遙感大氣校正

1、實(shí)驗(yàn)四 遙感圖像的大氣校正實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^實(shí)習(xí)操作，掌握遙感圖像大氣校正的基本方法和步驟，掌握遙感圖像波段計(jì)算及其應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 環(huán)境小衛(wèi)星的數(shù)據(jù)讀??； 輻射定標(biāo)、圖像配準(zhǔn)、大氣校正； 植被反演、植被覆蓋變化監(jiān)測1、實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)及背景u 傳感器定標(biāo)就是將圖像的數(shù)字量化值（DN）轉(zhuǎn)化為輻射亮度值或者反射率或者表面溫度等物理量的處理過程；傳感器定標(biāo)可分為絕對定標(biāo)和相對定標(biāo)，絕對定標(biāo)是獲取圖像上目標(biāo)物的絕對輻射值等物理量。u 遙感圖像的大氣校正方法很多，這些校正方法按照校正后的結(jié)果可以分為2種：絕對大氣校正方法：將遙感圖像的DN(Digital Number)值轉(zhuǎn)換為地表反射率、地表輻射率、地表溫度

2、等的方法。相對大氣校正方法：校正后得到的圖像，相同的DN值表示相同的地物反射率，其結(jié)果不考慮地物的實(shí)際反射率。u ENVI下FLAASH大氣校正工具是基于MODTRAN4+輻射傳輸模型，F(xiàn)LAASH對圖像文件有以下幾個(gè)要求：（1）數(shù)據(jù)是經(jīng)過定標(biāo)后的輻射亮度（輻射率）數(shù)據(jù)，單位是：（W）/（cm2*nm*sr）。（2）數(shù)據(jù)帶有中心波長（wavelenth）值，如果是高光譜還必須有波段寬度（FWHM），這兩個(gè)參數(shù)都可以通過編輯頭文件信息輸入（Edit Header）。（3）數(shù)據(jù)類型支持四種數(shù)據(jù)類型：浮點(diǎn)型（floating）、長整型(long integer )、整型（integer）和無符號整型

3、 (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。（4）波譜范圍：4002500nmu 渾善達(dá)克地區(qū)位于內(nèi)蒙古草原錫林郭勒高原中部。近年來頻頻發(fā)生在京津地區(qū)的沙塵暴與該地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，京津地區(qū)沙塵暴70%的沙源來自于這個(gè)區(qū)域。通過對該區(qū)域植被覆蓋度的定量反演，植被覆蓋的變化檢測，可以實(shí)現(xiàn)草原植被的高頻率、大范圍、高實(shí)時(shí)的變化監(jiān)測。2、實(shí)驗(yàn)步驟根據(jù)環(huán)境小衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)特點(diǎn)及草原植被變化監(jiān)測的要求，采用以下處理流程： 一、數(shù)據(jù)預(yù)處理：1.CCD數(shù)據(jù)讀取；2.輻射定標(biāo)；3.大氣校正；4.研究區(qū)裁剪； 二、反演模型建立1.歸一化植被指數(shù)；2.

4、植被覆蓋度； 三、植被變化監(jiān)測1.植被覆蓋區(qū)提?。?.植被變化檢測； 四、后期處理與應(yīng)用u 數(shù)據(jù)讀取和定標(biāo)（1）安裝環(huán)境小衛(wèi)星數(shù)據(jù)讀取和定標(biāo)補(bǔ)丁ENVI_HJ1A1B_Tools.sav文件放在homeITTIDLIDL80productsenvi48save_add目錄下。（2）數(shù)據(jù)讀取和定標(biāo)。主菜單->File->Open External File->HJ-1A/1B Tools。（3）數(shù)據(jù)裁剪，由于整景數(shù)據(jù)范圍比較大，所以在做大氣校正前，先將渾善達(dá)克以及周邊區(qū)域裁剪出來。主菜單->Basic Tools->Resize Data。u 圖像配準(zhǔn)做變化監(jiān)測，兩

5、個(gè)時(shí)相的數(shù)據(jù)必須互相配準(zhǔn)。具體步驟參考幾何校正：主菜單->Map->Registration->Select GCPs：Image to Image。Base Map基礎(chǔ)底圖選用“渾善達(dá)克2006年8月土地利用分類圖.img”，控制點(diǎn)參考“HJ-jz-GCP.pts”。u 大氣校正（1）主菜單->Basic Tools->Preprocessing->Calibration Utilities->FLAASH。參數(shù)文件參考“template”。u 矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪矢量數(shù)據(jù)選用“渾善達(dá)克矢量數(shù)據(jù)”。u 歸一化植被指數(shù)計(jì)算應(yīng)用被植被強(qiáng)吸收的紅光波段（環(huán)境星

