HyperionL1T级高光谱数据处理

1概述

Hyperion是地球观测卫星EO-1（Earth Observing-1）携带的高光谱传感器。EO-1于2000年11月21日发射升空，在完成一年的技术验证后，至今仍超期运行，可以根据用户的请求来获取Hyperion高光谱和ALI（Advanced Land Imager）多光谱数据。其卫星轨道与Landsat7基本相同，比Landsat迟一分钟过赤道。EO-1搭载的Hyperion高光谱成像仪是目前常用的星载民用高光谱传感器，共有220个波段，波长覆盖范围为357 ~ 2567nm，光谱分辨率为10nm，其L1级产品实际上有242个波段，其中1 ~ 70为可见光近红外（V-NIR）波段，71 ~ 242为中红外（SWIR）波段。

• 传感器参数

表1.1 Hyperion传感器参数

• 数据组织

目前，Hyperion常用的数据级别为L1R和L1T。其中，L1R数据产品包括一个元数据文件（.MET），一个HDF数据集文件（.L1R），一个ENVI格式的hdr文件（.hdr），一个辅助文件（.AUX），一个美国联邦地理数据委员会标准元数据文件（.fgdc），和一个README.txt文件；L1T数据产品包括242个TIFF格式的单波段文件，一个元数据文件（.TXT）和一个README.txt文件。

• 命名规则 

  EO1SPPPRRRYYYYDDDXXXMLEO1：卫星S：传感器（A：ALI传感器，H：Hyperion传感器）PPP：条带号（WRS path）RRR：行编号（WRS row）YYYY：影像获得年份DDD：影像获得日期，儒略日X：Hyperion传感器状态（0=关，1=开）X：ALI传感器状态（0=关，1=开）X：AC传感器状态（0=关，1=开）M：模式（N：Nadir，P：Pointed within path/row，K：Pointed outside path/row）L：图像长度（F：Full scene，P：Partial scene，Q：Second partial scene，S：Swatch，另外有一些字母可能是为了保持IDs的不同）GGG：地面接收站VV：数据版本号

• 下载地址 

    目前，常用的下载地址主要有下面两个：

    地理空间数据云：[url=http://www.gscloud.cn

]http://www.gscloud.cn

[/url]    美国地质调查局：http://glovis.usgs.gov

本专题以一景2013年5月1日获取的L1T级Hyperion数据为例介绍其在ENVI下的处理流程。包括数据打开、辐射定标、FLAASH大气校正以及图像自动配准等操作。
注：关于Hyperion L1R级数据的处理可以参考博文：ENVI下Hyperion高光谱数据预处理补丁Workshop及操作。(注：搜索网站中可找到这篇博文)

2处理流程介绍



图2.1 Hyperion L1T级数据预处理流程

流程说明： 1、Hyperion L1T级数据已经做过正射校正（使用地形数据的进行几何校正），一般情况下不需要再做几何校正。如果下载的数据几何位置有偏差（可与Landsat数据对比），可以用对应区域的Landsat数据为基准对其进行配准，这就是上述流程中图像配准选做的原因；
2、对于非定量的遥感应用，比如：土地利用类型分类、目视解译等，辐射定标（非真实意义上的辐射定标）和大气校正两步也可以不做。也就是说，对这一类应用Hyperion L1T数据可以直接使用，无需进行预处理。

3 详细处理过程

3.1 数据打开

常用的数据打开方式有两种。一种是使用菜单栏或工具栏打开；对于ENVI原生支持的传感器类型，也可以直接拖拽相应文件到视图窗口中打开。下面我们使用的是第二种方式。
注：使用菜单打开数据时，不同软件版本会有些微差别。本文操作均在ENVI 5.3.1下完成。

1. 启动ENVI，同时对素材包中的Hyperion原始数据文件进行解压；
2. 打开解压后的数据文件夹，选中EO1H1230322013121110PZ_MTL_L1T.TXT文件，按住鼠标左键拖拽该文件到ENVI视图窗口中，当出现数据添加标志时（空心箭头，右下角有个小加号），松开鼠标，数据自动添加到软件中。

注：也可以通过菜单栏File > Open As > Optical Sensors > EO-1 > GeoTIFF，在弹出Open对话框，选择上述文件打开数据。
3.2 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（图3.1）。

