遥感图像辐射处理2

1、1 知识回顾： 一、遥感图像辐射校正概述 二、遥感图像辐射定标原理 三、遥感图像实验室定标 四、遥感图像机上星上定标 五、场地定标 六、其他定标方法 第六章第六章 第第1节节 遥感图像的辐射定标与校正遥感图像的辐射定标与校正 2 如何在辐射定标的基础上进一步获取地表真实信息？ 大气校正大气校正 观察与思考：观察与思考： 3 七、大气校正简介 八、大气辐射传输过程的定量分析 九、基于辐射传输模型大气校正模型 十、辐射校正的统计学模型 第六章第六章 第第1节节 遥感图像的辐射定标与校正遥感图像的辐射定标与校正 4 DNL LT 传感器定标传感器定标 传感器响应关系 大气传输过程 地面目标特性 大气

2、校正大气校正 已知 未知 定标 从入瞳辐射值中消除大气影响 L 灰度 传感器入瞳处 辐射值辐射值 L 七、大气校正简介 7.1定标与大气校正 5 大气校正 核心核心是估算地气系统的辐射状况及大气的光 学参数。 遥感定量化遥感定量化研究的主要难点之一。（多源） 定义定义：根据大气状况对遥感图像测量根据大气状况对遥感图像测量 值进行调整，以消除大气影响。值进行调整，以消除大气影响。 七、大气校正简介 7.1定标与大气校正 6 吸收 散射 反射 7.2 大气辐射传输影响要素 七、大气校正简介 7 大气反射大气反射 在介质层的交会面处出现。 7.2 大气辐射传输影响要素 七、大气校正简介 8 大气吸收

3、大气吸收 降低透射率，是大气校正中的重要因素 形成大气窗口 能级的跃迁导致波长变化（复杂） 大气散射大气散射 改变传播方向，不改变波长 照亮阴影，降低图像反差 是可见光波段辐射衰减的主要原因 7.2 大气辐射传输影响要素 七、大气校正简介 9 七、大气校正简介 八、大气辐射传输过程的定量分析 九、基于辐射传输模型大气校正模型 十、辐射校正的统计学模型 第六章第六章 第第1节节 遥感图像的辐射定标与校正遥感图像的辐射定标与校正 10 8.1 可见光及近红外波段可见光及近红外波段 0 () (/)cos()() gv d gssv dd LLTL ETETL 灰度 可见光及近红外波段简化辐射传输过

4、程 程辐射 透射 天空光 反射能 传感器入瞳处 0 () g d s v T E E 大气透射率 地物反射率 太阳辐照度 大气向地面散 射太阳辐照度 太阳天顶角 观测天顶角 八、大气辐射传输过程的定量分析 11 8.1 可见光及近红外波段可见光及近红外波段 八、大气辐射传输过程的定量分析 定性与定量 未知未知 探空气球探空气球 同步观测同步观测 已知已知 0 cos s dd LETETL 散射吸收吸收反射 辐射亮度辐射亮度太阳照度太阳照度 地表反射率地表反射率 12 8.2 热红外波段热红外波段 灰度 可见光及近红外波段简化辐射传输过程 透射 天空光 发射能 传感器入瞳处 大气上行辐射 大气

5、下行辐射 00 ()() (1)() sv v LB TT LL T 0 0 ( ) ( ) s v BT T L L 地物亮温 地表比辐射率 大气透射率 大气上行辐射 大气下行辐射 八、大气辐射传输过程的定量分析 13 七、大气校正简介 八、大气辐射传输过程的定量分析 九、基于辐射传输模型大气校正模型 十、辐射校正的统计学模型 第六章第六章 第第1节节 遥感图像的辐射定标与校正遥感图像的辐射定标与校正 14 9.1 基本原理基本原理 利用基于辐射传输原理建立起来的大气校正 模型校正方法是精度较高的一种方法，基本原理 是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来 的模型对遥感图像进行大气校正。

