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(duì)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(shí)物理模型參數(shù)；狹義上是獲取地物真實(shí)反射率數(shù)據(jù)。用來(lái)消除大氣中水蒸氣、氧氣、二氧化碳、甲烷和臭氧等物質(zhì)對(duì)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(shí)也是反演地物真實(shí)反射率的過(guò)程。 很多人會(huì)有疑問(wèn)，什么情況下需要做大氣校正，我們購(gòu)買或者其他途徑獲取的影像是否做過(guò)大氣校正。 通俗來(lái)講，如果我們需要定量反演或者獲取地球信息、精確識(shí)別地物等，需要使用影像上真實(shí)反

2、映對(duì)太陽(yáng)光的輻射情況，那么就需要做大氣校正。我們購(gòu)買的影像，說(shuō)明文檔中會(huì)注明是經(jīng)過(guò)輻射校正的，其實(shí)這個(gè)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(jiàn)的絕對(duì)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(jiǎn)化輻射傳輸模型的黑暗像元法l基于統(tǒng)計(jì)學(xué)模型的反射率反演；相對(duì)大氣校正常見(jiàn)的是：l基于統(tǒng)計(jì)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(wèn)題。這里有一個(gè)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，那么可選擇

3、相對(duì)大氣校正或者較簡(jiǎn)單的方法。 3、如果參數(shù)缺少，沒(méi)辦法了只能選擇較簡(jiǎn)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(jì)學(xué)模型的反射率反演?；诮y(tǒng)計(jì)的不變目標(biāo)法可以利用ENVI一些功能實(shí)現(xiàn)。 其中MORTRAN模型集成在ENVI大氣校正擴(kuò)展模塊中。還有直方圖匹配等。2.1 簡(jiǎn)化黑暗像元法大氣校正黑暗像元法是一種古老、簡(jiǎn)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，反射率很小（近似0）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(duì)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(duì)整幅影像的影響，達(dá)到大氣校正的目的。整個(gè)過(guò)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(guò)程如下：（1）打開(kāi)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(duì)話框中選擇待校正圖像文件

5、，單擊OK按鈕，打開(kāi)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(jì)學(xué)模型的反射率反演 基于統(tǒng)計(jì)學(xué)模型的反射率反演的方法主要有平場(chǎng)域法（Flat Field，F(xiàn)F）、對(duì)數(shù)殘差法（Log Residua

6、ls）、內(nèi)部平均法（Internal Average Relative Reflectance，IARR）、經(jīng)驗(yàn)線性法(Empirical Line)。集中在Basic Tools-Preprocessing- Calibration Utilities菜單下。1.平場(chǎng)域法 (Flat Field) Flat Field定標(biāo)工具通過(guò)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(gè)區(qū)域的平均光譜值來(lái)模擬飛行時(shí)的大氣條件下的太陽(yáng)光譜。將每個(gè)像元的DN值除以選擇區(qū)域的平均光譜值得到相對(duì)反射率，以此來(lái)消除大氣的影響。 在使用這個(gè)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(chǎng)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(duì)數(shù)殘差（Log Residuals） 對(duì)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(duì)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(yáng)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(duì)反射率。該工具特別適用于沒(méi)有植被的干旱區(qū)域。4.經(jīng)驗(yàn)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(gè)已知點(diǎn)的地面反射光譜值，再計(jì)算圖像上對(duì)應(yīng)像元點(diǎn)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(yáng)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(gè)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(duì)應(yīng)像元點(diǎn)的波譜曲線（Data Spe

9、ctra）。它們可以來(lái)自波譜剖面或波譜曲線、波譜庫(kù)、感興趣區(qū)、統(tǒng)計(jì)文件和ASCII文件。輸入的波譜將自動(dòng)被重采樣，以與選擇的數(shù)據(jù)波長(zhǎng)相匹配。也可以用已經(jīng)存在的系數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行定標(biāo)。3 不變目標(biāo)法相對(duì)大氣校正 相對(duì)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(gè)前提假設(shè)：不同時(shí)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(guò)線性等式來(lái)描述不同時(shí)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(duì)校正需要以下3個(gè)步驟：第一步，在兩幅圖像中搜尋相對(duì)固定目標(biāo)即光譜穩(wěn)定的地物樣本點(diǎn)，即偽不變特征要素（PIF：Pseudo-Invariant Features）；第二步，運(yùn)用這些偽不變特征點(diǎn)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(guò)波段運(yùn)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(duì)大氣校正。整個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵是PIF的選擇。下面以兩個(gè)不同大氣環(huán)境下成像、已經(jīng)經(jīng)過(guò)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(gè)圖像上選擇相同區(qū)域的瀝青房頂、礫石面、混凝土停機(jī)坪、潔凈水體、混凝土、沙地等地物作為PIF，這些地物不會(huì)隨時(shí)間的變化而變化。（1）在主模塊中，選擇File-Open Image File，打開(kāi)兩幅圖像，并在Displa

