高光谱遥感第三章

第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正1.成像光谱仪定标2.大气辐射传输理论3.高光谱遥感图像大气辐射校正4.高光谱遥感图像几何校正第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正1成像光谱仪定标成像光谱仪定标的目的：建立成像光谱仪每个探测元件输出的数字量化值（DN）与它所对应视场中输出辐射亮度值之间的定量关系。第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正成像光谱仪的定标有三个阶段的定标仪器实验室定标机上或星上定标场地定标第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正（1）实验室定标光谱定标-确定成像光谱仪每个波段的中心波长和宽度辐射定标相对定标绝对定标第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正相对定标确定场景中各像元之间、各探测器之间、各波谱段之间以及不同时间测得的辐射量的相对值。绝对定标通过各种标准辐射源，在不同波谱段建立成像光谱仪入瞳处的光谱辐射亮度值（L）与成像光谱仪输出的数字量化值（DN）之间的定量关系。第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正OMIS成像光谱仪的辐射定标：采用千瓦级的石英卤灯供应固定电流和电压，采用标准反射板对瞬时视场角进行测量，用已知的由标准板反射到视场的辐射强度与仪器测量得到的数值比值来计算辐射定标系数。第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正（2）机上和星上定标必要性：运行环境的变化和器件老化一般采用内定标的方法，即辐射定标源、光标光学系统都在飞行器上第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正AVIRIS在每个扫描行的开始和结束都要对定标器进行测量。该机上的定标系统是由一个硅探测器反馈电路控制稳定的石英卤灯。测量的定标数据包括一个亮信号、一个暗信号和两个光谱信号，用来监测仪器辐射性能。第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正（3）场地定标原理：机载或星载成像光谱仪飞越辐射定标场地上空时，在定标场地选择若干像元区，测量成像光谱仪对应的地物的各波段成像反射率和大气光谱等参量，并利用大气辐射传输模型等手段给出成像光谱仪入瞳处各光谱带的辐射亮度，最后确定它与成像光谱仪对应输出的输出的数字量化值的数量关系，求解定标系数，并估算定标不确定性。第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正（3）场地定标辐射校正场包括敦煌陆面试验场和青海湖水面试验场；辐射标准和设备定标实验室；光学特性和环境参数观测实验室；辐射校正资料处理、存档和信息服务实验室第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正（3）场地定标辐射校正场包括敦煌陆面试验场和青海湖水面试验场；辐射标准和设备定标实验室；光学特性和环境参数观测实验室；辐射校正资料处理、存档和信息服务实验室第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正各光谱带的辐射亮度值的计算公式：1122(cos)tppLETLTL12p12-T-T--L--L-pE大气外界太阳光谱辐照度飞机飞过地面场地时刻的太阳天顶角整层大气透过率飞机地面间的大气透过率大气外地面的程辐射地面反射率飞机地面间的程辐射第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正-()()增益系数，暗电流tDNbLaab机载成像光谱仪入瞳处各光谱带的辐射亮度值Lt与机载成像光谱仪扫描地面地面定标场地时输出数字量化值DN之间的数值关系第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正场地定标常用方法：-反射率法-辐亮度法-辐照度法第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正发射率法—在卫星遥感器过顶时同步测量地面目标反射率因子和大气光学参量，然后利用辐射传输模型计算出遥感器入瞳处辐射亮度值。辐亮度法—主要采用经过严格光谱与辐射标定的辐射计，通过航空平台实现与卫星遥感器观测几何相似的同步测量，把机载辐射计测量的辐射度作为已知量，去标定飞行中卫星遥感器的辐射量，从而实现卫星遥感器的标定。辐照度法—利用地面测量的向下漫射与总辐射度值来确定卫星遥感器高度的表观反射率，进而确定出遥感器入瞳处辐射亮度。第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正三种场地定标法的优缺点比较反射率法辐亮度法辐照度法优点投入的测试设备和获取的测量数据相对较少。省工、省物且满足精度要求飞机飞行高度越高大气校正就越简单精度也就越高由于利用地面测量的大气漫射和总辐射之比来描述大气气溶胶的散射特性，故减少了反射率法中由于气溶胶光学特性参量的假设而带来的误差缺点要对大气气溶胶的一些光学特性参量做假设为精确进入大气校正还需要反射率法的全部数据，该方法投入的设备、资金和人力相对较多测量数据相对较多，漫射和总辐射之比的测量在高纬度地区对精度由较大影响第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正2大气辐射传输理论-大气对遥感辐射传输的影响大气散射与吸收对下行辐射与遥感器接受的上行辐射的光谱特性造成深刻的影响；大气的散射与辐射光波长有密切关系，对短波长的散射与长波长的散射要强的多，分子散射的强度与波长的四次方成反比；气溶胶的散射强度随波长的变化与粒子尺度分布有关；第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正大气辐射传输方程到达遥感器处总的上行辐射为：向上散射的程辐射地表对天空光的反射射地表对太阳光的反射辐遥感器处总的上行辐射---spsdsusspsdsusLLLLLLLL第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正J是介质所有气体及粒子的吸收系数之和是介质所有气体及粒子的散射系数之和是介质热发射能量是其它方向入射波的散射能量sssdIIIBJdzB辐射传输方程为第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正应用大气辐射传输模型解决遥感影像的大气校正需要解决两个关键问题①有关大气介质特征参数的获取②具体实用的大气辐射传输模型的研究第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正-大气辐射校正常用算法-采用大气参数的方法-5S模型-6S模型–直接采用大气物理参数，增加多次散射计算•LOWTRAN辐射传输模型•MODTRAN辐射传输模型第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正RA(),1TT,S是海平面处朗伯体的反射率是大气透过率是分子、气溶胶层的内在反射率是由太阳到地面以及地表到遥感器的大气透过率是大气反射率sToAgRAdownupssgdownupTTTST•5S模型（theSimulationoftheSatelliteSignalintheSolarSpectrum）大气上层测量的目标反射率可以表示为第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正•6S模型（SecondSimulationoftheSatelliteSignalintheSolarSpectrum）–适用于太阳反射波段（0.25-4μm）的大气辐射传输模式。