基于遥感图像大气校正意义和发展

1、基于遥感图像大气校正意义和发展摘要：随着多光谱、多时相传感器的发展，定量遥 感也获得了很好的发展契机。虽然对于影像分类、变化检测 的情况不需要进行大气校正，但大气校正作为光学遥感信息 定量化研究中必不可少的一步，已受到越来越多的重视。近 年来，传统的大气校正方法也在不断改进，越来越多的大气 校正模型将更多的大气参数纳入定量分析范围，以提高大气 校正的精度和适用性。关键词：大气校正；定量遥感；模型引言随着近年来定量遥感的迅速发展，尤其是越来越多地将 多传感器、多时相遥感数据利用于土地利用分析、土地覆盖 变化监测、全球资源环境分析、气候变化监测等领域，遥感 图像大气校正方法的研究越来越受到重视。大

2、气是影响遥感 定量分析与应用的重要因素，因此消除大气效应、卫星姿态 角和太阳高度角等因素对结果的影响也成为了决定定量遥 感分析精度的重要前提。尤其是近年来高光谱技术的发展， 极大地提高了高光谱影像的分辨率。因此，对参数更为详细 的描述方法及适用性更强的大气校正方法必不可少。1大气校正的意义大气校正广泛应用于定量遥感中。为了实现反演模型的 时空扩展，大气校正的精度直接决定了后续定量分析的精 度。定量反演的目的是获取地球信息，精确识别地物，尤其 是在生物特性方面具有广泛的应用，比如水体特性分析及生 物指数分析。定量遥感在海洋湖泊、水体污染程度、水体生物量组成 等方面有着广泛的应用。在水体特征研究中

3、，大气的衰弱作 用使得卫星遥感信号不能正确表现自然水体的表观光学特 性和内在光学特性，对水体样本层次的变化不敏感。尤其在 蓝绿波段，大气对光谱数据的污染最为严重。此外，被动遥 感信号从大气顶层出发，经两次大气散射和吸收及地面目标 反射才被记录，所以大气条件对信号污染作用使传感器接收 到的辐射信息存在较大误差，定量分析与处理过程中需剔 除。比如环境卫星的ccd图像数据具有较高空间分辨率、时 间分辨率和较宽的刈幅。在接受到的辐射信息中，有90%属 于大气信号，而能反映水体生物光学信号的仅占5%15%。定量遥感在林业方面也有这广泛的应用，比如从植被中 提取生物量、叶面积指数、叶绿素、树冠郁闭百分比等

4、。在 对植被指数进行分析时，太阳光照角度和观测视角以及大 气、云的条件的变化都很大，因此得到的是大气上界的双向 反射率信息（也称表现反射率）。此外，大气中水蒸气和气 溶胶对辐射的散射和吸收有较大影响。因此，如何分离地气 耦合效应，得到准确的地面反射率信息是卫星遥缚中基础但 极为重要的工作。归一化植被指数ndvi及arvi等可部分校 正大气程辐射和因大气路径长度不同而产生的变形差异。ndvi也确能显著减小大气的影响作用，但在植被稀少或已被 破坏的地区还是能够引起50%甚至更大的误差。而其他的vi 指数，如全球环境检测指数(gemi),虽然能够避开大气校 正的过程，但对于稀疏或中密度植被覆盖也不适

5、用。当然，在某些情况下，可省略大气校正过程。通常情况 下，当训练数据来自所研究的影像(或合成影像)，而不需 要进行多时相、多地点交叉对比分析的时候，通常不需要进 行大气校正。比如针对单时相的遥感数据进行分类，如采用 最大似然法时，只要用于分类的训练数据在大体上具有一致 性，比如整幅影像受到云层的影响较低，大部分区域的大气 条件类似，影像质量精度受大气校正影响较小时，可以不进 行大气校正。此外，在针对多时相影像变化监测的过程中， 可以将两个时相的所有波段数据放在一起利用变化检测算 法确定变化类别，无大气校正的必要性。尽管光学遥感大气校正方面的成果很多，各种模型层出 不穷，但没有一个是可普遍应用的

6、。因为大气条件具有很大 的复杂性，每一个区域的大气条件都可能完全一样，但在利 用模型进行参数设置的时候只能采用一种模式统一处理。此 外，影响大气校正的参数非常多，一般情况下同步准确获取 这些参数的难度也很大，而太过复杂的在计算时也会增加复 杂性，因此，在对遥感影像进行大气校正时，要根据研究 目的、要求以及研究区的特点，选择适当的大气校正方法。2大气校正的方法根据理论基础与所需辅助信息来源，可以将大气校正方 法分为：基于图像特征的相对校正法、基于地面线性回归模 型法、基于大气辐射传输模型法及复合模型法。基于图像特征的相对校正法主要是在无地面同步测量 时使用。此方法不需地面光谱及大气环境参数测量，

