遥感原理与应用_第4章_3 遥感影像处理-遥感影像辐射处理

1、S O U T H W E S T J I A O T O N G U N I V E R S I T Y S W J T US W J T U 蔡蔡 国国 林林 E-MailE-Mail： S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 遥感物理基础遥感物理基础 遥感平台特点遥感平台特点 遥感传感器遥感传感器 影像处理基础影像处理基础影像几何处理影像几何处理影像辐射处理影像辐射处理 遥感影像判读遥感影像判读 影像识别分类影像识别分类 遥感技术应用遥感技术应用 遥感系遥感系 统统 影像处

2、影像处 理理 遥感应遥感应 用用 影像处理影像处理 遥感遥感 遥遥 感感 原原 理理 与与 应应 用用 课课 程程 框框 架架 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 遥遥 感感 影影 像像 处处 理理 遥感数字图像处理基础遥感数字图像处理基础 遥感影像几何处理遥感影像几何处理 遥感影像辐射处理遥感影像辐射处理 遥感影像增强处理遥感影像增强处理 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L

3、i S h e n 辐射误差的来源辐射误差的来源 辐射校正辐射校正 传感器定标传感器定标 大气校正大气校正 太阳高度角和地形引起的辐射误差校正太阳高度角和地形引起的辐射误差校正 遥遥 感感 辐辐 射射 处处 理理 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 理想遥感系统理想遥感系统，遥感图像的，遥感图像的数字量化值数字量化值(DN，Digital Number)直接反映地物目标对电磁波反射率的差异。直接反映地物目标对电磁波反射率的差异。 a) 不考虑传感器本身的误差； b) 没有大气

4、对辐射传输的影响； c) 太阳辐射强度恒定； d) 不存在地形因素的影响。 但是，这种理想的情况现实中并不存在但是，这种理想的情况现实中并不存在 辐辐 射射 误误 差差 来来 源源 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 1 2 3 太阳太阳大气大气地表地表大气大气传感器传感器 3.地形影响和光地形影响和光 照条件的变化照条件的变化引引 起的辐射误差起的辐射误差 2. 大气的散射和大气的散射和 吸收引起的辐射吸收引起的辐射 误差误差 1.传感器本身的传感器本身的 性能引起的辐射性

5、能引起的辐射 误差误差 辐射误差的来源辐射误差的来源 辐辐 射射 误误 差差 来来 源源 返回本节首页 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 由于遥感图像成像过程的复杂性，传感器接收到的电磁波能量由于遥感图像成像过程的复杂性，传感器接收到的电磁波能量 与目标本身反射的能量是不一致的。与目标本身反射的能量是不一致的。 辐射校正辐射校正针对各种干扰因素进行校正，针对各种干扰因素进行校正，消除图像数据中依附在消除图像数据中依附在 辐射亮度中的辐射亮度中的各种失真各种失真，使得遥感图像

6、尽可能地反映并且只反使得遥感图像尽可能地反映并且只反 映地物目标的差异。映地物目标的差异。 相应地，辐射校正包括相应地，辐射校正包括传感器校正传感器校正、大气校正大气校正、地形和太阳高地形和太阳高 度角的校正度角的校正等。等。 辐辐 射射 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n DN值(从遥感器 得到的数字测 量值) 经过遥感器校 正的辐射值 地表辐射值 地表反射值 遥感器校正遥感器校正 大气校正大气校正 太阳以及地形太阳以及地形 校正校正 光学系统特征(如边缘减光)

7、 光电变换系统的灵敏度特 征的偏差 遥感器系统的增减及偏差 相关系数(如Landsat TM和 MSS) 图像测量 地面实况测量 大气光路透射比 大气光路辐射率 太阳大气光谱辐照度 太阳光路大气投射比 太阳传播散射率 DEM（数字高程模型） 辐射校正的数据流和基本方法辐射校正的数据流和基本方法 辐辐 射射 校校 正正 返回本节首页 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 主要是由其主要是由其光学系统光学系统或或光电变换系统光电变换系统的特征所形成的：的特征所形成的： 在使用透镜的

