遥感数字图像处理教程-06遥感图像的辐射校正

第5章图像校正理想遥感图像：如实而毫不歪曲地反映地物的辐射能量分布和几何特征现实遥感图像：存在畸变，无法不歪曲的反映地物的辐射能量分布和几何特征遥感图像的降质模式降质类型消除遥感图像数据中依附在辐亮度中的各种失真的过程称为辐射量校正（RadiometricCorrection),简称辐射校正。由于传感器响应特性和大气的吸收、散射以及其它随机因素影响，导致图像模糊失真，造成图像的分辨率和对比度相对下降，这些都需要通过辐射校正复原。遥感图像的辐射校正辐射校正的目的：尽可能消除因传感器自身条件、大气条件、太阳位置和角度条件及某些不可避免的噪声引起的传感器所得到的目标测量值与目标的光谱反射率或光谱辐亮度等物理量之间的差异，尽可能恢复遥感图像本来的面目，为遥感图像的分割、分类、解译等后续工作打下基础。辐射校正包括三部分的内容：传感器端的辐射校正（内部误差）大气校正（外部误差）地表辐射校正（外部误差）5.1大气层对电磁波传输过程的影响5.2辐射误差5.3辐射误差校正方法5.1大气层对电磁波传输过程的影响基本的辐射传输过程1.DN值(DigitalNumber)：是用户得到的遥感数据（如TM、MSS等）2.光谱辐射亮度(SpectralRadiance)：是大气层顶卫传感器接收的辐射亮度3.反射率(Reflectance)：是指任何物体表面反射阳光的能力。这种反射能力通常用百分数来表示。4.表观反射率(ApparentReflectance)：大气层顶的反射率5.地表辐射率(RadianceattheEarth’ssurface)：地面反射辐射量与入射辐射量之比，表征地面对太阳辐射的吸收和反射能力一、大气散射

大气散射性质与强度取决于大气中分子或微粒半径及被散射光的波长。包括选择性散射与非选择性散射。1.选择性散射瑞利散射（Raileighscattering）：由远小于光波长的气体分子引起，如由O2、N2等；散射强度与波长的4次方成反比；“蓝天”效应米氏散射（Miescattering）：也称为气溶胶散射，主要有霾、水滴、尘埃、烟、花粉、微生物、海上盐粒、火山灰等气溶胶引起的散射，引起散射的大气粒子直径约等于入射电磁波波长。散射强度与波长的二次方成反比。2.非选择性散射大气中的云、雾、水滴、尘埃以及大小超过波长10倍的颗粒引起的散射，散射粒子的直径远大于入射波长，对各种波长予以同等散射。设太阳辐射照度为E0，经过大气的路程为x,则穿过该大气路程后的辐射照度为：σ称为衰减系数或消光系数散射系数吸收系数大气对电磁波的影响主要是散射和吸收。二、大气吸收大气中吸收太阳辐射的主要是水蒸汽、二氧化碳和臭氧。吸收能力随电磁波的波长而变化，是选择性的。三、大气透射与大气窗口1.大气透射透射是指电磁辐射与介质作用后，产生的次级辐射和部分原入射辐射穿过该介质，到达另一种介质的现象和过程。一般用透射率表示透射能力。根据透射率的定义，有：2.大气窗口

是指大气对电磁辐射吸收和散射都很小、而透射率很高波段，即在传输过程中损耗小、能透过大气的电磁波段。

遥感中使用的大气窗口：1）0.3-1.15um:包括部分紫外光、全部可见光和部分近红外光，透过率在70%2）1.4-1.9um:近红外窗口，透过率在60%-95%之间3）2.0-2.5um:近红外窗口，透过率为80%4）3.5-5.0um:中红外窗口，透过率为60%-70%5）8.0-14.0um:热红外窗口，透过率为80%6）1.0-1.8mm:微波窗口，透过率为35%-40%7）2.0-5.0mm:微波窗口，透过率为50%-70%8）8.0-1000.0mm:微波窗口，透过率为100%四、辐射传输方程辐射传输方程：从辐射源经过大气层到达传感器的过程中电磁波能量变化的数学模型。传感器接收到的电磁波谱能量包括：太阳经大气衰减后照射地面，经地物反射后，又经大气第二次衰减进入传感器的能量；地面物体本身辐射的能量经大气后进入传感器；大气散射和大气辐射的能量等。太阳辐射照度传感器光谱响应系数Z1到Z2区段大气层的光学厚度地物光谱反射率与地物同温度的黑体光谱辐射通量密度地物的光谱发射率大气散射和辐射的能量太阳天顶角平台高度5.2辐射误差一、定义

