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Hyperion高光谱影像的分析与处理_图文

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Hyperion 光谱 影像 分析 处理 图文
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文 章 编 号 : 100020240 (2009) 0220247207 光 谱 影 像 的 分 析 与 处 理收 稿 日 期 : 2009201201 ; 修 订 日 期 : 2009203209基 金 项 目 : 中 国 科 学 院 西 部 行 动 计 划 (二 期 )项 目 “ 黑 河 流 域 遥 感 2地 面 观 测 同 步 试 验 与 综 合 模 拟 平 台 建 设 ” 子 课 题 “ 黑 河 流 域 上 游 寒 区 水文 遥 感 2地 面 同 步 观 测 试 验 ” ( ; 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (40671040 ) ; 欧 盟 第 七 框 架 项 目 212921)资 助作 者 简 介 : 梁 继 (1976 — ) , 女 , 湖 南 岳 阳 人 , 2004 年 在 中 国 科 学 院 寒 区 旱 区 环 境 与 工 程 研 究 所 获 硕 士 学 位 , 现 为 博 士 研 究 生 , 主 要 从 事定 量 遥 感 研 究 . 1 , 2 ,   王 建 1(1. 中 国 科 学 院 寒 区 旱 区 环 境 与 工 程 研 究 所 , 甘 肃 兰 州   730000 ; 2. 中 国 科 学 院 研 究 生 院 , 北 京   100049)摘   要 : 新 型 地 球 观 测 卫 星 , 也 是 一 颗 实 验 性 的 高 光 谱 星 载 卫 星 . 像 具有 高 光 谱 分 辨 率 的 特 点 , 同 时 该 传 感 器 在 波 段 的 辐 射 定 标 参 数 、 影 像 的 坏 线 和 条 带 、 以 及 光 谱 的 等 处 理 方 面 有 待 改 进 . 针 对 黑 河 上 游 祁 连 山 区 的 像 , 进 行 了 分 析 、 转 换辐 亮 度 值 、 影 像 条 带 去 除 和 坏 线 替 换 、 光 谱 应 校 正 、 以 及 经 射 传 输 的 大 气 订 正等 处 理 , 获 得 了 高 光 谱 分 辨 率 的 雪 反 射 率 的 反 演 图 像 , 为 研 究 区 积 雪 面 积 的 提 取 、 雪 粒 径 和 雪 反 照 率的 反 演 等 后 续 工 作 提 供 了 基 础 图 像 词 : 最 小 噪 声 分 形 ; 应 ; 分 类 号 : 献 标 识 码 : 引 言所 谓 高 光 谱 , 指 的 是 高 光 谱 分 辨 率 的 成 像 光 谱仪 , 可 有 几 十 至 上 百 个 波 段 , 波 段 数 越 多 , 越 能 充分 利 用 地 物 在 不 同 波 段 光 谱 响 应 特 征 的 差 别 . 波 段取 样 间 隔 可 达 5~ 10 可 以 显 示 每 个 像 元 的 光谱 曲 线 , 以 便 直 接 针 对 地 物 特 征 峰 值 波 长 微 小 差 异来 识 别 物 质 [1 ] . 随 着 微 电 子 探 测 技 术 、 精 密 光 学 仪器 、 计 算 机 技 术 等 的 发 展 , 成 像 光 谱 仪 应 运 而 生 谱 遥 感 技 术 的 发 展 为 遥 感 信 息 定 量 应 用 开 辟 了新 的 前 景 ,目 前 主 要 的 高 光 谱 遥 感 数 据 源 有 . 本 文 主 要 针 对 黑 河 流 域 上 游 冰 沟地 区 2008 年 3 月 17 日 的 光 谱 影像 , 做 了 图 像 处 理 和 雪 反 射 率 的 反 演 工 作 . 本 研 究采 用 的 是 2008 年 3 月 17 日 11 :47 :50 过 境 的 , 幅 宽 7. 7 长 42 太 阳 天 顶 角45. 50° , 太 阳 方 位 角 143. 85° , J 的 日 地 距 离比 值 为 0. 简 单 介 绍 h 是 美 国 向21 世 纪 为 接 替 而 研 制 的 新 型 地 球 观 测 卫星 , 于 2000 年 11 月 21 日 发 射 升 空 . 