遥感大气校正.doc

实验四 遥感图像的大气校正实验目的：通过实习操作，掌握遥感图像大气校正的基本方法和步骤，掌握遥感图像波段计算及其应用。实验内容： 环境小卫星的数据读取； 辐射定标、图像配准、大气校正； 植被反演、植被覆盖变化监测1、实验相关知识及背景u 传感器定标就是将图像的数字量化值（DN）转化为辐射亮度值或者反射率或者表面温度等物理量的处理过程；传感器定标可分为绝对定标和相对定标，绝对定标是获取图像上目标物的绝对辐射值等物理量。u 遥感图像的大气校正方法很多，这些校正方法按照校正后的结果可以分为2种：绝对大气校正方法：将遥感图像的DN(Digital Number)值转换为地表反射率、地表辐射率、地表温度等的方法。相对大气校正方法：校正后得到的图像，相同的DN值表示相同的地物反射率，其结果不考虑地物的实际反射率。u ENVI下FLAASH大气校正工具是基于MODTRAN4+辐射传输模型，FLAASH对图像文件有以下几个要求：（1）数据是经过定标后的辐射亮度（辐射率）数据，单位是：（W）/（cm2*nm*sr）。（2）数据带有中心波长（wavelenth）值，如果是高光谱还必须有波段宽度（FWHM），这两个参数都可以通过编辑头文件信息输入（Edit Header）。（3）数据类型支持四种数据类型：浮点型（floating）、长整型(long integer )、整型（integer）和无符号整型 (unsigned int)。数据存储类型： ENVI标准栅格格式文件，且是BIP或者BIL。（4）波谱范围：4002500nmu 浑善达克地区位于内蒙古草原锡林郭勒高原中部。近年来频频发生在京津地区的沙尘暴与该地区生态环境恶化相关。据统计，京津地区沙尘暴70%的沙源来自于这个区域。通过对该区域植被覆盖度的定量反演，植被覆盖的变化检测，可以实现草原植被的高频率、大范围、高实时的变化监测。2、实验步骤根据环境小卫星CCD数据特点及草原植被变化监测的要求，采用以下处理流程： 一、数据预处理：1.CCD数据读取；2.辐射定标；3.大气校正；4.研究区裁剪； 二、反演模型建立1.归一化植被指数；2.植被覆盖度； 三、植被变化监测1.植被覆盖区提取；2.植被变化检测； 四、后期处理与应用u 数据读取和定标（1）安装环境小卫星数据读取和定标补丁ENVI_HJ1A1B_Tools.sav文件放在homeITTIDLIDL80productsenvi48save_add目录下。（2）数据读取和定标。主菜单-File-Open External File-HJ-1A/1B Tools。（3）数据裁剪，由于整景数据范围比较大，所以在做大气校正前，先将浑善达克以及周边区域裁剪出来。主菜单-Basic Tools-Resize Data。u 图像配准做变化监测，两个时相的数据必须互相配准。具体步骤参考几何校正：主菜单-Map-Registration-Select GCPs：Image to Image。Base Map基础底图选用“浑善达克2006年8月土地利用分类图.img”，控制点参考“HJ-jz-GCP.pts”。u 大气校正（1）主菜单-Basic Tools-Preprocessing-Calibration Utilities-FLAASH。参数文件参考“template”。u 矢量数据进行裁剪矢量数据选用“浑善达克矢量数据”。u 归一化植被指数计算应用被植被强吸收的红光波段（环境星第3波段）和被植被强反射的近红外波段（环境星第四波段）计算归一化植被指数。（1）主菜单-File- Transform -NDVIu 植被覆盖度计算（1）在ENVI主菜单栏中波段运算Basic Tool-Bandmath。运算表达式： (b1 gt 0.7)*1+(b1 lt 0.)*0+(b1 ge 0 and b1 le 0.7)*(b1-0.0)/(0.7-0.0)u 植被覆盖变化监测（1）2009年植被覆盖度大于0.3的为植被覆盖区；2009年8月植被覆盖区运算表达式：(b1 le 0.3)*0 +(b1 gt 0.3)*1b1为20090811植被覆盖度图像，0.3为经验值。（2）2006年土地利用分类图DN值=1、2、3为植被覆盖区。2006年8月植被覆盖区运算表达式：(b1 ge 1 and b1 le 3)*1+(b1 lt 1)*0+(b1 gt 3)*0b1为浑善达克2006年8月土地利用分类图。（3）植被覆盖变化监测运算表达式： b1-b2b1:2009年8月的植被覆盖区图像；b2:2006年8月的植被覆盖区图像。u 植被变化区域制图对-1、0、1值以及背景值分别进行密度分割。/附录1（来自于网络资源）：附录2环境系列卫星是中国专门用于环境和灾害监测的对地观测系统的。系统由2颗光学卫星（HJ-1A卫星和HJ-1B卫星）和一颗雷达卫星（HJ-1C卫星）组成的。