4-地物光譜數(shù)據(jù)的重建PPT課件

1、2021/7/231第四章 地物光譜數(shù)據(jù)重建2021/7/232定義定義由于受到太陽位置、角度條件、大氣條件、地形影響及傳感器本身的性能的影響，傳感器所記錄的數(shù)據(jù)與目標(biāo)的光譜反射率或光譜輻射亮度值并不一致。因此，將傳感器記錄的原始輻射值（DN值）轉(zhuǎn)化為地物反射率，恢復(fù)地物光譜數(shù)據(jù)本來的面目，稱為地物光譜數(shù)據(jù)重建。2021/7/233遙感器定標(biāo)大氣校正 光照及地形校正 遙感器入瞳輻射值 地表輻射值 地表真實(shí)反射值 原始數(shù)字信號(hào)地物光譜數(shù)據(jù)重建的過程：2021/7/234l輻射誤差：傳感器所得到的目標(biāo)測(cè)量值與目標(biāo)的光譜反射率或光譜輻亮度等物理量之間的差值l輻射誤差產(chǎn)生原因：傳感器響應(yīng)特性和外界自然

2、環(huán)境 地物（目標(biāo)物）的輻射（反射）經(jīng)過大氣層時(shí)，地物（目標(biāo)物）的輻射（反射）經(jīng)過大氣層時(shí)，與大氣層發(fā)生散射作用和吸收作用。吸收作用直接與大氣層發(fā)生散射作用和吸收作用。吸收作用直接降低地物的輻射能量，引起輻射畸變。散射作用除降低地物的輻射能量，引起輻射畸變。散射作用除降低地物的輻射能量外，大氣散射的部分輻射還會(huì)降低地物的輻射能量外，大氣散射的部分輻射還會(huì)進(jìn)入傳感器，直接疊加在目標(biāo)地物的輻射能量之中，進(jìn)入傳感器，直接疊加在目標(biāo)地物的輻射能量之中，成為目標(biāo)地物的噪聲，降低了圖像的質(zhì)量。成為目標(biāo)地物的噪聲，降低了圖像的質(zhì)量。 光照條件的不同也會(huì)引起輻射畸變，如太陽高光照條件的不同也會(huì)引起輻射畸變，如太

3、陽高度角、地面坡度等，都會(huì)引起輻射的畸變。度角、地面坡度等，都會(huì)引起輻射的畸變。輻射誤差2021/7/2354.1 4.1 遙感器定標(biāo)遙感器定標(biāo)l一般把消除傳感器本身影響的輻射校正過程稱之為輻射定標(biāo)，即遙感器定標(biāo)。l對(duì)高光譜定量遙感具有十分重要的意義，只有經(jīng)過精確的定標(biāo)后，才能獲取真實(shí)的地物物理參量，才能與不同的高光譜遙感數(shù)據(jù)，模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。l具體形式：建立成像光譜儀每個(gè)探測(cè)元件輸出的數(shù)字量化值（DN）與它對(duì)應(yīng)視場(chǎng)中輸出輻射亮度值之間的定量關(guān)系。2021/7/236l遙感器輻射定標(biāo)是指建立遙感器每個(gè)探測(cè)元所輸出信號(hào)的數(shù)值量化值與該探測(cè)器對(duì)應(yīng)像元內(nèi)的實(shí)際地物輻射亮度值之間的定量關(guān)系。lL

4、i波段i的入瞳輻射能量lDNi波段i傳感器的輸出亮度值lAi波段i的定標(biāo)增益系數(shù)lBi 波段i的定標(biāo)偏置量BiDNiAiLi2021/7/237遙感器定標(biāo)主要包括三個(gè)階段：實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)和星上定標(biāo)，場(chǎng)地定標(biāo)（1 1）實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)：）實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)：是成像光譜儀在運(yùn)行前在實(shí)驗(yàn)室所接受的定標(biāo)過程。包括光譜定標(biāo)和輻射定標(biāo)光譜定標(biāo)：確定成像光譜儀每個(gè)波段的中心波長(zhǎng)和帶寬。2021/7/238輻射定標(biāo)分為兩種形式：相對(duì)定標(biāo)和絕對(duì)定標(biāo)。l相對(duì)定標(biāo)：校正遙感器中各個(gè)探測(cè)器元件響應(yīng)度差異而對(duì)衛(wèi)星遙感器測(cè)量到的原始數(shù)字進(jìn)行歸一化的工作。l絕對(duì)定標(biāo)：通過各種標(biāo)準(zhǔn)輻射源，在不同波譜段建立成像光譜儀入瞳處光譜輻射亮度值與成像儀

