遙感影像輻射定標(biāo)與大氣校正

遙感影像輻射定標(biāo)與大氣校正第一頁，共50頁。本節(jié)課知識要點(diǎn)綱要：一、輻射定標(biāo)的概念及原理二、大氣校正的概念及原理三、輻射定標(biāo)、大氣校正、輻射校正的區(qū)別四、FLAASH大氣校正原理五、FLAASH大氣校正操作難點(diǎn)：大氣校正原理重點(diǎn)：FLAASH操作第二頁，共50頁。輻射定標(biāo)的定義我們常見影像的像元值大多是經(jīng)過量化的、無量綱的DN(DigitalNumber)灰度值，而進(jìn)行遙感定量化分析時，常用到輻射亮度值、反射率值、溫度值等物理量。所以，傳感器輻射定標(biāo)就是要獲得這些物理量的過程。作用是消除傳感器本身產(chǎn)生的誤差。輻射定標(biāo)是將傳感器記錄的電壓或數(shù)字量化值（DN灰度值）轉(zhuǎn)換成絕對輻射亮度值（輻射率）的過程，或者轉(zhuǎn)換成與地表反射率、表面溫度等物理量有關(guān)的相對值的處理過程。第三頁，共50頁。輻射定標(biāo)的類型輻射定標(biāo)分為絕對定標(biāo)和相對定標(biāo)絕對定標(biāo)是通過各種標(biāo)準(zhǔn)輻射源，建立輻射亮度值與數(shù)字量化值（DN值）之間的定量關(guān)系，對于一般的線性傳感器，絕對定標(biāo)通過一個線性關(guān)系式完成數(shù)字量化值（DN值）與輻射亮度值L(單位:w/m2·μm·sr)的轉(zhuǎn)換：

L=Gain*DN+OffsetL：輻射亮度值，單位（瓦特/平方厘米*微米*球面度）Gain:增益系數(shù)，可以從頭文件獲取。單位（瓦特/平方厘米*微米*球面度）DN：數(shù)字量化值，DN值是遙感影像像元亮度值，記錄的地物的灰度值。無單位，是一個整數(shù)值，值大小與傳感器的輻射分辨率、地物發(fā)射率、大氣透過率和散射率等有關(guān)。Offset:偏移量，可以從頭文件獲取。單位（瓦特/平方厘米*微米*球面度）y=a*x+b（線性函數(shù)關(guān)系）第四頁，共50頁。相對定標(biāo)是確定各像元之間、各探測器之間、各波譜段之間以及不同時間測量的輻射度量相對值。傳感器輻射定標(biāo)分為三個方面內(nèi)容：①發(fā)射前的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)；②基于星載定標(biāo)器的星上定標(biāo)；③發(fā)射后的定標(biāo)（場地定標(biāo)）。注：我們常用的定標(biāo)參數(shù)，有使用實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)的結(jié)果（如高分辨率傳感器QuickBird、WorldView-1等）；也有使用實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)與星上定標(biāo)相結(jié)合的參數(shù)（如NOAA、MSS等）；由于設(shè)備老化，LandsatTM5的定標(biāo)參數(shù)有用實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)的（2003年前），也有用經(jīng)過場地定標(biāo)的參數(shù)（2003年后）；第五頁，共50頁。第六頁，共50頁。第七頁，共50頁。Landsat數(shù)據(jù)定標(biāo)第八頁，共50頁。第九頁，共50頁。定標(biāo)參數(shù)使用Chander,Markham,andHelder(2009)的研究成果，其中LPGS

和NLAPS分別是兩種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到的產(chǎn)品：①theLevel1ProductGenerationSystem(LPGS)

