高光譜遙感大氣校正

1、武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感1第2節(jié) 高光譜遙感大氣校正 武漢大學遙感信息工程學院武漢大學遙感信息工程學院 龔龔 龑龑高光譜遙感高光譜遙感第三章第三章 地物光譜重建地物光譜重建武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感2第三章第三章 第第2節(jié)節(jié) 高光譜遙感大氣校正高光譜遙感大氣校正一、大氣校正簡介二、大氣輻射傳輸過程的定量分析三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型四、輻射校正的統(tǒng)計學模型武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感3DNLLT傳感器定標傳感器定標傳感器響應關(guān)系大氣傳輸過程地面目標特性大氣校正大氣校正已知未知定標從入瞳輻射值中消除大氣影響L灰度傳感器入瞳處 輻射

2、值輻射值 L一、大氣校正簡介1.1地物光譜重建與大氣校正武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感4 大氣校正 核心核心是估算地氣系統(tǒng)的輻射狀況及大氣的光學參數(shù)。 遙感定量化遙感定量化研究的主要難點之一。（多源） 定義定義：根據(jù)大氣狀況對遙感圖像測量根據(jù)大氣狀況對遙感圖像測量值進行調(diào)整，以消除大氣影響。值進行調(diào)整，以消除大氣影響。一、大氣校正簡介1.1地物光譜重建與大氣校正武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感5 吸收 散射 折射 反射1.2 大氣輻射傳輸影響要素一、大氣校正簡介武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感6大氣吸收大氣吸收 降低透射率，是大氣校正中的重要因素 形

3、成大氣窗口 能級的躍遷導致波長變化（復雜）一、大氣校正簡介大氣散射大氣散射 改變傳播方向，不改變波長 照亮陰影，降低圖像反差 是可見光波段輻射衰減的主要原因1.2 大氣輻射傳輸影響要素武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感7大氣折射大氣折射 傳播方向的偏折，引起幾何畸變。 與太陽的高度角密切相關(guān)。大氣反射大氣反射 在介質(zhì)層的交會面處出現(xiàn)。一、大氣校正簡介1.2 大氣輻射傳輸影響要素武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感8第三章第三章 第第2節(jié)節(jié) 高光譜遙感大氣校正高光譜遙感大氣校正一、大氣校正簡介二、大氣輻射傳輸過程的定量分析三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型四、輻射校正的統(tǒng)計學

4、模型武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感92.1 可見光及近紅外波段可見光及近紅外波段0()(/)cos()()gvdgssvddLLTLETETL灰度可見光及近紅外波段簡化輻射傳輸過程程輻射透射天空光反射能傳感器入瞳處0()gdsvTEE大氣透射率地物反射率太陽輻照度大氣向地面散射太陽輻照度太陽天頂角觀測天頂角二、大氣輻射傳輸過程的定量分析武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感102.2 熱紅外波段熱紅外波段灰度可見光及近紅外波段簡化輻射傳輸過程透射天空光發(fā)射能傳感器入瞳處大氣上行輻射大氣下行輻射00()()(1)()svvLB TTLL T 00( )( )svBTTLL

5、 地物亮溫 地表比輻射率 大氣透射率 大氣上行輻射大氣下行輻射二、大氣輻射傳輸過程的定量分析武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感11第三章第三章 第第2節(jié)節(jié) 高光譜遙感大氣校正高光譜遙感大氣校正一、大氣校正簡介二、大氣輻射傳輸過程的定量分析三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型四、輻射校正的統(tǒng)計學模型武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感123.1 基本原理基本原理 利用基于輻射傳輸原理建立起來的大氣校正模型校正方法是精度較高的一種方法，基本原理是利用電磁波在大氣中的輻射傳輸原理建立起來的模型對遙感圖像進行大氣校正。三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙

6、感高光譜遙感133.2 一般校正思路一般校正思路 作為定量遙感反演的基礎(chǔ)，地物光譜重建必須從遙感器所接受到的大氣-陸地混合信號中提取出陸表目標物體的貢獻部分,消除所觀察目標非相關(guān)的信息。從哪里入手？從哪里入手？三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型影像灰度值影像灰度值光譜反射率光譜反射率入瞳輻射值入瞳輻射值武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感14 實現(xiàn)傳感器定標后,把高光譜影像相應波段的象元灰度值轉(zhuǎn)換成具有輻射意義的亮度值。1.1.輻射亮度值計算輻射亮度值計算,nnLADNBn第 個像元在波長為 處的輻射亮度值三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.2 一般校正思路武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高

7、光譜遙感高光譜遙感152.建立起入瞳輻射亮度與表觀反射率的聯(lián)系灰度程輻射透射天空光反射能傳感器入瞳處整體看待整體看待表觀反射率表觀反射率2*)cos/(ssLEd三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.2 一般校正思路武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感16表觀反射率與入瞳輻射亮度的聯(lián)系：2*cosssELd表觀反射率的與地物光譜特征有何聯(lián)系？表觀反射率的與地物光譜特征有何聯(lián)系？三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.2 一般校正思路2.建立起入瞳輻射亮度與表觀反射率的聯(lián)系武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感173.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型（1）被大氣衰減的下行太陽輻射通量

8、（2）散射透射輻射能量（3）大氣固有的反射太陽輻射通量（1）（2）（3）入射輻通量為inEssE三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.2 一般校正思路武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感18a.a.被大氣衰減的下行太陽輻射照度被大氣衰減的下行太陽輻射照度三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路b.b.散射透射通量散射透射通量()diffsolindsEEt大氣光學厚度大氣光學厚度武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感19記總透射率為記總透射率為c.c.總透射通量總透射通量/()()()ssdirdiffdownsorsolinin

9、dsindsinsEEEEeEtEetET三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感20d.d.加載在地表的輻射通量究竟有多少？加載在地表的輻射通量究竟有多少？()downinsEET（1）（2）（3）有無其它因素？有無其它因素？（4）三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感21e.e.二次散射通量二次散射通量 二次散射通量是一種離散機制；它依賴于目標的環(huán)境而與地面與大氣之間的連續(xù)反射和散射相一致。 如果大氣的

10、半球反射率（大氣層臨界面）被定義為 S，在可通過下列公式表示：三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感220#downEE1#downEES22#()downEES#()nndownEES0#1#2#2.1().() totalnndownEEEEEESSS三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型e.e.二次散射通量二次散射通量3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感23多次地面-大氣輻射反射作用累加后：三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型e.e.二次

11、散射通量二次散射通量3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感24/()()vvdvTet 記：/1()()1voutinsdvEETetS f.加載在地面的輻射通量經(jīng)反射穿透大氣后()()1svoutinTTEES三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感25g.再加上大氣固有的反射太陽輻射通量(,)insvsvEE 三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路()()1svoutinTTEES武漢

12、大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感26()()(,)1svdesinsvsvTTEES 到達傳感器的輻射通量回顧：表觀反射率的定義？以以“地表地表- -大氣大氣”為整體目標，入射輻射通量為整體目標，入射輻射通量與出射輻射通量的比例。與出射輻射通量的比例。三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感27*()()*(,)1desinsvsvsvEETTS 因此，表觀反射率：三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光

13、譜遙感284.根據(jù)模型函數(shù)關(guān)系計算地物光譜反射率三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.2 一般校正思路傳感器接收的輻射亮度值武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感292cos()()(,)1sssvsvsvETTLdS 分析下式：已知已知參數(shù)參數(shù) 在不同的輻射傳輸模型中，大氣校正參數(shù)的形式和數(shù)量有所不同，但基本思想是類似的。三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.2 一般校正思路武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感30(1) 6S 模型 6S 模式全名為second simulation of the satellite signal in the solar spectrum ，

