环境小卫星CCD数据（资源一号、三号）的大气校正（ENVI5.0及之后版本）
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2016-06-21
国产卫星技术越来越成熟，使用范围也越来越广。包括环境小卫星和资源卫星都拥有多光谱传感器，常用于定量遥感。本文介绍利用ENVI FLAASH工具完成环境小卫星CCD数据（资源卫星类似）的大气校正，主要分为以下三步：
注：本文是在ENVI5.0下和ENVI classic完成，其他版本基本类似。
1 数据定标
这里有两种方法：手动定标和扩展工具定标。
一、 手动定标
这种方法可以帮忙我们理解定标的过程。
环境小卫星的CCD相机，利用绝对定标系数将DN值图像转换为辐亮度图像的公式为：
L=DN/a + L0
式中L为辐亮度，a为绝对定标系数增益，L0为偏移量，转换后辐亮度单位为W⋅m−2⋅sr−1⋅μm−1。
定标系数和公式直接可以从元数据文件（.xml）中找到如下列：
(gain1,Fielddata,L=DN/g+L0,W*m^(-2)*sr^(-1)*um^(-1))B1:g 0.5782, L0 3.4608, B2:g 0.5087, L0 5.8769, B3:g 0.6825, L0 8.0069, B4:g 0.6468, L0 8.8583
也可以参照表1所示。
注：2013年9月7号，中国资源卫星应用中心网站公布了2013版的定标参数。
表1 HJ1A/B星CCD绝对辐射定标系数
注：增益1的定标系数是通过实验室定标系数得到的，增益2状态的定标系数为场地替代定标获取。
(1) 有了绝对定标参数和定标公式，选择Toolbox/Band Ratio/Band Math工具很容易进行传感器定标。
(2) 由于是单个波段文件的定标，选择Toolbox//Raster Management/Layer Stacking将定标后的单波段文件组合成一个多波段文件。
(3) 选择Toolbox/Raster Management/Convert Interleave，将定标后的文件转换为BIL格式文件。
(4) 选择Toolbox/Raster Management/ Edit ENVI Header ->Edit Attributes->Wavelength，将每个波段的中心波长输入——b1(475nm)，b2(560nm)，b3(660nm)，b4(830nm)
二、 扩展工具定标
扩展工具使用说明及下载：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d010195ej.html
(1) 该工具使用非常简单，如下图所示界面，选择输入 .XML文件即可得到定标、波段合成后的结果。
(2) 选择Toolbox/Raster Management/Convert Interleave，将定标后的文件转换为BIL格式文件。
图1：HJ-1A/1B Tools
目前为止，影像数据准备工作完成了。
2 波谱响应函数
波段响应函数，英文名为spectral response function（SRF）或者叫Relative Spectral Response (RSR) ，与宽波段传感器出现。我们知道每一个波段都有一个波段范围，比如HJ-b1(475nm)波段为520-430纳米，实际上传感器的感光元件在这个波段范围内的每一点所感应的强度都是不一样。在成像中，原则上讲应该根据波段响应函数来进行加权平均，但由于处理起来比较麻烦，而且一般的精度要求不太高，所以大多数图像都是直接取了波段范围内的中点值来运算。波段响应函数是描述一定波长范围内（超出波段范围）的量子效应，当需要精确计算像元响应时候，比如大气校正反演真实地表反射率，就需要使用波谱响应函数。
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，还包括资源一号02c和资源三号等国产卫星的波谱响应函数。如下图中为波谱响应函数数字表达的一部分，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。
图2： 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 classic中的波谱响应函数的制作。
ENVI5.1中的操作参考：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0101eg11.html
(一) 选择Window->Start New Plot Window，ENVI Plot Window窗口中，选择File->Input Data->ASCII,如图2所示，自动将第一列作为X轴，后面4列作为Y轴。单击OK。
(二) 如图:4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。
