高光譜遙感大氣校正通用PPT課件

1、高光譜遙感大氣校正12第三章 第2節(jié) 高光譜遙感大氣校正一、大氣校正簡(jiǎn)介二、大氣輻射傳輸過(guò)程的定量分析三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型四、輻射校正的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型3傳感器定標(biāo)傳感器響應(yīng)關(guān)系大氣傳輸過(guò)程地面目標(biāo)特性大氣校正已知未知定標(biāo)從入瞳輻射值中消除大氣影響灰度傳感器入瞳處 輻射值 L一、大氣校正簡(jiǎn)介1.1地物光譜重建與大氣校正4大氣校正 核心是估算地氣系統(tǒng)的輻射狀況及大氣的光學(xué)參數(shù)。 遙感定量化研究的主要難點(diǎn)之一。（多源） 定義：根據(jù)大氣狀況對(duì)遙感圖像測(cè)量值進(jìn)行調(diào)整，以消除大氣影響。一、大氣校正簡(jiǎn)介1.1地物光譜重建與大氣校正5吸收散射折射反射1.2 大氣輻射傳輸影響要素一、大氣校正簡(jiǎn)介6大氣吸

2、收降低透射率，是大氣校正中的重要因素形成大氣窗口能級(jí)的躍遷導(dǎo)致波長(zhǎng)變化（復(fù)雜）一、大氣校正簡(jiǎn)介大氣散射改變傳播方向，不改變波長(zhǎng)照亮陰影，降低圖像反差是可見(jiàn)光波段輻射衰減的主要原因1.2 大氣輻射傳輸影響要素7大氣折射傳播方向的偏折，引起幾何畸變。與太陽(yáng)的高度角密切相關(guān)。大氣反射在介質(zhì)層的交會(huì)面處出現(xiàn)。一、大氣校正簡(jiǎn)介1.2 大氣輻射傳輸影響要素8第三章 第2節(jié) 高光譜遙感大氣校正一、大氣校正簡(jiǎn)介二、大氣輻射傳輸過(guò)程的定量分析三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型四、輻射校正的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型92.1 可見(jiàn)光及近紅外波段灰度可見(jiàn)光及近紅外波段簡(jiǎn)化輻射傳輸過(guò)程程輻射透射天空光反射能傳感器入瞳處大氣透射率地物反

3、射率太陽(yáng)輻照度大氣向地面散射太陽(yáng)輻照度太陽(yáng)天頂角觀測(cè)天頂角二、大氣輻射傳輸過(guò)程的定量分析102.2 熱紅外波段灰度可見(jiàn)光及近紅外波段簡(jiǎn)化輻射傳輸過(guò)程透射天空光發(fā)射能傳感器入瞳處大氣上行輻射大氣下行輻射 地物亮溫 地表比輻射率 大氣透射率 大氣上行輻射大氣下行輻射二、大氣輻射傳輸過(guò)程的定量分析11第三章 第2節(jié) 高光譜遙感大氣校正一、大氣校正簡(jiǎn)介二、大氣輻射傳輸過(guò)程的定量分析三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型四、輻射校正的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型123.1 基本原理 利用基于輻射傳輸原理建立起來(lái)的大氣校正模型校正方法是精度較高的一種方法，基本原理是利用電磁波在大氣中的輻射傳輸原理建立起來(lái)的模型對(duì)遙感圖像進(jìn)行大氣

4、校正。三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型133.2 一般校正思路 作為定量遙感反演的基礎(chǔ)，地物光譜重建必須從遙感器所接受到的大氣-陸地混合信號(hào)中提取出陸表目標(biāo)物體的貢獻(xiàn)部分,消除所觀察目標(biāo)非相關(guān)的信息。從哪里入手？三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型影像灰度值光譜反射率入瞳輻射值14 實(shí)現(xiàn)傳感器定標(biāo)后,把高光譜影像相應(yīng)波段的象元灰度值轉(zhuǎn)換成具有輻射意義的亮度值。1.輻射亮度值計(jì)算三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.2 一般校正思路152.建立起入瞳輻射亮度與表觀反射率的聯(lián)系灰度程輻射透射天空光反射能傳感器入瞳處整體看待表觀反射率三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.2 一般校正思路16表觀反射率與入瞳

5、輻射亮度的聯(lián)系：表觀反射率的與地物光譜特征有何聯(lián)系？三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.2 一般校正思路2.建立起入瞳輻射亮度與表觀反射率的聯(lián)系173.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型（1）被大氣衰減的下行太陽(yáng)輻射通量（2）散射透射輻射能量（3）大氣固有的反射太陽(yáng)輻射通量（1）（2）（3）入射輻通量為三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.2 一般校正思路18a.被大氣衰減的下行太陽(yáng)輻射照度三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路b.散射透射通量大氣光學(xué)厚度19記總透射率為c.總透射通量三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析