进入遥感器的辐射强度反映在图像上就是亮度值（灰度值）。辐射强度越大，亮度值（灰度值）越大。

亮度值（灰度值）主要受两个物理量影响：一是太阳辐射照射到地面的辐射强度；二是地物的光谱反射率。当太阳辐射相同时，图像上像元亮度值（灰度值）的差异就直接反映了地物目标光谱反射率的差异，但实际测量时，辐射强度值还受到其他因素的影响而发生改变。辐射误差：传感器所得到的目标测量值与目标的光谱反射率或光谱辐亮度等物理量之间的差值二、引起辐射误差的因素传感器大气太阳辐射其它因传感器的响应特性引起的辐射误差光学摄像机引起的辐射误差

光学镜头中心和边缘透射光强度不一致造成。在成像平面上存在着边缘部分比中间部分暗的现象，称为边缘减光效应。光电扫描仪引起的辐射误差光电转换误差探测器增益变化引起的误差2.因大气影响引起的辐射误差入射到传感器的电磁波能量除了地物本身的辐射以外，还有大气引起的散射光。从辐射数据处理的角度看，进入传感器的大气辐射畸变成分包括：大气的消光（吸收和散射）天空光（大气散射的太阳光）照射程辐射：传感器接收的大气散射部分的电磁波，也称

路径辐射大气影响中主要研究散射的影响。散射增加了到达卫星的辐射能量，但降低了遥感图像的反差。散射作用所包含的亮度值中不含有任何地面信息，却降低了图像的反差，从而降低了图像的分辨率，必须进行校正。设两类地物的亮度值分别为2和5，假设散射使亮度值增加了5个单位，则无散射时的反差：有散射时：因太阳辐射引起的辐射误差

（1）太阳位置包括太阳高度角和方位角太阳高度角，也称太阳高度。某地的太阳高度角是太阳光线与当地地平面所交的线面角。太阳方位角，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角。太阳位置不同，则地面物体入射照度会发生变化，地物的反射率也就随之改变。太阳高度角较低时，会使图像上产生阴影压盖其它地物，造成同物异谱问题，影响遥感图像的定量分析与自动识别；太阳方位角引起的图像辐射误差通常只对图像的细部特征产生影响为了尽量减少太阳高度角和方位角引起的辐射误差，大多数卫星设计在同一地方时间通过当地上空。（2）地形起伏：海拔高度、坡向、坡度传感器接收到的太阳光辐射亮度和地面倾斜程度有关。由于地形起伏变化，在遥感图像上会造成同类地物灰度不一致。4.其他原因引起的辐射误差传感器特性的差异、干扰、故障造成不正常的条纹和斑点。条纹误差主要是由检测器引起的，斑点误差主要是由噪声或磁带的误码率等造成的（分散、孤立）系统的条带噪音5.3辐射校正方法5.3.1系统辐射误差校正5.3.2传感器端的辐射校正5.3.3大气校正5.3.4地面辐射校正1.光学镜头的非均匀性引起的边缘减光现象的校正poo点光强机载成像光谱图像的边缘辐射畸变与仪器大视场角有关，主要由大气效应、地物反射非朗伯体特性、太阳-仪器-目标相对几何关系等因素综合作用所引起的。5.3.1系统辐射误差校正2.光电转换系统的特性引起的辐射误差校正由于转换系统的灵敏度特性有很高的重复性，可以定期在地面上测量其特性，根据测量值对其进行辐射畸变校正。以Landsat的MSS、TM图像为例，对传感器的输出R进行校正的公式传感器输出辐射亮度校正过的辐射亮度已校正数据的最大值探测器输出的最大、最小辐射亮度MSS的Rmax和RminTM的Rmax和Rmin3.条纹误差的校正遥感图像中的条纹主要是由检测器引起的。条纹误差消除的常用方法：平均值法、直方图法、垂直扫描线方向上最近邻点法或双三次卷积法TM影像4.斑点误差的校正遥感图像中的斑点误差主要由噪声或磁带的误码率等造成，在图像中往往是分散和孤立的。a.斑点的判定（1）待判定像元亮度值与周围邻

