遥感卫星影像辐射校正方法

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遥感卫星影像辐射校正方法

影像辐射校正原理

辐射校正是指对由于外界因素，数据获取和传输系统产生的系统的、随机的辐射失真或畸变进行的校正，消除或改正因辐射误差而引起影像畸变的过程。

利用传感器观测目标的反射或辐射能量时，所得到的测量值与目标的光谱反射率或光谱辐射亮度等物理量之间的差值叫做辐射误差。辐射误差造成了遥感图像的失真，影响遥感图像的判读和解译，因此，必须进行消除或减弱。需要指出的是，导致遥感图像辐射量失真的因素很多，除了由遥感器灵敏度特性引起的畸变之外，还有视场角、太阳角、地形起伏以及大气吸收、散射等的强烈影响。

遥感图像辐射校正主要包括三个方面：（1）传感器的灵敏度特性引起的辐射误差，如光学镜头的非均匀性引起的边缘减光现象、光电变换系统的灵敏度特性引起的辐射畸变等；（2）光照条件差异引起的辐射误差，如太阳高度角的不同引起的辐射畸变校正、地面倾斜、起伏引起的辐射畸变校正等；（3）大气散射和吸收引起的辐射误差改正。

辐射校正的目的主要包括：1、尽可能消除因传感器自身条件、薄雾等大气条件、太阳位置和角度条件及某些不可避免的噪声等引起的传感器的测量值与目标的光谱反射率或光谱辐射亮度等物理量之间的差异；2、尽可能恢复图像的本来面目，为遥感图像的识别、分类、解译等后续工作奠定基础。

辐射校正分为辐射定标和大气校正两部分。

辐射定标是用户需要计算地物的光谱反射率或光谱辐射亮度时，或者需要对不同时间、不同传感器获取的图像进行比较时，都必须将图像的亮度灰度值转换为绝对的辐射亮度，这个过程就是辐射定标。

大气校正是指传感器最终测得的地面目标的总辐射亮度并不是地表真实反射率的反映，其中包含了由大气吸收，尤其是散射作用造成的辐射量误差。大气校正就是消除这些由大气影响所造成的辐射误差，反演地物真实的表面反射率的过程。

辐射校正流程图

影像辐射校正方法

辐射定标主要分为两种类型：统计型和物理型。统计型是基于陆地表面变量和遥感数据的相关关系，优点在于容易建立并且可以有效地概括从局部区域获取的数据，例如经验线性定标法，内部平场域法等，另一方面，物理模型遵循遥感系统的物理规律，它们也可以建立因果关系。如果初始的模型不好，通过加入新的知识和信息就可以知道应该在哪部分改进模型。但是建立和学习这些物理模型的过程漫长而曲折。模型是对现实的抽象；所以一个逼真的模型可能非常复杂，包含大量的变量。例如6s模型，Mortran等。

用于大气辐射传输校正的模型主要有5S模型、6S模型、LOWTRAN模型、MODTRAN模型、ACORN模型、FLAASH模型和ATCOR模型。

1、ACORN模型

一种基于图像自身的大气校正软件，可以实现图像辐射值到表观地表反射率的转换，其工作波长范围是350-2500nm。在目前的大气校正程序一般都把地表假定为水平朗伯体,这主要是因为我们一般很难获取地表的充足信息以完成地形校正,因此大气校正的结果称

为拉伸的地表反射率,又称表观反射率,在地形信息已知的情况下,可以将表观反射率转

为地表反射率。

Acorn所提供的最高级的大气校正形式是基于辐射传输理论的,大气校正的方法是基

于chandrasekhar(1960,dover)公式,描述了太阳辐射源、大气、和地表对辐射的贡献关系。Caorn提供了一系列大气校正策略,包括经验法和基于辐射传输理论的方法,既可以对高光谱数据进行大气校正,也可以对多光谱图像数据进行大气校正,校正模式如下:

1)模式1:对定标后的高光谱数据进行辐射传输大气校正,输出项为地表

表观反射率。

2)模式1.5:对定标后的高光谱数据利用水气和液体水光谱你和技术进行

辐射传输大气校正。

3)模式2:对高光谱大气校正结果进行独立的光谱增强。

4)模式3:利用经验线性法对高光谱数据进行大气校正

5)模式4:对高光谱数据进行卷积处理得到多光谱数据

6)模式5:对定标的多光谱数据进行辐射传输大气校正

7)模式6:对多光谱的大气校正结果进行独立的光谱增强

2、LOWTRAN模型

LOWTRAN是一种低分辦率(分辦率大于等于20cm-1)大气辐射传输模式。它提供了6种参考大气模式的温度、气压、密度的垂直廓线,水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳、一氧化二

