（地图学与地理信息系统专业论文）大气程辐射对遥感图像像元值贡献估计.pdf

摘要 太阳辐射在大气传播过程中遇到大气中气体分子、气溶胶、冰晶等粒子的吸收、反 射和散射等作用，使部分光线改变方向。使原来传播方向上的太阳辐射减弱，而增加其 它方向的辐射，从而使传至地物表面的辐射能量，或由大气上界直接散射向外空间和地 面辐射散射经大气衰减而传至遥感器的辐射能量，成分复杂且难于定量计算。而向上传 播的大气程辐射被传感器接收，成为遥感图像中的噪声成分，影响图像质量，是遥感图 像重要的辐射校正部分。 本文根据辐射传输机理和遥感影像特征，研究了大气程辐射定量化计算方法。首先， 研究大气程辐射对遥感影像的影响，以及程辐射各因子模型的确定。然后利用一系列辐 射传输方程，研究大气参数，辐射传输参数等对大气程辐射的影响。研究表明，在太阳 观测角较小，大气混浊度较大时，大气程辐射值的大小依赖于气溶胶粒子大小的尺度组 合分布，而对于较干洁状态的大气，大气程辐射值随光学厚度的增加而线性增加。另外， 光谱值的变化表明，随着波长的减小，大气程辐射值增加。 最后，根据大气程辐射方程计算搭载在卫星l a n d s a t 7 上的多光谱成像仪e t m 记录 的辐射亮度光谱图像的大气程辐射值，并对e 1 m 影像进行基于辐射传输理论的大气程 辐射值修正。实验结果表明，在e t m1 波段，大气程辐射值校正精度基本上保证在1 7 以内，而2 、3 波段在1 0 以内，优于目前常用的简易算法。 关键字：大气程辐射；气溶胶；光学厚度；单次散射反照率：球面反照率；尺度分布 相函数 c o n t e x to fd e 、他l o p i n go p e 珀t i o n a lm e 也o d sf o rc o r r e c t i i l gpa _ mr a d i a n c e sr e c e i v e db yr e m o t e s e n s i i 唱s a t e l l i t e sf o r 枷o s p h e r i ce 丘音c t s ni ss e e nt 1 1 a ta tl o ws o l 龃i u u m i n a t i ma n g l e sa n d h i g hh a z ec o n d i t i o 璐( 踮r o s o lo 砸c a ld e p t h s 0 5 ) t h ep 甜lr a d i a l l c ed 印e n d ss 廿c m 酉yo nt h e m 加r co ft h ea e r o s o ls i z ed i s 喇b u t i o l l ，w h e r e a sf o r1 0 wt om o d e r a t ev a l u e so fa e r o s o lo p t i c a l d e p m s ( 是两个象素的平均反射率。 如果这个方法应用于一组图像，其中包括了一张比较清晰的图像，那么就可以通过 这副图像估计出光学厚度，然后计算实际的以，最后就可以根据上面的公式计算出 每一幅图像的光学厚度了，这样所计算出来的光学厚度是独立散射相位函数而依赖于单 次散射反照率和气溶胶的非对称参数的。 基于地表模型的方法 基本地物组分的划分使所划分的各组分具有稳定、独立的光谱特征。组分的划分当 然可以有不同的层次，与地物不同层次的组分或结构相对应。土壤类型具有区域稳定性， 一定区域的土壤一般由一种或有限的数种组成。同种类型干燥土壤反射率是稳定的，自 然土壤的反射率主要由于土反射率和所含水分决定。植被的波谱基本特征主要是由植被 所含的叶绿素决定的。