遙感原理與應(yīng)用_第4章_3 遙感影像處理-遙感影像輻射處理

1、S O U T H W E S T J I A O T O N G U N I V E R S I T YS W J T US W J T U蔡蔡 國國 林林E-MailE-Mail：S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n遙感物理基礎(chǔ)遙感物理基礎(chǔ)遙感平臺(tái)特點(diǎn)遙感平臺(tái)特點(diǎn)遙感傳感器遙感傳感器影像處理基礎(chǔ)影像處理基礎(chǔ)影像幾何處理影像幾何處理影像輻射處理影像輻射處理遙感影像判讀遙感影像判讀影像識(shí)別分類影像識(shí)別分類遙感技術(shù)應(yīng)用遙感技術(shù)應(yīng)用遙感系遙感系統(tǒng)統(tǒng)影像處影像處理理遙感應(yīng)遙感應(yīng)

2、用用影像處理影像處理遙感遙感遙遙感感原原理理與與應(yīng)應(yīng)用用課課程程框框架架S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n遙遙感感影影像像處處理理 遙感數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)遙感數(shù)字圖像處理基礎(chǔ) 遙感影像幾何處理遙感影像幾何處理 遙感影像輻射處理遙感影像輻射處理 遙感影像增強(qiáng)處理遙感影像增強(qiáng)處理S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 輻射誤差的來源輻射誤差的來源 輻射校正

3、輻射校正 傳感器定標(biāo)傳感器定標(biāo) 大氣校正大氣校正 太陽高度角和地形引起的輻射誤差校正太陽高度角和地形引起的輻射誤差校正遙遙感感輻輻射射處處理理S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 理想遙感系統(tǒng)理想遙感系統(tǒng)，遙感圖像的，遙感圖像的數(shù)字量化值數(shù)字量化值(DN，Digital Number)直接反映地物目標(biāo)對電磁波反射率的差異。直接反映地物目標(biāo)對電磁波反射率的差異。a) 不考慮傳感器本身的誤差；b) 沒有大氣對輻射傳輸?shù)挠绊?；c) 太陽輻射強(qiáng)度恒定；d) 不存在地形因素的影響。

4、但是，這種理想的情況現(xiàn)實(shí)中并不存在但是，這種理想的情況現(xiàn)實(shí)中并不存在輻輻射射誤誤差差來來源源S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n123太陽太陽大氣大氣地表地表大氣大氣傳感器傳感器3.地形影響和光地形影響和光照條件的變化照條件的變化引引起的輻射誤差起的輻射誤差2. 大氣的散射和大氣的散射和吸收引起的輻射吸收引起的輻射誤差誤差1.傳感器本身的傳感器本身的性能引起的輻射性能引起的輻射誤差誤差輻射誤差的來源輻射誤差的來源輻輻射射誤誤差差來來源源返回本節(jié)首頁S W J T US W

5、 J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 由于遙感圖像成像過程的復(fù)雜性，傳感器接收到的電磁波能量由于遙感圖像成像過程的復(fù)雜性，傳感器接收到的電磁波能量與目標(biāo)本身反射的能量是不一致的。與目標(biāo)本身反射的能量是不一致的。 輻射校正輻射校正針對各種干擾因素進(jìn)行校正，針對各種干擾因素進(jìn)行校正，消除圖像數(shù)據(jù)中依附在消除圖像數(shù)據(jù)中依附在輻射亮度中的輻射亮度中的各種失真各種失真，使得遙感圖像盡可能地反映并且只反使得遙感圖像盡可能地反映并且只反映地物目標(biāo)的差異。映地物目標(biāo)的差異。 相應(yīng)地，輻射校正包括相應(yīng)地，輻射校正

6、包括傳感器校正傳感器校正、大氣校正大氣校正、地形和太陽高地形和太陽高度角的校正度角的校正等。等。輻輻射射校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e nDN值(從遙感器得到的數(shù)字測量值)經(jīng)過遙感器校正的輻射值地表輻射值地表反射值遙感器校正遙感器校正大氣校正大氣校正太陽以及地形太陽以及地形校正校正 光學(xué)系統(tǒng)特征(如邊緣減光) 光電變換系統(tǒng)的靈敏度特征的偏差 遙感器系統(tǒng)的增減及偏差相關(guān)系數(shù)(如Landsat TM和MSS) 圖像測量 地面實(shí)況測量 大氣光路透射比 大氣光路輻射率

7、太陽大氣光譜輻照度 太陽光路大氣投射比 太陽傳播散射率 DEM（數(shù)字高程模型）輻射校正的數(shù)據(jù)流和基本方法輻射校正的數(shù)據(jù)流和基本方法輻輻射射校校正正返回本節(jié)首頁S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n主要是由其主要是由其光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)或或光電變換系統(tǒng)光電變換系統(tǒng)的特征所形成的：的特征所形成的： 在使用透鏡的光學(xué)系統(tǒng)中，由于鏡頭光學(xué)特性的非均勻性，在在使用透鏡的光學(xué)系統(tǒng)中，由于鏡頭光學(xué)特性的非均勻性，在其成像面存在著邊緣部分比中心部分發(fā)暗的現(xiàn)象（邊緣減光）。其成像面存在著邊緣部