14、即。三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型 特點特點: :模型建立在輻射傳輸理論基礎(chǔ)之上,考慮了等多種參數(shù)的共同作用,適用于多種衛(wèi)星傳感器的波段范圍,不受研究對象及目標物類型、背景等的限制,因而在輻射及遙感等學科中越來越受到重視。武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感31三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型2cos()()(,)1sssvsvsvETTLdS 模型原理模型原理 把周圍環(huán)境的鄰近效應帶入 考慮地面不是均一的朗伯體水汽等吸收系數(shù)水汽等吸收系數(shù)環(huán)境反射率環(huán)境反射率簡化6S武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感32三、基于輻射傳輸

15、模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型輸入模型輸入 太陽、地物與傳感器之間的幾何關(guān)系 大氣模式 氣溶膠模式 傳感器的光譜特性 地表反射率五類參數(shù)： 這五個部分構(gòu)成了大氣輻射傳輸模型的全過程，模擬了太陽輻射經(jīng)過大氣效應到達地表到達地表，然后由地表反射通過大氣效應到達傳感器到達傳感器的整個太陽輻射傳輸過程，而且還考慮到了地表朗伯體朗伯體和非朗伯體非朗伯體反射兩個方面。武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感33三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型輸入模型輸入 太陽、地物與傳感器之間的幾何關(guān)系太陽天頂角由程序計算太陽與衛(wèi)星的天頂角和方位角輸入觀

16、測時間衛(wèi)星天頂角太陽方位角衛(wèi)星方位角交點時間輸入衛(wèi)星接收時間像素點數(shù)衛(wèi)星條件兩種輸入方式武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感34三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型輸入模型輸入大氣組分參數(shù)：包括水汽，灰塵顆粒度等參數(shù) 大氣模式 無大氣吸收八種選擇中緯度冬季美國標準大氣 若缺乏精確的實況數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)若缺乏精確的實況數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地理位置和時間，選用提供的標準模型來替代。的地理位置和時間，選用提供的標準模型來替代。 熱帶夏季近極地冬季中緯度夏季近極地夏季用戶自定義武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感35三、基于輻射傳

17、輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型輸入模型輸入 氣溶膠組分參數(shù)氣溶膠組分參數(shù)：包括水分含量以及煙塵、灰塵等在空氣中的百分比等參數(shù)。 氣溶膠模式 無氣溶膠可以選用提供的標準模型來代替可以選用提供的標準模型來代替大陸型氣溶膠海洋性氣溶膠 氣溶膠的大氣路徑長度氣溶膠的大氣路徑長度：用當?shù)氐哪芤姸葏?shù)表示方式1：波長500nm處的光學厚度方式2：氣象能見度武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感36三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型輸入模型輸入 傳感器的光譜特性 探測器的光譜條件，主要指相應波段對應的波長信息，可以直接輸入具體參數(shù)，也可通

18、過選擇常用衛(wèi)星類型來確定。 地表反射率地表為為郎伯體或雙向反射模式反射率隨角度的變化關(guān)系不同波長下的反射率武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感37三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型輸出模型輸出 a.輻射部分：輻射部分： 地面上地面上的直接輻照度、環(huán)境反射率及輻照度； 衛(wèi)星上衛(wèi)星上的大氣路徑反射率及輻亮度、背景反射率及輻亮度、像元反射率及輻亮度。 b.吸收部分：吸收部分： 各種氣體的向上透過率、向下透過率、總透過率； 氣體總向上透過率、總向下透過率、總透過率。 大氣參數(shù)主要包括三個方面大氣參數(shù)大氣校正系數(shù)武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感

19、38三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型輸出模型輸出 c.散射部分散射部分 大氣分子、氣溶膠的向上散射透過率、向下散射透過率、總散射透過率; 總向下散射透過率、總向上散射透過率、總散射透過率; 大氣分子、氣溶膠及總的球面反照率、光學厚度、反照率、單次反照率及相函數(shù)。 大氣參數(shù)主要包括三個方面大氣參數(shù)大氣校正系數(shù)武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感39三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型輸出模型輸出大氣參數(shù)大氣校正系數(shù) 大氣校正系數(shù)武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感40(2) LOWTRAN 模型光譜分辨率

