辐射定标与大气校正要点课件

第七章第七章 辐射定标与大气校正辐射定标与大气校正n n一、一、辐射定标辐射定标n n二、二、辐射纠正辐射纠正n n三、三、辐射与大气的相互作用辐射与大气的相互作用n n四、四、大气纠正大气纠正第七章第七章 辐射定标与大气校正一、辐射定标与大气校正一、辐射定标辐射定标1一、一、辐射定标辐射定标（calibrationcalibration）n n辐射的偏差问题辐射的偏差问题n n定标参数的确定与获取定标参数的确定与获取n n辐射定标的种类辐射定标的种类n nDN值向辐亮度的转换值向辐亮度的转换辐射定标指将接收的遥感数据，通常是灰度辐射定标指将接收的遥感数据，通常是灰度辐射定标指将接收的遥感数据，通常是灰度辐射定标指将接收的遥感数据，通常是灰度（DNDN）值，转换成实际的物理量（如辐射）值，转换成实际的物理量（如辐射）值，转换成实际的物理量（如辐射）值，转换成实际的物理量（如辐射亮度、反射率等）。亮度、反射率等）。亮度、反射率等）。亮度、反射率等）。一、一、辐射定标（辐射定标（calibration）辐射的偏差问题辐射）辐射的偏差问题辐射2辐射的偏差问题辐射的偏差问题n n传感器性能传感器性能传感器性能传感器性能波段响应函数波段响应函数波段响应函数波段响应函数n n分光比例分光比例分光比例分光比例n n探测元件的响应率及灵敏度探测元件的响应率及灵敏度探测元件的响应率及灵敏度探测元件的响应率及灵敏度n n光学元件的损耗光学元件的损耗光学元件的损耗光学元件的损耗n n（半导体材料性能）的不稳定性（半导体材料性能）的不稳定性（半导体材料性能）的不稳定性（半导体材料性能）的不稳定性n n工作过程中电压的起伏工作过程中电压的起伏工作过程中电压的起伏工作过程中电压的起伏n n数据的储存数据的储存数据的储存数据的储存辐射的偏差问题辐射的偏差问题3辐射定标的种类辐射定标的种类根据定标参数获取的途径和时间，可以分为：根据定标参数获取的途径和时间，可以分为：根据定标参数获取的途径和时间，可以分为：根据定标参数获取的途径和时间，可以分为：发射前定标（发射前定标（发射前定标（发射前定标（prelaunchprelaunch）：）：）：）：卫星发射前在地面上对仪器进行反复定标卫星发射前在地面上对仪器进行反复定标卫星发射前在地面上对仪器进行反复定标卫星发射前在地面上对仪器进行反复定标 机（星）上定标（机（星）上定标（机（星）上定标（机（星）上定标（on-boardon-board）：）：）：）：在仪器扫描过程中根据参考的标准灯光和阳光光源进行定标在仪器扫描过程中根据参考的标准灯光和阳光光源进行定标在仪器扫描过程中根据参考的标准灯光和阳光光源进行定标在仪器扫描过程中根据参考的标准灯光和阳光光源进行定标 地面目标物定标：地面目标物定标：地面目标物定标：地面目标物定标：获取卫星数据过程中，在典型地区（地物单一，具有朗伯体性获取卫星数据过程中，在典型地区（地物单一，具有朗伯体性获取卫星数据过程中，在典型地区（地物单一，具有朗伯体性获取卫星数据过程中，在典型地区（地物单一，具有朗伯体性质，如沙漠、清洁湖面等）进行同步光谱测量，然后用地面光谱质，如沙漠、清洁湖面等）进行同步光谱测量，然后用地面光谱质，如沙漠、清洁湖面等）进行同步光谱测量，然后用地面光谱质，如沙漠、清洁湖面等）进行同步光谱测量，然后用地面光谱数据对卫星遥感数据进行定标数据对卫星遥感数据进行定标数据对卫星遥感数据进行定标数据对卫星遥感数据进行定标辐射定标的种类根据定标参数获取的途径和时间，可以分为：辐射定标的种类根据定标参数获取的途径和时间，可以分为：发发4遥感数据的星上辐射定标遥感数据的星上辐射定标nDNDN值的影响因素值的影响因素n参考光源参考光源n地面定标测量地面定标测量n遥感数据的辐射定标遥感数据的辐射定标地表辐亮度的计算地表辐亮度的计算遥感数据的星上辐射定标遥感数据的星上辐射定标DN值的影响因素值的影响因素5DNDN值的影响因素值的影响因素nDNDN：一般光敏原件：一般光敏原件电流值的离散化电流值的离散化n CCDCCD电压值的离散化电压值的离散化 仪器波段响应函数，仪器波段响应函数，入射光辐照度，入射光辐照度，仪器镜仪器镜头孔径，头孔径，瞬时视场，瞬时视场，波段宽度波段宽度DN值的影响因素值的影响因素DN：一般光敏原件：一般光敏原件电流值的离散化电流值的离散化 6参考光源参考光源参考光源参考光源7辐射定标与大气校正要点课件辐射定标与大气校正要点课件8地面定标测量地面定标测量地面定标测量地面定标测量9遥感数据的辐射定标遥感数据的辐射定标n确定响应函数，求出遥感数据确定响应函数，求出遥感数据DNDN值与入射光强的函数值与入射光强的函数关系，将关系，将DNDN值转化为入射光辐亮度。