遙感影像地形輻射校正方法研究

遙感影像地形輻射校正方法研究摘要隨著地球觀測技術(shù)的發(fā)展，遙感影像在城市建設中的應用日益廣泛，相應提高了對遙感影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求。目前在可見光遙感影像產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，輻射校正質(zhì)量難以保證，導致遙感影像成果的可重復性差，阻礙了后續(xù)定量遙感應用的發(fā)展。本文針對遙感影像輻射校正過程中容易被忽略的一環(huán)——地形輻射校正開展實驗，驗證了C校正模型的有效性，實驗表明C校正模型結(jié)構(gòu)簡潔，可操作性好，效率高，適合在實際工程應用中用于消除地形輻射誤差。關(guān)鍵字遙感影像，地形輻射校正，C校正模型，城市建設工程應用引言遙感影像地形輻射校正指通過一定的轉(zhuǎn)換方法，將遙感影像中處在坡面上的像素輻射亮度值改正為處在水平面上對像素輻射亮度值，保證反射特性相同的地物在影像上具有一樣（或者相近）的輻射亮度，以消除或減緩由地勢起伏導致的輻射誤差。地形輻射校正模型分為經(jīng)驗模型、半經(jīng)驗模型以及物理模型。經(jīng)驗模型直接在太陽光照和遙感影像之間建立經(jīng)驗回歸模型，參數(shù)少，在多種地形輻射校正場合的適用性比較強，但經(jīng)驗參數(shù)對數(shù)據(jù)依賴性強，泛化性能差。其中一類經(jīng)驗模型假設遙感影像的輻射亮度值與太陽入射角的余弦值存在線性關(guān)系，基于此假設Vincini等[1]提出b校正法，b為以太陽入射角余弦值為自變量，影像輻射亮度為因變量建立的線性回歸方程對應的截距；高永年等[2][3]提出變經(jīng)驗系數(shù)法(VariableEmpiricalCoefficientAlgorithm，簡稱VECA)，VECA法對從崎嶇地形和地形變量中獲取的遙感數(shù)據(jù)的光譜響應進行了理論分析和統(tǒng)計分析,通過可變參數(shù)對地形導致的輻射誤差進行校正消除。物理模型基于傳感器的成像機理和輻射傳輸原理，理論基礎相對嚴密，精度高，但參數(shù)獲取困難。具有代表性的物理模型包括余弦校正模型、SCS（sun-canopy-sensor）校正模型和基于輻射傳輸方程的校正模型。余弦校正模型便是一種地形輻射校正物理模型[4]，該模型建立在太陽-地球表面-衛(wèi)星傳感器的成像幾何關(guān)系之上，但是該模型沒有將大氣散射和鄰近像元的反射輻射效應引起的輻射誤差考慮在內(nèi)，容易產(chǎn)生過度校正的問題。C校正模型[5]的提出有效改善了這一問題，該模型通過引入經(jīng)驗參數(shù)C來消除大氣和鄰近像元對輻射傳輸?shù)挠绊?，能夠有效避免過校正問題。1C校正模型C校正模型基于余弦校正模型的基本思想，即影像任意波段的輻射亮度值均與太陽入射角的余弦值滿足線性關(guān)系。在不考慮大氣散射以及地表鄰近點反射折射等作用引起的輻射誤差的情況下，當某點太陽入射角小于或等于0時，理論上該點未受到太陽直射，因此該點對應影像像素輻射亮度值應為0，故射亮度值與太陽入射角余弦值對應的擬合直線應通過原點。實際上，大氣散射和像元鄰近效應引起的輻射誤差難以完全消除，因此影像像素灰度值與太陽入射角余弦值之間關(guān)系可描述為：(1-1)其中為地面某點的輻射值，為線性方程系數(shù)，為太陽入射角余弦值。計算公式為：(1-2)為地面坡度角，為太陽天頂角，指地面坡向角，代表太陽方位角。其中和計算公式為[6]：(1-3)(1-4)、為像元在x、y方向的高程變化率。當?shù)孛嫠綍r，太陽入射角與太陽天頂角相等，因此傾斜地面與水平地面像素灰度值與太陽入射角余弦值關(guān)系可分別表示為：(1-5)(1-6)由式(1-5)、(1-6)可得(1-7)令，可得C校正標準方程(1-8)C校正模型能較為準確的描述太陽入射角與影像像素灰度值之間的關(guān)系，對于傾斜地面的輻射具有較為理想的校正效果，同時可以彌補太陽入射角過低時余弦校正模型過度校正的不足，是當前地形輻射校正中最常用的模型，也是眾多物理模型中具有代表性的模型。