遙感輻射校正報告

《遙感原理與應用》

期末報告現(xiàn)級:116112小組：第一組組員:彭茜蕤黃慧林劉佳慧周林指導教師：陳啟浩課題：遙感影像輻射校正中國地質(zhì)大學信息工程學院信息工程系2013年5月目錄輻射校正的概念和原理輻射校正的原理部分輻射校正方法效果展示輻射校正相關前沿5.參考文獻6.小組成員分工輻射校正的概念和原理由于傳感器響應特性和大氣的吸收、散射以及其他隨機因素的影響，導致圖像模糊失真，造成圖像的分辨率和對比度的相對下降。輻射校正糾正由于遙感檢測系統(tǒng)、大氣散射和吸收等原因引起的圖像模糊失真、分辨率和對比度下降等輻射失真。為了得到相對真實有用的遙感圖像，這些因素導致的圖像誤差需要通過輻射校正來復原。輻射校正的原理一、系統(tǒng)輻射校正一傳感器定標傳感器定標：傳感器定標模型可用線性公式表示如g’=kg+b，實質(zhì)是建立傳感器輸出值與傳感器入瞳處輻射亮度間的聯(lián)系。（一）光學攝影機內(nèi)部輻射誤差校正光學攝影機內(nèi)部輻射誤差主要是由鏡頭中心和邊緣的透射光的強度不一致造成的，它使得在圖像上不同位置的同一類地物有不同的灰度值。設原始圖像灰度值g，校正的圖像灰度g’，則有g’=g/cos0；0為像點成像時光線與主光軸夾角。（二）光電掃描儀內(nèi)部輻射誤差的校正兩類誤差：（1）光電轉(zhuǎn)換誤差；（2）探測器增益變化引起的誤差。二、大氣校正定義：指消除主要由大氣散射引起的輻射誤差的處理過程。（一）公式法與衛(wèi)星掃描同步進行野外波譜測試，將地面測量結(jié)果與衛(wèi)星影像對應像元亮度值進行回歸分析，回歸方程為：a+a+bR-式中，LAi為衛(wèi)星觀測值；Ri為地面反射率；a和b為回歸系數(shù)；系數(shù)a為大氣散射引起對輻射的干擾部分a=SiLBi（式中，Si為系統(tǒng)增益因素；Lbi為大氣路徑輻射率）b表示輻射率Lai隨地面反射率Ri遞增而增長的程度大小;Ti為大氣透射率；Hi為太陽輻照度；0為太陽天頂角；i代表各波段的序號將上式代入可得：S/ljH^osOL=S/ljH^osOL=g+S頑cos。匕上式說明決定Lai的因素比較復雜，用這一公式計算Lai時需要獲得當時具體氣象參數(shù)。由前面的公式可得:—~aIAi=KR]=LAi—a式中，L’Ai即為校正后圖像灰度值；a為大氣附加輻射部分。（二）回歸分析法用長波數(shù)據(jù)來校正短波數(shù)。做法：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，將每一目標的兩個待比較的波段灰度值提取出來進行回歸分析。（三）直方圖校正法：通過灰度直方圖對比找出校正量從圖像像元亮度值中減去一個輻射偏置量（LP），輻射偏置量等于圖像直方圖中最小的輻射亮度值。前提（假設）：水體（或陰影）等物體的灰度值為0，大氣散射導致圖像上這些物體的灰度值不為0（輻射偏置量）叫灰度級灰度級圖8,6直方圖輻射校正示意圖三、噪聲消除遙感圖像的噪聲源主要有大氣傳輸通道的噪聲及傳感器內(nèi)產(chǎn)生的噪聲。大氣傳輸通道中由于大氣的湍流擾動影響產(chǎn)生隨機噪聲;傳感器的噪聲源包含有轉(zhuǎn)換和濾波過程中產(chǎn)生的噪聲，例如，光電檢測系統(tǒng)的電流不穩(wěn)定性所表現(xiàn)的散粒噪聲，即電流的無規(guī)則起伏現(xiàn)象，低光亮時為泊松分布，高光亮時為高斯分布。傳感器的另一在噪聲源為濾波器電路中的電阻、電容產(chǎn)生的熱噪聲，這種噪聲也具有高斯分布、零均值的隨機特性；熱紅外波段傳感器因各部分的溫度變化也產(chǎn)生噪聲效應；此外，攝影膠片記錄信息時存在的膠片顆粒噪聲，既由膠片上漠化銀顆粒受等值曝光時因銀顆粒的大小、形狀不完全一致，而且分布不均勻引起的。以上這些噪音均屬于對圖像的高頻干擾，因此可以采用濾波方法予以消除。

部分輻射校正方法效果展示圖1—1圖1-1中為經(jīng)過直方圖校正法校正后圖與（右半邊部分）與未經(jīng)處理的原圖對比。右邊圖中水面較左邊明顯偏暗。