不同植物反射率差异主要是由以下几种因素决定：一是叶绿素含 量，二是水含量，三是以纤维素为主的黄色干物质，四是冠层厚度。对于自然状态下职 位光谱的测量，受地面土壤出露面积的影响。故任一种植物的反射率可认为是标准植物、 水份、黄色干物质、冠层厚度和土壤反射率或吸收率及其所占面积比的函数。所以自然 地物最基本的成分为土壤、植被、干植物、水体、植被黄色干物质及土壤、植被中的水 份。其中植被黄色干物质的光谱与土壤相似，可归入土壤类。故自然地物基本光谱组分 可划分为土壤、植被、水体和土壤、植被水份共四类。其中水份对象元综合光谱的作用 主要是吸收。 土壤为不透明物质，在可见光近红外波段，其光谱主要为反射光谱，水为透明 物质。一定湿度土壤的反射率为： e l = e 2 = e ，d n a l = d n a 2 = d ， r l = t 2 = r ( 3 2 ) 根据式( 3 2 ) 和( 3 1 ) 可得： d n a _ d n l n ( d n l d n 2 ) “r 1 一r 2 )( 3 3 ) 其中，d n l 、d n 2 为相邻的不同种类地物，即p 1 、p 2 的像元遥感值；n 、r 2 为不同遥感 像元对应地面的反射率。 同一地物类型的图斑内部的大气程辐射遥感值的计算方法是：根据遥感成像原理以 及大气对电磁波辐射传输的影响作用，同一图斑内部像元的像元大气程辐射遥感值 ( d n a ) 与像元原始遥感值( d n ) 之间关系有如下形式： d n 釉= a l n ( d n 日- d n a i i ) + b 2 _ a l n ( d n u ) + b ( 3 4 ) 令： y 2 - d n 8 nx 2 l n ( d n - d n 如) = l n ( d n d ) ( 3 5 ) 则有回归直线方程： 公式( 3 4 ) 中，d n i i 是去除大气程辐射遥感值后的电磁波能量值，是像元原始遥 感值( d n i i ) 的大气修正值；玑6 为回归系数，可利用该图斑边界上多个( l 个) 已知 像元点的原始遥感值和像元大气程辐射遥感值，用最小二乘法计算得到： b = y - a x ( 3 6 ) tfl 口= ( 墨一z ) ( k p ) ( 置一z ) 2 ( 3 7 ) i = 1，t = 1 flt| p = d 。肛丑= 1 1 1 ( d 坼一d 。) 肛 ( 3 8 ) j = i，t = l， l 为改图斑边界上的总像元数，k 为图斑边界上的第k 个像元的下标；d n k 、d n a k 分别为图斑边界上的第k 个像元的原始遥感值和大气程辐射遥感值。 3 2 遥感图像中大气程辐射贡献算法模型的建立 3 。2 1 程辐射方程的建立 由于混浊大气各组份的向上散射降低了卫星遥感图像的反差和信噪比，消除这种反 向散射的影响，便是卫星遥感图像的大气程辐射修正( 即狭义的大气修正) 。 1 1 传统的遥感数字图像大气程辐射修正模式 传统的遥感数字图像的大气修正的原理是建立在：同幅卫片的某波段大气程辐射值 是个常数，并且在近红外波段的遥感数值受到大气程辐射的影响较小，其值可视为零的 假定之上的。因此，它是一个均匀大气的修正模式，也是一个对真实大气大为简化了的， 近似的大气修正模式。方法是每个像元遥感值减去一个常数( 大气程辐射遥感值) 。其 常用的主要方法有： ( 1 ) 回归分析法( m s s 为例) 在要进行大气辐射改正的4 、5 、6 波段中找出亮度值最低的若干点并在第7 波段中找 出同一像元点，以7 波段像元亮度值为x 轴，分别以4 、5 、6 波段亮度值为y 轴，建立这些 和口1 6 0 。，相函数依赖于气溶胶粒径尺度分布。