3、遥感影像辐射校正教程

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,遥感影像辐射定标与大气校正,展鹏,TEL:18502865325,QQ,：,987209775,本节课知识要点纲要：,一、辐射定标的概念及原理,二、大气校正的概念及原理,三、辐射定标、大气校正、辐射校正的区别,四、,FLAASH,大气校正原理,五、,FLAASH,大气校正操作,难点：大气校正原理,重点：,FLAASH,操作,辐射定标的定义,我们常见影像的像元值大多是经过量化的、无量纲的,DN (Digital Number ),灰度值，而进行遥感定量化分析时，常用到辐射亮度值、反射率值、温度值等物理量。所以，传感器辐射定标就是要获得这些物理量的过程。,作用是消除传感器本身产生的误差。,辐射定标,是将传感器记录的,电压,或,数字量化值（,DN,灰度,值）,转换成,绝对辐射亮度值（辐射率）,的过程，或者转换成与地表反射率、表面温度等物理量有关的相对值的处理过程。,辐射定标的类型,辐射定标分为,绝对定标,和,相对定标,绝对定标,是通过各种标准辐射源，建立辐射亮度值与数字量化值（,DN,值）之间的定量关系，对于一般的线性传感器，绝对定标通过一个线性关系式完成数字量化值（,DN,值）与辐射亮度值,L(,单位,:w/m,2,msr),的,转换：,L=Gain*DN+Offset,L,：辐射亮度值，单位（瓦特,/,平方厘米*微米*球面度）,Gain:,增益系数，可以从头文件获取。单位（瓦特,/,平方厘米*微米*球面度）,DN,：数字量化值，,DN,值是遥感影像像元亮度值，记录的地物的灰度值。,无单位,，是一个整数值，值大小与传感器的辐射分辨率、地物发射率、大气透过率和散射率等有关。,Offset:,偏移量，可以从头文件获取。单位（瓦特,/,平方厘米*微米*球面度）,y=a*x+b,（线性函数关系）,相对定标,是确定各像元之间、各探测器之间、各波谱段之间以及不同时间测量的辐射度量相对值。,传感器辐射定标分为三个方面内容：,发射前的实验室定标,；,基于星载定标器的星上定标,；,发射后的定标（场地定标）,。,注：我们常用的定标参数，有使用实验室定标的结果（如高分辨率传感器,QuickBird,、,WorldView-1,等）；也有使用实验室定标与星上定标相结合的参数（如,NOAA,、,MSS,等）；由于设备老化，,Landsat TM5,的定标参数有用实验室定标的（,2003,年前），也有用经过场地定标的参数（,2003,年后）；,Landsat,数据定标,定标参数使用,Chander, Markham, and Helder (2009),的研究成果，其中,LPGS,和,NLAPS,分别是两种数据处理系统得到的产品：,the Level 1 Product Generation System (LPGS),the National Land Archive Production System (NLAPS),从,2008,年,12,月份开始，,L7 ETM+,和,L5,都是以,LPGS,系统处理，,L4 TM,和,MSS,以,NLAPS,系统处理。具体参数如下所示：,NLAPS,处理和,LPGS,处理产品的,MSS,定标参数,NLAPS,处理产品的,TM4,、,5,定标参数,Landsat,数据定标的,ENVI,实现步骤,使用,Landsat,数据定标工具可以将,Landsat MSS,、,TM,或,ETM+,的,DN,值转换成,辐射亮度值,或,表观大气反射率,。,下面以,USGS,（,United States Geological Survey,）,美国地质调查局网站下载的，,带,MTL,元数据,的,Landsat7,数据为例，操作过程如下：,在,ENVI,主菜单中，选择,FileOpen External File Landsat GeoTIFF with Metadata,，打开,Landsat7 ETM+,数据,L71140037_03720050724_MTL.txt,在,ENVI,主菜单中，选择启动定标工具：,Basic Tools Preprocessing Calibration Utilitties Landsat Calibration,，选择文件，单击,OK,按钮。,在,ENVI Landsat Calibration Dialog,对话框中，输入如下参数（,自动从元数据中获取,）：这里,Calibration Type,注意选择为,Radiance,（辐射亮度值）。,单击,Edit Calibration Parameters,按钮，可以打开定标参数对话框，可以自行修改定标参数。,选择输出路径及文件名，单击,OK,按钮，执行定标过程。