8、光学系统中，由于镜头光学特性的非均匀性，在在使用透镜的光学系统中，由于镜头光学特性的非均匀性，在 其成像面存在着边缘部分比中心部分发暗的现象（边缘减光）。其成像面存在着边缘部分比中心部分发暗的现象（边缘减光）。 目前目前Landsat TM、ETM+、SPOT等均采用光电变换系统来替等均采用光电变换系统来替 代传统相机的透镜光学系统摄像，不存在边缘减光现象，故一代传统相机的透镜光学系统摄像，不存在边缘减光现象，故一 般不需要采取相应校正处理般不需要采取相应校正处理。 而光电变换系统的灵敏度特性一般都有很高的重复性和稳定性，而光电变换系统的灵敏度特性一般都有很高的重复性和稳定性， 可定期在地面测

9、定其可能发生的变化，并把测量值收集到遥测可定期在地面测定其可能发生的变化，并把测量值收集到遥测 辅助信息数据文件中。辅助信息数据文件中。(主要考虑校正因素主要考虑校正因素) 传感器端的畸变传感器端的畸变 传传 感感 器器 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 传感器辐射校正，也称为传感器辐射校正，也称为辐射定标辐射定标，是把只具有相对意义的数，是把只具有相对意义的数 字量化值（字量化值（DN，即，即Digital Number）转换为具有物理意义的辐亮）转换为具有物

10、理意义的辐亮 度或反射率的过程。度或反射率的过程。(辐亮度？辐亮度？) 辐射亮度：辐射亮度：描述面辐射源的辐射特性的，是指面辐射源在单位立描述面辐射源的辐射特性的，是指面辐射源在单位立 体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积上辐射出的辐体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积上辐射出的辐 射能量。即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量：射能量。即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量： 辐射亮度（辐射亮度（L）的）的单位是瓦单位是瓦 / 米米球面度（球面度（W/mSr） 辐射定标辐射定标 传传 感感 器器 校校 正正 辐射定标分为辐射定标分为相对定标相对定标和和

11、绝对定标绝对定标 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 相对定标又称为相对定标又称为传感器探测元件归一化传感器探测元件归一化，是为了校正传感器中，是为了校正传感器中 各个探测元件响应度差异而对传感器测量到的原始亮度值进行各个探测元件响应度差异而对传感器测量到的原始亮度值进行 归一化的一种处理过程。由于传感器中各个探测元件之间存在归一化的一种处理过程。由于传感器中各个探测元件之间存在 差异，使传感器探测数据图像出现一些条带，相对辐射定标就差异，使传感器探测数据图像出现一些条带，相

12、对辐射定标就 是降低或消除这些影响。是降低或消除这些影响。 当相对定标方法还不能消除这种影响时，可以用一些统计方法当相对定标方法还不能消除这种影响时，可以用一些统计方法 如如直方图均衡化直方图均衡化、均匀场景图像分析均匀场景图像分析等方法来消除。等方法来消除。 相对定标相对定标 传传 感感 器器 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 探测元件响应度差异造成的影像色调不一致性探测元件响应度差异造成的影像色调不一致性 传传 感感 器器 校校 正正 S W J T US

13、W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 绝对定标：通过各种标准辐射源，在不同波谱段分别建立传感绝对定标：通过各种标准辐射源，在不同波谱段分别建立传感 器器入瞳处入瞳处的光谱辐射亮度值与传感器输出的数字量化值（的光谱辐射亮度值与传感器输出的数字量化值（DN， 即即Digital Number）之间的定量关系。）之间的定量关系。 通过绝对定标得到目标的绝对反射或辐射能量值通过绝对定标得到目标的绝对反射或辐射能量值 可见光与近红外波段：可见光与近红外波段： DN 热红外波段：热红外波段： DN T 绝对定标

14、绝对定标 传传 感感 器器 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 绝对定标要建立传感器测量的数字信号与对应的辐射能量之间绝对定标要建立传感器测量的数字信号与对应的辐射能量之间 的数量关系，该关系通常呈的数量关系，该关系通常呈线性关系线性关系，建立该关系就是确定线性，建立该关系就是确定线性 关系中的系数及常数项，即关系中的系数及常数项，即定标系数定标系数。 将传感器能感知的最小和最大辐射亮度与图像的灰度联系起来，将传感器能感知的最小和最大辐射亮度与图像的灰度联系起来，