• 1-7
• 58-76
• 225-242

图3.1 ENVI自动识别坏波段信息

此外，下述波段受水汽吸收影响比较严重（Dat et al.,2003），也需要将其以坏波段方式标识出来，以便后续处理和使用。

• 121-126
• 167-180
• 222-224

下面，我们就来标识受水汽吸收影响严重的这些波段。

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（图3.2，按住Ctrl键可多选），点击OK。

图3.2标识水汽吸收波段为坏波段

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。
3.3 辐射定标

1. 在Toolbox中，选择Radiometric Correction > Radiometric Calibration，在弹出的File Selection对话框中，选择上一步处理的数据（图3.3），点击OK；

图3.3 File Selection文件选择面板

注：从File Selection面板中可以看出，Spectral Subset自动选择为除零值和水汽吸收影响严重波段外的175个波段。 2.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；
3.设置辐射定标结果输出路径和文件名，不勾选Display result（图3.4）；
4.点击OK开始执行，定标结束后结果会自动加载到Data Manager中。



图3.4 Radiometric Calibration参数设置面板

3.3 大气校正

第一步：FLAASH大气校正

1. 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。
2. 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：

• 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）；
• 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；
• 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：

• Scene Center Location：影像中心经纬度，从ENVI5.1版本开始自动读取；
• Sensor Type：传感器类型，选择HYPERION；
• 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）；
• 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；
• 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：

• 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；
• 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；
• 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；
• 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；
• 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；
• Spectral Polishing：光谱平滑。保持默认Yes；
• 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。
• 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：


图3.5FLAASH大气校正基本参数设置面板
3.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；
• 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。

4.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；
• 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：

• 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；
• 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；
• 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；
• 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；
• 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；
• 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15cm0-1。这里，保持默认5cm-1即可；
• 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；
• 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；
• 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 &deg; ）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&deg; ~ 180&deg;之间，方位角在-180&deg; ~ 180&deg;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；
• 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）；
• 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；
• 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；
• 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；
• 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；
• 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3.6所示：


图3.6FLAASH大气校正高级参数设置面板
5.在基本参数设置面板中，点击左下角Apply按钮，弹出FLAASH Atmospheric Correction面板，显示处理进度。处理结束后，会弹出一个简单的统计面板（图3.7），说明大气校正结束。


图3.7 FLAASH大气校正结果面板

至此，大气校正结束。校正后的地表反射率数据存放在设置的Output Reflectance File路径下，其他结果文件存放在设置的Output Directory for FLAASH Files路径下。
 
第二步：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：

1. 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；
2. 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；
3. 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；
4. 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；
5. 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。

图3.8FLAASH大气校正前后植被光谱曲线对比

3.4 图像配准（可选）

如前所述，如果下载的Hyperion L1T级数据本身位置没有偏差，那么图像配准这一步可以不做。下面操作教大家如何判断数据位置是否正确。

1. 在菜单栏中，选择File > Open，在弹出的Open对话框中，选择"…\0-辅助数据"文件夹下的BaseImage_LT5.dat数据，点击打开； 注：这里用到的基准数据是Landsat TM5，Landsat L1T级系列数据是经过正射校正的，也就是说它的位置信息是准确的。这里，我们就是通过来比较Hyperion数据与对应区域TM5的位置关系来判断Hyperion数据位置是否准确。
2. 在Layer Manager中，调整图层顺序如 图3.9所示，然后选中BaseImage_LT5.dat图层，右键选择Display in Portal，将在视图窗口中Hyperion图像上弹出一个小窗口，显示基准影像，移动此窗口查看不同区域二者的配准情况（ 图3.10）；

图3.9 调整后数据图层顺序

3.通过对比可以看出，本专题所用数据与基准影像位置配准较好（一个像元以内），可以不用进行配准处理。如果发现位置配准不好，可使用
Geometric Correction > Registration > Image Registration Workflow 工具进行自动配准。关于该工具的使用方法可以参考"201-应用专题：基于遥感的自然生态环境监测"中3.3.1节Landsat图像几何精校正部分。


图3.10对比查看Hyperion影像与基准影像的位置配准情况

文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102x2y2.html