值转化为入射光辐亮度。n内部参考光源与外部参考光源相结合进行定标内部参考光源与外部参考光源相结合进行定标n地面测量相结合进行定标地面测量相结合进行定标遥感数据的辐射定标确定响应函数，求出遥感数据遥感数据的辐射定标确定响应函数，求出遥感数据DN值与入射光强值与入射光强10定标参数的确定定标参数的确定 定标公式针对何种真实物理量定标公式针对何种真实物理量定标公式针对何种真实物理量定标公式针对何种真实物理量 反射率？反射率？反射率？反射率？a a是负数时，定标前后图象视觉相反是负数时，定标前后图象视觉相反是负数时，定标前后图象视觉相反是负数时，定标前后图象视觉相反？定标参数的确定都是对波段的波长积分定标参数的确定都是对波段的波长积分定标参数的确定都是对波段的波长积分定标参数的确定都是对波段的波长积分 响响响响应应应应函函函函数数数数定标参数的确定定标参数的确定 定标公式针对何种真实物理量定标公式针对何种真实物理量响应函数响应函数11DN值向辐亮度的转换值向辐亮度的转换通常，遥感器接收到来自目标物的辐射信息后，将通常，遥感器接收到来自目标物的辐射信息后，将通常，遥感器接收到来自目标物的辐射信息后，将通常，遥感器接收到来自目标物的辐射信息后，将其转为灰度值进行存储，是为了节省空间。其转为灰度值进行存储，是为了节省空间。其转为灰度值进行存储，是为了节省空间。其转为灰度值进行存储，是为了节省空间。Landsat TM:0-255NOAA AVHRR:0-1023但是，当我们开展定量分析的时候，就必须重新将但是，当我们开展定量分析的时候，就必须重新将但是，当我们开展定量分析的时候，就必须重新将但是，当我们开展定量分析的时候，就必须重新将其转换回实际物理量。其转换回实际物理量。其转换回实际物理量。其转换回实际物理量。DN值向辐亮度的转换通常，遥感器接收到来自目标物的辐射信息后值向辐亮度的转换通常，遥感器接收到来自目标物的辐射信息后12辐亮度的计算辐亮度的计算辐亮度的计算辐亮度的计算 L=a*DN+b定标过程一般采取线形公式进行转换：定标过程一般采取线形公式进行转换：定标过程一般采取线形公式进行转换：定标过程一般采取线形公式进行转换：a(gain)a(gain)、b(offset)b(offset)通常可以从遥感数据头文件读出通常可以从遥感数据头文件读出通常可以从遥感数据头文件读出通常可以从遥感数据头文件读出线形区域线形区域线形区域线形区域DNL（或：（或：DN=a*L+b）辐亮度的计算辐亮度的计算 L=a*DN+b定标过程一般采取线形公定标过程一般采取线形公13二、二、辐射纠正辐射纠正反射率的计算反射率的计算n n电磁辐射与辐射源电磁辐射与辐射源电磁辐射与辐射源电磁辐射与辐射源地物地物地物地物传感器的几何传感器的几何传感器的几何传感器的几何关系关系关系关系n n水平地面的假设水平地面的假设水平地面的假设水平地面的假设n n山地辐射纠正山地辐射纠正山地辐射纠正山地辐射纠正n n辐亮度向反射率的转换辐亮度向反射率的转换辐亮度向反射率的转换辐亮度向反射率的转换二、二、辐射纠正辐射纠正反射率的计算电磁辐射与辐射源反射率的计算电磁辐射与辐射源地物地物14电磁辐射与辐射源电磁辐射与辐射源地物地物传感器的几何关系传感器的几何关系n n入射辐照度下入射方向是余弦关系入射辐照度下入射方向是余弦关系入射辐照度下入射方向是余弦关系入射辐照度下入射方向是余弦关系n n对于水平地面，入射辐照度为：对于水平地面，入射辐照度为：对于水平地面，入射辐照度为：对于水平地面，入射辐照度为：电磁辐射与辐射源电磁辐射与辐射源地物地物传感器的几何关系入射辐照度下入传感器的几何关系入射辐照度下入15n对足够大的地面面积，反射辐亮度仅与二向反射率有对足够大的地面面积，反射辐亮度仅与二向反射率有关；如地面为朗伯体且水平，则任何观测方向上其反关；如地面为朗伯体且水平，则任何观测方向上其反射辐亮度均相等。对于传感器来说，一般地物均充满射辐亮度均相等。