大氣校正(ENVI)

1、大氣校正是定量遙感中重要的組成部分。本專題包括以下內(nèi)容： l大氣校正概述lENVI中的大氣校正功能1大氣校正概述 大氣校正的目的是消除大氣和光照等因素對地物反射的影響，廣義上講獲得地物反射率、輻射率或者地表溫度等真實物理模型參數(shù)；狹義上是獲取地物真實反射率數(shù)據(jù)。用來消除大氣中水蒸氣、氧氣、二氧化碳、甲烷和臭氧等物質(zhì)對地物反射的影響，消除大氣分子和氣溶膠散射的影響。大多數(shù)情況下，大氣校正同時也是反演地物真實反射率的過程。 很多人會有疑問，什么情況下需要做大氣校正，我們購買或者其他途徑獲取的影像是否做過大氣校正。 通俗來講，如果我們需要定量反演或者獲取地球信息、精確識別地物等，需要使用影像上真實反

2、映對太陽光的輻射情況，那么就需要做大氣校正。我們購買的影像，說明文檔中會注明是經(jīng)過輻射校正的，其實這個輻射校正指的是粗的輻射校正，只是做了系統(tǒng)大氣校正，就跟系統(tǒng)幾何校正的意義是一樣的。常見的絕對大氣校正方法有：l基于輻射傳輸模型 wMORTRAN模型 wLOWTRAN模型 wATCOR模型 w6S模型等l基于簡化輻射傳輸模型的黑暗像元法l基于統(tǒng)計學(xué)模型的反射率反演；相對大氣校正常見的是：l基于統(tǒng)計的不變目標(biāo)法l直方圖匹配法等。既然有怎么多的方法，那么又存在方法選擇問題。這里有一個總結(jié)供參考： 1、如果是精細(xì)定量研究，那么選擇基于基于輻射傳輸模型的大氣校正方法。 2、如果是做動態(tài)監(jiān)測，那么可選擇

3、相對大氣校正或者較簡單的方法。 3、如果參數(shù)缺少，沒辦法了只能選擇較簡單的方法了。2 ENVI大氣校正功能在ENVI中包含了很多大氣校正模型，包括基于輻射傳輸模型的MORTRAN模型、黑暗像元法、基于統(tǒng)計學(xué)模型的反射率反演?；诮y(tǒng)計的不變目標(biāo)法可以利用ENVI一些功能實現(xiàn)。 其中MORTRAN模型集成在ENVI大氣校正擴展模塊中。還有直方圖匹配等。2.1 簡化黑暗像元法大氣校正黑暗像元法是一種古老、簡單的經(jīng)典大氣校正方法。它的基本原理是在假設(shè)待校正的遙感圖像上存在黑暗像元、地表朗伯面反射和大氣性質(zhì)均一，并忽略大氣多次散射輻照作用和鄰近像元漫反射作用的前提下，反射率很?。ń?）的黑暗像元由于大

4、氣的影響，使得這些像元的反射率相對增加，可以認(rèn)為這部分增加的反射率是由于大氣影響產(chǎn)生的。這樣，將其他像元減去這些黑暗像元的像元值，就能減少大氣（主要是大氣散射）對整幅影像的影響，達(dá)到大氣校正的目的。整個過程的關(guān)鍵是尋找黑暗像元以及黑暗像元增加的像元值。ENVI下的Dark Subtract工具提供選擇波段最小值、ROI的平均值、自定義值三種方式確定黑暗像元的像素值。操作過程如下：（1）打開待校正圖像文件。（2）在主菜單中，選擇Basic Tools-Preprocessing-General Purpose Utilities- Dark Subtract，在文件選擇對話框中選擇待校正圖像文件

5、，單擊OK按鈕，打開Dark Subtraction Parameters面板。（3）在Dark Subtraction Parameters面板中，確定黑暗像素值包括三種方法（Subtraction Method）：l波段最小值(Band Minimum) lROI的平均值(Region Of Interest) l自定義值（User Value）（4）在Output Result to中選擇File以及相應(yīng)的輸出路徑和文件名，單擊OK執(zhí)行操作。2.2 基于統(tǒng)計學(xué)模型的反射率反演 基于統(tǒng)計學(xué)模型的反射率反演的方法主要有平場域法（Flat Field，F(xiàn)F）、對數(shù)殘差法（Log Residua

