6.3 遥感图像预处理-辐射校正

波段TM7中亮度为零处在 波段TMi中程辐射度。实 际校正时将波段TMi中所 有象元值减去这个截距c， 来去除程辐射信息。
即：
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（3）利用地面实测数据进行大气校正
LS 1

T , (T , E cos Ed ) LP
可简化为： LS K LP
• 1、如果是精细定量研究，那么选择基于基于辐射 传输模型的大气校正方法。 • 2、如果是做动态监测，那么可选择相对大气校正 或者较简单的方法。 • 3、如果参数缺少，没办法了只能选择较简单的方 法了。
绝对大气校正模型
• 基于辐射传输模型 – Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum (6S)模型 – MORTRAN模型 – LOWTRAN模型 – ATCOR模型 • 大气校正算法应用软件 • ACORN（基于MORTRAN 4+） • ATCOR （基于MORTRAN 4+） • ATREM （基于6S ）
倾斜地表获取的地物图像g(x,y)校 正为垂直入射水平地表的地物图 像f(x,y)：
I0
g ( x, y ) f ( x, y ) cos
α
需要DEM辅助计算每个像元坡度、坡向等信息
• 辐射校正：消除或改正辐射误差。 • 辐射定标（传感器定标）： • 绝对定标：通过各种标准辐射源，在不同波谱段建立 成像光谱仪入瞳处的光谱反射值与成像光谱仪输出的 灰度值之间的定量关系 • 相对定标：确定场景中各像元之间、各探测器之间、 各波谱之间以及不同时间测得的辐射量的相对值。 • 大气校正：消除大气和光照等因素对地物辐射的影响 ，获得地物反射率或辐射率、地表温度等真实物理模 型参数。 • 辐射校正包括辐射定标和大气校正。
大气校正方法
• 绝对大气校正方法：将遥感图像的 DN(Digital Number)值转换为地表反射率、 地表辐射率、地表温度等的方法。
• 相对大气校正方法：校正后得到的图像， 相同的DN值表示相同的地物反射率，其结 果不考虑地物的实际反射率。
• 既然有怎么多的方法，那么又存在方法选择问题 。这里有一个总结供参考：
校正前
校正后
以FLAASH大气校正为例
大气影响的相对（粗略）校正
LS 1

