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1、 遥感图像的辐射校正遥感图像的辐射校正 张超张超中国农业高校中国农业高校信息与电气工程学院信息与电气工程学院地理信息工程系地理信息工程系14 九月九月 2022本次课程主要内容本次课程主要内容l引起辐射误差的缘由引起辐射误差的缘由l由于大气影响引起的辐射误差校正由于大气影响引起的辐射误差校正l由于太阳辐射不同引起的辐射误差校正由于太阳辐射不同引起的辐射误差校正辐射校正定义辐射校正定义利用传感器观测目标的反射或辐射能量时，由利用传感器观测目标的反射或辐射能量时，由于测量值包含了太阳位置、地形起伏、大气等于测量值包含了太阳位置、地形起伏、大气等外界条件，或因传感器的性能不完备等引起的外界条件，或因
2、传感器的性能不完备等引起的辐射失真，所以传感器得到的测量值与目标实辐射失真，所以传感器得到的测量值与目标实际的光谱反射际的光谱反射/放射率或光谱辐射亮度等物理放射率或光谱辐射亮度等物理量不一样。量不一样。消退图像数据中依附在辐射亮度中的各种噪声消退图像数据中依附在辐射亮度中的各种噪声的过程称为辐射（量）校正（的过程称为辐射（量）校正（radiometric correction;radiometric calibration（须要有标（须要有标定物）定物）大气辐射校正作用大气辐射校正作用不同时间或不同传感器收集的影不同时间或不同传感器收集的影像进行对比和共同应用，相同地物像进行对比和共同应用，
3、相同地物有相像的辐亮度（反射率），以便有相像的辐亮度（反射率），以便进行动态监测和变更监测；进行动态监测和变更监测；将影像像元光谱与地面收集或实将影像像元光谱与地面收集或实地测定的光谱进行对比，使影像上地测定的光谱进行对比，使影像上的光谱信息更接近于地面地物的光的光谱信息更接近于地面地物的光谱信息；谱信息；定量遥感必需做大气辐射校正定量遥感必需做大气辐射校正 ，如农情监测、估产等，如农情监测、估产等1 图像的辐射订正缘由图像的辐射订正缘由1.1为什么要进行辐射订正？为什么要进行辐射订正？1）传感器本身的产生的误差；传感器本身的产生的误差；2）外界（自然）条件引起的误差）外界（自然）条件引起的误
4、差与几何畸变产生缘由类似与几何畸变产生缘由类似形成形成“同物异谱，异物同谱同物异谱，异物同谱”现象。现象。图像不能真实地反映不同地物的光谱图像不能真实地反映不同地物的光谱特征，影响了遥感数字图像的质量和特征，影响了遥感数字图像的质量和应用。应用。遥感器的响应特性引起的辐射误差遥感器的响应特性引起的辐射误差l对于框幅式摄影机，主要由于透镜中心和边缘的对于框幅式摄影机，主要由于透镜中心和边缘的透射光强度不一样造成的透射光强度不一样造成的l对于扫描成像，包括：对于扫描成像，包括：l 一、光电转换误差；一、光电转换误差；l 二、探测器增益变更引起的误差。二、探测器增益变更引起的误差。l另外，还包括，由
5、探测器单元不一样引起的条纹另外，还包括，由探测器单元不一样引起的条纹误差，由存储设备和噪声引起的斑点误差。误差，由存储设备和噪声引起的斑点误差。l 遥感仪器误差导致接收的图像不匀整，产生条遥感仪器误差导致接收的图像不匀整，产生条纹等现象，但是这种畸变一般在数据生产过程中，纹等现象，但是这种畸变一般在数据生产过程中，由生产单位（地面站）依据传感器参数进行校正，由生产单位（地面站）依据传感器参数进行校正，一般不须要用户进行校正。一般不须要用户进行校正。外界（自然）条件引起的辐射误差外界（自然）条件引起的辐射误差1、大气对电磁辐射的影响、大气对电磁辐射的影响 大气的散射、大气的散射、反射和吸取反射和
6、吸取用用户户应应当当考考虑虑的的主主要要是是大大气气影影响响造造成成的的畸畸变，特殊是定量遥感。变，特殊是定量遥感。2、太阳辐射引起的辐射误差、太阳辐射引起的辐射误差 1）太阳位置引起的辐射误差）太阳位置引起的辐射误差 2）地表地形起伏引起的辐射误差）地表地形起伏引起的辐射误差反射率反射率反射率是反射辐射通量与入射通量的比反射率是反射辐射通量与入射通量的比值，是值，是0-1之间的无量纲的值之间的无量纲的值=reflected/i通常用反射率描述各种地物的光谱反射通常用反射率描述各种地物的光谱反射特性。特性。分为：镜面反射、方向反射、漫反射分为：镜面反射、方向反射、漫反射（各向同性）（各向同性）