15、 就可建立定标系数，从而建立定标关系式。就可建立定标系数，从而建立定标关系式。 传传 感感 器器 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n LDN Cma x 0 Lmax Lmin 用无符号8 位二进制 表示 255 0 Cmax 0 Lmin DN L Lmax 线性映射线性映射 传传 感感 器器 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n m

16、in LDNKL maxminmax CLLK min 1 LL K DN K：传感器的增益；：传感器的增益； Lmax：传感器达到饱和时所记录的辐射能量，即传感器记录的：传感器达到饱和时所记录的辐射能量，即传感器记录的 最大能量；最大能量； Lmin：传感器探测并记录的最小能量；：传感器探测并记录的最小能量； Cmax：遥感图像中的最大值（如：对无符号：遥感图像中的最大值（如：对无符号8位类型数据，最位类型数据，最 大值是大值是255）。）。 定标关系式定标关系式 传传 感感 器器 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u

17、 o l i n C a i & L i S h e n 就就8位无符号二进制类型（位无符号二进制类型（256级灰度）的图像而言，基级灰度）的图像而言，基 本的辐射定标方程如下所示：本的辐射定标方程如下所示： 对不同传感器，定标关系式有所不同对不同传感器，定标关系式有所不同。 min minmax 255 LDN LL L 传传 感感 器器 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 卫星卫星传感器传感器 定标系数（定标系数（DN/W m 2 sr 1m 1） Band1

18、Band2Band3Band4 HJ1A CCD10.57630.54100.68240.7209 CCD20.63600.59100.81420.8768 HJ1B CCD10.53290.528950.684950.72245 CCD20.57820.50870.68250.6468 L=DN/coe 式中式中coe为绝对定标系数，转换后辐亮度单位为为绝对定标系数，转换后辐亮度单位为 W m 2 sr 1m 1。 HJ 1A/B星绝对辐射定标系数（星绝对辐射定标系数（DN/W m 2 sr 1m 1） 我国我国HJ 1A/B星绝对辐射定标方程星绝对辐射定标方程 传传 感感 器器 校校 正正

19、 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n cos 0 2 EdL biasDNgainL s Landsat TM图像绝对定标方程（可见光波段灰度值与辐射亮度图像绝对定标方程（可见光波段灰度值与辐射亮度 、反射率的转换关系）、反射率的转换关系） u L为地物在给定波长的为地物在给定波长的大气顶部大气顶部的辐亮度，单位为的辐亮度，单位为W/m2.sr.m ；gain 和和bias分别为传感器的增益和偏移量，从图像头文件中可以读取；分别为传感器的增益和偏移量，从图像头文件中可以读取；

20、 为为 反射率（即反射率（即表观反射率表观反射率）；）；ds是日地天文单位距离；是日地天文单位距离；E0大气顶层的太大气顶层的太 阳辐照度，单位为阳辐照度，单位为W/m2. m ；是太阳天顶角（单位为弧度）是太阳天顶角（单位为弧度） 。 u 头文件中有高度角（头文件中有高度角（Sun ELEVATION）参数，天顶角）参数，天顶角 90-高度角；高度角； u 日地距离日地距离ds一般如果不是很需要的话，可以选取一般如果不是很需要的话，可以选取1。也可用公式计算：。也可用公式计算： u ds = 1 + 0.0167*sin(2*pi* (days93.5) / 360)，days是拍摄卫片的日

21、期在是拍摄卫片的日期在 那一年的天数，如那一年的天数，如2004年年5月月21号，则号，则days312931+30+21142。 传传 感感 器器 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 气顶层太阳辐照度（气顶层太阳辐照度（ESUNI）可从遥感权威单位定）可从遥感权威单位定 期测定并公布的信息中获取。期测定并公布的信息中获取。 大气顶层太阳辐照度（大气顶层太阳辐照度（ESUNI） Solar Exoatmospheric Spectral Irradiances(E