2校正實驗2.1計算太陽入射角本文開展實驗的區(qū)域為城市區(qū)，平均海拔27米，該區(qū)域地形以平原與丘陵為主，有較明顯的地勢起伏，適合開展地形輻射校正實驗。實驗影像為經(jīng)過6S大氣校正后的高景一號衛(wèi)星地表反射率影像，分辨率0.5米，云量為0%。6S大氣校正假設地表為平面，這導致校正后所得地表反射率與地表反射輻射亮度存在線性關(guān)系，因此C校正模型同樣適用于6S大氣校正后所得地表反射率影像的地形輻射校正。C校正實驗步驟如下：1）結(jié)合影像區(qū)域內(nèi)DEM逐像元計算太陽入射角；2）隨機采樣像點，對像元反射率值與太陽入射角進行線性回歸計算回歸參數(shù)；3）利用回歸參數(shù)計算校正參數(shù)c，結(jié)合太陽入射角與太陽天頂角進行地形輻射校正；4）校正結(jié)果對比分析，精度評價。太陽入射角計算需要先獲取太陽天頂距、方位角、像元坡度和坡向，考慮實驗區(qū)域范圍較小，近似認為影像內(nèi)各像元太陽天頂距與方位角相同，均為53.870531°和167.705704°。像元坡度和坡向通過ASTGTM2DEM數(shù)據(jù)計算得到，空間分辨率為30m。坡度和坡向計算公式如式1-3、1-4所示。太陽入射角余弦值計算如式1-2所示。DEM和計算所得太陽入射角余弦值數(shù)據(jù)如圖2.1(a)(b)所示：(a)DEM數(shù)據(jù)示意圖(b)太陽入射角余弦數(shù)據(jù)示意圖圖2.1實驗區(qū)域DEM與太陽入射角余弦值示意圖2.2線性回歸與影像校正將2.1中太陽入射角余弦值數(shù)據(jù)與地表反射率影像隨機采樣進行線性回歸，采樣點數(shù)為10000，回歸所得參數(shù)如表2-1所示：表2-1線性回歸參數(shù)參數(shù)波段1波段2波段3波段4k130.6389183.1763154.5635711.6696b986.7837747.0714750.06041069.851c7.5535234.0784284.8527641.503298將回歸所得經(jīng)驗參數(shù)c、待校正遙感影像、實驗區(qū)域太陽天頂距與太陽入射角余弦值數(shù)據(jù)代入式1-8進行地形輻射校正，計算得到校正后影像。為證明C校正模型的有效性，本文將其與余弦校正模型展開對比試驗。地形輻射校正前地表反射率影像、C校正模型校正后影像與余弦模型校正后影像對比圖如圖2.2所示：(a)地形輻射校正前地表反射率影像及校正前后丘陵區(qū)域?qū)Ρ葓D(b)C校正結(jié)果影像(c)余弦校正結(jié)果影像圖2.2地形輻射校正前后影像對比2.3實驗結(jié)果分析（1）目視判讀分析從圖2.2中可以看出，C校正前后影像背陰區(qū)域亮度有明顯改善，尤其丘陵陰坡，相比之下，余弦校正模型校正結(jié)果存在嚴重的過校正現(xiàn)象，背陰區(qū)域的地表反射率明顯校正過高。通過目視對比分析，初步確認C校正模型對地勢起伏較大的區(qū)域地形輻射校正效果顯著,同時也有效避免的過校正的情況出現(xiàn)。（2）統(tǒng)計指標分析為評價地形輻射校正效果，本文采樣丘陵區(qū)域數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采樣區(qū)域示意圖如圖2.3所示。圖2.3(a)采樣區(qū)域既包含陽坡又包含陰坡，用于校正前后整體分析，圖2.3(b)為植被分布情況近似的陽坡、陰坡區(qū)域分別采樣示意圖，用于校正前后對比分析。(a)整體分析采樣區(qū)域示意圖(b)陽坡陰坡分離采樣示意圖圖2.3地形輻射校正結(jié)果評價采樣區(qū)域示意圖校正前后陽坡陰坡整體分析本文從圖2.2校正前后影像中采樣地勢起伏較大丘陵區(qū)域，計算采樣區(qū)均值、標準差、離散度和直方圖對校正效果進行分析，其中離散度定義為：(2-1)為離散度，為采樣區(qū)域地形輻射校正前后影像地表反射率均值，為對應標準差。