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1、高分一号（GF-1）数据预处理流程一、综述高分一号卫星是中国高分辨率对地观测系统的第一颗卫星，由中国航天科技集团公司所属空间技术研究院研制。于 2013 年 4 月 26 日 12 时 13 分 04 秒由长征二号丁运载火箭成功发射，开启了中国对地观测的新时代。高分一号卫星是中国高分辨率对地观测系统的首发星，搭载了两台 2m 分辨率全色/8m 分辨率多光谱相机，四台 16m 分辨率多光谱相机。突破了高空间分辨率、多光谱与宽覆盖相结合的光学遥感等关键技术，设计寿命 5 至 8 年。高分一号卫星发射成功后，将能够为国土资源部门、农业部门、环境保护部门提供高精度、宽范围的空间观测服务，在地理测绘、海
2、洋和气候气象观测、水利和林业资源监测、城市和交通精细化管理，疫情评估与公共卫生应急、地球系统科学研究等领域发挥重要作用。表 1 高分一号卫星轨道和姿态控制参数参 数 指 标轨道类型 太阳同步回归轨道轨道高度 645km（标称值）倾角 98.0506降交点地方时 10:30 AM侧摆能力（滚动） 25，机动 25的时间200s，具有应急侧摆（滚动）35的能力表 2 高分一号卫星有效载荷技术指标参 数 2m 分辨率全色/8m 分辨率多光谱相机 16m 分辨率多光谱相机全色 0.450.90m0.450.52m 0.450.52m光谱范围0.520.59m 0.520.59m0.630.69m 0.
3、630.69m多光谱0.770.89m 0.770.89m全色 2m空间分辨率多光谱 8m16m幅宽 60km（2 台相机组合） 800km（4 台相机组合）重访周期（侧摆时） 4 天覆盖周期（不侧摆） 41 天 4 天高分一号数据产品：GF-1 卫星标准产品根据输入姿轨数据与处理流程的不同分为 1A 和 2A 级产品，具体说明见表 3。表 3 GF-1 标准产品说明产品分级 产品名称 产品说明1A 级 预处理级辐射校正影像产品0 级数据经数据解析、均一化辐射校正、 去噪、MTFC、 CCD 拼接、 波段配准 等处理的影像数据；并提供卫星直传姿轨数据生产的 RPC 文件。2A 级 初级几何校正
4、影像产品1A 级数据经过几何纠正、地图投影生成的影像产品。二、数据打开及浏览在 ENVI 中，选择 file-Open，直接选择.tiff 文件打开。可以看到 ENVI 自动识别了相应的 RPC 文件（.rpb） ，数据的储存顺序是 BIP。在波段列表窗口中可以看到所打开数据的波段信息（多光谱数据） ，选择相关的波段在显示窗口中显示。三、辐射校正1 遥感器校准由遥感器的灵敏度特征引起的畸变主要是由其光学系统或者光电变化系统的这正所形成的。校正公式如下： L bs=A*DNB+B其中 A 为校正增量系数，DN B为遥感器记录值，B 为校正偏差量2 大气校正大气是介于卫星传感器与地球表层之间的一层
5、由多种气体及气溶胶组成的介质层。在太阳辐射到达地表再到达卫星传感器的过程中，两次经过大气，故大气对太阳辐射的作用影响比较大。大气校正的目的是消除大气和光照等因素对地物反射的影响，广义上讲是获得地物反射率、辐射率或者地表温度等真实物理模型参数，狭义上是获取地物真实反射率数据。大气校正可以用来消除大气中水蒸气、氧气、二氧化碳、甲烷和臭氧等物质对地物反射的影响，也可以消除大气分子和气溶胶散射的影响。大多数情况下，大气校正也是反演地物真实反射率的过程。大气校正的主要方法有如下几种：1） 利用辐射传输方程进行大气校正2） 利用地面实况数据进行大气校正3） 利用大气模型来进行大气校正4） 利用辅助数据进行
6、大气校正5） 多波段对比分析方法（直方图最小去除法和回归分析法）3 太阳高度以及地形校正为了获得每一个像元真实的光谱反射，需要很多的外部信息进行太阳高度和地形校正，通常这些外部信息包括大气程透过率、太阳直射光辐照度和瞬时入射角（取决于太阳入射角和地形） ，因此再次过程中需要使用 DEM 来进行校正。ENVI 环境下辐射校正的步骤：1 辐射定标利用以下公式可将 GF-1 卫星各载荷的通道观测值计数值 DN 转换为卫星载荷入瞳处等效表观辐亮度数据。L()=Gain*(DN + Bias)式中：Gain 为定标斜率；DN 为卫星载荷观测值； Bias 为定标截距。表 4 高分一号星 PMS 相机的定
7、标系数卫星载荷 波段号 Gain BiasPAN 0.1886 -13.127Band1 0.2082 4.6186Band2 0.1672 4.8768Band3 0.1748 4.8924PMS1Band4 0.1883 -9.4771PAN 0.1878 -7.9731Band1 0.2072 7.5348Band2 0.1776 3.9395Band3 0.177 -1.7445PMS2Band4 0.1909 -7.2053Band1 0.1709 -0.0039Band2 0.1398 -0.0047Band3 0.1195 -0.0030WFV1Band4 0.1338 -0.0