22、SUNI) (W/m2.sr.m) BandTM1TM2TM3TM4TM5TM7 L5 TM1957182615541036215.080.67 L7 ETM+ 1969184015511044225.782.07 传传 感感 器器 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n Landsat 卫星图像头文件中的增益及偏移量参数卫星图像头文件中的增益及偏移量参数 传传 感感 器器 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0

23、1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 绝对定标又分绝对定标又分前定标前定标和和后定标后定标。 u 前定标：卫星发射前的绝对定标前定标：卫星发射前的绝对定标，是在地面实验室或实验场，是在地面实验室或实验场， 用传感器观测辐射亮度值已知的标准辐射源以获得定标数据；用传感器观测辐射亮度值已知的标准辐射源以获得定标数据； u 后定标后定标（遥感器场地外定标遥感器场地外定标）：遥感器在空中运行过程中飞越）：遥感器在空中运行过程中飞越 定标场上空时，在定标场选择若干像元区，测量遥感器对应的定标场上空时，在定标场选择若干像元区，测量遥感器对应的 各波段地物的光谱反射率和大

24、气光谱参量，利用大气辐射传输各波段地物的光谱反射率和大气光谱参量，利用大气辐射传输 模型给出遥感器入瞳处各光谱带的辐射亮度，最后确定它与遥模型给出遥感器入瞳处各光谱带的辐射亮度，最后确定它与遥 感器对应输出的数字量化（灰度值）的数量关系，求解定标系感器对应输出的数字量化（灰度值）的数量关系，求解定标系 数，并进行误差分析。数，并进行误差分析。 优点：优点：实现了对遥感器运行状态下与获取地面图像完全同条件的实现了对遥感器运行状态下与获取地面图像完全同条件的 绝对校正。不足：需要测量和计算空中遥感器过顶时的大气环绝对校正。不足：需要测量和计算空中遥感器过顶时的大气环 境和地物反射率。境和地物反射率

25、。 传传 感感 器器 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n u 定标的手段是测定传感器对一个已知辐射目标的响应定标的手段是测定传感器对一个已知辐射目标的响应； u 地势平坦，地物单一地势平坦，地物单一； u 全场表面覆盖均匀，反射率适中且变化很小全场表面覆盖均匀，反射率适中且变化很小； u 具有足够大的面积，横向和纵向都要大于一副图像的宽度具有足够大的面积，横向和纵向都要大于一副图像的宽度； u 大气洁净，能见度好大气洁净，能见度好。 辐射定标场地的基本要求辐射定标

26、场地的基本要求 传传 感感 器器 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n u 我国资源一号卫星、气象卫星的绝对辐射校正场：我国资源一号卫星、气象卫星的绝对辐射校正场： p 西北敦煌的陆地校正场西北敦煌的陆地校正场 p 青海湖的水面校正场青海湖的水面校正场 u 正在选址的相对辐射校正场：正在选址的相对辐射校正场： p 格陵兰雪地、南极洲雪地、阿瓦提沙漠和西塔里木沙漠等格陵兰雪地、南极洲雪地、阿瓦提沙漠和西塔里木沙漠等 辐射校正场的选建辐射校正场的选建 传传 感感 器器

27、校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n u 一般地面站提供的产品已做过一般地面站提供的产品已做过系统辐射校正系统辐射校正，消除了遥感器，消除了遥感器 系统产生的辐射畸变，但系统产生的辐射畸变，但仍存在着大气散射和吸收引起的辐仍存在着大气散射和吸收引起的辐 射误差及太阳高度角和地形等光照条件差异引起的辐射误差射误差及太阳高度角和地形等光照条件差异引起的辐射误差 。这些随机误差随时、随地而异，是影响定量遥感进展的主。这些随机误差随时、随地而异，是影响定量遥感进展的主 要障

28、碍。要障碍。 u 目前国内外已做过大量研究，但有些方法从理论上说很好，目前国内外已做过大量研究，但有些方法从理论上说很好， 实践起来却很不容易；有些方法有局限性，在某些条件下应实践起来却很不容易；有些方法有局限性，在某些条件下应 用效果还不错，换了条件效果就不同了。用效果还不错，换了条件效果就不同了。 传传 感感 器器 校校 正正 返回本节首页 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 大气校正大气校正就是将辐射亮度或者就是将辐射亮度或者表观反射率表观反射率转换为转换为地表实际反射

