遙感輻射校正報(bào)告

《遙感原理與應(yīng)用》

期末報(bào)告現(xiàn)級(jí):116112小組：第一組組員:彭茜蕤黃慧林劉佳慧周林指導(dǎo)教師：陳啟浩課題：遙感影像輻射校正中國(guó)地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院信息工程系2013年5月目錄輻射校正的概念和原理輻射校正的原理部分輻射校正方法效果展示輻射校正相關(guān)前沿5.參考文獻(xiàn)6.小組成員分工輻射校正的概念和原理由于傳感器響應(yīng)特性和大氣的吸收、散射以及其他隨機(jī)因素的影響，導(dǎo)致圖像模糊失真，造成圖像的分辨率和對(duì)比度的相對(duì)下降。輻射校正糾正由于遙感檢測(cè)系統(tǒng)、大氣散射和吸收等原因引起的圖像模糊失真、分辨率和對(duì)比度下降等輻射失真。為了得到相對(duì)真實(shí)有用的遙感圖像，這些因素導(dǎo)致的圖像誤差需要通過(guò)輻射校正來(lái)復(fù)原。輻射校正的原理一、系統(tǒng)輻射校正一傳感器定標(biāo)傳感器定標(biāo)：傳感器定標(biāo)模型可用線性公式表示如g’=kg+b，實(shí)質(zhì)是建立傳感器輸出值與傳感器入瞳處輻射亮度間的聯(lián)系。（一）光學(xué)攝影機(jī)內(nèi)部輻射誤差校正光學(xué)攝影機(jī)內(nèi)部輻射誤差主要是由鏡頭中心和邊緣的透射光的強(qiáng)度不一致造成的，它使得在圖像上不同位置的同一類(lèi)地物有不同的灰度值。設(shè)原始圖像灰度值g，校正的圖像灰度g’，則有g(shù)’=g/cos0；0為像點(diǎn)成像時(shí)光線與主光軸夾角。（二）光電掃描儀內(nèi)部輻射誤差的校正兩類(lèi)誤差：（1）光電轉(zhuǎn)換誤差；（2）探測(cè)器增益變化引起的誤差。二、大氣校正定義：指消除主要由大氣散射引起的輻射誤差的處理過(guò)程。（一）公式法與衛(wèi)星掃描同步進(jìn)行野外波譜測(cè)試，將地面測(cè)量結(jié)果與衛(wèi)星影像對(duì)應(yīng)像元亮度值進(jìn)行回歸分析，回歸方程為：a+a+bR-式中，LAi為衛(wèi)星觀測(cè)值；Ri為地面反射率；a和b為回歸系數(shù)；系數(shù)a為大氣散射引起對(duì)輻射的干擾部分a=SiLBi（式中，Si為系統(tǒng)增益因素；Lbi為大氣路徑輻射率）b表示輻射率Lai隨地面反射率Ri遞增而增長(zhǎng)的程度大小;Ti為大氣透射率；Hi為太陽(yáng)輻照度；0為太陽(yáng)天頂角；i代表各波段的序號(hào)將上式代入可得：S/ljH^osOL=S/ljH^osOL=g+S頑cos。匕上式說(shuō)明決定Lai的因素比較復(fù)雜，用這一公式計(jì)算Lai時(shí)需要獲得當(dāng)時(shí)具體氣象參數(shù)。由前面的公式可得:—~aIAi=KR]=LAi—a式中，L’Ai即為校正后圖像灰度值；a為大氣附加輻射部分。（二）回歸分析法用長(zhǎng)波數(shù)據(jù)來(lái)校正短波數(shù)。做法：在不受大氣影響的波段（如TM5）和待校正的某一波段圖像中，選擇由最亮至最暗的一系列目標(biāo)，將每一目標(biāo)的兩個(gè)待比較的波段灰度值提取出來(lái)進(jìn)行回歸分析。（三）直方圖校正法：通過(guò)灰度直方圖對(duì)比找出校正量從圖像像元亮度值中減去一個(gè)輻射偏置量（LP），輻射偏置量等于圖像直方圖中最小的輻射亮度值。前提（假設(shè)）：水體（或陰影）等物體的灰度值為0，大氣散射導(dǎo)致圖像上這些物體的灰度值不為0（輻射偏置量）叫灰度級(jí)灰度級(jí)圖8,6直方圖輻射校正示意圖三、噪聲消除遙感圖像的噪聲源主要有大氣傳輸通道的噪聲及傳感器內(nèi)產(chǎn)生的噪聲。大氣傳輸通道中由于大氣的湍流擾動(dòng)影響產(chǎn)生隨機(jī)噪聲;傳感器的噪聲源包含有轉(zhuǎn)換和濾波過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲，例如，光電檢測(cè)系統(tǒng)的電流不穩(wěn)定性所表現(xiàn)的散粒噪聲，即電流的無(wú)規(guī)則起伏現(xiàn)象，低光亮?xí)r為泊松分布，高光亮?xí)r為高斯分布。傳感器的另一在噪聲源為濾波器電路中的電阻、電容產(chǎn)生的熱噪聲，這種噪聲也具有高斯分布、零均值的隨機(jī)特性；熱紅外波段傳感器因各部分的溫度變化也產(chǎn)生噪聲效應(yīng)；此外，攝影膠片記錄信息時(shí)存在的膠片顆粒噪聲，既由膠片上漠化銀顆粒受等值曝光時(shí)因銀顆粒的大小、形狀不完全一致，而且分布不均勻引起的。以上這些噪音均屬于對(duì)圖像的高頻干擾，因此可以采用濾波方法予以消除。

