遥感影像辐射校正

遥感影像辐射校正第一页，共53页。本次课程主要内容引起辐射误差的原因由于大气影响引起的辐射误差校正由于太阳辐射不同引起的辐射误差校正第二页，共53页。辐射校正定义利用传感器观测目标的反射或辐射能量时，由于测量值包含了太阳位置、地形起伏、大气等外界条件，或因传感器的性能不完备等引起的辐射失真，所以传感器得到的测量值与目标实际的光谱反射/发射率或光谱辐射亮度等物理量不一致。消除图像数据中依附在辐射亮度中的各种噪声的过程称为辐射（量）校正（radiometriccorrection;radiometriccalibration（需要有标定物））第三页，共53页。大气辐射校正作用不同时间或不同传感器收集的影像进行对比和共同应用，相同地物有相似的辐亮度（反射率），以便进行动态监测和变化监测；将影像像元光谱与地面收集或实地测定的光谱进行对比，使影像上的光谱信息更接近于地面地物的光谱信息；定量遥感必须做大气辐射校正，如农情监测、估产等第四页，共53页。1图像的辐射纠正原因1.1为什么要进行辐射纠正？1）传感器本身的产生的误差；2）外界（自然）条件引起的误差与几何畸变产生原因类似形成“同物异谱，异物同谱”现象。图像不能真实地反映不同地物的光谱特征，影响了遥感数字图像的质量和应用。第五页，共53页。遥感器的响应特性引起的辐射误差对于框幅式摄影机，主要由于透镜中心和边缘的透射光强度不一致造成的对于扫描成像，包括：一、光电转换误差；二、探测器增益变化引起的误差。另外，还包括，由探测器单元不一致引起的条纹误差，由存储设备和噪声引起的斑点误差。遥感仪器误差导致接收的图像不均匀，产生条纹等现象，但是这种畸变一般在数据生产过程中，由生产单位（地面站）根据传感器参数进行校正，一般不需要用户进行校正。

第六页，共53页。外界（自然）条件引起的辐射误差1、大气对电磁辐射的影响大气的散射、反射和吸收用户应该考虑的主要是大气影响造成的畸变，特别是定量遥感。2、太阳辐射引起的辐射误差

1）太阳位置引起的辐射误差

2）地表地形起伏引起的辐射误差第七页，共53页。反射率反射率是反射辐射通量与入射通量的比值，是0-1之间的无量纲的值ρλ=Φreflectedλ/Φiλ通常用反射率描述各种地物的光谱反射特性。分为：镜面反射、方向反射、漫反射（各向同性）反射率是地物自身的属性一个基本概念：2、由于大气引起辐射误差校正第八页，共53页。大气影响的定量分析

进入大气的太阳辐射会发生反射、折射、吸收、散射和透射。其中对传感器接收影响较大的是吸收和散射。

第九页，共53页。大气影响的定量分析无大气：

在没有大气存在时，传感器接收的辐照度，只与太阳辐射到地面的辐照度和地物反射率有关。

设E0λ为波长λ的入射辐照度，θ为入射方向的天顶角，当无大气存在时，地面上单位面积的辐照度为：

太阳光为方向光束第十页，共53页。大气影响的定量分析假定地表面是朗伯体，

其表面为漫反射，则某方向物体的辐射亮度为：是地物反射率；是半球球面度（半球反射）

第十一页，共53页。大气影响的定量分析传感器接收信号时，受仪器的影响还有一个系统增益因子，这时进入传感器的亮度值为：第十二页，共53页。大气影响的定量分析

由于大气的存在，辐射经过大气吸收和散射，透过率小于1，从而减弱了原信号的强度。同时大气的散射光也有一部分直接或经过地物反射进入到传感器，这两部分辐射又增强了信号，但却不是有用的。在入射方向有与入射天顶角θ和波长λ有关的透过率Tθλ；反射后，在反射方向上有与反射天顶角Φ和波长λ又有关的透过率TΦλ。因此进入传感器的辐亮度值为

第十三页，共53页。大气影响的定量分析

由于大气分子和气溶胶等散射，使得邻近区域对太阳辐射的反射经大气散射，部分能量进入传感器，其辐照度为ED，其辐亮度值为（此值通常很小，有人主张忽略不计）第十四页，共53页。相当部分的散射没有到达地面，向上通过大气直接进入传感器，这部分辐射称为程辐射度，辐亮度为。大气影响的定量分析第十五页，共53页。大气影响的定量分析

