高光谱遥感大气校正

1、武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感1第2节 高光谱遥感大气校正 武汉大学遥感信息工程学院武汉大学遥感信息工程学院 龚龚 龑龑高光谱遥感高光谱遥感第三章第三章 地物光谱重建地物光谱重建武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感2第三章第三章 第第2节节 高光谱遥感大气校正高光谱遥感大气校正一、大气校正简介二、大气辐射传输过程的定量分析三、基于辐射传输模型大气校正模型四、辐射校正的统计学模型武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感3DNLLT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

2、值辐射值 L一、大气校正简介1.1地物光谱重建与大气校正武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感4 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。一、大气校正简介1.1地物光谱重建与大气校正武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感5 吸收 散射 折射 反射1.2 大气辐射传输影响要素一、大气校正简介武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感6大气吸收大气吸收 降低透射率，是大气校正中的重要因素 形

3、成大气窗口 能级的跃迁导致波长变化（复杂）一、大气校正简介大气散射大气散射 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1.2 大气辐射传输影响要素武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感7大气折射大气折射 传播方向的偏折，引起几何畸变。 与太阳的高度角密切相关。大气反射大气反射 在介质层的交会面处出现。一、大气校正简介1.2 大气辐射传输影响要素武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感8第三章第三章 第第2节节 高光谱遥感大气校正高光谱遥感大气校正一、大气校正简介二、大气辐射传输过程的定量分析三、基于辐射传输模型大气校正模型四、辐射校正的统计学

4、模型武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感92.1 可见光及近红外波段可见光及近红外波段0()(/)cos()()gvdgssvddLLTLETETL灰度可见光及近红外波段简化辐射传输过程程辐射透射天空光反射能传感器入瞳处0()gdsvTEE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二、大气辐射传输过程的定量分析武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感102.2 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下行辐射00()()(1)()svvLB TTLL T 00( )( )svBTTLL

5、 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二、大气辐射传输过程的定量分析武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感11第三章第三章 第第2节节 高光谱遥感大气校正高光谱遥感大气校正一、大气校正简介二、大气辐射传输过程的定量分析三、基于辐射传输模型大气校正模型四、辐射校正的统计学模型武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感123.1 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。三、基于辐射传输模型大气校正模型武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥

6、感高光谱遥感133.2 一般校正思路一般校正思路 作为定量遥感反演的基础，地物光谱重建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？三、基于辐射传输模型大气校正模型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武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感14 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,nnLADNBn第 个像元在波长为 处的辐射亮度值三、基于辐射传输模型大气校正模型3.2 一般校正思路武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高

7、光谱遥感高光谱遥感152.建立起入瞳辐射亮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/(ssLEd三、基于辐射传输模型大气校正模型3.2 一般校正思路武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感16表观反射率与入瞳辐射亮度的联系：2*cosssELd表观反射率的与地物光谱特征有何联系？表观反射率的与地物光谱特征有何联系？三、基于辐射传输模型大气校正模型3.2 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武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感173.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

8、（2）散射透射辐射能量（3）大气固有的反射太阳辐射通量（1）（2）（3）入射辐通量为inEssE三、基于辐射传输模型大气校正模型3.2 一般校正思路武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感18a.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三、基于辐射传输模型大气校正模型3.建立起地表-大气辐射关系分析模型3.2 一般校正思路b.b.散射透射通量散射透射通量()diffsolindsEEt大气光学厚度大气光学厚度武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感19记总透射率为记总透射率为c.c.总透射通量总透射通量/()()()ssdirdiffdownsorsolinin

9、dsindsinsEEEEeEtEetET三、基于辐射传输模型大气校正模型3.建立起地表-大气辐射关系分析模型3.2 一般校正思路武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感20d.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少？()downinsEET（1）（2）（3）有无其它因素？有无其它因素？（4）三、基于辐射传输模型大气校正模型3.建立起地表-大气辐射关系分析模型3.2 一般校正思路武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感21e.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

10、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：三、基于辐射传输模型大气校正模型3.建立起地表-大气辐射关系分析模型3.2 一般校正思路武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感220#downEE1#downEES22#()downEES#()nndownEES0#1#2#2.1().() totalnndownEEEEEESSS三、基于辐射传输模型大气校正模型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3.2 一般校正思路武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感23多次地面-大气辐射反射作用累加后：三、基于辐射传输模型大气校正模型e.e.二次

11、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3.2 一般校正思路武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感24/()()vvdvTet 记：/1()()1voutinsdvEETetS f.加载在地面的辐射通量经反射穿透大气后()()1svoutinTTEES三、基于辐射传输模型大气校正模型3.建立起地表-大气辐射关系分析模型3.2 一般校正思路武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感25g.再加上大气固有的反射太阳辐射通量(,)insvsvEE 三、基于辐射传输模型大气校正模型3.建立起地表-大气辐射关系分析模型3.2 一般校正思路()()1svoutinTTEES武汉

12、大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感26()()(,)1svdesinsvsvTTEES 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。三、基于辐射传输模型大气校正模型3.建立起地表-大气辐射关系分析模型3.2 一般校正思路武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感27*()()*(,)1desinsvsvsvEETTS 因此，表观反射率：三、基于辐射传输模型大气校正模型3.建立起地表-大气辐射关系分析模型3.2 一般校正思路武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光

13、谱遥感284.根据模型函数关系计算地物光谱反射率三、基于辐射传输模型大气校正模型3.2 一般校正思路传感器接收的辐射亮度值武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感292cos()()(,)1sssvsvsvETTLdS 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。三、基于辐射传输模型大气校正模型3.2 一般校正思路武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感30(1) 6S 模型 6S 模式全名为second simulation of the satellite signal in the solar spectrum ，

14、即。三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 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。武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感31三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型2cos()()(,)1sssvsvsvETTLdS 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武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感32三、基于辐射传输

15、模型大气校正模型3.3 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。武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感33三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 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

16、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武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感34三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 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中纬度夏季近极地夏季用户自定义武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感35三、基于辐射传

17、输模型大气校正模型3.3 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：气象能见度武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感36三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 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波长信息，可以直接输入具体参数，也可通

18、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武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感37三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 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武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感

19、38三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 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武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感39三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 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 大气校正系数武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感40(2) LOWTRAN 模型光谱分辨率

20、 以 20cm-1 的光谱分辨率的单参数带模式计算大气透过率、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。三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 典型模型武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感41 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

21、带模式、臭氧和氧气在紫外波段的吸收参数。目前使用的LOWTRAN7 已经基本成熟固定，自 1989 年以来没有大的改动。LOWTRAN的发展三、基于辐射传输模型大气校正模型(2) LOWTRAN 模型3.3 典型模型武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感42(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 模型发展三、基于辐射传输

22、模型大气校正模型3.3 典型模型武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感43 ENVI 软件中提供的 FLAASH 大气校正模型就是使用了改进的 MORTRAN 模型的代码。MORTRAN 模型应用三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 典型模型(3) MORTRAN 模型武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感44(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。 三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 典型模型武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱

23、遥感高光谱遥感45ATCOR 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，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。三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 典型模型武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感46第三章第三章 第第2节节 高光谱遥感大气校正高光谱遥感大气校正一、大气校正简介二、大气辐射传输过程的定量分析三、基于

24、辐射传输模型大气校正模型四、辐射校正的统计学模型武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感474.1 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。四、辐射校正的统计学模型武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感484.2 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。四、辐射校正的统计学模型武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感494.3 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。四、辐射校正的统计学模型武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感504.4 对