基于ENVI的Hyperion數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

楊玲莉 張廷斌 何菊紅 悅永崢 張雨晨

（成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059）

基于ENVI的Hyperion數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

楊玲莉 張廷斌 何菊紅 悅永崢 張雨晨

（成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059）

基于ENVI遙感影像處理軟件，選取一景Hyperion數(shù)據(jù)，介紹了應(yīng)用ENVI軟件對(duì)Hyperion數(shù)據(jù)進(jìn)行遙感影像預(yù)處理的流程和方法。主要包括：未定標(biāo)和受水汽影響波段去除、壞線修復(fù)、條紋去除、去除Smile效應(yīng)、FLAASH校正、幾何校正等，通過(guò)預(yù)處理獲得了地物真實(shí)反射率數(shù)據(jù)，為高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)找礦、環(huán)境監(jiān)測(cè)、精細(xì)農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

ENVI；Hyperion；遙感影像；數(shù)據(jù)預(yù)處理

遙感圖像預(yù)處理是遙感圖像應(yīng)用過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié)，不同的遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理的過(guò)程有所不同，主要包括圖像幾何校正、圖像融合、圖像鑲嵌和圖像裁剪等過(guò)程［1］。ENVI遙感圖像處理軟件操作簡(jiǎn)單、易學(xué)，具有先進(jìn)、可靠的圖像分析工具、專業(yè)的光譜分析和流程化向?qū)У膱D像處理工具，能夠隨心所欲地?cái)U(kuò)展新功能，并且能與ArcGIS整合，使RS和GIS一體化集成［2］。本文以一景Hyperion數(shù)據(jù)為例，運(yùn)用ENVI遙感圖像處理軟件，對(duì)Hyperion數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最終得到Hyperion數(shù)據(jù)能夠反映地面信息的反射率數(shù)據(jù)，為Hyperion數(shù)據(jù)的后續(xù)應(yīng)用做準(zhǔn)備。

1 ENVI軟件簡(jiǎn)介

ENVI（The Environment for Visualizing Images）是由遙感領(lǐng)域的科學(xué)家基于交互式數(shù)據(jù)語(yǔ)言IDL（Interactive Data Language）開(kāi)發(fā)的一套功能強(qiáng)大的遙感圖像處理軟件，是美國(guó)Exelis VIS公司的旗艦產(chǎn)品。其是一個(gè)完整的遙感圖像處理平臺(tái)，可以輕松讀取、顯示、分析各種類型的遙感數(shù)據(jù)，并提供了從影像預(yù)處理、信息提取到GIS整合過(guò)程中需要的各種工具［2］。

現(xiàn)在，眾多的圖像分析師和科學(xué)家選擇ENVI來(lái)獲取遙感圖像中的信息，其應(yīng)用領(lǐng)域包括國(guó)土、地質(zhì)、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、醫(yī)學(xué)、國(guó)防和安全、自然資源勘探、海洋及城市與區(qū)域規(guī)劃等。

2 Hyperion數(shù)據(jù)

Hyperion傳感器是世界上第一臺(tái)成功發(fā)射的星載民用成像光譜儀，也是目前唯一在軌的星載高光譜圖譜測(cè)量?jī)x。搭載于衛(wèi)星EO-1（Earth Observing-1），EO-1由美國(guó)NASA（National Aeronautics and Space Administration）于2000年11月發(fā)射升空，是接替Landsat-7的新型地球觀測(cè)衛(wèi)星。EO-1衛(wèi)星與Landsat-7衛(wèi)星的軌道參數(shù)基本相同，軌道高度為705km，傾角98.7°，Hyperion以推掃方式獲取可見(jiàn)光、近紅外（VNIR，355～1058nm）及短波紅外（SWIR，852～2577nm）連續(xù)波譜數(shù)據(jù)，共有242個(gè)波段，光譜范圍355～2577nm，光譜分辨率9.6nm，傳感器空間分辨率30m，每景可覆蓋7.5km×85km［3-4］。

Hyperion數(shù)據(jù)產(chǎn)品分兩級(jí)：Level 0和Level 1，L0是原始產(chǎn)品，僅用于生成L1產(chǎn)品。用戶使用的產(chǎn)品是L1產(chǎn)品，其又分為L(zhǎng)1A、L1B、L1R、L1GS和L1GST五種，本文使用的是L1R級(jí)產(chǎn)品，是由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）經(jīng)輻射校正得到的，數(shù)據(jù)景號(hào)為EO1H1370392002032110PZ，成像時(shí)間為2002年2月1日。