可见，由于大气影响的存在，实际到达传感器的辐射亮度是前面所分析的三项之和，即第十六页，共53页。辐射传输方程Eλ为传感器输入辐射度Kλ为传感器的光谱响应系数；ρλ为地物的波谱反射系数；E0为太阳辐射照度T（Z1，Z2）为Z1到Z2区段的大气层光学厚度θ为太阳天顶角；ελ为地物的发射率系数We(λ)为与地物同温度黑体的发射通量密度H为平台高度；bλ为大气辐射所形成的天空辐射照度第十七页，共53页。辐射传输方程从辐射传输方程可以看出，传感器的输出Eλ除了与地物本身的反射和发射波谱特性有关外，还与传感器的光谱响应特性、大气条件、光照情况等因素有关。第十八页，共53页。大气影响的定量分析比较以下两个公式：

大气的主要影响是减少了图像的对比度，使原始信号和背景信号都增加了因子。

有大气无大气第十九页，共53页。大气影响的定量分析无大气时（a)白处亮度值为50，黑处亮度值为0，则亮度对比C1=（50－0）／50＝1。当有大气影响时(b)，乘上透过率后假定减少10％，亮度值减少到45，而由于L2和Lp

存在，黑白处亮度均增加

10，这样亮度对比变成

C2

=（55-10)/55＝9/11。可见，对比度减小，图像质量下降了

第二十页，共53页。大气辐射校正的方法1、近似大气校正2、基于模型的大气校正第二十一页，共53页。大气影响的粗略纠正

严格地说，去除大气影响是将公式中的附加项和附加因子求出，最终求出地物反射率R，从而恢复遥感影像中地面目标的真实面目。当大气透过率变化不大时，有时只要去掉含ED和Lp的数据项就可修正图像的亮度。这种对大气影响的纠正是通过纠正辐射亮度的办法实现的，因此也称作辐射校正。

第二十二页，共53页。大气影响的粗略纠正

精确的校正公式需要找出每个波段像元亮度值与地物反射率的关系。为此需得到卫星飞行时的大气参数，以求出透过率Tθ、Tφ等因子。如果不通过特别的观测，一般很难得到这些数据，所以，常常采用一些简化的处理方法，只去掉主要的大气影响，使图像质量满足基本要求。

第二十三页，共53页。大气影响的粗略纠正

粗略校正指通过比较简便的方法去掉式

中的Lp，即程辐射度，从而改善图像质量。可以认为，程辐射度在同一幅图像的有限面积内是一个常数，其值的大小只与波段有关。

第二十四页，共53页。暗物体扣除法(Darkobjectsubtraction)(1)在影像中选择暗物体(2)假定暗物体的光谱值为0。(3)如果暗物体的光谱不为0，则认为这是大气作用的效果。(4)将影像中所有像元值减去暗物体的数值。问题：易过度校正，暗物体可能不好找。陡峭地形的阴影（暗物体）

暗物体的DN值不为0第二十五页，共53页。以红外波段校正可见光波段大气散射（瑞利散射、米氏散射）的选择性，即波长越短，大气散射越大；波长越长，大气散射越小直方图法或回归分析确定a值纠正方法：

差值法第二十六页，共53页。TM的第7波段（短波红外，2.08-2.35微米）TM的第4波段（近红外，0.76-0.9微米）黑暗物体的灰度统计直方图第二十七页，共53页。以长波波段（短波红外）校正短波波段（可见光、近红外）黑暗物体：可见光和红外波段2维散点图，建立线性回归方程。第二十八页，共53页。经验线性法(Empiricalline)(1)测量地物光谱（暗物体，亮物体）；(2)确定影像的DN值(observed)与地面测量的光谱(groundtruth)对应的区域；(3)拟合确定相应参数；(4)对影像进行校正。问题：需要地面同步测量。对于历史数据，很难实现。L=a+bRL为遥感图像亮度值，R为地面测量值，a，b为待定系数第二十九页，共53页。EmpiricalLinecalibrationUseEmpiricalLinecalibrationtoforcespectraldatatomatchselectedfieldreflectancespectra.AlinearregressionisusedforeachbandtoequateDNandreflectance.Thisisequivalenttoremovingthesolarirradianceandtheatmosphericpathradiance.Thefollowingequationshowshowtheempiricallinegainandoffsetvaluesarecalculated.第三十页，共53页。Reflectance(fieldspectrum)=gainxradiance(inputdata)+offsetENVI'sempiricallinecalibrationrequiresatleastonefield,laboratory,orotherreferencespectrum;thesecancomefromspectralprofilesorplots,spectrallibraries,ROIs,statisticsorfromASCIIfiles.Inputspectrawillautomaticallyberesampledtomatchtheselecteddatawavelengths.Ifmorethanonespectrumisused,thentheregressionforeachbandwillbecalculatedbyfittingtheregressionlinethroughallofthespectra.Ifonlyonespectrumisused,thentheregressionlinewillbeassumedtopassthroughtheorigin(zeroreflectanceequalszeroDN).Thecalibrationcanalsobeperformedonadatasetusingexistingfactors.第三十一页，共53页。ComputingFactorsandCalibratingTypically,youshouldchooseadarkandabrightregionintheimageforuseintheempiricallinecalibration(providingthatreferencespectraareavailablefortheseregions).Thisprovidesamoreaccuratelinearregression.Usingasmanypaireddata/fieldspectraasyoucanwillalsoimprovethecalibration.Atleastonespectralpairisnecessary.第三十二页，共53页。通过查看软件的英文帮助，掌握数据处理流程和基本原理第三十三页，共53页。基于模型的大气校正电磁辐射能量在大气辐射传输可以分解为：(1)大气吸收和散射的消光作用(能量减少)——衰减效应(2)大气热辐射作用(能量增加)(3)天空散射，便非目标物参量被接收(能量增加)——程辐射简化的大气辐射传输方程为：