点像元亮度平均值之差超过

给定阈值。（2）待判定像元亮度值与周围邻点

像元亮度值的方差减去影像亮

度值的平均方差超过给定阈值b.斑点的校正（1）平均法：取其邻域像元亮度值的平均值（2）双三次卷积法通常边缘附近的斑点不进行消除，图像四周的像元不进行斑点消除处理过程中，要把斑点和图像本身的边缘信息区别开来，这可以通过恰当的选择阈值或先进行边缘检测而后进行斑点消除来实现。5.灰度一致化在研究大区域时，常需要将几张遥感影像拼接，即做镶嵌图。制作镶嵌图时，除了几何位置保持一致外，还需要使其灰度均匀。方法：等概率变换理论基础：两幅图像重叠部分灰度分布应相同。设F、G两幅影像，以影像F为标准进行变换。在重叠部分，G影像上灰度值小于gi的像元百分数为P，对应在F影像上占有同样百分数P的像元灰度值为fi,这样就找到了gi应变换成fi，找出重叠部分影像G上所有灰度值应变换成的值g’,列出变换表，根据该表将影像G各像元的灰度值进行变换。简单、但存在位置配准误差。b.线性灰度变换在两张影像的重叠部分各取出相对应的n个点，建立线性回归方程；然后运用最小二乘法求线性方程系数。以其中一幅影像为标准，对另一幅影像进行变换，从而达到灰度一致化。特点：简单易行，n足够大时有一定的精度。5.3.2遥感器端的辐射校正背景：20世纪70年代末到80年代初，航天定量遥感技术的迅速发展，遥感应用日趋定量化，进一步改进卫星定量遥感精度的要求迫切。80年代初，以美国Arizona大学光学中心的P.N.Slater教授为代表提出了辐射校正场技术--利用地球表面大面积均匀的地物为目标，当卫星过顶时实施同步地面观测，以实现对在轨道上运行的卫星传感器做辐射校正。一、辐射校正场的国外发展概况美国NASA和Arizona大学在美国新墨西哥州的白沙(WSMR）和加利福尼亚州的爱德华空军基地的干湖床(EAFB)建立了辐射校正场,并已对多颗卫星进行了场地标定工作。法国在马塞市附近也建立了LaCrun辐射校正场,并开展了多次辐射校正工作。

欧空局在非洲撒哈拉沙漠建立了地面辐射校正场

日本与澳大利亚合作在澳大利亚北部沙漠地区建立了地面辐射校正场,通过星地同步观测,实现对卫星遥感仪器的定标。

加拿大在北部大草原也开展卫星、飞机积雪同步观测,以便对卫星传感器作出客观评价。根据美、法公布的资料，目前用辐射校正场的方法对可见光和近红外波段的标正精度可达6%-3%左右。除成功地对Landsat-4、5的TM，SPOT的HRV，NOAA-9、10、11的AVHRR，Nimbus-7的CZCS进行辐射校正外，目前正在进一步研究高分辨率成像光谱仪(AVIRIS)和中分辨率成像光谱仪(MODIS)的辐射校正，并对法国偏光照相机(POLDER)进行辐射校正。利比亚沙漠用于定标AVHRR、北非沙漠定标SPOT影像、敦煌西戈壁沙漠定标CBERS影像、美国的白沙导弹靶场常用于高分辨率图像的定标二、建立辐射校正场的目的

1）遥感数据定量化的要求建立传感器的每个探测单元所输出的信号数字量与该探测器对应像元内实际地物辐射能量之间的数量关系。对于一种遥感器来说,就是确定一个灰度值(DN)对应的辐射度值(L)；或者确定一个辐射度(L)对应多少灰度值(DN)。

A、B为传感器的校正系数

2）监测在轨传感器变化并不断提供修正系数

传感器在运行过程中会出现老化、灵敏度下降，从而影响数据的精度和可靠性。

3）补充星上定标的不足

星上定标精度有限，难以满足定量遥感产品的精度要求。

4）多种遥感器和不同时间遥感资料的综合运用

通过地面同步观测实现多种遥感卫星和同一遥感器不同时相的资料相互匹配，才能进行比较和应用。辐射定标场地一般选择沙漠地区，它的光谱响应稳定。三、中国遥感辐射校正场由中国气象局国家卫星气象中心牵头，国内7个部委（国防科工委、国家计委等）的11个单位参加合作，于2000年建成了中国遥感卫星辐射校正场，其中甘肃省敦煌市西部党和洪积扇区为可见光和近红外波段的绝对辐射校正场，青海省的青海湖为热红外波段的辐射校正场。四、传感器辐射校正的基本原理与方法