29、地表实际反射 率率，目的是消除大气散射、吸收、反射引起的误差。，目的是消除大气散射、吸收、反射引起的误差。 大气校正的两类模型大气校正的两类模型 统计型统计型是基于陆地表面变量和遥感数据的相关关系，优点在于是基于陆地表面变量和遥感数据的相关关系，优点在于 容易建立并且可以有效地概括从局部区域获取的数据。容易建立并且可以有效地概括从局部区域获取的数据。 物理模型物理模型遵循遥感系统的物理规律，它们也可以建立因果关系。遵循遥感系统的物理规律，它们也可以建立因果关系。 如果初始的模型不好，通过加入新的知识和信息就可以知道应如果初始的模型不好，通过加入新的知识和信息就可以知道应 该在哪部分改进模型。但

30、是建立和学习这些物理模型的过程漫该在哪部分改进模型。但是建立和学习这些物理模型的过程漫 长而曲折。模型是对现实的抽象；所以一个逼真的模型可能非长而曲折。模型是对现实的抽象；所以一个逼真的模型可能非 常复杂，包含大量的变量。例如常复杂，包含大量的变量。例如6s模型，模型，Mortran等。等。 大大 气气 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 从遥感图像中提取生物物理参数（从遥感图像中提取生物物理参数（biophysical parameters）时）时 ，必须进行大

31、气校正；，必须进行大气校正； 在某些地物分类和变化检测方法中可以不进行大气校正。在某些地物分类和变化检测方法中可以不进行大气校正。 p 利用最大似然法对同一时间获取的遥感图像进行分类；利用最大似然法对同一时间获取的遥感图像进行分类； p 利用最大似然法对不同时相图像分别进行分类，对分类后图像通利用最大似然法对不同时相图像分别进行分类，对分类后图像通 过比较进行变化检测；过比较进行变化检测； p 将不同时相图像集合成一个数据集进行变化检测时，可以不做大将不同时相图像集合成一个数据集进行变化检测时，可以不做大 气校正。如将气校正。如将t1时间的时间的Landsat TM 4个波段图像和个波段图像和

32、t2时间的时间的 Landsat TM 4个波段图像组成一个个波段图像组成一个8波段的图像集进行变化检测波段的图像集进行变化检测 时，可以不做大气校正。时，可以不做大气校正。 大气校正的必要性大气校正的必要性 大大 气气 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 大气校正方法大气校正方法 基于地面场地数据或辅助数据基于地面场地数据或辅助数据 (经验模型经验模型) 利用特殊波段利用特殊波段 直方图最小值法直方图最小值法 回归分析法回归分析法 基于辐射传输方程基于辐射传输方

33、程 (物理模型物理模型) 大大 气气 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 在地面选取两个或更多反射率明显不同的区域（如沙堆这样的在地面选取两个或更多反射率明显不同的区域（如沙堆这样的 亮区域亮区域和深水体这样的和深水体这样的暗区域暗区域），在区域内选取），在区域内选取m(m2)个目标个目标 ，在遥感图像获取的同时在遥感图像获取的同时，测出这些目标对应遥感成像波段，测出这些目标对应遥感成像波段k的的 反射率反射率k,i(i=1,2,m),并在并在k波段图像上查出这波

34、段图像上查出这m个目标对应像元个目标对应像元 的亮度值的亮度值BVk,i，建立图像亮度，建立图像亮度BVk,i与目标反射率与目标反射率k,i的线性关系的线性关系 ： 假设假设地面目标的反射率地面目标的反射率与与遥感探测器的信号遥感探测器的信号之间具有线性关系。之间具有线性关系。 k k k mk k k k mk k k B B B A BV BV BV , 2, 1 , , 2, 1 , 基于地面场地数据或辅助数据基于地面场地数据或辅助数据 大大 气气 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i

