400_1000nm波段反演气溶胶光学厚度的暗像元法_彭妮娜
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Key words: Retrieval of aerosol; DDV algorithm; Atmospheric correction; Genetic algorithm
收 稿 日 期 ：2008-01-25 ； 修 订 日 期 ：2008-04-14 作 者 简 介 ：彭妮娜(1981-)，女，湖北恩施人，博士生，主要从事大气辐射校正、遥感光谱与图像分析及目标探测识别等方面的研究 。
第5期
彭 妮 娜 等 ：400 ~ 1 000 nm 波 段 反 演 气 溶 胶 光 学 厚 度 的 暗 像 元 法
879
0引言
Kaufman 等 人 通 过 大 量 飞 机 试 验 数 据 得 到 在 植 被 密集的较低反射率地表区域中 2.1 μm 中红外波段的反 射 率 与 0.47 μm 和 0.66 μm 可 见 光 波 段 反 射 率 有 很 好 的 相 关 性 （Kaufman and Wald,1997）， 并 成 功 应 用 于 MODIS 陆地气溶胶反演。 该反演方法的主要思路是基 于较低反射 率 地 表 在 中 红 外 通 道 （2.1 μm）反 射 率 与 红 （0.66 μm）、蓝 0.47 μm）可见光通道之间的统计关系，利 用中红外通道遥感到的反射率，确定红、蓝通道存在的 暗像元，并估算其反射率，利用全球气溶胶分布信息，并 选择合适的动态气溶胶模型， 应用辐射传输模型 （如 MODTRAN，HITRAN，6S 等）计算的辐射传输查询表反 演计算。 但是，现在很多对地观测卫星只有可见-近红外 波 段 (400 ～1 000 nm), 如 Ikonos，Quickbird，Orbview， Disaster Monitoring Constellation (DMC)，Historic Landsat Multispectral Scanner(MSS)，SPOT-1~SPOT-3 等。 而且目前国内发展成熟的航空高光谱成像传感 器 ， 如 PHI， 波 段 范 围 都 在 400 ～1 000 nm 内 ， 因 此 文 中提出了利用陆地暗像元红波段与近红波段之间的 线性关系反演气溶胶光学厚度的暗像元法， 利用 Visual C++ 编 程 实 现 ， 将 MODTRAN 辐 射 传 输 模 型 通 过 COM 组 件 直 接 内 嵌 入 VC 程 序 中 进 行 辐 射 传 输 计算，并采用遗传优化算法而不是通过查找表进行反 演计算，更有利于提高反演精度。
摘 要：从卫星遥感的角度来看，气溶胶的不确定性是可见-近红外遥感中大气校正的难点，从遥 感数据本身来反演气溶胶参数，进而完成大气校正，一直是遥感研究的重点。针对可见-近红外波段大 气 辐 射 传 输 特 点 ，提 出 了 利 用 浓 密 植 被 红 波 段 （660 nm）与 近 红 外 波 段 （830 nm） 之 间 的 线 性 关 系 反 演 气溶胶光学厚度的基于可见近红外波段的暗像元法， 该方法主要思想是首先假设在清洁大气的条件 下 ，利 用 MODTRAN 辐 射 传 输 模 型 对 遥 感 图 像 进 行 大 气 校 正 ，以 减 少 近 红 外 波 段 大 气 的 影 响 ，再 通 过 双层叠代法搜索浓密植被像元作为暗像元， 根据红波段和近红外波段之间的线性关系通过近红外波 段 计 算 暗 像 元 的 红 波 段 表 观 反 射 率 ，并 反 演 气 溶 胶 光 学 厚 度 。 利 用 该 方 法 对 PHI 航 空 高 光 谱 图 像 进 行 了气溶胶光学厚度的反演，并给出了反演原理、步骤和误差分析。
Kaufman[3-4]等 人 从 美 国 大 西 洋 中 部 地 区 的 Landsat 的
TM 和 AVIRIS 图 像 中 得 出 的 2.1 μm 与 0.47 μm 与
0.66 μm 地 表 反 射 率 之 间 的 关 系 ：
ρred=ρswir/2 ，ρblue=ρswir/4
(3)
对 于 暗 目 标 （ 在 2.1 μm 反 射 率 小 于 0.10）, 利 用
2.1 地表模型的建模
德Fra Baidu bibliotek国 航 天 遥 感 数 据 中 心 R Richter 等 人 于 2005
年提出了利用红波段和近红外波段之间的线性关系
来 反 演 气 溶 胶 光 学 厚 度[5]。 已 知 中 红 外 波 段 的 反 射 率
与蓝波段和红波段反射率有很好的相关性：
ρred=βρswir
(4)
2.1 μm 通 道 反 射 率 估 计 在 可 见 光 通 道 地 表 反 射 率 ，
红 和 蓝 通 道 误 差 分 别 为±0.005~±0.01。
确定了可见光通道的地表反射率，合理假定气溶
胶模型之后，就可以用实际的观测表观反射率及其他
参数，得到气溶胶光学厚度 。
2 可见近红外波段地表模型的建模
太阳入射光的方向；(μv ,准v )代表传感器观测方向；μv ,
准v ;μs 准s 分别为观测方向和太阳入射方向天顶角的余
弦和方位角。
假设传感器观测的目标表面为均匀朗伯表面，不
考虑气体吸收，那么观测的表观反射率为：
ρ*(θs
,θv
,φ)=ρa
(θs
,θv
,φ)+
ρ 1-Sρ
T(θs )T(θv )
(2)
第 37 卷第 5 期 Vol.37 No.5