6、ls）、內(nèi)部平均法（Internal Average Relative Reflectance，IARR）、經(jīng)驗線性法(Empirical Line)。集中在Basic Tools-Preprocessing- Calibration Utilities菜單下。1.平場域法 (Flat Field) Flat Field定標(biāo)工具通過選擇圖像中一塊具有高反射率、光譜變化平坦的區(qū)域，利用這個區(qū)域的平均光譜值來模擬飛行時的大氣條件下的太陽光譜。將每個像元的DN值除以選擇區(qū)域的平均光譜值得到相對反射率，以此來消除大氣的影響。 在使用這個工具前，需要利用ENVI提供的感興趣區(qū)繪制工具（ROI Tool）

7、在被定標(biāo)圖像上選擇感興趣區(qū)作為平場域（Flat Field），感興趣區(qū)可選擇沙漠、大塊水泥地、沙地等區(qū)域。2.對數(shù)殘差（Log Residuals） 對數(shù)殘差定標(biāo)工具將數(shù)據(jù)除以波段幾何均值，后再除以像元幾何均值，可以消除光照、大氣傳輸、儀器系統(tǒng)誤差、地形影響和星體反照率對數(shù)據(jù)輻射的影響。定標(biāo)結(jié)果的值在1附近。3.內(nèi)部平均法（Internal Average Relative Reflectance，IARR） IAR (Internal Average Relative) Reflectance定標(biāo)工具假定整幅圖像的平均光譜基本代表了大氣影響下的太陽光譜信息。把圖像DN值與整幅圖像的平均輻射光

8、譜值相除，得到的結(jié)果為相對反射率。該工具特別適用于沒有植被的干旱區(qū)域。4.經(jīng)驗線性法(Empirical Line) Empirical Line 定標(biāo)方法是假設(shè)圖像DN值與反射率之間存在線性關(guān)系：反射率= 增益 * DN值+ 偏移 利用兩個已知點的地面反射光譜值，再計算圖像上對應(yīng)像元點的平均DN值，然后利用線性回歸求出增益和偏移值，建立DN值與反射率之間的相互關(guān)系式，進(jìn)行反射率的定標(biāo)。消除了太陽輻亮度和大氣程輻射。 ENVI的Empirical Line定標(biāo)工具要求至少需要一個已知區(qū)域的地面反射光譜值（Field Spectra）作為參照波譜，以及圖像上對應(yīng)像元點的波譜曲線（Data Spe

9、ctra）。它們可以來自波譜剖面或波譜曲線、波譜庫、感興趣區(qū)、統(tǒng)計文件和ASCII文件。輸入的波譜將自動被重采樣，以與選擇的數(shù)據(jù)波長相匹配。也可以用已經(jīng)存在的系數(shù)對數(shù)據(jù)集進(jìn)行定標(biāo)。3 不變目標(biāo)法相對大氣校正 相對大氣校正按照數(shù)學(xué)基礎(chǔ)可以分為2種，非線性校正法和線性校正法。非線性校正法最典型的是直方圖匹配，圖像的直方圖是圖像中所有灰度值的概率分布。即將校正圖像的直方圖與參考圖像的直方圖進(jìn)行匹配，使兩幅圖像具有相同或相近的灰度值概率分布，達(dá)到兩幅圖像上同名地物具有相同灰度值的目的。利用ENVI中Histogram Matching工具（Display中，Enhance-Histogram Matc