6、九、基于辐射传输模型大气校正模型 15 9.2 一般校正思路一般校正思路 作为遥感应用的基础，辐射校正必须从 遥感器所接受到的大气-陆地混合信号中提取 出陆表目标物体的贡献部分,消除所观察目标 非相关的信息。 从哪里入手？从哪里入手？ 影像灰度值影像灰度值光谱反射率光谱反射率 入瞳辐射值入瞳辐射值 九、基于辐射传输模型大气校正模型 16 实现传感器定标后,把高光谱影像相应波段 的象元灰度值转换成具有辐射意义的亮度值。 1.1.辐射亮度值计算辐射亮度值计算 ,nn LADNB n第 个像元在波长为 处的辐射亮度值 9.2 一般校正思路 九、基于辐射传输模型大气校正模型 17 2.建立起入瞳辐射亮

7、度与表观反射率的联系 灰 度 程辐 射 透 射 天空 光反射能 传感器入瞳处 整体看待整体看待 表观反射率表观反射率 2 * )cos/( ss L Ed 9.2 一般校正思路 九、基于辐射传输模型大气校正模型 18 表观反射率与入瞳辐射亮度的联系： 2 *cos ss E L d 表观反射率的与地物反射率有何联系？表观反射率的与地物反射率有何联系？ 9.2 一般校正思路 2.建立起入瞳辐射亮度与表观反射率的联系 九、基于辐射传输模型大气校正模型 19 3.建立起地表-大气辐射关系分析模型 （1）被大气衰减的下行太阳辐射通量 （2）散射透射辐射能量 （3）大气固有的反射太阳辐射通量 （1） （

8、2） （3） 入射辐通量为 in E ss E 9.2 一般校正思路 九、基于辐射传输模型大气校正模型 20 a.a.被大气衰减的下行太阳辐射照度被大气衰减的下行太阳辐射照度 3.建立起地表-大气辐射关系分析模型 9.2 一般校正思路 b.b.散射透射通量散射透射通量 () diff solinds EEt 大气光学厚度大气光学厚度 九、基于辐射传输模型大气校正模型 21 记总透射率为记总透射率为 c.c.总透射通量总透射通量 3.建立起地表-大气辐射关系分析模型 9.2 一般校正思路 九、基于辐射传输模型大气校正模型 22 d.d.加载在地表的辐射通量究竟有多少？加载在地表的辐射通量究竟有多

9、少？ () downins EET （1） （2） （3） 有无其它因素？有无其它因素？ （4） 3.建立起地表-大气辐射关系分析模型 9.2 一般校正思路 九、基于辐射传输模型大气校正模型 23 e.e.二次散射通量二次散射通量 二次散射通量是一种离散机制；它依赖于 目标的环境而与地面与大气之间的连续反射和 散射相一致。 如果大气的半球反射率（大气层临界面） 被定义为 S，在可通过下列公式表示： 3.建立起地表-大气辐射关系分析模型 9.2 一般校正思路 九、基于辐射传输模型大气校正模型 24 0#down EE 1#down EES 2 2# () down EES # () n ndow

10、n EES 0#1#2# 2 . 1().() totaln n down EEEEE ESSS e.e.二次散射通量二次散射通量 3.建立起地表-大气辐射关系分析模型 9.2 一般校正思路 九、基于辐射传输模型大气校正模型 25 多次地面-大气辐射反射作用累加后： e.e.二次散射通量二次散射通量 3.建立起地表-大气辐射关系分析模型 9.2 一般校正思路 九、基于辐射传输模型大气校正模型 26 / ()() v vdv Tet 记： / 1 ()() 1 v outinsdv EETet S f.加载在地面的辐射通量经反射穿透大气后 ()() 1 sv outin TT EE S 3.建立