部分輻射校正方法效果展示圖1—1圖1-1中為經(jīng)過(guò)直方圖校正法校正后圖與（右半邊部分）與未經(jīng)處理的原圖對(duì)比。右邊圖中水面較左邊明顯偏暗。

磨潭理與E蠢抿示彰棣祎處理影港立I*影fi妙林僧號(hào)類(lèi)擊餐盧［￡MOOIStl禰!葛光濡分析■詁分析空醐計(jì)株析好妹由回.磨潭理與E蠢抿示彰棣祎處理影港立I*影fi妙林僧號(hào)類(lèi)擊餐盧［￡MOOIStl禰!葛光濡分析■詁分析空醐計(jì)株析好妹由回.13￡"?留*三?必毋￡3（81?|//小點(diǎn)1。0■■l—l■場(chǎng)t/iF「畦：字懸頊芫成當(dāng)幗冊(cè)空:整甫羥示X-2M圖1-3中為經(jīng)過(guò)回歸分析校正后圖與（右半邊部分）與未經(jīng)處理的原圖對(duì)比。輻射校正相關(guān)前沿輻射校正模型現(xiàn)存問(wèn)題1、模型輸入?yún)?shù)模型輸入?yún)?shù)主要有遙感圖像、DEM、太陽(yáng)天頂角和太陽(yáng)輻射等。1）目前，多數(shù)地形輻射校正研究主要針對(duì)Landsat圖像，對(duì)SPOT,IKONOS等高分辨率遙感圖像的研究還比較少。由于地形使天空散射光和鄰近地表反射光具有很大的隨機(jī)性和難計(jì)算性，在單源數(shù)據(jù)情況下，陰影區(qū)的地形輻射校正無(wú)論采用何種模型都不能取得較好的效果。2）DEM精度及遙感圖像與DEM配準(zhǔn)的精度會(huì)直接或間接影響校正效果，尤其在山脊、山谷處會(huì)發(fā)生過(guò)校正或欠校正現(xiàn)象。劉學(xué)軍等對(duì)不同精度DEM的選取及其對(duì)校正的影響程度（即DEM尺度問(wèn)題）有了一定的研究。但高精度和高分辨率的DEM數(shù)據(jù)往往比較昂貴且難以獲得，這在一定程度上限制了模型的發(fā)展和應(yīng)用。3）太陽(yáng)天頂角雖作為常量參與校正，但它會(huì)隨地球與太陽(yáng)的相對(duì)位置和時(shí)間變化而改變。那么同景圖像上太陽(yáng)天頂角的變化有多大？在多大范圍內(nèi)會(huì)對(duì)校正效果產(chǎn)生影響？這些問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究。4）太陽(yáng)輻射大體分為3個(gè)組分：太陽(yáng)直接輻射、天空散射輻射和鄰近像元的反射輻射。前2個(gè)組分可在6S模型中反演得到，因此需要先對(duì)遙感圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，輻射定標(biāo)和大氣校正的精度就會(huì)直接影響校正效果。同時(shí)，還需進(jìn)一步探討太陽(yáng)輻射3個(gè)組分間的影響因素及其表示方法，尤其是對(duì)鄰近像元反射輻射的計(jì)算。2、模型前提假設(shè)當(dāng)前，地表特征的假設(shè)分為朗伯體和非朗伯體兩種觀點(diǎn)，而非朗伯體的表征一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)?；诶什w假設(shè)的地形輻射校正算法雖然簡(jiǎn)便，但校正結(jié)果卻與實(shí)際地表不符。非朗伯體模型能更真實(shí)地反映實(shí)際地表的情況，卻沒(méi)有很好的普適性。如Minnaert校正模型，其系數(shù)k要依賴(lài)于波段、相位角、地表覆蓋類(lèi)型等因素，且只是用來(lái)描述地表二向性的雙向反射分布函數(shù)（bidirectionalreflectancedistributionfunction,BRDF）的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；當(dāng)引入前向或后向散射時(shí)，Minnaert校正算法的缺點(diǎn)就很明顯。Han等用V面來(lái)反映地表情況，并引入地形衰減因子來(lái)提高校正的精度，討論了基于V面假設(shè)的二向反射率校正模型的可行性。3、模型評(píng)價(jià)方法對(duì)模型的評(píng)價(jià)也是模型應(yīng)用中極具挑戰(zhàn)性的一個(gè)問(wèn)題。常用的評(píng)價(jià)方法有3種：目視評(píng)價(jià)、統(tǒng)計(jì)參數(shù)評(píng)價(jià)和光譜一致性評(píng)價(jià)，這3種評(píng)價(jià)方法可在一定程度上反映出模型的優(yōu)劣。聞建光等通過(guò)幾何光學(xué)交互遮蔽（li—strahlergeometryopticalmutualshadowGOMS）模型模擬生成不同模型校正后的冠層反射率，直觀地評(píng)價(jià)了各個(gè)模型，但仍不足以從定量的角度說(shuō)明各模型的差異。