对天底观测传感器和太阳观测角口， 对于扫 1 6 0 。，p “肛) 对遥感器接收到的散射辐射有重大影响，因为在这种情况下散射角 是( 1 8 0 一。 散 射 相 函 数 匕( 肚) 0 6 01 2 0 1 8 0 太阳天项角b 图3 1p “山和太阳天顶角间关系 利用上述方程式以及各种气溶胶参数，在仅考虑太阳辐射波长为0 7 岬的情况下， 将大气程辐射作为各种气溶胶参数的函数。同时研究大气程辐射对波长的依赖性，以便 去理解在其它波长处的变化。大气上界辐照度e o 可被看作时间和空间的常数，大气程辐 射k 标准化至e 0 ( 即k = k 厄o ) ，并且在以后的研究中仅考虑标准化的b 。 3 2 2 参数的确定 遥感影像的大气程辐射贡献估计，即遥感影像大气程辐射的定量修正所需参数有大 气参数和太阳位置参数等 1 ) 大气参数 这里的大气参数系指：非均匀大气条件下的气溶胶粒径大小的尺度分布，气溶胶光 学厚度，气溶胶复折射指数等。 ( 1 ) 气溶胶粒径尺度分布 为了研究气溶胶尺度分布形状对大气程辐射在不同太阳照射角的影响，将大气程辐 射l p 看作是太阳照射角b 的函数，取波长拮o 7 肛m ，气溶胶光学厚度铲0 2 8 ，背景反射 率r b = 0 0 5 6 。气溶胶尺度分布不同，其柱数密度亦被调整以使求取的气溶胶光学厚度保 持在 = 0 7 岬和r _ b = 0 0 5 6 。因此，大气程辐射在任意给定的观测角e 。仅依赖于气溶胶的 尺度分布，如图3 2 所示。从图中可得到在夙 4 5 。时，大气程辐射依赖于大气气溶胶尺 度的分布形状，而对于良4 5 。时大气程辐射值的大小几乎不依赖于尺度分布的特征。 3 0 大气程辐射对气溶胶光学厚度的依赖性不可忽视。然而，随着以的增加，k 强烈依赖于 气溶胶尺度分布模式。 图3 3 ( a ) 至( d ) 也表明大气程辐射与气溶胶光学厚度的变化关系一般是非线性的，在 气溶胶光学厚度较大时，大气程辐射值增加较快。总之，大气程辐射随气溶胶光学厚度 的增加而增加，不考虑气溶胶尺度分布模式，在 0 5 、仇3 0 。时，k 随砀的增加近 似于线性增加，然而当具有较大值，并且以 3 0 。时，k 与成非线性关系。 大 气 程0 辐 射仉 l ， o 程o 0 0 4 辐 射 乙0 0 0 2 0 1 0 3o 50 7 0 9 气溶胶光学厚度k 图3 3 ( a ) k 和间关系 0 10 3o 50 70 9 气溶胶光学厚度b 图3 3 ( c ) k 和b 间关系 犬 程0 0 0 2 辐 射 k 00 0 0 大 气o 0 0 8 程 辐 射0 m 4 k 0 1 0 3o 5 0 70 9 气溶胶光学厚度k 图3 3 ( b ) k 和问关系 o lo 3o 5o7 0 9 气溶胶光学厚度岛 图3 3 ( d ) k 和b 间关系 ( 3 ) 复折射指数 大气气溶胶的折射指数一般为复数，可表示为：m = n - i k ，n 为实部，标准气溶胶的 散射特性，k 为虚部，表征气溶胶的吸收特性。一般m 依赖于波长，表征气溶胶化学特性 的时空变化。因此气溶胶复折射指数对大气程辐射的影响可分为实部和虚部对其的影 响，包括大气的极端条件【6 ”。 复折射指数的实部 大 气 程 辐 射 0 0 0 0 3 00 0 1 00 0 1 0 0 l 0 1 复折射指数虚部k 图3 5 k 与复折射指数虚部k 间关系 ( 3 1 波长 电磁辐射在大气中传播，与大气作用，一般而言，电磁辐射与大气作用是依赖于波 长的。以上各个参数对大气程辐射影响的讨论中，除复折射指数的实部外，都是对近红 外波段的o 7 眦l 波长而言的。