11、起地表-大气辐射关系分析模型 9.2 一般校正思路 九、基于辐射传输模型大气校正模型 27 g.再加上大气固有的反射太阳辐射通量 (,) insvsv EE 3.建立起地表-大气辐射关系分析模型 9.2 一般校正思路 ()() 1 sv outin TT EE S 九、基于辐射传输模型大气校正模型 28 ()() (,) 1 sv desinsvsv TT EE S 到达传感器的辐射通量 回顾：表观反射率的定义？ 以以“地表地表- -大气大气”为整体目标，入射辐射通量为整体目标，入射辐射通量 与出射辐射通量的比例。与出射辐射通量的比例。 3.建立起地表-大气辐射关系分析模型 9.2 一般校正思

12、路 九、基于辐射传输模型大气校正模型 29 * ()() *(,) 1 des in sv svsv E E TT S 因此，表观反射率： 3.建立起地表-大气辐射关系分析模型 9.2 一般校正思路 九、基于辐射传输模型大气校正模型 30 4.根据模型函数关系计算地物光谱反射率 9.2 一般校正思路 传感器接收的辐射亮度值 九、基于辐射传输模型大气校正模型 31 2 cos()() (,) 1 sssv svsv ETT L dS 分析下式： 已知已知参数参数 在不同的辐射传输模型中，大气校正参数的 形式和数量有所不同，但基本思想是类似的。 9.2 一般校正思路 九、基于辐射传输模型大气校正模

13、型 32 (1) 6S 模型 6S 模式全名为second simulation of the satellite signal in the solar spectrum ，即 。 9.3 典型模型 特点特点: :模型建立在辐射传输理论基础之上,考虑 了等多种参数的共同作用,适用 于多种卫星传感器的波段范围,不受研究对象及目 标物类型、背景等的限制, 因而在辐射及遥感等学科中越来越受到重视。 九、基于辐射传输模型大气校正模型 33 9.3 典型模型 (1) 6S 模型 2 cos()() (,) 1 sssv svsv ETT L dS 模型原理模型原理 把周围环境的邻近效应带入 考虑地面不

14、是均一的朗伯体 水汽等吸收系数水汽等吸收系数环境反射率环境反射率 简化 6S 九、基于辐射传输模型大气校正模型 34 9.3 典型模型 (1) 6S 模型 模型输入模型输入 太阳、地物与传感器之间的几何关系 大气模式 气溶胶模式 传感器的光谱特性 地表反射率 五类参数： 这五个部分构成了大气辐射传 输模型的全过程，模拟了太阳辐射 经过大气效应到达地表到达地表，然后由地 表反射通过大气效应到达传感器到达传感器的 整个太阳辐射传输过程，而且还考 虑到了地表朗伯体朗伯体和非朗伯体非朗伯体反射 两个方面。 九、基于辐射传输模型大气校正模型 35 9.3 典型模型 (1) 6S 模型 模型输入模型输入

15、太阳、地物与传感器之间的几何关系 太阳天顶角 由程序计 算太阳与 卫星的天 顶角和方 位角 输入 观测时间 卫星天顶角 太阳方位角 卫星方位角 交点时间 输入 卫星接收时间 像素点数 卫星条件 两种输入方式 九、基于辐射传输模型大气校正模型 36 9.3 典型模型 (1) 6S 模型 模型输入模型输入 大气组分参数：包括水汽，灰尘颗粒度等参数 大气模式 无大气吸收 八种选择 中纬度冬季 美国标准大气 若缺乏精确的实况数据数据，可以根据卫星数据若缺乏精确的实况数据数据，可以根据卫星数据 的地理位置和时间，选用提供的标准模型来替代。的地理位置和时间，选用提供的标准模型来替代。 热带夏季 近极地冬季

16、 中纬度夏季 近极地夏季 用户自定义 九、基于辐射传输模型大气校正模型 37 9.3 典型模型 (1) 6S 模型 模型输入模型输入 气溶胶组分参数气溶胶组分参数：包括水分含量以及烟尘、灰尘等在空 气中的百分比等参数。 气溶胶模式 无气溶胶 可以选用提供的标准模型来代替可以选用提供的标准模型来代替 大陆型气溶胶海洋性气溶胶 气溶胶的大气路径长度气溶胶的大气路径长度：用当地的能见度参数表示 方式1：波长500nm处的光学厚度方式2：气象能见度 九、基于辐射传输模型大气校正模型 38 9.3 典型模型 (1) 6S 模型 模型输入模型输入 传感器的光谱特性 探测器的光谱条件，主要指相应波段对应的