E=E0exp(-T(0,H))+Epath其中，E为遥感器系统所收集到的辐射能量，E0为地物目标的辐射能量；exp(-T(0,H))为大气衰减系数，取决于大气的成分、厚度等，计算相当复杂；Epath大气程辐射。第三十四页，共53页。应用大气辐射传输模型进行遥感影像大气纠正需要解决两个关键的问题：一、大气辐射传输模型；二、有关大气介质特征数据的获取。一、大气辐射传输模型在遥感实际应用中，大气辐射传输模型常需要进一步简化。如：假定地面为朗伯体，排除云的存在，运用各种条件下的标准大气模式及大气气溶胶模式。第三十五页，共53页。二、有关大气介质特征数据的获取1）通过实测获得大气参数（气温、气压、气溶胶和水蒸气的浓度），输入大气辐射传输方程，则可精确计算出大气纠正参数(如大气透过率、程辐射)的数值解，再通过计算每个象元的反射值，以完成对整幅影像的纠正。2）利用高光谱遥感图像监测汽溶胶、水气柱等，如用MODIS数据，对LandSat数据进行大气校正。第三十六页，共53页。基于模型大气辐射校正实现基于模型的大气辐射校正软件：6S,Actor,Flaash,Lowtran,Modtran等。利用辐射传辐模型的输出估测影像中的大气组成。然后将模型的大气影响从影像中去除。第三十七页，共53页。相对散射模型

TM影像的星上辐射校正 L=DN*gain+bias其中L为地物在大气顶部的辐亮度；DN为像元的灰度值，gain和bias分别为图像的增益与偏置，可从图像的头文件中读取。最后，根据像元的辐亮度值、大气顶部的太阳辐照度、成像时的太阳高度角等参数由下式计算出样本的反射率ρ。第三十八页，共53页。其中为日地天文单位距离，取值1；为大气顶部的太阳辐照度，各波段的E0值见下表；为成像时的太阳天顶角，即太阳高度角的余角，从图像的头文件中读取。ETM+各波段值（单位:）TM影像反射率的计算第三十九页，共53页。3、由于太阳辐射不同引起的辐射误差校正3.1、太阳位置引起的辐射误差校正3.2、地形起伏引起辐射误差校正第四十页，共53页。3.1太阳位置引起的辐射误差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取的图像。Eτ(θ,λ)=Eτ(λ)

sinθ，其中θ太阳高度角θEτ(λ)Eτ(θ,λ)一般卫星过境当地时间10点半左右第四十一页，共53页。3.1太阳位置引起的辐射误差校正太阳高度角计算：

sinθ=sinφsinδ±cosφcosδcost其中，φ为图像对应地区的纬度；δ为太阳赤纬（成像时太阳直射点的纬度）；t为时角（图像对应地区经度与成像时太阳直射点地区经度的差）第四十二页，共53页。太阳高度角的校正是通过调整一幅图像内的平均亮度来实现的，在太阳高度角求出来后，太阳以高度角θ斜射时得到的图像g（x，y）与直射时得到图像f（x，y）的关系为：

f（x，y）=g（x，y）/sinθ

f（x，y）=g（x，y）/cosi

i为太阳天顶角，θ为太阳高度角θiθ对一幅图像为常数第四十三页，共53页。两幅图像太阳位置引起辐射误差校正不同时期（虽然当地时间相近，但太阳赤经、时角等不同，所以太阳高度角不同）两幅图像，以其中一幅为标准，校正另外一幅图像：

DN1/cosi1=DN2/cosi2DN1/sinθ1=DN2/sinθ2如以第一幅图像为标准，校正第二幅图像则：DN’=DN2cosi