拥有光学、红外、超光谱等不同探测方法，有大范围、全天候、全天时、动态的环境和灾害监测能力。HJ-1A及HJ-1B卫星（光学卫星）HJ-1A和HT-1B卫星是用于环境与灾害监测预报的，它们也搭载了CCD相机和超光谱成像仪（HSI）。HT-1C卫星（雷达卫星）HJ-1C卫星也是用于环境与灾害监测预报的，是中国首颗S波段合成孔径雷达卫星，会与已经发射的HJ-1A卫星、HJ-1B卫星形成的卫星系统。附录3 FLAASH模型FLAASH大气校正模块 （1）FLAASH模块简介FLAASH是由世界一流的光学成像研究所波谱科学研究所（Spectral Sciences Inc.）在美国空军研究实验室（U.S. Air Force Research Laboratory）支持下开发的大气校正模块。波谱科学研究所在1989年大气辐射传输模型开发初期就广泛从事MODTRAN的研究工作，已成为大气辐射传输模型开发过程中不可缺少的一员。FLAASH适用于高光谱遥感数据（如HyMap，AVIRIS，HYIDCE，HYPERION，Probe-1，CASI和AISA）和多光谱遥感数据（如陆地资源卫星，SPOT，IRS和ASTER）的大气校正。当遥感数据中包含合适的波段时，用FLAASH还可以反演水气、气溶胶等参数。ENVI中大气校正模型FLAASH，是高光谱辐射能量影像反射率反演的首选大气校正模型。FLAASH能够精确补偿大气影响，其适用的波长范围包括可见光至近红外及短波红外，最大波长为3m。其它的大气校正模型是计算方法基于查找表（Look-up Table）、利用插值方法计算，而FLAASH是直接移植了modtran4中的辐射传输计算方法。我们可以选取代表研究区的大气模型和气溶胶类型。FLAASH模型中输入的图像必须是经过辐射定标后的辐射亮度图像，格式为BIL或BIP,数据类型为floating-point，4-byte signed integers，2-byte signed integers，或2-byte unsigned integers，为了能进行大气反演，图像至少包括下面三个范围区间内的15nm分辨率甚至更高的波段，即1050-1210nm，770-870 nm，870-1020nm。对于已有传感器类型的高光谱遥感图像来说，图像头文件中必须包含波长和波谱带宽（FWHM）。对于已知的多光谱传感器来说，仅仅需要波长，而未知的多光谱传感器类型，则要求知道波谱响应函数，如论文中ALI数据校正就需要输入波谱响应函数。FLAASH支持多种传感器，其通过图像像素光谱上的特征来估计大气的属性，不依赖遥感成像同步测量的大气参数数据。（2）FLAASH模块参数设置尺度转换因子的计算FLAASH模块中，在输入辐射能量数据时，同时要求输入尺度转换因子。尺度因子有两种输入方式A:当各波段尺度转换因子不同时，选择每一种的输入方式，可事先把尺度因子输入到记事本文件中，然后，从记事本文件中直接读取；B：当尺度转换因子相同时，选择第二种输入方式。由于模块中要求辐射能量的量纲是µW/（cmnmsr）,而经辐射定标AVIRIS数据的量纲为µW/(cmnmsr)，所以后者还需通过换算关系式1µW/（cmnmsr）=0.001mW/(cmnmsr)进行量纲转换。因此，利用FLAASH模块校正AVIRIS数据时，其尺度转换因子为0.001。对其它类型遥感数据大气校正时，可以参照上述方法计算相应的尺度转换因子。判断尺度因子设置正确与否的方法是依据图像的数据统计特征，即当统计数据没有负值和大于1放大系数的数值，则可以认为尺度转换因子设置正确。FLAASH其它参数的设置A：图像中心点坐标:可以从相应的HDF文件中找到，也可以从屏幕上直接读取影像的中心坐标，对反演结果影响不大。当影像位于西半球时，经度为负值。B：传感器类型:当选择传感器类型时，模块会选择相应类型的传感器波段响应函数，同时系统一般会自动设置传感器的高度和图像的空间分辨率。若没有相应类型的传感器，则一些参数需要额外设置，如下文中ALI数据的校正。C：海拔高度:海拔高度为研究区的平均海拔。D：数据获取日期和卫星过境时间:卫星过境时间为格林尼治时间，可以从相应的HDF文件中找到。E：大气模型:为了获取校正的最佳质量，选择一个合适的大气校正模型至关重要。模块提供热带、中纬度夏季、中纬度冬季、极地夏季、极地冬季和美国标准大气模型，每个模块的大气水汽含量标准如表1，如果没有获取大气水汽含量，也可以通过地表大气温度来确定相应的模型，因为一定的温度和一定的大气水汽含量相关。如果地表大气温度也不知道，那么可以通过数据获取时间和地点选择相应的大气模型。F：水气反演ENVI软件提供了三个波段区间以供选择，分别为1050-1210nm(选项1135nm)、870-1020nm(选项940nm)、770-870nm(选项820nm)。G：气溶胶模型可供选择的气溶胶模型有无气溶