7、反射率是地物自身的属性反射率是地物自身的属性一个基本概念一个基本概念 ：2、由于大气引起辐射误差校正、由于大气引起辐射误差校正大气影响的定量分析大气影响的定量分析 进入大气的太阳辐射会发生反射、折射、吸取、进入大气的太阳辐射会发生反射、折射、吸取、散射和透射。其中对传感器接收影响较大的是散射和透射。其中对传感器接收影响较大的是吸取和散射。吸取和散射。大气影响的定量分析大气影响的定量分析无大气：无大气：在没有大气存在时，传感器接收的辐照度，在没有大气存在时，传感器接收的辐照度，只与太阳辐射到地面的辐照度和地物反射率只与太阳辐射到地面的辐照度和地物反射率有关。有关。设设E0为波长为波长的入射辐照度
8、，的入射辐照度，为入射方为入射方向的天顶角，当无大气存在时，地面上单位向的天顶角，当无大气存在时，地面上单位面积的辐照度为：面积的辐照度为：太阳光为太阳光为方向光束方向光束大气影响的定量分析大气影响的定量分析假定地表面是朗伯体，假定地表面是朗伯体，其表面为其表面为漫反射漫反射，则某方向物体的辐射亮度，则某方向物体的辐射亮度为为：是地物反射率；是地物反射率；是半球球面度（半球反射）是半球球面度（半球反射）大气影响的定量分析大气影响的定量分析传感器接收信号时，传感器接收信号时，受仪器的影响还有一个系统受仪器的影响还有一个系统增益因子增益因子 ，这，这时进入传感器的亮度值为：时进入传感器的亮度值为：
9、大气影响的定量分析大气影响的定量分析 由于大气的存在，由于大气的存在，辐射经过大气吸取和散射，透过率小于辐射经过大气吸取和散射，透过率小于1，从，从而减弱了原信号的强度。同时大气的散射光也而减弱了原信号的强度。同时大气的散射光也有一部分干脆或经过地物反射进入到传感器，有一部分干脆或经过地物反射进入到传感器，这两部分辐射又增加了信号，但却不是有用的。这两部分辐射又增加了信号，但却不是有用的。在入射方向有与入射天顶角在入射方向有与入射天顶角和波长和波长有关的透有关的透过率过率T；反射后，在反射方向上有与反射天；反射后，在反射方向上有与反射天顶角顶角和波长和波长又有关的透过率又有关的透过率T。因此进
10、入。因此进入传感器的辐亮度值为传感器的辐亮度值为 大气影响的定量分析大气影响的定量分析 由于大气分子和气溶胶等散射，使得邻近由于大气分子和气溶胶等散射，使得邻近区域对太阳辐射的反射经大气散射，部分区域对太阳辐射的反射经大气散射，部分能量进入传感器，其辐照度为能量进入传感器，其辐照度为ED，其辐亮，其辐亮度值为（此值通常很小，有人主见忽视不度值为（此值通常很小，有人主见忽视不计）计）相当部分的散射相当部分的散射 没没有有到到达达地地面面，向向上上通通过过大大气气干干脆脆进进入入传传感感器器，这这部部分分辐辐射射称称为为程程辐辐射射度度，辐辐亮度为亮度为 。大气影响的定量分析大气影响的定量分析大气
11、影响的定量分析大气影响的定量分析 可可见见，由由于于大大气气影影响响的的存存在在，实实际际到到达达传传感感器器的的辐辐射射亮亮度度是是前前面面所所分分析析的的三三项项之之和和，即即辐射传输方程辐射传输方程E为传感器输入辐射度为传感器输入辐射度K 为传感器的光谱响应系数；为传感器的光谱响应系数；为地物的波谱反射系数；为地物的波谱反射系数；E0为太阳辐射照度为太阳辐射照度T（Z1，Z2）为）为Z1到到Z2区段的大气层光学厚度区段的大气层光学厚度为太阳天顶角；为太阳天顶角；为地物的放射率系数为地物的放射率系数We()为与地物同温度黑体的放射通量密度为与地物同温度黑体的放射通量密度H为平台高度；为平台
12、高度；b为大气辐射所形成的天空辐射照度为大气辐射所形成的天空辐射照度辐射传输方程辐射传输方程从辐射传输方程可以看出，传感器的输从辐射传输方程可以看出，传感器的输出出E除了与地物本身的反射和放射波谱除了与地物本身的反射和放射波谱特性有关外，还与传感器的光谱响应特特性有关外，还与传感器的光谱响应特性、大气条件、光照状况等因素有关。性、大气条件、光照状况等因素有关。大气影响的定量分析大气影响的定量分析比较以下两个公式：比较以下两个公式：大气的主要影响是削减了图像的对比度，大气的主要影响是削减了图像的对比度，使原始信号和背景信号都增加了因子。使原始信号和背景信号都增加了因子。有大气无大气大气影响的定量
