遙感影像輻射校正

遙感影像輻射校正第一頁，共53頁。本次課程主要內容引起輻射誤差的原因由于大氣影響引起的輻射誤差校正由于太陽輻射不同引起的輻射誤差校正第二頁，共53頁。輻射校正定義利用傳感器觀測目標的反射或輻射能量時，由于測量值包含了太陽位置、地形起伏、大氣等外界條件，或因傳感器的性能不完備等引起的輻射失真，所以傳感器得到的測量值與目標實際的光譜反射/發(fā)射率或光譜輻射亮度等物理量不一致。消除圖像數(shù)據(jù)中依附在輻射亮度中的各種噪聲的過程稱為輻射（量）校正（radiometriccorrection;radiometriccalibration（需要有標定物））第三頁，共53頁。大氣輻射校正作用不同時間或不同傳感器收集的影像進行對比和共同應用，相同地物有相似的輻亮度（反射率），以便進行動態(tài)監(jiān)測和變化監(jiān)測；將影像像元光譜與地面收集或實地測定的光譜進行對比，使影像上的光譜信息更接近于地面地物的光譜信息；定量遙感必須做大氣輻射校正，如農情監(jiān)測、估產等第四頁，共53頁。1圖像的輻射糾正原因1.1為什么要進行輻射糾正？1）傳感器本身的產生的誤差；2）外界（自然）條件引起的誤差與幾何畸變產生原因類似形成“同物異譜，異物同譜”現(xiàn)象。圖像不能真實地反映不同地物的光譜特征，影響了遙感數(shù)字圖像的質量和應用。第五頁，共53頁。遙感器的響應特性引起的輻射誤差對于框幅式攝影機，主要由于透鏡中心和邊緣的透射光強度不一致造成的對于掃描成像，包括：一、光電轉換誤差；二、探測器增益變化引起的誤差。另外，還包括，由探測器單元不一致引起的條紋誤差，由存儲設備和噪聲引起的斑點誤差。遙感儀器誤差導致接收的圖像不均勻，產生條紋等現(xiàn)象，但是這種畸變一般在數(shù)據(jù)生產過程中，由生產單位（地面站）根據(jù)傳感器參數(shù)進行校正，一般不需要用戶進行校正。

第六頁，共53頁。外界（自然）條件引起的輻射誤差1、大氣對電磁輻射的影響大氣的散射、反射和吸收用戶應該考慮的主要是大氣影響造成的畸變，特別是定量遙感。2、太陽輻射引起的輻射誤差

1）太陽位置引起的輻射誤差

2）地表地形起伏引起的輻射誤差第七頁，共53頁。反射率反射率是反射輻射通量與入射通量的比值，是0-1之間的無量綱的值ρλ=Φreflectedλ/Φiλ通常用反射率描述各種地物的光譜反射特性。分為：鏡面反射、方向反射、漫反射（各向同性）反射率是地物自身的屬性一個基本概念：2、由于大氣引起輻射誤差校正第八頁，共53頁。大氣影響的定量分析

進入大氣的太陽輻射會發(fā)生反射、折射、吸收、散射和透射。其中對傳感器接收影響較大的是吸收和散射。

第九頁，共53頁。大氣影響的定量分析無大氣：

在沒有大氣存在時，傳感器接收的輻照度，只與太陽輻射到地面的輻照度和地物反射率有關。

設E0λ為波長λ的入射輻照度，θ為入射方向的天頂角，當無大氣存在時，地面上單位面積的輻照度為：

太陽光為方向光束第十頁，共53頁。大氣影響的定量分析假定地表面是朗伯體，

其表面為漫反射，則某方向物體的輻射亮度為：是地物反射率；是半球球面度（半球反射）

第十一頁，共53頁。大氣影響的定量分析傳感器接收信號時，受儀器的影響還有一個系統(tǒng)增益因子，這時進入傳感器的亮度值為：第十二頁，共53頁。大氣影響的定量分析