5、輸出的數(shù)字值（DN）之間的定量關(guān)系。2021/7/239其他系統(tǒng)誤差校正其他系統(tǒng)誤差校正l常見的由遙感系統(tǒng)引入的輻射誤差有： 隨機(jī)壞像元（散粒噪聲） 行起始/終止問題 行或列部分缺失 行或列條紋2021/7/2310隨機(jī)壞像元(散粒噪聲)BV1BV2BV3BV8BVijkBV4BV7BV6BV5原因：一個(gè)探測(cè)器未記錄某個(gè)光譜數(shù)據(jù)，該像元成為壞像元算法步驟：計(jì)算相鄰8個(gè)像元的均值，用均值代替壞像元的灰度值。2021/7/2311行或列缺失l原因：掃描系統(tǒng)的某個(gè)探測(cè)器工作不正常，就有可能產(chǎn)生一整行沒有光譜信息的線。對(duì)于線陣列掃描系統(tǒng)而言，就會(huì)使得整行或者整列數(shù)據(jù)缺失。l解決方法：人工處理。2021

6、/7/2312（2 2）機(jī)上或星上定標(biāo)：）機(jī)上或星上定標(biāo)：l飛行之前的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)會(huì)隨著環(huán)境的變化而變化，由于受到發(fā)射的影響和空間工作的溫度變化，發(fā)射前的定標(biāo)關(guān)系發(fā)生變化，因此，實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)后飛機(jī)或衛(wèi)星上的定標(biāo)也是必要的。l機(jī)上定標(biāo)的內(nèi)容和形式基本上與實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)是類似的，其中穩(wěn)定的光源是主要因素。2021/7/2313（3 3）地面場(chǎng)定標(biāo)）地面場(chǎng)定標(biāo)l地面場(chǎng)定標(biāo)：在遙感器處于正常運(yùn)行條件下，選擇輻射的定標(biāo)場(chǎng)地，通過地面同步測(cè)量對(duì)遙感進(jìn)行定標(biāo)。對(duì)前面兩項(xiàng)定標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)和修正。2021/7/2314l場(chǎng)地定標(biāo)的原理：遙感器升空后，在定標(biāo)場(chǎng)地選擇若干像元區(qū)，測(cè)量成像光譜儀對(duì)應(yīng)地物的各波段光譜反射率和大氣光

7、譜參量，利用大氣輻射傳輸模型給出成像光譜儀入瞳處各譜帶的輻射亮度，最后確定它與成像光譜儀對(duì)應(yīng)的輸出的數(shù)字量化值的關(guān)系，求解定標(biāo)系數(shù)，并進(jìn)行誤差分析。2021/7/23154.2 4.2 大氣校正大氣校正大氣輻射傳輸理論：l大氣散射集中在太陽輻射能量最強(qiáng)的可見光區(qū)。因此，散射是太陽輻射衰減的主要原因。l大氣對(duì)電磁輻射產(chǎn)生的散射和吸收是主要的輻射誤差源，因此，遙感圖像的大氣校正主要是補(bǔ)償大氣在吸收與散射方面的瞬時(shí)影響。l大氣校正方法可以大致分為：（1）基于圖像統(tǒng)計(jì)模型；（2）專用的大氣校正模型2021/7/2316這是一種相對(duì)定標(biāo)方法，已廣泛地應(yīng)用在成像光譜遙感數(shù)據(jù)處理中。模型要求在處理的影像數(shù)據(jù)

8、中存在分布均勻、一定面積的純凈地物。該區(qū)域的平均光譜沒有明顯的吸收特征，區(qū)域輻射光譜主要反映的是當(dāng)時(shí)大氣條件下的太陽光譜。處理時(shí)，選擇其中某一樣區(qū)，并求出其像元的灰度平均值，然后對(duì)圖像中每一個(gè)像元都除以該平均灰度值，從 而對(duì)整幅圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)。(1) (1) 圖像統(tǒng)計(jì)模型法圖像統(tǒng)計(jì)模型法1）2021/7/2317內(nèi)部平均法假定一幅圖像內(nèi)部的地物充分混雜，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。因而，把圖像DN值與整幅圖像的平均輻射光譜值的比值作為相對(duì)反射率，校正后的結(jié)果為相對(duì)的反射率值，這是一種基于圖像的方法。這種方法假設(shè)地面變化使充分異構(gòu)的，光譜反射特性的空間變化會(huì)相互抵消。

9、如果這個(gè)假設(shè)不成立，得到的反射光譜會(huì)有虛假性.2）2021/7/23183）這種方法假設(shè)地面目標(biāo)的反射率與成像光譜儀探測(cè)器所獲得的信號(hào)之間具有線性關(guān)系。DN代表的是波段b上給定像元的灰度值，代表的是反射率。2021/7/23192021/7/23204 4）波段對(duì)比法波段對(duì)比法暗像元法暗像元法l該方法的理論依據(jù)在于大氣散射的選擇性，即大氣散射對(duì)短波的影響大，對(duì)長(zhǎng)波的影響小。l以陸地資源衛(wèi)星TM為例，1波段收到散射影響最為嚴(yán)重，其次為2波段、3波段，而7波段受散射影響最小，為處理方便，可以把近紅外圖像看做無散射影響的標(biāo)準(zhǔn)影像，通過對(duì)不同波段的對(duì)比分析計(jì)算出大氣的干擾值。l若圖像中存在亮度為零的目

