高分五號高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理方法研究

孔令堯

（遼寧省自然資源衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)中心，遼寧沈陽 110034）

當(dāng)前，遙感數(shù)據(jù)的獲取已經(jīng)從單一波譜信息數(shù)據(jù)發(fā)展為多光譜、高光譜甚至超光譜信息數(shù)據(jù)。從 20 19年開始，國家衛(wèi)星應(yīng)用中心首次向遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心分發(fā)國產(chǎn)高分五號高光譜遙感數(shù)據(jù)。從此，遼寧省國產(chǎn)遙感高光譜應(yīng)用時代正式來臨。高分五號是我國自主研發(fā)的全譜段高光譜衛(wèi)星，是我國高分專項中的重要組成部分，主要服務(wù)于環(huán)境保護部、自然資源部等牽頭部門，實現(xiàn)了對陸地和大氣的綜合觀測能力，成為資源勘探、環(huán)境監(jiān)測、精細(xì)農(nóng)業(yè)、災(zāi)害評估、目標(biāo)識別等領(lǐng)域重要手段。

但是，由于高光譜成像機理復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大等原因?qū)е缕漕A(yù)處理方法比多光譜數(shù)據(jù)困難的多。在傳感器被動接收地表輻射信息時，會受到空氣、水汽、溫度、以及傳感本身等諸多方面的影像，使得遙感影像發(fā)生變形和失真，因此，為了使遙感影像表達出真實的地表信息，需要對遙感數(shù)據(jù)進行預(yù)處理操作。

一、高分五號高光譜數(shù)據(jù)

高分五號衛(wèi)星搭載有4臺大氣類觀測載荷和2臺對地成像載荷，對地載荷分別為可見短波紅外高光譜相機（AHSI）和全譜段光譜成像儀（VIMI）[1]。AHSI的短波紅外分辨率為10nm，可見近紅外光譜分辨率為5nm，空間分辨率為30m，幅寬為60km，其中光譜通道為330個，光譜范圍達到了400~2500nm。表1按照時間列出了國內(nèi)外星載高光譜傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)，通過比較可以看出，高分五號AHSI傳感器在光譜分辨率、光譜通道數(shù)、幅寬等性能指標(biāo)都處于前列，說明我國的高光譜傳感器研發(fā)水平已經(jīng)處于國際先進水平。

二、主要研究內(nèi)容

自首次接收國家衛(wèi)星應(yīng)用中心分發(fā)的國產(chǎn)高分五號高光譜遙感數(shù)據(jù)以來，遼寧省自然資源系統(tǒng)就積極開展相關(guān)的應(yīng)用研究。遙感影像預(yù)處理工作是遙感影像在應(yīng)用前的必要處理步驟。在國內(nèi)外研究中，對不同傳感器的高光譜數(shù)據(jù)進行預(yù)處理的步驟各有差異，本次針對高分五號高光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理研究，提出了滿足分類需求的預(yù)處理流程。本次研究采用遼寧鳳城的高分五號遙感影像，標(biāo)識碼為GF5_AHSI_E123.92_N40.68_2019090 8_006006_L10000049041。分別從壞波段去除、輻射定標(biāo)、壞線修復(fù)、大氣校正、幾何校正共五個方面進行預(yù)處理研究，即最終的高分五號數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)路線。

三、影像預(yù)處理

1.壞波段去除

高光譜數(shù)據(jù)中包含數(shù)據(jù)文件和頭文件，其中頭文件相當(dāng)于元數(shù)據(jù)文件，對數(shù)據(jù)進行說明，包括數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式以及數(shù)據(jù)所占空間大小等[2]。數(shù)據(jù)文件中存儲的是傳感器拍攝到的光譜數(shù)據(jù)。

從高分五號遙感影像的頭文件中，我們可以得出從400nm到2500nm的波譜范圍中共有330個光譜通道返回的輻射DN（Digital Number）值，當(dāng)DN值為0時，表示此通道返回的是一個空值，即無效波段，應(yīng)該進行去除。在光譜的中高波長段，受到水汽的影響比較大，影像上的雜質(zhì)過多，應(yīng)該進行去除。另外，324波段之后影像的信噪比過低，也應(yīng)進行去除。從圖1可以看出，單波段328和單波段329中幾乎沒有有效信息。最終，經(jīng)過壞波段的去除與整理后，可進行有效信息提取的波段數(shù)為283個（表2）。