对于传感器来说，一般地物均充满整个瞬时视场，故反射亮度与观测方向不是余弦关系，整个瞬时视场，故反射亮度与观测方向不是余弦关系，其反射辐亮度为：其反射辐亮度为：对足够大的地面面积，反射辐亮度仅与二向反射率有关；如地面为朗对足够大的地面面积，反射辐亮度仅与二向反射率有关；如地面为朗16辐亮度向反射率的转换辐亮度向反射率的转换n n反射率：地物反射亮度与相同光照条件下的标反射率：地物反射亮度与相同光照条件下的标反射率：地物反射亮度与相同光照条件下的标反射率：地物反射亮度与相同光照条件下的标准板反射辐亮度之比。准板反射辐亮度之比。准板反射辐亮度之比。准板反射辐亮度之比。n n标准板反射辐亮度为：标准板反射辐亮度为：标准板反射辐亮度为：标准板反射辐亮度为：故地物反射率为：故地物反射率为：辐亮度向反射率的转换反射率：地物反射亮度与相同光照条件下的标辐亮度向反射率的转换反射率：地物反射亮度与相同光照条件下的标17三、三、辐射与大气的相互作用辐射与大气的相互作用三、三、辐射与大气的相互作用辐射与大气的相互作用18大气与辐射的相互作用大气与辐射的相互作用大气与辐射的相互作用大气与辐射的相互作用19 大气对传感器接收辐射能量的影响大气对传感器接收辐射能量的影响n n对入射光的消光（对入射光的消光（对入射光的消光（对入射光的消光（extinction)extinction)n n产生路径辐射（散射）产生路径辐射（散射）产生路径辐射（散射）产生路径辐射（散射）(path radiance)(path radiance)n n产生天空漫射光产生天空漫射光产生天空漫射光产生天空漫射光(diffuse skylight)(diffuse skylight)n n发生地面发生地面发生地面发生地面天空的多次反射天空的多次反射天空的多次反射天空的多次反射n n邻区经多次散射面混入象元反射光中，造成影邻区经多次散射面混入象元反射光中，造成影邻区经多次散射面混入象元反射光中，造成影邻区经多次散射面混入象元反射光中，造成影像模糊像模糊像模糊像模糊(diffuse adjacency signal)(diffuse adjacency signal)大气对传感器接收辐射能量的影响对入射光的消光（大气对传感器接收辐射能量的影响对入射光的消光（extinc20传感器接收的辐亮度传感器接收的辐亮度传感器接收的辐亮度传感器接收的辐亮度21路径辐射（散射）路径辐射（散射）(path radiance)分别为大气分子和气溶胶的路径散射分别为大气分子和气溶胶的路径散射分别为大气分子和气溶胶的路径散射分别为大气分子和气溶胶的路径散射x为r或a，分别表示大气分子和气溶胶的路径散射大气分子或气溶胶的平均一次散射反照率为散射相函数路径辐射（散射）路径辐射（散射）(path radiance)分别为大气分子分别为大气分子22散射角散射角为散射角，是入射方向与观测方向的夹角为散射角，是入射方向与观测方向的夹角为散射角，是入射方向与观测方向的夹角为散射角，是入射方向与观测方向的夹角分别为入射方向与观测方向天顶角分别为入射方向与观测方向天顶角分别为入射方向与观测方向天顶角分别为入射方向与观测方向天顶角分别为入射方向与观测方向天顶角分别为入射方向与观测方向天顶角分别为入射方向与观测方向天顶角分别为入射方向与观测方向天顶角散射角为散射角，是入射方向与观测方向的夹角分别为入射方向与观散射角为散射角，是入射方向与观测方向的夹角分别为入射方向与观23地面反射辐射地面反射辐射地面反射辐射地面反射辐射24对入射光的消光（对入射光的消光（extinction)到达地面的太阳直射光辐照率为：到达地面的太阳直射光辐照率为：大气层外平均日地距离太阳辐照度，大气层外平均日地距离太阳辐照度，大气层外平均日地距离太阳辐照度，大气层外平均日地距离太阳辐照度，平均和成象时的日地距离平均和成象时的日地距离平均和成象时的日地距离平均和成象时的日地距离分别为容积散射和吸收系数分别为容积散射和吸收系数分别为容积散射和吸收系数分别为容积散射和吸收系数入射天顶角入射天顶角入射天顶角入射天顶角整层大气光学厚度整层大气光学厚度整层大气光学厚度整层大气光学厚度对入射光的消光（对入射光的消光（extinction)到达地面的太阳直射光辐到达地面的太阳直射光辐25天空漫射光天空漫射光天空漫射光天空漫射光26多次反弹反射率多次反弹反射率多次反弹反射率多次反弹反射率27n n多次反弹的影响较弱，一般可以忽略多次反弹的影响较弱，一般可以忽略多次反弹的影响较弱，一般可以忽略多次反弹的影响较弱，一般可以忽略多次反弹的影响较弱，一般可以忽略多次反弹的影响较弱，一般可以忽略28四、四、大气纠正方法大气纠正方法1 