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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 轨道类型 轨道高度 倾角 降交点地方时 侧摆能力（滚动） 指 标 太阳同步回归轨道 645km（标称值) 98.0506° 10:30 AM ±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 0.45-0。90μm 0.45-0.52μm 0。45—0。52μm (完整版)高分一号数据处理流程

光谱范围 多光谱 0.52-0.59μm 0。63—0。69μm 0.77-0。89μm 0。52-0。59μm 0。63—0。69μm 0。77—0.89μm 16m 空间分辨率 全色 多光谱 2m 8m 幅宽 重访周期（侧摆时） 覆盖周期（不侧摆） 60km（2台相机组合） 4天 41天 800km（4台相机组合） 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 1A级 产品名称 产品说明 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.

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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： Lbs=A＊DNB+B

其中A为校正增量系数，DNB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）,

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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。

Lε（λε)=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相机的定标系数

卫星载荷 PMS1 波段号 PAN Band1 Band2 Band3 Band4 PMS2 PAN Band1 Band2 Band3 Band4 WFV1 Band1 Band2 Band3 Band4 WFV2 Band1 Band2 Band3 Band4 WFV3 Band1 Band2 Band3 Band4 Gain Bias 0.1886 0.2082 0。1672 0。1748 0.1883 0。1878 0。2072 0.1776 0。177 0。1909 0。1709 0.1398 0。1195 0.1338 0.1588 0.1515 0.1251 0。1209 0。1556 0.1700 0。1392 0.1354 —13。127 4.6186 4。8768 4。8924 -9。4771 -7。9731 7。5348 3.9395 —1.7445 —7。2053 —0。0039 —0.0047 —0.0030 -0.0274 5.5303 —13。642 —15.382 —7.985 12.28 -7。9336 —7.031 -4。3578 (完整版)高分一号数据处理流程 WFV4 Band1 Band2 Band3 Band4 0.1819 0.1762 0。1463 0.1522 3。6469 —13。54 —10.998 —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Bandmath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Gain 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。

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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，高分一号也不例外.在中国资源卫星应用中心可下载：http://www。cresda。com/n16/n1115/n1522/n2118/186272。html.与资源一号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

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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 Classic

2）选择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。

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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2空白部分填补0。

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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 factor选择默认:10，单击OK；

注：定标后的单位是W⋅m−2⋅sr−1⋅μm−1,与FLAASH要求的单位（μW）/（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

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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）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—180度，方位角:-180 and 180,没有查到高分一号的角度说明,这里选择默认。

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图7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。

注：以上辐射校正部分参考互联网资料，使用ENVI5.0软件进行。http：//blog.sina。com。cn/s/blog_764b1e9d0101bob2。html

四、几何校正

遥感影像成图是由于扫描畸变等系统因素以及遥感平台高度、经纬度、速度和姿态不稳定、地球曲率等非系统因素的影像使得影像本身的集合位置，大小、方位等特征与现实地物不一致，因此需要进行几何校正。几何校正包括普通的几何校正(也叫图像纠正）和正射校正。正射校正是借助于地形高程模型（DEM），对影像的每一个像元进行地形变形的校正，是遥感影像更符合正射投影的要求.

ENVI环境下普通几何校正（图像纠正)步骤如下： １.打开参考地形图(标准影像）和待校正影像

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２.在主菜单上选择map—〉Registration-〉select GCPs：image to image ３.分别在两边选中参考图像（BASE）和待校正影像（warp) ４。选择控制点：

控制点的选择以配准对象为依据,选取图像上易分辨且较精细的特征点。图像边缘一定要选取控制点,以免图像外推.尽可能满幅均匀选取15个点以上。（保证各点误差值在0。5以内） 如果要放弃该点选择右下脚的delete last point，或者点show point弹出image to image gcp list窗口，从中选择你要删除的点。

５。选点结束后，保存点：ground control points—〉file-〉save gcp as ASCII。。 ６。接下来进行校正:在ground control points.对话框中选择: options->warp file在出现的input warp image中选中你要校正的影像，点ok进入registration parameters对话框：选择重采样方法（resampling）,为（bilinear）。 ７。最后的最后选择保存路径,然后开始进行校正计算 ENVI环境下正射校正的步骤入下：

1）启动Toolbox—Geometric Correction-Orthorectification—RPC Orthorectification Workflow。

2）选择图像文件和dem文件

3）正射校正参数设置，包括控制点选择、输出像元大小、重采样方法、输出路径等. 控制点：无 Pixel size:8

Image resample：Cubic Convolution 4）单击Finish，执行正射校正。 全色图像的正射校正使用相同的方法.

