一种中分辨率成像光谱仪1B级遥感影像异常数据的修正方法

摘要

本发明公开了一种中分辨率成像光谱仪1B级遥感影像异常数据的修正方法，该方法主要解决如何对影像中像元点数值异常和影像边缘数据异常进行修正的技术问题，通过MODIS数据成像特点，找出每个条带边缘影像纬度数据异常的部分，通过线性内插的方式，对异常的纬度数据和影像数据进行修正，其它异常数则通过相邻影像间重叠区域的同名像元点，进行快速修正。本发明针对MODIS 1B级条带影像中的异常数据，结合MODIS数据的成像特点和DVB-S系统接收区域的重叠，快速的对影像中的异常数据进行修正，方法简单，执行效率高，修正效果好。

说明书

技术领域

本发明属于遥感影像数据预处理技术领域，具体地说是一种针对通过数字卫星广播系统(DVB-S)接收到的中分辨率成像光谱仪(MODIS)1B级条带影像中的异常数据的修正，利用MODIS数据的成像规律和DVB-S地面接收站点的接收范围并利用其中的重叠区域数据相同的特点，实现MODIS影像中异常数据的快速修正的方法。

背景技术

中分辨率成像光谱仪(MODIS)是地球观测系统(EOS)计划中重要的传感器之一，具有时效性高、覆盖范围广、光谱信息丰富等特点，能够为实时监测和预报提供全面、丰富、及时的信息，并在突发性自然、环境灾害中有广泛的应用。

为了提高我国遥感数据的共享水平，在科技部科学数据共享工程的支持下，国家卫星气象中心利用DVB-S建立了MODIS共享平台，通过国家卫星气象中心下属的北京、广州和乌鲁木齐地面站，以及国家海洋局下属的三亚、西藏和海洋局6个地面站接收遥感卫星数据，将所有的数据汇总到国家卫星气象中心，生成1A/1B级数据；最后通过DVB-S系统，采用数字视频的方式将所有的数据统一打包上传至通讯卫星，并向国内用户广播。国内用户只需简单的视频接收设备，就可以低廉的价格使用这些卫星遥感数据。

作为我国对地观测系统MODIS共享平台的重要组成部分，DVB-S(数字视频广播系统)能够为我国研究人员提供准实时的MODIS数据，促进了我国相关领域的科学研究，极大地提高了我国遥感数据的共享水平。但由于信号干扰等原因，用户通过DVB-S系统接收到的数据中，个别影像存在较多的异常数据，主要为影像DN值及地理定位数据的异常。

以往对于遥感影像中异常值的修正，主要利用空间或时间上相邻像元的自相关性，采用一定的时间或空间插值方法对影像中的异常数据进行修正。但对于MODIS遥感影像而言，单个像元覆盖的地表面积较大，易受云等多变大气要素影响，降低了其时空自相关性。而且上述方法获得的均为经插值运算后的计算值，与真实值会存在一定差异，并难以对集中分布的大量异常点或条带进行高精度修正。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种针对通过数字卫星广播系统(DVB-S)接收到的中分辨率成像光谱仪(MODIS)1B级条带影像中的异常数据的修正方法，通过利用MODIS数据的成像规律和DVB-S地面接收站点接收范围的重叠区域，实现MODIS影像中异常数据的快速修正。

本发明要解决的技术问题是：影像中数据异常区域的查找，包括影像像元值及影像边缘数据异常区域的查找；异常纬度数据的删除及删除后数据的填补；如何查找多个站点间相邻MODIS影像，并从中找出接收的影像间的重叠区域，对重叠区域中的同名像元点中的异常数据进行修正等。

本发明的技术方案是：利用影像中相邻扫描条带纬度数据的重叠判断重叠区域，通过删除异常数据并利用线性内插的方式填补删除的纬度数据以及相对应的影像数据，同时利用修正后的纬度数据和影像数据进行相邻影像之间的重叠区域条带匹配，最终对其中的异常数据进行同名点的替换，实现异常数据的修正，其具体步骤是：

