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1、第三节第三节大气效应纠正 ATMOSHPHERIC EFFECT CORRECTION回顾平面平行大气的辐射传输方程：给定边界条件，可以求解辐射传输方程。实际上，遥感图像大气校正的目的是求取地表反射率，从某种意义上来说，是要求解边界条件。从辐射传输方程来看，这是一个十分复杂的过程。第1页/共47页1零反射地表假设零反射地表假设零反射地表是对地表大气耦合系统辐射传输问题的简化，它假设地表反射率为零，传感器接收到的辐射全部来自大气。通过零反射地表假设，我们可以求解大气程辐射，从而将遥感图像中来自地表的辐射和来自大气的辐射分离，使遥感大气订正模型得以大大简化。第2页/共47页（1 1）对于近红外与可
2、见光波段，大气自身辐射可以忽略不计，大气路径辐射项主要来源于大气对太阳辐射的多次散射。对于多次散射的计算可以通过求解辐射传输方程（如离散坐标法），或者直接用蒙特卡洛方法模拟获得。在实际应用中，我们又往往通过已有的大气辐射传输模式软件来计算，如6S6S软件，LowtranLowtran软件，ModtranModtran软件等。（2 2）对于热红外波段，多次散射一般可以忽略不计，但大气和地表自身发射必须考虑，热红外以后会专门讨论。（3 3）对于中红外波段，则既需要考虑地表与大气自身的发射，同时又要考虑大气的多次散射作用，因此更加复杂，我们不展开讨论。第3页/共47页2朗伯体地表大气订正方法朗伯体地
3、表大气订正方法仅讨论可见光/近红外波段为了问题的简化，在地表朗伯体、大气水平均一假设条件下，我们可以得到：其中 ，；分别为观测天顶角与太阳天顶角；为传感器接受到的辐射亮度，为观测方向的路径辐射项；为地表反射率；S S为大气下界的半球反射率；为大气层顶与太阳光垂直方向的通量密度。第4页/共47页利用入射太阳辐射项 归一化上式可得：式中 是大气顶部反射率，是大气的路径辐射项等效反射率，将T T可以分为直射和散射两部分：是总体光学厚度，是散射透射率。如何进行遥感图像的大气校正呢？即如何求得地表反射率？第5页/共47页（1 1）已知大气状况的校正方法如果已知大气的垂直廓线（温、湿、压），大气水汽含量，
4、大气光学厚度（气溶胶），以及气溶胶模式，我们可以通过大气辐射传输模式模拟，计算三个不同地表反射率条件下的大气层顶辐射亮度，进而求解得到 ，S S和F F值，而达到大气效应纠正的目的。对于可见光/近红外波段而言，大气状况最主要的影响因素是大气气溶胶的变化，即大气光学厚度的变化，因此关键是如何估算遥感图像的气溶胶分布。第6页/共47页（2 2）参考地物法(Invariant(InvariantObject Methods)Object Methods)对于TMTM等高分辨率的图像，通常可以假设整幅图像的大气状况相同，图像的观测天顶角也可以近似看作相同（垂直观测），如果可以在一幅图像中找到苦干个（3
5、 3个以上）地表反射率固定不变的地物，则可以通过求解方程组得到大气参数，进而达到整幅图像大气校正的目的。其中 ；理论上，n3n3即可求解，但为避免方程的相关性，一般要寻找地表反射率分别为高、中、差的地物作为参考物。该方法对于时间序列的多幅影像的归一化校正适用。第7页/共47页（3 3）暗目标方法（Dark-Object MethodsDark-Object Methods）如果图像中包含有浓密的植被或水体，因为浓密植被和水体在可见光反射率很低，被称为暗目标，因此传感器所接收的辐射主要来自于大气的程辐射，可以用于大气光学厚度的估算，以植被为例，其算法的基本思路如下：第8页/共47页a.a.确定暗
