第六章 遥感图像辐射处理2
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9
第六章 第1节 遥感图像的辐射定标与校正
七、大气校正简介 八、大气辐射传输过程的定量分析 九、基于辐射传输模型大气校正模型 十、辐射校正的统计学模型
10
八、大气辐射传输过程的定量分析
8.1 可见光及近红外波段
灰度
T () 大气透射率
g
E0
传感器入瞳处
地物反射率 太阳辐照度 大气向地面散 射太阳辐照度 太阳天顶角 观测天顶角
E1# Edown S
E2# Edown ( S )
2
En # Edown ( S )
n
Etotal E0# E1# E2# ... En # Edown [1 S ( S ) ... ( S ) ]
灰 度
传感器入瞳处
表观反射率
整体看待
天空 光 透 射 程辐 射
反射能
*
L Es cos s /( d 2 )
18
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 2.建立起入瞳辐射亮度与表观反射率的联系 表观反射率与入瞳辐射亮度的联系：
* Es cos s L d2
DN L
L
L T
5
七、大气校正简介
7.1定标与大气校正
• 大气校正
定义：根据大气状况对遥感图像测量 值进行调整，以消除大气影响。 • 遥感定量化研究的主要难点之一。（多源）
• 核心是估算地气系统的辐射状况及大气的光 学参数。
6
七、大气校正简介
7.2 大气辐射传输影响要素
• 吸收 • 散射 • 反射
38
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.3 典型模型 (1) 6S 模型
模型输入
• 传感器的光谱特性
探测器的光谱条件，主要指相应波段对应的 波长信息，可以直接输入具体参数，也可通过选 择常用卫星类型来确定。
• 地表反射率
地表为为郎伯体或双向反射模式 •反射率随角度的变化关系 •不同波长下的反射率
39
整个太阳辐射传输过程，而且还考 虑到了地表朗伯体和非朗伯体反射 两个方面。
35
模型输入
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.3 典型模型 (1) 6S 模型
两种输入方式 太阳天顶角 卫星天顶角 输 入 太阳方位角 卫星方位角 观测时间 输 入 卫星条件 交点时间 卫星接收时间 由程序计 算太阳与 卫星的天 顶角和方 位角
已知
参数
待求
在不同的辐射传输模型中，大气校正参数的 形式和数量有所不同，但基本思想是类似的。
32
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.3 典型模型 (1) 6S 模型 6S 模式全名为second simulation of the satellite signal in the solar spectrum ，即 太阳光谱卫星信号的二次模拟。 特点:模型建立在辐射传输理论基础之上,考虑 了地形、气象、光谱等多种参数的共同作用,适用 于多种卫星传感器的波段范围,不受研究对象及目 标物类型、背景等的限制,应用范围广,精度较高, 因而在辐射及遥感等学科中越来越受到重视。
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型
d.加载在地表的辐射通量究竟有多少？
Edown Ein T (s )
有无其它因素？
（3）
考虑大气球面反照率
（1） （2）
（4）
23
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型
e.二次散射通量
14
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.1 基本原理
•
利用基于辐射传输原理建立起来的大气校正 模型校正方法是精度较高的一种方法，基本原理 是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来 的模型对遥感图像进行大气校正。
15
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 作为遥感应用的基础，辐射校正必须从 遥感器所接受到的大气-陆地混合信号中提取 出陆表目标物体的贡献部分,消除所观察目标 非相关的信息。 从哪里入手？ 影像灰度值 光谱反射率
透射 天空光
发射能
大气下行辐射
L B (Ts ) T ( v ) L (1 ) L T ( v )
0 0
可见光及近红外波段简化辐射传输过程
13
第六章 第1节 遥感图像的辐射定标与校正
七、大气校正简介 八、大气辐射传输过程的定量分析 九、基于辐射传输模型大气校正模型 十、辐射校正的统计学模型
Ed
程辐射 透射 天空光 反射能
s v
L Lg T (v ) Ld
{( g / )[ E0 cos s T ( s ) Ed ]} T (v ) Ld
可见光及近红外波段简化辐射传输过程
11
八、大气辐射传输过程的定量分析
8.1 可见光及近红外波段 • 定性与定量 辐射亮度 太阳照度
30