星 轨道 与 基 本 相 同 (图 1 , 2) , 为 太 阳 同 步 轨道 , 轨 道 高 度 为 705 倾 角 98. 7° , 比 差 1 赤 道 . 搭 载 了 3 种 传 感 器 , 即 :高 级 陆 地 成 像 仪 (、 大气 校 正 仪 和 高 光 谱 成像 光 谱 仪 感 器 是 第 一 台 星载 高 光 谱 图 谱 测 量 仪 , 该 高 光 谱 数 据 共 有 242 个 波段 , 光 谱 范 围 为 400~ 2 500 光 谱 分 辨 率 达 到10 地 面 分 辨 率 为 30 m[2 - 6 ] . 体 的特 征 如 表 1 介 绍   体 的 特 征 介 绍 [ 2]   of ]项 目 参 数 项 目 参 数波 长 范 围 356~ 2577 ~ 70波 段 242 1~ 242像 元 大 小 30 m 像 元 格 式 大 小 256 × 6460 字 节 顺 序 据 格 式 16 号 整 型 文 件 大 小 800 1 卷   第 2 期2 0 0 9 年 4 月冰   川   冻   土J F Y 31   22 0 0 9 品 有 242 个 波 段 , 1~ 70 ( 356~ 1 058 可 见 光 - 近 红 外 波 段 (R) , 71~ 242 (852~ 2 577 为 短 波 红 外 波 段 ( . 其 中 , 198个 波 段 经 过 辐 射 定 标 处 理 ,定 标 的 波 段 分 别 为R 8~ 57 , 7~ 224. 由 于 R 56~ 57与 7~ 78 的 重 叠 , 实 际 上 只 有 196 个 独 立的 波 段 . 没 有 定 标 的 波 段 置 为 0 值 [2 ] . 根 据 像 推 扫 式 成 像 方 式 和 高 光 谱 的 特 性 , 结 合 野外 与 卫 星 过 境 同 步 采 集 的 地 物 光 谱 数 据 , 设 计 像 的 处 理 流 程 如 图 像 处 理2. 1   D 析 与 转 换 像 的 数 据 存 储 格 式 为 16 号 整型 , 范 围 有 别 于 常 见 的 传 感 器 是 研 究 区 范 围 的 统 计 图 , 该 图 在 有 负 的 存 在   42 波 段 的 计4   DN of 42 部 分 光 谱 仪 获 取 数 据 , 其 中 可 见 光 - 近 红外 (R)波 长 范 围 400~ 1 000 其 辐 射 定 标 比值 为 40 W · ( m2 m) - 1 ; 短 波 红 外 ( 波 长范 围 900 ~ 2 500 辐 射 定 标 值 为 80W · (m2 m) - 1 , 即 : R 40 ,图 5   42 波 段 的 计5   42                                       冰       川       冻       土     31 卷   80[2 ] . 经 转 换 的 统 计 如 图 5 所 示 2   波 段 选 择 像 上 非 正 常 像 元 大 致 分 为 5 类 [3 ] :1)像 元 值 为 零 的 波 段 , 称 未 定 标 波 段 ; 2) 一 行 或 一列 像 元 为 零 或 非 常 小 的 , 称 为 坏 线 ; 3)像 元 较 小 但 不 为 零 的 、 与 周 围 有 明 显 差 异 的 带 状现 象 , 称 条 纹 ; 4) 由 于 光 谱 定 标 而 产 生 的 光 谱 差异 , 称 为 “ 效 应 ; 5)水 汽 影 响 严 重 , 噪 声 大 的波 段 , 称 水 汽 影 响 波 段 像 的 242 波 段 中 [2 , 5 - 6 ] , 辐 射 定 标的 波 段 为 R 8~ 57 , 7~ 224 , 没 有 定 标的 波 段 全 部 为 0 值 , 它 们 是 波 段 1~ 7、 58~ 76、 225~ 242. 与 R 波 段 相 比 , 段噪 声 大 、 信 噪 比 ( , 与 R 重 叠 的 波 段 77~ 78 应 剔 除 . 此 时 , 际 保 留 196 个 独立 的 波 段 谱 遥 感 数 据 中 , 光 谱 范 围 1 356~ 1 4471 800~ 1 982 > 2 375 波 段 受 水 汽等 气 溶 胶 影 响 大 [ 7 ] , 在 这 些 波 段 中 , 包 含 地 面 信 息较 少 , . 因 此 , 也 需 将 它 们 剔 除 . 对 据 , 受 水 汽 影 响 的 波 段 为 : 121~ 130、 165~184 和 222~ 224 , 共 33 个 波 段 . 