意大利靴子品牌:ENVI下环境小卫星图像处理

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->Basic Tools->Layer Stacking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-bj.cn/ESRI/thread-83044-1-3.html。直接双击运行.sav或拷贝sav文件到ENVI安装目录的save_add目录下，启动ENVI->File->Open External File->HJ-1->HJ-1A /1B Tools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1.1 HJ-1A /1B Tools

2、精确图像配准

   相同卫星的不同CCD数据或者不同卫星的CCD数据，由于扫描时间差或者轨道偏差等原因，会出现如下图的情况（两幅HJ1B的CCD1和CCD2二级数据），重叠区不能百分百重叠。

可以使用ENVI自动配准功能进行精确配准。启动ENVI>Map>Registration>Automatic Registration: Image to Image。

(1)      分别选择基准影像（Base Image）和待校正影像（Warp Image）。同时选择相同波长的匹配波段，这里选择信息量丰富的Band4近红外波段。

(2)      由于两幅影像经过几何粗校正，拥有投影坐标系，不需要手动选择。启动Automatic Registration Parameters对话框。根据CCD图像30米分辨率等信息，设置如下图参数执行。

(3)      得到46个分布均匀的控制点，RMS误差为0.87（2次）。

(4)      执行2次多项式校正，就可以得到配准非常好的结果，如下图。

3、精确大气校正

    ENVI下的FLAASH大气校正模块直接可以对HSI高光谱数据进行精确大气校正，对于CCD数据，关键是进行数据定标和构建波谱响应函数。

(一)  传感器定标

    在CCD二级数据提供的.XML中可以得到定标公式、单位及系数，基于ENVI BandMath很容易完成定标，或者利用HJ-1A /1B Tools自动定标：

(gain1,Fielddata,L=DN/g+L0,W*m^(-2)*sr^(-1)*um^(-1))B1:g 0.5329, L0 1.6146, B2:g 0.52895, L0 4.0052, B3:g 0.68495, L0 6.2193, B4:g 0.72245, L0 2.8302。

(二)  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：http://www.cresda.com/n16/n1115/n1522/n2118/index.html。以四列数字形式提供，第一列表示波长，后面四列分别表示4个波段对应波长的波谱响应值。

在ENVI中，使用波谱曲线来描述波谱响应函数，也就是以波长作为x轴，波谱响应值作为y轴，存储格式为ENVI波谱库文件(.sli)。下面介绍ENVI中的波谱响应函数的制作。

(1)      选择Window->Start New Plot Window，ENVI Plot Window窗口中，选择File->Input Data->ASCII,如图3.12所示，自动将第一列作为X轴，后面4列作为Y轴。单击OK。

(2)      如下图3.2所示，生成了4条曲线。选择Edit->Data Parameters，更改每一条曲线的名称：b1,b2,b3,b4，便于区分。

(3)      选择File- >Save Plot As->Spectral Library，将波谱曲线保存为波谱库文件。

图3.1导入ASCII文件

图3.2 HJ-1A CCD2波谱响应函数的曲线表达

(三)  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?m?2?sr?1?μm?1，与FLAASH要求的单位（μW）/（cm2*nm*sr）相差10倍关系，因此在Radiance Scale Factors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（Sensor Altitude）：650km

    像元大小（pixel Size）：30m

l 多光谱数据参数设置

     Fileter Function File：选择前面生成的波谱响应文件。

 其它参数参考FLAASH大气校正的参数说明。

图3.3 FLAASH大气校正前后植被的波谱曲线（左：校正前，右：校正后）

      在一般的应用中，如图像分类、动态监测等，可以使用ENVI > Spectral > QUick Atmospheric Correction快速大气校正。QUAC大气校正可以自动从图像上收集不同物质的波谱信息，获取经验值完成高光谱和多光谱的快速大气校正。它得到结果的精度近似FLAASH或者其他基于辐射传输模型的+/-15%。

4、HSI高光谱数据融合

        ENVI提供CN（color normalized）：Transform > Image Sharpening > CN Spectral Sharpening，也被称为能量分离变换（Energy Subdivision Transform）可用于高光谱数据与多光谱数据的融合，如HJ-1的多光谱CCD和高光谱数据HIS。融合之后得到30米分辨率的高光谱数据