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 4.根据模型函数关系计算地物光谱反射率
传感器接收的辐射亮度值
31
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 分析下式：
Es cos s T ( s ) T (v ) L [ ( s ,v , s , v ) ] 2 d 1 S
回顾：表观反射率的定义？
以“地表-大气”为整体目标，入射辐射通量 与出射辐射通量的比例。
29
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型 因此，表观反射率：
Edes * Ein
T ( s ) T (v ) * ( s ,v , s , v ) 1 S
已知
L [ E0 coss T Ed ] T Ld
地表反射率 未知 探空气球 同步观测
吸收
散射
反射
12
八、大气辐射传输过程的定量分析
8.2 热红外波段
灰度
B(Ts ) 地物亮温
传感器入瞳处
地表比辐射率 T (v ) 大气透射率
大气上行辐射
L 0 L
0
大气上行辐射 大气下行辐射
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型
a.被大气衰减的下行太阳辐射照度
b.散射透射通量
E
大气光学厚度
diff sol
Ein td (s )
21
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型
c.总透射通量
记总透射率为
22
九、基于辐射传输模型大气校正模型
2 n
25
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型 e.二次散射通量
多次地面-大气辐射反射作用累加后：
26
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型 f.加载在地面的辐射通量经反射穿透大气后
Eout
表观反射率的与地物反射率有何联系？
19
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型 （1）被大气衰减的下行太阳辐射通量
（2）散射透射辐射能量
（3）大气固有的反射太阳辐射通量 入射辐通量为
Ein Es s
（3）
（1） （2）
20
九、基于辐射传输模型大气校正模型
八 种 选 择
近极地冬季
近极地夏季
用户自定义
37
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.3 典型模型 (1) 6S 模型
• 气溶胶模式
气溶胶组分参数：包括水分含量以及烟尘、灰尘等在空 气中的百分比等参数。
模型输入
可以选用提供的标准模型来代替
无气溶胶 大陆型气溶胶 海洋性气溶胶
气溶胶的大气路径长度：用当地的能见度参数表示 方式1：波长500nm处的光学厚度 方式2：气象能见度
7
七、大气校正简介
7.2 大气辐射传输影响要素
大气反射
• 在介质层的交会面处出现。
8
七、大气校正简介
7.2 大气辐射传输影响要素 大气吸收 • 降低透射率，是大气校正中的重要因素 • 能级的跃迁导致波长变化（复杂）
• 形成大气窗口 大气散射 • 改变传播方向，不改变波长
• 照亮阴影，降低图像反差 • 是可见光波段辐射衰减的主要原因
二次散射通量是一种离散机制；它依赖于 目标的环境而与地面与大气之间的连续反射和 散射相一致。
如果大气的半球反射率（大气层临界面） 被定义为 S，在可通过下列公式表示：
24
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型
e.二次散射通量
E0# Edown
简化 6S 水汽等吸收系数 环境反射率
34
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.3 典型模型 (1) 6S 模型
五类参数：
• 太阳、地物与传感器之间的几何关系 • 大气模式 这五个部分构成了大气辐射传 • 气溶胶模式 输模型的全过程，模拟了太阳辐射 • 传感器的光谱特性 经过大气效应到达地表，然后由地 • 地表反射率 表反射通过大气效应到达传感器的
36
模型输入
• 太阳、地物与传感器之间的几何关系
像素点数
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.3 典型模型 (1) 6S 模型
模型输入
• 大气模式 大气组分参数：包括水汽，灰尘颗粒度等参数 若缺乏精确的实况数据数据，可以根据卫星数据 的地理位置和时间，选用提供的标准模型来替代。
无大气吸收 中纬度冬季 美国标准大气 热带夏季 中纬度夏季
第六章 遥感图像的辐射处理
1
遥感图像的辐射定标与校正
2
遥感图像的四则运算
3
遥感图像的融合
第六章 第1节 遥感图像的辐射定标与校正
知识回顾：
一、遥感图像辐射校正概述 二、遥感图像辐射定标原理 三、遥感图像实验室定标 四、遥感图像机上星上定标 五、场地定标 六、其他定标方法
2
观察与思考：
如何在辐射定标的基础上进一步获取地表真实信息？ 大气校正
T ( s ) T (v ) Ein 1 S