6、第3波段）和被植被強(qiáng)反射的近紅外波段（環(huán)境星第四波段）計(jì)算歸一化植被指數(shù)。（1）主菜單->File-> Transform ->NDVIu 植被覆蓋度計(jì)算（1）在ENVI主菜單欄中波段運(yùn)算Basic Tool->Bandmath。運(yùn)算表達(dá)式： (b1 gt 0.7)*1+(b1 lt 0.)*0+(b1 ge 0 and b1 le 0.7)*(b1-0.0)/(0.7-0.0)u 植被覆蓋變化監(jiān)測（1）2009年植被覆蓋度大于0.3的為植被覆蓋區(qū)；2009年8月植被覆蓋區(qū)運(yùn)算表達(dá)式：(b1 le 0.3)*0 +(b1 gt 0.3)*1b1為20090811植被覆蓋

7、度圖像，0.3為經(jīng)驗(yàn)值。（2）2006年土地利用分類圖DN值=1、2、3為植被覆蓋區(qū)。2006年8月植被覆蓋區(qū)運(yùn)算表達(dá)式：(b1 ge 1 and b1 le 3)*1+(b1 lt 1)*0+(b1 gt 3)*0b1為渾善達(dá)克2006年8月土地利用分類圖。（3）植被覆蓋變化監(jiān)測運(yùn)算表達(dá)式： b1-b2b1:2009年8月的植被覆蓋區(qū)圖像；b2:2006年8月的植被覆蓋區(qū)圖像。u 植被變化區(qū)域制圖對-1、0、1值以及背景值分別進(jìn)行密度分割。/附錄1（來自于網(wǎng)絡(luò)資源）：附錄2環(huán)境系列衛(wèi)星是中國專門用于環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測的對地觀測系統(tǒng)的。系統(tǒng)由2顆光學(xué)衛(wèi)星（HJ-1A衛(wèi)星和HJ-1B衛(wèi)星）和一顆雷達(dá)

8、衛(wèi)星（HJ-1C衛(wèi)星）組成的。擁有光學(xué)、紅外、超光譜等不同探測方法，有大范圍、全天候、全天時(shí)、動(dòng)態(tài)的環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測能力。HJ-1A及HJ-1B衛(wèi)星（光學(xué)衛(wèi)星）HJ-1A和HT-1B衛(wèi)星是用于環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)的，它們也搭載了CCD相機(jī)和超光譜成像儀（HSI）。 HT-1C衛(wèi)星（雷達(dá)衛(wèi)星）HJ-1C衛(wèi)星也是用于環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)的，是中國首顆S波段合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星，會(huì)與已經(jīng)發(fā)射的HJ-1A衛(wèi)星、HJ-1B衛(wèi)星形成的衛(wèi)星系統(tǒng)。附錄3 FLAASH模型FLAASH大氣校正模塊 （1）FLAASH模塊簡介FLAASH是由世界一流的光學(xué)成像研究所波譜科學(xué)研究所（Spectral Science

9、s Inc.）在美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（U.S. Air Force Research Laboratory）支持下開發(fā)的大氣校正模塊。波譜科學(xué)研究所在1989年大氣輻射傳輸模型開發(fā)初期就廣泛從事MODTRAN的研究工作，已成為大氣輻射傳輸模型開發(fā)過程中不可缺少的一員。FLAASH適用于高光譜遙感數(shù)據(jù)（如HyMap，AVIRIS，HYIDCE，HYPERION，Probe-1，CASI和AISA）和多光譜遙感數(shù)據(jù)（如陸地資源衛(wèi)星，SPOT，IRS和ASTER）的大氣校正。當(dāng)遙感數(shù)據(jù)中包含合適的波段時(shí)，用FLAASH還可以反演水氣、氣溶膠等參數(shù)。ENVI中大氣校正模型FLAASH，是高光譜輻射能量影

10、像反射率反演的首選大氣校正模型。FLAASH能夠精確補(bǔ)償大氣影響，其適用的波長范圍包括可見光至近紅外及短波紅外，最大波長為3m。其它的大氣校正模型是計(jì)算方法基于查找表（Look-up Table）、利用插值方法計(jì)算，而FLAASH是直接移植了modtran4中的輻射傳輸計(jì)算方法。我們可以選取代表研究區(qū)的大氣模型和氣溶膠類型。FLAASH模型中輸入的圖像必須是經(jīng)過輻射定標(biāo)后的輻射亮度圖像，格式為BIL或BIP,數(shù)據(jù)類型為floating-point，4-byte signed integers，2-byte signed integers，或2-byte unsigned integers，為了