10、hing）線性校正法有個前提假設(shè)：不同時相的圖像灰度值之間滿足線性關(guān)系，這種假設(shè)在近似情況下是成立的。這樣就可以通過線性等式來描述不同時相間的灰度關(guān)系，用x表示參考圖像，y表示待校正圖像，他們之間的線性關(guān)系可描述為： y=ax+b (式1)其中：a、b為線性等式中的參數(shù)，即為增益和偏移量。根據(jù)前述原理，完成線性相對校正需要以下3個步驟：第一步，在兩幅圖像中搜尋相對固定目標(biāo)即光譜穩(wěn)定的地物樣本點，即偽不變特征要素（PIF：Pseudo-Invariant Features）；第二步，運用這些偽不變特征點的DN值，利用線性回歸的方法求解式(13.6)中的參數(shù)，得到圖像間的線性關(guān)系；第三步，根據(jù)該關(guān)

11、系式，通過波段運算，得到與參考圖像具有相同或相近輻射值的結(jié)果圖像，完成相對大氣校正。整個過程的關(guān)鍵是PIF的選擇。下面以兩個不同大氣環(huán)境下成像、已經(jīng)經(jīng)過精確配準(zhǔn)、ENVI標(biāo)準(zhǔn)格式的Landsat TM5數(shù)據(jù)為例（2000年和2001年），介紹線性校正法的操作步驟：第一步：PIF選擇 選擇一幅目視質(zhì)量較好的圖像作為基準(zhǔn)圖像（2001年），另外一幅作為待校正圖像（2000年）。在兩個圖像上選擇相同區(qū)域的瀝青房頂、礫石面、混凝土停機坪、潔凈水體、混凝土、沙地等地物作為PIF，這些地物不會隨時間的變化而變化。（1）在主模塊中，選擇File-Open Image File，打開兩幅圖像，并在Displa

12、y中顯示。（2）在其中一幅影像上點擊右鍵，從快捷菜單中選擇Geographic Link，將顯示的兩幅影像地理鏈接。（3）在顯示2000年圖像的主圖像窗口中，選擇Overlay- Region of Interest，打開ROI Tool面板。（4）通過目視方式，從兩幅圖像找到光譜穩(wěn)定、相同地物作為樣本，用Polygon或者Point類型繪制感興趣區(qū)。（5）在繪制一定數(shù)量感興趣后(不宜太多，太多后面的回歸運算量會很大)，在ROI Tool面板中，選擇File- Output ROIs to ASCII。 （6）回到ROI Tool面板中，選擇Options- Reconcile ROIs vi

13、a Map，將前面繪制的ROI轉(zhuǎn)接到2001年的圖像上，類似（5）步的方法將基準(zhǔn)圖像的ROI內(nèi)對應(yīng)像素位置和像元值輸出為文本文件。分別用記事本打開上面步驟得到兩個文本文件，這樣我們得到了2000年的圖像和2001年的圖像相對應(yīng)偽不變特征要素（PIF）的像素值。從文本文件中可以看到，兩個時相圖像中每一個波段的像素值是一一對應(yīng)關(guān)系，剛好對應(yīng)式1中的x和y。第二步中就是利用這些像素值，根據(jù)最小二乘回歸分析法獲得式13.6中的a和b兩個參數(shù)。第二步、線性關(guān)系式求解使用最小二乘回歸的方法來求解線性回歸式a和b參數(shù)，如表1。表1回歸解算的a和b值波段增益（a）偏移（b）Band11.02-34Band21

14、.22-18Band30.92-9Band41.21-16Band50.994Band70.943第三步、線性變換利用表1中的a和b值，在ENVI的Band Math工具對待校正圖像做線性變換，然后利用Layer Stacking工具將線性變換結(jié)果組合成一個多波段文件。不變目標(biāo)法相對大氣校正操作過程已經(jīng)完成。2.4 熱紅外大氣校正ENVI提供Thermal Atm Correction工具，可以近似去除熱紅外輻射數(shù)據(jù)中的大氣影響。在進(jìn)行大氣校正之前，為了得到最好的結(jié)果，必須將熱紅外數(shù)據(jù)定標(biāo)為比輻射率數(shù)據(jù)（TIMS的熱紅外數(shù)據(jù)必須被轉(zhuǎn)化為輻射亮度數(shù)據(jù)），并且待校正數(shù)據(jù)波長在8-14m之間。下面以