然而，几乎所有遥感应用都利用可见光和近红外波段的多 光谱传感器。 大 气 程 辐 射 k 波长加) 图3 6k 与波长a 间关系 2 ) 遥感影像的太阳位置参数 卫片像元的太阳位置参数是指成像瞬间像元地面上的太阳高度角和方位角。利用卫 片注记给出的卫片成像时间，星下点的经纬度和它的太阳高度角、方位角以及任意像元 在卫片中的排列序号，便可计算出遥感影像的太阳高度角和方位角。 3 2 3 大气程辐射贡献算法实现流程 遥感影像大气程辐射值定量研究中，在辐射传输理论基础上，在建立了大气程辐射 贡献模型后，需要编程实现大气程辐射的计算，具体的编程算法实现流程如图3 7 所示。 图3 7 大气程辐射修正算法实现流程图 图中遥感影像的成像几何条件包括太阳观测角、方位角，卫星观测角、方位角等， 这些几何参数可以从遥感影像的头文件中获取。而瑞利散射的散射相函数、不对称因子、 单次散射反照率、光学厚度以及气溶胶散射的散射相函数、不对称因子、单次散射反照 率等，气溶胶光学厚度以及交叉辐射值【_ 7 2 】。应用上述基于辐射传输理论的大气程辐射校 正原理以及遥感影像的辐射值，即遥感器所接收到的辐射值，计算大气程辐射值。最终 得到经过大气程辐射校正的遥感影像。 且近似于目标地物的真实反射率。则图1 可近似地反映在大气外层观察地球表面的视觉 效果：淡蓝色的天空笼罩着大地，地物似乎染上一层淡淡的蓝色染料，这主要是大气的 瑞利散射以及气溶胶散射所致。比较图4 1 和图4 2 可以看出，分子散射和气溶胶散射 对图像的质量影响很严重，降低了图像的清晰度。图4 2 是经过大气程辐射校正的遥感 影像，它去除了不含任何地物信息和空间信息的大气程辐射值，因此更接近地面真实情 况，且较原始影像清晰可辨。并且去除大气程辐射值后的遥感影像比原始遥感影像值总 体偏低，使得整个遥感影像的亮度偏暗，可见经过大气程辐射值修正的遥感影像，能有 效地增加辐射对比度，增强影像中不同地物类型的界线，同时降低了影像的亮度。由于 在进行大气程辐射校正时，选择的e 喇波段为1 、2 、3 波段，经大气校正后进行波段 合成，所以可根据颜色判读云、水体、绿色植被、山地阴影等。 图4 1 原始e 1 7 m 遥感影像图4 2 大气程辐射校正后e 1 m 遥感影像 比较图4 1 和图4 2 可看出，经过大气程辐射校正的图像明显优于原图像，说明了 基于辐射传输理论的大气程辐射校正方法的有效性。从校正图像上看，林区颜色偏黄， l 波段的反演值偏低，水库接近林区，因此，三个采样点l 波段的反演值明显偏低。而 从道路沿线和城镇区看，颜色偏兰，l 波段的反演值偏高。林区气溶胶浓度远远低于城 镇，整个图像采用了统一的气溶胶浓度，导致林区校正过量，城镇区校正欠量。受气溶 胶影响最大的是l 波段，1 波段对兰色信号贡献最大，因此城镇区与林区出现相反的偏 色效果。由此可见，要提高大气程辐射校正精度，全图应分区计算气溶胶各参数( 气溶 胶光学厚度、单次散射反照率等参数) 。 4 2 2 校正图像效果评价 e 2 、3 波段波长范围与彩色摄影波段分割要求一致，1 波段基本一致，缺失的 o 3 8 一o 4 5p m 波段反射率值用l 波段值代替，得到原始遥感影像三个波段的光谱曲线图 ( 如图4 3 和图4 5 ) 和经过大气程辐射值修正的光谱曲线图( 如图4 4 和图4 ，6 ) 。 图43 原始遥感影像光谱曲线图( 水体) ( 横轴为波长，单位为岫：纵轴为光谱值的百分比) 图44 经大气程辐射修正的光谱曲线图( 水体) ( 横轴为波长，单位为n m ；纵轴为光谱值的百分比) 水的光谱特征主要是由水本身的物质组成决定，同时又受到各种水状态的影响，在 可见光波段6 0 0 m 之前，水的吸收少，反射率较低、大量透射。