35、& L i S h e n 大大 气气 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n kkk BABV 利用利用最小二乘法，解出系数最小二乘法，解出系数Ak、Bk，建立图像像元亮度值与目建立图像像元亮度值与目 标反射率的关系，即大气校正模型：标反射率的关系，即大气校正模型： ：目标在波长：目标在波长处的反射率处的反射率 k k k k B A BV A 11 如果不能获取成像时刻的地面数据，地面反射率可参考光谱数如果不能获取成像时刻的地面数据，地面反射率可参考光谱数 据库。

36、据库。 图像中每个像元的亮度值可转换成对应的地面目标的反射率。图像中每个像元的亮度值可转换成对应的地面目标的反射率。 大大 气气 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 硫 磺 云 母 大大 气气 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 理论基础：大气散射的选择性，即理论基础：大气散射的选择性，即大气散射主要发生在可见光大气散射主要发生在可见

37、光 中的短波波段，对近红外和中红外波段几乎无影响中的短波波段，对近红外和中红外波段几乎无影响。 因此可以把近红外波段图像当作无散射影像的标准图像，根据因此可以把近红外波段图像当作无散射影像的标准图像，根据 近红外波段图像的暗像素亮度值来估计可见光波段的大气干扰近红外波段图像的暗像素亮度值来估计可见光波段的大气干扰 值。值。 u 直方图法直方图法 u 回归分析法回归分析法 利用特殊波段利用特殊波段 大大 气气 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 又称作又称作黑暗像元

38、法黑暗像元法，其认为一幅图像中的某些地物在某些波段，其认为一幅图像中的某些地物在某些波段 反射率近似看成为反射率近似看成为0，即，即“暗目标暗目标”，它们在图像中的对应位置的，它们在图像中的对应位置的 像元亮度值应为像元亮度值应为0，但实际上由于大气的影响，该像元的亮度值一，但实际上由于大气的影响，该像元的亮度值一 般为一个大于般为一个大于0的数的数a，则认为，则认为a就是大气程辐射值。校正时，将图就是大气程辐射值。校正时，将图 像像元的亮度值都减去像像元的亮度值都减去a即可。即可。 aBVVB jiji , 直方图最小值法直方图最小值法 大大 气气 校校 正正 S W J T US W J

39、T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 可用于同时相多波段图像中短波段图像的大气校正可用于同时相多波段图像中短波段图像的大气校正 对同时相获取的多波段影像，长波段如红外波（对同时相获取的多波段影像，长波段如红外波（0.76m）受）受 大气影响小，可见光波段（大气影响小，可见光波段（0.38-0.76 m ）受大气影响强烈。如）受大气影响强烈。如 果图像范围内存在灰度值为零的地物（如深水体、高山背阴处果图像范围内存在灰度值为零的地物（如深水体、高山背阴处 等），则长波段图像的灰度直方图往往从原点开始，而其他波等

40、），则长波段图像的灰度直方图往往从原点开始，而其他波 段（波长相对较短的波段）灰度直方图离原点有一段距离段（波长相对较短的波段）灰度直方图离原点有一段距离ak (k 为波段为波段) ，这段距离即为大气散射增强（相当于路径辐射，这段距离即为大气散射增强（相当于路径辐射Lp）引）引 起的灰度直方图偏离值。以此偏离值起的灰度直方图偏离值。以此偏离值ak为改正量，为改正量，同时相同时相获取的获取的 其他波段图像像元值减去其他波段图像像元值减去ak ，得到大气校正后的图像。，得到大气校正后的图像。 k：波段；：波段；(i, j)为像素坐标。为像素坐标。 kkjikji aBVVB , 大大 气气 校校

41、正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 长波段(5,7波段)图像亮度最 小值为0，说明有暗目标存 在。短波段图像最小亮度值 不为0，说明它们受大气影 响。 校正方法：各波段像元灰度 值减分别减去该波段图像灰 度最小值。 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 在影像上找出最黑的区域（比如完全接收不到太阳光的在影像上找出最黑的区域（比如完全接收不到太阳光的高山阴