10、標(biāo)亮度為零的目標(biāo)，如深海水體、陰影等，則其對(duì)應(yīng)圖像的亮度值應(yīng)為0，實(shí)際上只有在沒有受大氣影響的情況下，其亮度值才可能為零，其他目標(biāo)由于受水氣散射、輻射使得目標(biāo)的亮度值不為零。2021/7/2321 1978年Ahern等利用清澈的水體影像作為暗目標(biāo)提取大氣光學(xué)信息進(jìn)行大氣輻射糾正。通過比較各波段直方圖，將相應(yīng)波段中最小值與暗目標(biāo)的差，為大氣輻射影響。顯示有關(guān)圖像的直方圖，從圖上可以得知最黑的目標(biāo)亮度為零，即第七波段圖像的最小亮度值為零，第四波段的亮度最小值為a4，則a4就是第四波段圖像的大氣校正。其它波段同理可以得到大氣校正。 2021/7/23225 5）波段對(duì)比法波段對(duì)比法回歸分析法回歸分

11、析法 用長(zhǎng)波數(shù)據(jù)來校正短波數(shù)。在不受大氣影響的波段（如TM5）和待校正的某一波段圖像中，選擇由最亮至最暗的一系列目標(biāo)，將每一目標(biāo)的兩個(gè)待比較的波段灰度值提取出來進(jìn)行回歸分析。例如：XbaY11式中式中，X為為TM5波段的亮度均值；波段的亮度均值；Y為為TM1亮度均值；亮度均值；2021/7/2323（2 2）大氣輻射傳輸模型）大氣輻射傳輸模型2021/7/23246s模型：second simulation of the satellite signal in the solar spectrum 根據(jù)不同的成像系統(tǒng)和大氣條件，通過大氣傳輸方程對(duì)大氣輻射進(jìn)行求取。輸入的參數(shù)包括： 輸出的結(jié)果1

12、、幾何參數(shù) 1、吸收2、大氣模式 2、輻射3、氣溶膠模式 3、散射4、氣溶膠濃度 4、校正5、地面高度6、探測(cè)器高度7、地表特性8、表觀反射率2021/7/2325基于大氣物理參數(shù)的模型1、lowtran模型：大氣輻射傳輸實(shí)用軟件（美國空軍地球物理實(shí)驗(yàn)室開發(fā)）2、modtran模型：對(duì)lowtran的改進(jìn)3、acorn模型：美國科羅拉多州ImSpec有限公司開發(fā)的一種基于圖像處理的大氣校正軟件，實(shí)現(xiàn)圖像輻射值到表觀地表反射率的轉(zhuǎn)換。2021/7/2326輻射地形校正的目的：輻射地形校正的目的：消除地形造成的影像中同消除地形造成的影像中同類地物亮度值的差異；提類地物亮度值的差異；提高影像解譯精度

13、。高影像解譯精度。4.3 4.3 輻射地形校正輻射地形校正2021/7/23272021/7/2328C糾正法在余弦糾正法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，由于在入射角比較小的區(qū)域會(huì)發(fā)生糾正過度的問題。2021/7/2329(a)原始影像(c)校正結(jié)果2(b) 校正結(jié)果12021/7/23304.4 4.4 遙感影像的幾何校正遙感影像的幾何校正l幾何畸變：遙感圖像在幾何位置上發(fā)生了變化，產(chǎn)生行列不均勻，像元大小與地面大小對(duì)應(yīng)不準(zhǔn)確，地物形狀不規(guī)則 變化。l產(chǎn)生畸變的圖像給定量分析及位置配準(zhǔn)造成困難。在應(yīng)用遙感圖像之前，必須將其準(zhǔn)確投影到需要的坐標(biāo)系中，這就是幾何糾正。2021/7/2331（1 1）遙感平臺(tái)位

14、置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化）遙感平臺(tái)位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化遙感影像變形的原因：遙感影像變形的原因：2021/7/2332（2 2）地形起伏影響）地形起伏影響2021/7/2333（3 3）地球表面曲率的影響）地球表面曲率的影響 像點(diǎn)位置的移動(dòng)像元對(duì)應(yīng)于地面寬度的不等2021/7/2334（4 4）大氣折射的影響）大氣折射的影響 2021/7/2335（5 5）地球自轉(zhuǎn)的影響）地球自轉(zhuǎn)的影響 2021/7/2336幾何糾正分為：粗校正和精校正兩個(gè)階段l粗糾正：粗糾正：首先由接受部門進(jìn)行校正，這種校正往往根據(jù)遙感平臺(tái)、地球、傳感器的各種參數(shù)糾正系統(tǒng)誤差，即把與傳感器有關(guān)的測(cè)定的校正數(shù)據(jù)帶入相應(yīng)的構(gòu)像方程。l精糾

