第5章_遙感數(shù)字圖像處理_圖像校正

1、第5章 圖像校正（2）本次課內(nèi)容o 5.4 傳感器端的輻射校正o 5.5 大氣校正o 5.6 地面輻射校正5.4 傳感器端的輻射校正o 傳感器端的輻射校正對(duì)于衛(wèi)星遙感圖像來(lái)說(shuō)，又稱為大氣頂面輻射校正或大氣上界輻射校正.為什么進(jìn)行傳感器端的輻射校正？o 在掃描方式的傳感器中，傳感器收集到的電磁波信號(hào)需要經(jīng)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)記錄下來(lái)。該信號(hào)量化后成為離散的灰度級(jí)別，僅在圖像中具有相對(duì)大小的意義，沒(méi)有物理意義。不同的傳感器間、同一傳感器不同日期產(chǎn)生的圖像中都可能存在偏差，需要對(duì)傳感器定標(biāo)校正后才能進(jìn)行比較。傳感器端的輻射校正的原理o 利用已經(jīng)建立的地物反射率與遙感圖像像素之間的關(guān)系，通過(guò)遙感圖

2、像的像素值計(jì)算傳感器端的像素的反射率。一般通過(guò)輻射定標(biāo)來(lái)完成。o 輻射校正的結(jié)果可以是輻亮度也可以是反射率。（1）可見(jiàn)光和近紅外波段的輻射定標(biāo) 在衛(wèi)星飛越大面積均勻試驗(yàn)場(chǎng)地上空同時(shí)，在若干選好的象元內(nèi)測(cè)定探測(cè)器對(duì)應(yīng)波段內(nèi)的地物反射率，同時(shí)測(cè)出氣象要素和大氣光學(xué)特性。再根據(jù)衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)太陽(yáng)幾何位置、儀器視場(chǎng)角、探測(cè)器光譜響應(yīng)函數(shù)等，通過(guò)大氣輻射傳輸模式正演出到達(dá)傳 感器入瞳處各光譜通道的各光譜通道的輻射亮度輻射亮度。 （2）紅外波段的輻射校正o 傳感器入瞳處接受的總輻射由3部分組成：通過(guò)大氣向上傳輸?shù)闹苯拥孛孑椛?；由大氣自身向上傳輸?shù)妮椛?；大氣向下輻射到達(dá)地面再經(jīng)地面反射后通過(guò)大氣向上傳輸?shù)妮椛洹?/p>

3、如選擇清潔水面為目標(biāo)，那么按線性模型處理為式中， 為紅外波段的校正系數(shù)，C為圖像灰度級(jí)。CAI*A（3）圖像的灰度級(jí)和輻亮度o 圖像上的像素值為灰度級(jí)o 實(shí)際的電磁波輻射強(qiáng)度為輻亮度o 在圖像數(shù)字化時(shí)，電磁波的輻亮度被量化為灰度級(jí)。而在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)榛叶燃?jí)沒(méi)有實(shí)際的物理意義，不同日期圖像對(duì)比和遙感定量反演時(shí)，需要將灰度級(jí)轉(zhuǎn)化為輻亮度。輻射定標(biāo)o 在衛(wèi)星飛越試驗(yàn)場(chǎng)地上空時(shí)同時(shí),在若干選好的像素內(nèi)測(cè)定探測(cè)器對(duì)應(yīng)波段內(nèi)的地物反射率t，同時(shí)測(cè)出氣象要素和大氣光學(xué)特性.再根據(jù)衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)太陽(yáng)幾何位置,儀器視場(chǎng)角,探測(cè)器光譜響應(yīng)函數(shù)等通過(guò)大氣輻射傳輸模式正演出到達(dá)傳感器入瞳處各光譜通道的幅亮度Lt.o 絕

4、對(duì)輻射校正就是建立遙感器測(cè)量數(shù)字信號(hào)與對(duì)應(yīng)的輻射能量之間的數(shù)量關(guān)系。 對(duì)于一種遙感器來(lái)說(shuō)，絕對(duì)輻射校正就是確定一個(gè)灰度值（DN）對(duì)應(yīng)多少輻射度值（L），或者確定一個(gè)輻射值L對(duì)應(yīng)多少灰度值（DN），其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 DNa.L 或 Lb.DNo 不同的傳感器有不同的校驗(yàn)參數(shù)，通常通過(guò)線性方程將傳感器的最小和最大的輻亮度與圖像的灰度級(jí)聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)行轉(zhuǎn)換。o 波段不同，傳感器可以探測(cè)的最小和最大的輻亮度值不同。o 對(duì)于8位量化（量化級(jí)數(shù)）為256的圖像，基本的轉(zhuǎn)換方程如下所示：o L為圖像的輻亮度；Lmin和Lmax分別為最小和最大灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的輻亮度；DN為圖像中像素的灰度級(jí)。minminmax255