步骤1：中分辨率成像光谱仪影像数据以及经纬度数据的读取

使用层次式文件格式类库中的函数进行中分辨率成像光谱仪获取的所有数据的读取，按以下步骤进行：

a)、打开层次式文件格式文件并初始化接口；

b)、将要读取的科学数据集名称转换为数据集的索引号；

c)、根据数据集的索引号打开相应的科学数据集；

d)、定义被读数据集的起始位置和终止位置；

e)、读取数据集的信息，将读取的数据按照扫描行和扫描列对应的顺序存放在二维数组对应的行和列中；

f)、结束数据集的访问；

g)、判断是否读完所有的数据集；

h)、结束接口，关闭层次式文件格式文件；

步骤2：影像边缘异常纬度数据区域的查找及修正

a)、按扫描带分割纬度数据

将存放在二维数组中的纬度数据，从第一列开始，以单列方向上单个扫描带所占的像元为单位，即以10个像元为单位，对该列的纬度数据进行划分；

b)、查找重叠纬度数据

按照扫描带的顺序，依次从已划分的纬度数据数组中提取两个相邻扫描带的纬度数据，对比并找出两个扫描带之间纬度数据的重叠部分，该重叠部分即是异常数据的范围；

c)、删除重叠纬度数据

本步骤中b)两个扫描带中的前一个扫描带，将重叠部分的纬度数据删除，并将删除的纬度数据及删除数据所对应的行数记录在另一个数组中；

d)、线性插值修正

利用本步骤c)中已删除重叠部分数据的扫描带后保留的最后一行的纬度数据，以及后一个扫描带第一行的数据，采用线性插值填补删除后空白的纬度数据；

步骤3：影像边缘异常影像数据的修正

a)、删除重叠影像数据

根据步骤2中b)查找的结果直接找出相邻扫描带中异常的影像数据范围，并将相对应的前一个扫描带中重叠的影像数据删除，并将删除的影像数据及删除数据所对应的行数记录在另一个数组中；

b)、距离加权插值修正

找出步骤2中d)得到的修正后的纬度数据及与其对应的步骤2中c)记录的删除的重叠部分纬度数据，以及删除的重叠部分的纬度数据对应的影像数据，查找出与修正后的纬度数据最邻近的两个删除的纬度数据，计算该点与其最邻近两点的纬度上的距离，并用距离加权插值填补删除的影像数据；

步骤4：相邻影像间重叠区域查找

a)、中分辨率成像光谱仪影像基本信息提取

利用通过数字卫星广播系统接收到的中分辨率成像光谱仪影像文件名命名规则，从影像的文件名中提取MODIS影像的基本信息，包括搭载的卫星名称，影像的空间分辨率以及影像的成像时间；

b)、判断是否存在相邻影像

中分辨率成像光谱仪所在的卫星经过同一纬度地区的下一成像时间大约1小时30分，依此可将影像成像时间间隔在30分钟内的影像定义为时间上相邻的影像，并对影像进行分组，按照成像时间的先后顺序排列；

c)、重叠区域的查找

将时间上相邻的两景中分辨率成像光谱仪影像，从成像时间更早的影像的第一行开始，按照扫描带成像先后顺序，与另一景影像中所有的扫描行进行纬度数据的匹配，从而找出影像数据完全相同的所有扫描行，并确定在时间上相邻的影像间重叠区的范围；

d)、结束查找

步骤5：重叠区域判断

利用步骤4中c)的重叠区域查找结果判断是否有重叠区域；

步骤6：影像异常数据的修正

分别从相邻的两景中分辨率成像光谱仪影像重叠区域的一端开始，按照相同的扫描带顺序对比相同位置的像元，如果其中有任何一个像元的数值异常且对应的另一个像元的值正常，则将异常的像元值替换，完成异常数据的修正，直到所有重叠区域的所有的扫描带都完成比对；

步骤7：将结果输出。

所述影像边缘异常纬度数据区域的查找及修正是仅利用纬度数据的异常进行数据异常的判断和修正；由于MODIS传感器搭载在AUQA和TERRA两颗卫星上，且两颗卫星的轨道不同，AUQA卫星的纬度数据，其列方向上正常的纬度数据单调递变特征为单调递增；TERRA卫星的纬度数据，其列方向上正常的纬度数据单调递变特征为单调递减；异常数据的修正直接在单列方向上，找出相邻扫描带的重叠区域，通过重叠区域的删除和线性插值对异常的数据进行修正，并对异常的影像数据按距离加权插值进行修正。

