sampleofatmcor

1、基于TM/ETM+遙感數(shù)據(jù)的地面相對反射率反演摘要：衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的大氣輻射校正是定量遙感的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。目前大氣輻射校正方法的局限性已經(jīng)嚴(yán)重影響了定量遙感科學(xué)進(jìn)展。鑒于此，COST模型在TM/ETM數(shù)據(jù)上的實用性逐步得到學(xué)者們的共識。本文詳細(xì)闡述了COST模型的理論及其算法，模型參數(shù)的確定及其獲取途徑。COST模型在完成TM/ETM衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)大氣輻射糾正的同時實現(xiàn)了地表反射率反演，為TM/ETM衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。文章進(jìn)一步借助地面光譜儀的實測數(shù)據(jù)對研究區(qū)地表反射率反演結(jié)果進(jìn)行了空間維和光譜維的分析驗證，結(jié)果認(rèn)為COST模型完全能夠滿足衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)基本應(yīng)用研究的需要。關(guān)鍵詞：大氣

2、輻射校正；COST模型；地表相對反射率；衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)RETRIEVE OF EARTH REFLECTION BASE ON THE REMOTE SENSING DATA OF TM/ETMAbstract:Atmospheric and radiometric correction is the basis and key for quantificational remote sensing.Nowaday the limitation of the method of atmospheric and radiometric correction had been strictly ef

3、fecting the development of RS science.Herein above statement, common understanding had been building on the utility of COST model.The paper expatiated the COST model method and arithmetic,and how to confirm the parameters.With COST model finishing atmospheric and radiometric correction of TM/ETM,ret

4、rieve of earth reflection had been carried out. This work established the foundation of application study of the remote sensing data of TM/ETM.Furthermore the paper analysiced and tested the retrieved result from spational and spectral dimentions by the surveying data of ground spectrum apparatus.It

5、 is considering that the COST model completely meet the need of application study of remote sensing data of TM/ETM.Key Words:atmospheric and radiometric correction; COST model;earth relative reflection; Landsat Thematic Mapper data1基于TM/ETM+遙感數(shù)據(jù)的COST模型與理論遙感圖像輻射值受來自大氣層的影響是多方面的。就被動傳感器而言，一方面大氣層的吸收和散射使來

6、自地物目標(biāo)的輻射能量在到達(dá)傳感器之前因衰減而降低；另一方面，大氣反射和散射形成的路徑輻射和地物目標(biāo)輻射一起進(jìn)入遙感探測器，導(dǎo)致遙感輻射量失真，質(zhì)量和對比度下降，猶如蒙上一層薄霧。因此，大氣校正是遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)和應(yīng)用的關(guān)鍵。盡管大氣輻射傳輸原理是相同的，但由于傳感器本身性能和參數(shù)的不同，不同傳感器獲得的遙感數(shù)據(jù)在大氣校正的具體方法上有所差別，就Lansant5和Landsat7（六波段除外）的數(shù)據(jù)而言，目前國內(nèi)外學(xué)者在大氣校正時應(yīng)用較多的是黑體消除法，其中Crist 等和Chavez就黑體消除法提出了各自行之有效的模型和算法。Crist 等假設(shè)研究區(qū)具有相同的黑體背景，利用TC（Tasse

7、led Cap）變換的第四成分作為黑體輻射指標(biāo)(Crist，1986)，以此去除黑體輻射不失為一種有潛力的方法。傳統(tǒng)的黑體消除方法認(rèn)為近紅外輻射不存在散射影響，因此近紅外波段上測得的任何潔凈深水體或陰影面積輻射值大于零均被認(rèn)為是大氣散射和路徑輻射的結(jié)果，即近紅外波段的灰度值可以近似于大氣層輻射值，以此來推算其它波段的大氣層輻射值和有關(guān)的大氣性質(zhì)參數(shù)，這種黑體去除常常會矯枉過正，不適于黑體不存在的影像(Chavez, 1996)。鑒于此，COST模型基于以下的理論假設(shè)：一是每一波段均存在反射率為1的黑體輻射，黑體輻射值取決于大氣頂層的太陽輻照度；二是大氣性質(zhì)是均一的，傳感器每一波段的最小輻射亮度