8、分比中心部分發(fā)暗的現(xiàn)象（邊緣減光）。目前目前Landsat TM、ETM+、SPOT等均采用光電變換系統(tǒng)來替等均采用光電變換系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)相機(jī)的透鏡光學(xué)系統(tǒng)攝像，不存在邊緣減光現(xiàn)象，故一代傳統(tǒng)相機(jī)的透鏡光學(xué)系統(tǒng)攝像，不存在邊緣減光現(xiàn)象，故一般不需要采取相應(yīng)校正處理般不需要采取相應(yīng)校正處理。 而光電變換系統(tǒng)的靈敏度特性一般都有很高的重復(fù)性和穩(wěn)定性，而光電變換系統(tǒng)的靈敏度特性一般都有很高的重復(fù)性和穩(wěn)定性，可定期在地面測定其可能發(fā)生的變化，并把測量值收集到遙測可定期在地面測定其可能發(fā)生的變化，并把測量值收集到遙測輔助信息數(shù)據(jù)文件中。輔助信息數(shù)據(jù)文件中。(主要考慮校正因素主要考慮校正因素) 傳感器端的

9、畸變傳感器端的畸變傳傳感感器器校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 傳感器輻射校正，也稱為傳感器輻射校正，也稱為輻射定標(biāo)輻射定標(biāo)，是把只具有相對意義的數(shù)，是把只具有相對意義的數(shù)字量化值（字量化值（DN，即，即Digital Number）轉(zhuǎn)換為具有物理意義的輻亮）轉(zhuǎn)換為具有物理意義的輻亮度或反射率的過程。度或反射率的過程。(輻亮度？輻亮度？) 輻射亮度：輻射亮度：描述面輻射源的輻射特性的，是指面輻射源在單位立描述面輻射源的輻射特性的，是指面輻射源在單位立體角、單位

10、時(shí)間內(nèi)，在某一垂直于輻射方向單位面積上輻射出的輻體角、單位時(shí)間內(nèi)，在某一垂直于輻射方向單位面積上輻射出的輻射能量。即輻射源在單位投影面積上、單位立體角內(nèi)的輻射通量：射能量。即輻射源在單位投影面積上、單位立體角內(nèi)的輻射通量：輻射亮度（輻射亮度（L）的）的單位是瓦單位是瓦 / 米米球面度（球面度（W/mSr） 輻射定標(biāo)輻射定標(biāo)傳傳感感器器校校正正輻射定標(biāo)分為輻射定標(biāo)分為相對定標(biāo)相對定標(biāo)和和絕對定標(biāo)絕對定標(biāo)S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n相對定標(biāo)又稱為相對定標(biāo)又稱為傳感器探

11、測元件歸一化傳感器探測元件歸一化，是為了校正傳感器中，是為了校正傳感器中各個(gè)探測元件響應(yīng)度差異而對傳感器測量到的原始亮度值進(jìn)行各個(gè)探測元件響應(yīng)度差異而對傳感器測量到的原始亮度值進(jìn)行歸一化的一種處理過程。由于傳感器中各個(gè)探測元件之間存在歸一化的一種處理過程。由于傳感器中各個(gè)探測元件之間存在差異，使傳感器探測數(shù)據(jù)圖像出現(xiàn)一些條帶，相對輻射定標(biāo)就差異，使傳感器探測數(shù)據(jù)圖像出現(xiàn)一些條帶，相對輻射定標(biāo)就是降低或消除這些影響。是降低或消除這些影響。當(dāng)相對定標(biāo)方法還不能消除這種影響時(shí)，可以用一些統(tǒng)計(jì)方法當(dāng)相對定標(biāo)方法還不能消除這種影響時(shí)，可以用一些統(tǒng)計(jì)方法如如直方圖均衡化直方圖均衡化、均勻場景圖像分析均勻場

12、景圖像分析等方法來消除。等方法來消除。 相對定標(biāo)相對定標(biāo)傳傳感感器器校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n探測元件響應(yīng)度差異造成的影像色調(diào)不一致性探測元件響應(yīng)度差異造成的影像色調(diào)不一致性傳傳感感器器校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n絕對定標(biāo)：通過各種標(biāo)準(zhǔn)輻射源，在不同波譜段分別建立傳感絕對定標(biāo)：通過各種標(biāo)準(zhǔn)輻射源，在不同波譜段分別建立

13、傳感器器入瞳處入瞳處的光譜輻射亮度值與傳感器輸出的數(shù)字量化值（的光譜輻射亮度值與傳感器輸出的數(shù)字量化值（DN，即即Digital Number）之間的定量關(guān)系。）之間的定量關(guān)系。通過絕對定標(biāo)得到目標(biāo)的絕對反射或輻射能量值通過絕對定標(biāo)得到目標(biāo)的絕對反射或輻射能量值可見光與近紅外波段：可見光與近紅外波段： DN 熱紅外波段：熱紅外波段： DN T 絕對定標(biāo)絕對定標(biāo)傳傳感感器器校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 絕對定標(biāo)要建立傳感器測量的數(shù)字信號(hào)與對應(yīng)的輻射能量之間絕