,显示定标结果,当元数据信息丢失，或者选择,FileOpen External File Landsat GeoTIFF,，打开,GeoTIFF,格式文件时，需要手动输入,ENVI Landsat Calibration Dialog,对话框中的参数（默认参数会自动添加），以,不带元数据的,Landsat7_,GeoTIFF,格式文件数据为例，操作过程如下：,MODIS,数据定标,定标公式：,反射率,计算公式,R=reflectance_scale,*(,DNreflectance,_offset,),辐射亮度,计算公式,R=radiance_scale,*(,DNradiance,_offset),MODIS,数据定标的,ENVI,实现,方法步骤：,File,Open External File,EOS-MODIS,通过这种方法打开,MODIS,的,1,级数据，,ENVI,会自动对数据进行辐射定标，打开后的数据就是完成辐射定标后的数据。,传感器参数,MODIS,数据的元数据本身存在于,HDF,文件数据集之中，该文件内包含了辐射定标所需的所有参数，元数据的获取可以采用,HDFExplorer,等,HDF,文件查看工具来获得，,ENVI,中也自带了获取元数据的模块,：,Basic,Tools,Preprocessing,Data- Specific Utilitties,View HDF Dataset Attributes,大气校正的定义,大气校正的目的,是消除大气和光照等因素对地物反射的影响。,广义上讲，为了获得地物反射率、辐射率或者地表温度等真实物理模型参数；,狭义上讲，是为了获取地物真实反射率数据。用来消除大气中水蒸气、氧气、二氧化碳、甲烷和臭氧等物质对地物反射的影响，消除大气分子和气溶胶散射的影响。,大多数情况下，大气校正同时也是反演地物真实反射率的过程。,问题,：,什么情况下需要做大气校正？,我们购买或者其他途径获取的影像是否做过大气校正？,通俗来讲，如果我们需要定量反演或者获取地球信息、精确识别地物等，需要使用影像上真实反映对太阳光的辐射情况，那么就需要做大气校正。,我们购买的影像，说明文档中会注明是经过辐射校正的，其实这个辐射校正指的是粗的辐射校正，只是做了系统大气校正，就跟系统几何校正的意义是一样的。,大气校正的类型,基于对遥感图像校正后的结果可以分为：,绝对大气校正,：是将遥感图像的,DN,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,：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。,绝对大气校正方法,相对大气校正方法,基于辐射传输模型的,MORTRAN,模型、,LOWTRAN,模型、,ATCOR,模型、,6S,模型等,基于统计的不变目标法,基于简化辐射传输模型的黑暗像元法,直方图匹配法等,基于统计学模型的反射率反演,既然有这么多的大气校正方法，那么又应该如何判断何时用何种方法呢？,总结规律仅供参考：,1,、如果是,精细定量研究,，那么选择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方法或者较简单的方法。,3,、如果,参数缺少,，只能选择其他较简单的方法。,简化黑暗像元法大气校正,此方法的原理是：,在一定条件下反射率很小（近似,0,）的黑暗像元由于大气的影响，使得这些像元的反射率相对增加，,即黑暗像元处增加的这部分反射率是由大气影响造成的，通过其他像元减去这些黑暗像元增加的像元值，就可以减少大气对整幅图像的影响，达到大气校正的目的。,关键：寻找黑暗像元以及黑暗像元增加的像元值。,ENVI,下的,Dark Subtract,工具提供选择波段最小值、,ROI,的平均值、自定义值三种方式确定黑暗像元的像素值。操作过程如下,（以,2000,年,TM5,大兴安岭地区影像图像为实例）：,（,1,）打开待校正图像文件。,File,Open Image File,选择,Landsat 7_2000.img,数据,（,2,）,在主菜单中，选择,Basic Tools,Preprocessing,General Purpose Utilities,Dark Subtract,，,在文件选择对话框中选择,待校正图像文件,2000.img,，单击,OK,按钮，,打开,Dark Subtraction Parameters,面板。,（,3,）在,Dark Subtraction Parameters,面板中，确定黑暗像素值包括三种方法（,Subtraction Method,）：,波段最小值,(Band Minimum) ,自动统计每个波段的最小值作为黑暗像元的像元值，每个波段减去这个值作为结果输出；,ROI,的平均值,(Region Of Interest),，每个波段减去感兴趣区平均像元值作为输出结果；,自定义值（,User Value),，手动输入每个波段的黑暗像元值，每个波段减去自定义值作为结果输出。