氮的混合比垂直廓线,其他13种微量气体的垂直廓线,城乡大气气溶胶、雾、沙尘、火山喷发物、云、雨的廓线,辐射参量(如消光系数、吸收系数、非对称因子的光谱分布),以及地外太阳光谱。

lowtran7可以根据用户的需要,设置水平、倾斜及垂直路径,地对空、空对地等各种探测几何形式,适用对象广泛。lowtran7的基本算法包括透过率计算方法,多次散射处理和几何路径计算。

1)多次散射处理

lowtran采用改进的累加法，自海平面开始向上直至大气的上界,全面考虑整层大气和地表、云层的反射贡献,逐层确定大气分层每一界面上的综合透过率、吸收率、反射率和辐射通里。再用得到的通里计算散射源函数,用二流近似解求辐射传输方程。

2)透过率计算

该模型在单纯计算透过率或仅考虑单次散射时,采用参数化经验方法计算带平均透过率,在计算多次散射时,采用k-分布法。

3)光线几何路径计算

考虑了地球曲率和大气折射效应，将大气看做球面分层，逐层考虑大气折射效应。

3、MODTRAN模型

MODTARN(ModerateResolutionTransmission)这是由美国空军地球物理实验(AFGL)开发的计算大气透过率及辐射的软件包。MODTRAN从LOWTRAN发展而来,它提高LOWTRAN的光谱分辨率。MODTRAN的基本算法包括透过率计算,多次散射处理和几何路径计算等。需要输入的参数有四类：计算模式,大气参数,气溶胶参数和云模式。MODTRAN有四种计算模式：透过率,热辐射,包括太阳或月亮的单次散射的辐射率,直射太阳辐照度计算。

用MODTRAN进行大气纠正的一般步骤是:首先输入反射率,运行MODTRAN得到大气层顶(TOA)光谱辐射,解得相关参数；然后利用这些参数带入公式进行大气纠正。

MODTRAN可以计算0到50000cm-1的大气透过率和辐射亮度,它在440nm到无限大的波长范围精度是2cm-1,在22680到50000cm-1紫外波(200-440nm)范围的精度是20cm-1,在给定辐射传输驱动、气溶胶和云参数、光源与遥感器的几何立体对和地面光谱信息的基础上,根据辐射传输方程来计算大气的透过率以及辐射亮度。

MODTRAN输入输出参数

(1)控制运行参数:如何采用何种辐射传输程序,是否进行多次散射计算等;

(2)遥感器参数:如遥感器的波段参数,观测的波束(波长范围);

(3)大气参数:其中大气模型通过card1中的选项确定,其他具体参数包括气溶胶;

(4)观测几何条件:在card1中有关于几何条件的选项,另外在card3中主要为几何参数的输入选项,它通过多种方式组合来实现几何参数的输入,可根据计算的方便进行选择；

(5)地表参量:在card1中提洪了地表参数设定的初步选项,所以只能在card4根据card1中设定的参数对地表的参数进行具体设定。

所有的输入都通过card1进行控制,然后在由后续的card进行具体社这设定所有参数之后,就可以用modtran来模拟大气辐射传输过程

4、5S模型

1986年,法国里尔科技大学大气光学实验室TanreD.,DeuzeJ.L,等人为了简化大气辐射传输方程,开发了太阳光谱波段卫星信号模拟程序5S(SIMULATION OF THE SATELLITESIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM用来模拟地气系统中太阳辐射的传输过程并计算卫星入瞳处辐射亮度。

5、6S模型

1997年,美国马里兰大学地理系Eric Vemote对5s进行了改进,发展到6S (SECONDSIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM),6S吸收了最新的散射计算方法,使太阳光谱波段的散射计算精度比5S有所提高。

6S(Second Simulation of the Satellite Signal in the SolarSpectrum)大气校正模型是Eric F.Vermote etal.(1997)在5S模型的基础上发展起来的。6S模型可以很好地模拟太阳光在太阳-地面目标-传感器的传输过程中所受到的大气影响。相对于5S模