了坏波段标识。此处，我们只需要将上述水汽吸收波段添加进行即可；
3、点击右侧Add…按钮，在弹出的Add面板中，选择上述水汽吸收波段（按住Ctrl键可多选），点击OK,如图：
add bad bands
4、添加完毕后，点击ok后将会重新打开影像：
ok后
5、这样，总共有67个波段被以坏波段形式标识，原始波段数为242，最终剩余的可用波段数为175。

辐射定标

1、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；

注意：文件名务必英文字母。

2、在Toolbox搜索框中，输入FLAASH，双击筛选出的FLAASH Atmospheric Correction工具，弹出FLAASH Atmospheric Correction Model Input Parameters参数设置面板。该面板中需要设置的参数较多，我们可以大致将其分为三个部分：基本参数设置、多/高光谱参数设置和高级参数设置。
便于学习，我们又可以将基本参数设置面板大致分为上中下三部分。
上面部分主要用于设置数据输入输出：
1、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（原因：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）；
2、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；
3、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：
4、Scene Center Location：影像中心经纬度，从ENVI5.1版本开始自动读取；
5、Sensor Type：传感器类型，选择HYPERION；
6、Sensor Altitude(km)：传感器高度，705km（ENVI5.3.1默认不会自带填入，手动输入即可）；
7、Ground Elevation(km)：影像对应区域地面平均高程。该值是一个大概值，可从对应DEM数据统计获得或者借助Google Earth、ArcGIS Earth（本教程采用此方法）等地图软件获取。此处输入0.25，注意单位是km；
Pixel Size(m)：像元大小，30m；
8、Flight Date：影像获取时间，可通过View Metadata面板中Time选项卡获取。此处为2013/05/01 02:20:41。
至此，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：
9、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；
10、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；
11、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50%被城市和工业区覆盖。参考帮助文档，此处选择Urban；
12、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。此处保持默认；
13、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；
14、Spectral Polishing：光谱平滑。保持默认Yes；
15、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。
16、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3.5所示：
flaash1

.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；
17、Select Channel Definitions by：通道参数来源。对于ENVI原生支持的高光谱数据来说，此处选择Automatic Selection即可。若不是ENVI原生支持的高光谱数据，需要自定义参数文件，然后选择File导入（具体格式可参考帮助文档Select Hyperspectral Options部分）。这里我们保持默认。
.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；
18、Spectrograph Definition File：光谱仪定义文件。用于输入高光谱图像的波长校准，当基本参数设置面板中Wavelength Recalibration选择Yes时该选项激活；
左下方参数框中的参数一般保持默认即可，每个参数说明如下：
19、Aerosol Scale Height (km)：气溶胶尺度高，仅用于计算邻域散射的范围，通常在1 ~ 2km之间，默认为1.5km；
20、CO2 Mixing Ratio (ppm)：CO2混合比，2001年，该值大约为370ppm。为了获得更好的校正结果，该值设置通常比实际值大20ppm，默认为390ppm；
21、Use Square Slit Function：是否使用方缝函数。对于从平均相邻波段派生的图像来说，使用方缝函数可以更好地模拟派生波段的波谱响应。默认为No；
22、Use Adjacency Correction：是否使用邻域校正。使用邻域校正可以减弱邻近像元的散射影响，但对于低分辨率影像（如1km MODIS数据），由于其分辨率较低，几乎不存在邻域散射，该选项选择No。这里保持默认Yes；
23、Reuse MODTRAN Calculations：是否使用之前大气校正时MODTRAN模型的计算结果。对于获取条件（光照、观测角度和能见度等）相似的影像，选择Yes可以加快数据处理的速度。选择No则重新计算。每次FLAASH大气校正结束后，均会在临时目录（File > Preferences中设置）和基本参数设置面板中设置的其他文件输出目录中生成一个名为acc_modroot.fla的文件，用于保存计算结果。若选择Yes，ENVI搜索该文件的优先顺序为：输出目录 > 临时目录；
24、Modtran Resolution：控制MODTRAN模型的光谱分辨率，同时平衡模型部分计算的速度和精度。较低光谱分辨率可以得到较快速度，但牺牲了精度，对精度影响最大的区域主要在2000nm附近。若进行气溶胶反演，MODTRAN模型将运行两次，第一次运行光谱分辨率为15cm-1，第二次运行此处设置的分辨率；若不进行气溶胶反演，则只运行15cm-1。高光谱数据默认为5cm-1，多光谱数据默认为15cm-1。这里，保持默认5cm-1即可；
25、Modtran Multiscatter Model：选择MODTRAN模型使用的多散射算法。有下述三个算法可选：Isaacs、Scaled DISORT和DISORT。其中，Isaacs速度最快，DISORT精度最高（在< 1000nm范围内），Scaled DISORT比较契中，默认为Scaled DISORT； 26、Number of DISORT streams：当选择DISORT或Scaled DISORT算法时，该选项激活，有2、4、8、16四项可选。这个数量与算法估算的散射方向数有关。不推荐选择2和4，因为其在很大程度上增加计算时间时结果却几乎没有提升。对Scaled DISORT算法，增大流数对其运行速度不会有太大影响。二者默认值均为8； 27、Zenith Angle和Azimuth Angle：对于倾斜拍摄的影像，需要输入对应的天顶角和方位角。天顶角定义为光线与天顶（星下点天顶为180°）之间的夹角，方位角定义为地面观测到的传感器方位（光线与正北方向的夹角）。天顶角在90° ~ 180°之间，方位角在-180° ~ 180°之间。对于常见的传感器（非倾斜和立体）来说，可以近似为立体成像，所以此处保持默认即可； 28、Use Tiled Processing：是否采用分块处理。默认为Yes，推荐进行分块，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16G）； 29、Radiance Image：点击Spatial Subset选择处理的图像范围，默认对整幅影像进行处理。保持默认； 30、Re-define Scale Factors For Radiance Image：重新设置辐亮度图像单位转换系数。保持默认； 31、Output Reflectance Scale Factor：输出反射率数据缩放系数，默认扩大10000倍（转换为整型，节省存储空间）。保持默认； 32、Automatically Save Template File：是否保存FLAASH参数设置。选择Yes可以在运行结束后自动保存所有参数设置在指定的输出文件夹中（文件名为template.txt），与在基本参数设置面板中使用Save保存结果一致，方便以后查对、避免重新设置，保存默认； 33、Output Diagnostic Files：输出中间数据文件，包括水汽和气溶胶反演时通道的定义情况，默认为No。保持默认；所有参数设置完毕后点击OK。至此，高级参数设置面板设置完毕，如图所示： flaash2

数据结果查看

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：
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；
在工具栏中，点击图标或使用快捷键Alt + Z，弹出Spectral Profile面板，显示视图中心像素光谱曲线；
在Layer Manager中，选择辐射定标数据图层，再次点击工具栏上图标，打开另一个Spectral Profile面板，将该面板拖动到与（2）中打开的面板便于对比的位置；
移动视图窗口中的定位框，选择植被覆盖较密（假彩色影像中愈红）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646,1369时，所定位像元处植被前后光谱曲线如图3.8所示，可以看到FLAASH大气校正基本消除了大气的影响；
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，确保结果无误。
如图，左边为定标曲线，右边为大气校正后结果，地物为植被，基本符合曲线。
结果对比