8、274Band1 0.1588 5.5303Band2 0.1515 -13.642Band3 0.1251 -15.382WFV2Band4 0.1209 -7.985Band1 0.1556 12.28Band2 0.1700 -7.9336Band3 0.1392 -7.031WFV3Band4 0.1354 -4.3578Band1 0.1819 3.6469Band2 0.1762 -13.54WFV4Band3 0.1463 -10.998Band4 0.1522 -12.142进行数据定标计算时候，我们可以有两种方法选择使用：（1）波段数学（Bandmath）以下是利用 Band
9、math 工具进行定标，该比较方法灵活，不过需要一个一个波段定标。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。（2）Apply Gain and Offset 工具我们可以使用 Apply Gain and Offset 工具。 。1)启动 Toolbox-Radiometric Correction-Apply Gain and Offset。2)在 Gai
10、n and Offset Values 中填入增益 Gain 值和偏移 Offset。3)选择输出路径和文件名执行定标。 图 1 Gain and Offset Values 面板计算好之后，继续执行以下步骤（原数据的储存顺序是 BIP）：选择 Toolbox-Raster Management- Edit ENVI Header -Edit Attributes-Wavelength，将每个波段的中心波长输入b1(503nm)，b2(576nm)，b3(680nm) ，b4(810nm)2 波谱响应函数波段响应函数，英文名为 spectral response function（SRF）或者
11、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
12、，高分一号也不例外。在中国资源卫星应用中心可下载：http:/ 02c 和资源三号一样，高分一号也是以 .xls 格式提供，值得注意的是，第三列和第四例后面有部分无值区，手动填入 0。将数据拷贝到文本文件中。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，后面五列分别表示一个全色和 4 个多光谱对应波长的波谱响应值。图 2 高分一号波谱响应值在 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。1)启动 ENVI Classic2)选择
13、 Window-Start New Plot Window，ENVI Plot Window 窗口中，选择File-Input Data-ASCII,如图 3 所示，自动将第一列作为 X 轴，后面 3-6 列作为 Y 轴。单击 OK。3)如图所示，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。4)选择 File-Save Plot As-Spectral Library，将波谱曲线保存为波谱库文件.sli。图 3导入 文件图 4 高分一号波谱响应函数的曲线表达注：如果出现以下情况，原因是没有将多光谱波段 1 和波段
14、2 空白部分填补 0。图 5 错误情况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，前面处理好的数据，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 fac
15、tor 选择默认：10，单击 OK；注：定标后的单位是 Wm2sr1m1，与 FLAASH 要求的单位（W）/（cm2*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）：505km像元大小（pixel Size）：8m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：2013-09-08 13:14:07；减去 8 换算 GMT 时间（5
16、）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 6FLAASH 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“gf-1pms.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；从 xml 文件中得到：97.086779.1983讨论：一般中低分辨率的影像近似天顶角：180 和方位角：0，即垂直观测。ENVI FLAASH 的天顶角：90