其中，水面反射率约为 5 左右，在蓝一绿波段反射率在4 5 之间，6 0 0 啪以下的红波段反射率一般降低至 2 3 。从图4 4 和图4 _ 3 的光谱曲线图可知，经大气程辐射值修正后，记录的辐射值较 原始遥感器接收到的辐射值偏低，大气校正前遥感影像上水体反射率最大值为5 9 8 ( 蓝波段) ，最小值( 红波段) 为3 0 9 ，但经过大气程辐射值修正盼遥感影像的水体 反射率，其最大值减小为4 7 9 ，比实际值偏大，最小值减小为1 1 7 ，比实际值偏小， 即经过大气程辐射值修正的遥感影像比原始遥感影像值总体偏低，使得整个遥感影像的 亮度偏暗。 图45 原始遥感影像光谱曲线图( 林地) ( 横轴为波长，单位为蚰；纵轴为光谱值的百分比) 圈46 经大气程辐射修正的光谱曲线图( 林地) ( 横轴为波长，单位为n m ；纵轴为光谱值的百分比) 同样地，遥感影像上林地的反射率校正后也降低，但反射率在各个波段上的总体趋 3 9 势大体和校正前一致。 图4 3 和图4 5 是未经过大气程辐射修正的遥感影像中水体、林地在蓝、绿、红三 个波段上的反射率插补曲线，图4 4 和图4 6 则为经过大气程辐射修正后的反射率插补 光谱曲线。在光谱曲线插补中选用的是正弦曲线插补法。若经过大气程辐射值校正的遥 感影像亮度值与地面实际反射率近似相等，且插补的0 3 8 o 4 5 ( m ) 波段的影像亮度值也 与地面实际反射率亮度值近似相等，则校正后的遥感影像就可较真实的反应目标地物， 由于校正误差，校正后的图像与地面实际颜色有误差，不能完全真实地反映地表真实情 况。 另外，分析大程辐射值修正前的盯m 图像所表现出来的光谱曲线差异，以及他们 与地面实测光谱的差异，可以得知校正后的光谱比较接近于真实的地表光谱曲线，但在 红外波段比实际值小，而可见光波段比实际值大；分析大气程辐射校正前后的e t m 遥 感影像及其光谱衄线，同时与标准地物反射率光谱曲线进行对比分析，结果表明本研究 中基于辐射传输理论的大气程辐射值修正方法的有效性和具有较高的精确性。 尽管单一气溶胶参数的校正图像与地物目标实际反射率图像有明显色差，但视觉效 果已明显优于一般经验法大气程辐射修正图像和基于遥感影像自身信息的大气程辐射 校正图像，用于目视解译判读，可明显提高判读正确率。 4 2 3 校正精度评价 大气程辐射值修正方程中所需的的大气传输参数，气溶胶和大气分子散射随波长的 增加迅速减弱，在后续波段，大气程辐射值修正精度应该更高，这一精度基本上能满足 大多数定量遥感对精度的要求。在e t ml 波段，大气程辐射值修正的不确定度基本上 保证在1 7 以内，大气中的气溶胶和分子散射对e t m1 波段的影响很大。比较3 个波 段不确定度的值不难发现，校正精度随波长的增加迅速增加，大气分子和气溶胶散射随 波长的增加迅速减小，似乎可以得出，在e t m1 、2 、3 波段，大气分子和气溶胶散射 是影响大气程辐射校正精度的主要因素。 遥感影像大气程辐射校正误差来源于两个方面，一方面是大气程辐射校正方程的误 差，另一方面是遥感影像程辐射校正各输入参数的误差。对于单点测量，可通过测量得 到准确的输入参数，误差主要来源于反演方程。对于由几百万个点组成的图像，一个点 的输入参数用于全图，输入参数的误差成为反演误差的重要来源，在图像部分区域甚至 可以超过校正方程误差的几倍。根据图像用计算机程序估算各点有差异的输入参数是解 决这一问题的有效途径，目前已经有一些这方面的研究成果，但效果尚不理想。 