3 基于ENVI的Hyperion數(shù)據(jù)預(yù)處理方法研究

Hyperion L1R產(chǎn)品是經(jīng)過(guò)一系列處理過(guò)程后生成的，可是異常的像元仍存在，其將對(duì)圖像的質(zhì)量和應(yīng)用產(chǎn)生很大的影響，在圖像進(jìn)行應(yīng)用之前，須將異常的像元識(shí)別出來(lái)并加以修正。

3.1 數(shù)據(jù)讀取

ENVI中的 Hyperion tools能直接讀取 Hyperion Level 1R的HDF格式，其把Level 1R HDF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成包含中心波長(zhǎng)、波長(zhǎng)半徑、像元增益系數(shù)和壞波段信息的ENVI BIL格式文件。

3.2 未定標(biāo)和受水汽影響波段去除

Hyperion圖像共有242個(gè)波段，輻射定標(biāo)的波段共有198個(gè)波段（VNIR8～57，SWIR77～224），由于VNIR56～57與SWIR77～78重疊，而VNIR56～57比SWIR77～78噪音小，通常保留VNIR56～57，實(shí)際只有196個(gè)獨(dú)立的波段。高光譜數(shù)據(jù)中，光譜范圍1 356～1 416nm、1 820～1 932nm和大于2 395nm的波段受水汽的影像較大，基本上不包含地面信息，也需要把他們剔除。最后保留波段是176個(gè)（見(jiàn)表1）。在ENVI軟件中，用Basic tools下的layer stacking工具把保留的波段按順序重新組合起來(lái)。

表1 Hyperion數(shù)據(jù)有效波段

3.3 壞線修復(fù)

壞線是像元DN值為零或值非常小的一行或一列。對(duì)剩余波段進(jìn)行檢查并記錄有壞線存在的波段數(shù)和對(duì)應(yīng)的行、列號(hào)（見(jiàn)表2），然后用其相鄰行或列的平均值予以代替。

表2 Hyperion數(shù)據(jù)壞線修復(fù)波段

從表2可以發(fā)現(xiàn)，大部分波段首末行和首末列都存在壞線，但首末行列又不能用平均值修復(fù)，可以把首末行列裁剪掉，將圖像大小由256*3128變?yōu)?54*3126，然后用ENVI軟件中的Replace bad lines功能進(jìn)行壞線修復(fù)，此修復(fù)功能是針對(duì)行的，如果都是列上有壞線的話，需將影像順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度（Basic Tools->Rotate/Flip data），再修復(fù)，修復(fù)完了再旋轉(zhuǎn)回來(lái)。修復(fù)后的結(jié)果如圖1、2。

3.4 條紋去除

圖1 壞線修復(fù)前

Hyperion光譜儀采用推掃式的對(duì)地觀測(cè)方式，所以系統(tǒng)中CCD的排列方式垂直于航跡方向。由于不同行中的傳感器對(duì)光譜響應(yīng)值不同，在光譜入射時(shí)，會(huì)導(dǎo)致在每個(gè)譜段上出現(xiàn)了豎的條紋，即列向條紋噪聲［5］。條紋的像元DN值較小，但一般不為零。Hyperion的VNIR波段條紋比SWIR波段條紋更重、更清晰，但較少。由于條紋圖像的質(zhì)量和應(yīng)用受到了較嚴(yán)重的影響，所以條紋噪聲的去除是非常必要的。本文采用ENVI軟件中Vertical Stripe Removal（垂直條紋去除）功能進(jìn)行條紋去除。結(jié)果如圖3、4。

圖2 壞線修復(fù)后

圖3 條紋去除前

圖4 條紋去除后

3.5 Smile效應(yīng)去除

Smile效應(yīng)是指在垂直飛行方向上，像元的波長(zhǎng)從中心位置向兩邊偏移的現(xiàn)象。所有的Hyperion產(chǎn)品都存在Smile效應(yīng)。本文利用ENVI軟件中Cross-Track Illumi?nation Correction（垂直軌道照度修正）功能，在圖像空間進(jìn)行Smile效應(yīng)去除［6］。

3.6 大氣校正

大氣校正（atmospheric correction，AC）的目的是消除大氣和光照等因素對(duì)地物反射的影響，獲得地物反射率、輻射率、地表溫度等真實(shí)物理模型參數(shù)。因此進(jìn)行高光譜數(shù)據(jù)的大氣校正是進(jìn)行高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理的必要過(guò)程。