14、對定標(biāo)要建立傳感器測量的數(shù)字信號(hào)與對應(yīng)的輻射能量之間的數(shù)量關(guān)系，該關(guān)系通常呈的數(shù)量關(guān)系，該關(guān)系通常呈線性關(guān)系線性關(guān)系，建立該關(guān)系就是確定線性，建立該關(guān)系就是確定線性關(guān)系中的系數(shù)及常數(shù)項(xiàng)，即關(guān)系中的系數(shù)及常數(shù)項(xiàng)，即定標(biāo)系數(shù)定標(biāo)系數(shù)。 將傳感器能感知的最小和最大輻射亮度與圖像的灰度聯(lián)系起來，將傳感器能感知的最小和最大輻射亮度與圖像的灰度聯(lián)系起來，就可建立定標(biāo)系數(shù)，從而建立定標(biāo)關(guān)系式。就可建立定標(biāo)系數(shù)，從而建立定標(biāo)關(guān)系式。傳傳感感器器校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n

15、LDNCmax0LmaxLmin用無符號(hào)8位二進(jìn)制表示2550Cmax0LminDNLLmax線性映射線性映射傳傳感感器器校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e nminLDNKLmaxminmaxCLLKmin1LLKDNK：傳感器的增益；：傳感器的增益；Lmax：傳：傳感器感器達(dá)到達(dá)到飽和飽和時(shí)所記錄的輻射能量，即傳感器記錄的時(shí)所記錄的輻射能量，即傳感器記錄的最大能量；最大能量；Lmin：傳感器探測并記錄的最小能量；：傳感器探測并記錄的最小能量；Cmax：遙感圖像中

16、的最大值（如：對無符號(hào)：遙感圖像中的最大值（如：對無符號(hào)8位類型數(shù)據(jù)，最位類型數(shù)據(jù)，最大值是大值是255）。）。定標(biāo)關(guān)系式定標(biāo)關(guān)系式傳傳感感器器校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 就就8位無符號(hào)二進(jìn)制類型（位無符號(hào)二進(jìn)制類型（256級(jí)灰度）的圖像而言，基級(jí)灰度）的圖像而言，基本的輻射定標(biāo)方程如下所示：本的輻射定標(biāo)方程如下所示：對不同傳感器，定標(biāo)關(guān)系式有所不同對不同傳感器，定標(biāo)關(guān)系式有所不同。minminmax255LDNLLL傳傳感感器器校校正正S W J T

17、US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n衛(wèi)星衛(wèi)星傳感器傳感器定標(biāo)系數(shù)（定標(biāo)系數(shù)（DN/W m 2 sr 1m 1）Band1Band2Band3Band4HJ1ACCD10.57630.54100.68240.7209CCD20.63600.59100.81420.8768HJ1BCCD10.53290.528950.684950.72245CCD20.57820.50870.68250.6468L=DN/coe式中式中coe為絕對定標(biāo)系數(shù)，轉(zhuǎn)換后輻亮度單位為為絕對定標(biāo)系數(shù)，轉(zhuǎn)換后輻亮度單位

18、為W m 2 sr 1m 1。 HJ 1A/B星絕對輻射定標(biāo)系數(shù)（星絕對輻射定標(biāo)系數(shù)（DN/W m 2 sr 1m 1）我國我國HJ 1A/B星絕對輻射定標(biāo)方程星絕對輻射定標(biāo)方程 傳傳感感器器校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e ncos02EdLbiasDNgainLs Landsat TM圖像絕對定標(biāo)方程（可見光波段灰度值與輻射亮度圖像絕對定標(biāo)方程（可見光波段灰度值與輻射亮度、反射率的轉(zhuǎn)換關(guān)系）、反射率的轉(zhuǎn)換關(guān)系）u L為地物在給定波長的為地物在給定波長的大氣頂部

19、大氣頂部的輻亮度，單位為的輻亮度，單位為W/m2.sr.m ；gain和和bias分別為傳感器的增益和偏移量，從圖像頭文件中可以讀?。环謩e為傳感器的增益和偏移量，從圖像頭文件中可以讀??； 為為反射率（即反射率（即表觀反射率表觀反射率）；）；ds是日地天文單位距離；是日地天文單位距離；E0大氣頂層的太大氣頂層的太陽輻照度，單位為陽輻照度，單位為W/m2. m ；是太陽天頂角（單位為弧度）是太陽天頂角（單位為弧度） 。u 頭文件中有高度角（頭文件中有高度角（Sun ELEVATION）參數(shù)，天頂角）參數(shù)，天頂角 90-高度角；高度角；u 日地距離日地距離ds一般如果不是很需要的話，可以選取一般如果

20、不是很需要的話，可以選取1。也可用公式計(jì)算：。也可用公式計(jì)算：u ds = 1 + 0.0167*sin(2*pi* (days93.5) / 360)，days是拍攝衛(wèi)片的日期在是拍攝衛(wèi)片的日期在那一年的天數(shù)，如那一年的天數(shù)，如2004年年5月月21號(hào)，則號(hào)，則days312931+30+21142。傳傳感感器器校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 氣頂層太陽輻照度（氣頂層太陽輻照度（ESUNI）可從遙感權(quán)威單位定）可從遙感權(quán)威單位定期測定并公布的信息中獲取。期

21、測定并公布的信息中獲取。 大氣頂層太陽輻照度（大氣頂層太陽輻照度（ESUNI）Solar Exoatmospheric Spectral Irradiances(ESUNI) (W/m2.sr.m)BandTM1TM2TM3TM4TM5TM7L5 TM1957182615541036215.080.67L7 ETM+1969184015511044225.782.07傳傳感感器器校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e nLandsat 衛(wèi)星圖像頭文件中的增益及偏移量參數(shù)

