遙感圖像的輻射校正

遙感圖像的輻射校正第5章遙感圖像的輻射校正消除遙感圖像數據中依附在輻亮度中的各種失真的過程稱為輻射量校正（RadiometricCalibration),簡稱輻射校正。由于傳感器響應特性和大氣的吸收、散射以及其它隨機因素影響，導致圖像模糊失真，造成圖像的分辨率和對比度相對下降，這些都需要通過輻射校正復原。第2頁,共66頁，2024年2月25日，星期天輻射校正的目的：盡可能消除因傳感器自身條件、大氣條件、太陽位置和角度條件及某些不可避免的噪聲引起的傳感器所得到的目標測量值與目標的光譜反射率或光譜輻亮度等物理量之間的差異，盡可能恢復遙感圖像本來的面目，為遙感圖像的分割、分類、解譯等后續(xù)工作打下基礎。輻射校正包括三部分的內容：傳感器端的輻射校正大氣校正地表輻射校正第3頁,共66頁，2024年2月25日，星期天5.1大氣層對電磁波傳輸過程的影響5.2輻射誤差5.3輻射誤差校正方法5.4遙感衛(wèi)星輻射校正場概述第4頁,共66頁，2024年2月25日，星期天5.1大氣層對電磁波傳輸過程的影響基本的輻射傳輸過程第5頁,共66頁，2024年2月25日，星期天一、大氣散射

大氣散射性質與強度取決于大氣中分子或微粒半徑及被散射光的波長。包括選擇性散射與非選擇性散射。1.選擇性散射瑞利散射（Raileighscattering）：由遠小于光波長的氣體分子引起，如由O2、N2等；散射強度與波長的4次方成反比；“藍天”效應第6頁,共66頁，2024年2月25日，星期天米氏散射（Miescattering）：也稱為氣溶膠散射，主要有霾、水滴、塵埃、煙、花粉、微生物、海上鹽粒、火山灰等氣溶膠引起的散射，引起散射的大氣粒子直徑約等于入射電磁波波長。散射強度與波長的二次方成反比。2.非選擇性散射大氣中的云、霧、水滴、塵埃以及大小超過波長10倍的顆粒引起的散射，散射粒子的直徑遠大于入射波長，對各種波長予以同等散射。第7頁,共66頁，2024年2月25日，星期天第8頁,共66頁，2024年2月25日，星期天設太陽輻射照度為E0，經過大氣的路程為x,則穿過該大氣路程后的輻射照度為：σ稱為衰減系數或消光系數散射系數吸收系數大氣對電磁波的影響主要是散射和吸收。第9頁,共66頁，2024年2月25日，星期天二、大氣吸收大氣中吸收太陽輻射的主要是水蒸汽、二氧化碳和臭氧。吸收能力隨電磁波的波長而變化，是選擇性的。第10頁,共66頁，2024年2月25日，星期天三、大氣透射與大氣窗口1.大氣透射透射是指電磁輻射與介質作用后，產生的次級輻射和部分原入射輻射穿過該介質，到達另一種介質的現象和過程。一般用透射率表示透射能力。根據透射率的定義，有：第11頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2.大氣窗口

是指大氣對電磁輻射吸收和散射都很小、而透射率很高波段，即在傳輸過程中損耗小、能透過大氣的電磁波段。

第12頁,共66頁，2024年2月25日，星期天遙感中使用的大氣窗口：1）0.3-1.15um:包括部分紫外光、全部可見光和部分近紅外光，透過率在70%2）1.4-1.9um:近紅外窗口，透過率在60%-95%之間3）2.0-2.5um:近紅外窗口，透過率為80%4）3.5-5.0um:中紅外窗口，透過率為60%-70%5）8.0-14.0um:熱紅外窗口，透過率為80%6）1.0-1.8mm:微波窗口，透過率為35%-40%7）2.0-5.0mm:微波窗口，透過率為50%-70%8）8.0-1000.0mm:微波窗口，透過率為100%第13頁,共66頁，2024年2月25日，星期天四、輻射傳輸方程輻射傳輸方程：從輻射源經過大氣層到達傳感器的過程中電磁波能量變化的數學模型。傳感器接收到的電磁波譜能量包括：太陽經大氣衰減后照射地面，經地物反射后，又經大氣第二次衰減進入傳感器的能量；地面物體本身輻射的能量經大氣后進入傳感器；大氣散射和大氣輻射的能量等。第14頁,共66頁，2024年2月25日，星期天太陽輻射照度傳感器光譜響應系數Z1到Z2區(qū)段大氣層的光學厚度地物光譜反射率與地物同溫度的黑體光譜輻射通量密度地物的光譜發(fā)射率大氣散射和輻射的能量太陽天頂角平臺高度第15頁,共66頁，2024年2月25日，星期天5.2輻射誤差一、定義