15、ASTER L1A的熱紅外波段為例，操作過程如下：（1）打開ASTER，在波段列表中按照波長自動歸為4組，2組可見光-近紅外（VNIR）、短波紅外（SWIR）和熱紅外(IIR)，并根據(jù)頭文件信息自動定標(biāo)為輻射亮度值（單位W/（m2 *m*sr）。（2）在主菜單中，從以下列表中選擇一種方式lBasic Tools - Preprocessing-Calibration Utilities-Thermal Atm CorrectionlBasic Tools-Preprocessing-Data-Specific Utilities-Thermal IR - Thermal Atm Correct

16、ionlBasic Tools- Preprocessing- Data-Specific Utilities -TIMS-Thermal Atm Correction在Thermal Correction Input File對話框中，選擇熱紅外數(shù)據(jù)（Wavelength : 8.291 to 11.318）。（3）在Thermal Atm Correction Parameters面板中（圖3），需要填寫以下參數(shù)：l數(shù)據(jù)縮放系數(shù)（Data Scale Factor）：1。將輸入數(shù)據(jù)的單位縮放為W/（m2 *m*sr）。l波長單位（Wavelength Units）：Micrometers。

17、l設(shè)定表面溫度估算衰退像元（Regression Pixels）：Allu選擇“All”，將使用整個輸入波長范圍內(nèi)的亮度溫度最大值對每個像元的表面溫度進(jìn)行估算。u選擇“Max Hit”，僅對那些在特定波長具有最大亮度溫度值的像元進(jìn)行表面溫度估算，所說的特定波長是指包含最多具有最大亮度溫度的像元的波長范圍。l散點圖擬合技術(shù)（Fitting Technique）：Top of Binsu選擇“Top of Bins”，將會使曲線向輻射率與亮度溫度的散點圖的上部擬合，散點圖的上部對應(yīng)著發(fā)射率接近1的像元，使用該技術(shù)的擬合線是通過對散點圖上部5%的數(shù)據(jù)做了標(biāo)準(zhǔn)的最小平方回歸得到的。（注：該技術(shù)易受發(fā)生

18、在散點圖頂部區(qū)域的傳感器噪聲的影響）u選擇“Normalized Regression”，將會先使用標(biāo)準(zhǔn)的最小平方回歸把曲線向輻射率與亮度溫度的散點圖擬合，然后將擬合線的殘差與正態(tài)概率分布圖相比較，在正態(tài)圖中對殘差再進(jìn)行另一個回歸，NESR(noise equivalent sensor response)距離的點將被認(rèn)為是奇異點而被刪除，最后利用減少的像元集在散點圖上進(jìn)行一個最終的回歸。（注：該方法使用散點圖中除奇異點以外的所有點，并且不僅僅把曲線向散點圖的上部（發(fā)射率近似為1）擬合）l設(shè)置輸出增益與偏移參數(shù)為文件（Output Gain/Offset File）：可選。l設(shè)置是否繪制大氣透

19、射和上行輻射光譜結(jié)果(Plot Transmission/Upwelling?)：Yes。（4）選擇結(jié)果輸出路徑及文件名，單擊OK執(zhí)行校正過程。2.5 QUAC快速大氣校正工具快速大氣校正工具（簡稱QUAC）自動從圖像上收集不同物質(zhì)的波譜信息，獲取經(jīng)驗值完成高光譜和多光譜的快速大氣校正（圖4）。它得到結(jié)果的精度近似FLAASH或者其他基于輻射傳輸模型的+/-15%。目前它支持的多光譜和高光譜波譜范圍是(0.42.5 m)。傳感器包括AISA, ASAS, AVIRIS, CAP ARCHER, COMPASS, HYCAS, HYDICE, HyMap, Hyperion, IKONOS, L

20、andsat TM, LASH, MASTER, MODIS, MTI, QuickBird, RGB, 以及 unknown sensor。QUAC的輸入數(shù)據(jù)可以是輻射亮度值、表觀反射率、無單位的raw數(shù)據(jù)?？梢允侨魏螖?shù)據(jù)儲存順序（BIL/BIP/BSQ）和儲存類型，多光譜和高光譜傳感器數(shù)據(jù)的每個波段必須有中心波長信息。QUAC的操作非常簡單，如下：（1）在ENVI主菜單中，選擇以下方式啟動lBasic Tools- Preprocessing- Calibration Utilities- QUick Atmospheric CorrectionlSpectral- QUick Atmos

