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日本ALOS卫星数据图像预处理方法研究－⑴

2009-08-26 16:42阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1634680435

　　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(Adcanced Land Obsering Satellite，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(Tanegashima Space Center，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。

表2. AVNIR-2基本参数
波段数
 4
波长
 波段1: 0.42～0.50μm(蓝波段)
波段2: 0.52～0.60μm(绿波段)
波段3: 0.61～0.69μm(红波段)
波段4: 0.76～0.89μm(近红外波段)
空间分辨率
 10m(星下点)
幅宽
 70km(星下点)
信噪比
 >200
探测器数量
 7000/波段
侧摆指向角
 -44 to +44 °
量化长度
 8bit


　　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
(Chirp Bandwidth)
 28MHz
 14MHz
 14MHz,28MHz
 14MHz
极化方式
 HH or VV
 HH+HV or VV+VH
 HH or VV
 HH+HV+VH+VV
入射角
 8 to 60°
 8 to 60°
 18 to 43°
 8 to 30°
空间分辨率
 7～44m
 14～88m
 100m
 24～89m
(多视)
幅宽
 40～70km
 40～70km
 250～350km
 20～65km
量化长度
 5bit
 5bit
 5bit
 3或5bit
数据传输速率
 240Mbps
 240Mbps
 120Mbps,240Mbps
 240Mbps


　　ALOS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ERDAS IMAGINE、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：
日本ALOS卫星数据图像预处理方法研究－⑴

　　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：
日本ALOS卫星数据图像预处理方法研究－⑴

　　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：
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