遥感大气校正教材

1、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。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

2、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。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 )、

3、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： 4002500nm 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： 、数据预处理：1

4、. CCD 数据读取；2. 辐射定标；3. 大气校正；4. 研究区裁剪； 、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

5、菜单 -Basic Tools-Resize Data 。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”。大气校正（ 1） 主菜单 -Basic Tools-Preprocessing-Calibration Utilities-FLAASH 参数文件参考“ template”。矢量数据进行裁剪 矢量数据选用“浑善达克矢量数据” 。归

6、一化植被指数计算环境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 星第四波段)计算归一化植被指数。( 1) 主菜单 -File- Transform -NDVI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)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

7、 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。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）：2.1数据读取和定标安装环境小卫星数据

8、读取和定标补丁 -ENVI_HJlAlB_Tools. sav文件放在 homeITTIDLIDL80productsenvi4 8save_add 目录下数据读取和定标主菜单-File-Open External Fi.le- HJ-1A/1B Tools钦 ENWIDL2. 2工程区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。 ENVIDL2. 3图像配准做变化监测，两个时相的数据必须互相配准File Opbons Helpt-：“ 阪血认 |. Hide ListAnrp Pwt *(*rxlper Left Com* Coordinaterkth

9、od PcQynotiaVaita Voters41W94.5血KOutput Esult to o F；lcX Piaal Six 30 0CO3CO90 |Utgr Pial Six* 30.00090090 ntrxD * Choose 2 二5S295T443TOKesmplincKoichbwr01 II Qwie Cancel I血处 X 幻30 50 -y l ?5 ?563.6?期 ENVI/IDL2. 4大气校正（一、概述）获得地物真实的光谱信息是遥感反演的前提，大 气校正可消除大气影响，还原地物的真妻信息， 是定量遥感数据预处理中必不可少的环节。殘 ENVI/IDL2.4大

10、气校正(二、制作波谱响应曲线)环境小卫星提供了波谱响应函数,以文本形式提供，第一列表示波长(run),后面四列分别表示4 个波段对应波长的波谱响应值。需要制作波谱曲线来描述波谱响 应函数，甬于大气校正2； X护啊4C00 :gocquio. j.2*wU IWWIwo rtw*0 gf(4C?0.：2*CC0 C38C4010.0c 1*tX hti Calwa :=“1八 T Sq dyz52a 1； ENVI Plot W ndwC3Is)羽MICCOITi*ior runcnon rc.p0.8 t F / Il0.6 卜I1 11 I11t0.2 HI11 10.0 U 一400500

11、 A60070080 C90010C5“沐 AY d : 33D0CO聲 ENWIDL2.4大气校正(三、FLAASH大气校正)*数据准备 FLAASH对图像文件有以下儿个要求：数据是经过定标后的辐射亮度(辐射率)数据，单 位是：(p W) / (cm2*nm*sr)。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)。-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

12、：ENVI标准栅格格式 文件，且是BIP或者BIL。-波谱范围：400- 2500nmV ENVI/IDL2.4大气校正（四、FLAASH基本参数设置）*基本参数设置O F(AASH At/noiphenc Correction Model npcitbipui UUi ，、“：40 聯城耐LfiM：砒MmiS而o5t Mfiyy、专n： Aa.(2AFiFKlam20Wia*ihghhrag：| Wtfw nMSM； D 删：舷次闵U8H2大FEBScene CMrIZ MSS.nor Tn* NNCWN-VSensor AltlQg On) 曲 鈕Fl心:uAy n etrier4Ll 氏

13、 JF V.u-ilily Jn) 3 00SHo呻!Sno I S! ENVl/IDL2.4大气校正（五、FLAASH多光谱参数设置）*多光谱参数设置Multispectral SettingsSelect Chxml Defini tions by File O GUItfter Retrieval Kuma-Tnr Aerosol RtrievalAsu Default Values Baed on Retrxev&l Condi ti 0x12 DefaultsRflctwcc Ratio 0 钙 二OK Z 1PaximiMh Upptr Chtxuwl Refleetc 0Cirr

14、ut Channel (optional) Undnd| Miter F jti,h Kittle 1800.C0Aerosol Sc4 might On) I 500 00COZ Nixirc R*t:c (pj*O 390 00 Slit Fuaetiea No IfU“ Adjcacy Crrectia盘g BZZfTEAI Clculnr *iS | Iile Site Clb)Radir.ce Iract Spt：41 Subset Mull Scqmkd&M Sel Fetrs For ttdi tnc ln4el Scd.4 DISOHT AutcrtfcticUiy Sftve

15、File|f |Output DiUM&tic Fds o |Buib.r DISOIT S、邑 rx cz心)ENVI/IDLFor l i-na4ir LookiInutr 2di MF4e Edit Options agicbor Hw。5020-/、/f、Kr亠Spectral Prof2.4大气校正（七、结果检验）*结果检验大气校正前后典型地物（植被）光谱曲线对比1 sptral Pref e:HJlA-CCD2.200908- 三_ 三LRe Ect Optics? PocHjncon HelpWavelength.0.7Wavelength會 ENVI/IDL植被覆盖度反演归一化

16、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。植被覆盖度计算归化植被指数植被覆盖度FC = (NDVI- NDVISoil) / (NDVIVeg - NDVISoil)聖 ENVUDL3.1归一化植被指数计算主菜单-File-Transform -NDVIOKCancel ENVI/IDL3.2植被覆盖度计算UKIwi.c-l j 怜 |, ENVI/IDL波段运算Basic Tool-Bandmath运算表达式：(bl gt 0. 7)*1+(bl It0. )*0+(bl ge 0 and bl le0. 7

17、)*(bl-0 0) / (0. 7-0. 0)植被覆盖度反演2006土地利用分类图2006植被覆盖区环境小卫星数据2009植被覆盖区波段运算植被荒漠化监测ENVI/IDL4.1两图像植被覆盖区域提取2009年植被覆盖度大于03的为植被覆盖区 2006年土地利用分类图DN值二1、2、3为植被覆盖土地利用分类类型I影像DN值耕地1林地2草地3水域4城市、工矿、居民用地5未利用地6沙地61畛 ENWIDL4.1两图像植被覆盖区域提取2009年8月植被覆盖区-(bl le 0. 3) *0 +(bl gt 0. 3)*1bl为20090811植被覆盖度图像，0.3为经验值2006年8月植被覆盖区-(

18、bl ge 1 and bl le 3)*l+(bl It 1)*0+(bl gt 3)*0bl为浑善达克2006年8月土地利用分类图兮 ENVUIDL4.2变化区域计算波段运算 Basic Tool-Bandmath运算表达式:bl-b2bl: 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5. 1植被变化区域图的背景值处理变化图像：0一未发生变化的区域-1植被荒漠化区域1植被增加区域将背景值掩膜为非0、-1、1的值ApplyV*sk VUua 5Output Result te 0fhcoryZnttr Outputdoe” ； Joncress nc el ENVI/

19、IDL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

20、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 MODTRA的N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，HYPERIO，N Probe-1 ，CASI和 AISA

21、)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

22、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 (FWH)M。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

23、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/(cm nmsr) ，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