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夜光遥感数据处理

(2020-07-10 15:11:25)
标签:

夜光数据处理

npp-dnb

珞珈一号

dmsp-oli

分类: ENVI

概述

夜光遥感就是利用遥感技术从太空观测夜间地球的光芒,相比于大多数白天成像的可见光卫星和雷达卫星,夜光遥感卫星通过获取地表发射的可见光-近红外电磁波信息,主要反映的是地表人类活动状况,最主要的是人类夜间灯光照明,同时也包括石油天然气燃烧、海上渔船灯光、森林火灾以及火山爆发等来源。相比于普通的遥感卫星影像,夜光遥感能够提供以人类活动为中心的独特视角,能够直接揭示地表人类活动的潜在规律,因此在社会科学领域有广泛的应用。

世界上第一颗夜光卫星(Defense Meteorological Satellite ProgramDMSP)是由美国国防部主导发射,其搭载的线性扫描业务系统(Operational Linescan SystemOLS)提供了迄今最长时间序列(1992-2013年)的年度夜光遥感数据(以下简称DMSP-OLS,空间分辨率为500米。2011年,美国发射了新一代对地观测卫星Suomi NPP,该卫星搭载的可见光/红外辐射成像仪(Visible Infrared Imaging Radiometer SuitVIIRS)能够获取新的夜光遥感影像(Day/Night BandDNB波段),空间分辨率也提高到750m(以下简称NPP-DNB)。DMSP-OLSNPP-DNB数据均由美国国家海洋与大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)开展处理分发并可以免费获取。除了这两套夜光遥感数据,阿根廷、以色列等国的卫星及国际空间站也能获取夜光遥感卫星数据,但这些数据较少,且不易获取。

近年来我国也突破了夜光遥感数据源依赖国外的局面,其中20186月发射成功的珞珈一号是我国首颗专业夜光遥感卫星,分辨率达130m,幅宽250km*250km,理想条件下可在15天内获取全球夜光影像。


数据的获取与说明

2.1  DMSP-OLI数据


作为世界上第一颗夜光卫星,DMSP-OLS开拓了夜光遥感的新领域。但DMSP-OLS存在饱和问题:该数据表征夜光强度的DN值范围是0-63,但许城市核心区域出现了大量DN值为63的像元聚集情况。饱和问题会导致影像所表示的某一区域的灯光强度低于其真实值,进而在应用该数据灯光强度指标相关的研究中产生误差,影响研究的准确性,所以需要对影像进行去饱和校正。NOAA发布了8 期辐射定标去饱和的夜间灯光影像,可由https://ngdc.noaa.gov/eog/dmsp/download_radcal.html下载。此外NOAA还发布了DMSP-OLSVersion4)非辐射定标的无云观测频数影像/平均灯光影像/稳定灯光影像数据集,可由http://http://ngdc.noaa.gov/eog/dmsp/downloadV4composites.html下载。上述两种DMSP-OLS数据下载得到的数据均为TIFF格式,无需预处理即可使用,故DMSP-OLS数据处理在此不赘述。


2.2    NPP-DNS数据


NPP-DNB数据,主要有四种产品类型:日 数据(原始数据),日 合成产品、月合成产品、年合成产品。

1)日 数据,是传感器原始获取的数据,根据产品手册说明http://https://www.star.nesdis.noaa.gov/jpss/documents/UserGuides/VIIRS_SDR_Users_Guide.pdf,该数据有三种类型,RDRSDREDR。最常用的是SDR级别的产品,即L1b,下载方法如下:

第一步:登录网站(需要注册):https://www.avl.class.noaa.gov/saa/products/welcome

第二步:

选择VIIRS_SDR产品:

夜光遥感数据处理
选择DNB数据和相应的定位文件:

夜光遥感数据处理

 

第三步:设置查询的空间范围和时间区段;

第四步:点击Search,在搜索出的数据列表中,选择要下载的数据,提交请求;

注册邮箱稍后会收到数据下载通知,数据是hdf5格式的,包含数据文件和定位文件,命名如:

GDNBO-SVDNB_npp_d20200601_t0422346_e0428149_b44532_c20200703033650253834_nobc_ops.h5

NPP-DNB日 数据的预处理包括:数据打开、几何校正、量纲转换和伪彩色显示。

2)日 合成产品,做过地理编码、镶嵌,数据格式是tiff,带坐标,直接可以使用,可以在这里下载:https://ngdc.noaa.gov/eog/viirs/download_ut_mos.html ,全球数据分为6块存储,其中,75N60E这一块包含中国区域。

3)月合成产品,经过过滤、以排除受杂光、闪电、月球光照、云层影响,合成月产品,考虑因素和处理方法有两个:第一种方法排除了任何受杂散光影响的数据,第二种方法考虑了辐射值是否经过了流光校正;对应的月合成产品有两个版本:vcmvcmsl; “vcmsl”版本,包括了经过光波校正的数据,有更多的数据覆盖到两极,但质量降低。用户可根据应用情况来选择使用哪一组数据。