進入遙感器的輻射強度反映在圖像上就是亮度值（灰度值）。輻射強度越大，亮度值（灰度值）越大。

亮度值（灰度值）主要受兩個物理量影響：一是太陽輻射照射到地面的輻射強度；二是地物的光譜反射率。當太陽輻射相同時，圖像上像元亮度值（灰度值）的差異就直接反映了地物目標光譜反射率的差異，但實際測量時，輻射強度值還受到其他因素的影響而發(fā)生改變。輻射誤差：傳感器所得到的目標測量值與目標的光譜反射率或光譜輻亮度等物理量之間的差值第16頁,共66頁，2024年2月25日，星期天二、引起輻射誤差的因素傳感器大氣太陽輻射其它第17頁,共66頁，2024年2月25日，星期天因傳感器的響應特性引起的輻射誤差光學攝像機引起的輻射誤差

光學鏡頭中心和邊緣透射光強度不一致造成。在成像平面上存在著邊緣部分比中間部分暗的現象，稱為邊緣減光效應。光電掃描儀引起的輻射誤差光電轉換誤差探測器增益變化引起的誤差第18頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2.因大氣影響引起的輻射誤差入射到傳感器的電磁波能量除了地物本身的輻射以外，還有大氣引起的散射光。從輻射數據處理的角度看，進入傳感器的大氣輻射畸變成分包括：大氣的消光（吸收和散射）天空光（大氣散射的太陽光）照射程輻射：傳感器接收的大氣散射部分的電磁波，也稱

路徑輻射大氣影響中主要研究散射的影響。第19頁,共66頁，2024年2月25日，星期天散射增加了到達衛(wèi)星的輻射能量，但降低了遙感圖像的反差。散射作用所包含的亮度值中不含有任何地面信息，卻降低了圖像的反差，從而降低了圖像的分辨率，必須進行校正。設兩類地物的亮度值分別為2和5，假設散射使亮度值增加了5個單位，則無散射時的反差：有散射時：第20頁,共66頁，2024年2月25日，星期天因太陽輻射引起的輻射誤差

（1）太陽位置包括太陽高度角和方位角太陽高度角，也稱太陽高度。某地的太陽高度角是太陽光線與當地地平面所交的線面角。太陽方位角是指太陽光線在地平面上的投影與當地子午線的夾角。太陽位置不同，則地面物體入射照度會發(fā)生變化，地物的反射率也就隨之改變。第21頁,共66頁，2024年2月25日，星期天第22頁,共66頁，2024年2月25日，星期天太陽高度角較低時，會使圖像上產生陰影壓蓋其它地物，造成同物異譜問題，影響遙感圖像的定量分析與自動識別；太陽方位角引起的圖像輻射誤差通常只對圖像的細部特征產生影響為了盡量減少太陽高度角和方位角引起的輻射誤差，大多數衛(wèi)星設計在同一地方時間通過當地上空。第23頁,共66頁，2024年2月25日，星期天（2）地形起伏：海拔高度、坡向、坡度傳感器接收到的太陽光輻射亮度和地面傾斜程度有關。由于地形起伏變化，在遙感圖像上會造成同類地物灰度不一致。4.其他原因引起的輻射誤差傳感器特性的差異、干擾、故障造成不正常的條紋和斑點。第24頁,共66頁，2024年2月25日，星期天5.3輻射校正方法5.3.1系統(tǒng)輻射誤差校正5.3.2大氣校正5.3.3地面輻射校正5.3.4傳感器端的輻射校正第25頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.光學鏡頭的非均勻性引起的邊緣減光現象的校正poo點光強機載成像光譜圖像的邊緣輻射畸變與儀器大視場角有關，主要由大氣效應、地物反射非朗伯體特性、太陽-儀器-目標相對幾何關系等因素綜合作用所引起的。5.3.1系統(tǒng)輻射誤差校正第26頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2.光電轉換系統(tǒng)的特性引起的輻射誤差校正由于轉換系統(tǒng)的靈敏度特性有很高的重復性，可以定期在地面上測量其特性，根據測量值對其進行輻射畸變校正。以Landsat的MSS、TM圖像為例，對傳感器的輸出R進行校正的公式傳感器輸出輻射亮度校正過的輻射亮度已校正數據的最大值探測器輸出的最大、最小輻射亮度第27頁,共66頁，2024年2月25日，星期天MSS的Rmax和Rmin第28頁,共66頁，2024年2月25日，星期天TM的Rmax和Rmin第29頁,共66頁，2024年2月25日，星期天3.條紋誤差的校正遙感圖像中的條紋主要是由檢測器引起的。條紋誤差消除的常用方法：平均值法、直方圖法、垂直掃描線方向上最近鄰點法或雙三次卷積法第30頁,共66頁，2024年2月25日，星期天TM影像第31頁,共66頁，2024年2月25日，星期天3.斑點誤差的校正遙感圖像中的斑點誤差主要由噪聲或磁帶的誤碼率等造成，在圖像中往往是分散和孤立的。a.斑點的判定（1）待判定像元亮度值與周圍鄰