磨潭理與E蠢抿示彰棣祎處理影港立I*影fi妙林僧號類擊餐盧［￡MOOIStl禰!葛光濡分析■詁分析空醐計株析好妹由回.磨潭理與E蠢抿示彰棣祎處理影港立I*影fi妙林僧號類擊餐盧［￡MOOIStl禰!葛光濡分析■詁分析空醐計株析好妹由回.13￡"?留*三?必毋￡3（81?|//小點1。0■■l—l■場t/iF「畦：字懸頊芫成當幗冊空:整甫羥示X-2M圖1-3中為經(jīng)過回歸分析校正后圖與（右半邊部分）與未經(jīng)處理的原圖對比。輻射校正相關前沿輻射校正模型現(xiàn)存問題1、模型輸入?yún)?shù)模型輸入?yún)?shù)主要有遙感圖像、DEM、太陽天頂角和太陽輻射等。1）目前，多數(shù)地形輻射校正研究主要針對Landsat圖像，對SPOT,IKONOS等高分辨率遙感圖像的研究還比較少。由于地形使天空散射光和鄰近地表反射光具有很大的隨機性和難計算性，在單源數(shù)據(jù)情況下，陰影區(qū)的地形輻射校正無論采用何種模型都不能取得較好的效果。2）DEM精度及遙感圖像與DEM配準的精度會直接或間接影響校正效果，尤其在山脊、山谷處會發(fā)生過校正或欠校正現(xiàn)象。劉學軍等對不同精度DEM的選取及其對校正的影響程度（即DEM尺度問題）有了一定的研究。但高精度和高分辨率的DEM數(shù)據(jù)往往比較昂貴且難以獲得，這在一定程度上限制了模型的發(fā)展和應用。3）太陽天頂角雖作為常量參與校正，但它會隨地球與太陽的相對位置和時間變化而改變。那么同景圖像上太陽天頂角的變化有多大？在多大范圍內(nèi)會對校正效果產(chǎn)生影響？這些問題仍需進一步研究。4）太陽輻射大體分為3個組分：太陽直接輻射、天空散射輻射和鄰近像元的反射輻射。前2個組分可在6S模型中反演得到，因此需要先對遙感圖像進行輻射定標和大氣校正，輻射定標和大氣校正的精度就會直接影響校正效果。同時，還需進一步探討太陽輻射3個組分間的影響因素及其表示方法，尤其是對鄰近像元反射輻射的計算。2、模型前提假設當前，地表特征的假設分為朗伯體和非朗伯體兩種觀點，而非朗伯體的表征一直是研究的熱點和難點。基于朗伯體假設的地形輻射校正算法雖然簡便，但校正結(jié)果卻與實際地表不符。非朗伯體模型能更真實地反映實際地表的情況，卻沒有很好的普適性。如Minnaert校正模型，其系數(shù)k要依賴于波段、相位角、地表覆蓋類型等因素，且只是用來描述地表二向性的雙向反射分布函數(shù)（bidirectionalreflectancedistributionfunction,BRDF）的一個經(jīng)驗系數(shù)；當引入前向或后向散射時，Minnaert校正算法的缺點就很明顯。Han等用V面來反映地表情況，并引入地形衰減因子來提高校正的精度，討論了基于V面假設的二向反射率校正模型的可行性。3、模型評價方法對模型的評價也是模型應用中極具挑戰(zhàn)性的一個問題。常用的評價方法有3種：目視評價、統(tǒng)計參數(shù)評價和光譜一致性評價，這3種評價方法可在一定程度上反映出模型的優(yōu)劣。聞建光等通過幾何光學交互遮蔽（li—strahlergeometryopticalmutualshadowGOMS）模型模擬生成不同模型校正后的冠層反射率，直觀地評價了各個模型，但仍不足以從定量的角度說明各模型的差異。除了在模型參數(shù)、假設前提和評價方法3個方面存在上述問題外，模型的建立也存在著一些問題，特別是針對復雜地形陰影區(qū)所引起的光譜失真，很難從經(jīng)驗關系和物理機制上準確地建立模型。結(jié)論1）從地形輻射校正模型研究進展情況可以看出，近年來發(fā)展了眾多的地形輻射校正模型，并得到了很好的應用。2）當前的地形輻射校正模型研究仍存在不足之處，主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)源存在誤差、模型假設條件不合理及模型評價方法不完善等。3）在今后的研究中，除了要重視模型的建立（如模型輸入?yún)?shù)的多元考慮、模型假設條件的考慮等），還應重視模型間的對比和模型定量評價方法的研究，以便更精確、客觀地評價其地形輻射校正的效果。在多時相遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)處理過程中，由于缺乏大氣狀況等相關信息，采用相對輻射校正方法消除不同時相遙感圖像之間的輻射亮度差異是較常用的方法。