g.再加上大气固有的反射太阳辐射通量
E Ein (s ,v ,s ,v )
28
九、基于辐射传输模型大气校正模型
Байду номын сангаас
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型
到达传感器的辐射通量 Edes
T ( s ) T (v ) Ein [ ( s ,v , s , v ) ] 1 S
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.3 典型模型 (1) 6S 模型
模型输出 • 大气参数主要包括三个方面
大气参数 大气校正系数
a.辐射部分： • 地面上的直接辐照度、环境反射率及辐照度； • 卫星上的大气路径反射率及辐亮度、背景反射率及辐亮 度、像元反射率及辐亮度。 b.吸收部分： • 各种气体的向上透过率、向下透过率、总透过率； • 气体总向上透过率、总向下透过率、总透过率。
入瞳辐射值
16
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 1.辐射亮度值计算 实现传感器定标后,把高光谱影像相应波段 的象元灰度值转换成具有辐射意义的亮度值。
第n个像元在波长为处的辐射亮度值
L ,n A DN ,n B
17
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 2.建立起入瞳辐射亮度与表观反射率的联系
3
第六章 第1节 遥感图像的辐射定标与校正
七、大气校正简介 八、大气辐射传输过程的定量分析 九、基于辐射传输模型大气校正模型 十、辐射校正的统计学模型
4
七、大气校正简介
7.1定标与大气校正
传感器定标
灰度
大气校正
已知
定标
传感器响应关系 大气传输过程
传感器入瞳处
辐射值 L
未知
地面目标特性
从 入 瞳 辐 射 值 中 消 除 大 气 影 响
33
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.3 典型模型
模型原理 (1) 6S 模型 Es cos s T ( s ) T (v ) L [ ( s ,v , s , v ) ] 2 d 1 S
• 把周围环境的邻近效应带入 • 考虑地面不是均一的朗伯体
1 Ein T ( s ) [e / v td (v )] 1 S
记：T (v ) e
/ v
td (v )
Eout
T ( s ) T (v ) Ein 1 S
27
九、基于辐射传输模型大气校正模型
Eout
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型
第六章 第1节 遥感图像的辐射定标与校正
七、大气校正简介 八、大气辐射传输过程的定量分析 九、基于辐射传输模型大气校正模型 十、辐射校正的统计学模型
10
八、大气辐射传输过程的定量分析
8.1 可见光及近红外波段
灰度
T () 大气透射率
g
E0
传感器入瞳处
地物反射率 太阳辐照度 大气向地面散 射太阳辐照度 太阳天顶角 观测天顶角
E1# Edown S
E2# Edown ( S )
2
En # Edown ( S )
n
Etotal E0# E1# E2# ... En # Edown [1 S ( S ) ... ( S ) ]
灰 度
传感器入瞳处
表观反射率
整体看待
天空 光 透 射 程辐 射
反射能
*
L Es cos s /( d 2 )
18
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 2.建立起入瞳辐射亮度与表观反射率的联系 表观反射率与入瞳辐射亮度的联系：
* Es cos s L d2
DN L
L
L T
5
七、大气校正简介
7.1定标与大气校正
• 大气校正
定义：根据大气状况对遥感图像测量 值进行调整，以消除大气影响。 • 遥感定量化研究的主要难点之一。（多源）
• 核心是估算地气系统的辐射状况及大气的光 学参数。
6
七、大气校正简介
7.2 大气辐射传输影响要素
• 吸收 • 散射 • 反射
38
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.3 典型模型 (1) 6S 模型
模型输入
• 传感器的光谱特性
探测器的光谱条件，主要指相应波段对应的 波长信息，可以直接输入具体参数，也可通过选 择常用卫星类型来确定。
• 地表反射率
地表为为郎伯体或双向反射模式 •反射率随角度的变化关系 •不同波长下的反射率
39
整个太阳辐射传输过程，而且还考 虑到了地表朗伯体和非朗伯体反射 两个方面。
35
模型输入
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.3 典型模型 (1) 6S 模型
两种输入方式 太阳天顶角 卫星天顶角 输 入 太阳方位角 卫星方位角 观测时间 输 入 卫星条件 交点时间 卫星接收时间 由程序计 算太阳与 卫星的天 顶角和方 位角
已知
参数
待求
在不同的辐射传输模型中，大气校正参数的 形式和数量有所不同，但基本思想是类似的。
32