5、/ )(LDNLLLGain，增益Bias，偏置o 對(duì)于8位量化圖像，圖像幅亮度 Lt=（Lmax-Lmin)/255X DN+Lmino Lt為圖像的輻亮度；Lmin為最小灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的輻亮度；Lmin為最大灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的輻亮度；DN為像素對(duì)應(yīng)的灰度級(jí)。o 傳感器的輻亮度參數(shù)可以在圖像的元數(shù)據(jù)文件中找到。Landsat5的TM圖像輻射校正幅亮度 L=Gain * DN+Biaso Gain為增益，增益=（Lmax-Lmin)/255，Lmax和Lmin分別為最大和最小光譜輻射值，Bias為偏置，偏置=Lmin。o 隨著時(shí)間變換，傳感器的校正參數(shù)誤差也會(huì)發(fā)生變化。5.5 大氣校正o 消除由大氣散射

6、引起的輻射誤差的處理稱為大氣校正。在前期的大氣校正中主要 指對(duì)天空散射光的校正（程輻射校正）。o 遙感圖像中，衛(wèi)星遙感圖像需要進(jìn)行大氣校正；航空攝影獲取的圖像，根據(jù)飛行高度的情況可以不進(jìn)行大氣校正。大氣校正的3種方法o 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法：將野外實(shí)測(cè)的大氣影響的測(cè)量值與傳感器同步觀測(cè)結(jié)果回歸分析o 輻射傳遞方程：測(cè)量大氣參數(shù)，按理論公式求得大氣干擾輻射量；o 波段對(duì)比法：在特殊條件下，利用某些不受大氣影響或影響很小的波段校正其他波段。o 一般采用波段對(duì)比法5.5.1統(tǒng)計(jì)學(xué)方法o 通過(guò)將野外實(shí)地波譜測(cè)試獲得的無(wú)大氣影響的輻射值與衛(wèi)星傳感器同步觀測(cè)對(duì)應(yīng)象元亮度值進(jìn)行回歸分析計(jì)算確定輻射誤差校正量。5.5.

7、2輻射傳遞方程算法o 測(cè)量大氣參數(shù)，按理論公式求得大氣干擾輻射量。 o 為大氣的衰減系數(shù)；E0為地面目標(biāo)的輻射能量；H為傳感器的高度（高度為H的大氣）；E為傳感器測(cè)到的電磁波能量。o 在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)，大氣的影響主要是由氣溶膠 引起的散射造成的；在熱紅外區(qū)，大氣的影響主要 是由水蒸氣的吸收造成的。 需要測(cè)定可見(jiàn)光和近紅外區(qū)氣溶膠的密度、熱紅外區(qū)水蒸氣濃度參數(shù)。常用大氣模型o 商業(yè)模型：ACTOR（Erdas和Geomatica）、Flaash（ENVI）o 公共模型：6S模型6S模型是目前世界上發(fā)展比較完善的大氣輻射校正模型之一。由5S模型改進(jìn)而來(lái)，適合于可見(jiàn)光-近紅外的多角度數(shù)據(jù)。該模型考

8、慮了地表非朗伯體情況，解決了BRDF與大氣相互耦合的問(wèn)題，通過(guò)使用較為精確的近似方程以及“SOS”算法，提高了瑞利散射和米氏散射的計(jì)算精度，顯著簡(jiǎn)化了計(jì)算，同時(shí)模型支持的光譜分辨率達(dá)到2.5nm。o 利用輻射傳遞方程同城只能得到近似解，改進(jìn)的方法是在獲取圖像的同時(shí)，利用搭載在同一平臺(tái)的其他傳感器獲取氣溶膠密度和水蒸氣密度數(shù)據(jù)，然后利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。5.5.3 波段對(duì)比法o 在特殊條件下，利用某些不受大氣影響或影響很小的波段來(lái)校正其他波段。o 理論依據(jù)：大氣散射影響對(duì)波長(zhǎng)的選擇性。波長(zhǎng)越長(zhǎng)的波段受大氣散射影響越小。o 大氣散射輻射度主要來(lái)自米氏散射（塵埃、小水滴及氣溶膠等影響），其散射強(qiáng)度隨

9、波長(zhǎng)的增大而減小，到紅外波段也有可能接近于零。o 以Landsat衛(wèi)星為例，其TM2，3，4都會(huì)受到大氣散射的影響，而TM5，7幾乎不受大氣散射的影像，能夠較為正確地反映地物波譜的實(shí)際情況。因而可以使用同步獲得的TM7波段來(lái)對(duì)其他幾個(gè)波段圖像進(jìn)行輻射校正。實(shí)現(xiàn)方法（一）回歸分析法o 在TM圖像中，藍(lán)光波段的B1大氣散射最大，B7大氣散射最小。圖像中的深的大面積水體與地形陰影在B7中是黑色的，如果不存在附加的輻射，這些水體與陰影在其他波段也應(yīng)該是黑的，B1與B7應(yīng)該具有比例關(guān)系。o 若對(duì)B1進(jìn)行校正，首先在B1上得最黑區(qū)域中選擇一系列目標(biāo)，以這兩個(gè)波段做散點(diǎn)圖，并作回歸分析，以確定偏移量。實(shí)現(xiàn)方