22、衛(wèi)星圖像頭文件中的增益及偏移量參數(shù)傳傳感感器器校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 絕對絕對定標(biāo)又分定標(biāo)又分前定標(biāo)前定標(biāo)和和后定標(biāo)后定標(biāo)。u 前定標(biāo)：衛(wèi)星發(fā)射前的絕對定標(biāo)前定標(biāo)：衛(wèi)星發(fā)射前的絕對定標(biāo)，是在地面實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶒?yàn)場，是在地面實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶒?yàn)場，用傳感器觀測輻射亮度值已知的標(biāo)準(zhǔn)輻射源以獲得定標(biāo)數(shù)據(jù)；用傳感器觀測輻射亮度值已知的標(biāo)準(zhǔn)輻射源以獲得定標(biāo)數(shù)據(jù)；u 后定標(biāo)后定標(biāo)（遙感器場地外定標(biāo)遙感器場地外定標(biāo)）：遙感器在空中運(yùn)行過程中飛越）：遙感器在空中運(yùn)行過程中飛越定

23、標(biāo)場上空時(shí)，在定標(biāo)場選擇若干像元區(qū)，測量遙感器對應(yīng)的定標(biāo)場上空時(shí)，在定標(biāo)場選擇若干像元區(qū)，測量遙感器對應(yīng)的各波段地物的光譜反射率和大氣光譜參量，利用大氣輻射傳輸各波段地物的光譜反射率和大氣光譜參量，利用大氣輻射傳輸模型給出遙感器入瞳處各光譜帶的輻射亮度，最后確定它與遙模型給出遙感器入瞳處各光譜帶的輻射亮度，最后確定它與遙感器對應(yīng)輸出的數(shù)字量化（灰度值）的數(shù)量關(guān)系，求解定標(biāo)系感器對應(yīng)輸出的數(shù)字量化（灰度值）的數(shù)量關(guān)系，求解定標(biāo)系數(shù)，并進(jìn)行誤差分析數(shù)，并進(jìn)行誤差分析。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了對遙感器運(yùn)行狀態(tài)下與獲取地面圖像完全同條件的實(shí)現(xiàn)了對遙感器運(yùn)行狀態(tài)下與獲取地面圖像完全同條件的絕對校正絕對校正。不

24、足。不足：需要測量和計(jì)算空中遙感器過頂時(shí)的大氣環(huán)境和：需要測量和計(jì)算空中遙感器過頂時(shí)的大氣環(huán)境和地物反射率。地物反射率。傳傳感感器器校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e nu 定標(biāo)的手段是測定傳感器對一個(gè)已知輻射目標(biāo)的響應(yīng)定標(biāo)的手段是測定傳感器對一個(gè)已知輻射目標(biāo)的響應(yīng)；u 地勢平坦，地物單一地勢平坦，地物單一；u 全場表面覆蓋均勻，反射率適中且變化很小全場表面覆蓋均勻，反射率適中且變化很??；u 具有足夠大的面積，橫向和縱向都要大于一副圖像的寬度具有足夠大的面積，橫向和

25、縱向都要大于一副圖像的寬度；u 大氣潔凈，能見度好大氣潔凈，能見度好。輻射定標(biāo)場地的基本要求輻射定標(biāo)場地的基本要求傳傳感感器器校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e nu 我國資源一號(hào)衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星的絕對輻射校正場：我國資源一號(hào)衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星的絕對輻射校正場：p 西北敦煌的陸地校正場西北敦煌的陸地校正場p 青海湖的水面校正場青海湖的水面校正場u 正在選址的相對輻射校正場：正在選址的相對輻射校正場：p 格陵蘭雪地、南極洲雪地、阿瓦提沙漠和西塔里木沙漠等格陵蘭雪地、南極洲雪

26、地、阿瓦提沙漠和西塔里木沙漠等輻射校正場的選建輻射校正場的選建傳傳感感器器校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e nu 一般地面站提供的產(chǎn)品已做過一般地面站提供的產(chǎn)品已做過系統(tǒng)輻射校正系統(tǒng)輻射校正，消除了遙感器，消除了遙感器系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射畸變，但系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射畸變，但仍存在著大氣散射和吸收引起的輻仍存在著大氣散射和吸收引起的輻射誤差及太陽高度角和地形等光照條件差異引起的輻射誤差射誤差及太陽高度角和地形等光照條件差異引起的輻射誤差。這些隨機(jī)誤差隨時(shí)、隨地而異，是影響定量遙

27、感進(jìn)展的主。這些隨機(jī)誤差隨時(shí)、隨地而異，是影響定量遙感進(jìn)展的主要障礙要障礙。u 目前國內(nèi)外已做過大量研究，但有些方法從理論上說很好，目前國內(nèi)外已做過大量研究，但有些方法從理論上說很好，實(shí)踐起來卻很不容易；有些方法有局限性，在某些條件下應(yīng)實(shí)踐起來卻很不容易；有些方法有局限性，在某些條件下應(yīng)用效果還不錯(cuò)，換了條件效果就不同了。用效果還不錯(cuò)，換了條件效果就不同了。傳傳感感器器校校正正返回本節(jié)首頁S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 大氣校正大氣校正就是將輻射亮度或者就是將輻射亮