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.3 典型模型 (1) 6S 模型 6S 模式全名为second simulation of the satellite signal in the solar spectrum ，即 太阳光谱卫星信号的二次模拟。 特点:模型建立在辐射传输理论基础之上,考虑 了地形、气象、光谱等多种参数的共同作用,适用 于多种卫星传感器的波段范围,不受研究对象及目 标物类型、背景等的限制,应用范围广,精度较高, 因而在辐射及遥感等学科中越来越受到重视。
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型
d.加载在地表的辐射通量究竟有多少？
Edown Ein T (s )
有无其它因素？
（3）
考虑大气球面反照率
（1） （2）
（4）
23
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型
e.二次散射通量
14
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.1 基本原理
•
利用基于辐射传输原理建立起来的大气校正 模型校正方法是精度较高的一种方法，基本原理 是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来 的模型对遥感图像进行大气校正。
15
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 作为遥感应用的基础，辐射校正必须从 遥感器所接受到的大气-陆地混合信号中提取 出陆表目标物体的贡献部分,消除所观察目标 非相关的信息。 从哪里入手？ 影像灰度值 光谱反射率
透射 天空光
发射能
大气下行辐射
L B (Ts ) T ( v ) L (1 ) L T ( v )
0 0
可见光及近红外波段简化辐射传输过程
13
第六章 第1节 遥感图像的辐射定标与校正
七、大气校正简介 八、大气辐射传输过程的定量分析 九、基于辐射传输模型大气校正模型 十、辐射校正的统计学模型
Ed
程辐射 透射 天空光 反射能
s v
L Lg T (v ) Ld
{( g / )[ E0 cos s T ( s ) Ed ]} T (v ) Ld
可见光及近红外波段简化辐射传输过程
11
八、大气辐射传输过程的定量分析
8.1 可见光及近红外波段 • 定性与定量 辐射亮度 太阳照度
30
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 4.根据模型函数关系计算地物光谱反射率
传感器接收的辐射亮度值
31
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 分析下式：
Es cos s T ( s ) T (v ) L [ ( s ,v , s , v ) ] 2 d 1 S
回顾：表观反射率的定义？
以“地表-大气”为整体目标，入射辐射通量 与出射辐射通量的比例。
29
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型 因此，表观反射率：
Edes * Ein
T ( s ) T (v ) * ( s ,v , s , v ) 1 S
已知
L [ E0 coss T Ed ] T Ld
地表反射率 未知 探空气球 同步观测
吸收
散射
反射
12
八、大气辐射传输过程的定量分析
8.2 热红外波段
灰度
B(Ts ) 地物亮温
传感器入瞳处
地表比辐射率 T (v ) 大气透射率
大气上行辐射
L 0 L
0
大气上行辐射 大气下行辐射
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型
a.被大气衰减的下行太阳辐射照度
b.散射透射通量
E
大气光学厚度
diff sol
Ein td (s )
21
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型
c.总透射通量
记总透射率为
22
九、基于辐射传输模型大气校正模型
2 n
25
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型 e.二次散射通量
多次地面-大气辐射反射作用累加后：
26
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型 f.加载在地面的辐射通量经反射穿透大气后
Eout
表观反射率的与地物反射率有何联系？
19
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型 （1）被大气衰减的下行太阳辐射通量
（2）散射透射辐射能量
（3）大气固有的反射太阳辐射通量 入射辐通量为
Ein Es s
（3）
（1） （2）
20
九、基于辐射传输模型大气校正模型
八 种 选 择
近极地冬季
近极地夏季
用户自定义
37
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.3 典型模型 (1) 6S 模型
• 气溶胶模式
