遥感影像辐射校正.doc

遥感影像辐射校正 遥感图像的辐射校正张超中国农业大学信息与电气工程学院地理信息工程系2018年10月16日星期二本次课程主要内容?引起辐射误差的原因?由于大气影响引起的辐射误差校正?由于太阳辐射不同引起的辐射误差校正辐射校正定义?利用传感器观测目标的反射或辐射能量时，由于测量值包含了太阳位置、地形起伏、大气等外界条件，或因传感器的性能不完备等引起的辐射失真，所以传感器得到的测量值与目标实际的光谱反射/发射率或光谱辐射亮度等物理量不一致。 ?消除图像数据中依附在辐射亮度中的各种噪声的过程称为辐射（量）校正（radiometric correction;radiometric calibration（需要有标定物）大气辐射校正作用?不同时间或不同传感器收集的影像进行对比和共同应用，相同地物有相似的辐亮度（反射率），以便进行动态监测和变化监测；?将影像像元光谱与地面收集或实地测定的光谱进行对比，使影像上的光谱信息更接近于地面地物的光谱信息；?定量遥感必须做大气辐射校正，如农情监测、估产等1图像的辐射纠正原因?1.1为什么要进行辐射纠正？?1）传感器本身的产生的误差；?2）外界（自然）条件引起的误差与几何畸变产生原因类似形成“同物异谱，异物同谱”现象。 ?图像不能真实地反映不同地物的光谱特征，影响了遥感数字图像的质量和应用。 遥感器的响应特性引起的辐射误差?对于框幅式摄影机，主要由于透镜中心和边缘的透射光强度不一致造成的?对于扫描成像，包括 一、光电转换误差； 二、探测器增益变化引起的误差。 ?另外，还包括，由探测器单元不一致引起的条纹误差，由存储设备和噪声引起的斑点误差。 遥感仪器误差导致接收的图像不均匀，产生条纹等现象，但是这种畸变一般在数据生产过程中，由生产单位（地面站）根据传感器参数进行校正，一般不需要用户进行校正。 外界（自然）条件引起的辐射误差 1、大气对电磁辐射的影响大气的散射、反射和吸收用户应该考虑的主要是大气影响造成的畸变，特别是定量遥感。 2、太阳辐射引起的辐射误差1）太阳位置引起的辐射误差2）地表地形起伏引起的辐射误差反射率?反射率是反射辐射通量与入射通量的比值，是0-1之间的无量纲的值?=reflected/i?通常用反射率描述各种地物的光谱反射特性。 ?分为镜面反射、方向反射、漫反射（各向同性）?反射率是地物自身的属性一个基本概念 2、由于大气引起辐射误差校正大气影响的定量分析进入大气的太阳辐射会发生反射、折射、吸收、散射和透射。 其中对传感器接收影响较大的是吸收和散射。 大气影响的定量分析?无大气在没有大气存在时，传感器接收的辐照度，只与太阳辐射到地面的辐照度和地物反射率有关。 设E0为波长的入射辐照度，为入射方向的天顶角，当无大气存在时，地面上单位面积的辐照度为?cos0E E?太阳光为方向光束大气影响的定量分析?假定地表面是朗伯体，其表面为漫反射，则某方向物体的辐射亮度为是地物反射率；是半球球面度（半球反射）?cos00ERERL?R?大气影响的定量分析?传感器接收信号时，受仪器的影响还有一个系统增益因子，这时进入传感器的亮度值为?S?cos00?S ERL大气影响的定量分析?由于大气的存在，辐射经过大气吸收和散射，透过率小于11，从而减弱了原信号的强度。 同时大气的散射光也有一部分直接或经过地物反射进入到传感器，这两部分辐射又增强了信号，但却不是有用的。 在入射方向有与入射天顶角和波长有关的透过率T；反射后，在反射方向上有与反射天顶角和波长又有关的透过率T。 因此进入传感器的辐亮度值为?cos01?S TET RL大气影响的定量分析?由于大气分子和气溶胶等散射，使得邻近区域对太阳辐射的反射经大气散射，部分能量进入传感器，其辐照度为E D，其辐亮度值为（此值通常很小，有人主张忽略不计）DE STRL?2?相当部分的散射没有到达地面，向上通过大气直接进入传感器，这部分辐射称为程辐射度，辐亮度为。 ?pL大气影响的定量分析大气影响的定量分析可见，由于大气影响的存在，实际到达传感器的辐射亮度是前面所分析的三项之和，即即?pL L L L?21p DSLE TE SRTL?)cos(0?辐射传输方程)()(),0(sec),(021?b eW eE KEH TeZZ T?E为传感器输入辐射度K为传感器的光谱响应系数；为地物的波谱反射系数；E0为太阳辐射照度T（Z1，Z2）为Z1到到Z2区段的大气层光学厚度为太阳天顶角；为地物的发射率系数W e()为与地物同温度黑体的发射通量密度H为平台高度；b为大气辐射所形成的天空辐射照度辐射传输方程?从辐射传输方程可以看出，传感器的输出出E除了与地物本身的反射和发射波谱特性有关外，还与传感器的光谱响应特性、大气条件、光照情况等因素有关。 大气影响的定量分析比较以下两个公式大气的主要影响是减少了图像的对比度，使原始信号和背景信号都增加了因子。 