表1 國內(nèi)外在軌星載高光譜遙感儀器參數(shù)

圖1 波段328（左）和波段329（右）

2.輻射定標(biāo)

在星載傳感器拍攝地表信息數(shù)據(jù)時，為了減少空間占用，得到更精確的數(shù)據(jù)，傳感器會將地表信息輻射值以整型數(shù)值的形式存儲為輻射DN值。因此，在高光譜影像使用前的預(yù)處理工作中，需要將量化輸出的輻射DN值與真實的地表信息輻射亮度值之間進行轉(zhuǎn)化，公式如下：

公式中，i=1,2,…n，gain和offset是絕對輻射定標(biāo)系數(shù)。能夠從中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心獲得[3]。通過計算，可以將量化輸出的輻射DN值轉(zhuǎn)化為真實的可見光、近紅外、短紅外等絕對輻射值。高分五號在正式投入使用前，已經(jīng)完成了AHSI傳感器各個波段的輻射定標(biāo)工作，因此可以進行下一步的處理。

3.壞線修復(fù)

每一款高光譜傳感器都由上萬個探測電子元件組成，在獲取地表光譜信息時，個別探測元件在工作時出現(xiàn)問題，都將導(dǎo)致光譜信息出現(xiàn)錯誤。在單波段光譜影像中，如果存在一行或者一列數(shù)據(jù)缺失，或者其中一行或者一列與周圍反差特別大的情況，即視為壞線。一般情況下，壞線的發(fā)生缺乏規(guī)律性。因此，在對高分五號高光譜數(shù)據(jù)進行壞波段去除預(yù)處理之后，將有效的283個波段逐一進行檢查，如果存在異常數(shù)據(jù)，則必須進行壞線修復(fù)。

此次壞線修復(fù)采用的方法為利用壞線兩側(cè)的相鄰列的平局值進行代替（圖2）。

4.大氣校正

星載傳感器在獲取光譜信息時處于大氣層之外，被動的接收以太陽作為基準(zhǔn)光源的地表信息輻照度。不可避免的會受到大氣分子、氣溶膠和光照等因素的影響。為了消除影響，還原真實的地表信息數(shù)據(jù)，需要對高光譜數(shù)據(jù)進行大氣校正預(yù)處理。在本次研究中，使用了高光譜遙感影像預(yù)處理中常用的FLAASH大氣校正方法。大氣校正的參數(shù)可以在傳感器拍攝時的原始文件中查找（圖3）。

圖2 波段172列號398壞線修復(fù)前后對比圖

圖3 FLAASH參數(shù)設(shè)置

5.幾何校正

幾何校正是遙感影像預(yù)處理的最后一步，也是最關(guān)鍵的一步，幾何校正的精度決定了遙感影像的準(zhǔn)確性。由于是傳感器是光學(xué)成像，在拍攝時有一定的角度，以及地球曲率、地面起伏等因素導(dǎo)致了影像上的地物和地表真實地物之間存在位置畸變。因此，必須通過幾何校正進行糾正。通常情況下，幾何校正分為兩種，一種為人工選擇象元點，通過數(shù)學(xué)模型采用二次多項式或者線性內(nèi)插法對遙感影像進行幾何校正。另一種是通過已有的正射影像作為參考影像，通過軟件自動查找同名點，建立兩景影像之間的數(shù)學(xué)模型，通過重采樣對遙感影像進行幾何校正。

研究采用資源三號、高分一號和高分二號三種傳感器多光譜正射影像作為參考影像，數(shù)據(jù)產(chǎn)品經(jīng)過地形數(shù)據(jù)參與的系統(tǒng)幾何校正，圖像地理精度較高。由于多光譜影像與高分五號的分辨率相差較大，若直接進行幾何校正，則難以找到同名點。因此在ENVI軟件中對多光譜影像進行重采樣處理，降低分辨率至30m。在相同分辨率下，利用多光譜影像作為參考影像對高分五號影像進行幾何校正。

四、結(jié)語

通過對高光譜數(shù)據(jù)進行預(yù)處理工作，去掉了壞波段，修復(fù)了波段中的壞線，最大限度的保留了有效波段，經(jīng)過幾何糾正后，可以獲得高質(zhì)量的遙感影像，為下一步的光譜分析、地表信息提取、地形監(jiān)測等工作提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由于高分五號高光譜數(shù)據(jù)投入使用的時間較短，希望本次研究成果可以為下一步的深入研究提供必要條件。