本文在2期TM影像上分別選擇以居民地及建設用地和耕地為主的研究區(qū)以及以山地和水體為主的研究區(qū)，對基于不變特征相對輻射校正方法——基于多元變化檢測輻射校正方法中不同閾值以及不同自然景觀特征影響進行進一步研究，得到以下結(jié)論：①與基于統(tǒng)計特征的輻射校正方法相比，雖然基于多元變化檢測相對輻射校正方法的RMSE值略高于圖像回歸方法，但是比較兩種方法的變異系數(shù)，該方法有利于遙感影像分類和變化檢測；②本文采用5個不同閾值比較它們之間的差異性，從RMSE和變異系數(shù)2種評價結(jié)果來看，不同閾值對基于多元變化檢測方法結(jié)果的影響不顯著；③研究區(qū)分別選擇在平原地區(qū)和山地，結(jié)果顯示在基于多元變化檢測的相對輻射校正方法中，林地和居民地及建設用地的樣本量往往取決于覆蓋面積的大小，耕地一般可獲取較多樣本，水體獲取樣本較少。實踐證明，基于多元變化檢測相對輻射校正方法，其操作性優(yōu)于傳統(tǒng)人工采集樣本的相對輻射校正方法，輻射校正結(jié)果優(yōu)于基于統(tǒng)計特征相對輻射校正方法獲得輻射校正結(jié)果，該方法具有較好的應用前景。有著多年野外試驗工作經(jīng)驗的戎志國說：“我們利用輻射特性均勻穩(wěn)定的地面目標，并將其作為'基準’。在衛(wèi)星過境時，通過遙感器對'基準'的觀測，校準遙感器偏差（輻射校正），成為確保在軌衛(wèi)星觀測精度的首要方法?！薄拔覀冊诙鼗蛨鲋饕沁M行可見光輻射校正，在青海湖主要是進行紅外校正。輻射校正星地同步觀測，需要晴天、小觀測角度等條件。一般在極軌衛(wèi)星過境前后一小時對其進行加密測量，地表反射特性為場區(qū)跑點觀測，其他的則為定點觀測?！睂O凌說。截至目前，中國遙感衛(wèi)星輻射校正場技術系統(tǒng)已經(jīng)為氣象、海洋、資源、環(huán)境減災和軍事系列共21顆國產(chǎn)遙感衛(wèi)星實施了輻射校正，僅用于臺風監(jiān)測的風云衛(wèi)星圖像就超過6萬幅。中國資源衛(wèi)星應用中心應用開發(fā)部部長付俏燕表示：“資源衛(wèi)星有很多顆，我們以該系統(tǒng)指標作為標準，每年進行輻射校正，效果不錯。資源衛(wèi)星與氣象衛(wèi)星載荷不一樣，衛(wèi)星分辨率較高，因此我們的網(wǎng)塊選擇、技術方法、數(shù)據(jù)反演方法等都借鑒于該系統(tǒng)。”目前，國際地球衛(wèi)星觀測委員會已將該系統(tǒng)列為國際上極少具備現(xiàn)場觀測條件的輻射校正基準場；世界氣象組織高度評價中國在國際輻射校正領域的主導作用；輻射校正過的圖像通過CMACast在亞太17個國家和南美洲、非洲得到業(yè)務使用。記者了解到，可見光輻射校正（系統(tǒng)定標）精度以及初級應用光輻射功率標準不確定度2項指標達到國際先進水平；敦煌光學輻射校正場均勻性、尺度指標以及基本特性參數(shù)的完整性為國際最優(yōu)；紅外、微波輻射校正業(yè)務填補了國際空白。針對大視場多光譜空間相機獲取的圖像直接合成彩色圖像后存在嚴重的色帶和片間色差、地面處理數(shù)據(jù)量大且耗時長這一問題，提出了一種大視場多光譜遙感相機的在軌自動相對輻射校正方法，給出了利用最小二乘法獲取的絕對輻射定標系數(shù)計算消除片間色差的相對輻射校正系數(shù)的公式，并在分析視頻處理器增益等成像工作參數(shù)變化對相對輻射校正系數(shù)的影響的基礎上，將校正算法在成像控制FPGA中進行了具體實現(xiàn)。實驗室均勻輻射背景成像實驗和仿真結(jié)果表明，自動相對輻射校正的結(jié)果和在地面進行相對輻射校正的結(jié)果一致，校正誤差在0.5個DN值以內(nèi)，校正后的圖像滯后原始圖像6個系統(tǒng)時鐘，可以滿足實時性要求。在軌成像實驗結(jié)果表明，經(jīng)過自動相對輻射校正后直接合成的彩色圖像去除了色帶和片間色差，使得對感興趣目標分辨和識別更加快速及時?；贔LAASH模型的MODIS1B數(shù)據(jù)的大氣校正中分辨率成像光譜儀MODIS(ModerateResolutionImagingSpectralradiometer)是美國地球觀測系統(tǒng)EOS(EarthObservingSatellites)最主要的儀器，搭載于Terra和Aqua兩顆衛(wèi)星之上，其數(shù)據(jù)在全世界范圍都可免費接收。