6、模型3.2 一般校正思路20d.加載在地表的輻射通量究竟有多少？（1）（2）（3）有無(wú)其它因素？（4）考慮大氣球面反照率三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路21e.二次散射通量 二次散射通量是一種離散機(jī)制；它依賴于目標(biāo)的環(huán)境而與地面與大氣之間的連續(xù)反射和散射相一致。 如果大氣的半球反射率（大氣層臨界面）被定義為 S，在可通過(guò)下列公式表示：三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路22三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型e.二次散射通量3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路23多次地面

7、-大氣輻射反射作用累加后：三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型e.二次散射通量3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路24f.加載在地面的輻射通量經(jīng)反射穿透大氣后三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路25g.再加上大氣固有的反射太陽(yáng)輻射通量三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路26回顧：表觀反射率的定義？以“地表-大氣”為整體目標(biāo)，入射輻射通量與出射輻射通量的比例。三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路27因此，表觀反射率：三、基于輻

8、射傳輸模型大氣校正模型3.建立起地表-大氣輻射關(guān)系分析模型3.2 一般校正思路284.根據(jù)模型函數(shù)關(guān)系計(jì)算地物光譜反射率三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.2 一般校正思路傳感器接收的輻射亮度值29分析下式：已知參數(shù)待求 在不同的輻射傳輸模型中，大氣校正參數(shù)的形式和數(shù)量有所不同，但基本思想是類似的。三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.2 一般校正思路30(1) 6S 模型 6S 模式全名為second simulation of the satellite signal in the solar spectrum ，即太陽(yáng)光譜衛(wèi)星信號(hào)的二次模擬。三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型

9、 特點(diǎn):模型建立在輻射傳輸理論基礎(chǔ)之上,考慮了地形、氣象、光譜等多種參數(shù)的共同作用,適用于多種衛(wèi)星傳感器的波段范圍,不受研究對(duì)象及目標(biāo)物類型、背景等的限制,應(yīng)用范圍廣,精度較高,因而在輻射及遙感等學(xué)科中越來(lái)越受到重視。31三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型原理 把周圍環(huán)境的鄰近效應(yīng)帶入 考慮地面不是均一的朗伯體水汽等吸收系數(shù)環(huán)境反射率簡(jiǎn)化6S32三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型輸入 太陽(yáng)、地物與傳感器之間的幾何關(guān)系 大氣模式 氣溶膠模式 傳感器的光譜特性 地表反射率五類參數(shù)： 這五個(gè)部分構(gòu)成了大氣輻射傳輸模型的全過(guò)程，模

10、擬了太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣效應(yīng)到達(dá)地表，然后由地表反射通過(guò)大氣效應(yīng)到達(dá)傳感器的整個(gè)太陽(yáng)輻射傳輸過(guò)程，而且還考慮到了地表朗伯體和非朗伯體反射兩個(gè)方面。33三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型輸入 太陽(yáng)、地物與傳感器之間的幾何關(guān)系太陽(yáng)天頂角由程序計(jì)算太陽(yáng)與衛(wèi)星的天頂角和方位角輸入觀測(cè)時(shí)間衛(wèi)星天頂角太陽(yáng)方位角衛(wèi)星方位角交點(diǎn)時(shí)間輸入衛(wèi)星接收時(shí)間像素點(diǎn)數(shù)衛(wèi)星條件兩種輸入方式34三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型輸入大氣組分參數(shù)：包括水汽，灰塵顆粒度等參數(shù) 大氣模式 無(wú)大氣吸收八種選擇中緯度冬季美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣 若缺乏精確的實(shí)況數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)

11、衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地理位置和時(shí)間，選用提供的標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)替代。 熱帶夏季近極地冬季中緯度夏季近極地夏季用戶自定義35三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型輸入 氣溶膠組分參數(shù)：包括水分含量以及煙塵、灰塵等在空氣中的百分比等參數(shù)。 氣溶膠模式 無(wú)氣溶膠可以選用提供的標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)代替大陸型氣溶膠海洋性氣溶膠 氣溶膠的大氣路徑長(zhǎng)度：用當(dāng)?shù)氐哪芤?jiàn)度參數(shù)表示方式1：波長(zhǎng)500nm處的光學(xué)厚度方式2：氣象能見(jiàn)度36三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型輸入 傳感器的光譜特性 探測(cè)器的光譜條件，主要指相應(yīng)波段對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)信息，可以直接輸入具體參數(shù)，也可通過(guò)選

12、擇常用衛(wèi)星類型來(lái)確定。 地表反射率地表為為郎伯體或雙向反射模式反射率隨角度的變化關(guān)系不同波長(zhǎng)下的反射率37三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型輸出 a.輻射部分： 地面上的直接輻照度、環(huán)境反射率及輻照度； 衛(wèi)星上的大氣路徑反射率及輻亮度、背景反射率及輻亮度、像元反射率及輻亮度。 b.吸收部分： 各種氣體的向上透過(guò)率、向下透過(guò)率、總透過(guò)率； 氣體總向上透過(guò)率、總向下透過(guò)率、總透過(guò)率。 大氣參數(shù)主要包括三個(gè)方面大氣參數(shù)大氣校正系數(shù)38三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型輸出 c.散射部分 大氣分子、氣溶膠的向上散射透過(guò)率、向下散射