除了在模型參數(shù)、假設(shè)前提和評(píng)價(jià)方法3個(gè)方面存在上述問(wèn)題外，模型的建立也存在著一些問(wèn)題，特別是針對(duì)復(fù)雜地形陰影區(qū)所引起的光譜失真，很難從經(jīng)驗(yàn)關(guān)系和物理機(jī)制上準(zhǔn)確地建立模型。結(jié)論1）從地形輻射校正模型研究進(jìn)展情況可以看出，近年來(lái)發(fā)展了眾多的地形輻射校正模型，并得到了很好的應(yīng)用。2）當(dāng)前的地形輻射校正模型研究仍存在不足之處，主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)源存在誤差、模型假設(shè)條件不合理及模型評(píng)價(jià)方法不完善等。3）在今后的研究中，除了要重視模型的建立（如模型輸入?yún)?shù)的多元考慮、模型假設(shè)條件的考慮等），還應(yīng)重視模型間的對(duì)比和模型定量評(píng)價(jià)方法的研究，以便更精確、客觀地評(píng)價(jià)其地形輻射校正的效果。在多時(shí)相遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，由于缺乏大氣狀況等相關(guān)信息，采用相對(duì)輻射校正方法消除不同時(shí)相遙感圖像之間的輻射亮度差異是較常用的方法。本文在2期TM影像上分別選擇以居民地及建設(shè)用地和耕地為主的研究區(qū)以及以山地和水體為主的研究區(qū)，對(duì)基于不變特征相對(duì)輻射校正方法——基于多元變化檢測(cè)輻射校正方法中不同閾值以及不同自然景觀特征影響進(jìn)行進(jìn)一步研究，得到以下結(jié)論：①與基于統(tǒng)計(jì)特征的輻射校正方法相比，雖然基于多元變化檢測(cè)相對(duì)輻射校正方法的RMSE值略高于圖像回歸方法，但是比較兩種方法的變異系數(shù)，該方法有利于遙感影像分類(lèi)和變化檢測(cè)；②本文采用5個(gè)不同閾值比較它們之間的差異性，從RMSE和變異系數(shù)2種評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，不同閾值對(duì)基于多元變化檢測(cè)方法結(jié)果的影響不顯著；③研究區(qū)分別選擇在平原地區(qū)和山地，結(jié)果顯示在基于多元變化檢測(cè)的相對(duì)輻射校正方法中，林地和居民地及建設(shè)用地的樣本量往往取決于覆蓋面積的大小，耕地一般可獲取較多樣本，水體獲取樣本較少。實(shí)踐證明，基于多元變化檢測(cè)相對(duì)輻射校正方法，其操作性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)人工采集樣本的相對(duì)輻射校正方法，輻射校正結(jié)果優(yōu)于基于統(tǒng)計(jì)特征相對(duì)輻射校正方法獲得輻射校正結(jié)果，該方法具有較好的應(yīng)用前景。有著多年野外試驗(yàn)工作經(jīng)驗(yàn)的戎志國(guó)說(shuō)：“我們利用輻射特性均勻穩(wěn)定的地面目標(biāo)，并將其作為'基準(zhǔn)’。在衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，通過(guò)遙感器對(duì)'基準(zhǔn)'的觀測(cè)，校準(zhǔn)遙感器偏差（輻射校正），成為確保在軌衛(wèi)星觀測(cè)精度的首要方法?！薄拔覀?cè)诙鼗蛨?chǎng)主要是進(jìn)行可見(jiàn)光輻射校正，在青海湖主要是進(jìn)行紅外校正。輻射校正星地同步觀測(cè)，需要晴天、小觀測(cè)角度等條件。一般在極軌衛(wèi)星過(guò)境前后一小時(shí)對(duì)其進(jìn)行加密測(cè)量，地表反射特性為場(chǎng)區(qū)跑點(diǎn)觀測(cè)，其他的則為定點(diǎn)觀測(cè)?！睂O凌說(shuō)。截至目前，中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射校正場(chǎng)技術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)為氣象、海洋、資源、環(huán)境減災(zāi)和軍事系列共21顆國(guó)產(chǎn)遙感衛(wèi)星實(shí)施了輻射校正，僅用于臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)的風(fēng)云衛(wèi)星圖像就超過(guò)6萬(wàn)幅。