AVIRIS反射率數據簡介

Surface Reflectance 高光譜圖像 ↑

Surface Reflectance 高光譜圖像 ↑

AVIRIS高光譜成像光譜儀採集得到的原始圖像為輻亮度圖像,經過校正後的L1級產品為地表輻亮度信息。但是許多時候,我們更希望知道地面目標物的反射率信息,並且這一信息應該與在地面使用地物光譜儀(如常見的ASD光譜儀)採集的反射率曲線應該一致。因此從原始的輻亮度(Radiance)圖像轉換生成反射率圖像通常需要進行大氣校正,水汽吸收校正等過程,最終消除大氣傳輸過程中的各種干擾因素影響,得到最終的反射率曲線。需要注意的是,由於大氣水汽吸收的影響,如上圖所示,在特定波長波段(1400nm左右與1900nm左右)信號強度非常弱,數據信噪比差,通常會將這些波段認定為無效波段。

特別注意:由於AVIRIS服役時間較長,數據採集和處理流程應該經歷過多次優化,目前官方文檔中介紹反射率圖像生成和描述方法中提到的部分描述文件在當前下載到的反射率文件中不存在。因此我綜合多個官方文檔來理解和描述當前反射率圖像數據,可能存在錯誤。

1. 基本說明

根據官方文檔的描述[1],將原始的校正後的AVIRIS輻亮度數據(Radiance Data),通過高光譜-紅外圖像L2級處理流程,轉換生成反射率信息。該處理只針對HyspIRI Precursor Data Sets進行,也就是說只有部分圖像有對應的反射率圖像。文檔中具體介紹了該處理流程中的使用的算法、理論假設以及最終結果數據組織等信息。網站上列出的文檔最後更新日期為2013年10月,但是在下載到的數據中,有更新版本的文檔(最後更新日期為2014年8月),最主要的不同是2014年版本中刪除了關於結果數據組織的內容。因為13年版本描述的數據組織方式與我下載的幾景圖像的數據組織完全不同,可能後續更新過,但是並沒有相關文檔說明。

根據AVIRIS HyspIRI preparatory campaign measurements任務中關於L2級大氣校正算法的描述[2],如下圖所示,從輻亮度圖像到反射率圖像主要經過了大氣校正和殘差抑制兩個步驟。具體描述如下。

L2大氣校正流程以及反射率圖像生成 ↑

L2大氣校正流程以及反射率圖像生成 ↑

 

2. 大氣校正

大氣校正是基於ATREM(Atmosphere Removal Algorithm)算法進行的,該算法通過水蒸氣、二氧化碳、臭氧、氮氧化物、一氧化碳、甲烷和氧氣的吸收作用來反演等比例的表面反射率(scaled surface reflectance)。根據這些氣體吸收模型,再結合圖像的成像幾何,可以聯合估計400~2500nm的大氣透射率。大氣散射效應則通過6S模型進行估計,6S模型是利用940nm和1140nm處的水汽吸收特徵來反演水蒸氣柱濃度,進而估算得到朗伯體表面反射率。

在HyspIRI數據預處理流程中,還增加幾個額外的特徵:HITRAN 2012 line list中的塊吸收,同時估計液態、氣態和固態水的三相反演結果。壓力高度(Pressure Altitude)則使用氧氣A波段的深度進行反演,在成像目標中存在大範圍高程變化和多光學路徑情況下,該方法能夠提高反演精度。

3. 經驗校正

最終,使用實地對應位置(in situ)的目標測量結果,通過經驗模型,來修正表面反射率結果。具體的,為每個波段估計一個改正係數項,使得最終機載圖像的光譜曲線與實地測量的同名點地物光譜曲線盡量一致。這個改正係數存儲在以.smth為擴展名的額外對應文件中。如果研究人員希望使用原始數據,那麼可以通過將網站提供的校正後的圖像逐波段除以該改正係數即可。

4. 實際數據簡介

從網站上實際下載的一景反射率圖像中可能包含數個文件,其具體含義如下表所示(註:該表格為作者結合文檔與數據情況理解製成,可能存在錯誤

文件名稱 文件含義
*_corr_v1*_corr_v1.hdr ENVI格式的反射率圖像,該圖像為最終矯正結果。需要注意的是,該圖像像素值可能為整型(我下載的2013~2015的幾景圖像均為整型,2018年為浮點型),其含義是將原始浮點型反射率乘以10000得到的整數部分。也就是說如果想得到反射率數據,需要將像素值除以10000即可。例如某個像素值為2500,則該像素對應的實際反射率為0.25(2500 ÷ 10000 = 0.25)。
此外文檔中提到的經驗改正係數存儲文件*.smth在下載得到的數據包中並不存在,而在ENVI數據頭文件中,存在一項名為correction factors的浮點數列表,其中包含n個浮點數(n為波段數量),我猜測這個應該就是文檔中提到的經驗改正係數
*_h2o_v1*_h2o_v1.hdr 這個ENVI圖像文件包含三個波段數據,每個波段圖像的長寬與反射率圖像相同,疑似為文檔中提到的水汽的三相反演結果
*_README_v1.txt 這個就是反射率處理流程的官方說明文檔,不同數據中該文件幾乎相同,只是最後更新版本的區別。

參考文檔


  1. AVIRIS Surface Reflectance Data Distribution Document – HyspIRI Precursor Data Sets ONLY 

  2. Level 2 processing of AVIRIS HyspIRI preparatory campaign measurements