8、值除黑體輻射影響外，主要還有大氣分子的瑞利散射和氣溶膠的米氏散射和反射作用的影響。其概念模型概括為以下三個步驟：一是將遙感器記錄的DN值轉(zhuǎn)換為遙感器的光譜輻射值，即根據(jù)遙感器的增益與偏移進(jìn)行遙感器定標(biāo)；二是遙感器的光譜輻射值轉(zhuǎn)換為遙感器的相對反射值；三是消除因大氣吸收和散射造成的大氣影響，即大氣糾正，同時計算地球表面像元相對反射率（見圖1 COST大氣糾正概念模型）。圖1COST大氣糾正概念模型Fig1Concept model flow of atmospheric correction for COST根據(jù)太陽輻射和大氣傳輸原理與過程，TM/ETM+數(shù)據(jù)地面反射率反演的數(shù)學(xué)模型(Chave

9、z, 1996)34可綜合表達(dá)為：=×D2×(LsatI-LhazeI)/ESUNI×COS2(SZ)（1）其中：地面相對反射率；D日地天文單位距離；LsatI傳感器光譜輻射值，即大氣頂層的輻射能量；LhazeI大氣層輻射值； ESUNl大氣頂層的太陽平均光譜輻射，即大氣頂層太陽輻照度；SZ太陽天頂角。2實驗遙感數(shù)據(jù)與模型參數(shù)的確定方法2.1實驗區(qū)遙感數(shù)據(jù)特征實驗區(qū)共采用了四個時相的多波段遙感數(shù)據(jù)，和Lansat7數(shù)據(jù)獲取時間分別為1990年08月29日和1991年06月29日（Landsat5，TM），2001年05月31日和2002年09月23日（Landsa

10、t7，ETM），遙感影像的空間分辨率均為30米。產(chǎn)品校正水平為系統(tǒng)校正，采用橫軸墨卡托投影（Tramsverse Mercator)和克拉索夫斯基(Krassovsky)橢球體建立的北京54基準(zhǔn)面進(jìn)行幾何校正。L5和L7光譜通道特征見表3.1。表1L5和L7光譜通道特征Table1The Characteristics of Spectral Chanles for L5 and L7波段號Band Number波段類型Band StypesL7 ETM+L5 TM頻譜范圍Band region（m）波段寬度Band width（m）空間分辨率Spation Resolution（IFOV，m

11、）頻譜范圍Band region（m）波段寬度Band width（m）空間分辨率Spation Resolution（IFOV，m）B1Blue-Green0.066300.0730B2Green0.08230052-0.600.0830B3Red0.067300.63-0.690.0630B4Near IR0.128300.1430B5SWIR0.217300.230B6LWIR1602.1120B7SWIR0.252300.2730B8Pan0.28152.2模型常規(guī)參數(shù)確定模型（1）中相關(guān)參數(shù)可以通過不同途徑獲得。其中：日地天文單位距離D1 - 0.01674 cos(0.9856&#

12、215; (JD-4)×/180)；JD為遙感成像的儒略日（Julian Day），可以通過儒略日算法模塊獲得；太陽天頂角90°太陽高度角；太陽高度角可以從遙感數(shù)據(jù)的頭文件中獲得；大氣頂層太陽輻照度（ESUNI）從遙感權(quán)威單位定期測定并公布的信息中獲取。實驗區(qū)上述遙感數(shù)據(jù)參數(shù)見遙感數(shù)據(jù)技術(shù)參數(shù)表（表3.2）。表2遙感數(shù)據(jù)技術(shù)參數(shù)（一）Table2The Image Data Parameters(one)數(shù)據(jù)類型Data Type成像時間（年月日）Image time(YYMMDD)太陽高度角（度，SE）Solar Elevation Angle太陽天頂角（度，SZ）Sol