中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心應(yīng)用開(kāi)發(fā)部部長(zhǎng)付俏燕表示：“資源衛(wèi)星有很多顆，我們以該系統(tǒng)指標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)，每年進(jìn)行輻射校正，效果不錯(cuò)。資源衛(wèi)星與氣象衛(wèi)星載荷不一樣，衛(wèi)星分辨率較高，因此我們的網(wǎng)塊選擇、技術(shù)方法、數(shù)據(jù)反演方法等都借鑒于該系統(tǒng)?！蹦壳?，國(guó)際地球衛(wèi)星觀測(cè)委員會(huì)已將該系統(tǒng)列為國(guó)際上極少具備現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)條件的輻射校正基準(zhǔn)場(chǎng)；世界氣象組織高度評(píng)價(jià)中國(guó)在國(guó)際輻射校正領(lǐng)域的主導(dǎo)作用；輻射校正過(guò)的圖像通過(guò)CMACast在亞太17個(gè)國(guó)家和南美洲、非洲得到業(yè)務(wù)使用。記者了解到，可見(jiàn)光輻射校正（系統(tǒng)定標(biāo)）精度以及初級(jí)應(yīng)用光輻射功率標(biāo)準(zhǔn)不確定度2項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；敦煌光學(xué)輻射校正場(chǎng)均勻性、尺度指標(biāo)以及基本特性參數(shù)的完整性為國(guó)際最優(yōu)；紅外、微波輻射校正業(yè)務(wù)填補(bǔ)了國(guó)際空白。針對(duì)大視場(chǎng)多光譜空間相機(jī)獲取的圖像直接合成彩色圖像后存在嚴(yán)重的色帶和片間色差、地面處理數(shù)據(jù)量大且耗時(shí)長(zhǎng)這一問(wèn)題，提出了一種大視場(chǎng)多光譜遙感相機(jī)的在軌自動(dòng)相對(duì)輻射校正方法，給出了利用最小二乘法獲取的絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)計(jì)算消除片間色差的相對(duì)輻射校正系數(shù)的公式，并在分析視頻處理器增益等成像工作參數(shù)變化對(duì)相對(duì)輻射校正系數(shù)的影響的基礎(chǔ)上，將校正算法在成像控制FPGA中進(jìn)行了具體實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)室均勻輻射背景成像實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，自動(dòng)相對(duì)輻射校正的結(jié)果和在地面進(jìn)行相對(duì)輻射校正的結(jié)果一致，校正誤差在0.5個(gè)DN值以?xún)?nèi)，校正后的圖像滯后原始圖像6個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。在軌成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)自動(dòng)相對(duì)輻射校正后直接合成的彩色圖像去除了色帶和片間色差，使得對(duì)感興趣目標(biāo)分辨和識(shí)別更加快速及時(shí)?；贔LAASH模型的MODIS1B數(shù)據(jù)的大氣校正中分辨率成像光譜儀MODIS(ModerateResolutionImagingSpectralradiometer)是美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)EOS(EarthObservingSatellites)最主要的儀器，搭載于Terra和Aqua兩顆衛(wèi)星之上，其數(shù)據(jù)在全世界范圍都可免費(fèi)接收。MODIS有36個(gè)離散光譜波段，光譜范圍寬從0.4(可見(jiàn)光)?14.4pm(熱紅外)全光譜覆蓋。其中，前兩個(gè)波段的空間分辨率250m,3—7波段為500m，8—36波段為1000m，兩顆衛(wèi)星每天可以進(jìn)行4次觀測(cè)，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，在一定程度上彌補(bǔ)了其空間分辨率的不足，在自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境變化、資源利用等方面都得到了廣泛的應(yīng)用】1］。由于其時(shí)間分辨率較高，在遙感成像過(guò)程中，傳感器接收到的輻射信息是經(jīng)過(guò)大氣作用后的輻射信息。