13、分析大气影响的定量分析无大气时（无大气时（a)a)白处亮度值为白处亮度值为5050，黑处亮度值为，黑处亮度值为0 0，则亮度对比则亮度对比C1=C1=（50500 0）50501 1。当有大气影响。当有大气影响时时(b)(b)，乘上透过率后假定削减，乘上透过率后假定削减1010，亮度值削减，亮度值削减到到4545，而由于，而由于L2L2和和 Lp Lp 存在，黑白处亮度均增加存在，黑白处亮度均增加 1010，这样亮度对比变成，这样亮度对比变成 C2=C2=（55-10)/5555-10)/559/119/11。可见，可见，对比度对比度减小，图像质减小，图像质量下降了量下降了 大气辐射校正的方法
14、大气辐射校正的方法 1、近似大气校正、近似大气校正2、基于模型的大气校正、基于模型的大气校正大气影响的粗略订正大气影响的粗略订正 严格地说，去除大气影响是将公式严格地说，去除大气影响是将公式 中的附加项和附加因子求出，最终求出地物中的附加项和附加因子求出，最终求出地物反射率反射率R R，从而复原遥感影像中地面目标的真，从而复原遥感影像中地面目标的真实面目。当大气透过率变更不大时，有时只要实面目。当大气透过率变更不大时，有时只要去掉含去掉含EDED和和LpLp的数据项就可修正图像的亮度。的数据项就可修正图像的亮度。这种对大气影响的订正是通过订正辐射亮度的这种对大气影响的订正是通过订正辐射亮度的方
15、法实现的，因此也称作辐射校正。方法实现的，因此也称作辐射校正。大气影响的粗略订正大气影响的粗略订正 精确的校正公式须要找出每个波段像元亮精确的校正公式须要找出每个波段像元亮度值与地物反射率的关系。为此需得到卫度值与地物反射率的关系。为此需得到卫星飞行时的大气参数，以求出透过率星飞行时的大气参数，以求出透过率TT、TT等因子。假如不通过特殊的观测，等因子。假如不通过特殊的观测，一般很难得到这些数据，所以，常常接受一般很难得到这些数据，所以，常常接受一些简化的处理方法，只去掉主要的大气一些简化的处理方法，只去掉主要的大气影响，使图像质量满足基本要求。影响，使图像质量满足基本要求。大气影响的粗略订正
16、大气影响的粗略订正 粗略校正指通过比较简便的方法去掉式粗略校正指通过比较简便的方法去掉式 中的中的Lp，即程辐射度，从而改善图像质量。，即程辐射度，从而改善图像质量。可以认为，程辐射度在同一幅图像的有限面积可以认为，程辐射度在同一幅图像的有限面积内是一个常数，其值的大小只与波段有关。内是一个常数，其值的大小只与波段有关。暗物体扣除法暗物体扣除法(Dark object subtraction)(1)在影像中选择暗物体在影像中选择暗物体(2)假定暗物体的光谱值为假定暗物体的光谱值为0。(3)假如暗物体的光谱不为假如暗物体的光谱不为0，则认为这是大，则认为这是大气作用的效果。气作用的效果。(4)将
17、影像中全部像元值减去暗物体的数值。将影像中全部像元值减去暗物体的数值。问题：易过度校正，暗物体可能不好找。问题：易过度校正，暗物体可能不好找。陡峭地形的阴影（暗物体）陡峭地形的阴影（暗物体）暗物体的暗物体的DN值不为值不为0以红外波段校正可见光波段以红外波段校正可见光波段大大气气散散射射（瑞瑞利利散散射射、米米氏氏散散射射）的的选选择择性性，即即波波长长越越短短，大大气气散散射射越越大大；波波长越长，大气散射越小长越长，大气散射越小直方图法或回来分析确定直方图法或回来分析确定a值值订正方法：订正方法：差值法差值法TM的第7波段（短波红外，微米）TM的第4波段（近红外，微米）黑暗物体的灰度统计直