交叉辐射项对l 波段贡献较大，其次是2 波段、3 波段，而本文采用e r r m 的3 、2 、 1 波段进行遥感影像的真彩色合成和大气程辐射值修正，因此交叉辐射贡献较大。 另外，由于本文采用的交叉辐射项算法和大气上行和下行辐射透过率算法不是最精 确的，若选择较好的算法，精度可提高1 2 。 提高输入参数精度是提高大气程辐射校正精度的一个重要方面。 第5 章结论与讨论 在太阳辐射的传输理论研究和大气程辐射值定量研究基础上，可知大气程辐射值受 遥感影像的成像几何参数以及辐射传输的传输参数的影响和制约。一般情况下，大气程 辐射遥感值是大气分子和气溶胶颗粒等大气物质直接对太阳辐射的散射作用产生的能 量值，大气程辐射遥感值与大气颗粒和气溶胶含量之间存在一定的关系，且在不同波段 区间相关关系不同。即大气程辐射值存在明显的波段差异，并且随着波长的增加，不同 波段的大气程辐射值的空间差异特征越来越不明显。大气程辐射值的空间格局不仅存在 波段差异，而且同一位置上，大气程辐射值的大小也存在着波段差异，与遥感影像的空 间差异类似，同一位置上的大气程辐射值也随着入射电磁波波长的增加而增加。 产生上述现象的原因是由于大气粒子的散射特性造成的，即大气粒子对电磁波的散 射作用与大气粒子的尺度的二次方或四次方成反比，因此随着入射电磁波波长的增加， 大气粒子对电磁波散射的能量值也随之增加。造成入射波长越长，大气程辐射值越大， 空间差异也更加明显。具体来说，大气程辐射值存在以下几个特点： ( 1 ) 在太阳辐射角度小于3 0 。时，大气程辐射强烈地依赖于气溶胶的分布尺度， 双峰气溶胶分布中，大气程辐射有较高值。对于较高的太阳辐射角，大气程辐射值依赖 于气溶胶分布形状。 ( 2 ) 大气程辐射值随着气溶胶光学厚度的增加而增加，且在低或中等阴霾和高太 阳辐射角条件下是线性关系增加，高阴霾和低太阳辐射角条件下是非线性关系，且这种 非线性关系依赖于气溶胶分布形状。 ( 3 ) 对于较高的太阳辐射角和波长高于尺度分布模型时。大气程辐射随着大气折 射因子的增加而增加；对于较低的太阳辐射角度和邻近尺度分布模式波长时，大气程辐 射最初随着折射因子的增加而迅速增加，达到一个峰值后开始降低。当波长较分布模式 的半径长、且具有较高的太阳辐射角时，大气程辐射与大气折射因子具有弱相关关系。 ( 4 ) 大气程辐射弱相关于影像，对于较高的k 值，略微地降低。 ( 5 ) 当给定光学厚度时，大气程辐射值随着波长的增加而迅速增加。波长与气溶 胶尺度分布模式相比，可以发现大气程辐射值的波长变化依赖于尺度分布的特性。 通过分析以上大气程辐射的特点，根据大气辐射传输理论，研究了遥感影像的大气 程辐射贡献值的计算方法，对e t m 遥感影像进行了大气程辐射值的贡献计算，并生成 了经过大气程辐射修正的影像。分析对比原始遥感影像和经大气程辐射校正的影像，可 以看出，基于辐射传输理论的大气程辐射值的计算具有较高的实用性，且其精度满足一 般应用的要求。 由于时间的限制，数据的缺少以及实验条件的不足，本文也遗留不少有待改进的地 4 1 杰廊毁双辫怫蘅潞嚷瓣瓣i 计翼青隧啦哆啭避二受掣捌姊选出冥加。卿娥姚烈掣峪 堡卷旦罴烈二鎏翔谢兹峪摧爆趸曜掣菇臻埔掣o 挈。岂洲骘： l j 。i 赫霆峙鹰黼逊凄萄 学，2 0 0 5 ，3 6 ( 4 ) ：5 4 5 5 5 1 7 7 】y o r 锄j k a u f h l a l l ，d i d i e rt a l l r e s 姐t e 斟f o rd i r e c ta 1 1 d1 1 l d h “m e t l l o d sf o rc o r r e c t i n gt l l ea e r o s 0 1 e f f e c to nr e r r