p DSLE TE SRTL?)cos(0?cos00?S ERL有大气无大气大气影响的定量分析?无大气时（a)白处亮度值为50，黑处亮度值为0，则亮度对比C1=（500）501。 当有大气影响时(b)，乘上透过率后假定减少10，亮度值减少到45，而由于L L22和L L p p存在，黑白处亮度均增加10，这样亮度对比变成C2=（55-10)/559/11。 可见，对比度减小，图像质量下降了大气辐射校正的方法 1、近似大气校正 2、基于模型的大气校正大气影响的粗略纠正严格地说，去除大气影响是将公式中的附加项和附加因子求出，最终求出地物反射率R，从而恢复遥感影像中地面目标的真实面目。 当大气透过率变化不大时，有时只要去掉含E D和LLp p的数据项就可修正图像的亮度。 这种对大气影响的纠正是通过纠正辐射亮度的办法实现的，因此也称作辐射校正。 p DSLE TE SRTL?)cos(0?大气影响的粗略纠正精确的校正公式需要找出每个波段像元亮度值与地物反射率的关系。 为此需得到卫星飞行时的大气参数，以求出透过率T T、T T等因子。 如果不通过特别的观测，一般很难得到这些数据，所以，常常采用一些简化的处理方法，只去掉主要的大气影响，使图像质量满足基本要求。 大气影响的粗略纠正粗略校正指通过比较简便的方法去掉式中的Lp，即程辐射度，从而改善图像质量。 可以认为，程辐射度在同一幅图像的有限面积内是一个常数，其值的大小只与波段有关。 p DSLE TE SRTL?)cos(0?暗物体扣除法(Dark objectsubtraction) (1)在影像中选择暗物体 (2)假定暗物体的光谱值为0。 (3)如果暗物体的光谱不为0，则认为这是大气作用的效果。 (4)将影像中所有像元值减去暗物体的数值。 问题易过度校正，暗物体可能不好找。 陡峭地形的阴影（暗物体）暗物体的DN值不为0以红外波段校正可见光波段?大气散射（瑞利散射、米氏散射）的选择性，即波长越短，大气散射越大；波长越长，大气散射越小?直方图法或回归分析确定a值?纠正方法差值法TM的第7波段（短波红外，2.08-2.35微米）TM的第4波段（近红外，0.76-0.9微米）黑暗物体的灰度统计直方图以长波波段（短波红外）校正短波波段（可见光、近红外）7TM biai TMi?黑暗物体可见段光和红外波段2维散点图，建立线性回归方程。 经验线性法(Empirical line)( (11)测量地物光谱（暗物体，亮物体）；( (22)确定影像的DN值(observed)与地面测量的光谱(ground truth)对应的区域；( (33)拟合确定相应参数；( (44)对影像进行校正。 问题需要地面同步测量。 对于历史数据，很难实现。 L=a+bR L为遥感图像亮度值，R为地面测量值，a，b为为待定系数Empirical Line calibration?Use EmpiricalLinecalibrationto forcespectral datato matchselected fieldreflectance spectra.A linearregression is used foreach bandto equateDN andreflectance.This isequivalent toremoving thesolar irradianceand theatmospheric pathradiance.The followingequation showshow theempirical linegain andoffset valuesare calculated.?Reflectance(field spectrum)=gain xradiance(input data)+offset?ENVIs empirical line calibrationrequires atleast onefield,laboratory,or otherreference spectrum;these cane fromspectral profilesor plots,spectral libraries,ROIs,statistics orfrom ASCIIfiles.Input spectrawill automaticallybe resampledto matchthe selecteddata wavelengths.?If morethan one spectrum isused,then theregression foreach bandwill becalculated byfitting theregression lihrough allof thespectra.?If onlyonespectrumisused,then