MODIS有36個離散光譜波段，光譜范圍寬從0.4(可見光)?14.4pm(熱紅外)全光譜覆蓋。其中，前兩個波段的空間分辨率250m,3—7波段為500m，8—36波段為1000m，兩顆衛(wèi)星每天可以進行4次觀測，具有很強的實時監(jiān)測能力，在一定程度上彌補了其空間分辨率的不足，在自然災害監(jiān)測、環(huán)境變化、資源利用等方面都得到了廣泛的應用】1］。由于其時間分辨率較高，在遙感成像過程中，傳感器接收到的輻射信息是經(jīng)過大氣作用后的輻射信息。它包括了地物輻射信息和大氣輻射信息，這些會引起傳感器接收到的信號失真，因此，需要對原始遙感影像進行大氣校正，消除或者減弱大氣對遙感數(shù)據(jù)的影響，進而還原目標物的真實反射率。國內(nèi)外的眾多學者提出了很多大氣校正方法［2］，如：直方圖均衡化法(HistogramMatchingMethod)、經(jīng)驗線性法(EmpiricalLineMethod)、暗目標法(DarkObjectMethod)、6S、MODTRAN大氣校正模式等°ENVI軟件中的FLAASH模型采用的是MODTRAN4大氣輻射傳輸模型，本文利用該模型對MODIS1B數(shù)據(jù)進行大氣校正，為MODIS1B數(shù)據(jù)的進一步應用提供基礎參考數(shù)據(jù)。2大氣校正過程2.1大氣校正預處理在利用ENVI軟件對MODIS1B數(shù)據(jù)進行大氣校正前，需要進行幾個部分的預處理工作，包括幾何校正、輻射定標、格式轉(zhuǎn)換等。預處理流程如圖1所示。由于MODIS1B數(shù)據(jù)中自帶經(jīng)緯度信息，本文首先以經(jīng)度作為X方向數(shù)據(jù)，以緯度作為Y方向數(shù)據(jù)建立GLT，然后利用map模塊中的geo—referencefromGLT功能對圖像進行幾何校正。其原理就是使圖像中的每一個像素對應一個坐標，根據(jù)坐標值將此像素放在相應的位置上，從而達到幾何校正的目的。輻射定標是大氣校正的基礎步驟，目的是將記錄的原始測量值DN轉(zhuǎn)換為大氣外層表面反射率或輻射亮度。大氣校正是選擇輻射定標后的輻射亮度產(chǎn)品進行糾正在相應波段科學數(shù)據(jù)集的屬性域中讀取。不同影像不同波段的輻射校正參數(shù)scales和offsets是不同的，本文所用的實驗數(shù)據(jù)為2008年4月25日上海長江口地區(qū)的Terra影像數(shù)據(jù)，其前七個波段的輻射校正參數(shù)見表1。因為MODIS的數(shù)據(jù)存貯格式為波段順序格式(BSQ)，而FLAASH大氣校正模塊使用的是波段逐行交叉順序(BIL)或波段逐像元交叉順序(BIP)格式文件。所以，需要利用ConvertData功能將幾何糾正后的1kmRadiance輻射亮度BSQ格式轉(zhuǎn)換為BIL格式文件，并將生成文件的頭文件中各波段分別賦中心波長值。經(jīng)輻射定標后，得到天頂輻射能量，其量綱為W/(m2-pm-sr)，F(xiàn)LAASH要求輸入數(shù)據(jù)的格式是整型或者浮點型，單位是|JW/（cm2-nm-sr），因此運行FLAASH模塊前須進行換算，為符合量綱換算關系式川W（cm2,nm?sr=10W/（m2,pm?sr），需設置scalefactor縮放因子為10，進行量綱轉(zhuǎn)換。2.3大氣校正結(jié)果大氣校正前后MODIS數(shù)據(jù)6、2、1波段假彩色合成圖（如圖2所示）表明，校正后影像稍微變亮，對比度有所提高。由于大氣校正前的影像原本視覺效果較好，因此用目視的方法并不能準確地評價本次大氣校正的效果。為了評價和驗證FLAASH模型對MODIS數(shù)據(jù)大氣校正的效果，對第一波段校正前后進行了波段統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)波譜還原精度較高，能較真實地恢復地物波譜信息。此外，進一步對校正前后影像計算NDVI進行對比。由于用FLAASH模塊校正輸出的