13、ar Zenith Angle儒略日J(rèn)ulian Day日地距離（天文單位，D）Earth-Sun Distance in astronomical unitsL5TM1990082951.460338.53972448132.51.015221641991062961.005728.99432448436.51.00146796L7ETM+2001053165.0025.00002452060.50.993417552002092347.5042.50002452540.51.01673999Note: JDhttp:/wise-obs.tau.ac.il/eran/Wise/Util/Ju

14、lian_Day.html。表3遙感數(shù)據(jù)技術(shù)參數(shù)（二)大氣頂層太陽輻照度（ESUNI）Table3Solar Exoatmospheric Spectral Irradiances(ESUNI) (W/cm2.ster.m)BandTM1TM2TM3TM4TM5TM7L5 TM195.7182.9155.7104.721.937.452L7 ETM+196.9184155.1104.422.578.2072.3遙感器光譜輻射定標(biāo)由遙感器的靈敏度特征引起的輻射畸變主要由其光學(xué)系統(tǒng)或光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的特征形成的，光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的靈敏性特征通常很重復(fù)，其校正一般是通過定期的地面測定值進(jìn)行的。Lansat5

15、和7系列的遙感器糾正是通過飛行前實地測量，預(yù)先測出了各個波段的輻射值和記錄值之間的校正增益系數(shù)和校正偏移量。遙感器光譜輻射定標(biāo)時采用以下轉(zhuǎn)換算式：LsatI=Bias+(Gain×DN)（2）單位：mW cm- ster-1mm-1(for Landsat) 其中：Bias偏移；Gain增益；DN象元值。從頭文件中獲取的偏置和增益值見L5和L7各波段光譜通道的增益和偏置表（表3.3）。表4L5和L7各波段光譜通道的增益和偏置單位：W/m2. ster.mTable4the Gains and Biases of L5 and L7unit: W/m2. ster.m1750波段號Ba

16、nd NumberL5 TM1990/1991L7 ETM+2001/2002增益GAINS偏置BIASES增益GAINS偏置BIASESB10.99992-0.010001.18070871-7.38070852 B22.42430-0.023201.20984250-7.60984259 B31.36344-0.007800.94251966-5.94251966 B42.62901-0.019300.96929136-6.06929127 B50.58771-0.008000.19122047-1.19122047 B63.201070.25994B70.38674-0.004000.0

17、6649607-0.416496062.4大氣校正任何一種依賴大氣物理模型的大氣校正方法都需要先進(jìn)行遙感器的輻射校準(zhǔn)。大氣對光學(xué)遙感的影響是很復(fù)雜的。Chavez等提出了基于圖像本身的大氣參數(shù)估計方法的大氣校正COST模型為：Lhazel=LI,min-LI,1%（Chavez, 1996）（3）其中：Lhazel大氣層光譜輻射值；LI,min遙感器每一波段最小光譜輻射值；LI,1%反射率為1%的黑體輻射值。遙感器的最小光譜輻射值LI，min的轉(zhuǎn)換算式為：LI，min=LMINI+QCAL×（LMAXI-LMINI）/QCALMAX（4）其中：QCAL每一波段最小DN值（亮度值）；Q

18、CALMAX255；LMAXl、LMINl為常數(shù)，指遙感器光譜輻射值的上限和下限，從遙感數(shù)據(jù)頭文件或權(quán)威部門定期公布信息中獲取，本實驗參數(shù)見遙感器光譜輻射動力范圍及其大氣輻射定標(biāo)值表（表3.4）。表5遙感器光譜輻射動力范圍及其大氣輻射定標(biāo)值Table5the Dynamic Ranges of Spectral Radiometric and Atmospheric Correction波段號Band NumberLmin/LmaxLI,hazeL5 TM1990/1991L7ETM+2001/2002L5TM1990L5TM1991L7ETM+2001L7ETM2002B1-0.01/253

19、.9697-73807/292.548357.1181-4.11574.457612.4341B2-0.0232/615.7491-7.6098/299.720048.7808-2.37651.21632.3936B3-0.0078/346.3060-5.9425/233.480823.4753-2.7087-3.0283-3.2058B4-0.0193/667.7493-6.0693/240.154515.8378-0.1300-4.0374-4.4553B5-0.008/149.2704-1.192/47.38352.40090.0057-1.2060-1.3146B60.2599/813