11、能進(jìn)行大氣反演，圖像至少包括下面三個(gè)范圍區(qū)間內(nèi)的15nm分辨率甚至更高的波段，即1050-1210nm，770-870 nm，870-1020nm。對于已有傳感器類型的高光譜遙感圖像來說，圖像頭文件中必須包含波長和波譜帶寬（FWHM）。對于已知的多光譜傳感器來說，僅僅需要波長，而未知的多光譜傳感器類型，則要求知道波譜響應(yīng)函數(shù)，如論文中ALI數(shù)據(jù)校正就需要輸入波譜響應(yīng)函數(shù)。FLAASH支持多種傳感器，其通過圖像像素光譜上的特征來估計(jì)大氣的屬性，不依賴遙感成像同步測量的大氣參數(shù)數(shù)據(jù)。（2）FLAASH模塊參數(shù)設(shè)置尺度轉(zhuǎn)換因子的計(jì)算FLAASH模塊中，在輸入輻射能量數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)要求輸入尺度轉(zhuǎn)換因子。

12、尺度因子有兩種輸入方式A:當(dāng)各波段尺度轉(zhuǎn)換因子不同時(shí)，選擇每一種的輸入方式，可事先把尺度因子輸入到記事本文件中，然后，從記事本文件中直接讀取；B：當(dāng)尺度轉(zhuǎn)換因子相同時(shí)，選擇第二種輸入方式。由于模塊中要求輻射能量的量綱是µW/（cm·nm·sr）,而經(jīng)輻射定標(biāo)AVIRIS數(shù)據(jù)的量綱為µW/(cm·nm·sr)，所以后者還需通過換算關(guān)系式1µW/（cm·nm·sr）=0.001mW/(cm·nm·sr)進(jìn)行量綱轉(zhuǎn)換。因此，利用FLAASH模塊校正AVIRIS數(shù)

13、據(jù)時(shí)，其尺度轉(zhuǎn)換因子為0.001。對其它類型遙感數(shù)據(jù)大氣校正時(shí)，可以參照上述方法計(jì)算相應(yīng)的尺度轉(zhuǎn)換因子。判斷尺度因子設(shè)置正確與否的方法是依據(jù)圖像的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征，即當(dāng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)沒有負(fù)值和大于1×放大系數(shù)的數(shù)值，則可以認(rèn)為尺度轉(zhuǎn)換因子設(shè)置正確。FLAASH其它參數(shù)的設(shè)置A：圖像中心點(diǎn)坐標(biāo):可以從相應(yīng)的HDF文件中找到，也可以從屏幕上直接讀取影像的中心坐標(biāo)，對反演結(jié)果影響不大。當(dāng)影像位于西半球時(shí)，經(jīng)度為負(fù)值。B：傳感器類型:當(dāng)選擇傳感器類型時(shí)，模塊會(huì)選擇相應(yīng)類型的傳感器波段響應(yīng)函數(shù)，同時(shí)系統(tǒng)一般會(huì)自動(dòng)設(shè)置傳感器的高度和圖像的空間分辨率。若沒有相應(yīng)類型的傳感器，則一些參數(shù)需要額外設(shè)置，如下文中

14、ALI數(shù)據(jù)的校正。C：海拔高度:海拔高度為研究區(qū)的平均海拔。D：數(shù)據(jù)獲取日期和衛(wèi)星過境時(shí)間:衛(wèi)星過境時(shí)間為格林尼治時(shí)間，可以從相應(yīng)的HDF文件中找到。E：大氣模型:為了獲取校正的最佳質(zhì)量，選擇一個(gè)合適的大氣校正模型至關(guān)重要。模塊提供熱帶、中緯度夏季、中緯度冬季、極地夏季、極地冬季和美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型，每個(gè)模塊的大氣水汽含量標(biāo)準(zhǔn)如表1，如果沒有獲取大氣水汽含量，也可以通過地表大氣溫度來確定相應(yīng)的模型，因?yàn)橐欢ǖ臏囟群鸵欢ǖ拇髿馑肯嚓P(guān)。如果地表大氣溫度也不知道，那么可以通過數(shù)據(jù)獲取時(shí)間和地點(diǎn)選擇相應(yīng)的大氣模型。F：水氣反演ENVI軟件提供了三個(gè)波段區(qū)間以供選擇，分別為1050-1210nm(選項(xiàng)1135nm)、870-1020nm(選項(xiàng)940nm)、770-870nm(選項(xiàng)820nm)。G：氣溶膠模型可供選擇的氣溶