年合成产品仅用了“vcm”版本制作而成的,不包括任何受杂散光影响的数据。

月合成产品和年合成产品的下载地址为:

https://eogdata.mines.edu/download_dnb_composites.html,全球数据分为6块存储,其中,75N60E这一块包含中国区域,数据格式是tiff,带坐标,直接可以使用。数据说明请参考:https://eogdata.mines.edu/wwwdata/viirs_products/dnb_composites/v10/README_dnb_composites_v1.txt    

2.3         珞迦一号数据

珞珈一号卫星携带的大视场高灵敏夜光遥感相机,具备130m分辨率、260km幅宽的夜光成像能力,数据下载地址:http://59.175.109.173:8888/index.html,可下载数据比较少。数据是tiff+xml元数据文件。预处理包括:数据打开、辐射定标和伪彩色显示。

详细处理过程

3.1        NPP-DNB数据处理

介绍NPP-DNB日 数据,SDR产品,HDF5格式数据的处理。数据文件为:

夜光遥感数据处理

 

第一步、数据打开


ENVI原生支持NPP-DNB数据,可通过菜单File > Open As > Optical Sensors > NPP VIIRS打开,在弹出Open对话框中选择h5文件,点击打开。


第二步、几何定位


在弹出的NPP VIIRS参数面板中进行参数设置,参数保持默认即可,选择Output Directory后并点击OK

 

夜光遥感数据处理

1 NPP-DNB数据几何定位

ENVI会对输出文件自动命名,输出名称为原始文件名+_DNB_Radiance.dat”,得到的结果具有地理坐标并已经去除了蝴蝶效应。数据完成并自动打开的时候报如下提示:

夜光遥感数据处理

 

点击OK即可。数据正常打开。

可以通过点击菜单栏File>Open World Data>Countries,加载ENVI自带全球矢量数据,查看几何定位结果。

 

夜光遥感数据处理

2 NPP-DNB数据几何定位叠加国界矢量


第三步、量纲转换


       NPP-DNB数据单位为 W/(sr·cm2),该量级非常小,点击工具栏中的像素查看工具 ,查看影像DN值,如下图所示:

 

夜光遥感数据处理

3 NPP-DNB数据原始DN值查看

在该图层上点击右键,选择Quick Stats,对图像DN值进行统计,在得到的统计结果面板上,点击Report Precision,用科学计数的方式进行显示,发现数据的量纲是10的负9次方,如下图所示:

 

夜光遥感数据处理

4 科学计数显示数据

为了便于后续数据DN值的查看和使用,可以用波段运算对数据进行量纲转换,即乘以10^9单位变为nW/(sr·cm2),具体操作如下:

(1)   Tool Box中选择/Band Algebra/Band Math

(2)    表达式中输入:b1*(10.0^9),点击OK按钮。

 

夜光遥感数据处理

5波段运算公式

(3)    在弹出的数据波段匹配对话框中选择DNB (700.0000)波段,设置输出文件名称并点击OK按钮。

 

夜光遥感数据处理

6 波段运算数据选择

(4)    过点击工具栏中的 ,查看量纲转换后的影像DN值,如下图所示:

 

夜光遥感数据处理

7 NPP-DNB数据量纲转换后DN值查看

*注:视具体需求,量纲转换为选做


第四步、伪彩色显示

       在图层管理器中量纲转换后的文件名上右击->Change Color Table,选择一个颜色表进行伪彩色显示,如下图所示,夜光数据显示的更为直观。

 

夜光遥感数据处理

8 NPP-DNB数据伪彩色显示(局部)

3.2         珞珈一号数据处理


珞珈一号数据以tar.gz压缩格式提供,解压后包含一个TIF文件及xml文件,其中TIFF记录影像信息,xml文件记录元信息。

夜光遥感数据处理

 

第一步、数据打开


TIF文件可由File->Open直接打开,文件已经过系统几何纠正,故无需做几何方面处理。

 

夜光遥感数据处理

10 珞珈一号数据显示

第二步、辐射定标


下载到的珞珈一号数据未经定标处理,可通过辐亮度转换公式进行定标,公式为:

 

其中L为绝对辐射校正后的辐亮度值,单位为 ,DN为影像灰度值。

我们可以通过Band Math进行辐射定标,具体操作如下:

(1)   Tool Box中选择/Band Algebra/Band Math

(2)    表达式中输入:b1^(3.0/2)*(10.0^(-10)),点击Add to List添加公式,点击OK按钮。

 

夜光遥感数据处理

11 珞珈一号波段运算

(3)    在弹出的数据波段匹配对话框中选择Band 1波段,设置输出文件名称并点击OK

 

夜光遥感数据处理

12 珞珈一号波段运算数据选择

*注:辐射定标为选做,视具体需求而定。


第三步、伪彩色显示


       同样,为了使夜光数据显示的更加好看,可在图层管理器中定标后的文件名上右击->Change Color Table,选择一个颜色表进行伪彩色显示。

另外,点击菜单栏中的File->Chip View to->Google Earth可将当前视图叠加到Google Earth(需自行安装)查看,如下图所示。

夜光遥感数据处理

13 珞珈一号伪彩色显示并叠加Google Earth(局部)

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