15、正：精糾正：然后，由用戶根據(jù)使用的目的不同或投影及比例尺不同，進(jìn)一步做幾何精校正。如何進(jìn)行幾何糾正？如何進(jìn)行幾何糾正？2021/7/2337高光譜遙感圖像的精糾正高光譜遙感圖像的精糾正l基于地面控制點(diǎn)來消除圖像中的幾何變形，產(chǎn)生一幅符合某種地圖投影或圖形表達(dá)要求的新圖像的過程。2021/7/2338基本思路：基本思路： 校正前的圖像由于某種幾何畸變，圖像像元對(duì)應(yīng)的地面距離并不相等。校正后的圖像也是由等間距的網(wǎng)格點(diǎn)組成的，且以地面為標(biāo)準(zhǔn)，符合某種投影的均勻分布。 因此，可以用一個(gè)適當(dāng)?shù)亩囗?xiàng)式來表達(dá)糾正前后圖像中相應(yīng)點(diǎn)之間的坐標(biāo)關(guān)系。建立變換后圖像坐標(biāo)（x,y）與變換前圖像坐標(biāo)（u,v）的關(guān)系，顯

16、然，整數(shù)的像元點(diǎn)在原圖像坐標(biāo)系中一般不在整數(shù)（u,v）點(diǎn)上。2021/7/2339計(jì)算方法（以多項(xiàng)式法為例）計(jì)算方法（以多項(xiàng)式法為例） 首先建立兩圖像像元點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用數(shù)學(xué)關(guān)系f表示為二元N次多項(xiàng)式，記做： niinjjiiiijnijnjjiiiijvubyvuax0000),(),(vufyvufxyx通常數(shù)學(xué)關(guān)系表示為二元N次多項(xiàng)式：2021/7/2340實(shí)際計(jì)算中常常采用二元二次多項(xiàng)式，其展開式為：2022201101100020222011011000vbubuvbvbubbyvauauvavauaax首先要計(jì)算出上面式的12個(gè)系數(shù)，這就需要12個(gè)方程，實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，6個(gè)控制

17、點(diǎn)是解線性方程的理論最低數(shù)，這樣少的控制點(diǎn)較正后的圖像效果差，因此在實(shí)際工作中，要增加控制點(diǎn)，控制點(diǎn)增加后計(jì)算結(jié)果有所改變，需采用最小二乘法，通過對(duì)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合來求系數(shù)。2021/7/2341Ll 1這里代表。其中，L為控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)，上式寫成距陣形式記為： 11BAU 4223332224323233222232222322221llllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllvvuvuvvuvvuuvuvuuuvuvuvuvuvuvuvvuvuvvuvvuuvuvuuuvuvuvuA同樣以Y為主的距陣形式為：22BAU 0

18、220110110001aaaaaaU0220110110002bbbbbbU221llllllllllllvxuxvuxvxuxxB222llllllllllllvyuyvuyvyuyyB2021/7/2342依據(jù)最小二乘法進(jìn)行求解系數(shù)矩陣U1和U2的值，并進(jìn)行精度檢驗(yàn)：212111)()(PBAPAAUPBAPAAUTTTT2021/7/2343系數(shù)確定后，利用公式便可以根據(jù)每一個(gè)像元點(diǎn)的行列值，計(jì)算每一點(diǎn)的亮度值。由于計(jì)算后的像點(diǎn)多數(shù)不在原圖的像元中心處，因此必須重新計(jì)算新位置的亮度值。一般來說，新點(diǎn)的亮度值介于鄰點(diǎn)亮度值之間，所以常常采用內(nèi)插法計(jì)算。不在采樣點(diǎn)2021/7/2344采樣方法：采樣方法： 1）最近鄰法 圖像中兩相臨點(diǎn)的距離為1，即行間距為1，列間距為1，取與所計(jì)算點(diǎn)（x,y）周圍相臨的4個(gè)點(diǎn)，比較他們與被計(jì)算點(diǎn)的距離，哪個(gè)點(diǎn)距離最近，就取哪個(gè)的亮度值作為（x,y）點(diǎn)的亮度值。設(shè)該最近鄰點(diǎn)的坐標(biāo)為（K，L），則： K=Integer(x+0.5) L=Integer(y+0.5)式中，Integer為取整，于是點(diǎn)（K，L）的亮度值就作為點(diǎn)（x,y）的亮度值。優(yōu)缺點(diǎn)：這種方法簡(jiǎn)單易用，計(jì)算量