卫星数据图像预处理方法研究

日本ALOS卫星数据图像预处理方法研究－⑴RS应用2010-10-0815:39:22阅读107评论0字号：大中小订阅引言随着航天遥感技术的发展，多星种、多波段、多分辨率的卫星影像数据不断出现，人们对高分辨率遥感数据的使用，已经有了很大的选择空间。为了更好的开发利用遥感数据图像信息，提高对多源遥感数据的认知能力，需要对各类遥感图像数据进行处理方法的研究，日本ALOS卫星数据就是其中之一。关键词：有效灰阶动态度，色强度空间变换模式，线性加权乘积变换模式，乘积变换模式，主分量组分变换模式，三次卷积算法，双线性内插算法，波段同步性，曲向错位。一.ALOS卫星简介ALOS卫星又称高级陆地观测卫星(AdcancedLandObseringSatellite，以下简称ALOS)，是日本宇航研究开发机构于2006年1月，在日本南部的种子岛航天发射中心(TanegashimaSpaceCenter，NTSC)发射的一颗陆地观测卫星，是日本在1992年发射的地球资源卫星1号和1996年发射的改进型地球观测卫星之后，发射的又一颗自称“更加先进的”陆地观测技术卫星。ALOS卫星携带有三种遥感传感器：①全色立体测图传感器(PRISM)，具有2.54米的空间几何分辨率，能分别沿轨道方向的前视、垂直下视、和后视快速获取高精度的地面立体信息；②新型可见光和近红外辐射计(AVNIR-2)，具有10.00米的空间几何分辨率、0.42～0.69μm可见光谱段波谱分辨率，以及0.76～0.89μm近红外谱段波谱分辨率，主要用于地表面覆盖观测；③相控阵型L-波段合成孔径雷达(PALSAR)，具有24.00～89.00米微波谱段极化分辨率，主要用于全天候陆地观测。PRISM具有独立的三个观测相机，分别用于星下点、前视和后视观测，沿轨道方向获取立体影像，星下点空间分辨率为2.54米。其观测区域在北纬82°至南纬82°之间，其数据主要用于建立高精度的数字高程模型。表1.PRISM基本参数波段数1(全色)波长0.52～0.77μm观测镜3(星下点成像、前视成像、后视成像)基高比1.0(在前视成像与后视成像之间)空间分辨率2.5m(星下点成像)幅宽70km(星下点成像模式)35km(联合成像模式)指向角-1.5度to+1.5度观测模式模式1星下点、前视、后视(35km)模式2星下点(70km)+后视(35km)模式3星下点(70km)模式4星下点(35km)+前视(35km)模式5星下点(35km)+后视(35km)模式6前视(35km)+后视(35km)模式7星下点(35km)模式8前视(35km)模式9后视(35km)新型AVNIR-2传感器的观测区域在北纬88.40°至南纬88.50°之间，主要用于陆地和沿海地区观测，为区域环境监测提供土地覆盖图和土地利用分类图。为了灾害监测的需要，AVNIR-2还提高了交轨方向的指向能力，侧摆指向角度为±44°，从而缩短了重访周期，能够及时观测受灾地区。PALSAR是一种主动式微波传感器，它不受云层、天气和昼夜影响，可全天候对地观测。波长为22厘米，这一波段被定义为L波段，该波段特点是可以穿透树叶和树干，适用于森林监测。在侧视角度为41.50°时，PALSAR观测区域在北纬87.80°～南纬75.90°之间。表3.PALSAR传感器的基本参数模式高分辨率模式扫描式合成孔径雷达极化(试验模式)中心频率1270MHz(L波段)线性调频宽度(ChirpBandwidth)28MHz14MHz14MHz,28MHz14MHz极化方式HHorVVHH+HVorVV+VHHHorVVHH+HV+VH+VV入射角8to60°8to60°18to43°8to30°空间分辨率7～44m14～88m100m24～89m(多视)幅宽40～70km40～70km250～350km20～65km量化长度5bit5bit5bit3或5bit数据传输速率240Mbps240Mbps120Mbps,240Mbps240MbpsALOS卫星在亚太地区以上行太阳同步轨道方式提供观测数据。