由于大氣的存在，輻射經(jīng)過大氣吸收和散射，透過率小于1，從而減弱了原信號的強度。同時大氣的散射光也有一部分直接或經(jīng)過地物反射進入到傳感器，這兩部分輻射又增強了信號，但卻不是有用的。在入射方向有與入射天頂角θ和波長λ有關的透過率Tθλ；反射后，在反射方向上有與反射天頂角Φ和波長λ又有關的透過率TΦλ。因此進入傳感器的輻亮度值為

第十三頁，共53頁。大氣影響的定量分析

由于大氣分子和氣溶膠等散射，使得鄰近區(qū)域對太陽輻射的反射經(jīng)大氣散射，部分能量進入傳感器，其輻照度為ED，其輻亮度值為（此值通常很小，有人主張忽略不計）第十四頁，共53頁。相當部分的散射沒有到達地面，向上通過大氣直接進入傳感器，這部分輻射稱為程輻射度，輻亮度為。大氣影響的定量分析第十五頁，共53頁。大氣影響的定量分析

可見，由于大氣影響的存在，實際到達傳感器的輻射亮度是前面所分析的三項之和，即第十六頁，共53頁。輻射傳輸方程Eλ為傳感器輸入輻射度Kλ為傳感器的光譜響應系數(shù)；ρλ為地物的波譜反射系數(shù)；E0為太陽輻射照度T（Z1，Z2）為Z1到Z2區(qū)段的大氣層光學厚度θ為太陽天頂角；ελ為地物的發(fā)射率系數(shù)We(λ)為與地物同溫度黑體的發(fā)射通量密度H為平臺高度；bλ為大氣輻射所形成的天空輻射照度第十七頁，共53頁。輻射傳輸方程從輻射傳輸方程可以看出，傳感器的輸出Eλ除了與地物本身的反射和發(fā)射波譜特性有關外，還與傳感器的光譜響應特性、大氣條件、光照情況等因素有關。第十八頁，共53頁。大氣影響的定量分析比較以下兩個公式：

大氣的主要影響是減少了圖像的對比度，使原始信號和背景信號都增加了因子。

有大氣無大氣第十九頁，共53頁。大氣影響的定量分析無大氣時（a)白處亮度值為50，黑處亮度值為0，則亮度對比C1=（50－0）／50＝1。當有大氣影響時(b)，乘上透過率后假定減少10％，亮度值減少到45，而由于L2和Lp

存在，黑白處亮度均增加

10，這樣亮度對比變成

C2

=（55-10)/55＝9/11。可見，對比度減小，圖像質量下降了

第二十頁，共53頁。大氣輻射校正的方法1、近似大氣校正2、基于模型的大氣校正第二十一頁，共53頁。大氣影響的粗略糾正

嚴格地說，去除大氣影響是將公式中的附加項和附加因子求出，最終求出地物反射率R，從而恢復遙感影像中地面目標的真實面目。當大氣透過率變化不大時，有時只要去掉含ED和Lp的數(shù)據(jù)項就可修正圖像的亮度。這種對大氣影響的糾正是通過糾正輻射亮度的辦法實現(xiàn)的，因此也稱作輻射校正。

第二十二頁，共53頁。大氣影響的粗略糾正

精確的校正公式需要找出每個波段像元亮度值與地物反射率的關系。為此需得到衛(wèi)星飛行時的大氣參數(shù)，以求出透過率Tθ、Tφ等因子。如果不通過特別的觀測，一般很難得到這些數(shù)據(jù)，所以，常常采用一些簡化的處理方法，只去掉主要的大氣影響，使圖像質量滿足基本要求。

第二十三頁，共53頁。大氣影響的粗略糾正

粗略校正指通過比較簡便的方法去掉式

中的Lp，即程輻射度，從而改善圖像質量。可以認為，程輻射度在同一幅圖像的有限面積內是一個常數(shù)，其值的大小只與波段有關。

第二十四頁，共53頁。暗物體扣除法(Darkobjectsubtraction)(1)在影像中選擇暗物體(2)假定暗物體的光譜值為0。(3)如果暗物體的光譜不為0，則認為這是大氣作用的效果。(4)將影像中所有像元值減去暗物體的數(shù)值。問題：易過度校正，暗物體可能不好找。陡峭地形的陰影（暗物體）

