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1 04地理信息系统专业王宇明Emailaddress yuming5025 城市与环境科学学院 王宇明 遥感数字图像处理 2 第三章遥感图像的辐射校正 3 1辐射校正概述3 1 1辐射校正的含义3 1 2辐射传输方程3 1 3辐射误差产生的原因3 1 4辐射校正的目的3 2辐射误差校正的原理与方法3 2 1因传感器的灵敏度特性引起的辐射误差校正3 2 2因大气影响引起的辐射误差校正3 2 3因太阳辐射引起的辐射误差校正3 2 4其他辐射误差校正3 3合成孔径侧视雷达 SAR 数据的辐射校正处理技术3 3 1SAR辐射校正的含义与辐射误差源3 3 2SAR辐射误差校正方法3 4遥感卫星辐射校正场概述3 4 1辐射校正场的国外发展概况3 4 2建立辐射校正场的目的3 4 3传感器辐射校正的基本原理与方法3 4 4我国的辐射校正场 3 考核要求 识记和理解辐射误差产生的原因 掌握大气和太阳辐射误差的校正方法 了解SAR辐射校正技术 理解遥感卫星辐射校正场技术 4 3 1辐射校正概述 3 1 1辐射校正的含义3 1 2辐射传输方程3 1 3辐射误差产生的原因3 1 4辐射校正的目的 5 3 1辐射校正概述 3 1 1辐射校正的含义遥感成像时 因太阳位置 大气 传感器性能等因素的影响 使图像产生一定辐射量失真 消除图像数据中依附在辐射亮度中的各种失真的过程称为辐射量校正 radiometriccalibration 也称辐射校正 6 目标物辐射 目标物反射 大气辐射 地表辐射 透射 卫星传感器接收电磁能情况 目标物吸收 大气散射 大气吸收 4 路径辐射 程辐射 7 3 1 2辐射传输方程 传感器的光谱响应系数 地物的波谱反射系数 太阳的辐射照度 Z1到Z2大气层光学厚度 太阳天顶角 地物的波谱发射率系数 与地物同温黑体的反射通量密度 平台高度 大气辐射形成的天空辐射照度 E 与地物的反射 发射波谱 传感器的光谱相应特性 大气条件 光照情况等有关 8 辐射误差 传感器观测目标的反射或辐射能量的测量值与目标物的反射率或光谱辐射亮度等物理量之间的差值 辐射误差产生的原因 1 因传感器的响应特性引起的辐射误差光学摄影机引起的辐射误差光电扫描仪引起的辐射误差光电转换误差探测器增益 如电流 电压 温度变化等 变化引起的误差 2 因天气影响引起的辐射误差进入传感器的辐射畸变成分 辐射数据处理而言 大气消光 吸收和散射 天空光 大气散射的太阳光 路径辐射其中散射作用会降低遥感影像的反差比 Cr Bmax Bmin 即最大亮度值与最小亮度值之比 从而降低遥感影像的分辨率 3 1 3辐射误差产生的原因 9 3 因太阳辐射引起的辐射误差太阳位置引起的辐射误差太阳高度角 方位角不同 地物入射照度变化 因而地物反射率改变 高度角也会产生阴影压盖其他地物影像 影响定量分析和自动识别 方位角变化影响图像的细部特征 地形起伏引起的辐射误差造成水平地表与倾斜坡面的同类地物灰度不一致 4 其他原因引起的辐射误差检测器的特性差别 干扰 故障产生不正常条纹 噪声或磁带误码率产生斑点误差 10 3 1 4辐射校正的目的 消除辐射误差影响 恢复图像本来面目 为遥感图像的识别 分类 解译等后续工作打基础 11 3 2辐射误差校正的原理与方法 3 2 1因传感器的灵敏度特性引起的辐射误差校正3 2 2因大气影响引起的辐射误差校正3 2 3因太阳辐射引起的辐射误差校正3 2 4其他辐射误差校正 12 3 2辐射误差校正的原理与方法 3 2 1因传感器的灵敏度特性引起的辐射误差校正光学镜头的非均匀性引起的边缘减光现象的校正光电变换系统的特性引起的辐射误差校正探测器增益变化引起的辐射误差校正 13 3 2 2因大气影响引起的辐射误差校正大气散射校正的三种方法 野外波谱测试回归分析法辐射传递方程计算法波段对比法 14 野外波谱测试回归分析法 采用此法需利用同类探测器与卫星同步进行波谱测量 然后把测量数据与遥感器的输出值 即对应的像元灰度值 做回归分析 计算出辐射校正值 回归方程 L a bRa 常数 b 回归系数 R 地面反射率令bR LG 则L a LGLG不受大气影响的地面实际辐射率 a为大气影响的附加部分 天空光的散射 L为卫星观测结果 则校正公式为 LG L a 然而遥感是动态过程 在地面特定地区 特定条件和一定时间段内测量的地物目标波谱特性数据 并不具有普遍性 所以此法代价很大而适用范围有限 一般很少采用 回归分析图 地面测量值 亮度 卫星测量值 亮度 a 图像中每一像元值必须扣除a的影响 15 辐射传递方程计算法 目标物真实辐射能 遥感器探测的辐射能量 大气衰减系数 大气路径辐射 大气衰减系数取决于大气层的成分 厚度 计算相当复杂 在可见光和近红外区影响大气衰减的主要因素是气溶胶的散射作用 在热红外区则主要是大气中的水蒸气 因此为了进行大气辐射校正必须知道大气中的气溶胶特性 密度和水蒸气浓度 这样才可以大致算出大气衰减系数以及大气路径辐射 从而求出E0 要取得成像时当地大气中的气溶胶密度和水蒸气浓度数据 