(三) 选择File- >Save Plot As->Spectral Library，将波谱曲线保存为波谱库文件。
图:3：导入ASCII文件
图4：波谱响应函数的曲线表达
3 FLAASH大气校正
（1） 工具箱/Radiometric Correction/Atmospheric Correction Module/FLAASH Atmospheric Correction打开FLAASH大气校正模块；
（2） 点击Input Radiance Image，选择BIL格式的环境小卫星数据，在Radiance Scale Factors面板中选择Use single scale factor for all bands，由于定标的辐射量数据与FLAASH的辐射亮度的单位相差10倍，所以在此Single scale factor选择默认：10，单击OK；
注：定标后的单位是W⋅m<sup>−2</sup>⋅sr<sup>−1</sup>⋅μm<sup>−1</sup>，与FLAASH要求的单位（μW）/（cm<sup>2</sup>*nm*sr）相差10倍关系，因此在Radiance Scale Factors中输入10缩放系数。
（3） 设置输出文件及路径设置；
（4） 传感器基本信息设置：
（5） 大气模型和气溶胶模型，根据经纬度和影像区域选择
（6） 气溶胶反演方法选择None（缺少短波红外），能见度设置为40km。
图5： FLAASH大气校正参数设置
（7） 单击Multispectral Setting按钮，在Filter Function File 导入光谱响应曲线“环境1A星CCD2光谱响应.sli”，单击OK；
（8） 单击Advanced Settings，在高级设置中，Tile Size 默认的是Cash size 的大小，手动改为50-100Mb（根据内存大小设定），单击OK；
图6：大气校正高级参数设置
（9） 设置好后，在大气校正模块面板中，单击Apply。
（10）大气校正完成后，检查大气校正的结果，分别加载校正前后的图像（选择CIR假彩色方式加载，可以更好的识别植被），查看典型地物的大气校正前后的光谱曲线。
4 总结
从上面可以看到，对于未知的多光谱传感器的FLAASH大气校正，关键是获取波谱响应函数，而波谱响应函数一般都是公开的。类似的方法可用于资源三号、资源一号02C的FLAASH大气校正。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d01019emt.html
- 数据定标
- 波谱响应函数制作
- 环境小卫星FLAASH大气校正
注：本文是在ENVI5.0下和ENVI classic完成，其他版本基本类似。
1 数据定标
这里有两种方法：手动定标和扩展工具定标。
一、 手动定标
这种方法可以帮忙我们理解定标的过程。
环境小卫星的CCD相机，利用绝对定标系数将DN值图像转换为辐亮度图像的公式为：
L=DN/a + L0
式中L为辐亮度，a为绝对定标系数增益，L0为偏移量，转换后辐亮度单位为W⋅m−2⋅sr−1⋅μm−1。
定标系数和公式直接可以从元数据文件（.xml）中找到如下列：
(gain1,Fielddata,L=DN/g+L0,W*m^(-2)*sr^(-1)*um^(-1))B1:g 0.5782, L0 3.4608, B2:g 0.5087, L0 5.8769, B3:g 0.6825, L0 8.0069, B4:g 0.6468, L0 8.8583
也可以参照表1所示。
注：2013年9月7号，中国资源卫星应用中心网站公布了2013版的定标参数。
表1 HJ1A/B星CCD绝对辐射定标系数
注：增益1的定标系数是通过实验室定标系数得到的，增益2状态的定标系数为场地替代定标获取。
(1) 有了绝对定标参数和定标公式，选择Toolbox/Band Ratio/Band Math工具很容易进行传感器定标。
(2) 由于是单个波段文件的定标，选择Toolbox//Raster Management/Layer Stacking将定标后的单波段文件组合成一个多波段文件。
(3) 选择Toolbox/Raster Management/Convert Interleave，将定标后的文件转换为BIL格式文件。
(4) 选择Toolbox/Raster Management/ Edit ENVI Header ->Edit Attributes->Wavelength，将每个波段的中心波长输入——b1(475nm)，b2(560nm)，b3(660nm)，b4(830nm)
二、 扩展工具定标
扩展工具使用说明及下载：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d010195ej.html
(1) 该工具使用非常简单，如下图所示界面，选择输入 .XML文件即可得到定标、波段合成后的结果。