點像元亮度平均值之差超過

給定閾值。（2）待判定像元亮度值與周圍鄰點

像元亮度值的方差減去影像亮

度值的平均方差超過給定閾值第32頁,共66頁，2024年2月25日，星期天b.斑點的校正（1）平均法：取其鄰域像元亮度值的平均值（2）雙三次卷積法通常邊緣附近的斑點不進行消除，圖像四周的像元不進行斑點消除處理過程中，要把斑點和圖像本身的邊緣信息區(qū)別開來，這可以通過恰當的選擇閾值或先進行邊緣檢測而后進行斑點消除來實現。第33頁,共66頁，2024年2月25日，星期天3.灰度一致化在研究大區(qū)域時，常需要將幾張遙感影像拼接，即做鑲嵌圖。制作鑲嵌圖時，除了幾何位置保持一致外，還需要使其灰度均勻。方法：等概率變換理論基礎：兩幅圖像重疊部分灰度分布應相同。設F、G兩幅影像，以影像F為標準進行變換。在重疊部分，G影像上灰度值小于gi的像元百分數為P，對應在F影像上占有同樣百分數P的像元灰度值為fi,這樣就找到了gi應變換成fi，找出重疊部分影像G上所有灰度值應變換成的值g’,列出變換表，根據該表將影像G各像元的灰度值進行變換。簡單、但存在位置配準誤差。第34頁,共66頁，2024年2月25日，星期天b.線性灰度變換在兩張影像的重疊部分各取出相對應的n個點，建立線性回歸方程；然后運用最小二乘法求線性方程系數。以其中一幅影像為標準，對另一幅影像進行變換，從而達到灰度一致化。特點：簡單易行，n足夠大時有一定的精度。存在位置配準誤差。第35頁,共66頁，2024年2月25日，星期天三、因大氣影響引起的輻射誤差校正消除因為大氣散射引起的輻射誤差的處理稱為大氣校正。為什么要做大氣校正？入射到傳感器的電磁波能量除了地物本身的輻射以外，還有大氣引起的散射光。我們想要了解某一物體表面的光譜屬性，必須將大氣的影響消除。第36頁,共66頁，2024年2月25日，星期天第37頁,共66頁，2024年2月25日，星期天三種方法：