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2008 年 10 月 Oct.2008
400～1 000 nm 波段反演气溶胶光学厚度的暗像元法
彭妮娜，易维宁，方勇华
(中 国 科 学 院 安 徽 光 学 精 密 机 械 研 究 所 遥 感 室 ，安 徽 合 肥 230031)
对 于 2.2 μm 波 段 β=0.5， 对 于 1.6 μm 波 段 β=
0.25，相 应 地 对 于 近 红 外 波 段 也 存 在 如 下 线 性 关 系 ：
ρred=αρnir=0.1ρnir
(5)
为了进一步验证红波段和近红外波段之间的线 性关系，利用典型地物波谱数据库中的植被光谱计算 红波段和近红外波段的比值。 该数据库中的地面测量 的 波 谱 数 据 为 高 光 谱 数 据 ， 多 用 美 国 ASD 公 司 生 产 的便携式野外光谱辐射计测量得到， 光谱范围为
Email: pnn1212@sina.com 导 师 简 介 ：易维宁（1956-），女，安徽合肥人，研究员，主要从事地物波谱特性、大气辐射校正和遥感表征模型等方面的研究。
Email: yiwn@aiofm.ac.cn 方勇华（1966-），男，安徽合肥人，研究员，主要从事遥感光谱与图像分析及目标探测识别技术研究。 Email: yhfang@aiofm.ac.cn
由上式可以看出：当地表反射率很小时，传感器观测反
射率主要取决于大气贡献项， 但地表反射率很大时，地
表贡献项将成为主要贡献。 因此，传感器观测到的反射
率 ρ* 即是气溶胶光学厚度的函数，又是下垫面反射率的
函数，如果已知下垫面反射率，并根据不同地区气溶胶
特性确定了大气气溶胶模型，就可以得到气溶胶光学厚
度；反之，如果已知气溶胶光学厚度和相应的大气参数，
关键词：气溶胶反演； 暗像元法； 大气校正； 遗传算法 中 图 分 类 号 ：TP7 文 献 标 识 码 ：A 文 章 编 号 ：1007-2276（2008）05-0878-06
Retrieval of aerosol optical depth based on 400-1 000 nm dense dark vegetation algorithm
PENG Ni蛳na, YI Wei蛳ning, FANG Yong蛳hua
（Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031 ，China）
Abstract:From the viewpoint of the satellite remote sensing, the uncertainty of aerosol is the main difficulty for atmospheric correction in visible and near蛳infrared band. Retrieving the optical parameters of aerosol from remote sensing image itself and then correcting the atmospheric effect with them has been emphasized for a long time.According to the characteristics of radiation transfer of visible and near 蛳 infrared band in the atmosphere, a Dense Dark Vegetation (DDV) algorithm based on the linear relationship between red band (660 nm) and near蛳infrared band (830 nm) of DDV was proposed in order to retrieve the aerosol optical characteristic.The main idea of the method was that on the assumption of clear atmosphere, atmospheric correction for remote sensing image was implemented for reduction of atmospheric effect in infrared band using MODTRAN radiation transmission model, and further dark pixels were searched with multiple iteration method and their apparent reflectance in infrared band was calculated according to the linear relationship between red and infrared band and used to retrieve aerosol optical characteristics. For PHI aero high 蛳spectral images, this method was applied to retrieve the optical depth of aerosol. The retrieval principle, processing step, and error analysis are given.