18、方图黑暗物体的灰度统计直方图以长波波段（短波红外）校正短以长波波段（短波红外）校正短波波段（可见光、近红外）波波段（可见光、近红外）黑黑暗暗物物体体：可可见见光光和和红红外外波波段段2维维散散点点图图，建建立立线性回来方程。线性回来方程。阅历线性法阅历线性法(Empirical line)(1)(1)测测量量地地物物光光谱谱（暗暗物物体体，亮亮物物体体）；(2)(2)确确定定影影像像的的DNDN值值(observed)(observed)与与地地面面测测量量的的光光谱谱(ground(ground truth)truth)对对应应的的区区域域 ；(3)(3)拟合确定相应参数；拟合确定相应参数；
19、(4)(4)对影像进行校正。对影像进行校正。问题：须要地面同步测量。对于历史数据，很难实现。问题：须要地面同步测量。对于历史数据，很难实现。L=a+bRL为遥感图像亮为遥感图像亮度值，度值，R为地面为地面测量值，测量值，a，b为为待定系数待定系数Empirical Line calibration Use Empirical Line calibration to force spectral data to match selected field reflectance spectra.A linear regression is used for each band to equate
20、DN and reflectance.This is equivalent to removing the solar irradiance and the atmospheric path radiance.The following equation shows how the empirical line gain and offset values are calculated.Reflectance(field spectrum)=gain x radiance(input data)+offsetENVIs empirical line calibration requires a
21、t least one field,laboratory,or other reference spectrum;these can come from spectral profiles or plots,spectral libraries,ROIs,statistics or from ASCII files.Input spectra will automatically be resampled to match the selected data wavelengths.If more than one spectrum is used,then the regression fo
22、r each band will be calculated by fitting the regression line through all of the spectra.If only one spectrum is used,then the regression line will be assumed to pass through the origin(zero reflectance equals zero DN).The calibration can also be performed on a dataset using existing factors.Computi
23、ng Factors and Calibrating Typically,you should choose a dark and a bright region in the image for use in the empirical line calibration(providing that reference spectra are available for these regions).This provides a more accurate linear regression.Using as many paired data/field spectra as you ca