野外波譜測試回歸分析法

輻射傳遞方程計算法波段對比法第38頁,共66頁，2024年2月25日，星期天1.野外波譜測試回歸分析法野外波譜測試需要與衛(wèi)星同步在野外進行光譜測量。通常選用同類儀器測量，將地面測量結果與衛(wèi)星影像對應像元亮度值進行回歸分析。注意：比較時，應將圖像像元亮度值與輻射度進行轉換通常是通過線性方程將傳感器的最大和最小輻亮度與圖像的灰度級聯系起來，并進行轉換。有關輻亮度的參數可以在圖像的元數據文件中找到。如：對于一個8位量化的圖像，轉換方程為：第39頁,共66頁，2024年2月25日，星期天a地面測量值衛(wèi)星測量值0設回歸方程為：L=a+bR大氣影響的附加部分（天空光散射）將圖像中的每個像素值減去a，獲取某區(qū)域經過大氣改正后的圖像。第40頁,共66頁，2024年2月25日，星期天在獲取地面目標圖像時，可以預先在地面設置反射率已知的標志，或事先測出若干地面目標的反射率，把由此得到的地面實況數據和傳感器的輸出值進行比較，以消除大氣的影響。注意：在地面特定地區(qū)、特定條件、一定時間段內測定的地面目標反射率不具有普遍性，因此該方法僅適用于包含地面實況數據的圖像。第41頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2.輻射傳遞方程計算法傳感器接收到的電磁輻射能量地面目標真實輻射能量大氣的衰減，H為大氣層高度需要測量具體天氣條件下的大氣參數第42頁,共66頁，2024年2月25日，星期天在可見光和近紅外區(qū)，大氣的影響主要是由氣溶膠引起的散射造成，在熱紅外區(qū)，大氣的影響主要是由水蒸氣的吸收造成。為了消除大氣影響，需要測定氣溶膠密度以及水蒸氣濃度。改進方法：在獲取地面目標圖像的同時，利用搭載在同一平臺上測量氣溶膠和水蒸氣濃度的傳感器獲取氣溶膠和水蒸氣的濃度數據，利用這些輔助數據進行大氣校正。第43頁,共66頁，2024年2月25日，星期天專業(yè)的遙感圖像處理系統(tǒng)多提供的大氣校正模型：Erdas和Geomatica系統(tǒng)中的ACTOR模型ENNI系統(tǒng)中的FLAASH模型

公共的大氣校正模型，其中較好的是6S模型。第44頁,共66頁，2024年2月25日，星期天3.波段對比法a.回歸分析法原理：在遙感圖像上大山的陰影區(qū)或深大水體區(qū)域，各個波段的反射為零。同時，大氣散射主要影響短波部分，波長較長的波段幾乎不受影響，因此可用其校正其它波段數據。依據：大氣散射的選擇性，即對短波影響大，對長波影響小第45頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

方法：在不受大氣影響的波段和待校正的某一波段圖像中，選擇最黑區(qū)域（通常為高山陰影區(qū)）中的一系列目標，將每個目標的兩個待比較的波段灰度值提取出來進行回歸分析，建立線性回歸方程，也稱為暗像元法。Y：待校正波段的圖像亮度值X：不受大氣影響波段的圖像亮度值第46頁,共66頁，2024年2月25日，星期天怎么求a,b？例如：TM圖像中，第7波段幾乎不受大氣輻射的影響，因此可作校正基礎，對TM影像的其它波段分別進行校正。i--波段號--第i波段的校正量第47頁,共66頁，2024年2月25日，星期天b.直方圖校正方法方法：從圖像像元亮度值中減去一個輻射偏置量。輻射偏置量等于圖像直方圖中最小的輻射亮度值。理論基礎：如果在某一像場中存在亮度值為零的目標，如深海水體、高山背陰處等，在這種情況下，任一波段亮度值都應為零。但實際上只有不受大氣影響的波段才為零，受大氣影響的波段產生輻射偏置量。當影像中沒有陡峭的地形所造成的陰影，方法不適用。第48頁,共66頁，2024年2月25日，星期天什么情況下需要進行大氣校正大氣透明度差而且不均一

大氣中的水汽含量高

低海拔地區(qū)應該進行校正，3000米以上的地區(qū)可不考慮

相對高差變化大的地形區(qū)域

不同時段圖像的聯合處理第49頁,共66頁，2024年2月25日，星期天四、因太陽輻射引起的輻射誤差校正1.太陽高度角引起的輻射校正a.公式法：太陽高度角引起的畸變校正是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。第50頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2）改正計算太陽高度角θ圖像對應區(qū)域的地理緯度成像時太陽直射點的地理緯度地區(qū)經度與成像時太陽直射點地區(qū)經度之差步驟：第51頁,共66頁，2024年2月25日，星期天相鄰地區(qū)不同時期的兩幅圖像銜接或鑲嵌時，也可作