17、波长信息，可以直接输入具体参数，也可通过选 择常用卫星类型来确定。 地表反射率 地表为为郎伯体或双向反射模式 反射率随角度的变化关系 不同波长下的反射率 九、基于辐射传输模型大气校正模型 39 9.3 典型模型 (1) 6S 模型 模型输出模型输出 a.辐射部分：辐射部分： 地面上地面上的直接辐照度、环境反射率及辐照度； 卫星上卫星上的大气路径反射率及辐亮度、背景反射率及辐亮 度、像元反射率及辐亮度。 b.吸收部分：吸收部分： 各种气体的向上透过率、向下透过率、总透过率； 气体总向上透过率、总向下透过率、总透过率。 大气参数主要包括三个方面 大气参数 大气校正系数 九、基于辐射传输模型大气校正

18、模型 40 9.3 典型模型 (1) 6S 模型 模型输出模型输出 c.散射部分散射部分 大气分子、气溶胶的向上散射透过率、向下散射透过率、 总散射透过率; 总向下散射透过率、总向上散射透过率、总散射透过率; 大气分子、气溶胶及总的球面反照率、光学厚度、反照 率、单次反照率及相函数。 大气参数主要包括三个方面 大气参数 大气校正系数 九、基于辐射传输模型大气校正模型 41 9.3 典型模型 (1) 6S 模型 模型输出模型输出 大气参数 大气校正系数 大气校正系数 九、基于辐射传输模型大气校正模型 42 (2) LOWTRAN 模型 光谱分辨率 以 20cm-1 的光谱分辨率的单参数带模式 计

19、算大气透过率、大气背景辐射、单次散射的 光谱辐射亮度、太阳直射辐射度。 模型参数 它提供了6种参考大气模式的温度、气压、密度 的相关描述，H2O、O3、O2、CO2、CH4、N2O 的混合比 及其他 13 种微量气体的相应描述，城乡大气气溶胶、 雾、沙尘、火山喷发物、云、雨廓线和辐射参量如消 光系数、吸收系数、非对称因子的光谱分布。 9.3 典型模型 九、基于辐射传输模型大气校正模型 43 LOWTRAN 模型是美国空军地球物理实验室研制 的，目前流行的版本是LOWTRAN7。 LOWTRAN7增加了多次散射的计算及新的带模式、 臭氧和氧气在紫外波段的吸收参数。目前使用的 LOWTRAN7 已

20、经基本成熟固定，自 1989 年以来没 有大的改动。 LOWTRAN的发展 (2) LOWTRAN 模型 9.3 典型模型 九、基于辐射传输模型大气校正模型 44 (3) MORTRAN 模型 MORTRAN 模型起源 发展了一种新的的分子吸收的算法和更新 了对分子吸收的气压温度关系的处理，同时维 持 LOWTRAN 7 的基本程序和使用结构。 MORTRAN模型主要是对LOWTRAN7模型的光谱 分辨率进行了改进，它把光谱分辨率从20cm-1减 少到2cm-1。 MORTRAN 模型发展 9.3 典型模型 九、基于辐射传输模型大气校正模型 45 ENVI 软件中提供的 FLAASH 大气校正

21、模型 就是使用了改进的 MORTRAN 模型的代码。 MORTRAN 模型应用 3.3 典型模型 (3) MORTRAN 模型 九、基于辐射传输模型大气校正模型 46 (4)ATCOR 模型 ATCOR 模型起源 由德国 Wessling 光电研究所的 Rudolf Richter 博士于1990年研究提出的一种快速大 气较正算法，并且经过大量的验证和评估。 9.3 典型模型 九、基于辐射传输模型大气校正模型 47 ATCOR 模型特点 ATCOR 模型应用 该模型已经广泛应用于很多的通用图像处理 软件，如 PCI、ERDAS。 ATCOR 2 模型是 ATCOR 经历了多次改进和完善的产品，