气溶胶组分参数：包括水分含量以及烟尘、灰尘等在空 气中的百分比等参数。
模型输入
可以选用提供的标准模型来代替
无气溶胶 大陆型气溶胶 海洋性气溶胶
气溶胶的大气路径长度：用当地的能见度参数表示 方式1：波长500nm处的光学厚度 方式2：气象能见度
7
七、大气校正简介
7.2 大气辐射传输影响要素
大气反射
• 在介质层的交会面处出现。
8
七、大气校正简介
7.2 大气辐射传输影响要素 大气吸收 • 降低透射率，是大气校正中的重要因素 • 能级的跃迁导致波长变化（复杂）
• 形成大气窗口 大气散射 • 改变传播方向，不改变波长
• 照亮阴影，降低图像反差 • 是可见光波段辐射衰减的主要原因
二次散射通量是一种离散机制；它依赖于 目标的环境而与地面与大气之间的连续反射和 散射相一致。
如果大气的半球反射率（大气层临界面） 被定义为 S，在可通过下列公式表示：
24
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型
e.二次散射通量
E0# Edown
简化 6S 水汽等吸收系数 环境反射率
34
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.3 典型模型 (1) 6S 模型
五类参数：
• 太阳、地物与传感器之间的几何关系 • 大气模式 这五个部分构成了大气辐射传 • 气溶胶模式 输模型的全过程，模拟了太阳辐射 • 传感器的光谱特性 经过大气效应到达地表，然后由地 • 地表反射率 表反射通过大气效应到达传感器的
36
模型输入
• 太阳、地物与传感器之间的几何关系
像素点数
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.3 典型模型 (1) 6S 模型
模型输入
• 大气模式 大气组分参数：包括水汽，灰尘颗粒度等参数 若缺乏精确的实况数据数据，可以根据卫星数据 的地理位置和时间，选用提供的标准模型来替代。
无大气吸收 中纬度冬季 美国标准大气 热带夏季 中纬度夏季
第六章 遥感图像的辐射处理
1
遥感图像的辐射定标与校正
2
遥感图像的四则运算
3
遥感图像的融合
第六章 第1节 遥感图像的辐射定标与校正
知识回顾：
一、遥感图像辐射校正概述 二、遥感图像辐射定标原理 三、遥感图像实验室定标 四、遥感图像机上星上定标 五、场地定标 六、其他定标方法
2
观察与思考：
如何在辐射定标的基础上进一步获取地表真实信息？ 大气校正
T ( s ) T (v ) Ein 1 S
g.再加上大气固有的反射太阳辐射通量
E Ein (s ,v ,s ,v )
28
九、基于辐射传输模型大气校正模型
Байду номын сангаас
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型
到达传感器的辐射通量 Edes
T ( s ) T (v ) Ein [ ( s ,v , s , v ) ] 1 S
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.3 典型模型 (1) 6S 模型
模型输出 • 大气参数主要包括三个方面
大气参数 大气校正系数
a.辐射部分： • 地面上的直接辐照度、环境反射率及辐照度； • 卫星上的大气路径反射率及辐亮度、背景反射率及辐亮 度、像元反射率及辐亮度。 b.吸收部分： • 各种气体的向上透过率、向下透过率、总透过率； • 气体总向上透过率、总向下透过率、总透过率。
入瞳辐射值
16
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 1.辐射亮度值计算 实现传感器定标后,把高光谱影像相应波段 的象元灰度值转换成具有辐射意义的亮度值。
第n个像元在波长为处的辐射亮度值
L ,n A DN ,n B
17
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.2 一般校正思路 2.建立起入瞳辐射亮度与表观反射率的联系
3
第六章 第1节 遥感图像的辐射定标与校正
七、大气校正简介 八、大气辐射传输过程的定量分析 九、基于辐射传输模型大气校正模型 十、辐射校正的统计学模型
4
七、大气校正简介
7.1定标与大气校正
传感器定标
灰度
大气校正
已知
定标
传感器响应关系 大气传输过程
传感器入瞳处
辐射值 L
未知
地面目标特性
从 入 瞳 辐 射 值 中 消 除 大 气 影 响
33
九、基于辐射传输模型大气校正模型
9.3 典型模型
模型原理 (1) 6S 模型 Es cos s T ( s ) T (v ) L [ ( s ,v , s , v ) ] 2 d 1 S
• 把周围环境的邻近效应带入 • 考虑地面不是均一的朗伯体
1 Ein T ( s ) [e / v td (v )] 1 S
记：T (v ) e
/ v
td (v )
Eout
T ( s ) T (v ) Ein 1 S
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九、基于辐射传输模型大气校正模型
Eout
9.2 一般校正思路 3.建立起地表--大气辐射关系分析模型