太陽高度角校正。方法：以一幅圖像為標準，校正另一幅圖像參考圖像天頂角待校正圖像天頂角待校正圖像亮度值校正后圖像亮度值應用：比較不同太陽高度角（不同季節(jié)）的多日期圖像；第52頁,共66頁，2024年2月25日，星期天b.波段比值法圖像上的陰影通常是由太陽高度角引起的。多波段圖像上的陰影可以通過圖像之間的比值來消除或減弱比值圖像：同步獲取的相同地區(qū)的任意兩個波段圖像相除

得到的新圖像第53頁,共66頁，2024年2月25日，星期天2.地形起伏引起的輻射校正對于地形起伏引起的輻射誤差，可以利用地表法線矢量與太陽入射矢量兩者的夾角來校正。若處在坡度為α的傾斜面上的地物影像為g（x，y），則校正后的圖像f（x，y）為：地形坡度引起的輻射校正方法需要有圖像對應地區(qū)的DEM數據，校正較為麻煩，一般情況下對地形坡度引起的誤差不做校正。對于多波段圖像，可用波段比值來進行校正，消除地表坡度的影響。第54頁,共66頁，2024年2月25日，星期天5.4遙感衛(wèi)星輻射校正場背景：20世紀70年代末到80年代初，航天定量遙感技術的迅速發(fā)展，遙感應用日趨定量化，進一步改進衛(wèi)星定量遙感精度的要求迫切。80年代初，以美國Arizona大學光學中心的P.N.Slater教授為代表提出了輻射校正場技術--利用地球表面大面積均勻的地物為目標，當衛(wèi)星過頂時實施同步地面觀測，以實現對在軌道上運行的衛(wèi)星傳感器做輻射校正。第55頁,共66頁，2024年2月25日，星期天一、輻射校正場的國外發(fā)展概況美國NASA和Arizona大學在美國新墨西哥州的白沙(WSMR）和加利福尼亞州的愛德華空軍基地的干湖床(EAFB)建立了輻射校正場,并已對多顆衛(wèi)星進行了場地標定工作。法國在馬塞市附近也建立了LaCrun輻射校正場,并開展了多次輻射校正工作。

歐空局在非洲撒哈拉沙漠建立了地面輻射校正場

日本與澳大利亞合作在澳大利亞北部沙漠地區(qū)建立了地面輻射校正場,通過星地同步觀測,實現對衛(wèi)星遙感儀器的定標。

第56頁,共66頁，2024年2月25日，星期天加拿大在北部大草原也開展衛(wèi)星、飛機積雪同步觀測,以便對衛(wèi)星傳感器作出客觀評價。根據美、法公布的資料，目前用輻射校正場的方法對可見光和近紅外波段的標正精度可達6%-3%左右。除成功地對Landsat-4、5的TM，SPOT的HRV，NOAA-9、10、11的AVHRR，Nimbus-7的CZCS進行輻射校正外，目前正在進一步研究高分辨率成像光譜儀(AVIRIS)和中分辨率成像光譜儀(MODIS)的輻射校正，并對法國偏光照相機(POLDER)進行輻射校正。第57頁,共66頁，2024年2月25日，星期天利比亞沙漠用于定標AVHRR、北非沙漠定標SPOT影像、敦煌西戈壁沙漠定標CBERS影像、美國的白沙導彈靶場常用于高分辨率圖像的定標第58頁,共66頁，2024年2月25日，星期天二、建立輻射校正場的目的

1）遙感數據定量化的要求建立傳感器的每個探測單元所輸出的信號數字量與該探測器對應像元內實際地物輻射能量之間的數量關系。對于一種遙感器來說,就是確定一個灰度值(DN)對應的輻射度值(L)；或者確定一個輻射度(L)對應多少灰度值(DN)。

A、B為傳感器的校正系數第59頁,共66頁，2024年2月25日，星期天

2）監(jiān)測在軌傳感器變化并不斷提供修正系數

傳感器在運行過程中會出現老化、靈敏度下降，從而影響數據的精度和可靠性。

3）補充星上定標的不足

星上定標精度有限，難以滿足