6、目标的存在：利用植被指数高和红外波段反射率低的特性；或利用中红外通道（2.1 2.1 和3.8 3.8 ）的反射率低的特性；b.b.利用中红外通道的观测估计暗像元在红和蓝通道的反射率；c.c.给定气溶胶模式（气溶胶谱分布，折射指数，单次散射反照率等）；d.d.利用气溶胶模型计算的辐射传输查找表，将遥感观测的辐射亮度反演为气溶胶光学厚度；e.e.利用得到的气溶胶光学厚度对整幅遥感影像进行内插，得到整幅图像的光学厚度；f.f.对整幅影像进行大气校正。第9页/共47页（4 4）其它大气校正方法 直方图匹配法(Histogram(Histogram Matching Matching Methods)
7、Methods)：假设晴空条件与大气浑浊条件下地表反射率的直方图分布相同;算法被ERDASERDAS和PCIPCI等图像处理软件采用；反差减少法（Contrast Contrast Reduction Reduction MethodsMethods）：气溶胶散射减小地表反射率的差异，因此局部图像方差可以用于估算气溶胶光学厚度;第10页/共47页3 3交叉辐射项的影响又称为临近像元效应。我们假定目标是均一条件下获得大气校正的地表反射率为 ，其公式如下：考虑临近像元的影响，则有如下关系：第11页/共47页其中式中 是以目标像素为坐标原点的局部坐标系坐标值，是大气点扩散函数（Point Sprea
8、d FunctionPoint Spread Function）。在实际应用中，是由原始图像中校正像元为中心的2N2N2N2N像元子域计算得到的:其中 表示像元 距中心的距离。第12页/共47页4.4.非朗伯体条件下的大气校正如果考虑地表BRDFBRDF和大气BRDFBRDF之间的耦合，则朗伯体假设条件下的大气校正的精度是有局限的，最早研究这一效应的是TanreTanre等（19831983），目前在6S6S模型中已比较好地考虑了BRDFBRDF的耦合效应。第13页/共47页其中第14页/共47页实际上，非朗伯体大气校正是一个十分复杂的问题，因为以上面的公式我们知道，要进行大气校正必须知道地表
9、的BRDFBRDF即 ，而通常在大气校正前地表的双向反射率是未知的，这就形成大气校正环的问题，目前的主要思路是通过迭代的方法来解决（胡宝新，李小文等）。第15页/共47页第三章第三章大气效应及大气纠正大气效应及大气纠正第一节 大气组成与大气的基本特性大气组成与大气的基本特性 ATMOSPHERECONTENT AND BASIC PROPERTIES第二节 辐射与大气的相互作用辐射与大气的相互作用 INTERACTION OF RADIATION WITH ATMOSPHERE第三节 大气效应纠正大气效应纠正ATMOSHPHERIC EFFECT CORRECTION第四节第四节 大气的遥感探
10、测大气的遥感探测 ATMOSHPHERIC REMOTE SOUNDING第16页/共47页第四节第四节大气的遥感探测ATMOSHPHERIC REMOTE SOUNDING 大气气溶胶遥感探测 大气水汽遥感探测 大气垂直廓线的遥感探测 大气微量气体的遥感探测(污染气体)第17页/共47页大气气溶胶遥感探测 大气气溶胶通过散射与吸收阳光对地球系统辐射平衡有重要的影响；气溶胶粒子在很多生物地球化学循环中起着重要的作用；气溶胶构成大气污染源，如沙尘暴、烟尘等；气溶胶是影响遥感图像质量的重要因素，是遥感图像校正的必须输入的参数。第18页/共47页1 1海洋大气气溶胶遥感反演（以MODISMODIS对
11、流层气溶胶遥感反演为例）基本思路是以查找表（Look Look up up tabletable）方法为基础，即根据气溶胶和地表参数先完成辐射传输计算，然后将观测的光谱辐射与查找表中事先计算的辐射值对比，直至得到最佳拟合。第19页/共47页（1 1）气溶胶模式最常用的大气气溶胶分类方法是根据气溶胶粒子的尺度分类。whitby(1978)whitby(1978)认为可以用一组对数正态函数求和表征实际的气溶胶粒子谱分布，每一个函数代表一个物理或化学过程。他建议用三个模式分别表征：直径小于0.04m,0.04m,由气态物质自发核化生成的核模式粒子（nucleinuclei）；直径在0.04m0.04