10、法（二）直方圖法o 基本思想：每幅圖像上都有輻射亮度或反射亮度 應(yīng)為0的地區(qū)，而事實(shí)上并不等于0,說(shuō)明亮度最小 值必定是這一地區(qū)大氣影響的程輻射度增值。 o 校正方法：將每一波段中每個(gè)像元的亮度值都減 去本波段的最小值使圖像亮度動(dòng)態(tài)范圍得到改善，對(duì)比度增強(qiáng)，從而提高了圖像質(zhì)量。 5.6 地面輻射校正o 太陽(yáng)輻射校正o 地形輻射校正5.6.1太陽(yáng)輻射校正o 主要是校正太陽(yáng)高度角導(dǎo)致的輻射誤差。即：將太陽(yáng)光線傾斜照射時(shí)獲取的圖像校正為太陽(yáng)垂直照射時(shí)獲取的圖像。 公式法 其中， 為太陽(yáng)高度角，g(x,y)為太陽(yáng)高度角 時(shí)的圖像，f(x,y)為太陽(yáng)直射時(shí)的圖像。 波段比值法：用同步獲取的相同地區(qū)的任意

11、兩個(gè)波段圖像相除得到的新圖像。sin),(),(yxgyxf28(1) 不同太陽(yáng)高度角校正 為太陽(yáng)高度角 f(i，j)為校正前圖像在(i，j)像元點(diǎn)的灰度值； f(i，j)為校正后圖像在(i，j)像元點(diǎn)的灰度值； (2) 不同像幅的照度校正 5.6.2 地形輻射校正o 地形不平坦，受坡度和坡向的影像，傳感器獲得的能量會(huì)發(fā)生變化。o 地形校正需要有地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，對(duì)于高山峽谷地區(qū)的圖像，地形校正是非常必要的。地形起伏引起的輻射誤差校正基本思想是把起伏的地形校正到水平地面的狀況。I0I設(shè)光線垂直入射時(shí)水平地表收到的光照強(qiáng)度為I0，則光線垂直入射時(shí)坡度為的坡面入射點(diǎn)的光強(qiáng)度I為：cos0 II處在

12、坡度為的坡面上的圖像g(x,y)校正后的圖像f(x,y)為：cos),(),(yxgyxf5.6.4 其他輻射誤差校正l 大氣傳輸信道中由于大氣湍流擾動(dòng)影響產(chǎn)生隨機(jī)噪聲 l 傳感器的噪聲源包含有轉(zhuǎn)換和濾波過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲 l 傳感器的另一噪聲源為濾波器電路中電阻、電容產(chǎn)生的熱噪聲 l 熱紅外波段傳感器因部分的溫度變化也產(chǎn)生噪聲效應(yīng) l 攝影膠片記錄信息時(shí)存在的膠片顆粒噪聲 這些噪音均屬于對(duì)圖象的高頻干擾，多采用低通濾波方法 予以消除。 遙感衛(wèi)星輻射校正場(chǎng)概述o 遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，遙感應(yīng)用日趨定量化，因而進(jìn)一步改進(jìn)衛(wèi)星定量遙感精度的要求越來(lái)越迫切。o 輻射校正場(chǎng)技術(shù)：利用地球表面大面積均勻的地物為目標(biāo)，當(dāng)衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)實(shí)施同步地面觀測(cè)， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)在軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星傳感器做輻射校正的技術(shù)。建立輻射校正場(chǎng)的目的o 遙感數(shù)據(jù)的定量化要求o 監(jiān)測(cè)在軌傳感器變化并不斷提供修正系數(shù)o 補(bǔ)充星上定標(biāo)的不足o 多種遙感儀器和不同時(shí)間遙感資料的綜合應(yīng)用 輻射校正場(chǎng)的國(guó)外發(fā)展概況 o 美國(guó)NASA和Arizona大學(xué)在新墨西哥州的白沙和加 利福尼亞州的愛(ài)德華空軍基地的干湖床建立輻射校正場(chǎng) o 法國(guó)在馬賽市附近建立了La Crun輻射校正場(chǎng) o 歐洲科技局在非洲撒哈拉沙漠、加拿大在北部大草原、日本澳大利亞在澳大利亞北部沙漠地區(qū) o 1984年國(guó)際上成立對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星委員會(huì)（CEOS