28、度或者表觀反射率表觀反射率轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為地表實(shí)際反射地表實(shí)際反射率率，目的是消除大氣散射、吸收、反射引起的誤差。，目的是消除大氣散射、吸收、反射引起的誤差。 大氣校正的兩類模型大氣校正的兩類模型統(tǒng)計(jì)型統(tǒng)計(jì)型是基于陸地表面變量和遙感數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，優(yōu)點(diǎn)在于是基于陸地表面變量和遙感數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，優(yōu)點(diǎn)在于容易建立并且可以有效地概括從局部區(qū)域獲取的數(shù)據(jù)。容易建立并且可以有效地概括從局部區(qū)域獲取的數(shù)據(jù)。物理模型物理模型遵循遙感系統(tǒng)的物理規(guī)律，它們也可以建立因果關(guān)系。遵循遙感系統(tǒng)的物理規(guī)律，它們也可以建立因果關(guān)系。如果初始的模型不好，通過加入新的知識(shí)和信息就可以知道應(yīng)如果初始的模型不好，通過加入新的知識(shí)和

29、信息就可以知道應(yīng)該在哪部分改進(jìn)模型。但是建立和學(xué)習(xí)這些物理模型的過程漫該在哪部分改進(jìn)模型。但是建立和學(xué)習(xí)這些物理模型的過程漫長而曲折。模型是對現(xiàn)實(shí)的抽象；所以一個(gè)逼真的模型可能非長而曲折。模型是對現(xiàn)實(shí)的抽象；所以一個(gè)逼真的模型可能非常復(fù)雜，包含大量的變量。例如常復(fù)雜，包含大量的變量。例如6s模型，模型，Mortran等。等。大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n從遙感圖像中提取生物物理參數(shù)（從遙感圖像中提取生物物理參數(shù)（biophysical paramet

30、ers）時(shí)）時(shí)，必須進(jìn)行大氣校正；，必須進(jìn)行大氣校正；在某些地物分類和變化檢測方法中可以不進(jìn)行大氣校正。在某些地物分類和變化檢測方法中可以不進(jìn)行大氣校正。p 利用最大似然法對同一時(shí)間獲取的遙感圖像進(jìn)行分類；利用最大似然法對同一時(shí)間獲取的遙感圖像進(jìn)行分類；p 利用最大似然法對不同時(shí)相圖像分別進(jìn)行分類，對分類后圖像通利用最大似然法對不同時(shí)相圖像分別進(jìn)行分類，對分類后圖像通過比較進(jìn)行變化檢測；過比較進(jìn)行變化檢測；p 將不同時(shí)相圖像集合成一個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行變化檢測時(shí)，可以不做大將不同時(shí)相圖像集合成一個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行變化檢測時(shí)，可以不做大氣校正。如將氣校正。如將t1時(shí)間的時(shí)間的Landsat TM 4個(gè)波段圖像

31、和個(gè)波段圖像和t2時(shí)間的時(shí)間的Landsat TM 4個(gè)波段圖像組成一個(gè)個(gè)波段圖像組成一個(gè)8波段的圖像集進(jìn)行變化檢測波段的圖像集進(jìn)行變化檢測時(shí)，可以不做大氣校正。時(shí)，可以不做大氣校正。大氣校正的必要性大氣校正的必要性大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n大氣校正方法大氣校正方法 基于地面場地?cái)?shù)據(jù)或輔助數(shù)據(jù)基于地面場地?cái)?shù)據(jù)或輔助數(shù)據(jù) (經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ? 利用特殊波段利用特殊波段 直方圖最小值法直方圖最小值法回歸分析法回歸分析法 基于輻射傳輸方程基于輻射傳輸方

32、程 (物理模型物理模型)大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n在地面選取兩個(gè)或更多反射率明顯不同的區(qū)域（如沙堆這樣的在地面選取兩個(gè)或更多反射率明顯不同的區(qū)域（如沙堆這樣的亮區(qū)域亮區(qū)域和深水體這樣的和深水體這樣的暗區(qū)域暗區(qū)域），在區(qū)域內(nèi)選?。趨^(qū)域內(nèi)選取m(m2)個(gè)目標(biāo)個(gè)目標(biāo)，在遙感圖像獲取的同時(shí)在遙感圖像獲取的同時(shí)，測出這些目標(biāo)對應(yīng)遙感成像波段，測出這些目標(biāo)對應(yīng)遙感成像波段k的的反射率反射率k,i(i=1,2,m),并在并在k波段圖像上查出這波段圖像上查出

33、這m個(gè)目標(biāo)對應(yīng)像元個(gè)目標(biāo)對應(yīng)像元的亮度值的亮度值BVk,i，建立圖像亮度，建立圖像亮度BVk,i與目標(biāo)反射率與目標(biāo)反射率k,i的線性關(guān)系的線性關(guān)系： 假設(shè)假設(shè)地面目標(biāo)的反射率地面目標(biāo)的反射率與與遙感探測器的信號(hào)遙感探測器的信號(hào)之間具有線性關(guān)系。之間具有線性關(guān)系。kkkmkkkkmkkkBBBABVBVBV,2,1 ,2,1 , 基于地面場地?cái)?shù)據(jù)或輔助數(shù)據(jù)基于地面場地?cái)?shù)據(jù)或輔助數(shù)據(jù)大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n大大氣氣校校正正S W J T US W