表2-2校正前后采樣區(qū)域高景一號影像均值、標準差和離散度統(tǒng)計表波長地表反射率均值地表反射率標準差離散度校正前C校正余弦校正校正前C校正余弦校正校正前C校正余弦校正0.485826.15841.841471.9055.7061.691083.926.747.3373.640.555641.04661.961120.0772.4670.16793.3711.3010.6070.830.660681.67700.211185.88119.38117.95835.6017.5116.8570.460.8301696.061799.692685.40585.64507.581543.2934.5328.2057.47校正前后影像采樣區(qū)域地表反射率(擴大10000倍)均值、標準差和離散度如表2-2所示。通過C校正模型校正，高景一號各波段反射率均值都有不同程度增加，除去第一波段外其他波段的標準差和離散度均有所減小，說明C校正模型削弱了由地勢起伏導致的輻射誤差。相比之下，余弦校正模型校正后影像均值、標準差和離散度均大幅增加，說明存在嚴重的過校正現(xiàn)象。圖2.4C校正前后影像各波段地表反射率直方圖圖2.4為C校正前后高景一號影像各波段灰度直方圖，左側(cè)為校正前4個波段的直方圖，右側(cè)為校正后4個波段的直方圖。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，校正前2、3、4波段都存在明顯的雙峰，這說明陽坡和陰坡地表反射率存在明顯差異，校正后2、3波段雙峰消失，第4波段雙峰距離拉近并減弱。直方圖對比結(jié)果非常直觀的表明C校正模型能夠明顯改善山區(qū)陽坡和陰坡的輻射差異，減弱甚至消除地形引起的輻射誤差。校正前后陽坡陰坡對比分析對丘陵區(qū)域植被分布近似的陽坡和陰坡校正結(jié)果進行分析，方法為校正前后各波段反射率均值光譜差異對比，采用光譜圖的形式對比校正結(jié)果。圖2.5地形輻射校正前后丘陵陰坡陽坡反射率均值對比圖圖2.5分別展示了采樣區(qū)域校正前、C校正后和余弦校正后陰坡陽坡各波段地表反射率均值光譜信息以及校正前后陰坡陽坡反射率均值差異，數(shù)值上等于陽坡反射率均值減去陰坡反射率均值。通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，校正前陰坡陽坡2、3、4波段存在較為明顯的反射率差異，C校正后陰坡陽坡各波段反射率差異明顯減小，前3波段差異基本消除，近紅外波段雖然仍有較大差異，但差值也有多減小，說明C校正模型可以有效進行地形輻射校正；相比之下余弦校正模型校正后陰坡陽坡反射率變化巨大，出現(xiàn)了嚴重的過校正問題，通過對比說明經(jīng)驗參數(shù)C的使用可以有效抑制過校正問題。3結(jié)論綜合以上分析，C校正模型可以有效進行地形輻射校正，該模型結(jié)構(gòu)簡潔，可操作性好，效率高，適合在實際工程應用中用于消除地形輻射誤差。但是該模型的參數(shù)c為統(tǒng)計數(shù)據(jù)，沒有實際物理意義，樣本數(shù)據(jù)的選擇對參數(shù)c的確定有著較大影響。因此在實際應用過程中應注意樣本數(shù)據(jù)的選取參考文獻[1]VinciniM,ReederD,FrazziE.AnEmpiricalTopographicNormalizationMethodforForestTMData[C].GeoscienceandRemoteSensingSymposium，IGARSS02.2002IEEEInternational.Toronto，Canada,2002,4:2091－2093．[2]高永年，張萬昌．遙感影像地形校正物理模型的簡化與改進［J］.測繪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