1 暗像元法反演原理
假设地表是均匀朗伯表面，大气垂直均匀变化，传
感器测量值可以用等效反射率，即表观反射率表示为：
ρ*= πL(τo ,μv ,准v ;μs ,准s )
(1)
μs Es
式 中 ：L 是 传 感 器 测 量 辐 亮 度 ；Es 是 传 感 器 接 收 处 的
太阳辐射通量；τo 为整层大气光学厚度；(μs ，准s )代表
就可以反演下垫面反射率。
Y J Kaufman, D Tanre[1-2]等 人 提 出 了 Dense Dark
Vegetation(DDV) 方 法 来 获 取 气 溶 胶 信 息 ，1988 ~1997
年该方法慢慢发展并逐渐成熟起来，现己大量用于卫
星 产 品 中 ， 如 MODIS, MERIS 等 。 公 式 （3） 就 是 Y J
式中：θv 为观测天顶角；准 是相对方位角，由太阳方位角
准s 和观测方位角 准v 确定； 方程右边第一项 ρa 为大气中
分子和气溶胶散射产生的反射率；第二项为地表和大气
共同作用产生的反射率；T(θs )和 T(θv )分别为向下（从太
阳到地面）和向上（从地面到传感器）整层大气透过率
（直射+漫射）；S 为大气的球面反照率；ρ 为地表反射率。
收 稿 日 期 ：2008-01-25 ； 修 订 日 期 ：2008-04-14 作 者 简 介 ：彭妮娜(1981-)，女，湖北恩施人，博士生，主要从事大气辐射校正、遥感光谱与图像分析及目标探测识别等方面的研究 。
第5期
彭 妮 娜 等 ：400 ~ 1 000 nm 波 段 反 演 气 溶 胶 光 学 厚 度 的 暗 像 元 法
879
0引言
Kaufman 等 人 通 过 大 量 飞 机 试 验 数 据 得 到 在 植 被 密集的较低反射率地表区域中 2.1 μm 中红外波段的反 射 率 与 0.47 μm 和 0.66 μm 可 见 光 波 段 反 射 率 有 很 好 的 相 关 性 （Kaufman and Wald,1997）， 并 成 功 应 用 于 MODIS 陆地气溶胶反演。 该反演方法的主要思路是基 于较低反射 率 地 表 在 中 红 外 通 道 （2.1 μm）反 射 率 与 红 （0.66 μm）、蓝 0.47 μm）可见光通道之间的统计关系，利 用中红外通道遥感到的反射率，确定红、蓝通道存在的 暗像元，并估算其反射率，利用全球气溶胶分布信息，并 选择合适的动态气溶胶模型， 应用辐射传输模型 （如 MODTRAN，HITRAN，6S 等）计算的辐射传输查询表反 演计算。 但是，现在很多对地观测卫星只有可见-近红外 波 段 (400 ～1 000 nm), 如 Ikonos，Quickbird，Orbview， Disaster Monitoring Constellation (DMC)，Historic Landsat Multispectral Scanner(MSS)，SPOT-1~SPOT-3 等。 而且目前国内发展成熟的航空高光谱成像传感 器 ， 如 PHI， 波 段 范 围 都 在 400 ～1 000 nm 内 ， 因 此 文 中提出了利用陆地暗像元红波段与近红波段之间的 线性关系反演气溶胶光学厚度的暗像元法， 利用 Visual C++ 编 程 实 现 ， 将 MODTRAN 辐 射 传 输 模 型 通 过 COM 组 件 直 接 内 嵌 入 VC 程 序 中 进 行 辐 射 传 输 计算，并采用遗传优化算法而不是通过查找表进行反 演计算，更有利于提高反演精度。
摘 要：从卫星遥感的角度来看，气溶胶的不确定性是可见-近红外遥感中大气校正的难点，从遥 感数据本身来反演气溶胶参数，进而完成大气校正，一直是遥感研究的重点。针对可见-近红外波段大 气 辐 射 传 输 特 点 ，提 出 了 利 用 浓 密 植 被 红 波 段 （660 nm）与 近 红 外 波 段 （830 nm） 之 间 的 线 性 关 系 反 演 气溶胶光学厚度的基于可见近红外波段的暗像元法， 该方法主要思想是首先假设在清洁大气的条件 下 ，利 用 MODTRAN 辐 射 传 输 模 型 对 遥 感 图 像 进 行 大 气 校 正 ，以 减 少 近 红 外 波 段 大 气 的 影 响 ，再 通 过 双层叠代法搜索浓密植被像元作为暗像元， 根据红波段和近红外波段之间的线性关系通过近红外波 段 计 算 暗 像 元 的 红 波 段 表 观 反 射 率 ，并 反 演 气 溶 胶 光 学 厚 度 。 利 用 该 方 法 对 PHI 航 空 高 光 谱 图 像 进 行 了气溶胶光学厚度的反演，并给出了反演原理、步骤和误差分析。