20、 以 20cm-1 的光譜分辨率的單參數(shù)帶模式計算大氣透過率、大氣背景輻射、單次散射的光譜輻射亮度、太陽直射輻射度。模型參數(shù) 它提供了6種參考大氣模式的溫度、氣壓、密度的相關(guān)描述，H2O、O3、O2、CO2、CH4、N2O 的混合比及其他 13 種微量氣體的相應描述，城鄉(xiāng)大氣氣溶膠、霧、沙塵、火山噴發(fā)物、云、雨廓線和輻射參量如消光系數(shù)、吸收系數(shù)、非對稱因子的光譜分布。三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感41 LOWTRAN 模型是美國空軍地球物理實驗室研制的，目前流行的版本是LOWTRAN7。 LOWTRAN7增加了多次散射的計算及新的

21、帶模式、臭氧和氧氣在紫外波段的吸收參數(shù)。目前使用的LOWTRAN7 已經(jīng)基本成熟固定，自 1989 年以來沒有大的改動。LOWTRAN的發(fā)展三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型(2) LOWTRAN 模型3.3 典型模型武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感42(3) MORTRAN 模型MORTRAN 模型起源 發(fā)展了一種新的的分子吸收的算法和更新了對分子吸收的氣壓溫度關(guān)系的處理，同時維持 LOWTRAN 7 的基本程序和使用結(jié)構(gòu)。 MORTRAN模型主要是對LOWTRAN7模型的光譜分辨率進行了改進，它把光譜分辨率從20cm-1減少到2cm-1。MORTRAN 模型發(fā)展三、基于輻射傳輸

22、模型大氣校正模型3.3 典型模型武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感43 ENVI 軟件中提供的 FLAASH 大氣校正模型就是使用了改進的 MORTRAN 模型的代碼。MORTRAN 模型應用三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(3) MORTRAN 模型武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感44(4)ATCOR 模型ATCOR 模型起源 由德國 Wessling 光電研究所的 Rudolf Richter 博士于1990年研究提出的一種快速大氣較正算法，并且經(jīng)過大量的驗證和評估。 三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜

23、遙感高光譜遙感45ATCOR 模型特點ATCOR 模型應用 該模型已經(jīng)廣泛應用于很多的通用圖像處理軟件，如 PCI、ERDAS。 ATCOR 2 模型是 ATCOR 經(jīng)歷了多次改進和完善的產(chǎn)品，上述軟件中引入的即為 ATCOR 2 版本。 應用于高空間分辨率高空間分辨率光學衛(wèi)星傳感器的快快速速大氣校正模型，它假定研究區(qū)域是相對平的相對平的地區(qū)，地區(qū)，并且大氣狀況通過一個查證表來描述。三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感46第三章第三章 第第2節(jié)節(jié) 高光譜遙感大氣校正高光譜遙感大氣校正一、大氣校正簡介二、大氣輻射傳輸過程的定量分析三、基于

24、輻射傳輸模型大氣校正模型四、輻射校正的統(tǒng)計學模型武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感474.1 暗目標法暗目標法 基于影像特征進行，屬于相對輻射校正，不能得到準確的光譜反射率。 將暗目標所對應的灰度值減掉，一般只能消除加性輻射誤差。四、輻射校正的統(tǒng)計學模型武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感484.2 平面場模型平面場模型 在影像中選擇具有一定面積、較均勻的樣區(qū)，將每個像元的灰度值除以樣區(qū)的灰度平均值（逐波段進行）。 只能得到相對反射率，不能做反射率的精確定量反演。四、輻射校正的統(tǒng)計學模型武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感494.3 內(nèi)部平均法內(nèi)部平均法 首先計算整幅影像的灰度平均值，將每個像元的灰度值除以該灰度平均值（逐波段進型）。 也屬于相對輻射校正，用以改善圖像質(zhì)量。四、輻射校正的統(tǒng)計學模型武漢大學武漢大學 龔龑龔龑高光譜遙感高光譜遙感504.4 對