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注:ENVI5中的正射校正工具优点是流程化操作,缺点是没法设置输出的结果的投影参数。使用ENVI Classic中的Map— 〉Orthorectification —> Generic RPC and RSM完成正射校正。

图8：正射校正参数设置

打开全色和多光谱正射校正结果，两个结果都是在无控制点、利用RPC文件做的正射校正,可以看到几何位置在视觉上没有偏差,叠合的非常好。说明其几何定位精度非常的好。

在ENVI中，选择file->Open Image File,直接选择。tiff 文件打开。在波段列表中可以看到ENVI自动识别了相应的RPC文件。

ENVI自动识别了RPC文件，直接选择ENVI中的正射校正菜单进行正射校正.由于缺少控制点信息这里直接使用无控制点正射校正功能。

(1)在ENVI中，选择Map—Orthorectification-Generic RPC and RSM —Orthorectify using RPC or RSM。在文件选择对话框中选择文件。

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(2）在Orthorectify参数面板中，如下图的参数设置。输出像元大小从经纬度转换过来有一定的误差,可手动更改. (3）单击OK执行正射校正。

五、图像裁剪与镶嵌

当研究区域只占一景影像的一部分，为了研究方便和迅速，通常将研究区域从这一景影像中裁剪出来。当研究区域超出单幅影像所覆盖的范围的时候，通常需要将两幅或者多幅影像拼接起来形成一幅较大的覆盖全部研究区域的影像,该过程称之为图像镶嵌。 ＥＮＶＩ环境下图像裁剪操作步骤如下:

１. 打开需要裁剪的影像

２. 选择菜单 Ｂａｓｉｃ Ｔｏｏｌｓ－Ｒｅｓｉｚｅ Ｄａｔａ

３. 选择要裁剪的影像，点击Ｓｐａｔｉａｌ Ｓｕｂｓｅｔ，并在窗口中选在需要的部分，在

弹出的界面中选择ｆｉｌｅ按钮，并且选择存储路径即可。

注:在ＥＮＶＩ环境中也已使用矢量多边形进行裁剪,首先是将矢量多边形转化为ＲＯＩｓ或者是根据具体情况自己画出感兴趣区域（ＲＯＩｓ)进行裁剪,使用的工具是Ｂａｓｉｃ Ｔｏｏｌｓ－Ｓｕｂｓｅｔ Ｄａｔａ ｖｉａ ＲＯＩｓ。这两种方法操作基本一致，不在赘述。 ＥＮＶＩ环境下图像镶嵌操作步骤如下（基于地理坐标的图像镶嵌）:

１. 选择菜单 Ｍａｐ－Ｍｏｓａｉｃｋｉｎｇ－Ｇｅｏｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ

２. 在突出的窗体中选择Ｉｍｐｏｒｔ—Ｉｍｐｏｒｔ Ｆｉｌｅｓ 添加要进行拼接处理的

影像，之后点击ＯＫ

３. 右键单击每幅影像，去除背景 ４. 然后设置背景的值为０，点击ＯＫ

５. 在弹出的窗口中对影像的位置坐适当的调整，最后点击应用。 ６. 选择重采样的方式,点击ＯＫ即可完成图像拼接

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注：由于软件版本不同，以上步骤中可能不完全一致，但是关键步骤是相同的，以实际操作为准.

六、图像融合

图像融合是将低空间分辨率的多光谱图像或高光谱数据与高空间分辨率的单波段重新采样，生成一幅高分辨率多光谱遥感图像的图像处理技术。使得处理后的图像既有较高的空间分辨率，又具有多光谱特征.

首先，彩色(RGB）多光谱换到HSV空间，然后用高分辨率全色波段代替变换后的value波段，并拉伸到0到1范围（以和原来的value波段亮度值范围相对应）， 然后再将HSV反变换到RGB空间，便得到融合图像。 ＥＮＶＩ环境下图像融合的操作步骤如下：

１.ＥＮVI主菜单元中选择Transform－Color Transforms－RGB to HSV，然后在RGB to HSV 将多光谱影像变换到ＨＳＶ空间

２。在主菜单元中选择Basic Tools－Stretch Data,然后选择高分辨率全色数据文件，单击OK，在Data Stretching对话框的Output Data Range部分的Min和Max文本框中分别键入0和1,输入回车，键入输出文件名，单击OK，这样将把高分辨率全色数据拉伸到0到1范围

３.在ENVI主菜单中选择Transform－Color Transforms－HSV to RGB，在HSV to RGB Input Bands对话框中，选择变换后多光谱数据的Hue和Sat波段作为H和S波段，选择拉伸后的高分辨率全色波段作为V波段

４．单击OK，在HSV to RGB Parameters对话框中键入输出的融合文件名，再次单击OK，即可得到高分辨率全色影像和多光谱数据融合的影像。