24、n will also improve the calibration.At least one spectral pair is necessary.通过查看软件的英文帮助，驾通过查看软件的英文帮助，驾驭数据处理流程和基本原理驭数据处理流程和基本原理基于模型的大气校正基于模型的大气校正电磁辐射能量在大气辐射传输可以分解为：电磁辐射能量在大气辐射传输可以分解为：(1)(1)大气吸取和散射的消光作用大气吸取和散射的消光作用(能量削减能量削减)衰减效应衰减效应(2)(2)大气热辐射作用大气热辐射作用(能量增加能量增加)(3)(3)天空散射，便非目标物参量被接收天空散射，便非目标物参量被接收(能量增
25、加能量增加)程辐射程辐射简化的大气辐射传输方程为：简化的大气辐射传输方程为：E=E0exp(-T(0,H)+Epath其中，其中，E为遥感器系统所收集到的辐射能量，为遥感器系统所收集到的辐射能量，E0为地物目标为地物目标的辐射能量；的辐射能量；exp(-T(0,H)为大气衰减系数，取决于大气的为大气衰减系数，取决于大气的成分、厚度等，计算相当困难；成分、厚度等，计算相当困难；Epath大气程辐射。大气程辐射。应用大气辐射传输模型进行遥感影像大气订正须要解决应用大气辐射传输模型进行遥感影像大气订正须要解决两个关键的问题：两个关键的问题：一、大气辐射传输模型；一、大气辐射传输模型；二、有关大气介质
26、特征数据的获得。二、有关大气介质特征数据的获得。一、大气辐射传输模型一、大气辐射传输模型在遥感实际应用中，大气辐射传输模型常须要进在遥感实际应用中，大气辐射传输模型常须要进一步简化。如：假定地面为朗伯体，解除云的存一步简化。如：假定地面为朗伯体，解除云的存在，运用各种条件下的标准大气模式及大气气溶在，运用各种条件下的标准大气模式及大气气溶胶模式。胶模式。二、有关大气介质特征数据的获得二、有关大气介质特征数据的获得1）通过实测获得大气参数（气温、气压、）通过实测获得大气参数（气温、气压、气溶胶和水蒸气的浓度），输入大气辐射气溶胶和水蒸气的浓度），输入大气辐射传输方程，则可精确计算出大气订正参数传
27、输方程，则可精确计算出大气订正参数(如大气透过率、程辐射如大气透过率、程辐射)的数值解，再通的数值解，再通过计算每个象元的反射值，以完成对整幅过计算每个象元的反射值，以完成对整幅影像的订正。影像的订正。2）利用高光谱遥感图像监测汽溶胶、水气）利用高光谱遥感图像监测汽溶胶、水气柱等，如用柱等，如用MODIS数据，对数据，对LandSat 数据数据进行大气校正。进行大气校正。基于模型大气辐射校正实现基于模型大气辐射校正实现基于模型的大气辐射校正软件：基于模型的大气辐射校正软件：6S,Actor,Flaash,Lowtran,Modtran等。等。利用辐射传辐模型的输出估测影像中的利用辐射传辐模型的
28、输出估测影像中的大气组成。大气组成。然后将模型的大气影响从影像中去除。然后将模型的大气影响从影像中去除。相对散射模型相对散射模型TM影像的星上辐射校正影像的星上辐射校正L=DN*gain+bias其中其中L为地物在大气顶部的辐亮度；为地物在大气顶部的辐亮度；DN为像元的灰度值，为像元的灰度值，gain和和bias分分别为图像的增益与偏置，可从图像别为图像的增益与偏置，可从图像的头文件中读取。的头文件中读取。最终，依据像元的辐亮度值、大气顶最终，依据像元的辐亮度值、大气顶部的太阳辐照度、成像时的太阳高部的太阳辐照度、成像时的太阳高度角等参数由下式计算出样本的反度角等参数由下式计算出样本的反射率射
29、率。其中其中 为日地天文单位距离，取值为日地天文单位距离，取值1；为大气顶部的太为大气顶部的太阳辐照度，各波段的阳辐照度，各波段的E0值见下表；值见下表；为成像时的太阳天顶为成像时的太阳天顶角，即太阳高度角的余角，从图像的头文件中读取。角，即太阳高度角的余角，从图像的头文件中读取。ETM+各波段各波段 值（单位值（单位:）TM影像反射率的计算影像反射率的计算3、由于太阳辐射不同引起的辐射、由于太阳辐射不同引起的辐射误差校正误差校正3.1、太阳位置引起的辐射误差校正太阳位置引起的辐射误差校正3.2、地形起伏引起辐射误差校正、地形起伏引起辐射误差校正3.1太阳位置引起的辐射误差校正太阳位置引起的辐
