遥感图像的辐射校正特点和方法课件

遥感图像的辐射校正特点和方法遥感图像的辐射校正特点和方法 本次课程主要内容本次课程主要内容l引起辐射误差的原因引起辐射误差的原因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n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，由于测量值包含了于测量值包含了太阳位置太阳位置、地形起伏地形起伏、大气大气等等外界条件，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/发射率或光谱辐射亮度等物理发射率或光谱辐射亮度等物理量不一致。量不一致。n消除图像数据中依附在辐射亮度中的各种噪声消除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（需要有标（需要有标定物）定物）大气辐射校正作用大气辐射校正作用l不不同同时时间间或或不不同同传传感感器器收收集集的的影影像像进进行行对对比比和和共共同同应应用用，相相同同地地物物有有相相似似的的辐辐亮亮度度（反反射射率率），以便进行动态监测和变化监测；以便进行动态监测和变化监测；l将将影影像像像像元元光光谱谱与与地地面面收收集集或或实实地地测测定定的的光光谱谱进进行行对对比比，使使影影像像上上的的光光谱谱信信息息更更接接近近于于地地面面地地物的光谱信息；物的光谱信息；l定量遥感必须做大气辐射校正定量遥感必须做大气辐射校正 ，如农情监测、如农情监测、估产等估产等1 图像的辐射纠正原因图像的辐射纠正原因n1.1为什么要进行辐射纠正？为什么要进行辐射纠正？n1）传感器本身的产生的误差；传感器本身的产生的误差；n2）外界（自然）条件引起的误差）外界（自然）条件引起的误差与几何畸变产生原因类似与几何畸变产生原因类似形成形成“同物异谱同物异谱，异物同谱异物同谱”现象。现象。n图图像像不不能能真真实实地地反反映映不不同同地地物物的的光光谱谱特特征征，影响了遥感数字图像的质量和应用。影响了遥感数字图像的质量和应用。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致造成的透射光强度不一致造成的l对于扫描成像，包括：对于扫描成像，包括：一、光电转换误差；一、光电转换误差；二、探测器增益变化引起的误差。二、探测器增益变化引起的误差。l另外，还包括，由探测器单元不一致引起的条纹另外，还包括，由探测器单元不一致引起的条纹误差，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。遥感仪器误差导致接收的图像不均匀，产生条纹遥感仪器误差导致接收的图像不均匀，产生条纹等现象，但是这种畸变一般在数据生产过程中，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）根据传感器参数进行校正，由生产单位（地面站）根据传感器参数进行校正，一般不需要用户进行校正。一般不需要用户进行校正。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、反射和吸收反射和吸收用用户户应应该该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，特别是定量遥感。变，特别是定量遥感。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n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n=reflected/in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。n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）n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 进入进入大气大气的太阳辐射会发生反射、折射、吸收、的太阳辐射会发生反射、折射、吸收、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收和散射。吸收和散射。大气影响的定量分析大气影响的定量分析n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，的入射辐照度，为入射方向为入射方向的天顶角，当无大气存在时，地面上单位面的天顶角，当无大气存在时，地面上单位面积的辐照度为：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n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n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 ，这时进入传感器的亮度值为：，这时进入传感器的亮度值为：大气影响的定量分析大气影响的定量分析n 由于大气的存在，由于大气的存在，辐辐射射经经过过大大气气吸吸收收和和散散射射，透透过过率率小小于于1 1，从从而而减减弱弱了了原原信信号号的的强强度度。同同时时大大气气的的散散射射光光也也有有一一部部分分直直接接或或经经过过地地物物反反射射进进入入到到传传感感器器，这这两两部部分分辐辐射射又又增增强强了了信信号号，但但却却不不是是有有用用的的。在在入入射射方方向向有有与与入入射射天天顶顶角角和和波波长长有有关关的的透透过过率率T；反反射射后后，在在反反射射方方向向上上有有与与反反射射天天顶顶角角和和波波长长又又有有关关的的透过率透过率T。因此进入传感器的辐亮度值为。因此进入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n 由由于于大大气气分分子子和和气气溶溶胶胶等等散散射射，使使得得邻邻近近区区域域对对太太阳阳辐辐射射的的反反射射经经大大气气散散射射，部部分分能能量量进进入入传传感感器器，其其辐辐照照度度为为ED，其其辐辐亮亮度度值值为为（此此值值通常很小，有人主张忽略不计）通常很小，有人主张忽略不计）大气影响的定量分析大气影响的定量分析n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直直接接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，辐辐亮亮度度为为 。