②theNationalLandArchiveProductionSystem(NLAPS)從2008年12月份開始，L7ETM+

和

L5都是以LPGS系統(tǒng)處理，L4TM和

MSS以NLAPS系統(tǒng)處理。具體參數(shù)如下所示：第十頁，共50頁。NLAPS處理和LPGS處理產(chǎn)品的MSS定標(biāo)參數(shù)第十一頁，共50頁。NLAPS處理產(chǎn)品的TM4、5定標(biāo)參數(shù)第十二頁，共50頁。Landsat數(shù)據(jù)定標(biāo)的ENVI實(shí)現(xiàn)步驟使用Landsat數(shù)據(jù)定標(biāo)工具可以將LandsatMSS、TM或ETM+的DN值轉(zhuǎn)換成輻射亮度值或表觀大氣反射率。下面以USGS（UnitedStatesGeologicalSurvey）美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站下載的，帶MTL元數(shù)據(jù)的Landsat7數(shù)據(jù)為例，操作過程如下：①在ENVI主菜單中，選擇ExternalFile→Landsat→GeoTIFFwithMetadata，打開Landsat7ETM+數(shù)據(jù)L71140037__MTL.txt第十三頁，共50頁。第十四頁，共50頁。②在ENVI主菜單中，選擇啟動定標(biāo)工具：BasicTools→Preprocessing→CalibrationUtilitties→LandsatCalibration，選擇文件，單擊OK按鈕。第十五頁，共50頁。③在ENVILandsatCalibrationDialog對話框中，輸入如下參數(shù)（自動從元數(shù)據(jù)中獲?。哼@里CalibrationType注意選擇為Radiance（輻射亮度值）。

第十六頁，共50頁。④單擊EditCalibrationParameters按鈕，可以打開定標(biāo)參數(shù)對話框，可以自行修改定標(biāo)參數(shù)。第十七頁，共50頁。⑤選擇輸出路徑及文件名，單擊OK按鈕，執(zhí)行定標(biāo)過程。第十八頁，共50頁。⑥顯示定標(biāo)結(jié)果第十九頁，共50頁。當(dāng)元數(shù)據(jù)信息丟失，或者選擇ExternalFile→Landsat→GeoTIFF，打開GeoTIFF格式文件時，需要手動輸入ENVILandsatCalibrationDialog對話框中的參數(shù)（默認(rèn)參數(shù)會自動添加），以不帶元數(shù)據(jù)的Landsat7_

GeoTIFF格式文件數(shù)據(jù)為例，操作過程如下：第二十頁，共50頁。MODIS數(shù)據(jù)定標(biāo)定標(biāo)公式：①反射率計(jì)算公式R=reflectance_scale*(DN—reflectance_offset)②輻射亮度計(jì)算公式R=radiance_scale*(DN—radiance_offset)第二十一頁，共50頁。MODIS數(shù)據(jù)定標(biāo)的ENVI實(shí)現(xiàn)方法步驟：File→OpenExternalFile→EOS-MODIS通過這種方法打開MODIS的1級數(shù)據(jù)，ENVI會自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，打開后的數(shù)據(jù)就是完成輻射定標(biāo)后的數(shù)據(jù)。第二十二頁，共50頁。傳感器參數(shù)MODIS數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)本身存在于HDF文件數(shù)據(jù)集之中，該文件內(nèi)包含了輻射定標(biāo)所需的所有參數(shù)，元數(shù)據(jù)的獲取可以采用HDFExplorer等HDF文件查看工具來獲得，ENVI中也自帶了獲取元數(shù)據(jù)的模塊：BasicTools→Preprocessing→Data-SpecificUtilitties→ViewHDFDatasetAttributes第二十三頁，共50頁。第二十四頁，共50頁。大氣校正的定義大氣校正的目的是消除大氣和光照等因素對地物反射的影響。廣義上講，為了獲得地物反射率、輻射率或者地表溫度等真實(shí)物理模型參數(shù)；狹義上講，是為了獲取地物真實(shí)反射率數(shù)據(jù)。用來消除大氣中水蒸氣、氧氣、二氧化碳、甲烷和臭氧等物質(zhì)對地物反射的影響，消除大氣分子和氣溶膠散射的影響。大多數(shù)情況下，大氣校正同時也是反演地物真實(shí)反射率的過程。第二十五頁，共50頁。問題：①什么情況下需要做大氣校正？②我們購買或者其他途徑獲取的影像是否做過大氣校正？第二十六頁，共50頁。通俗來講，如果我們需要定量反演或者獲取地球信息、精確識別地物等，需要使用影像上真實(shí)反映對太陽光的輻射情況，那么就需要做大氣校正。我們購買的影像，說明文檔中會注明是經(jīng)過輻射校正的，其實(shí)這個輻射校正指的是粗的輻射校正，只是做了系統(tǒng)大氣校正，就跟系統(tǒng)幾何校正的意義是一樣的。第二十七頁，共50頁。大氣校正的類型基于對遙感圖像校正后的結(jié)果可以分為：①絕對大氣校正：是將遙感圖像的DN值轉(zhuǎn)換為地表反射率、地表輻射率、地表溫度等的方法。②相對大氣校正：校正后得到的圖像，相同的DN值表示相同的地物反射率，其結(jié)果不考慮地物的實(shí)際反射率。第二十八頁，共50頁。絕對大氣校正方法相對大氣校正方法基于輻射傳輸模型的MORTRAN模型、LOWTRAN模型、ATCOR模型、6S模型等基于統(tǒng)計(jì)的不變目標(biāo)法基于簡化輻射傳輸模型的黑暗像元法直方圖匹配法等基于統(tǒng)計(jì)學(xué)模型的反射率反演第二十九頁，共50頁。既然有這么多的大氣校正方法，那么又應(yīng)該如何判斷何時用何種方法呢？