1 1 1 已知大气状况的校正方法已知大气状况的校正方法已知大气状况的校正方法已知大气状况的校正方法2 2 2 2 参考地物法参考地物法参考地物法参考地物法(Invariant(Invariant(Invariant(InvariantObject Methods)Object Methods)Object Methods)Object Methods)3 3 3 3 暗目标方法（暗目标方法（暗目标方法（暗目标方法（Dark-Object MethodsDark-Object MethodsDark-Object MethodsDark-Object Methods）4 4 4 4 其它大气校正方法其它大气校正方法其它大气校正方法其它大气校正方法四、四、大气纠正方法大气纠正方法1 已知大气状况的校正方法已知大气状况的校正方法291 1 已知大气状况的校正方法已知大气状况的校正方法n n 如果已知大气的垂直廓线（温、湿、压），大气水汽如果已知大气的垂直廓线（温、湿、压），大气水汽如果已知大气的垂直廓线（温、湿、压），大气水汽如果已知大气的垂直廓线（温、湿、压），大气水汽含量，大气光学厚度（气溶胶），以及气溶胶模式，我们含量，大气光学厚度（气溶胶），以及气溶胶模式，我们含量，大气光学厚度（气溶胶），以及气溶胶模式，我们含量，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可以通过大气辐射传输模式模拟，计算三个不同地表反射可以通过大气辐射传输模式模拟，计算三个不同地表反射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，进而求解得到率条件下的大气层顶辐射亮度，进而求解得到率条件下的大气层顶辐射亮度，进而求解得到率条件下的大气层顶辐射亮度，进而求解得到 a a a a 和和和和 b b b b 值，值，值，值，而达到大气效应纠正的目的。对于可见光而达到大气效应纠正的目的。对于可见光而达到大气效应纠正的目的。对于可见光而达到大气效应纠正的目的。对于可见光/近红外波段而近红外波段而近红外波段而近红外波段而言，大气状况最主要的影响因素是大气气溶胶的变化，即言，大气状况最主要的影响因素是大气气溶胶的变化，即言，大气状况最主要的影响因素是大气气溶胶的变化，即言，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大气光学厚度的变化，因此关键是如何估算遥感图像的气大气光学厚度的变化，因此关键是如何估算遥感图像的气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。溶胶分布。溶胶分布。溶胶分布。1 已知大气状况的校正方法已知大气状况的校正方法 如果已知大气的垂直廓线（温如果已知大气的垂直廓线（温302 2 2 2 参考地物法参考地物法参考地物法参考地物法(Invariant(Invariant(Invariant(InvariantObject Methods)Object Methods)Object Methods)Object Methods)n n 对于对于对于对于TMTMTMTM等高分辨率的图像，通常可以假设整幅图等高分辨率的图像，通常可以假设整幅图等高分辨率的图像，通常可以假设整幅图等高分辨率的图像，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像的大气状况相同，图像的观测天顶角也可以近似看像的大气状况相同，图像的观测天顶角也可以近似看像的大气状况相同，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作相同（垂直观测），如果可以在一幅图像中找到苦作相同（垂直观测），如果可以在一幅图像中找到苦作相同（垂直观测），如果可以在一幅图像中找到苦干个（干个（干个（干个（3 3 3 3个以上）地表反射率固定不变的地物，则可以个以上）地表反射率固定不变的地物，则可以个以上）地表反射率固定不变的地物，则可以个以上）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通过求解方程组得到大气参数，进而达到整幅图像大通过求解方程组得到大气参数，进而达到整幅图像大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。