定量遙感六章大氣糾正

定量遙感

QuantitativeRemoteSensingofLandSurface光學(xué)圖像的大氣糾正主要內(nèi)容引言；單視角圖像的糾正方法；多視角圖像的糾正方法；估算整層大氣水汽含量的方法；最新進(jìn)展；小結(jié)6.1引言大氣糾正：從遙感圖像獲取地表反射率的過程；兩部分：大氣參數(shù)估計(jì)和地表反射率反演；大氣效應(yīng)：分子和氣溶膠的散射和氣體吸收。分子散射和臭氧、氧氣引起的吸收容易糾正，難點(diǎn)是從圖像上估算氣溶膠和水汽的空間分布。包括相對(duì)糾正：以某一清晰圖為參考，將其他圖糾正到該參考圖的大氣狀況上；絕對(duì)糾正：去掉大氣影響。AdiagramshowingatmospherehowtoaffectonRSdataAtmosphericpathradianceIrradiationfromsunE0TotalradiancefromdifferentsourcesAtmospherelayerSurfacereflectionSunSensorTransmittanceTransmittance

Radiativetransfer(RT)modelTheat-sensorradianceLcanberelatedtotheLambertiansurfacereflectancer

byWhere,

:atmosphericpathradiance,:twowaytransmittanceforthesun-surface-sensorpath,S:sphericalalbedooftheatmosphere,

:exoatmosphericsolarirradiance,and:solarzenithangle.

Applythesolutiontocorrectradianceand retrievereflectanceUsingLimg–,simplycalculatecorrected radianceforsatelliteimagesWithknown ,thesurface reflectancercanberetrievedusingtheRT model.

Outputreflectanceimageswithinputoforiginal radiancefromsatelliteimage.利用6S模型進(jìn)行大氣訂正：模型輸入：

landsatTM第2波段（0.500~0.650um），北京，1月12日上午10：30點(diǎn)，能見度23km，地表朗伯，地表反射率0.5；第一步：利用6S模型進(jìn)行大氣訂正：模型輸出：可以從輸出結(jié)果得到以下參數(shù)值：E427.306T0.872557S0.11953La15.254在地表真實(shí)反射率為0.5的情況下，6S計(jì)算的表觀輻亮度78.396w/m2/sr/mic

表觀反射率0.3722（經(jīng)過大氣后反射率削弱）將此時(shí)的表觀輻亮度78.396代入（1）中，求得地表真實(shí)反射率為0.5002（幾乎等于真實(shí)的地表反射率0.5）可以得到大氣糾正公式：-------------（1）第二步：6.2單視角圖像的糾正方法6.2.1不變地物法invariant-objectmethods假設(shè)：有的像元反射率不隨時(shí)間變化；一幅影像上的像元大氣影響相同。方法，有清晰參考圖J，其他圖像利用基于“不變像元”的線性回歸來標(biāo)準(zhǔn)化為圖J。6.2單視角圖像的糾正方法6.2.1不變地物法invariant-objectmethods限制：每一波段都要找到從黑到白不同亮度的不變像元，否則回歸關(guān)系不準(zhǔn)確；如果是對(duì)TOA輻亮度的標(biāo)準(zhǔn)化=/地表反射率的標(biāo)準(zhǔn)化，因?yàn)樗鼈兊年P(guān)系不是線性的：6.2單視角圖像的糾正方法6.2.1不變地物法invariant-objectmethods優(yōu)點(diǎn)：簡單，正向；缺點(diǎn)：是統(tǒng)計(jì)方法，相對(duì)校正，很難糾正不均勻的氣溶膠散射。6.2單視角圖像的糾正方法6.2.1不變地物法invariant-objectmethods另一方法：查找表（1）根據(jù)氣溶膠厚度和水汽含量用輻射傳輸包（MOTRAN/6S）建查找表r，LTOA，（2）假設(shè)氣溶膠厚度和水汽含量來確定J圖中不變像元的反射率r（3）根據(jù)查找表和I圖中不變像元的頂層輻亮度（+第2步算出的r）確定I圖大氣參數(shù)；（4）根據(jù)大氣參數(shù)計(jì)算I圖其他像元的反射率。6.2單視角圖像的糾正方法6.2.2直方圖匹配histogrammatchingmethods假設(shè)：清晰和模糊區(qū)域的地表反射率直方圖相同（意味著兩區(qū)域的各類地物比例相同?!）6.2單視角圖像的糾正方法6.2.2直方圖匹配histogrammatchingmethods優(yōu)點(diǎn)：簡單，erdas軟件帶有；缺點(diǎn)：假設(shè)太武斷！6.2單視角圖像的糾正方法6.2.3暗目標(biāo)法dark-objectmethod老暗目標(biāo)法：假設(shè)有反射率為0的像元，不為0是由于大氣的影響，所以各波段像元值減去反射率本該為0的像元值；6.2單視角圖像的糾正方法6.2.3暗目標(biāo)法dark-objectmethod新暗目標(biāo)法：濃密植被為暗目標(biāo)。步驟如下：