二.对ALOS影像数据的预处理我们以ALOS数据B1产品为试验对象，在ERDASIMAGINE、PHOTOSHOP图像处理系统上进行ALOS影像数据的预处理，并对其原数据进行了基本的测试分析。1.ALOS卫星原始影像数据的特点：ALOS卫星数据有两个获取源，一是通过日本官方媒介直接获取，二是通过中国科学院地面卫星接收站获取。源数据皆以1B格式提供，同时随附概要说明，指示每一景数据的接收日期、轨道编号、观测模式、行列数目、存储深度等参数。源数据在到达用户手中时，已经进行了必要的大气辐射订正和必要的地理坐标定位，提供每一景数据的廓角经纬度和中心点经纬度。以下以ALOS卫星的全色立体测图传感器(PRISM)、可见光和近红外辐射计(AVNIR-2)数据预处理为例，进行简要说明。⑴．全色立体测图传感器(PRISM)数据：PRISM数据为全色影像，光谱范围在0.52～0.77μm可见光波谱段，空间几何分辨率为2.54米，提交给用户时，被重新采样为2.50米。PRISM是四带光栅扫描式CCD传感器，CCD构像密度为7000点阵即4900万像素，每一扫描带宽为5090个像元，共20360个像元，由于CCD传感器点阵宽度的限制，按星轨运动方向从左边起算：从图1分析：第一扫描带分为四个数据段：0～33个像元为系统噪声，34～3551个像元为空信号，3552～5025个像元为影像数据，5026～5090个像元为系统噪声。第二扫描带分为三个数据段：0～33个像元为系统噪声，34～5025个像元为影象数据，5026～5090个像元为系统噪声。第三扫描带分为三个数据段：0～33个像元为系统噪声，34～5025个像元为影象数据，5026～5090个像元为系统噪声。第四扫描带分为四个数据段：0～33个像元为系统噪声，34～3169个像元为影像数据，3170～4986个像元为空信号，4987～5090个像元为系统噪声。因此，PRISM提供的有效影像数据扫描宽度为14590个像元，按其像素的空间几何分辨率尺度计算，覆盖宽度为37058.60米，即37公里。产品化保障性覆盖宽度为35公里。单景轨向长度为16000个像元，去除首尾各一个像元，按其像素的空间几何分辨率尺度计算，覆盖长度为40634.92米，即40.5公里。产品化保障性覆盖长度为40公里。每一景全色波段影像的理论地表覆盖面积为1400平方公里，为同景多光谱波段影像的25％即四分之一。⑵．可见光和近红外辐射计(AVNIR-2)数据：AVNIR-2数据为四波段多光谱影像，其中光谱范围在0.42～0.69μm分为蓝、绿、红三个可见光波谱段，空间几何分辨率为10.00米；光谱范围在0.76～0.89μm为一个近红外波谱段，空间几何分辨率也为10.00米；AVNIR-2是光栅扫描式PMOS传感器，PMOS构像密度也为7100点阵即5041万像素，每一扫描带宽为7100个像元。AVNIR-2实际提供的影像宽度为7100个像元，按其像素的空间几何分辨率尺度计算，覆盖宽度为71000.00米，即71.00公里。保障性覆盖宽度为70.00公里。AVNIR-2提供的多光谱影像数据，单景在轨向的长度为8000个像元，按其像素的空间几何分辨率尺度计算，覆盖长度为80000.00米，即80.00公里。每一景ALOS可见光全色波段影像覆盖地表的理论面积为5600平方公里，为同景全色波段影像的400％即四倍。⑶．全色波段影像数据质量：据ALOS卫星数据提供商介绍，源数据在到达用户手中时，已经进行了必要的大气辐射订正。但我们在分别比较了分别来自中国科学院卫星地面站和日本RESTEC公司所提供的安徽芜湖、广东汕头的同景ALOS与SPOT5数据后，发现其源数据并不像其所介绍得那样好。