1）可见光和近红外波段在遥感器飞越辐射定标场地上空时，在定标场地选择若干个像元区，测量传感器对应波段内的地物光谱反射率，同时测出大气环境参量（大气气溶胶光学厚度，大气中水、臭氧含量等）等。再根据卫星过顶时太阳几何位置、仪器视场角、探测器光谱响应函数等，通过大气辐射传输模型求解出传感器入瞳处各光谱通道的辐射亮度Lt，最后确定它与传感器输出的数字量化值之间的数量关系，求解定标系数，并估算定标不确定性。对于朗伯体：太阳直射光与天空散射光在地面上的辐亮度地物反射率大气透过率，辐射定标时可假设为1，即大气是透明的大气散射产生的程辐射对于非朗伯体：大气直射光与天空光在地面上的辐亮度双向反射比因子大气透过率，定标时可假设为1大气散射产生的程辐射Lt与探测器对应的输出信号的数字量C之间的定量关系按线性校正模型处理，则有：A----可见光和近红外波段辐射校正系数

2）红外波段选择清洁水面作为目标，则探测器的辐射值为：-----探测器光谱响应带宽-----探器光谱响应函数------红外波段辐射校正系数

3）图像的灰度级和辐亮度图像像元亮度值与辐射度进行转换通常是通过线性方程将传感器的最大和最小辐亮度与图像的灰度级联系起来，并进行转换。有关辐亮度的参数可以在图像的元数据文件中找到。如：对于一个8位量化的图像，转换方程为：

4）LandSat5的TM图像的辐射校正5.3.3因大气影响引起的辐射误差校正消除因为大气散射引起的辐射误差的处理为什么要做大气校正？入射到传感器的电磁波能量除了地物本身的辐射以外，还有大气引起的散射光。我们想要了解某一物体表面的光谱属性，必须将大气的影响消除。大气校正方法统计学方法：将野外实地光谱测试获得的无大气影响的辐射值与卫星传感器同步观测结果进行回归分析，确定校正量。辐射传递方程计算法测量大气参数，按理论公式求大气干扰辐射量波段对比法利用某些不受大气影响或影响很小的波段校正其他波段。统计学方法---野外波谱测试回归分析法平均场域法内部平均法经验线性法实测光谱回归方法……a地面测量值卫星测量值0设回归方程为：L=a+bR大气影响的附加部分（天空光散射）将图像中的每个像素值减去a，获取某区域经过大气改正后的图像。3.实测光谱回归法：

通常选用同类仪器测量，将地面测量结果与卫星影像对应像元亮度值进行回归分析。在获取地面目标图像时，可以预先在地面设置反射率已知的标志，或事先测出若干地面目标的反射率，把由此得到的地面实况数据和传感器的输出值进行比较，以消除大气的影响。注意：在地面特定地区、特定条件、一定时间段内测定的地面目标反射率不具有普遍性，因此该方法仅适用于包含地面实况数据的图像。传感器接收到的电磁辐射能量地面目标真实辐射能量大气的衰减，H为大气层高度需要测量具体天气条件下的大气参数模型法--辐射传递方程计算法在可见光和近红外区，大气的影响主要是由气溶胶引起的散射造成，在热红外区，大气的影响主要是由水蒸气的吸收造成。为了消除大气影响，需要测定气溶胶密度以及水蒸气浓度。改进方法：在获取地面目标图像的同时，利用搭载在同一平台上测量气溶胶和水蒸气浓度的传感器获取气溶胶和水蒸气的浓度数据，利用这些辅助数据进行大气校正。专业的遥感图像处理系统多提供的大气校正模型：Erdas和Geomatica系统中的ACTOR模型ENNI系统中的FLAASH模型

公共的大气校正模型，其中较好的是6S模型。波段对比法依据：大气散射的选择性，即对短波影响大，对长波影响小回归分析法直方图法a.回归分析法原理：在遥感图像上大山的阴影区或深大水体区域，各个波段的反射为零。同时，大气散射主要影响短波部分，波长较长的波段几乎不受影响，因此可用其校正其它波段数据。

方法：在不受大气影响的波段和待校正的某一波段图像中，选择最黑区域（通常为高山阴影区）中的一系列目标，将每个目标的两个待比较的波段灰度值提取出来进行回归分析，建立线性回归方程，也称为暗像元法。Y：待校正波段的图像亮度值X：不受大气影响波段的图像亮度值怎么求a,b？例如：TM图像中，第7波段几乎不受大气辐射的影响，因此可作校正基础，对TM影像的其它波段分别进行校正。i--波段号--第i波段的校正量b.直方图校正方法方法：从图像像元亮度值中减去一个辐射偏置量。辐射偏置量等于图像直方图中最小的辐射亮度值。理论基础：如果在某一像场中存在亮度值为零的目标