21、pheric CorrectionlSpectral- Preprocessing- Calibration Utilities- QUick Atmospheric Correction在文件輸入對話框中選擇校正的圖像文件。（2）打開QUick Atmospheric Correction Parameters面板（圖5），在Sensor Type中選擇相應(yīng)的傳感器類型，選擇文件名和路徑輸出。2.6 FLAASH大氣校正FLAASH是基于MODTRAN4+輻射傳輸模型，MODTRAN模型是由進(jìn)行大氣校正算法研究的領(lǐng)先者SpectralSpectral Sciences, Inc和美國空軍實驗

22、室（Air Force Research Laboratory）共同研發(fā)。ITT VIS公司負(fù)責(zé)集成和GUI設(shè)計。1.FLAASH特點l支持傳感器種類多，包括多光譜的ASTER，AVHRR，GeoEye-1，IKONOS，IRS，Landsat，MODIS，SeaWiFS，SPOT，QuickBird，RapidEye等，高光譜HyMAP、AVIRIS、CASI、HYDICE、HYPERION(EO-1)、AISA等?？梢酝ㄟ^自定義波譜響應(yīng)函數(shù)支持更多的傳感器。工程化應(yīng)用價值比較明顯。lFLAASH采用了MODTRAN4+輻射傳輸模型，該算法精度高。任何有關(guān)影像的標(biāo)準(zhǔn)MODTRAN大氣模型和氣

23、溶膠類型都可以直接使用。l通過影像像素光譜上的特征來估計大氣的屬性，不依賴遙感成像時同步測量的大氣參數(shù)數(shù)據(jù)。l可以有效地去除水蒸氣/氣溶膠散射效應(yīng)，同時基于像素級的校正，矯正目標(biāo)像元和鄰近像元交叉輻射的“鄰近效應(yīng)”。l對由于人為抑止而導(dǎo)致波譜噪聲進(jìn)行光譜平滑處理。作為結(jié)果，除了真實地表反射率外，還可以得到整幅圖像內(nèi)的能見度、卷云與薄云的分類影像、水氣含量數(shù)據(jù)。2.使用ENVI大氣校正模塊ENVI大氣校正模塊的使用主要又以下7個方面組成：1、輸入文件準(zhǔn)備，2、基本參數(shù)設(shè)置，3、多光譜數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置，4、高光譜數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置，5、高級設(shè)置，6、輸出文件，7、處理結(jié)果。下面介紹這7個方面內(nèi)容。(一)輸入

24、文件準(zhǔn)備1)支持傳感器類型高光譜包括：HyMAP、AVIRIS、CASI、HYDICE、HYPERION(EO-1)、AISA等；多光譜包括：ASTER，AVHRR，GeoEye-1，IKONOS，IRS，Landsat，MODIS，SeaWiFS，SPOT，QuickBird，RapidEye等，航空：860nm-1135nm波長范圍2)數(shù)據(jù)是經(jīng)過定標(biāo)后的輻射亮度（輻射率）數(shù)據(jù)，單位是：（W）/cm2*nm*sr）。3)數(shù)據(jù)帶有中心波長（wavelenth）值，如果是高光譜還必須有波段寬度（FWHM）,這兩個參數(shù)都可以通過編輯頭文件信息輸入（Edit Header）。4)數(shù)據(jù)類型支持四種數(shù)據(jù)類型：浮點型（floating）、長整型(long integer )、整型（integer）和無符號整型 (unsigned int)。數(shù)據(jù)存儲類型： ENVI標(biāo)準(zhǔn)柵格格式文件，且是BIP或者BIL。5)波譜范圍：flaash能夠做的數(shù)據(jù)光譜范圍是0.42500m。(二)基本參數(shù)設(shè)置1)輸入文件及輸出路徑設(shè)置，如圖6