總結(jié)規(guī)律僅供參考：

1、如果是精細(xì)定量研究，那么選擇基于輻射傳輸模型的大氣校正方法。

2、如果是做動態(tài)監(jiān)測，那么可選擇相對大氣校正方法或者較簡單的方法。

3、如果參數(shù)缺少，只能選擇其他較簡單的方法。第三十頁，共50頁。簡化黑暗像元法大氣校正此方法的原理是：在一定條件下反射率很?。ń?）的黑暗像元由于大氣的影響，使得這些像元的反射率相對增加，即黑暗像元處增加的這部分反射率是由大氣影響造成的，通過其他像元減去這些黑暗像元增加的像元值，就可以減少大氣對整幅圖像的影響，達(dá)到大氣校正的目的。關(guān)鍵：尋找黑暗像元以及黑暗像元增加的像元值。ENVI下的DarkSubtract工具提供選擇波段最小值、ROI的平均值、自定義值三種方式確定黑暗像元的像素值。操作過程如下（以2000年TM5大興安嶺地區(qū)影像圖像為實(shí)例）：第三十一頁，共50頁。（1）打開待校正圖像文件。File→OpenImageFile→選擇Landsat7_2000.img數(shù)據(jù)第三十二頁，共50頁。（2）在主菜單中，選擇BasicTools→Preprocessing→GeneralPurposeUtilities→DarkSubtract，在文件選擇對話框中選擇待校正圖像文件2000.img，單擊OK按鈕，打開DarkSubtractionParameters面板。第三十三頁，共50頁。（3）在DarkSubtractionParameters面板中，確定黑暗像素值包括三種方法（SubtractionMethod）：

①波段最小值(BandMinimum),自動統(tǒng)計(jì)每個波段的最小值作為黑暗像元的像元值，每個波段減去這個值作為結(jié)果輸出；

②ROI的平均值(RegionOfInterest)，每個波段減去感興趣區(qū)平均像元值作為輸出結(jié)果；

③自定義值（UserValue)，手動輸入每個波段的黑暗像元值，每個波段減去自定義值作為結(jié)果輸出。第三十四頁，共50頁。（4）在OutputResultto中選擇File，以及相應(yīng)的輸出路徑和文件名，單擊OK執(zhí)行操作。第三十五頁，共50頁。大氣校正模塊大氣校正模塊（AtmosphericCorrection）提供兩種大氣校正工具：①