13、透過(guò)率、總散射透過(guò)率; 總向下散射透過(guò)率、總向上散射透過(guò)率、總散射透過(guò)率; 大氣分子、氣溶膠及總的球面反照率、光學(xué)厚度、反照率、單次反照率及相函數(shù)。 大氣參數(shù)主要包括三個(gè)方面大氣參數(shù)大氣校正系數(shù)39三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(1) 6S 模型模型輸出大氣參數(shù)大氣校正系數(shù) 大氣校正系數(shù)40(2) LOWTRAN 模型光譜分辨率 以 20cm-1 的光譜分辨率的單參數(shù)帶模式計(jì)算大氣透過(guò)率、大氣背景輻射、單次散射的光譜輻射亮度、太陽(yáng)直射輻射度。模型參數(shù) 它提供了6種參考大氣模式的溫度、氣壓、密度的相關(guān)描述，H2O、O3、O2、CO2、CH4、N2O 的混合比及其他 13 種微量

14、氣體的相應(yīng)描述，城鄉(xiāng)大氣氣溶膠、霧、沙塵、火山噴發(fā)物、云、雨廓線和輻射參量如消光系數(shù)、吸收系數(shù)、非對(duì)稱因子的光譜分布。三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型41 LOWTRAN 模型是美國(guó)空軍地球物理實(shí)驗(yàn)室研制的，目前流行的版本是LOWTRAN7。 LOWTRAN7增加了多次散射的計(jì)算及新的帶模式、臭氧和氧氣在紫外波段的吸收參數(shù)。目前使用的LOWTRAN7 已經(jīng)基本成熟固定，自 1989 年以來(lái)沒(méi)有大的改動(dòng)。LOWTRAN的發(fā)展三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型(2) LOWTRAN 模型3.3 典型模型42(3) MORTRAN 模型MORTRAN 模型起源 發(fā)展了一種新的的分子吸收

15、的算法和更新了對(duì)分子吸收的氣壓溫度關(guān)系的處理，同時(shí)維持 LOWTRAN 7 的基本程序和使用結(jié)構(gòu)。 MORTRAN模型主要是對(duì)LOWTRAN7模型的光譜分辨率進(jìn)行了改進(jìn)，它把光譜分辨率從20cm-1減少到2cm-1。MORTRAN 模型發(fā)展三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型43 ENVI 軟件中提供的 FLAASH 大氣校正模型就是使用了改進(jìn)的 MORTRAN 模型的代碼。MORTRAN 模型應(yīng)用三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型(3) MORTRAN 模型44(4)ATCOR 模型ATCOR 模型起源 由德國(guó) Wessling 光電研究所的 Rudolf Rich

16、ter 博士于1990年研究提出的一種快速大氣較正算法，并且經(jīng)過(guò)大量的驗(yàn)證和評(píng)估。 三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型45ATCOR 模型特點(diǎn)ATCOR 模型應(yīng)用 該模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于很多的通用圖像處理軟件，如 PCI、ERDAS。 ATCOR 2 模型是 ATCOR 經(jīng)歷了多次改進(jìn)和完善的產(chǎn)品，上述軟件中引入的即為 ATCOR 2 版本。 應(yīng)用于高空間分辨率光學(xué)衛(wèi)星傳感器的快速大氣校正模型，它假定研究區(qū)域是相對(duì)平的地區(qū)，并且大氣狀況通過(guò)一個(gè)查證表來(lái)描述。三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3 典型模型46第三章 第2節(jié) 高光譜遙感大氣校正一、大氣校正簡(jiǎn)介二、大氣輻射傳輸過(guò)程的定

17、量分析三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型四、輻射校正的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型474.1 暗目標(biāo)法 基于影像特征進(jìn)行，屬于相對(duì)輻射校正，不能得到準(zhǔn)確的光譜反射率。 將暗目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的灰度值減掉，一般只能消除加性輻射誤差。四、輻射校正的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型484.2 平面場(chǎng)模型 在影像中選擇具有一定面積、較均勻的樣區(qū)，將每個(gè)像元的灰度值除以樣區(qū)的灰度平均值（逐波段進(jìn)行）。 只能得到相對(duì)反射率，不能做反射率的精確定量反演。四、輻射校正的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型494.3 內(nèi)部平均法 首先計(jì)算整幅影像的灰度平均值，將每個(gè)像元的灰度值除以該灰度平均值（逐波段進(jìn)型）。 也屬于相對(duì)輻射校正，用以改善圖像質(zhì)量。四、輻射校正的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型504.4 對(duì)數(shù)殘差模型