42、高山阴 影或深海水体影或深海水体），如果不存在附加的辐射，这些区域在其他波段），如果不存在附加的辐射，这些区域在其他波段 也应该是黑的（也应该是黑的（反射率为零反射率为零）。）。 据此可以进行大气辐射的校正。由于近红外波段几乎不受大气据此可以进行大气辐射的校正。由于近红外波段几乎不受大气 辐射的影响，它能够较正确地反映地物谱的实际情况，因而可以辐射的影响，它能够较正确地反映地物谱的实际情况，因而可以 近红外波段为基础对其他波段进行辐射校正。近红外波段为基础对其他波段进行辐射校正。 回归分析法回归分析法 大大 气气 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h

43、 t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 例如，在例如，在TM图像图像中，中，蓝光波段蓝光波段B1的大气散射最大，的大气散射最大，红外波段红外波段B7 的散射最小。图像中的深的大面积水体与地形阴影在的散射最小。图像中的深的大面积水体与地形阴影在B7中是黑的，中是黑的， 如果不存在附加的辐射，这些水体与阴影在其他波段也应该是黑如果不存在附加的辐射，这些水体与阴影在其他波段也应该是黑 的的 实验表明实验表明某些波段的灰度值之间存在线性关系，如某些波段的灰度值之间存在线性关系，如TM7与与TM1, 2, 3的灰度值关系的灰度值关系 7 (1,2,3) i

44、ii gAgB i 大大 气气 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n p 在在TM3上的最黑区域中选择一系列目标（例如地形阴影区）上的最黑区域中选择一系列目标（例如地形阴影区） p 找出在找出在TM7上的对应目标上的对应目标 p 然后取出这两个波段的灰度值，在以然后取出这两个波段的灰度值，在以(I3,I7)为坐标的直角坐标为坐标的直角坐标 系中绘制一系列的坐标点（二维散点图）系中绘制一系列的坐标点（二维散点图） p 做出回归直线，回归方程为做出回归直线，回归方程为I

45、3=b3I7+a3 I3 , I7为为TM3和和TM7的灰度值的灰度值 b3 , a3为直线的斜率和截距为直线的斜率和截距 p 最小二乘法拟合计算最小二乘法拟合计算b3 , a3 p 校正公式为校正公式为I3=I3-a3 I3为为TM3校正后的灰度值校正后的灰度值 I7 a3 I3 回归分析法步骤回归分析法步骤(以以TM3为例为例) 大大 气气 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 注意：注意：抽取区域一定要是如同高山阴影区那样的在抽取区域一定要是如同高山阴影区那样

46、的在所有波段全所有波段全 黑黑的区域。的区域。 因为地物的波谱响应在各波段是不同的，在一个波段黑并因为地物的波谱响应在各波段是不同的，在一个波段黑并 不意味着在另一个波段也黑，这样回归分析所得的校正量就加不意味着在另一个波段也黑，这样回归分析所得的校正量就加 进了地物波谱特性因素而不全是散射的影响，所以是无意义的进了地物波谱特性因素而不全是散射的影响，所以是无意义的 所以当影像中没有陡峭的地形所造成的高山阴影或者清洁水体所以当影像中没有陡峭的地形所造成的高山阴影或者清洁水体 时，这两种方法就不能使用时，这两种方法就不能使用 大大 气气 校校 正正 S W J T US W J T U C o

47、p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 辐辐射传输方程描述辐射能在空间或媒质中传输过程、特性及其射传输方程描述辐射能在空间或媒质中传输过程、特性及其 规律的数学方程规律的数学方程 传感器光谱响应系数传感器光谱响应系数 大气光谱透过率大气光谱透过率 太阳入射的光谱能量太阳入射的光谱能量 太阳高度角太阳高度角 地物光谱反射率地物光谱反射率 地面温度时的黑体光谱辐射通量密度地面温度时的黑体光谱辐射通量密度 地物光谱发射率地物光谱发射率 大气散射和辐射的能量大气散射和辐射的能量 基于辐射传输方程基于辐射传输方程 大大 气气 校校 正

48、正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型进行大利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型进行大 气校正气校正 大气模型计算复杂，并且需要有关大气假设或成像时刻的大大气模型计算复杂，并且需要有关大气假设或成像时刻的大 气参数（气压、温度、水汽、臭氧等），气体中的悬浮物类气参数（气压、温度、水汽、臭氧等），气体中的悬浮物类 型、高度、太阳高度角、传感器的视角等型、高度、太阳高度角、传感器的视角等 目前常用模型：目前常用模型：6S模