它包括了地物輻射信息和大氣輻射信息，這些會(huì)引起傳感器接收到的信號(hào)失真，因此，需要對(duì)原始遙感影像進(jìn)行大氣校正，消除或者減弱大氣對(duì)遙感數(shù)據(jù)的影響，進(jìn)而還原目標(biāo)物的真實(shí)反射率。國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者提出了很多大氣校正方法［2］，如：直方圖均衡化法(HistogramMatchingMethod)、經(jīng)驗(yàn)線性法(EmpiricalLineMethod)、暗目標(biāo)法(DarkObjectMethod)、6S、MODTRAN大氣校正模式等°ENVI軟件中的FLAASH模型采用的是MODTRAN4大氣輻射傳輸模型，本文利用該模型對(duì)MODIS1B數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，為MODIS1B數(shù)據(jù)的進(jìn)一步應(yīng)用提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。2大氣校正過(guò)程2.1大氣校正預(yù)處理在利用ENVI軟件對(duì)MODIS1B數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正前，需要進(jìn)行幾個(gè)部分的預(yù)處理工作，包括幾何校正、輻射定標(biāo)、格式轉(zhuǎn)換等。預(yù)處理流程如圖1所示。由于MODIS1B數(shù)據(jù)中自帶經(jīng)緯度信息，本文首先以經(jīng)度作為X方向數(shù)據(jù)，以緯度作為Y方向數(shù)據(jù)建立GLT，然后利用map模塊中的geo—referencefromGLT功能對(duì)圖像進(jìn)行幾何校正。其原理就是使圖像中的每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)值將此像素放在相應(yīng)的位置上，從而達(dá)到幾何校正的目的。輻射定標(biāo)是大氣校正的基礎(chǔ)步驟，目的是將記錄的原始測(cè)量值DN轉(zhuǎn)換為大氣外層表面反射率或輻射亮度。大氣校正是選擇輻射定標(biāo)后的輻射亮度產(chǎn)品進(jìn)行糾正在相應(yīng)波段科學(xué)數(shù)據(jù)集的屬性域中讀取。不同影像不同波段的輻射校正參數(shù)scales和offsets是不同的，本文所用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為2008年4月25日上海長(zhǎng)江口地區(qū)的Terra影像數(shù)據(jù)，其前七個(gè)波段的輻射校正參數(shù)見(jiàn)表1。因?yàn)镸ODIS的數(shù)據(jù)存貯格式為波段順序格式(BSQ)，而FLAASH大氣校正模塊使用的是波段逐行交叉順序(BIL)或波段逐像元交叉順序(BIP)格式文件。所以，需要利用ConvertData功能將幾何糾正后的1kmRadiance輻射亮度BSQ格式轉(zhuǎn)換為BIL格式文件，并將生成文件的頭文件中各波段分別賦中心波長(zhǎng)值。經(jīng)輻射定標(biāo)后，得到天頂輻射能量，其量綱為W/(m2-pm-sr)，F(xiàn)LAASH要求輸入數(shù)據(jù)的格式是整型或者浮點(diǎn)型，單位是|JW/（cm2-nm-sr），因此運(yùn)行FLAASH模塊前須進(jìn)行換算，為符合量綱換算關(guān)系式川W（cm2,nm?sr=10W/（m2,pm?sr），需設(shè)置scalefactor縮放因子為10，進(jìn)行量綱轉(zhuǎn)換。2.3大氣校正結(jié)果大氣校正前后MODIS數(shù)據(jù)6、2、1波段假彩色合成圖（如圖2所示）表明，校正后影像稍微變亮，對(duì)比度有所提高。由于大氣校正前的影像原本視覺(jué)效果較好，因此用目視的方法并不能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)本次大氣校正的效果。為了評(píng)價(jià)和驗(yàn)證FLAASH模型對(duì)MODIS數(shù)據(jù)大氣校正的效果，對(duì)第一波段校正前后進(jìn)行了波段統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)波譜還原精度較高，能較真實(shí)地恢復(fù)地物波譜信息。此外，進(jìn)一步對(duì)校正前后影像計(jì)算NDVI進(jìn)行對(duì)比。由于用FLAASH模塊校正輸出的