12、m至0.5m0.5m之间，由凝聚和云中过程形成的累积模式粒子(accumulation)(accumulation)；直径大于1.0m1.0m，产生于地球表面的粗模式粒子(coarse)(coarse)。第20页/共47页通常用多模式对数正态函数模拟气溶胶分布。其中每一个模式可表示为其中N N是粒子数密度（cmcm-3-3）,是粒子半径（mm），是lgrlgr的标准差。由于核模式粒子太小，不能由散射光探测到，所以不予考虑，则取k=2k=2。下表分别给出了两个模式（下面分别称为小模式和大模式）的参数中值半径，标准差和折射指数。lnr-lnrmln(10)第21页/共47页小模式的谱分布参数小模式
13、的谱分布参数气溶胶模式中值半径标准差折射指数SA0.0350.401.450.0035iSB0.070.401.450.0035iSC0.060.601.450.0035iSD0.080.601.400.0035iSE0.100.601.400.0035i第22页/共47页大模式的谱分布参数气溶胶模式中值半径标准差折射指数LA0.400.601.400.0035iLB0.600.601.400.0035iLC0.800.601.450.0035iLD0.400.601.450.0035iLE0.500.801.500.0035iLF1.00.801.500.0035i第23页/共47页（2 2
14、）物理过程 卫星信号包含大气与地表反射两部分信息，对于海洋气溶胶遥感反演，选用AhmadAhmad和Fraser(1982)Fraser(1982)的辐射传输模式计算生成查找表。该模式包括大气中分子和气溶胶粒子的多次散射和地表阳光反射的角度分布，并考虑光的偏振。在海面，表面反射率由海浪的镜面反射（耀斑）和水面的朗伯体反射组成，海面的这种朗伯体反射由海洋水色和泡沫反射决定。第24页/共47页（3 3）查找表的生成针对MODISMODIS光谱通道，计算卫星观测辐射，生成查找表，用于反演每一种模式气溶胶的参数。对 于 每 一 种 气 溶 胶 模 式，考 虑 几 个 气 溶 胶 总 含 量，由 0.5
15、5m0.55m波 长 的 光 学 厚 度 来 描 述 ；计算1515个天顶观测角，间隔为 ；1515个相对方位角，间隔为 ；7 7个太阳入射天顶角，。第25页/共47页（4 4）算法的思路把卫星观测的总辐射表示为 其中 和 分别为对应小模式和大模式粒子的辐射值，是大小模式之间的比值。反演的目标就是得到与观测数据拟合最好的小模式与与大模式之间的比值和粒子尺度。同时550m550m波长的光学厚度是反演的一个副产品，定义其中 和 分别是每j j通道的观测和计算辐射值。海洋气溶胶反演通常采用从555555到2130nm2130nm的6 6个通道。使得 达到最小值所对应的气溶胶模式以及气溶胶光学厚度即为
16、所要反演的结果。第26页/共47页（5 5）算法实现对于5 5个小粒子模式和6 6个大粒子模式，在给定的视场条件下，利用550nm550nm波长不同光学厚度的查找表，都可计算得到辐射 和 。对于任何 值上大粒子与小粒子模式的合成，都可以对5 5个光学厚度值计算总辐射 。利用550nm550nm通道观测辐射通过在这5 5个光学厚度下所有小模式与大模式的组合进行线性内插，获取光学厚度。对于最佳选择值 ，给出最小残差 的两个模式就是选定的气溶胶模式。第27页/共47页2 2陆地气溶胶遥感反演（1 1）基本原理其中 是在地表反射率为零时归一化总的向下辐射通量，是在观测角和入射角上平均的地表反射率；在单
17、次散射近似中，路径辐射与气溶胶光学厚度，气溶胶散射相函数和单次散射反照率成比例：其中 是分子散射造成的的路径辐射，对于短光波段，在地表反射率很小的情况下，路径辐射项对 的贡献比较大，因此可选用暗目标的方法来进行气溶胶的反演。MODISMODIS陆地气溶胶产品选用的主要通道包括：0.47m0.47m，0.667m0.667m，2.1m2.1m，3.8m3.8m。第28页/共47页（2 2）主要步骤 选择暗像元，确定其地表反射率；假设气溶胶类型，初步估算气溶胶光学厚度；确定气溶胶模式；重新计算光学厚度；空间内插得到整幅图像的气溶胶分布。第29页/共47页反演研究示例：城市地区大气气溶胶反演反演研究