FLAASH校正工具（FastLine-of-sightAtmosphericAnalysisofSpectralHypercubes）②快速大氣校正工具（QuickAtmosphericCorrection,簡稱QUAC）第三十六頁，共50頁。FLAASH大氣校正工具開發(fā)背景：FLAASH是基于MODTRAN4+輻射傳輸模型，MODTRAN模型是由進(jìn)行大氣校正算法研究的領(lǐng)先者SpectralSpectralSciences,Inc和美國空軍實(shí)驗(yàn)室（AirForceResearchLaboratory）共同研發(fā)。ITTVIS公司負(fù)責(zé)集成和GUI設(shè)計(jì)。FLAASH特點(diǎn)：①支持傳感器種類多；②FLAASH采用了MODTRAN4+輻射傳輸模型，該算法精度高。任何有關(guān)影像的標(biāo)準(zhǔn)MODTRAN大氣模型和氣溶膠類型都可以直接使用；③通過影像像素光譜上的特征來估計(jì)大氣的屬性，不依賴遙感成像時同步測量的大氣參數(shù)數(shù)據(jù)；④可以有效地去除水蒸氣/氣溶膠散射效應(yīng)，同時基于像素級的校正，矯正目標(biāo)像元和鄰近像元交叉輻射的“鄰近效應(yīng)”；⑤對由于人為抑止而導(dǎo)致波譜噪聲進(jìn)行光譜平滑處理。第三十七頁，共50頁?？焖俅髿庑Ｕぞ呖焖俅髿庑Ｕぞ撸ê喎QQUAC），自動從圖像上收集不同物質(zhì)的波譜信息，獲取經(jīng)驗(yàn)值完成高光譜和多光譜的快速大氣校正。它得到結(jié)果的精度近似FLAASH或者其他基于輻射傳輸模型的+/-15%。QUAC的輸入數(shù)據(jù)可以是輻射亮度值、表觀反射率、無單位的raw數(shù)據(jù)?？梢允侨魏螖?shù)據(jù)儲存順序（BIL/BIP/BSQ）和儲存類型，多光譜和高光譜傳感器數(shù)據(jù)的每個波段必須有中心波長信息。（1）在ENVI主菜單中，選擇以下方式啟動

BasicTools→Preprocessing→CalibrationUtilities→QUickAtmosphericCorrectionSpectral→QUickAtmosphericCorrection

Spectral→Preprocessing→CalibrationUtilities→QuickAtmosphericCorrection，在文件輸入對話框中選擇校正的圖像文件。

（2）打開QUickAtmosphericCorrectionParameters面板，在SensorType中選擇相應(yīng)的傳感器類型，選擇文件名和路徑輸出。第三十八頁，共50頁。FLAASH模塊中數(shù)據(jù)輸入的要求：1.圖像基本參數(shù)波段范圍：衛(wèi)星圖像400～2500nm;航空圖像860～1135nm；像元值類型：經(jīng)過定標(biāo)后的輻射亮度（輻射率）數(shù)據(jù)，單位為μW/(cm2·nm·sr)。2.數(shù)據(jù)存儲類型數(shù)據(jù)類型：浮點(diǎn)型、32-bit無符號整型；文件類型：ENVI標(biāo)準(zhǔn)柵格格式文件，BIP或者BIL存儲結(jié)構(gòu)。FLAASH模塊啟動方式（任意一種即可）：①Spectral→FLAASH②BasicTools→Preprocessing→CalibrationUtilitties→FLAASHFLAASH模塊簡介第三十九頁，共50頁。FLAASH模塊的操作界面分為三塊：①最上部設(shè)定輸入輸出文件；

②中間設(shè)定傳感器的參數(shù)；

③下部設(shè)定大氣參數(shù)。第四十頁，共50頁。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的步驟：第一步：傳感器定標(biāo)第二步：輻射亮度單位轉(zhuǎn)換

由于輻射定標(biāo)之后得到的輻射亮度單位為W/(m2·μm·sr)，F(xiàn)LAASH要求的輻射亮度單位為μW/(cm2·nm·sr)，兩者相差10倍，并且FLAASH模塊要求BIL或者BIP的通用柵格圖像存儲方式，因此需要作出調(diào)整。第三步：存儲順序調(diào)整LandsatFLAASH大氣校正第四十一頁，共50頁。第一步：傳感器定標(biāo)

（1）在ENVI主菜單中選擇選擇ExternalFile→Landsat→GeoTIFFwithMetadata，在文件選擇對話框中選擇*.met文件，ENVI自動將數(shù)據(jù)添加到波段列表中；（2）在ENVI主菜單中選擇BasicTools→Preprocessing→CalibrationUtilitties→LandsatCalibration，選擇可見光-紅外組（6個波段），打開Landsat定標(biāo)工具；（3）Landsat定標(biāo)工具會從元數(shù)據(jù)文件中自動獲取相關(guān)信息，選擇CalibrationType：Radiance;（4）選擇輸出路徑和文件名，單擊OK執(zhí)行定標(biāo)處理。第四十二頁，共50頁。第四十三頁，共50頁。第二步：輻射亮度單位轉(zhuǎn)換

（1）在主菜單中選擇BasicTools→BandMath；（2）在Enteran