(2) 选择Toolbox/Raster Management/Convert Interleave，将定标后的文件转换为BIL格式文件。
目前为止，影像数据准备工作完成了。
2 波谱响应函数
波段响应函数，英文名为spectral response function（SRF）或者叫Relative Spectral Response (RSR) ，与宽波段传感器出现。我们知道每一个波段都有一个波段范围，比如HJ-b1(475nm)波段为520-430纳米，实际上传感器的感光元件在这个波段范围内的每一点所感应的强度都是不一样。在成像中，原则上讲应该根据波段响应函数来进行加权平均，但由于处理起来比较麻烦，而且一般的精度要求不太高，所以大多数图像都是直接取了波段范围内的中点值来运算。波段响应函数是描述一定波长范围内（超出波段范围）的量子效应，当需要精确计算像元响应时候，比如大气校正反演真实地表反射率，就需要使用波谱响应函数。
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，还包括资源一号02c和资源三号等国产卫星的波谱响应函数。如下图中为波谱响应函数数字表达的一部分，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 classic中的波谱响应函数的制作。
ENVI5.1中的操作参考：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0101eg11.html
(一) 选择Window->Start New Plot Window，ENVI Plot Window窗口中，选择File->Input Data->ASCII,如图2所示，自动将第一列作为X轴，后面4列作为Y轴。单击OK。
(二) 如图:4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。
(三) 选择File- >Save Plot As->Spectral Library，将波谱曲线保存为波谱库文件。
图:3：导入ASCII文件
图4：波谱响应函数的曲线表达
3 FLAASH大气校正
（1） 工具箱/Radiometric Correction/Atmospheric Correction Module/FLAASH Atmospheric Correction打开FLAASH大气校正模块；
（2） 点击Input Radiance Image，选择BIL格式的环境小卫星数据，在Radiance Scale Factors面板中选择Use single scale factor for all bands，由于定标的辐射量数据与FLAASH的辐射亮度的单位相差10倍，所以在此Single scale factor选择默认：10，单击OK；
注：定标后的单位是W⋅m<sup>−2</sup>⋅sr<sup>−1</sup>⋅μm<sup>−1</sup>，与FLAASH要求的单位（μW）/（cm<sup>2</sup>*nm*sr）相差10倍关系，因此在Radiance Scale Factors中输入10缩放系数。
（3） 设置输出文件及路径设置；
（4） 传感器基本信息设置：
- 成像中心点经纬度FLAASH自动从影像中获取。
- 传感器高度（Sensor Altitude）：650km
- 像元大小（pixel Size）：30m
- 成像区域平均高度可以通过统计DEM数据获取
- 成像时间：，从数据头文件中读取（.XML），位置为：2009-08-11 03:07:41.87；
（5） 大气模型和气溶胶模型，根据经纬度和影像区域选择
（6） 气溶胶反演方法选择None（缺少短波红外），能见度设置为40km。
（7） 单击Multispectral Setting按钮，在Filter Function File 导入光谱响应曲线“环境1A星CCD2光谱响应.sli”，单击OK；
（8） 单击Advanced Settings，在高级设置中，Tile Size 默认的是Cash size 的大小，手动改为50-100Mb（根据内存大小设定），单击OK；
图6：大气校正高级参数设置
（9） 设置好后，在大气校正模块面板中，单击Apply。
（10）大气校正完成后，检查大气校正的结果，分别加载校正前后的图像（选择CIR假彩色方式加载，可以更好的识别植被），查看典型地物的大气校正前后的光谱曲线。
4 总结
从上面可以看到，对于未知的多光谱传感器的FLAASH大气校正，关键是获取波谱响应函数，而波谱响应函数一般都是公开的。类似的方法可用于资源三号、资源一号02C的FLAASH大气校正。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d01019emt.html