7、可直接 从图像特征出发反演反射率。如：kaufman的暗目标法,kruse 的内在平均相对反演率模型iarr。平面场模型ff在iarr基 础上发展起来，要求像幅内存在具有非吸收特征的一定面积 的地理平台单元，并求出单元中像元平均光谱，再每一个像 元光谱除以平均光谱值来重建，克服了 iarr中存在的假反 射峰特点，计算量小。但平台选取有人为影响，对地区有先 验知识，在地形起伏大区域也不易选择平台；green与craig 提出的对数参差修正模型lrc对太阳辐射衰减、大气影响及 地形因子偏差都有消除。基于地面线性回归模型法相对较简单，主要利用线性回 归方程（特定物灰度值及成像时对应地面目标反射光谱测

8、量 值），但需要大量野外光谱测量为前提，成本高，对野外工 作依赖强，对地面定标点要求严格。基于大气辐射传输模型法主要是基于不同的大气辐射 传输方程而构建的，比如lowtran模型和5s模型。其中 l0wtran7增加多次散射计算及新的带模式、臭氧和央企在紫 外波段的吸收参数，考虑连续吸收、分子、气溶胶、云、雨 的散射和吸收、地球曲率及折射对路径及总吸收物质含量计 算的影响。目前应用较广泛的有modtran模型和6s模型。6s模型的结果主要受到了大气参数获取、地表特性假设、大 气辐射传输理论的选择和精度的影响。而大气参数随机性和 非均匀分布，也对精确探测和估算的造成了困难。总体而言, 在研究中为

9、了能尽量真实地还原大气条件，但地表模拟越真 实意味着要将尽可能多的参数条件列入考虑范围，这也增加 了建模和计算难度，从而导致问题难度越大。这也是目前大 部分模型所面临的最大挑战。 传统的大气订正方法 是在卫星过境时在地面同步测量实验区的大气参数，然后利 用大气辐射传输模型对卫星数据进行大气订正。这种方法只 适用于少量的实验区，无法用于大量卫星数据的处理。近年 来出现的复合模型法将各种模型进行了综合，弥补了单一方 法校正的不足。比如周立国等人提出的以暗像元为核心的gordon算法, 结合清洁水体像元在绿光波段气溶胶散射稳定的特性，对环 境-1a卫星ccd水体图像进行大气校正，提高了绿光至红光 波

10、段的校正精度及两个波段占总信号的比重。而且该算法在 技术思路上借助了 modis数据获取气溶胶估算因子的特点， 计算了各波段的气溶胶散射，去除了大气中气溶胶与气体散 射的影响，提高了信噪比。彭妮娜等人提出了基于同步modis 图像的水体像元反演出混浊水域上空气溶胶光学特性，借助 6s辐射传输模型，并考虑临近像元效应，利用反演出的气溶 胶光学特性对卫星海岸带图像进行大气校正的方法。通过对 quickbird. 2卫星图像和cbers-02卫星图像进行大气订正， 消除了遥感图像中的非目标地物成像信息，取得了一定的效 果；在此基础上又考虑了目标所在背景的贡献，消除邻近像 元的交叉辐射影响，从而更好地

11、还原了地表的真实面目。3结束语本文介绍了大气校正的适用范围以及主要的模型分类 及今年发展现状。随着定量遥感及传感器技术的迅速发展， 传统的大气校正方法已不足以满足高光谱、高分辨率的遥感 数据分析。由于大气条件的复杂性，建立一个具有大范围适 用性的校正模型仍然是今后研究的方向。今后的大气校正模 型也将在基于影响自身的大气参数反演、复杂地表条件下校 正、交叉辐射影响考虑等方面继续发展。随着计算机水平的 提高，未来对于海量数据的获取与处理也将实现。相信随着 定量遥感的快速发展，大气校正问题上也将会有更好的成果 出现。参考文献1 亓雪勇，田庆久.光学遥感大气校正研究进展j.国土资源遥感，2005.2

12、郑伟，曾志远.遥感图像大气校正方法综述j.遥 感信息，2004.3 陈晓玲，赵红梅，田礼乔.环境遥感模型与应用m. 武汉：武汉大学出版社，2008.4 黄世杰，李娜，赵慧洁，等.基于辐射传输模型高 光谱数据大气校正及a.第二届全国国土资源遥感技术应 用交流会，2006.5 彭妮娜，易维宁，方勇华.利用modis数据进行海 岸带卫星图像大气校正j.大气与环境光学学报，2007.6 tianliqiao, chen xiaoling, zhang tinglu, gong wei, chen liqiong, lu jianzhong, zhao xi, zhang wei, yu zhifeng

13、 atmospheric correction of ocean color imagery over turbid coastal waters using active and passive remote sensing chinese journal of oceanology and limnology v01.27 no. 1, p.124-128, 2009.7 nutchanart sriwongsitanon. influence of atmospheric correction and number of sampling points on the accuracy o

14、f water assessment using remote sensing application journal of hydrology 2011.8 周立国，马蔚，顾万花，等.基于清洁水体像元法 的环境-1a卫星ccd水体图像大气校正j光谱学与光谱分 析，2011.9 steven vanonckelen. the effect of atmospheric and topographic correction methods on land cover classification accuracym international journal of applied earth observation and geoinformation