3遥感影像辐射校正

遥感影像辐射定标与大气校正展鹏TEL:18502865325QQ：987209775本节课知识要点纲要：一、辐射定标的概念及原理二、大气校正的概念及原理三、辐射定标、大气校正、辐射校正的区别四、FLAASH大气校正原理五、FLAASH大气校正操作难点：大气校正原理重点：FLAASH操作辐射定标的定义我们常见影像的像元值大多是经过量化的、无量纲的DN(DigitalNumber)灰度值，而进行遥感定量化分析时，常用到辐射亮度值、反射率值、温度值等物理量。所以，传感器辐射定标就是要获得这些物理量的过程。作用是消除传感器本身产生的误差。辐射定标是将传感器记录的电压或数字量化值（DN灰度值）转换成绝对辐射亮度值（辐射率）的过程，或者转换成与地表反射率、表面温度等物理量有关的相对值的处理过程。辐射定标的类型辐射定标分为绝对定标和相对定标绝对定标是通过各种标准辐射源，建立辐射亮度值与数字量化值（DN值）之间的定量关系，对于一般的线性传感器，绝对定标通过一个线性关系式完成数字量化值（DN值）与辐射亮度值L(单位:w/m2·μm·sr)的转换：L=Gain*DN+OffsetL：辐射亮度值，单位（瓦特/平方厘米*微米*球面度）Gain:增益系数，可以从头文件获取。单位（瓦特/平方厘米*微米*球面度）DN：数字量化值，DN值是遥感影像像元亮度值，记录的地物的灰度值。无单位，是一个整数值，值大小与传感器的辐射分辨率、地物发射率、大气透过率和散射率等有关。Offset:偏移量，可以从头文件获取。单位（瓦特/平方厘米*微米*球面度）y=a*x+b（线性函数关系）相对定标是确定各像元之间、各探测器之间、各波谱段之间以及不同时间测量的辐射度量相对值。传感器辐射定标分为三个方面内容：①发射前的实验室定标；②基于星载定标器的星上定标；③发射后的定标（场地定标）。注：我们常用的定标参数，有使用实验室定标的结果（如高分辨率传感器QuickBird、WorldView-1等）；也有使用实验室定标与星上定标相结合的参数（如NOAA、MSS等）；由于设备老化，LandsatTM5的定标参数有用实验室定标的（2003年前），也有用经过场地定标的参数（2003年后）；Landsat数据定标定标参数使用Chander,Markham,andHelder(2009)的研究成果，其中LPGS和NLAPS分别是两种数据处理系统得到的产品：①theLevel1ProductGenerationSystem(LPGS)②theNationalLandArchiveProductionSystem(NLAPS)从2008年12月份开始，L7ETM+和L5都是以LPGS系统处理，L4TM和MSS以NLAPS系统处理。具体参数如下所示：NLAPS处理和LPGS处理产品的MSS定标参数NLAPS处理产品的TM4、5定标参数Landsat数据定标的ENVI实现步骤使用Landsat数据定标工具可以将LandsatMSS、TM或ETM+的DN值转换成辐射亮度值或表观大气反射率。下面以USGS（UnitedStatesGeologicalSurvey）美国地质调查局网站下载的，带MTL元数据的Landsat7数据为例，操作过程如下：①在ENVI主菜单中，选择File→OpenExternalFile→Landsat→GeoTIFFwithMetadata，打开Landsat7ETM+数据L71140037_03720050724_MTL.txt②在ENVI主菜单中，选择启动定标工具：BasicTools→Preprocessing→CalibrationUtilitties→LandsatCalibration，选择文件，单击OK按钮。③在ENVILandsatCalibrationDialog对话框中，输入如下参数（自动从元数据中获取）：这里CalibrationType注意选择为Radiance（辐射亮度值）。④单击EditCalibrationParameters按钮，可以打开定标参数对话框，可以自行修改定标参数。⑤选择输出路径及文件名，单击OK按钮，执行定标过程。⑥显示定标结果当元数据信息丢失，或者选择File→OpenExternalFile→Landsat→GeoTIFF，打开GeoTIFF格式文件时，需要手动输入ENVILandsatCalibrationDialog对话框中的参数（默认参数会自动添加），以不带元数据的Landsat7_GeoTIFF格式文件数据为例，操作过程如下：MODIS数据定标定标公式：①反射率计算公式R=reflectance_scale*(DN—reflectance_offset)②辐射亮度计算公式R=radiance_scale*(DN—radiance_offset)MODIS数据定标的ENVI实现方法步骤：File→OpenExternalFile→EOS-MODIS通过这种方法打开MODIS的1级数据，ENVI会自动对数据进行辐射定标，打开后的数据就是完成辐射定标后的数据。传感器参数MODIS数据的元数据本身存在于HDF文件数据集之中，该文件内包含了辐射定标所需的所有参数，元数据的获取可以采用HDFExplorer等HDF文件查看工具来获得，ENVI中也自带了获取元数据的模块：BasicTools→Preprocessing→Data-SpecificUtilitties→ViewHDFDatasetAttributes大气校正的定义大气校正的目的是消除大气和光照等因素对地物反射的影响。广义上讲，为了获得地物反射率、辐射率或者地表温度等真实物理模型参数；狭义上讲，是为了获取地物真实反射率数据。用来消除大气中水蒸气、氧气、二氧化碳、甲烷和臭氧等物质对地物反射的影响，消除大气分子和气溶胶散射的影响。大多数情况下，大气校正同时也是反演地物真实反射率的过程。