所述相邻影像间重叠区域查找是根据通过数字卫星广播系统(DVB-S)接收到的MODIS文件命名规则，提取搭载的卫星，影像的空间分辨率以及影像的成像时间信息；并以30分钟作为判断时间上相邻、具有重叠区域的影像组划分标准；按照扫描带顺序，依据纬度数据和影像数据双匹配法查找影像之间的重叠区域。

在层次式文件格式(Hierarchical Data Format)，即HDF中，数据存储的单位是科学数据集，所有的数据都是按照一定的逻辑顺序划分，如经、纬度数据集等，分别存放在不同的科学数据集中。

本发明通过对DVB-S系统所有接收站点分布的分析，发现各站点接收范围之间都存在较大的重叠，因此可以通过查找影像间重叠区域内的同名像元，用正常像元数据替代异常数据，从而实现大量异常数据的快速、准确修正。

附图说明

图1为本发明流程图

图2为本发明DVB-S MODIS数据接收站点的位置以及接收范围的示意图

图3为本发明实施例重叠区域范围的示意图

图4为本发明实施例异常数据修正前的示意图

图5为本发明实施例异常数据修正后的示意图

具体实施方式

参阅图1，本发明是一种遥感影像中异常数据的修正方法，该方法利用站点间接收数据范围的重叠，找出相邻影像间重叠的区域，并对同名像元点进行匹配，用其中正常的像元值替代不正常的像元值，以实现异常数据的准确修正，其具体修正步骤是：

步骤1：MODDIS影像数据10的读取以及经纬度数据的读取20

MODIS影像数据10主要使用层次式文件格式类库中的函数进行MODIS所有数据的读取，其步骤和使用的函数如下：

a)、打开层次式文件格式文件并初始化SD(SDstart)接口21；

b)、将要读取的科学数据集名称(如纬度数据集的名称为Latitude)转换为数据集的索引号(SDnametoindex)22；

c)、根据数据集的索引号打开相应的科学数据集(SDselect)23；

d)、设定数据集读取的起始和终止位置24，如果读取的数据集是多维数据集(一维以上)，则要定义被读数据集的起始位置和终止位置(start、edge)，否则不必指定；

e)、读取数据集的信息(SDreaddata)25，如果读取的是经纬度数据，则将读取的数据按照扫描行和扫描列对应的位置，存放在二维数组对应的行和列中；

f)、结束数据集的访问(SDendaccess)26；

g)、判断是否读完所有指定的数据集27；

h)、结束SD接口，关闭层次式文件格式文件(SDend)28；

步骤2：影像边缘异常纬度数据区域的查找及修正30

a)、按扫描带划分纬度数据31

将存放在二维数组中的纬度数据，从第一列开始，以单列方向上单个扫描带所占的像元为单位，即以10个像元为单位，对该列的纬度数据进行划分；

b)、查找重叠纬度数据32

按照扫描带的顺序，依次从已划分的纬度数据数组中提取两个相邻扫描带的纬度数据，对比并找出两个扫描带之间纬度数据的重叠部分，该重叠部分即是异常数据的范围；

c)、删除重叠纬度数据33

本步骤b)两个扫描带中的前一个扫描带，将重叠部分的纬度数据删除，并将删除的纬度数据及删除数据所对应的行数记录在另一个数组中；

d)、线性插值修正34

利用本步骤c)中，已删除重叠部分数据的扫描带后保留的最后一行的纬度数据，以及后一个扫描带第一行的数据，利用线性插值的方法填补删除后空白的纬度数据；

步骤3：影像边缘异常影像数据的修正40

a)、删除重叠影像数据41

由于MODIS栅格影像数据中，单个格点的影像数据与纬度数据存在一一对应的关系，因而异常的纬度数据对应的影像数据也存在异常，可利用这种对应关系，根据步骤2中b)查找的结果直接找出相邻扫描带中异常的影像数据范围，并将相对应的前一个扫描带中重叠的影像数据删除，并将删除的影像数据及删除数据所对应的行数记录在另一个数组中；

b)、距离加权插值修正42

找出步骤2中d)得到的修正后的纬度数据及与其对应的步骤2中c)记录的删除的重叠部分纬度数据，以及删除的重叠部分的纬度数据对应的影像数据，查找出与修正后的纬度数据最邻近的两个删除的纬度数据，计算该点与其最邻近两点的纬度上的距离，并用距离加权插值填补删除的影像数据；