剔 除 受 水 汽 影 响的 波 段 后 , 剩 下 163 个 波 段 , 即 : 8~ 57 (426~ 925、 79~ 120 (932~ 1 346 、 131~ 164 (1 457~ 1 790 、 185~ 221 (2 002~ 2 365 [8 ] 3   坏 线 替 换 、 条 纹 去 除推 扫 式 扫 描 ( 系 统 , 又称 “ 像 面 ” (扫 描 系 统 [ 1 ] . 用 广 角 光 学系 统 在 整 个 视 场 内 成 像 ,它 所 记 录 的 多 (高 ) 光 谱 图像 数 据 是 沿 着 飞 行 方 向 的 条 幅 . 也 就 是 说 , 它 通 过飞 行 器 与 探 测 器 成 正 交 方 向 的 移 动 获 得 目 标 的 二 维信 息 [ 1 ] . 若 探 测 器 按 线 性 阵 列 排 列 , 则 可 以 同 时 获得 整 行 数 据 , 若 面 阵 式 排 列 , 则 同 时 获 得 整 幅 图像 . 一 般 线 性 阵 列 由 许 多 荷 耦 合 器 件 组 成 , 一 种 固 态 光 电 转 换 元 件 [1 ] , 每 个 探 测 器 元件 感 应 相 应 “ 扫 描 ” 行 上 唯 一 的 地 面 分 辨 单 元 的 能量 . 图 像 上 每 行 数 据 是 由 沿 线 性 阵 列 的 每 个 探 测 器元 件 采 样 得 到 的 , 探 测 器 的 大 小 决 定 了 每 个 地 面 分辨 单 元 的 大 小 [1 ] , 每 个 光 谱 波 段 或 通 道 均 有 自 己 的线 性 阵 列 . 一 般 阵 列 位 于 遥 感 器 的 焦 平 面 上 , 以 确保 所 有 阵 列 同 时 观 测 所 有 的 “ 扫 描 ” 线 [1 ] . 推 扫 式 扫描 系 统 也 有 它 固 有 的 问 题 , 如 大 量 探 测 器 之 间 灵 敏度 的 差 异 , 往 往 会 产 生 带 状 噪 声 , 需 要 进 行 校准 [1 ] 传 感 器 的 辐 射 标 定 还 需 进 一 步 改 善 , 在 产 品 中 , 仍 然 存 在 不 正 常 的 条带 数 据 . 通 常 将 无 数 据 或 数 据 值 异 常 的 行 或 列 称 为坏 线 [3 ] , 而 条 纹 是 由 于 传 感 器 的 固 有 系 统 噪 声 造 成的 规 律 性 条 带 . 对 原 242 个 波 段 的 像进 行 逐 波 段 检 查 , 记 录 有 坏 线 和 条 带 的 波 段 和 对 应的 列 号 , 检 查 结 果 如 表 2. 本 文 坏 线 修 复 采 用 其 相邻 两 列 的 平 均 值 替 换 , 坏 线 修 复 前 后 的 图 像 比 较 以第 99 波 段 为 例 见 图   原 242 波 段 坏 线 检 查 记 录   of in 42 号 坏 线 、 条 带 (影 像 的 列 号 )94 16599 166、 172100 172116 120119 18120 18、 112、 138、 140 , 147、 169、 217121 - 130 收 带 , 信 噪 比 165 - 184 1356~ 1447 , 1810~ 193145、 155200 250203 143222 - 224 信 噪 比 2. 4   测由 于 感 器 推 扫 式 扫 描 系 统 , 获 取 数 据 除 了 产 生 带 状 噪 声 , 还 有 个 主 要 问 题是 光 谱 的 应 (. 应 , 又叫 皱 眉 曲 线 (, 它 是 推 扫 式 扫 描 传 感 器中 典 型 的 光 谱 扭 曲 失 真 问 题 , 是 指 光 谱 在 波 长 上 的偏 移 [5 - 6 ,8 ] . 光 谱 应 改 变 像 元 上 的 光 谱 从而 减 少 地 物 的 分 类 精 度 . 根 据 射 前 的辐 射 量 定 标 , 在 可 见 光 - 近 红 外 (R) 波 段 的 光谱 偏 移 量 可 达 2. 6~ 3. 6 而 短 波 红 外 ( 段 的 光 谱 偏 移 量 一 般 < 1 由 于 每 个 波 段 的 应 并 不 明 显 , 对 应 的 指 示 方 法 常见 有 3 种 :第 1 种 , [3 , 8 ]认 为 , 应 可 以 利用 影 像 的 最 小 噪 声 分 形 ( : 间 的 第 一 波 段 特 征 值 图 像 来 指 示 判 别 像 的 光 谱 遭 受 应 影 响 时 , 第 一 波 段 特9422 期 梁 继 等 : 光 谱 影 像 的 分 析 与 处 理  征 值 图 像 会 表 现 出 显 著 的 亮 度 梯 度 . 