1、閾值法找到濃密植被像元；

2、根據(jù)藍(lán)光、紅光與2.1um中紅外的統(tǒng)計(jì)關(guān)系計(jì)算紅藍(lán)波段的反射率；

3、利用查找表確定藍(lán)、紅反射率的光學(xué)厚度；

4、由藍(lán)、紅反射率的光學(xué)厚度確定光學(xué)厚度函數(shù)，進(jìn)而確定其他波段的光學(xué)厚度；

5、內(nèi)插得整圖的光學(xué)厚度，進(jìn)而反演地表反射率。6.2單視角圖像的糾正方法6.2.4對(duì)比度降低法contrastreductionmethod假設(shè)：氣溶膠越多，TOA反射率（輻亮度）的差異越小（模糊）反射率輻亮度遙感得到TOA反射率差異，地表反射率差異可由清晰影像估算（需要假設(shè)地表反射率不變？），由此可計(jì)算大氣厚度，進(jìn)而大氣糾正。適合灰塵和大霧6.2單視角圖像的糾正方法6.2.5類型匹配法clustermatchingmethod6.2單視角圖像的糾正方法Liang法的步驟：clustermatchingmethod（1）建立查找表：用輻射傳輸方程正向計(jì)算；如果地表郎伯，大氣水平均一：6.2單視角圖像的糾正方法Liang法的步驟：（2）估算氣溶膠厚度：假設(shè)同類地物的地表反射率一樣，無論是清晰還是模糊影像。6.2單視角圖像的糾正方法Liang法的步驟：（3）地表臨近效應(yīng)：大氣和陸地之間大量多次散射造成，使得受鄰近像元影響，產(chǎn)生暗像元變亮，亮像元變暗效果。考慮臨近效應(yīng)的郎伯表面TOA反射率公式：總有效地表反射率：包含臨近效應(yīng)地表到傳感器散射透過率6.2單視角圖像的糾正方法Liang法的步驟：（3）地表臨近效應(yīng)：計(jì)算re按像元離散化，積分變加和：6.4估算整層大氣水汽含量的方法目的：校正近紅和中遠(yuǎn)紅外影像，必須考慮水汽吸收。對(duì)于近紅和中紅外，只需整層大氣的水汽含量；對(duì)于熱紅外，需要水汽廓線。主要2類方法：遙感系統(tǒng)外獲取；利用遙感影像自身獲取。6.4估算整層大氣水汽含量的方法6.4.1概述外部方法：（1）地表觀測法：高時(shí)間分辨率，低空間分辨率；（2）基于地表的LiDAR法：向天空發(fā)射激光，測量回波量和時(shí)間，測量各高度的大氣密度。垂直分辨率高，白天時(shí)間分辨率高；（3）GPS法：由于水汽是GPS誤差的主要來源。如果信號(hào)接收位置已知，就可以根據(jù)檢測到的信號(hào)誤差計(jì)算水汽含量；6.4估算整層大氣水汽含量的方法6.4.1概述外部方法：（4）無線電探空儀：探空氣球，垂直分辨率高，水平分辨率低，不同時(shí)間分辨率；（5）飛機(jī)：機(jī)上搭載儀器。專業(yè)機(jī)費(fèi)用昂貴，商用飛行項(xiàng)目尚未成熟；（6）紅外探測（infraredsoundingsensors）：基于特定分子的光譜判斷大氣組成。從6700-8200nm和13300-18600nm兩個(gè)通道得到垂直廓線，這兩個(gè)通道對(duì)水汽敏感；6.4估算整層大氣水汽含量的方法6.4.1概述外部方法：（7）微波探測（microwavesensors）：提供未結(jié)冰海洋整層大氣的水汽含量，垂直分辨率很差；（8）掩日法（solaroccultationmethods）：側(cè)向觀測大氣以及被動(dòng)接收折射電磁波來確定大氣廓線。