34、J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e nkkkBABV利用利用最小二乘法，解出系數(shù)最小二乘法，解出系數(shù)Ak、Bk，建立圖像像元亮度值與目建立圖像像元亮度值與目標(biāo)反射率的關(guān)系，即大氣校正模型：標(biāo)反射率的關(guān)系，即大氣校正模型： ：目標(biāo)在波長：目標(biāo)在波長處的反射率處的反射率kkkkBABVA11如果不能獲取成像時(shí)刻的地面數(shù)據(jù)，地面反射率可參考光譜數(shù)如果不能獲取成像時(shí)刻的地面數(shù)據(jù)，地面反射率可參考光譜數(shù)據(jù)庫。據(jù)庫。圖像中每個(gè)像元的亮度值可轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的地面目標(biāo)的反射率。圖像中每個(gè)像元的亮度值可轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的地面目

35、標(biāo)的反射率。大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n硫磺云母大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n理論基礎(chǔ)：大氣散射的選擇性，即理論基礎(chǔ)：大氣散射的選擇性，即大氣散射主要發(fā)生在可見光大氣散射主要發(fā)生在可見光中的短波波段，對近紅外和中紅外波段幾乎無影響中的短波波段，對近紅外和中紅外波段幾乎無影響。因此可以把近紅外波段圖像當(dāng)作無

36、散射影像的標(biāo)準(zhǔn)圖像，根據(jù)因此可以把近紅外波段圖像當(dāng)作無散射影像的標(biāo)準(zhǔn)圖像，根據(jù)近紅外波段圖像的暗像素亮度值來估計(jì)可見光波段的大氣干擾近紅外波段圖像的暗像素亮度值來估計(jì)可見光波段的大氣干擾值。值。u 直方圖法直方圖法u 回歸分析法回歸分析法 利用特殊波段利用特殊波段大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 又稱作又稱作黑暗像元法黑暗像元法，其認(rèn)為一幅圖像中的某些地物在某些波段，其認(rèn)為一幅圖像中的某些地物在某些波段反射率近似看成為反射率近似看成為0，即，即“暗目標(biāo)

37、暗目標(biāo)”，它們在圖像中的對應(yīng)位置的，它們在圖像中的對應(yīng)位置的像元亮度值應(yīng)為像元亮度值應(yīng)為0，但實(shí)際上由于大氣的影響，該像元的亮度值一，但實(shí)際上由于大氣的影響，該像元的亮度值一般為一個(gè)大于般為一個(gè)大于0的數(shù)的數(shù)a，則認(rèn)為，則認(rèn)為a就是大氣程輻射值。校正時(shí)，將圖就是大氣程輻射值。校正時(shí)，將圖像像元的亮度值都減去像像元的亮度值都減去a即可。即可。aBVVBjiji, 直方圖最小值法直方圖最小值法大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n可用于同時(shí)相多波段圖像中短波段圖

38、像的大氣校正可用于同時(shí)相多波段圖像中短波段圖像的大氣校正 對同時(shí)相獲取的多波段影像，長波段如紅外波（對同時(shí)相獲取的多波段影像，長波段如紅外波（0.76m）受）受大氣影響小，可見光波段（大氣影響小，可見光波段（0.38-0.76 m ）受大氣影響強(qiáng)烈。如果）受大氣影響強(qiáng)烈。如果圖像范圍內(nèi)存在灰度值為零的地物（如深水體、高山背陰處等），圖像范圍內(nèi)存在灰度值為零的地物（如深水體、高山背陰處等），則長波段圖像的灰度直方圖往往從原點(diǎn)開始，而其他波段（波長相則長波段圖像的灰度直方圖往往從原點(diǎn)開始，而其他波段（波長相對較短的波段）灰度直方圖離原點(diǎn)有一段距離對較短的波段）灰度直方圖離原點(diǎn)有一段距離ak (k為

39、波段為波段) ，這段，這段距離即為大氣散射增強(qiáng)（相當(dāng)于路徑輻射距離即為大氣散射增強(qiáng)（相當(dāng)于路徑輻射Lp）引起的灰度直方圖偏）引起的灰度直方圖偏離值。以此偏離值離值。以此偏離值ak為改正量，為改正量，同時(shí)相同時(shí)相獲取的其他波段圖像像元值獲取的其他波段圖像像元值減去減去ak ，得到大氣校正后的圖像。，得到大氣校正后的圖像。 k：波段；：波段；(i, j)為像素坐標(biāo)。為像素坐標(biāo)。kkjikjiaBVVB,大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 長波段(5,7波段)

40、圖像亮度最小值為0，說明有暗目標(biāo)存在。短波段圖像最小亮度值不為0，說明它們受大氣影響。 校正方法：各波段像元灰度值減分別減去該波段圖像灰度最小值。S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 在影像上找出最黑的區(qū)域（比如完全接收不到太陽光的在影像上找出最黑的區(qū)域（比如完全接收不到太陽光的高山陰高山陰影或深海水體影或深海水體），如果不存在附加的輻射，這些區(qū)域在其他波段），如果不存在附加的輻射，這些區(qū)域在其他波段也應(yīng)該是黑的（也應(yīng)該是黑的（反射率為零反射率為零）。）。 據(jù)此可以進(jìn)行大