T , (T , E cos Ed ) LP
• 通过比较简便的方法去掉上式中的程辐射LP，从而改善图 像质量。 • 程辐射的大小与象元位置有关，随着大气条件、太阳照射 方向和时间变化而变化，但在一幅图像的范围内，变化量 微小，可以认为是一个常数。 • 主要包括直方图最小值去除法和回归分析法等。
a) Field crew taking a spectro-radiometer measurement from a calibrated reflectance standard on the tripod. b) 8 8 m black and white calibration targets at the Savannah River Site
大气校正(Atmospheric correction)
• 大气校正的目的是消除大气和光照等因素对地物 辐射的影响，获得地物反射率或辐射率、地表温 度等真实物理模型参数。 • 是否需要大气校正？
– 不需要：对某些分类而言，大气校正并不是必需的。 原则是：分类训练样本如果来自影像本身，而不是来 自其他时间或地点获取的影像。 – 必须：多时相图像变化信息提取或提取遥感数据的生 物物理信息（如水体中的叶绿素、悬浮泥沙、温度； 植被的生物量、叶面积指数、叶绿素、树冠郁闭百分 比等）
纬度 赤纬 时角
太阳斜射时的图像g(x,y)校正为太阳直射时的图像f(x,y) ：
g ( x, y ) f ( x, y ) sin
地形坡度辐射校正(Terrain slope )
单位面积倾斜地表接收的垂直太 阳辐射能量I与地表接收的太阳辐 射能量I0 的关系：
I I 0 cos
Lb kLa c
Lb：待校正波段的图像亮度值
La ：不受大气影响波段的图像 亮度值
ki
(L
a
La )( Lb Lb )
2
( La La )
,
La , Lb为a b波段的均值。
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（2）回归分析法
对于TM数据：
TMi kiTM 7 ci ci TMi kiTM 7
• FLAASH （基于MORTRAN 4+）
• 绝对大气校正需获取参数（基于辐射传输物理 模型）
• 获取图像的地理位置（经纬度坐标，latitude and longitude of the remotely sensed image scene）, • 数据的获取时间date and exact time of remote sensing data collection, • 图像获取高度image acquisition altitude (e.g., 20 km AGL) • 获取图像地面高程mean elevation of the scene (e.g., 200 m ASL), • 建立一个大气模型an atmospheric model (e.g., mid-latitude summer, mid-latitude winter, tropical),（影响水汽、气溶胶含量） • 定标处理后的图像辐射数据radiometrically calibrated image radiance data (i.e., data must be in the form W m2 mm-1 sr-1), • 波段波长位置data about each specific band (i.e., its mean and fullwidth at half-maximum (FWHM), and • 获取图像地区的大气可见度等local atmospheric visibility at the time of remote sensing data collection (e.g., 10 km, obtained from a nearby airport if possible).
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焦作，TM， 2007.5.19
（1）直方图 校正方法
Min Max 25 166
Mean 81.37
Stdev 10.23
Band 4
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（2）回归分析法
Байду номын сангаас
焦作，TM， 2007.5.19
Basic Stats Band 1 Band 2 Band 3 Band 4 Band 5 Band 7
6.3辐射校正 Radiometric correction
主要内容： • 辐射校正 • 影响辐射误差的因素 • 辐射定标 • 大气校正
1 辐射校正 Radiometric correction
• 辐射畸变：地物实际的反射能量与传感器测量值 不一致。
• 产生辐射畸变的原因： • 1.传感器响应特性（边缘减光，光电转换系 统）引起辐射误差 • 2.太阳高度角变化、地形起伏的影响 • 3.大气的影响
In Situ Radiometric Data Collection
传感器误差
p d dθ o
θ
S
边缘减光现象
E Eo cos
4
光电转换误差
探测器光敏特性引起的辐射误差校正 1）热噪声引起的辐射误差校正 2）暗电流引起的辐射误差校正 3）光谱响应引起的辐射误差校正
太阳高度角辐射校正(Solar elevation
angle )
太阳高度角θ的变化会改变光照条件，随成像时间、 季节和地理位置变化而变化。太阳高度角引起的图像 辐射值误差通常对图像细部特征产生影响。 太阳高度角θ计算： sin sin sin cos cos cost
Min 71 31 25 25 21 10
Max Mean Stdev Num Eigenvalue 238 100.198278 13.282733 1 865.526840 129 48.810632 7.960678 2 172.335425 166 54.181880 13.189381 3 45.795327 167 80.806152 10.032392 4 11.086515 249 95.733802 18.548537 5 5.464733 186 50.995964 15.587194 6 1.212051
• （2）回归分析法
• 原理： • 在遥感图像上大山的阴影区或深大水体区域，各个波 段的反射为零。 • 程辐射主要来自大气散射的影响，在波长较长的红外 波段，散射影响接近于零。可作为没有程辐射影响的 标准图像来校正其他波段数据。 • 方法：在不受大气影响的波段（如TM5或7）和待校正的 某一波段图像中，选择一系列目标，将每个目标的两个 待比较的波段灰度值提取出来进行回归分析，建立线性 回归方程。
辐射定标 Radiometric calibrates
建立到达传感器的总电磁辐射与传感器量测值之 间的关系：
LS K BVi , j ,k Lmax Lmin Lmin，K Cmax
• K——传感器每一亮度等级表示 的辐射能量（增益系数）； • BVijk——象元亮度值； • Cmax——象元的最大亮度值（如： ８bit为255）； • Lmax ——传感器探测的饱和辐射 值； • Lmin ——探测器量测的最小辐射 值（偏移量）。
（1）直方图校正方法
• 从图像像元亮度值中减去一个辐射偏置量（LP）， 辐射偏置量等于图像直方图中最小的辐射亮度值。 • 前提（假设）：水体（或阴影）等物体的灰度值 为0，大气散射导致图像上这些物体的灰度值不为 0（辐射偏置量） 暗物体法（Dark-object method） 即： 输出BVi,j,k=输出BVi,j,k-偏移量