①源影像的数据动态范围检测：分别观察来自中国科学院卫星地面站与日本RESTEC公司所提供的安徽芜湖、广东汕头的同景ALOS卫星PRISM影像全色波段数据，其共同特点均是灰度动态范围极小，在信息处理的过程中，其可量化的空间比较狭窄：分析ALOS卫星源影像的灰度值范围，我们将源影像进行了分步处理，包括对原始数据、镶嵌数据两方面的分析，从中发现：从图2观察，进行了镶嵌后的原始影像，像面灰朦如(a)，将其按实际像素尺度放大如(b)后，灰度层次不明显，再放大到极限即扫描线可视的状态如(c)后，其局部灰度无显著视觉改善。分析其灰度直方图，其有效灰度值均集中在10～155之间，动态度仅有56.86％。观察如此全色波段数据，直接感觉就似未进行过任何大气订正的数据。回复分析原始分带扫描数据，从第一扫描带至第四扫描带，其灰度直方图分别表现为图3所示：观察从第一至第四扫描带影像并计算其各自的灰度值范围，分别为62～110、55～135、60～148、60～125，即相对的灰阶动态度分别为32.50％、31.37％、34.51％、35.72％，其动态度的表现平均为33.53％，加权后为52.16％，与镶嵌后的全景有效灰阶动态度56.86％基本一致。显然，比对同景范围SPOT5全色波段数据的76.47％有效灰阶动态度来说，ALOS卫星影像全色波段源数据所表现的信息承载能力比较差，见图4(a)、(b)。②源影像数据的表面噪声检测：将源数据放大至象元级进行观察，在软件系统默认的实际像素分辨尺度下，能够观察到ALOS卫星PRISM传感器在成像过程中的扫描痕迹，其扫描间隔恰好是隔行痕迹。对比同景的SPOT5卫星影像，其痕迹噪声十分明显，见图5(a)、(b)。由于这种信号噪声的性状是属于高频系列的，因此，在数据预处理过程中几乎无法予以消除。虽然我们并不对卫星数据本身提出质疑，但这种信号噪声的确影响ALOS数据的深度应用，根据剖析过若干种卫星传感器的专家分析，这类信号噪声的产生原因，当主要是PRISM传感器在成像过程中，由于扫描光栅的机械抖动所造成。其AVNIR-2的各波段也有相同的问题。在常规的“变化信息提取”所需要的屏幕显示尺度即极限像素尺度下(一般为1:2000～1:4000)，其扫描痕迹就更加明显，见图6：这种扫描痕迹所带来的结果，就是使得在今后遥感图像数字化处理的实际应用过程中，无法对ALOS卫星数据进行计算机自动分类和其它模式识别一类的运算。⑷．多光谱波段影像的数据质量：①源影像的数据动态范围检测：仔细观察分别来自中国科学院卫星地面站与日本RESTEC公司所提供的安徽芜湖、广东汕头的同景ALOS卫星影像多光谱波段数据，能够发现其与全色波段数据有相同的问题，即灰阶实际上分布在十分狭小的值域范围内，无信噪声十分明显。这说明，ALOS卫星影像的源数据在大气辐射订正方面有十分明显的缺陷，见图7。从图7(d)中可以观察到，灰度值域从0～34基本无值，这是造成ALOS卫星影像数据质量差的原因之一。我们分析，这主要是由垂直大气通道内的米氏散射现象所造成的，而其灰度分布曲线的“驼峰”曲象，则主要是与垂直大气通道前后交叉的瑞利散射所造成的。因此，唯一可解释的，就是以日本方面所提供的ALOS卫星0.7633透视参量进行大气辐射订正，仅适于海洋性区域的大气通道，而对内陆地区的大气通道状况则有所不逮。对于ALOS卫星的大气辐射订正缺陷，除了我们，一些有关方面如台湾省“国立中央大学太空及遥测研究中心”的李国光教授等人在内的其他业内人士，也都发现了此问题。②源数据的波段同步性检测：在相同的原始影像数据坐标下，检查ALOS卫星多波段影像中四个波段的原像素坐标的一致性，以确认各波段数据的同步性能。经检查发现，不论是安徽芜湖景，还是广东汕头景，其红光波段(第三波段)与蓝光波段(第一波段)、绿光波段(第二波段)、红外波段(第四波段)的数据均不同步，可造成15～25米的地表面距离差，因此，在合成的彩色影像上有明显的几何位置曲向错位即“双眼皮”现象，其错位方向：Y方向即星轨运动方向超前2个像元，X方向的光栅回程扫描成像方向滞后1个像元，使得整体影像在第一象限45°角北