41、氣輻射的校正。由于近紅外波段幾乎不受大氣據(jù)此可以進(jìn)行大氣輻射的校正。由于近紅外波段幾乎不受大氣輻射的影響，它能夠較正確地反映地物譜的實(shí)際情況，因而可以輻射的影響，它能夠較正確地反映地物譜的實(shí)際情況，因而可以近紅外波段為基礎(chǔ)對其他波段進(jìn)行輻射校正。近紅外波段為基礎(chǔ)對其他波段進(jìn)行輻射校正。 回歸分析法回歸分析法大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 例如，在例如，在TM圖像圖像中，中，藍(lán)光波段藍(lán)光波段B1的大氣散射最大，的大氣散射最大，紅外波段紅外波段B7的散射

42、最小。圖像中的深的大面積水體與地形陰影在的散射最小。圖像中的深的大面積水體與地形陰影在B7中是黑的，中是黑的，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)該是黑的的 實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)表明某些波段的灰度值之間存在線性關(guān)系，如某些波段的灰度值之間存在線性關(guān)系，如TM7與與TM1, 2, 3的灰度值關(guān)系的灰度值關(guān)系7(1,2,3)iiigAgB i大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e np 在在TM3上的最黑

43、區(qū)域中選擇一系列目標(biāo)（例如地形陰影區(qū)）上的最黑區(qū)域中選擇一系列目標(biāo)（例如地形陰影區(qū)）p 找出在找出在TM7上的對應(yīng)目標(biāo)上的對應(yīng)目標(biāo)p 然后取出這兩個(gè)波段的灰度值，在以然后取出這兩個(gè)波段的灰度值，在以(I3,I7)為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)為坐標(biāo)的直角坐標(biāo)系中繪制一系列的坐標(biāo)點(diǎn)（二維散點(diǎn)圖）系中繪制一系列的坐標(biāo)點(diǎn)（二維散點(diǎn)圖）p 做出回歸直線，回歸方程為做出回歸直線，回歸方程為I3=b3I7+a3 I3 , I7為為TM3和和TM7的灰度值的灰度值 b3 , a3為直線的斜率和截距為直線的斜率和截距 p 最小二乘法擬合計(jì)算最小二乘法擬合計(jì)算b3 , a3p 校正公式為校正公式為I3=I3-a3 I3為為T

44、M3校正后的灰度值校正后的灰度值I7a3I3回歸分析法步驟回歸分析法步驟(以以TM3為例為例)大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n注意：注意：抽取區(qū)域一定要是如同高山陰影區(qū)那樣的在抽取區(qū)域一定要是如同高山陰影區(qū)那樣的在所有波段全所有波段全黑黑的區(qū)域。的區(qū)域。 因?yàn)榈匚锏牟ㄗV響應(yīng)在各波段是不同的，在一個(gè)波段黑并因?yàn)榈匚锏牟ㄗV響應(yīng)在各波段是不同的，在一個(gè)波段黑并不意味著在另一個(gè)波段也黑，這樣回歸分析所得的校正量就加不意味著在另一個(gè)波段也黑，這樣回歸分析所得的校

45、正量就加進(jìn)了地物波譜特性因素而不全是散射的影響，所以是無意義的進(jìn)了地物波譜特性因素而不全是散射的影響，所以是無意義的所以當(dāng)影像中沒有陡峭的地形所造成的高山陰影或者清潔水體所以當(dāng)影像中沒有陡峭的地形所造成的高山陰影或者清潔水體時(shí)，這兩種方法就不能使用時(shí)，這兩種方法就不能使用大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n 輻輻射傳輸方程描述輻射能在空間或媒質(zhì)中傳輸過程、特性及其射傳輸方程描述輻射能在空間或媒質(zhì)中傳輸過程、特性及其規(guī)律的數(shù)學(xué)方程規(guī)律的數(shù)學(xué)方程 傳感器光譜響

46、應(yīng)系數(shù)傳感器光譜響應(yīng)系數(shù) 大氣光譜透過率大氣光譜透過率 太陽入射的光譜能量太陽入射的光譜能量 太陽高度角太陽高度角 地物光譜反射率地物光譜反射率 地面溫度時(shí)的黑體光譜輻射通量密度地面溫度時(shí)的黑體光譜輻射通量密度 地物光譜發(fā)射率地物光譜發(fā)射率 大氣散射和輻射的能量大氣散射和輻射的能量 基于輻射傳輸方程基于輻射傳輸方程大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n利用電磁波在大氣中的輻射傳輸原理建立起來的模型進(jìn)行大利用電磁波在大氣中的輻射傳輸原理建立起來的模型進(jìn)行大氣校

47、正氣校正大氣模型計(jì)算復(fù)雜，并且需要有關(guān)大氣假設(shè)或成像時(shí)刻的大大氣模型計(jì)算復(fù)雜，并且需要有關(guān)大氣假設(shè)或成像時(shí)刻的大氣參數(shù)（氣壓、溫度、水汽、臭氧等），氣體中的懸浮物類氣參數(shù)（氣壓、溫度、水汽、臭氧等），氣體中的懸浮物類型、高度、太陽高度角、傳感器的視角等型、高度、太陽高度角、傳感器的視角等目前常用模型：目前常用模型：6S模型，模型，MODTRAN，LOWTRAN，紫外線，紫外線和可見光輻射模型和可見光輻射模型UVRAD，空間分布快速大氣校正模型，空間分布快速大氣校正模型ATCOR輻射傳輸方程方法輻射傳輸方程方法大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t