通過流體力學(xué)和平衡態(tài)方程確定大氣密度，壓力，溫度廓線；6.4估算整層大氣水汽含量的方法6.4.1概述外部方法：（9）航天GPS法：信號(hào)從GPS衛(wèi)星傳輸?shù)降蛙壭l(wèi)星（LEO），穿透大氣層時(shí)利用無線電波掩蓋進(jìn)行主動(dòng)探測。原理是大氣可透射、彎曲以及傳播信號(hào)，已知兩個(gè)衛(wèi)星的位置，就可以確定延時(shí)進(jìn)而確定大氣廓線；6.4估算整層大氣水汽含量的方法6.4.2差分吸收法直接從多光譜和高光譜傳感器估算整層大氣的水汽含量；主要思路：在水汽吸收區(qū)域（如0.94um）取一波段，并在水汽吸收外取幾個(gè)波段，2類波段間的差異顯示水汽含量。很多算法：narrow/widealgorithm；continuuminterpolationbandratioalgorithms；curvefittingalgorithm；atmosphericprecorrecteddifferentialabsorptionalgorithm；6.4估算整層大氣水汽含量的方法6.4.2差分吸收法867nm1009nm6.4估算整層大氣水汽含量的方法6.4.2差分吸收法定義量R權(quán)重6.4估算整層大氣水汽含量的方法6.4.2差分吸收法建立水汽含量和R間關(guān)系：低估了暗目標(biāo)表面的水汽含量6.4估算整層大氣水汽含量的方法6.4.2差分吸收法TahlandSchonermark(1998)修正：AfurthercorrectionisrequiredtoremovetheestimationbiasesbyV/f估算相對(duì)誤差小于20%6.4估算整層大氣水汽含量的方法6.4.2差分吸收法估算誤差3.1kg/m26.4估算整層大氣水汽含量的方法6.4.2差分吸收法估算誤差1.7kg/m26.4估算整層大氣水汽含量的方法6.4.3分裂窗算法如果沒有適用差分法的波段，用此替代；原理：兩個(gè)具有不同水汽吸收率的熱紅外波段（如11um，12um），這2個(gè)波段的亮溫影像協(xié)方差-方差可以估算整層大氣水汽含量。6.4估算整層大氣水汽含量的方法6.4.3分裂窗算法假設(shè)無云的大氣水平均一，地表溫度和反射率變化不大。那么兩波段影像上相鄰像元的亮度溫度差之比滿足：對(duì)于海面，可以分為發(fā)射率為1，那么R只與t有關(guān)，而t由于吸收氣體總量有關(guān)：6.4估算整層大氣水汽含量的方法6.4.3分裂窗算法假設(shè)其他氣體不變，整體透過率t的指數(shù)函數(shù)的一次近似是線性函數(shù)，則可以認(rèn)為R與水汽總量線性相關(guān)。Jedlovec（1990）用亮度溫度空間方差擴(kuò)展這一方法：6.4估算整層大氣水汽含量的方法6.4.3分裂窗算法再與水汽含量W建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系：以上2個(gè)關(guān)系都用到了AVHRR圖像中。6.4估算