18、示例：城市地区大气气溶胶反演u结构函数法结构函数法：两个相邻像素的辐两个相邻像素的辐射值变化量与实际的地表反射率变化率相射值变化量与实际的地表反射率变化率相关关 如果这个方法应用于一组图像，其中包括如果这个方法应用于一组图像，其中包括了一张比较清晰的图像，就可以先对这幅了一张比较清晰的图像，就可以先对这幅清晰图像做大气纠正，计算实际的地表反清晰图像做大气纠正，计算实际的地表反射率变化率，最后就可以计算出每一幅图射率变化率，最后就可以计算出每一幅图像的光学厚度。像的光学厚度。第30页/共47页传统结构函数值计算方法介绍传统结构函数值计算方法介绍计算方法计算方法HolbenHolben等（等（19
19、921992），定义结构函数为），定义结构函数为Gin-Rong LiuGin-Rong Liu等（等（20022002）将结构函数定义）将结构函数定义AVHRR沙漠地区沙漠地区SPOT半干旱地区半干旱地区第31页/共47页 传统的结构函数值计算方法在沙漠等亮地表地区，以及高分辨率数据中得到了有效的应用。但在城市地区，由于地表结构复杂，结构函数值不稳定10月月06日北京城区日北京城区MODIS图像图像不同不同d值计算的辐射亮度结构函数值值计算的辐射亮度结构函数值(Gin-Rong Liu等（等（2002）)评价评价第32页/共47页结构函数值计算方法的改进结构函数值计算方法的改进Holben等
20、（等（1992）Gin-Rong Liu等（等（2002）改进改进结构函数值计算方法直观图结构函数值计算方法直观图结构函数值计算方法直观图结构函数值计算方法直观图第33页/共47页改进方法与传统方法的对比城市地区改进方法与传统方法的对比城市地区剪切的剪切的160160160160像元的像元的两幅图像示意图两幅图像示意图不同方法计算的地表反射率结构函数值的误差图不同方法计算的地表反射率结构函数值的误差图第34页/共47页 查找表的构建查找表的构建沙尘型（）水溶型（）煤烟型（）36595选用的气溶胶模型选用的气溶胶模型（张军华等，（张军华等，2000）选用的模型：选用的模型：MODTRAN4输入的
21、参数：地表反射率、观测角、太阳高度角、相对方位角、大气阔线、气溶胶类型、输入的参数：地表反射率、观测角、太阳高度角、相对方位角、大气阔线、气溶胶类型、气溶胶光学厚度等气溶胶光学厚度等根据根据MODTRAN计算的结果，计算出地表反射率的结构函数值和表观反射率（或辐计算的结果，计算出地表反射率的结构函数值和表观反射率（或辐射亮度值）的结构函数值之间的对应关系射亮度值）的结构函数值之间的对应关系第35页/共47页气溶胶光学厚度的反演试验气溶胶光学厚度的反演试验数据：2004年10月6日到10月18日的晴空条件的6景MODIS数据日期日期太阳天顶角太阳天顶角传感器天顶角传感器天顶角相对方位角相对方位角
22、6-10-20046-10-200448.5250048.5250040.9950040.9950057.0150057.0150009-10-200409-10-20049.919.9147.547.5115.0115.013-10-200413-10-200450.4250.4232.91532.91559.53559.53514-10-200414-10-200448.5848.5838.28538.285247.095247.09516-10-200416-10-200420.59520.59549.7149.71245.63245.6318-10-200418-10-20042.97