12、y中顯示。（2）在其中一幅影像上點(diǎn)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(kāi)ROI Tool面板。（4）通過(guò)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(yùn)算量會(huì)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(duì)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(kāi)上面步驟得到兩個(gè)文本文件，這樣我們得到了2000年的圖像和2001年的圖像相對(duì)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(gè)時(shí)相圖像中每一個(gè)波段的像素值是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，剛好對(duì)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(gè)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(lái)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(duì)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(gè)多波段文件。不變目標(biāo)法相對(duì)大氣校正操作過(guò)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(zhǎng)在8-14m之間。下面以

15、ASTER L1A的熱紅外波段為例，操作過(guò)程如下：（1）打開(kāi)ASTER，在波段列表中按照波長(zhǎng)自動(dòng)歸為4組，2組可見(jiàn)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(dòng)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(duì)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(zhǎng)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(gè)輸入波長(zhǎng)范圍內(nèi)的亮度溫度最大值對(duì)每個(gè)像元的表面溫度進(jìn)行估算。u選擇“Max Hit”，僅對(duì)那些在特定波長(zhǎng)具有最大亮度溫度值的像元進(jìn)行表面溫度估算，所說(shuō)的特定波長(zhǎng)是指包含最多具有最大亮度溫度的像元的波長(zhǎng)范圍。l散點(diǎn)圖擬合技術(shù)（Fitting Technique）：Top of Binsu選擇“Top of Bins”，將會(huì)使曲線向輻射率與亮度溫度的散點(diǎn)圖的上部擬合，散點(diǎn)圖的上部對(duì)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(guò)對(duì)散點(diǎn)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(diǎn)圖頂部區(qū)域的傳感器噪聲的影響）u選擇“Normalized Regression”，將會(huì)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(diǎn)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(duì)殘差再進(jìn)行另一個(gè)回歸，NESR(noise equivalent sensor response)距離的點(diǎn)將被認(rèn)為是奇異點(diǎn)而被刪除，最后利用減少的像元集在散點(diǎn)圖上進(jìn)行一個(gè)最終的回歸。（注：該方法使用散點(diǎn)圖中除奇異點(diǎn)以外的所有點(diǎn)，并且不僅僅把曲線向散點(diǎn)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(guò)程。2.5 QUAC快速大氣校正工具快速大氣校正工具（簡(jiǎn)稱QUAC）自動(dòng)從圖像上收集不同物質(zhì)的波譜信息，獲取經(jīng)驗(yàn)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(wú)單位的raw數(shù)據(jù)。可以是任何數(shù)據(jù)儲(chǔ)存順序（BIL/BIP/BSQ）和儲(chǔ)存類型，多光譜和高光譜傳感器數(shù)據(jù)的每個(gè)波段必須有中心波長(zhǎng)信息。QUAC的操作非常簡(jiǎn)單，如下：（1）在ENVI主菜單中，選擇以下方式啟動(dòng)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(duì)話框中選擇校正的圖像文件。（2）打開(kāi)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(guó)空軍實(shí)驗(yàn)

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(jì)。1.FLAASH特點(diǎn)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^(guò)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(jià)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(guò)影像像素光譜上的特征來(lái)估計(jì)大氣的屬性，不依賴遙感成像時(shí)同步測(cè)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(shí)基于像素級(jí)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(duì)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(shí)地表反射率外，還可以得到整幅圖像內(nèi)的能見(jiàn)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(gè)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(jí)設(shè)置，6、輸出文件，7、處理結(jié)果。下面介紹這7個(gè)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(zhǎng)范圍2)數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)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(zhǎng)（wavelenth）值，如果是高光譜還必須有波段寬度（FWHM）,這兩個(gè)參數(shù)都可以通過(guò)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(diǎn)型（floating）、長(zhǎng)整型(long integer )、整型（integer）和無(wú)符號(hào)整型 (unsigned int)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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