22、上述软件中引入 的即为 ATCOR 2 版本。 应用于高空间分辨率高空间分辨率光学卫星传感器的快快 速速大气校正模型，它假定研究区域是相对平的相对平的 地区，地区，并且大气状况通过一个查证表来描述。 9.3 典型模型 九、基于辐射传输模型大气校正模型 48 七、大气校正简介 八、大气辐射传输过程的定量分析 九、基于辐射传输模型大气校正模型 十、辐射校正的统计学模型 第六章第六章 第第1节节 遥感图像的辐射定标与校正遥感图像的辐射定标与校正 49 10.1 暗目标法暗目标法 基于影像特征进行，属于相对辐射校正， 不能得到准确的光谱反射率。 将暗目标所对应的灰度值减掉，一般只能 消除加性辐射误差。

23、 十、辐射校正的统计学模型 50 10.2 平面场模型平面场模型 在影像中选择具有一定面积、较均匀的样 区，将每个像元的灰度值除以样区的灰度平均 值（逐波段进行）。 只能得到相对反射率，不能做反射率的精 确定量反演。 十、辐射校正的统计学模型 51 10.3 内部平均法内部平均法 首先计算整幅影像的灰度平均值，将每个像 元的灰度值除以该灰度平均值（逐波段进型）。 也属于相对辐射校正，用以改善图像质量。 十、辐射校正的统计学模型 52 10.4 对数残差模型对数残差模型 iii i i D N= TRI T Ri I 是 地 形 因 子 是 第 个 像 元 在 波 长处 的 反 射 率 是 照

24、度 因 子 假设传感器的记录值可由下式表达： log()log()log( )log() iii R=DNTI 两边取对数得到： 利用上式进行相对辐射校正 十、辐射校正的统计学模型 53 10.5 地面线性回归模型地面线性回归模型 iiii = a L +b 核心： 将地面反射率与传感器入瞳值概括为线性关系 实施方法： 野外地面测量与卫星扫描同步进行 解算线性回归系数 i 表示波段 十、辐射校正的统计学模型 54 ,1,1 ,2,2 , . iiii iiii i nii ni = a L +b = a L +b = a L+b , 111 22 , 11 2 , 1111 22 , 11 (

25、) () NNN nn i nii ni nnn iNN i ni n nn NNNN nn ii ni ni ni nnnn iNN i ni n nn NLL a NLL LLL b NLL 利用观测样本进行最小二乘解算利用观测样本进行最小二乘解算 10.5 地面线性回归模型地面线性回归模型 十、辐射校正的统计学模型 55 基于大气辐射传输模型 精确 参数多 从数学拟合出发 地面线性回归经验模型 从物理意义出发 高效 近似 需要样本 地面线性回归模型与大气辐射传输模型比较 10.5 地面线性回归模型地面线性回归模型 十、辐射校正的统计学模型 56 小结 一、地物光谱重建与大气校正的关系 二

26、、大气辐射传输机制及物理基础 三、大气辐射传输过程的定量分析 可见光及近红外波段 热红外波段 四、基于辐射传输模型大气校正模型 主要模型介绍 基于辐射传输模型的一般校正思路 五、辐射校正的统计学模型 暗目标法 平面场模型 内部平均法 对数残查模型 地面线性回归模型 57 DNL LT 传感器定标传感器定标 传感器响应关系 大气传输过程 地面目标特性 大气校正大气校正 已知 未知 定标 从入瞳辐射值中消除大气影响 L 灰度 传感器入瞳处 辐射值辐射值 L 七、大气校正简介 7.1定标与大气校正 58 大气反射大气反射 在介质层的交会面处出现。 7.2 大气辐射传输影响要素 七、大气校正简介 59 / ()() v vdv Tet 记： / 1 ()() 1 v