目前还很困难 所以此方法至今未能实用化 16 波段对比法 由于大气散射影响主要发生在短波段图像 可见光遥感中以蓝 绿波段最甚 随波长增长 散射作用逐渐减弱 因此可以把红外图像当作无散射影响的标准图像 将其他波段图像与之相比较 其差值便是需校正的散射辐射值 具体的比较校正方式有两种 回归分析法 直方图法 17 回归分析法 以红外波段图像如TM4 5 7等作为无散射影响的标准图像 在待进行大气散射校正的可见光波段图像上 找出最黑的影像 如高山阴影或其他暗黑色地物 目标 然后把对应的红外波段图像上的同一地物目标找出来 再把可见光与红外图像的灰度值数据取出进行比较分析 I7 I3 I3 b3I7 a3 y bx a 18 直方图法 当图像上有洁净且有一定深度和面积的水体或深暗地形阴影时 其直接反射能量应为0或接近于0 这时卫星图像上的辐射量测值实际上代表了路径 即散射 辐射能 因此可见光各波段图像直方图的低端灰度值不为0 使直方图产生漂移值a 波长越短 散射作用越强 a值越大 此值就是应减去的大气散射校正值 19 3 2 3因太阳辐射引起的辐射误差校正 一 太阳位置引起的辐射误差校正 一 公式法 将倾斜照射时获取图像校正为垂直照射时获取图像1 求太阳高度角 20 2 太阳高度角校正各波段同步图像采用相同的 通过调整图幅内的平均灰度进行校正 f x y g x y sin 以 斜射时得到的图像 直射时得到的图像 或用下式校正 DN DN sini 校正后的亮度值 太阳天顶角 90 原图像的亮度值 对于不同时相的两幅图像的太阳角校正 用于镶嵌 DN DN COSi1 COSi2 参考图像的太阳天顶角 要校正的图像的太阳天顶角 21 二 波段比值法同步多光谱图像上的阴影可以通过图像之间的比值予以消除或减弱同步多波段图像上 地物阴影区的灰度值 无阴影的灰度值 对各波段影响相同的阴影亮度值两个波段相除的比值图像基本消除阴影影响 便于提高定量分析和自动识别精度 22 二 地形起伏引起的辐射误差校正 如果太阳光垂直入射到水平地表时收到的光照强度为I0 那么光线垂直入射到倾角为 的坡面上时 其入射点处的光强度I I I0COS 若处在坡度为 的倾斜面上的地物目标影像为g x y 则校正后的图像f x y 为 地表法线矢量与太阳入射矢量的夹角 f x y g x y COS 此法需要图像对应地区的DEM数据 可采用比值法代替 遥感图像获取时的太阳高度角和方位角参数常包含在图像的头文件中 可从图像经销商处获取 23 3 2 4其他辐射误差校正 1 条纹误差的校正方法有 平均法 直方图法 最近邻点法或三次卷积法 垂直扫描线方向 2 斑点误差的校正斑点判定 像元亮度值fij与周围邻点像元亮度平均值之差 给定阈值 斑点校正 平均法 三次卷积法3 数字图像的灰度一致化 用于拼接 方法 等概率变换 线性灰度变换 24 3 3合成孔径侧视雷达 SAR 数据的辐射校正处理技术 侧视雷达地面分辨率与平台高度无关 提高方位分辨率要求增加天线孔径长度 解决方法 采用合成孔径 SAR 3 3 1SAR辐射校正的含义与辐射误差源3 3 2SAR辐射误差校正方法 25 3 3 1SAR辐射校正的含义与辐射误差源 SAR辐射校正的含义 根据端对端SAR系统测量后向散射信号幅度和相位的能力来表征系统性能的过程 使系统有足够的精度从图像数据中推导出成像目标区域的性质 获得平均后向散射系数 辐射误差源 传感器子系统 大气传播误差雷达天线误差传感器电子设备误差平台和传输子系统 平台控制误差和数据传输引起的误差 姿态精确 轨道确定 信号处理子系统 SAR成像处理器 所忽略的距离和方位的耦合 校正处理器 描述误差的模型本身的误差 目标特征提取和识别处理器 忽略环境因子如表面温度 风速等 26 3 3 2SAR辐射校正方法 方法 在SAR数据流的不同位置插入一系列已知信号以获取必要的校正信息 然后在数据流通过信号处理器之前或后测试系统的响应 再加以校正 根据误差源建立辐射误差模型 再估计出模型参数 最后求出平均后向散射系数辐射误差模型 与距离有关的因子 估计时数据采样点的平均噪声功率 均匀分布目标的平均接收功率 最后将模型和数据作用于成像后的SAR图像数据 即可完成辐射校正 27 3 4遥感受卫星辐射校正场概述 3 4 1辐射校正场的国外发展概况3 4 2建立辐射校正场的目的3 4 3传感器辐射校正的基本原理与方法3 4 4我国的辐射校正场 28 3 4遥感卫星辐射校正场概述 美国Arizona大学P N Slater提出 利用地球表面大面积均匀地物为目标 当卫星过顶时实施同步地面观测 以实现对在轨运行的传感器做辐射校正 29 3 4 1辐射校正场的国外发展概况 美国 新墨西哥州白沙 WSMR 和加利福尼亚州爱德华空军基地的干河床法国 马赛市附近欧空局 非洲撒哈拉沙漠日本与澳大利亚 澳北沙漠1984 成立对地观测委员会 CEOS 定标真实性检验工作组 WGCV 30 3 4 2建立辐射校正场的目的 遥感数据定量化的要求确定一个灰度值对应多少辐射度 L A DN监测在轨传感器变化并不断提供修