23、52.97550.9750.978.7358.735第36页/共47页清晰图像的选取根据空气污染指数（API）地区地区时间时间API首要污染物首要污染物空气质量级别空气质量级别空气质量状况空气质量状况北京北京2004-10-1362可吸入颗粒物可吸入颗粒物良良气溶胶光学厚度的反演试验气溶胶光学厚度的反演试验清晰图像的大气纠正清晰图像的大气纠正使用模型：使用模型：使用模型：使用模型：MODTRAN4MODTRAN4MODTRAN4MODTRAN4气溶胶光学厚度：气溶胶光学厚度：气溶胶光学厚度：气溶胶光学厚度：0.07780.07780.07780.0778水汽：水汽：水汽：水汽：0.581507
24、 cm0.581507 cm0.581507 cm0.581507 cm第37页/共47页气溶胶光学厚度的反演试验气溶胶光学厚度的反演试验0.6-0.80-0.10.1-0.20.4-0.60.2-0.40.8-1.01.0-1.21.22004年10月6日第38页/共47页反演结果二反演结果二0.6-0.80-0.10.1-0.20.4-0.60.2-0.40.8-1.01.0-1.21.22004年10月9日气溶胶光学厚度的反演试验气溶胶光学厚度的反演试验第39页/共47页反演结果三反演结果三0.6-0.80-0.10.1-0.20.4-0.60.2-0.40.8-1.01.0-1.21.
25、22004年10月14日气溶胶光学厚度的反演试验气溶胶光学厚度的反演试验第40页/共47页0.6-0.80-0.10.1-0.20.4-0.60.2-0.40.8-1.01.0-1.21.2反演结果四反演结果四2004年10月16日气溶胶光学厚度的反演试验气溶胶光学厚度的反演试验第41页/共47页0.6-0.80-0.10.1-0.20.4-0.60.2-0.40.8-1.01.0-1.21.2反演结果五反演结果五2004年10月18日气溶胶光学厚度的反演试验第42页/共47页精度验证精度验证验证方法：验证方法：1：使用环保局监测站点的资料验证2：使用北京市区AERONET站点资料验证第43页
26、/共47页时间时间API空气质量状况空气质量状况10-6166轻度污染轻度污染10-9263中度重污染中度重污染10-1467良良10-16116轻微污染轻微污染10-18126轻微污染轻微污染轻微（轻微（API 116）良（良（API 67）轻微（轻微（API 126）轻度（轻度（API 166）中度（中度（API 263）0.6-0.80-0.10.1-0.20.4-0.60.2-0.40.8-1.01.0-1.2 1 1.2 2精度验证精度验证-使用环保局监测站点的资料验证使用环保局监测站点的资料验证使用环保局监测站点的资料验证使用环保局监测站点的资料验证10-1410-1410-161
27、0-1610-1810-1810-610-610-910-9第44页/共47页日期日期AERONET测量值测量值考虑考虑BRDF反反演结果演结果不考虑不考虑BRDF反演结果反演结果绝对误差绝对误差考虑考虑BRDF不考虑不考虑BRDF2004-10-060.81340.74200.73610.07140.07732004-10-09 1.12251.08511.10360.03740.01892004-10-14 0.11160.139460.242610.027860.131012004-10-16 0.29220.408190.478260.0660.186062004-10180.91041.033521.247090.123120.33669精度验证精度验证-使用使用使用使用AERONETAERONET站点的资料验证站点的资料验证站点的资料验证站点的资料验证第45页/共47页高光谱数据的多波段气溶胶光学厚度反演气溶胶粒高光谱数据的多波段气溶胶光学厚度反演气溶胶粒子谱子谱反演方法介反演方法介绍绍an，bn为米散射系数 粒子尺度谱分布采用对数正态分布粒子尺度谱分布采用对数正态分布 可由可由k k个波段的气溶胶光学厚度，解方程组得到各成份的粒子总数个波段的气溶胶光学厚度，解方程组得到各成份的粒子总数nini第46页/共47页感谢您的观看！第47页/共47页