20、.3307B7-0.004/98.2280-0.4165/16.47510.74860.3618-0.2983-0.2435表6遙感器光譜輻射動力范圍及其大氣輻射定標(biāo)值（續(xù)）Table6the Dynamic Ranges of Spectral Radiometric and Atmospheric Correction波段號Band NumberLI，minLI，1%L5TM1990L5TM1991L7ETM+2001L7ETM2002L5TM1990L5TM1991L7ETM+2001L7ETM2002B161.74190.98607.909818.49554.62395.10173.4

21、5226.0614B253.10232.39164.44238.05804.32144.76813.22605.6643B327.15411.3053-0.30901.56883.67884.05902.71934.7746B418.31162.5994-2.2070-1.24142.47382.72941.83043.2139B52.91900.5774-0.8102-0.61980.51810.57170.39570.6948B6386.07002.4485B70.76640.3812-0.2840-0.21780.01790.01950.01430.0257黑體輻射值LI，1%的轉(zhuǎn)換算式

22、：LI，1%=0.01*ESUNI*COS（SZ）/（*D）（5）LI，1%假設(shè)黑體反射率為1各波段的黑體輻射值（Chavez， 1996；Moran 等，1992）45。將各項參數(shù)代入上述公式（3）、（4）、（5）分別計算得出遙感器1、2、3、4、5、7波段的最小光譜輻射值、黑體輻射值和大氣輻射定標(biāo)值（見表3.4遙感器光譜輻射動力范圍及其大氣輻射定標(biāo)值）；將（2）、（3）公式的計算結(jié)果及其它相應(yīng)參數(shù)代入（1）式便獲得TM/ETM遙感數(shù)據(jù)的地面相對反射率。3結(jié)果分析3.1波段相關(guān)性對比分析與驗證分別在1990年的TM的DN值影像和反射值影像上取60×60像元樣本，求各波段間的相關(guān)系數(shù)

23、。結(jié)果表明，反演后各波段地表相對反射率的相關(guān)系數(shù)總體上均大于遙感影像各波段DN值的相關(guān)系數(shù)（見表4.1）。其中較為獨立的第四波段與其它波段的反射率相關(guān)性顯著提高，其次是第七、第五波段?？梢奀OST模型校正效果是顯著的。另外，將ASD-FieldSpec-FRTM光譜儀野外實測的34個外業(yè)裸土樣點的波譜按Lansat5、7的波譜范圍匯總其反射值，并進(jìn)行波段間的相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地面光譜儀實測波段反射率之間的相關(guān)性與TM、ETM反射率反演后的波段相關(guān)性具有較高的一致性，尤其是1、2、3波段之間（見表4.2）。這可能是因為大氣層的選擇性散射強(qiáng)度與波長有關(guān)，波長越長，大氣層中由分子引起的瑞利散射減

24、弱，由氣溶膠引起的米氏散射增強(qiáng)。一般氣候條件下，瑞利散射起主導(dǎo)作用。因此，從波段相關(guān)性對比分析角度講，COST模型對大氣層散射作用校正的效果還是較為突出的。表7TM90遙感影像各波段的泊松相關(guān)系數(shù)Table7Pearson Correlation for Bands of TM90band1band2band3band4band5band7band110.9888*0.9898*0.7739*0.9646*0.9719*band20.9036*10.9922*0.7515*0.9507*0.9643*band30.9219*0.9376*10.7303*0.9529*0.9742*band40

25、.0689*0.2742*0.0480*10.8256*0.7407*band50.8069*0.8384*0.7574*0.4011*10.9853*band70.8779*0.8763*0.8563*0.2012*0.9540*1* Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).*Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed).注：對角線左下方為TM90影像DN值的相關(guān)系數(shù)；對角線右上方為TM90反射率的相關(guān)系數(shù)。表8地面光譜儀實測波譜合并后各波段反射率的相關(guān)系

