遙感物理第五章大氣效應(yīng)及糾正

1、第五章大氣效應(yīng)及大氣糾正第一節(jié)大氣組成與大氣的基本特性 ATMOSPHERECONTENT AND BASIC PROPERTIES第二節(jié)輻射與大氣的相互作用 INTERACTION OF RADIATION WITH ATMOSPHERE第三節(jié)大氣效應(yīng)糾正 ATMOSHPHERIC EFFECT CORRECTION第四節(jié)大氣的遙感探測 ATMOSHPHERIC REMOTE SOUNDING第三節(jié)大氣效應(yīng)糾正 ATMOSHPHERIC EFFECT CORRECTION第三節(jié) 大氣效應(yīng)糾正 ATMOSHPHERIC EFFECT CORRECTION回顧平面平行大氣的輻射傳輸方程：給定邊界

2、條件，可以求解輻射傳輸方程。實際上，遙感圖像大氣校正的目的是求取地表反射率，從某種意義上來說，是要求解邊界條件。從輻射傳輸方程來看，這是一個十分復(fù)雜的過程。0),(4),(),(4),(),(4mtpppwtpwtttm-W-W-WWWW-W=WePFdPIIddIoovvvvvvvv1零反射地表假設(shè)零反射地表是對地表大氣耦合系統(tǒng)輻射傳輸問題的簡化，它假設(shè)地表反射率為零，傳感器接收到的輻射全部來自大氣。通過零反射地表假設(shè)，我們可以求解大氣程輻射，從而將遙感圖像中來自地表的輻射和來自大氣的輻射分離，使遙感大氣訂正模型得以大大簡化。 （1）對于近紅外與可見光波段，大氣自身輻射可以忽略不計，大氣路徑

3、輻射項主要來源于大氣對太陽輻射的多次散射。對于多次散射的計算可以通過求解輻射傳輸方程（如離散坐標(biāo)法），或者直接用蒙特卡洛方法模擬獲得。在實際應(yīng)用中，我們又往往通過已有的大氣輻射傳輸模式軟件來計算，如6S軟件，Lowtran軟件，Modtran軟件等。（2）對于熱紅外波段，多次散射一般可以忽略不計，但大氣和地表自身發(fā)射必須考慮，熱紅外以后會專門討論。（3）對于中紅外波段，則既需要考慮地表與大氣自身的發(fā)射，同時又要考慮大氣的多次散射作用，因此更加復(fù)雜，我們不展開討論。 2朗伯體地表大氣訂正方法僅討論可見光/近紅外波段,在地表朗伯體、大氣水平均一假設(shè)條件下，我們可以得到：其中 ， ； 分別為觀測天頂

4、角與太陽天頂角； 為傳感器接受到的輻射亮度， 為觀測方向的路徑輻射項； 為地表反射率；S為大氣下界的半球反射率； 為大氣層頂與太陽光垂直方向的通量密度。Sv2朗伯體地表大氣訂正方法Sv無窮等比級數(shù)求和。利用入射太陽輻射項 歸一化上式可得：式中 是大氣頂部反射率， 是大氣的路徑輻射項等效反射率，將T可以分為直射和散射兩部分： 是總體光學(xué)厚度， 是散射透射率。如何進(jìn)行遙感圖像的大氣校正呢？即如何求得地表反射率？ （1）已知大氣狀況的校正方法如果已知大氣的垂直廓線（溫、濕、壓），大氣水汽含量，大氣光學(xué)厚度（氣溶膠），以及氣溶膠模式，我們可以通過大氣輻射傳輸模式模擬，計算三個不同地表反射率條件下的大氣

5、層頂輻射亮度，進(jìn)而求解得到 ，S和F值，而達(dá)到大氣效應(yīng)糾正的目的。對于可見光/近紅外波段而言，大氣狀況最主要的影響因素是大氣氣溶膠的變化，即大氣光學(xué)厚度的變化，因此關(guān)鍵是如何估算遙感圖像的氣溶膠分布。（2）參考地物法(InvariantObject Methods)對于TM等高分辨率的圖像，通常可以假設(shè)整幅圖像的大氣狀況相同，圖像的觀測天頂角也可以近似看作相同（垂直觀測），如果可以在一幅圖像中找到苦干個（3個以上）地表反射率固定不變的地物，則可以通過求解方程組得到大氣參數(shù)，進(jìn)而達(dá)到整幅圖像大氣校正的目的。 其中 ；理論上，n3即可求解，但為避免方程的相關(guān)性，一般要尋找地表反射率分別為高、中、差

6、的地物作為參考物。該方法對于時間序列的多幅影像的歸一化校正適用。（3）暗目標(biāo)方法（Dark-Object Methods）如果圖像中包含有濃密的植被或水體，因為濃密植被和水體在可見光反射率很低，被稱為暗目標(biāo)，因此傳感器所接收的輻射主要來自于大氣的程輻射，可以用于大氣光學(xué)厚度的估算，以植被為例，其算法的基本思路如下： a.確定暗目標(biāo)的存在：利用植被指數(shù)高和紅外波段反射率低的特性；或利用中紅外通道（2.1 和3.8 ）的反射率低的特性；b.利用中紅外通道的觀測估計暗像元在紅和藍(lán)通道的反射率；c. 給定氣溶膠模式（氣溶膠譜分布，折射指數(shù)，單次散射反照率等）；d.利用氣溶膠模型計算的輻射傳輸查找表，將

7、遙感觀測的輻射亮度反演為氣溶膠光學(xué)厚度；e. 利用得到的氣溶膠光學(xué)厚度對整幅遙感影像進(jìn)行內(nèi)插，得到整幅圖像的光學(xué)厚度；f. 對整幅影像進(jìn)行大氣校正。 （4）其它大氣校正方法直方圖匹配法(Histogram Matching Methods)：假設(shè)晴空條件與大氣渾濁條件下地表反射率的直方圖分布相同;算法被ERDAS和PCI等圖像處理軟件采用；反差減少法（Contrast Reduction Methods）：氣溶膠散射減小地表反射率的差異，因此局部圖像方差可以用于估算氣溶膠光學(xué)厚度;3交叉輻射項的影響又稱為臨近像元效應(yīng)。我們假定目標(biāo)是均一條件下獲得大氣校正的地表反射率為 ，其公式如下：考慮臨近像

8、元的影響，則有如下關(guān)系：其中式中 是以目標(biāo)像素為坐標(biāo)原點的局部坐標(biāo)系坐標(biāo)值， 是大氣點擴散函數(shù)（Point Spread Function） 。在實際應(yīng)用中， 是由原始圖像中校正像元為中心的2N2N像元子域計算得到的:其中 表示像元 距中心的距離。 4.非朗伯體條件下的大氣校正如果考慮地表BRDF和大氣BRDF之間的耦合，則朗伯體假設(shè)條件下的大氣校正的精度是有局限的，最早研究這一效應(yīng)的是Tanre等（1983），目前在6S模型中已比較好地考慮了BRDF的耦合效應(yīng)。 其中實際上，非朗伯體大氣校正是一個十分復(fù)雜的問題，因為以上面的公式我們知道，要進(jìn)行大氣校正必須知道地表的BRDF即 ，而通常在大氣校正前地表的雙向反射率是未知的，這就形成大氣校正環(huán)的問題，目前的主要思路是通過迭式的方法來解決（胡寶新，李小文等）。第三章大氣效應(yīng)及大氣糾正第一節(jié)大氣組成與大氣的基本特性 ATMOSPHERECONTENT AND BASIC PROPERTIES