暗物體的DN值不為0第二十五頁，共53頁。以紅外波段校正可見光波段大氣散射（瑞利散射、米氏散射）的選擇性，即波長越短，大氣散射越大；波長越長，大氣散射越小直方圖法或回歸分析確定a值糾正方法：

差值法第二十六頁，共53頁。TM的第7波段（短波紅外，2.08-2.35微米）TM的第4波段（近紅外，0.76-0.9微米）黑暗物體的灰度統(tǒng)計直方圖第二十七頁，共53頁。以長波波段（短波紅外）校正短波波段（可見光、近紅外）黑暗物體：可見光和紅外波段2維散點圖，建立線性回歸方程。第二十八頁，共53頁。經(jīng)驗線性法(Empiricalline)(1)測量地物光譜（暗物體，亮物體）；(2)確定影像的DN值(observed)與地面測量的光譜(groundtruth)對應的區(qū)域；(3)擬合確定相應參數(shù)；(4)對影像進行校正。問題：需要地面同步測量。對于歷史數(shù)據(jù)，很難實現(xiàn)。L=a+bRL為遙感圖像亮度值，R為地面測量值，a，b為待定系數(shù)第二十九頁，共53頁。EmpiricalLinecalibrationUseEmpiricalLinecalibrationtoforcespectraldatatomatchselectedfieldreflectancespectra.AlinearregressionisusedforeachbandtoequateDNandreflectance.Thisisequivalenttoremovingthesolarirradianceandtheatmosphericpathradiance.Thefollowingequationshowshowtheempiricallinegainandoffsetvaluesarecalculated.第三十頁，共53頁。Reflectance(fieldspectrum)=gainxradiance(inputdata)+offsetENVI'sempiricallinecalibrationrequiresatleastonefield,laboratory,orotherreferencespectrum;thesecancomefromspectralprofilesorplots,spectrallibraries,ROIs,statisticsorfromASCIIfiles.Inputspectrawillautomaticallyberesampledtomatchtheselecteddatawavelengths.Ifmorethanonespectrumisused,thentheregressionforeachbandwillbecalculatedbyfittingtheregressionlinethroughallofthespectra.Ifonlyonespectrumisused,thentheregressionlinewillbeassumedtopassthroughtheorigin(zeroreflectanceequalszeroDN).Thecalibrationcanalsobeperformedonadatasetusingexistingfactors.第三十一頁，共53頁。ComputingFactorsandCalibratingTypically,youshouldchooseadarkandabrightregionintheimageforuseintheempiricallinecalibration(providingthatreferencespectraareavailablefortheseregions).Thisprovidesamoreaccuratelinearregression.Usingasmanypaireddata/fieldspectraasyoucanwillalsoimprovethecalibration.Atleastonespectralpairisnecessary.第三十二頁，共53頁。通過查看軟件的英文幫助，掌握數(shù)據(jù)處理流程和基本原理第三十三頁，共53頁?；谀Ｐ偷拇髿庑Ｕ姶泡椛淠芰吭诖髿廨椛鋫鬏斂梢苑纸鉃椋?1)大氣吸收和散射的消光作用(能量減少)——衰減效應(2)大氣熱輻射作用(能量增加)(3)天空散射，便非目標物參量被接收(能量增加)——程輻射簡化的大氣輻射傳輸方程為：