26、數(shù)Table 8Pearson Correlation for Ground Survey Spectrumsb1b2b3b4b5b7b110.9888*0.9898*0.7739*0.9646*0.9719*b20.9884*10.9922*0.7515*0.9507*0.9643*b30.9842*0.9867*10.7303*0.9529*0.9742*b40.8302*0.8612*0.7937*10.8256*0.7407*b50.8701*0.8650*0.8995*0.7944*10.9853*b70.8555*0.8221*0.8945*0.6003*0.9421*1* Cor

27、relation is significant at the 0.01 level (2-tailed).注：對角線左下方為地面波譜合并后反射率的相關(guān)系數(shù)；對角線右上方為TM90反射率的相關(guān)系數(shù)。3.2影像特征值的對比分析標(biāo)準(zhǔn)差反映出影像像元值的分散程度，存在黑體的影像（如山體陰影），像元值的分散度高，COST模型能夠消除這種黑體，剔除像元極值，降低分散度。分別在四個時點的DN值和反射率影像上相同位置取60×60樣點，匯總分析各波段影像樣點的像元值標(biāo)準(zhǔn)差。從分析結(jié)果看出：各波段反射值標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于DN值標(biāo)準(zhǔn)差（見表4.3）?？梢?，COST大氣校正能夠收斂像元值域，起到消除黑體的作用。

28、表9TM/ETM+影像DN值與反射率的標(biāo)準(zhǔn)差Table 9the SD of DN Value and Refleotim for the TM/ETM+時間 time19900829199106292001053120020923平均 average1波段 Band1DN值 DN value12.4711.3516.9134.9918.93反射率 Reflection1.657.703.556.824.932波段 Band2DN值DN value11.379.8121.0737.0819.83反射率 Reflection47.936.283波段 Band3DN值 DN

29、value22.8720.0524.8337.6226.34反射率 Reflection5.0511.375.267.427.284波段 Band4DN值 DN value15.1212.8525.0237.6722.67反射率 Reflection5.0516.158.0811.3710.165波段 Band5DN值 DN value33.7631.0237.0739.1635.25反射率 Reflection7.2217.4610.9210.7811.607波段 Band7DN值 DN value24.3923.7438.5139.7331.59反射率 Reflection7.3215.3

30、110.8210.4610.983.3光譜特征對比分析與驗證首先基于知識結(jié)合野外調(diào)查人機(jī)交互判讀出影像上的土地利用類型，然后在ENVI平臺上分別對DN值和反射率影像進(jìn)行地物光譜樣點采集，每種地類的樣點數(shù)為30。TM/ETM四個時期的影像上不同地類的光譜匯總結(jié)果見圖2至圖5。匯總結(jié)果表明，COST模型糾正后的地物光譜基本反映出Landsat數(shù)據(jù)的特點，即水田、旱地和林地在1、3波段光譜吸收谷明顯；水田、旱地在2、4波段光譜反射峰較為顯著；沙地、旱地、林地含水量依次降低，在5波段反射率依次升高；研究區(qū)土壤發(fā)育于黃土母質(zhì)，成土作用微弱，其性狀與母質(zhì)相似，化學(xué)成分以SiO2和AL2O為主，粘土礦物以水云母為主，表土多為粉砂輕壤質(zhì)，粒狀或不穩(wěn)定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，有機(jī)質(zhì)含量低，因此采樣區(qū)的旱地、林地的地表巖性和粘土礦物基本相同，覆蓋類型不同但覆蓋度差別不大，故在7波段的光譜特征趨向一致；沙地表現(xiàn)為風(fēng)成沙母質(zhì)出露，粘土礦物微弱，表土多為砂質(zhì)或礫質(zhì)，基本無覆蓋或覆蓋度低于5%，故其光譜反射率較高；研究區(qū)水田多分布在河套川地，是長期利用富含泥沙的河水灌溉、淤積和耕作施肥交替作用下形成的，水云母含量高，表土多為中壤質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量高，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，光譜反射率低