大气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；为地物的为地物的发射率发射率系数系数We()为与地物同温度黑体的发射通量密度为与地物同温度黑体的发射通量密度H为平台高度；为平台高度；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n从辐射传输方程可以看出，传感器的输出从辐射传输方程可以看出，传感器的输出E除了与地物本身的反射和发射波谱特性有除了与地物本身的反射和发射波谱特性有关外，还与传感器的光谱响应特性、大气关外，还与传感器的光谱响应特性、大气条件、光照情况等因素有关条件、光照情况等因素有关。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：大大气气的的主主要要影影响响是是减减少少了了图图像像的的对对比比度度，使使原始信号和背景信号都增加了因子。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分析大气影响的定量分析n无大气时（无大气时（a)a)白处亮度值为白处亮度值为50，黑处亮度值为，黑处亮度值为0，则，则亮度对比亮度对比C1=（500）501。当有大气影响。当有大气影响时时(b)(b)，乘上透过率后假定减少，乘上透过率后假定减少10，亮度值减少，亮度值减少到到45，而由于，而由于L L2 2和和 L Lp p 存在，黑白处亮度均增加存在，黑白处亮度均增加 10，这样亮度对比变成，这样亮度对比变成 C2=（55-10)/)/559/11。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纠正大气影响的粗略纠正 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，从而恢复遥感影像中地面目标的真，从而恢复遥感影像中地面目标的真实面目。当大气透过率变化不大时，有时只要实面目。当大气透过率变化不大时，有时只要去掉含去掉含ED和和L Lp p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。这种对大气影响的纠正是通过纠正辐射亮度的这种对大气影响的纠正是通过纠正辐射亮度的办法实现的，因此也称作辐射校正。办法实现的，因此也称作辐射校正。大气影响的粗略纠正大气影响的粗略纠正 精确的校正公式需要找出每个波段像元亮精确的校正公式需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T T、T T等因子。如果不通过特别的观测，一般等因子。如果不通过特别的观测，一般很难得到这些数据，所以，常常采用一些很难得到这些数据，所以，常常采用一些简化的处理方法简化的处理方法，只去掉主要的大气影响，只去掉主要的大气影响，使图像质量满足基本要求。使图像质量满足基本要求。大气影响的粗略纠正大气影响的粗略纠正 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)如果暗物体的光谱不为如果暗物体的光谱不为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)将影像中所有像元值减去暗物体的数值。将影像中所有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n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n直方图法或回归分析确定直方图法或回归分析确定a值值n纠正方法：纠正方法：差值法差值法TM的第7波段（短波红外，2.08-2.35微米）TM的第4波段（近红外，0.76-0.9微米）黑暗物体的灰度统计直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，建建立立线性回归方程。线性回归方程。经验线性法经验线性法(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；(4)(4)对影像进行校正。对影像进行校正。问题：需要地面同步测量。对于历史数据，很难实现。问题：需要地面同步测量。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 nUse Empirical Line calibration to force spectral data to match selected field reflectance spectra.A linear regression is used for each band to equate 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.nReflectance(field spectrum)=gain x radiance(input data)+offsetnENVIs empirical line calibration requires at 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.nIf more than one spectrum is used,then the regression for each band will be calculated by fitting the regression line through all of the spectra.nIf 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.Computing Factors and Calibrating nTypically,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).nThis provides a more accurate linear regression.n Using as many paired data/field spectra as you can will also improve the calibration.At least one spectral pair is necessary.