48、 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：大氣模型建立在輻射傳輸理論基礎(chǔ)之上，模型應(yīng)大氣模型建立在輻射傳輸理論基礎(chǔ)之上，模型應(yīng)用范圍廣，不受研究區(qū)特點(diǎn)及目標(biāo)類型等的影響，模型用范圍廣，不受研究區(qū)特點(diǎn)及目標(biāo)類型等的影響，模型的精度比較高。的精度比較高。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：在實(shí)際應(yīng)用中代價(jià)昂貴，對每一景圖像的大氣校在實(shí)際應(yīng)用中代價(jià)昂貴，對每一景圖像的大氣校正都需要同步測量大氣參數(shù)，這對遙感應(yīng)用幾乎是不可正都需要同步測量大氣參數(shù)，這對遙感應(yīng)用幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的，特別是在分析歷史數(shù)據(jù)時(shí)。能實(shí)現(xiàn)的，特別是在分析歷史數(shù)據(jù)時(shí)。輻射傳輸方程方法的優(yōu)缺點(diǎn)輻射傳

49、輸方程方法的優(yōu)缺點(diǎn)大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n6S模型輸出模型輸出參數(shù)示例參數(shù)示例6S模型的輸入?yún)?shù)包括模型的輸入?yún)?shù)包括太陽太陽/傳感器方位角傳感器方位角/高高度角、水汽含量、大氣度角、水汽含量、大氣模式、氣溶膠類型、氣模式、氣溶膠類型、氣溶膠光學(xué)厚度、波段特溶膠光學(xué)厚度、波段特性、海拔等等性、海拔等等大大氣氣校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i &a

50、mp; L i S h e n大大氣氣校校正正返回本節(jié)首頁S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n為了便于圖像鑲嵌和變化檢測，常常需要進(jìn)行太陽高度角影為了便于圖像鑲嵌和變化檢測，常常需要進(jìn)行太陽高度角影響的校正和地形影響校正。響的校正和地形影響校正。太陽高度角的影響太陽高度角的影響p不同季節(jié)太陽光入射角不一樣，即入射光條件不一樣，不同季節(jié)太陽光入射角不一樣，即入射光條件不一樣，影像間不具有可比性；影像間不具有可比性；p影像產(chǎn)生陰影。影像產(chǎn)生陰影。 校正太陽高度角影響校正太陽高

51、度角影響太太陽陽高高度度角角與與地地形形校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n太陽高度太陽高度角影響角影響校正校正 將太陽光線傾斜照射時(shí)獲取的圖像校正為太陽光線垂直照射時(shí)獲將太陽光線傾斜照射時(shí)獲取的圖像校正為太陽光線垂直照射時(shí)獲取的圖像，即將不同太陽高度角照射條件下的圖像數(shù)據(jù)的像元亮度取的圖像，即將不同太陽高度角照射條件下的圖像數(shù)據(jù)的像元亮度值，標(biāo)準(zhǔn)化到假設(shè)太陽在值，標(biāo)準(zhǔn)化到假設(shè)太陽在天頂時(shí)（即太陽垂直照射）天頂時(shí)（即太陽垂直照射）的像元亮度值。的像元亮度值。 太陽

52、高度角影響校正是通過調(diào)整一幅圖像的平均灰度來實(shí)現(xiàn)的。太陽高度角影響校正是通過調(diào)整一幅圖像的平均灰度來實(shí)現(xiàn)的。 g(x,y)為太陽以高度角為太陽以高度角斜射時(shí)的圖像（或像元亮度值），斜射時(shí)的圖像（或像元亮度值），f(x,y)為太陽垂直照射時(shí)的圖像（或像元亮度值）。太陽高度角可根據(jù)成為太陽垂直照射時(shí)的圖像（或像元亮度值）。太陽高度角可根據(jù)成像時(shí)刻的時(shí)間、季節(jié)和地理位置確定。如果不考慮天空光的影響，像時(shí)刻的時(shí)間、季節(jié)和地理位置確定。如果不考慮天空光的影響，各波段圖像可以采用相同的高度角進(jìn)行校正。各波段圖像可以采用相同的高度角進(jìn)行校正。太太陽陽高高度度角角與與地地形形校校正正S W J T US W J T UC o p y r i g h t 2 0 1 5, G u o l i n C a i & L i S h e n陰影消除陰影消除 太太陽高度角在圖像上會(huì)產(chǎn)生陰影，一般情況下圖像上的陰影是陽高度角在圖像上會(huì)產(chǎn)生陰影，一般情況下圖像上的陰影是難以消除的，但在多光譜圖像上，地物難以消除的，但在多光譜圖像上，地物陰影區(qū)的灰度值陰影區(qū)的灰度值，可以認(rèn)，可以認(rèn)為是為是無陰影時(shí)的影像灰度值無陰影時(shí)的影像灰度值再加上對再加上對各波段影響相同的陰影灰度各波段影響相同的陰影灰度值值。 比比值運(yùn)算值運(yùn)算：又叫圖像相除，用同步獲得的相同地區(qū)的任意又叫圖像相除，用同步