theregression linewill beassumed topass throughthe origin(zero reflectanceequals zeroDN).The calibrationcan alsobe performedon adataset usingexisting factors.Computing Factorsand Calibrating?Typically,you shouldchoose adark anda brightregion in the imagefor useintheempiricallinecalibration(providing thatreference spectraare availablefor theseregions).?This providesa moreaurate linearregression.?Using asmany paireddata/field spectraas youcan willalso improvethe calibration.At leastone spectralpair isnecessary.通过查看软件的英文帮助，掌握数据处理流程和基本原理基于模型的大气校正电磁辐射能量在大气辐射传输可以分解为 (1)大气吸收和散射的消光作用(能量减少)衰减效应 (2)大气热辐射作用(能量增加) (3)天空散射，便非目标物参量被接收(能量增加)程辐射简化的大气辐射传输方程为E=E0exp(-T(0,H)+E path其中，E为遥感器系统所收集到的辐射能量，E0为地物目标的辐射能量；exp(-T(0,H)为大气衰减系数，取决于大气的成分、厚度等，计算相当复杂；E path大气程辐射。 应用大气辐射传输模型进行遥感影像大气纠正需要解决两个关键的问题 一、大气辐射传输模型； 二、有关大气介质特征数据的获取。 一、大气辐射传输模型在遥感实际应用中，大气辐射传输模型常需要进一步简化。 如假定地面为朗伯体，排除云的存在，运用各种条件下的标准大气模式及大气气溶胶模式。 二、有关大气介质特征数据的获取1）通过实测获得大气参数（气温、气压、气溶胶和水蒸气的浓度），输入大气辐射传输方程，则可精确计算出大气纠正参数(如大气透过率、程辐射)的数值解，再通过计算每个象元的反射值，以完成对整幅影像的纠正。 2）利用高光谱遥感图像监测汽溶胶、水气柱等，如用MODIS数据，对LandSat数据进行大气校正。 基于模型大气辐射校正实现?基于模型的大气辐射校正软件?6S,Actor,Flaash,Lowtran,Modtran等。 ?利用辐射传辐模型的输出估测影像中的大气组成。 ?然后将模型的大气影响从影像中去除。 相对散射模型TM影像的星上辐射校正L=DN*gain+bias其中L为地物在大气顶部的辐亮度；DN为为像元的灰度值，gain和bias分别为图像的增益与偏置，可从图像的头文件中读取。 最后，根据像元的辐亮度值、大气顶部的太阳辐照度、成像时的太阳高度角等参数由下式计算出样本的反射率。 )cos/(02?E Lds?其中为日地天文单位距离，取值1；为大气顶部的太阳辐照度，各波段的E0值见下表；为成像时的太阳天顶角，即太阳高度角的余角，从图像的头文件中读取。 sd0E?波段1234570E1969184015511044225.782.07ETM+各波段值（单位:）TM影像反射率的计算0E12.?um cmw 3、由于太阳辐射不同引起的辐射误差校正3. 1、太阳位置引起的辐射误差校正3. 2、地形起伏引起辐射误差校正3.1太阳位置引起的辐射误差校正?将太阳光线倾斜照射时获取的图像校正为太阳光线垂直照射时获取的图像。 E(,)=E()sin，其中太阳高度角E()E(,)一般卫星过境当地时间10点半左右右3.1太阳位置引起的辐射误差校正?太阳高度角计算sin=sinsincoscoscost其中，为图像对应地区的纬度；为太阳赤纬（成像时太阳直射点的纬度）；t t为时角（图像对应地区经度与成像时太阳直射点地区经度的差）?太阳高度角的校正是通过调整一幅图像内的平均亮度来实现的，在太阳高度角求出来后，太阳以高度角斜射时得到的图像g（x，y）与直射时得到图像f（x，y）的关系为f（x，y）=g（x，y）/sinf（x，y）=g（x，y）/cos ii为太阳天顶角，为太阳高度角i对一幅图像为常数两幅图像太阳位置引起辐射误差校正?不同时期（虽然当地时间相近，但太阳赤经、时角等不同，所以太阳高度角不同）两幅图像，以其中一幅为标准，校正另外一幅图像DN1/cosi1=DN2/cosi2DN1/sin1=DN2/sin2如以第一幅图像为标准，校正第二幅图像则DN=DN2cosi1/cosi2以太阳直射时为桥梁太阳光线山区地形起伏造成影像阴影示意图3.2地形