E=E0exp(-T(0,H))+Epath其中，E為遙感器系統(tǒng)所收集到的輻射能量，E0為地物目標的輻射能量；exp(-T(0,H))為大氣衰減系數(shù)，取決于大氣的成分、厚度等，計算相當復雜；Epath大氣程輻射。第三十四頁，共53頁。應用大氣輻射傳輸模型進行遙感影像大氣糾正需要解決兩個關鍵的問題：一、大氣輻射傳輸模型；二、有關大氣介質特征數(shù)據(jù)的獲取。一、大氣輻射傳輸模型在遙感實際應用中，大氣輻射傳輸模型常需要進一步簡化。如：假定地面為朗伯體，排除云的存在，運用各種條件下的標準大氣模式及大氣氣溶膠模式。第三十五頁，共53頁。二、有關大氣介質特征數(shù)據(jù)的獲取1）通過實測獲得大氣參數(shù)（氣溫、氣壓、氣溶膠和水蒸氣的濃度），輸入大氣輻射傳輸方程，則可精確計算出大氣糾正參數(shù)(如大氣透過率、程輻射)的數(shù)值解，再通過計算每個象元的反射值，以完成對整幅影像的糾正。2）利用高光譜遙感圖像監(jiān)測汽溶膠、水氣柱等，如用MODIS數(shù)據(jù)，對LandSat數(shù)據(jù)進行大氣校正。第三十六頁，共53頁。基于模型大氣輻射校正實現(xiàn)基于模型的大氣輻射校正軟件：6S,Actor,Flaash,Lowtran,Modtran等。利用輻射傳輻模型的輸出估測影像中的大氣組成。然后將模型的大氣影響從影像中去除。第三十七頁，共53頁。相對散射模型

TM影像的星上輻射校正 L=DN*gain+bias其中L為地物在大氣頂部的輻亮度；DN為像元的灰度值，gain和bias分別為圖像的增益與偏置，可從圖像的頭文件中讀取。最后，根據(jù)像元的輻亮度值、大氣頂部的太陽輻照度、成像時的太陽高度角等參數(shù)由下式計算出樣本的反射率ρ。第三十八頁，共53頁。其中為日地天文單位距離，取值1；為大氣頂部的太陽輻照度，各波段的E0值見下表；為成像時的太陽天頂角，即太陽高度角的余角，從圖像的頭文件中讀取。ETM+各波段值（單位:）TM影像反射率的計算第三十九頁，共53頁。3、由于太陽輻射不同引起的輻射誤差校正3.1、太陽位置引起的輻射誤差校正3.2、地形起伏引起輻射誤差校正第四十頁，共53頁。3.1太陽位置引起的輻射誤差校正將太陽光線傾斜照射時獲取的圖像校正為太陽光線垂直照射時獲取的圖像。Eτ(θ,λ)=Eτ(λ)

sinθ，其中θ太陽高度角θEτ(λ)Eτ(θ,λ)一般衛(wèi)星過境當?shù)貢r間10點半左右第四十一頁，共53頁。3.1太陽位置引起的輻射誤差校正太陽高度角計算：

sinθ=sinφsinδ±cosφcosδcost其中，φ為圖像對應地區(qū)的緯度；δ為太陽赤緯（成像時太陽直射點的緯度）；t為時角（圖像對應地區(qū)經(jīng)度與成像時太陽直射點地區(qū)經(jīng)度的差）第四十二頁，共53頁。太陽高度角的校正是通過調整一幅圖像內的平均亮度來實現(xiàn)的，在太陽高度角求出來后，太陽以高度角θ斜射時得到的圖像g（x，y）與直射時得到圖像f（x，y）的關系為：

f（x，y）=g（x，y）/sinθ

f（x，y）=g（x，y）/cosi

i為太陽天頂角，θ為太陽高度角θiθ對一幅圖像為常數(shù)第四十三頁，共53頁。兩幅圖像太陽位置引起輻射誤差校正不同時期（雖然當?shù)貢r間相近，但太陽赤經(jīng)、時角等不同，所以太陽高度角不同）兩幅圖像，以其中一幅為標準，校正另外一幅圖像：

DN1/cosi1=DN2/cosi2DN1/sinθ1=DN2/sinθ2如以第一幅圖像為標準，校正第二幅圖像則：DN’=DN2cosi