本 文 对 保 留 的163 波 段 分 别 对 R 和 段 做 变 换的 空 间 旋 转 , 分 别 根 据 其 空 间 中 的 第 一 特 征向 量 图 的 亮 度 梯 度 来 判 别 应 的 影 响 (见 图 7中 的 a 和 b) . 从 图 7 (a) 和 图 7 ( b) 上 可 以 看 出 , 应 在 R 波 段 上 有 个 明 显 的 亮 度 梯 度 ,而 在 段 因 亮 度 梯 度 不 明 显 几 乎 可 以 忽 略 种 , J [3 ,8 ]认 为 , 由 于 氧 A 带 在 波 段052                                        冰       川       冻       土     31 卷  762 有 强 的 吸 收 (图 8) , 762 右 附 近 两波 段 的 差 值 图 像 可 指 示 应 . 当 影 像 762 右 附 近 两 波 段 差 值 图 像 表 现 出 显 著 的 亮 度 梯度 时 , 指 示 该 影 像 遭 受 应 影 响 显 著 , 影 像像 元 光 谱 扭 曲 失 真 . 图 7 (c) 为 应 在 762 A 带 左 右 附 近 差 值 指 示 图   波 段 762 氧 A 带 的 强 吸 收8   a 62 种 , 红 边 效 应 指 示 法 [3 , 8 ] . 植 被 光 谱 的 “ 红边 ” , 即 红 光 波 段 的 叶 绿 素 吸 收 谷 与 近 红 外 波 段 的高 反 射 肩 之 间 的 陡 升 部 分 , 约 670~ 780 近 ,是 植 被 的 敏 感 特 征 光 谱 段 . 它 的 移 动 反 映 了 叶 绿 素含 量 、 物 候 期 、 健 康 状 况 及 类 别 等 多 种 信 息 . 一 般高 浓 度 的 植 被 叶 绿 素 会 导 致 其 光 谱 红 边 向 红 移 动(向 长 波 方 向 偏 移 ) , 而 低 浓 度 的 叶 绿 素 导 致 红 边 向蓝 移 动 (向 短 波 方 向 偏 移 ) [1 ] . 但 由 于 红 边 受 影 像 大气 吸 收 (如 762 A 带 的 强 吸 收 )和 大 气 校 正 的影 响 , 利 用 红 边 效 应 来 指 示 光 谱 的 应 有 潜在 的 弱 点 像 的 波 段 普 遍 存 在 应 , 正 也 成 为 像 的 图 像 处 理 中必 不 可 少 的 步 骤 . 8 ] 提 出 了 3 种 纠 正 方 法 , 即 : 1) 线 性 拟 合 内 插 (; 2) 辐 亮 度 空 间 平 均值 调 节 方 法 ( ;3) 空 间 列 均 值 调 节 方 法 ( N F . 本 文 采 用 第 3 类 方 法 . 图9 是 像 163 个 波 段 经 变 换 后 的 特征 值 图 , 取 其 前 15 个 特 征 值 波 段 为 信 号 波 段 , 之 后的 为 冗 余 的 噪 声 波 段 . 经 逆 变 换 校 正 过 的163 个 波 段 , 在 去 除 影 像 噪 声 、 去 除 大 气 影 响 的 同时 , 应 也 得 到 有 效 校 正 . 图 7 (d)是 762 附 近 波 长 差 值 图 , 该 图 与 图 7 (c) 相 比 , 图 上 没有 明 显 的 亮 度 梯 度 , 说 明 经 变 换 后 的 像 的 应 有 很 好 的 改 善   变 换 的 特 征 值9   N F 像 几 何 校 正遥 感 影 像 的 几 何 校 正 是 遥 感 图 像 处 理 的 重 要 部分 . 几 何 校 正 过 程 不 仅 消 除 影 像 中 的 几 何 形 变 , 也赋 予 影 像 地 图 坐 标 系 统 . 本 文 中 要 是利 用 15 m 分 辨 率 的 像 作 基 准 影 像 做 几何 校 正 , 地 图 坐 标 参 数 分 别 是 影 ,中 央 经 线 99° E , 东 偏 500 000 像 反 射 率 反 演遥 感 影 像 的 大 气 订 正 主 要 包 括 两 方 面 的 内 容 :大 气 参 数 的 估 计 和 地 表 反 射 率 的 反 演 . 本 文 利 用 射 传 输 模 型 对 黑 河 上 游 进 行 大 气 订 正 . 