30、射误差校正将太阳光线倾斜照射时获得的图像校正将太阳光线倾斜照射时获得的图像校正为太阳光线垂直照射时获得的图像。为太阳光线垂直照射时获得的图像。E(,)=E()sin ，其中，其中太阳高太阳高度角度角E()E(,)一般卫星过境当一般卫星过境当地时间地时间10点半左点半左右右3.1太阳位置引起的辐射误差校正太阳位置引起的辐射误差校正太阳高度角计算：太阳高度角计算：sin=sinsinsincoscoscoscoscostcost其中，其中，为图为图像像对应对应地区的地区的纬纬度度；为为太太阳赤阳赤纬纬（成像（成像时时太阳直射点的太阳直射点的纬纬度）；度）；t t为为时时角角（图图像像对应对应地区地
31、区经经度与成像度与成像时时太太阳直射点地区阳直射点地区经经度的差度的差）太阳高度角的校正是通过调整一幅图像内太阳高度角的校正是通过调整一幅图像内的平均亮度来实现的，在太阳高度角求出的平均亮度来实现的，在太阳高度角求出来后，太阳以高度角来后，太阳以高度角斜射斜射时时得到的得到的图图像像g（x，y）与直射）与直射时时得到得到图图像像f（x，y）的）的关系关系为为：f（x，y）=g（x，y）/sin f（x，y）=g（x，y）/cos i i为为太阳天太阳天顶顶角，角，为为太阳高度角太阳高度角i对一幅图像为常数两幅图像太阳位置引起辐射误差两幅图像太阳位置引起辐射误差校正校正不同时期（虽然当地时间相近
32、，但太阳赤经、不同时期（虽然当地时间相近，但太阳赤经、时角等不同，所以太阳高度角不同）两幅图像，时角等不同，所以太阳高度角不同）两幅图像，以其中一幅为标准，校正另外一幅图像：以其中一幅为标准，校正另外一幅图像：DN1/cosi1=DN2/cosi2 DN1/sin1=DN2/sin2 如以第一幅图像为标准，校正其次幅图像如以第一幅图像为标准，校正其次幅图像则：则：DN=DN2cosi1/cosi2 以太阳直射时为桥梁以太阳直射时为桥梁太阳光线山区地形起伏造成影像阴影示意图山区地形起伏造成影像阴影示意图 3.2 地形起伏引起辐射误差校正地形起伏引起辐射误差校正地形起伏造成地形起伏造成的辐射误差的
33、辐射误差基于模型基于模型 的校正，须要的校正，须要DEM简洁的处理方法，比值法或植被指数法简洁的处理方法，比值法或植被指数法比值法：有效消退阴影等地形的影响。特殊比值法：有效消退阴影等地形的影响。特殊是对于多波段遥感数据。是对于多波段遥感数据。校正方法校正方法地形辐射校正地形辐射校正太阳光线和地表作用后，再反射到传感太阳光线和地表作用后，再反射到传感器的太阳光的辐射亮度，和地表坡度有器的太阳光的辐射亮度，和地表坡度有关。关。对于地形起伏引起的辐射误差，可以利对于地形起伏引起的辐射误差，可以利用地表法线和太阳入射矢量的夹角来校用地表法线和太阳入射矢量的夹角来校正。正。太阳入射方向与地表面法线夹角
34、太阳入射方向与地表面法线夹角地形辐射校正地形辐射校正方法方法假如光线垂直入射时，水平地表受到的辐照强度为假如光线垂直入射时，水平地表受到的辐照强度为I0，则光，则光线垂直入射倾角为线垂直入射倾角为的坡面上入射点的光照强度为的坡面上入射点的光照强度为I I=I0cos 若处在坡度为若处在坡度为的倾斜面上的地物影像为的倾斜面上的地物影像为g（x，y），则校），则校正后的图像正后的图像f（x，y），则：），则：f（x，y）=g（x，y）/cos 和太阳斜照状况类似和太阳斜照状况类似Cosine地形校正方法地形校正方法z 为为太阳天太阳天顶顶角角,cos z 校正太阳光非垂直照射的影校正太阳光非垂直照
35、射的影响，响，为为校正前后的反射率校正前后的反射率Cosi校正地表坡度起伏的影响校正地表坡度起伏的影响同同时时消退了地形起伏和太阳光非垂直照射（太阳位置）消退了地形起伏和太阳光非垂直照射（太阳位置）的影响的影响C校正方法校正方法 C校正方法属于基于照度模型的地形辐射校正方法校正方法属于基于照度模型的地形辐射校正方法 照度系数计算公式为：照度系数计算公式为：为太阳天顶角为太阳天顶角；为地表的坡度角；为地表的坡度角；为太阳方位角；为太阳方位角；为地表的坡向为地表的坡向角角 课后作业课后作业1 辐射误差产生的主要缘由是什么？辐射误差产生的主要缘由是什么？2 因大气引起的辐射误差，校正方法因大气引起的辐射误差，校正方法有哪些？有哪些？