气校正的目的。气校正的目的。气校正的目的。理理理理论论论论上上上上，n3n3n3n3即即即即可可可可求求求求解解解解，但但但但为为为为避避避避免免免免方方方方程程程程的的的的相相相相关关关关性性性性，一一一一般般般般要要要要寻寻寻寻找找找找地地地地表表表表反反反反射射射射率率率率分分分分别别别别为为为为高高高高、中中中中、差差差差的的的的地地地地物物物物作作作作为为为为参考物。参考物。参考物。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。该方法对于时间序列的多幅影像的归一化校正适用。该方法对于时间序列的多幅影像的归一化校正适用。该方法对于时间序列的多幅影像的归一化校正适用。2 参考地物法参考地物法(InvariantObject Metho313 3 暗目标方法（暗目标方法（Dark-Object MethodsDark-Object Methods）n n如果图像中包含有浓密的植被，因为浓密植被在可见如果图像中包含有浓密的植被，因为浓密植被在可见如果图像中包含有浓密的植被，因为浓密植被在可见如果图像中包含有浓密的植被，因为浓密植被在可见光反射率很低，被称为暗目标，因此传感器所接收的光反射率很低，被称为暗目标，因此传感器所接收的光反射率很低，被称为暗目标，因此传感器所接收的光反射率很低，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辐射主要来自于大气的程辐射，可以用于大气光学厚辐射主要来自于大气的程辐射，可以用于大气光学厚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，其算法的基本思路如下：度的估算，其算法的基本思路如下：度的估算，其算法的基本思路如下：度的估算，其算法的基本思路如下：a.a.a.a.确确确确定定定定暗暗暗暗目目目目标标标标的的的的存存存存在在在在：阴阴阴阴影影影影或或或或无无无无风风风风浪浪浪浪的的的的清清清清洁洁洁洁水水水水体体体体（最最最最好好好好是山间水库），；是山间水库），；是山间水库），；是山间水库），；b.b.b.b.用用用用植植植植被被被被指指指指数数数数高高高高和和和和红红红红外外外外波波波波段段段段反反反反射射射射率率率率低低低低的的的的特特特特性性性性；或或或或利利利利用用用用中中中中红红红红外外外外通通通通道道道道（2.1 2.1 2.1 2.1 um um um um 和和和和3.8 3.8 3.8 3.8 um um um um）的的的的反反反反射射射射率率率率低低低低的的的的特特特特性性性性，估测暗像元在可见光通道的反射率；估测暗像元在可见光通道的反射率；估测暗像元在可见光通道的反射率；估测暗像元在可见光通道的反射率；3 暗目标方法（暗目标方法（Dark-Object Methods）如果）如果32c.c.c.c.给给给给定定定定气气气气溶溶溶溶胶胶胶胶模模模模式式式式（气气气气溶溶溶溶胶胶胶胶谱谱谱谱分分分分布布布布，折折折折射射射射指指指指数数数数，单次散射反照率等）；单次散射反照率等）；单次散射反照率等）；单次散射反照率等）；d.d.d.d.利利利利用用用用对对对对动动动动态态态态气气气气溶溶溶溶胶胶胶胶模模模模型型型型计计计计算算算算的的的的辐辐辐辐射射射射传传传传输输输输查查查查找找找找表表表表，将遥感观测的辐射亮度反演为气溶胶光学厚度；将遥感观测的辐射亮度反演为气溶胶光学厚度；将遥感观测的辐射亮度反演为气溶胶光学厚度；将遥感观测的辐射亮度反演为气溶胶光学厚度；e.e.e.e.利利利利用用用用得得得得到到到到的的的的气气气气溶溶溶溶胶胶胶胶光光光光学学学学厚厚厚厚度度度度对对对对整整整整幅幅幅幅遥遥遥遥感感感感影影影影像像像像进进进进行行行行内内内内插插插插，得到整幅图像的光学厚度；得到整幅图像的光学厚度；得到整幅图像的光学厚度；得到整幅图像的光学厚度；f.f.f.f.对整幅影像进行大气校正。对整幅影像进行大气校正。对整幅影像进行大气校正。对整幅影像进行大气校正。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33