Kaufman[3-4]等 人 从 美 国 大 西 洋 中 部 地 区 的 Landsat 的
TM 和 AVIRIS 图 像 中 得 出 的 2.1 μm 与 0.47 μm 与
0.66 μm 地 表 反 射 率 之 间 的 关 系 ：
ρred=ρswir/2 ，ρblue=ρswir/4
(3)
对 于 暗 目 标 （ 在 2.1 μm 反 射 率 小 于 0.10）, 利 用
2.1 地表模型的建模
德Fra Baidu bibliotek国 航 天 遥 感 数 据 中 心 R Richter 等 人 于 2005
年提出了利用红波段和近红外波段之间的线性关系
来 反 演 气 溶 胶 光 学 厚 度[5]。 已 知 中 红 外 波 段 的 反 射 率
与蓝波段和红波段反射率有很好的相关性：
ρred=βρswir
(4)
2.1 μm 通 道 反 射 率 估 计 在 可 见 光 通 道 地 表 反 射 率 ，
红 和 蓝 通 道 误 差 分 别 为±0.005~±0.01。
确定了可见光通道的地表反射率，合理假定气溶
胶模型之后，就可以用实际的观测表观反射率及其他
参数，得到气溶胶光学厚度 。
2 可见近红外波段地表模型的建模
太阳入射光的方向；(μv ,准v )代表传感器观测方向；μv ,
准v ;μs 准s 分别为观测方向和太阳入射方向天顶角的余
弦和方位角。
假设传感器观测的目标表面为均匀朗伯表面，不
考虑气体吸收，那么观测的表观反射率为：
ρ*(θs
,θv
,φ)=ρa
(θs
,θv
,φ)+
ρ 1-Sρ
T(θs )T(θv )
(2)
第 37 卷第 5 期 Vol.37 No.5
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2008 年 10 月 Oct.2008
400～1 000 nm 波段反演气溶胶光学厚度的暗像元法
彭妮娜，易维宁，方勇华
(中 国 科 学 院 安 徽 光 学 精 密 机 械 研 究 所 遥 感 室 ，安 徽 合 肥 230031)
对 于 2.2 μm 波 段 β=0.5， 对 于 1.6 μm 波 段 β=
0.25，相 应 地 对 于 近 红 外 波 段 也 存 在 如 下 线 性 关 系 ：
ρred=αρnir=0.1ρnir
(5)
为了进一步验证红波段和近红外波段之间的线 性关系，利用典型地物波谱数据库中的植被光谱计算 红波段和近红外波段的比值。 该数据库中的地面测量 的 波 谱 数 据 为 高 光 谱 数 据 ， 多 用 美 国 ASD 公 司 生 产 的便携式野外光谱辐射计测量得到， 光谱范围为
Email: pnn1212@sina.com 导 师 简 介 ：易维宁（1956-），女，安徽合肥人，研究员，主要从事地物波谱特性、大气辐射校正和遥感表征模型等方面的研究。
Email: yiwn@aiofm.ac.cn 方勇华（1966-），男，安徽合肥人，研究员，主要从事遥感光谱与图像分析及目标探测识别技术研究。 Email: yhfang@aiofm.ac.cn
由上式可以看出：当地表反射率很小时，传感器观测反
射率主要取决于大气贡献项， 但地表反射率很大时，地
表贡献项将成为主要贡献。 因此，传感器观测到的反射
率 ρ* 即是气溶胶光学厚度的函数，又是下垫面反射率的
函数，如果已知下垫面反射率，并根据不同地区气溶胶
特性确定了大气气溶胶模型，就可以得到气溶胶光学厚
度；反之，如果已知气溶胶光学厚度和相应的大气参数，
关键词：气溶胶反演； 暗像元法； 大气校正； 遗传算法 中 图 分 类 号 ：TP7 文 献 标 识 码 ：A 文 章 编 号 ：1007-2276（2008）05-0878-06
Retrieval of aerosol optical depth based on 400-1 000 nm dense dark vegetation algorithm
PENG Ni蛳na, YI Wei蛳ning, FANG Yong蛳hua
（Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031 ，China）
