高光譜遙感大氣校正

高光譜遙感大氣校正第三章第2節(jié)高光譜遙感大氣校正一、大氣校正簡介二、大氣輻射傳輸過程的定量分析三、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)模型第2頁,共51頁，2024年2月25日，星期天傳感器定標(biāo)傳感器響應(yīng)關(guān)系大氣傳輸過程地面目標(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、大氣校正簡介1.1地物光譜重建與大氣校正第3頁,共51頁，2024年2月25日，星期天大氣校正

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)大氣狀況對遙感圖像測量值進(jìn)行調(diào)整，以消除大氣影響。一、大氣校正簡介1.1地物光譜重建與大氣校正第4頁,共51頁，2024年2月25日，星期天吸收散射折射反射1.2大氣輻射傳輸影響要素一、大氣校正簡介第5頁,共51頁，2024年2月25日，星期天大氣吸收降低透射率，是大氣校正中的重要因素形成大氣窗口能級的躍遷導(dǎo)致波長變化（復(fù)雜）一、大氣校正簡介大氣散射改變傳播方向，不改變波長照亮陰影，降低圖像反差是可見光波段輻射衰減的主要原因1.2大氣輻射傳輸影響要素第6頁,共51頁，2024年2月25日，星期天大氣折射傳播方向的偏折，引起幾何畸變。與太陽的高度角密切相關(guān)。大氣反射在介質(zhì)層的交會面處出現(xiàn)。一、大氣校正簡介1.2大氣輻射傳輸影響要素第7頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第三章第2節(jié)高光譜遙感大氣校正一、大氣校正簡介二、大氣輻射傳輸過程的定量分析三、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)模型第8頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2.1可見光及近紅外波段灰度可見光及近紅外波段簡化輻射傳輸過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射率太陽輻照度大氣向地面散射太陽輻照度太陽天頂角觀測天頂角二、大氣輻射傳輸過程的定量分析第9頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2.2熱紅外波段灰度可見光及近紅外波段簡化輻射傳輸過程透射天空光發(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、大氣輻射傳輸過程的定量分析第10頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第三章第2節(jié)高光譜遙感大氣校正一、大氣校正簡介二、大氣輻射傳輸過程的定量分析三、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)模型第11頁,共51頁，2024年2月25日，星期天3.1基本原理

利用基于輻射傳輸原理建立起來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的模型對遙感圖像進(jìn)行大氣校正。三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型第12頁,共51頁，2024年2月25日，星期天3.2一般校正思路

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第13頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

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3.2一般校正思路第14頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2.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3.2一般校正思路第15頁,共51頁，2024年2月25日，星期天表觀反射率與入瞳輻射亮度的聯(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)系第16頁,共51頁，2024年2月25日，星期天3.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輻射通量（2）散射透射輻射能量（3）大氣固有的反射太陽輻射通量（1）（2）（3）入射輻通量為三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.2一般校正思路第17頁,共51頁，2024年2月25日，星期天a.被大氣衰減的下行太陽輻射照度三、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)厚度第18頁,共51頁，2024年2月25日，星期天記總透射率為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)系分析模型3.2一般校正思路第19頁,共51頁，2024年2月25日，星期天d.加載在地表的輻射通量究竟有多少？（1）（2）（3）有無其它因素？（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3.2一般校正思路第20頁,共51頁，2024年2月25日，星期天e.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3.2一般校正思路第21頁,共51頁，2024年2月25日，星期天三、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3.2一般校正思路第22頁,共51頁，2024年2月25日，星期天多次地面-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3.2一般校正思路第23頁,共51頁，2024年2月25日，星期天f.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3.2一般校正思路第24頁,共51頁，2024年2月25日，星期天g.再加上大氣固有的反射太陽輻射通量三、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3.2一般校正思路第25頁,共51頁，2024年2月25日，星期天回顧：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3.2一般校正思路第26頁,共51頁，2024年2月25日，星期天因此，表觀反射率：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3.2一般校正思路第27頁,共51頁，2024年2月25日，星期天4.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第28頁,共51頁，2024年2月25日，星期天分析下式：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3.2一般校正思路第29頁,共51頁，2024年2月25日，星期天(1)6S模型6S模式全名為secondsimulationofthesatellitesignalinthesolarspectrum，即太陽光譜衛(wèi)星信號的二次模擬。三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3典型模型

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)科中越來越受到重視。第30頁,共51頁，2024年2月25日，星期天三、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)境反射率簡化6S第31頁,共51頁，2024年2月25日，星期天三、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、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程，模擬了太陽輻射經(jīng)過大氣效應(yīng)到達(dá)地表，然后由地表反射通過大氣效應(yīng)到達(dá)傳感器的整個(gè)太陽輻射傳輸過程，而且還考慮到了地表朗伯體和非朗伯體反射兩個(gè)方面。第32頁,共51頁，2024年2月25日，星期天三、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、地物與傳感器之間的幾何關(guān)系太陽天頂角由程序計(jì)算太陽與衛(wèi)星的天頂角和方位角輸入觀測時(shí)間衛(wèi)星天頂角太陽方位角衛(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第33頁,共51頁，2024年2月25日，星期天三、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)

大氣模式無大氣吸收八種選擇中緯度冬季美國標(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)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第34頁,共51頁，2024年2月25日，星期天三、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)。

氣溶膠模式無氣溶膠可以選用提供的標(biāo)準(zhǔn)模型來代替大陸型氣溶膠海洋性氣溶膠

氣溶膠的大氣路徑長度：用當(dāng)?shù)氐哪芤姸葏?shù)表示方式1：波長500nm處的光學(xué)厚度方式2：氣象能見度第35頁,共51頁，2024年2月25日，星期天三、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

探測器的光譜條件，主要指相應(yīng)波段對應(yīng)的波長信息，可以直接輸入具體參數(shù)，也可通過選擇常用衛(wèi)星類型來確定。

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)系不同波長下的反射率第36頁,共51頁，2024年2月25日，星期天三、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率、向下透過率、總透過率；

氣體總向上透過率、總向下透過率、總透過率。

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)第37頁,共51頁，2024年2月25日，星期天三、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率、向下散射透過率、總散射透過率;

總向下散射透過率、總向上散射透過率、總散射透過率;

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)第38頁,共51頁，2024年2月25日，星期天三、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)第39頁,共51頁，2024年2月25日，星期天(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)算大氣透過率、大氣背景輻射、單次散射的光譜輻射亮度、太陽直射輻射度。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典型模型第40頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

LOWTRAN模型是美國空軍地球物理實(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年以來沒有大的改動。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典型模型第41頁,共51頁，2024年2月25日，星期天(3)MORTRAN模型MORTRAN模型起源

發(fā)展了一種新的的分子吸收的算法和更新了對分子吸收的氣壓溫度關(guān)系的處理，同時(shí)維持LOWTRAN7的基本程序和使用結(jié)構(gòu)。

MORTRAN模型主要是對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典型模型第42頁,共51頁，2024年2月25日，星期天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模型第43頁,共51頁，2024年2月25日，星期天(4)ATCOR模型ATCOR模型起源

由德國Wessling光電研究所的RudolfRichter博士于1990年研究提出的一種快速大氣較正算法，并且經(jīng)過大量的驗(yàn)證和評估。三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3典型模型第44頁,共51頁，2024年2月25日，星期天ATCOR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。ATCOR2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ATCOR2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)域是相對平的地區(qū)，并且大氣狀況通過一個(gè)查證表來描述。三、基于輻射傳輸模型大氣校正模型3.3典型模型