步骤4：相邻影像间重叠区域查找50

a)、MODIS影像基本信息提取51

利用接收到的DVB-S MODIS影像文件名命名规则，从影像的文件名中提取MODIS影像的基本信息，包括搭载的卫星名称，影像的空间分辨率以及影像的成像时间；

b)、判断是否存在相邻影像52

MODIS所在的卫星经过同一纬度地区的下一成像时间大约1小时30分，依此可将影像成像时间间隔在30分钟内的影像定义为时间上相邻的影像，并对影像进行分组，按照成像时间的先后顺序排列；

c)、重叠区域的查找53

由于重叠区域中，影像的纬度数据与影像数据均完全相同，可利用经过影像边缘异常纬度数据和影像数据处理后的MODIS数据，将时间上相邻的MODIS影像，从成像时间更早的影像的第一行开始，按照扫描带成像先后顺序，与时间上相邻的另一景影像中所有的扫描行进行纬度数据的匹配，从而找出影像数据完全相同的所有扫描行，并确定在时间上相邻的影像间重叠区的范围；

d)、结束查找54

步骤5：重叠区域判断60

利用步骤4中c)的重叠区域查找结果判断是否有重叠区域；

步骤六：影像异常数据的修正70

分别从相邻的两景MODIS影像重叠区域的一端开始，按照相同的扫描带顺序对比相同位置的像元，如果其中有任何一个像元的数值异常且对应的另一个像元的值正常，则将异常的像元值替换，完成异常数据的修正，直到所有重叠区域的所有的扫描带都完成比对；

步骤七：将结果输出80。

实施例

参阅图1、图3、图4及图5，对2008年6月4日成像时间在6点左右的MODIS影像进行异常数据修正，选取的MODIS数据是DVB-S系统中的广州、北京和乌鲁木齐地面接收站接收的来自于AQUA卫星的MODIS数据，选用空间分辨率为1KM的影像。按照本发明的流程图，对三幅影像中的异常数据进行修正，经步骤1读取这些站点的影像数据和对应的经纬度数据，然后步骤2和步骤3给出的修正法，对数据边缘异常的纬度数据按照线性插值法进行修正，并同时对相应的异常的影像数据按照距离加权插值法进行修正，然后查找出相邻影像间的重叠区域，并从MODIS文件的文件名中提取出基本的影像信息，包括搭载的卫星，影像的空间分辨率以及影像的成像时间，实施例中广州站接收的MODIS影像文件名为AQUA_2008_06_04_05_48_GZ.MOD021KM.hdf，在此以该文件的文件名为例，说明从文件名中提取影像数据基本信息的方法，从文件中的字符“AQUA”提取出MODIS传感器搭载的卫星名称为AQUA，从文件名字符“1KM”，得到该影像的空间分辨率为1公里，从文件名字符“2008_06_04_05_48”提取该影像成像时间开始于2008年6月4日5点48分。从提取出的影像成像时间中计算出不同影像成像时间间隔，将间隔在30分钟内的都划分为一组，进行异常数据的校正，最后找出相邻影像间的重叠区域(图4所示)，同时从两景MODIS影像重叠区域的一端开始，比对扫描带内位置相同的像元，用正常的像元值替代异常的像元值，直到所有重叠区域内的像元都比对完成。异常数据校正前后的影像对比如图4和图5所示。

表-1：中分辨率成像光谱仪MODIS主要技术参数

Table-1 Main parameters of the MODIS instrument

据资料检索发现，已有的异常数据的修正方法，大多采用空间插值或时间插值方法，修正后得到的数据并非传感器接收到的真实的值，且对于较大面积的异常数据来说，该种方法都无法解决。为此，本发明采用DVB-S系统接收站点接收范围间存在重叠的区域，且重叠部分的值完全相同的特点，进行MODIS数据的修正。而且能够同时对多种异常数据(影像数据、经纬度数据)进行修正。

针对2008年6月4日成像时间在6点左右，由广州、北京和乌鲁木齐三个站点的数据进行影像异常值的处理。通过利用本发明方法处理过后的影像效果图可以看出，本发明能够很好的对其它影像中存在的异常数据进行修正，修正效果好，且方法简单，执行效率高。