问题：①什么情况下需要做大气校正？②我们购买或者其他途径获取的影像是否做过大气校正？通俗来讲，如果我们需要定量反演或者获取地球信息、精确识别地物等，需要使用影像上真实反映对太阳光的辐射情况，那么就需要做大气校正。我们购买的影像，说明文档中会注明是经过辐射校正的，其实这个辐射校正指的是粗的辐射校正，只是做了系统大气校正，就跟系统几何校正的意义是一样的。大气校正的类型基于对遥感图像校正后的结果可以分为：①绝对大气校正：是将遥感图像的DN值转换为地表反射率、地表辐射率、地表温度等的方法。②相对大气校正：校正后得到的图像，相同的DN值表示相同的地物反射率，其结果不考虑地物的实际反射率。绝对大气校正方法相对大气校正方法基于辐射传输模型的MORTRAN模型、LOWTRAN模型、ATCOR模型、6S模型等基于统计的不变目标法基于简化辐射传输模型的黑暗像元法直方图匹配法等基于统计学模型的反射率反演既然有这么多的大气校正方法，那么又应该如何判断何时用何种方法呢？总结规律仅供参考：1、如果是精细定量研究，那么选择基于辐射传输模型的大气校正方法。2、如果是做动态监测，那么可选择相对大气校正方法或者较简单的方法。3、如果参数缺少，只能选择其他较简单的方法。简化黑暗像元法大气校正此方法的原理是：在一定条件下反射率很小（近似0）的黑暗像元由于大气的影响，使得这些像元的反射率相对增加，即黑暗像元处增加的这部分反射率是由大气影响造成的，通过其他像元减去这些黑暗像元增加的像元值，就可以减少大气对整幅图像的影响，达到大气校正的目的。关键：寻找黑暗像元以及黑暗像元增加的像元值。ENVI下的DarkSubtract工具提供选择波段最小值、ROI的平均值、自定义值三种方式确定黑暗像元的像素值。操作过程如下（以2000年TM5大兴安岭地区影像图像为实例）：（1）打开待校正图像文件。File→OpenImageFile→选择Landsat7_2000.img数据（2）在主菜单中，选择BasicTools→Preprocessing→GeneralPurposeUtilities→DarkSubtract，在文件选择对话框中选择待校正图像文件2000.img，单击OK按钮，打开DarkSubtractionParameters面板。（3）在DarkSubtractionParameters面板中，确定黑暗像素值包括三种方法（SubtractionMethod）：①波段最小值(BandMinimum),自动统计每个波段的最小值作为黑暗像元的像元值，每个波段减去这个值作为结果输出；②ROI的平均值(RegionOfInterest)，每个波段减去感兴趣区平均像元值作为输出结果；③自定义值（UserValue)，手动输入每个波段的黑暗像元值，每个波段减去自定义值作为结果输出。（4）在OutputResultto中选择File，以及相应的输出路径和文件名，单击OK执行操作。大气校正模块大气校正模块（AtmosphericCorrection）提供两种大气校正工具：①FLAASH校正工具（FastLine-of-sightAtmosphericAnalysisofSpectralHypercubes）②快速大气校正工具（QuickAtmosphericCorrection,简称QUAC）FLAASH大气校正工具开发背景：FLAASH是基于MODTRAN4+辐射传输模型，MODTRAN模型是由进行大气校正算法研究的领先者SpectralSpectralSciences,Inc和美国空军实验室（AirForceResearchLaboratory）共同研发。ITTVIS公司负责集成和GUI设计。FLAASH特点：①支持传感器种类多；②FLAASH采用了MODTRAN4+辐射传输模型，该算法精度高。任何有关影像的标准MODTRAN大气模型和气溶胶类型都可以直接使用；③通过影像像素光谱上的特征来估计大气的属性，不依赖遥感成像时同步测量的大气参数数据；④可以有效地去除水蒸气/气溶胶散射效应，同时基于像素级的校正，矫正目标像元和邻近像元交叉辐射的“邻近效应”；⑤对由于人为抑止而导致波谱噪声进行光谱平滑处理。快速大气校正工具快速大气校正工具（简称QUAC），自动从图像上收集不同物质的波谱信息，获取经验值完成高光谱和多光谱的快速大气校正。它得到结果的精度近似FLAASH或者其他基于辐射传输模型的+/-15%。QUAC的输入数据可以是辐射亮度值、表观反射率、无单位的raw数据。可以是任何数据储存顺序（BIL/BIP/BSQ）和储存类型，多光谱和高光谱传感器数据的每个波段必须有中心波长信息。（1）在ENVI主菜单中，选择以下方式启动BasicTools→Preprocessing→CalibrationUtilities→QUickAtmosphericCorrectionSpectral→QUickAtmosphericCorrectionSpectral→Preprocessing→CalibrationUtilities→QuickAtmosphericCorrection，在文件输入对话框中选择校正的图像文件。（2）打开QUickAtmosphericCorrectionParameters面板，在SensorType中选择相应的传感器类型，选择文件名和路径输出。FLAASH模块中数据输入的要求：1.图像基本参数波段范围：卫星图像400～2500nm;航空图像860～1135nm；像元值类型：经过定标后的辐射亮度（辐射率）数据，单位为µW/(cm2·nm·sr)。2.数据存储类型数据类型：浮点型、32-bit无符号整型；文件类型：ENVI标准栅格格式文件，BIP或者BIL存储结构。FLAASH模块启动方式（任意一种即可）：①Spectral→FLAASH②BasicTools→Preprocessing→Calibrati