圖5 FLAASH大氣校正前后波譜曲線對(duì)比

本研究應(yīng)用ENVI軟件中的FLAASH（Fast Line-of-sight Atmospheric Analysisof SpectralHpercubes）模塊進(jìn)行大氣校正處理，將DN值轉(zhuǎn)換為反射率數(shù)據(jù)，在輸入輻射能量數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)LAASH模塊需要的量綱為W/（cm2.nm.sr）。Hyperion L1高光譜原始數(shù)據(jù)的DN值在-32 767～+32 767，VNIR的最大輻射為750W/（m2.um.sr），SWIR的最大輻射為350W/（m2.um.sr），因此在生產(chǎn)L1級(jí)產(chǎn)品時(shí)對(duì)輻射值進(jìn)行了擴(kuò)大因子，VNIR波段擴(kuò)大因子是40，SWIR擴(kuò)大因子是80，而1W/（cm2.nm.sr）=10W/（m2.um.sr）。因此在FLAASH中VNIR和SWIR輸入的尺度轉(zhuǎn)換因子分別是400和800，最終獲得地物真實(shí)反射率［7-8］。大氣校正前后的光譜曲線，可見(jiàn)大氣校正后的光譜曲線更為真實(shí)，如圖5所示。

3.7 幾何校正

本文以有地理信息的ETM+影像為基準(zhǔn)，采用人機(jī)交互選擇地面控制點(diǎn)，利用二次多項(xiàng)式和雙線內(nèi)插法重采樣對(duì)預(yù)處理后的Hyperion圖像進(jìn)行幾何糾正。經(jīng)重新選點(diǎn)檢驗(yàn)，重采樣成30m*30m的圖像，結(jié)果如圖6、7。

圖6 幾何校正前影像

圖7 幾何校正后影像

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于ENVI的Hyperion高光譜圖像預(yù)處理的流程和方法，通過(guò)未定標(biāo)和受水汽影響波段去除、壞線修復(fù)、條紋去除、去除Smile效應(yīng)、FLAASH校正、幾何校正等方法，不僅剔除了無(wú)信號(hào)、無(wú)價(jià)值的波段，從而降低了波段運(yùn)算量，提高了運(yùn)算效率，而且減少了噪聲，降低了大氣的影響，提高了Hyperion圖像的質(zhì)量，獲得了地物真實(shí)反射率，使遙感圖像上記錄的地物輻射量和地面真實(shí)目標(biāo)一一對(duì)應(yīng)，提高了高光譜數(shù)據(jù)的實(shí)用性。因此，Hyperion圖像預(yù)處理是必不可少的一個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程，其結(jié)果的好壞對(duì)后續(xù)影像的信息提取和分類有重要的決定作用，為高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)找礦、環(huán)境監(jiān)測(cè)、精細(xì)農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

［1］梅安新，彭望琭.遙感導(dǎo)論［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］鄧書(shū)斌，陳秋錦，杜會(huì)建，等.ENVI遙感圖像處理方法（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，2014.

［3］譚炳香，李增元，陳爾學(xué)，等.EO-1Hyperion高光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理［J］.遙感信息，2005（6）：36-41.

［4］Barry P.EO-1/Hyperion Science Data User’s Guide［R］. Redondo Beach，CA：TRW Space，Defense&Inform.Syst，2001.

［5］董連風(fēng).高光譜影像預(yù)處理技術(shù)研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2007.

［6］曾慶偉.基于Hyperion高光譜數(shù)據(jù)的森林類型精細(xì)識(shí)別研究［D］.北京：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，2010.

［7］Richard Beck，EO-1 User Guide v.2.3［EB/OL］.http：// eol.usgs.gov-&http：//eol.gsfs.nasa.gov，2003.

［8］張苗，將志榮.Hyperion影像的輻射處理方法［J］.地理空間信息，2013，11（5）：86-93.

［欄目責(zé)任編輯 邵冰欣］

Research on the Hyperion Data Pre-processing M ethod Based on ENVI

Yang Lingli Zhang Tingbin He Juhong Yue Yongzheng Zhang Yuchen
（CollegeofEarth Sciences，Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan 610059）

On the base of ENVI remote sensing image processing software,this paper selects a king hyperiondata and introduces the processes and methods of hyperion data pre-processing based on ENVI.The pre-processing for Hyperion data includes removing zeroed bands and strongestwater vapour bands,repairing broken lines,remov?ingstripe,removing Smile effect,correcting FLAASH and correcting geometric.The real reflectance datais ob?tained by pre-processing,which provides technical support for hyper-spectral remote sensing technology in geolo?gy,environmentalmonitoring,precision agriculture and other areas.

ENVI;Hyperion;remote sensing image;data pre-preprocessing

P627

A

1003-5168（2015）05-0039-4

2015-4-10

楊玲莉（1989-），女，碩士研究生，研究方向：遙感地質(zhì)應(yīng)用。