49、型，模型，MODTRAN，LOWTRAN，紫外线，紫外线 和可见光辐射模型和可见光辐射模型UVRAD，空间分布快速大气校正模型，空间分布快速大气校正模型 ATCOR 辐射传输方程方法辐射传输方程方法 大大 气气 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 优点：优点：大气模型建立在辐射传输理论基础之上，模型应大气模型建立在辐射传输理论基础之上，模型应 用范围广，不受研究区特点及目标类型等的影响，模型用范围广，不受研究区特点及目标类型等的影响，模型 的精度比较高。的精度比较

50、高。 缺点：缺点：在实际应用中代价昂贵，对每一景图像的大气校在实际应用中代价昂贵，对每一景图像的大气校 正都需要同步测量大气参数，这对遥感应用几乎是不可正都需要同步测量大气参数，这对遥感应用几乎是不可 能实现的，特别是在分析历史数据时。能实现的，特别是在分析历史数据时。 辐射传输方程方法的优缺点辐射传输方程方法的优缺点 大大 气气 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 6S模型输出模型输出 参数示例参数示例 6S模型的输入参数包括模型的输入参数包括 太阳太阳/传感器

51、方位角传感器方位角/高高 度角、水汽含量、大气度角、水汽含量、大气 模式、气溶胶类型、气模式、气溶胶类型、气 溶胶光学厚度、波段特溶胶光学厚度、波段特 性、海拔等等性、海拔等等 大大 气气 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 大大 气气 校校 正正 返回本节首页 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 为了便于图像镶嵌和变化检测，常常需要进行太阳高度

52、角影为了便于图像镶嵌和变化检测，常常需要进行太阳高度角影 响的校正和地形影响校正。响的校正和地形影响校正。 太阳高度角的影响太阳高度角的影响 p不同季节太阳光入射角不一样，即入射光条件不一样，不同季节太阳光入射角不一样，即入射光条件不一样， 影像间不具有可比性；影像间不具有可比性； p影像产生阴影。影像产生阴影。 校正太阳高度角影响校正太阳高度角影响 太太 阳阳 高高 度度 角角 与与 地地 形形 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 太阳高度角影响校正太阳高度角影

53、响校正 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，即将不同太阳高度角照射条件下的图像数据的像元取的图像，即将不同太阳高度角照射条件下的图像数据的像元 亮度值，标准化到假设太阳在亮度值，标准化到假设太阳在天顶时（即太阳垂直照射）天顶时（即太阳垂直照射）的像的像 元亮度值。元亮度值。 太阳高度角影响校正是通过调整一幅图像的平均灰度来实现的。太阳高度角影响校正是通过调整一幅图像的平均灰度来实现的。 g(x,y)为太阳以高度角为太阳以高度角斜射时的图像（或像元亮度值），斜射时的图像（或像元亮度值），f(x,y) 为太阳垂

54、直照射时的图像（或像元亮度值）。太阳高度角可根据成为太阳垂直照射时的图像（或像元亮度值）。太阳高度角可根据成 像时刻的时间、季节和地理位置确定。如果不考虑天空光的影响，像时刻的时间、季节和地理位置确定。如果不考虑天空光的影响， 各波段图像可以采用相同的高度角进行校正。各波段图像可以采用相同的高度角进行校正。 太太 阳阳 高高 度度 角角 与与 地地 形形 校校 正正 S W J T US W J T U C o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 阴影消除阴影消除 太阳高度角在图像上会产生阴影，一般情况下图像上的阴影太阳高度角在图像上会产生阴影，一般情况下图像上的阴影 是难以消除的，但在多光谱图像上，地物是难以消除的，但在多光谱图像上，地物阴影区的灰度值阴影区的灰度值， 可以认为是可以认为是无阴影时的影像灰度值无阴影时的影像灰度值再加上对再加上对各波段影响相同各波段影响相同 的阴影灰度值的阴影灰度值。 比值运算比值运算：又叫图像相除，用同步获得的相同地区的任意又叫图像相除，用同步获得的相同地区