考 虑 黑 河 上 游 积 雪 山 区 地 表 散射 辐 射 的 各 向 异 性 , 在 辐 射 计 算 中 假 设 地 表 为 二 向反 射 分 布 函 数 模 型 . 述 了 反 射 率与 观 测 角 和 太 阳 天 顶 角 的 关 系 . 根 据 野 外 雪 场 同 步实 测 的 雪 反 射 率 和 雪 反 照 率 , 在 项 中 选 验 型 式 . 大 气 散 射 相 函 数 选 择 数 和 离 散 纵 坐 标 (et 的 4 流 近 似 方 法 来 计 算 多 次 散 射 , 对 自 己 高 光 谱 特 性 的 外 层 大 气太 阳 辐 照 度 文 件 [9 ] 需 要 从 站 上 下 载 . 经辐 射 传 输 模 型 大 气 订 正 后 , 反 演 的 雪 反 射 率 结 果 如图 10 所 示 梁 继 等 : 光 谱 影 像 的 分 析 与 处 理  图 10   像 雪 反 射 率 反 演 结 果10   结 论 为 接 替 而 研 制 的新 型 地 球 观 测 卫 星 , 也 是 一 颗 实 验 性 的 高 光 谱 星 载卫 星 . 因 此 , 像 在 波 段 的 辐 射 定 标 参数 、 影 像 的 条 带 和 坏 线 、 以 及 光 谱 的 应 等方 面 还 有 待 改 进 , 这 些 问 题 也 成 为 像在 图 像 处 理 过 程 中 的 重 点 . 尽 管 像 由 于传 感 器 固 有 原 因 导 致 图 像 处 理 的 复 杂 性 , 但 高 光 谱 特 性 使 其 应 用 前 景 越 来 越 广 泛 . 本 文针 对 像 进 行 了 分 析 、 转 换 、 影 像 条 带 去 除 、 坏 线 替 换 、 光 谱 的 应 校 正 、 以 及 经 射 传 输 的大 气 订 正 , 获 得 了 雪 反 射 率 反 演 图 像 , 为 雪 盖 面 积的 提 取 、 雪 粒 径 和 雪 反 照 率 的 反 演 等 后 续 工 作 提 供了 基 础 图 像 文 献 ( :[ 1 ]   et M ] . 2003 : 1 [赵 英 时 . 遥 感 应 用 分 析 原 理 与 方 法 [ M ] . 北 京 : 科 学 出 版社 , 2003 :1 - 478. ][ 2 ] . . 3 [ R/ . J 5 ,2003. [ 3 ] , et J ] . 2005 (6) :36 - 41. [谭 炳 香 , 李 增 元 , 陈 尔 学 , 等 光 谱 数 据 的 预 处 理 [J ] . 遥 感 信 息 , 2005(6) : 36 - 41. ][ 4 ] et to t he of at ] . ) , 2007 , 37(12) :1653 - 1659. [赵 祥 , 梁 顺 林 , 刘 素 红 , 等 . 高 光 谱 遥 感数 据 的 改 正 暗 目 标 大 气 校 正 方 法 研 究 [J ] . 中 国 科 学 (D 辑 ) :地 球 科 学 , 2007 , 37 (12) : 1653 - 1659. ][ 5 ] A , W , F , et J ] . T , 2003 , 41 (6) :1388 - 1400.[ 6 ] A. by h C ]/ / 9 - 13 007 , V. 6565 , 2007.[ 7 ] N. t 2[ M ] . 2002.[ 8 ] G , , O , et L I ] . T , 2003 , 41 (6) :1321 - 1331.[ 9 ] E/ .                                         冰       川       冻       土     31 卷   2 ,   . d ri d y L 30000 , 2 y y j 00049 , is a h to , it an is to it 42 t he of t W h h is up 0 f t he t he to t he to in of to be on of t he t he p s , so In t t at of t 7 , t t be 1) N he 2) N on t of t on t he 3)t he by at , on at 4) t he t he 5) he of ) at t he f as t he of f 梁 继 等 : 光 谱 影 像 的 分 析 与 处 理  
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