–假定大气无云的情况下考虑水汽、CO2、O3和O2的吸收、分子和气溶胶的散射以及非均一地面和双向反射率的问题–对5S模型的改进：考虑了目标高程、表面的非朗伯体特性、新的吸收分子种类的影响，采用了好的近似算法来计算大气和气溶胶的散射与吸收的影响，其中气体的吸收以10cm-1光谱间隔来计算，且光谱积分的步长达到了2.5nm。第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正•LOWTRAN辐射传输模型–是一个光谱分辨率为20cm-1的大气辐射传输实用软件。提供了6种参考大气模式的温度、气压、密度的垂直廓线、水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳和一氧化二氮的混合比垂直廓线，其他13种微量气体的垂直廓线等–LOWTRAN7可以根据用户需要，设置水平、倾斜及垂直路径，地对空、空对地等各种探测几何形式，适用对象广泛。第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正•MODTRAN辐射传输模型–可以计算0到50000cm-1的大气透过率和辐射亮度，在440nm到无限大的波长范围的精度是2cm-1，在22680到50000cm-1紫外波范围的精度是20cm-1。目前版本已经到4.0，光谱分辨率已达到1cm-1第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正3高光谱遥感图像大气辐射校正–高光谱图像的大气辐射校正主要是获得地物真实的光谱反射率，即将遥感器获得的辐射亮度DN值转换为反射率值。第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正3高光谱遥感图像大气辐射校正–高光谱遥感器在飞行平台上获取的地物辐射能量值可以表述为：00()()()()cos(),()LTRL是入孔辐射能量是大气上层太阳辐射（）是整层大气透过率（）不考虑地形影响的表观反射率是太阳高度角（）是程辐射sunpathsunpathLLTRLL第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正•高光谱遥感图像大气辐射校正的模型–统计学模型法•经验线性法、内部平均法、平场域法、对数残差法–大气辐射传输模型法•5S、6S、LOWTRAN、MODTRAN、ATREM、ACORN、FLAASH第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正经验线性法–实测两个定标点的地面反射光谱值，计算图像上对应像元点的平均辐射光谱，再利用线性回归建立反射光谱和辐射光谱间的相关关系，求出系数k,b就可得到DN值与反射率R之间的关系式，可以进行像元灰度的反射率反演。第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正•使用经验线性法，对定标点有如下要求–定标点要选择尽可能各向同性的均一地物；–定标点地物在光谱上要跨越尽可能宽的地球反射光谱段；–定标点要尽可能与研究区域保持同一海拔高度。第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正•内部平均法–假定一幅图像内部的地物充分混杂，整幅图像的平均光谱基本代表大气影响下的太阳光谱信息。把图像DN值与整幅图像的平均辐射光谱的比值确定为相对反射率光谱，即,RF是相对反射率是像元辐射值整幅图像的平均辐射光谱值RF第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正•内部平均法有两个缺陷–得到的是相对反射率–一些图像均值并不能完全代表太阳的全谱段辐射特性第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正•平场域法–选择图像中一块面积大且亮度高而光谱响应曲线变化平缓的区域，利用其平均光谱辐射值来模拟飞行时大气条件下的太阳光谱。将每个像元的DN值与该平均光谱辐射值的比值作为地表反射率，以此来消除大气的影响，即,RF是相对反射率是像元辐射值平场域的平均辐射光谱RF第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正该方法使用的两个重要假设为：–平场域自身的平均光谱没有明显吸收特征–平场域辐射光谱主要反映的是当时大气条件下的太阳光谱该方法的三个主要缺陷：–得到的是相对反射率–不适合大量多条带高光谱数据的处理–这种人工查找的方法有一定的随意性第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正•对数残差法该方法的意义在于：为了消除光照及地形因子的影响值是图像各像元各波段均波段所有像元均值是是像元各波段均值波段的图像值像元是第波段的反射率像元是第****DNDNDNDNjjijijiijij****DNDNDNDNjiijij第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正•6S辐射校正模型–输入五类参数：•太阳、地物与遥感器之间的几何关系-用太阳天顶角、太阳方位角、视角天顶角、视角方位角四个变量;•大气模式-定义了大气的基本成分以及温湿度廓线包括7种模式。•气溶胶模式-定义了全球主要的气溶胶参数，6S中定义了七种缺省的标准气溶胶模式和一些自定义模式。•遥感器的光谱特性-定义了遥感器各波段的光谱响应函数，6S中自带了大部分主要遥感器的可见光-近红外波段的相应光谱响应函数，如TM、MSS、MODIS等。•地表反射率-定义了地表反射率模型，包括均一地表和非均一地表两种情况。第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正•ACORN大气校正–ACORN提供了一系列大气校正策略，包括经验法和基于辐射传输理论的方法，即可以对高光谱图像进行大气校正，也可以对多光谱图像数据进行大气校正。第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正校正的模式可有多种选择：–模式1：对定标后的高光谱数据进行辐射传输大气校正。–模式1.5：对定标后的高光谱数据利用水汽和液体水光谱拟合技术进行辐射传输大气校正。–模式2：对高光谱大气校正结果进行独立的光谱增强。–模式3：利用经验线性法对高光谱数据进行大气校正。第三章高光谱遥感图像辐射与几何校正–模式4：对高光谱数据进行卷积处理得到多光谱数据。–模式5：对定标的多光谱数据进行辐射传输大气校正。–模式6：对多