遥感课堂丨夜光遥感数据的获取与详细处理流程

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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 Program，DMSP）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 System，OLS）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 Suit，VIIRS）能够获取新的夜光遥感影像（Day/Night Band，DNB波段)，空间分辨率也提高到750m（以下简称NPP-DNB）。DMSP-OLS和NPP-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2018年6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。

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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，但是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-OLS（Version4）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://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https://www.star.nesdis.noaa.gov/jpss/documents/UserGuides/VIIRS_SDR_Users_Guide.pdf，该数据有三种类型，RDR、SDR、EDR。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：

选择DNB数据和相应的定位文件：

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：vcm和vcmsl；“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。

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。

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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：

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。

图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：

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。

图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，该量级非常小，点击工具栏中的Cursor Value，查看影像DN值，如下图所示：

图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：

图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. 在Tool Box中选择/Band Algebra/Band Math。

2. Enter an expression中输入：b1*(10.0^9)，点击OK按钮。

图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。

图6 波段运算数据选择

4. 过点击工具栏中的Cursor Value，查看量纲转换后的影像DN值，如下图所示：

图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。

图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TIFF文件及xml文件，其中TIFF记录影像信息，xml文件记录元信息。

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。

图9 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：

在Tool Box中选择/Band Algebra/Band Math。

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

图10 珞珈一号波段运算

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。

*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。

图11 珞珈一号伪彩色显示并叠加Google Earth（局部）