Abstract:From the viewpoint of the satellite remote sensing, the uncertainty of aerosol is the main difficulty for atmospheric correction in visible and near蛳infrared band. Retrieving the optical parameters of aerosol from remote sensing image itself and then correcting the atmospheric effect with them has been emphasized for a long time.According to the characteristics of radiation transfer of visible and near 蛳 infrared band in the atmosphere, a Dense Dark Vegetation (DDV) algorithm based on the linear relationship between red band (660 nm) and near蛳infrared band (830 nm) of DDV was proposed in order to retrieve the aerosol optical characteristic.The main idea of the method was that on the assumption of clear atmosphere, atmospheric correction for remote sensing image was implemented for reduction of atmospheric effect in infrared band using MODTRAN radiation transmission model, and further dark pixels were searched with multiple iteration method and their apparent reflectance in infrared band was calculated according to the linear relationship between red and infrared band and used to retrieve aerosol optical characteristics. For PHI aero high 蛳spectral images, this method was applied to retrieve the optical depth of aerosol. The retrieval principle, processing step, and error analysis are given.
1 暗像元法反演原理
假设地表是均匀朗伯表面，大气垂直均匀变化，传
感器测量值可以用等效反射率，即表观反射率表示为：
ρ*= πL(τo ,μv ,准v ;μs ,准s )
(1)
μs Es
式 中 ：L 是 传 感 器 测 量 辐 亮 度 ；Es 是 传 感 器 接 收 处 的
太阳辐射通量；τo 为整层大气光学厚度；(μs ，准s )代表
就可以反演下垫面反射率。
Y J Kaufman, D Tanre[1-2]等 人 提 出 了 Dense Dark
Vegetation(DDV) 方 法 来 获 取 气 溶 胶 信 息 ，1988 ~1997
年该方法慢慢发展并逐渐成熟起来，现己大量用于卫
星 产 品 中 ， 如 MODIS, MERIS 等 。 公 式 （3） 就 是 Y J
式中：θv 为观测天顶角；准 是相对方位角，由太阳方位角
准s 和观测方位角 准v 确定； 方程右边第一项 ρa 为大气中
分子和气溶胶散射产生的反射率；第二项为地表和大气
共同作用产生的反射率；T(θs )和 T(θv )分别为向下（从太
阳到地面）和向上（从地面到传感器）整层大气透过率
（直射+漫射）；S 为大气的球面反照率；ρ 为地表反射率。