通过查看软件的通过查看软件的英文帮助英文帮助，掌，掌握数据处理流程和基本原理握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)大气吸收和散射的消光作用大气吸收和散射的消光作用(能量减少能量减少)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，计算相当复杂；成分、厚度等，计算相当复杂；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纠正需要解决应用大气辐射传输模型进行遥感影像大气纠正需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、有关大气介质特征数据的获取。二、有关大气介质特征数据的获取。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需要进在遥感实际应用中，大气辐射传输模型常需要进一步简化。如：假定地面为朗伯体，排除云的存一步简化。如：假定地面为朗伯体，排除云的存在，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取二、有关大气介质特征数据的获取1）通过实测获得大气参数（气温、气压、气溶胶）通过实测获得大气参数（气温、气压、气溶胶和水蒸气的浓度），输入大气辐射传输方程，则和水蒸气的浓度），输入大气辐射传输方程，则可精确计算出大气纠正参数可精确计算出大气纠正参数(如大气透过率、程辐如大气透过率、程辐射射)的数值解，再通过计算每个象元的反射值，以的数值解，再通过计算每个象元的反射值，以完成对整幅影像的纠正。完成对整幅影像的纠正。2）利用高光谱遥感图像监测汽溶胶、水气柱等，）利用高光谱遥感图像监测汽溶胶、水气柱等，如用如用MODIS数据，对数据，对LandSat 数据进行大气校正。数据进行大气校正。基于模型大气辐射校正实现基于模型大气辐射校正实现n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：n6S,Actor,Flaash,Lowtran,Modtran等。等。n利用辐射传辐模型的输出估测影像中的大利用辐射传辐模型的输出估测影像中的大气组成。气组成。n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为像元为像元的灰度值，的灰度值，gain和和bias分别为图像的增益与分别为图像的增益与偏置，可从图像的头文件中读取。偏置，可从图像的头文件中读取。最后，根据像元的辐亮度值、大气顶部的太最后，根据像元的辐亮度值、大气顶部的太阳辐照度、成像时的太阳高度角等参数由阳辐照度、成像时的太阳高度角等参数由下式计算出样本的反射率下式计算出样本的反射率。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射误差校正n将太阳光线倾斜照射时获取的图像校正将太阳光线倾斜照射时获取的图像校正为太阳光线垂直照射时获取的图像。为太阳光线垂直照射时获取的图像。E(,)=E()sin ，其中，其中太阳高度太阳高度角角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n太阳高度角计算：太阳高度角计算：sin=sinsinsincoscoscoscoscostcost其中，其中，为图像像对应地区的地区的纬度度；为太阳太阳赤赤纬（成像（成像时太阳直射点的太阳直射点的纬度）；度）；t t为时角角（图像像对应地区地区经度与成像度与成像时太阳直射太阳直射点地区点地区经度的差度的差）n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得到的得到的图像像g（x，y）与直射）与直射时得到得到图像像f（x，y）的）的关系关系为：f（x，y）=g（x，y）/sin f（x，y）=g（x，y）/cos i i为太阳天太阳天顶角，角，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校两幅图像太阳位置引起辐射误差校正正n不同时期（虽然当地时间相近，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，校正第二幅图像如以第一幅图像为标准，校正第二幅图像则：则：DN=DN2cosi1/cosi2 以太阳以太阳直射直射时为桥梁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辐射误差基于模型基于模型 的校正，需要的校正，需要DEM简单的处理方法，简单的处理方法，比值法比值法或或植被指数法植被指数法比值法：有效消除阴影等地形的影响。特别比值法：有效消除阴影等地形的影响。特别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n太阳光线和地表作用后，再反射到传感器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，和地表坡度有关。的太阳光的辐射亮度，和地表坡度有关。n对于地形起伏引起的辐射误差，可以利用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正。地表法线和太阳入射矢量的夹角来校正。太阳入射方向与地表面法线夹角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如果光线垂直入射时，水平地表受到的辐照强度为如果光线垂直入射时，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），则校正后的图像校正后的图像f（x，y），则：），则：f（x，y）=g（x，y）/cos 和太阳斜照情况类似和太阳斜照情况类似Cosine地形校正方法地形校正方法z 为太阳天顶角为太阳天顶角,cos z 校正太阳光非垂直照射的影校正太阳光非垂直照射的影响，响，为校正前后的反射率为校正前后的反射率Cosi校正地表坡度起伏的影响校正地表坡度起伏的影响同时消除了同时消除了地形起伏地形起伏和和太阳光非垂直照射（太阳位太阳光非垂直照射（太阳位置）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原因是什么？2 因大气引起的辐射误差，校正方法有哪些？