,（,4,）在,Output Result to,中选择,File,，,以及相应的输出路径和文件名，单击,OK,执行操作。,大气校正模块,大气校正模块（,Atmospheric Correction,）提供两种大气校正工具：,FLAASH,校正工具,（,Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes,）,快速大气校正工具,（,Quick Atmospheric Correction ,简称,QUAC,）,FLAASH,大气校正工具,开发背景：,FLAASH,是基于,MODTRAN4+,辐射传输模型，,MODTRAN,模型是由进行大气校正算法研究的领先者,SpectralSpectral Sciences, Inc,和美国空军实验室（,Air Force Research Laboratory,）共同研发。,ITT VIS,公司负责集成和,GUI,设计。,FLAASH,特点：,支持传感器种类多；,FLAASH,采用了,MODTRAN4+,辐射传输模型，该算法精度高。任何有关影像的标准,MODTRAN,大气模型和气溶胶类型都可以直接使用；,通过影像像素光谱上的特征来估计大气的属性，不依赖遥感成像时同步测量的大气参数数据；,可以有效地去除水蒸气,/,气溶胶散射效应，同时基于像素级的校正，矫正目标像元和邻近像元交叉辐射的,“,邻近效应,”,；,对由于人为抑止而导致波谱噪声进行光谱平滑处理。,快速大气校正工具,快速大气校正工具（简称,QUAC,），自动从图像上收集不同物质的波谱信息，获取经验值完成高光谱和多光谱的快速大气校正。它得到结果的精度近似,FLAASH,或者其他基于辐射传输模型的,+/-15%,。,QUAC,的输入数据可以是辐射亮度值、表观反射率、无单位的,raw,数据。可以是任何数据储存顺序（,BIL/BIP/BSQ,）和储存类型，多光谱和高光谱传感器数据的每个波段必须有中心波长信息。,（,1,）在,ENVI,主菜单中，选择以下方式启动,Basic Tools,Preprocessing,Calibration Utilities,QUick Atmospheric Correction Spectral,QUick Atmospheric CorrectionSpectral,Preprocessing,Calibration Utilities,Quick Atmospheric Correction,，,在文件输入对话框中选择校正的图像文件。,（,2,）打开,QUick Atmospheric Correction Parameters,面板，在,Sensor Type,中选择相应的传感器类型，选择文件名和路径输出。,FLAASH,模块中数据输入的要求：,1.,图像基本参数,波段范围：卫星图像,400,2500nm;,航空图像,860,1135nm,；,像元值类型：经过定标后的辐射亮度（辐射率）数据，单位为,W/(cm,2,nmsr),。,2.,数据存储类型,数据类型：浮点型、,32-bit,无符号整型；,文件类型：,ENVI,标准栅格格式文件，,BIP,或者,BIL,存储结构。,FLAASH,模块启动方式（任意一种即可）：, SpectralFLAASH, Basic Tools Preprocessing Calibration Utilitties FLAASH,FLAASH,模块简介,FLAASH,模块的操作界面分为三块： 最上部设定输入输出文件；,中间设定传感器的参数；,下部设定大气参数。,数据准备的步骤：,第一步：传感器定标,第二步：辐射亮度单位转换,由于辐射定标之后得到的辐射亮度单位为,W/(m,2,msr),，,FLAASH,要求的辐射亮度单位为,W/(cm,2,nmsr),，两者相差,10,倍，并且,FLAASH,模块要求,BIL,或者,BIP,的通用栅格图像存储方式,，因此需要作出调整。,第三步：存储顺序调整,Landsat FLAASH,大气校正,第一步：传感器定标,（,1,）在,ENVI,主菜单中选择选择,FileOpen External File Landsat GeoTIFF with Metadata,，在文件选择对话框中选择*,.met,文件，,ENVI,自动将数据添加到波段列表中；,（,2,）在,ENVI,主菜单中选择,Basic Tools Preprocessing Calibration Utilitties Landsat Calibration,，选择可见光,-,红外组（,6,个波段），打开,Landsat,定标工具；,（,3,）,Landsat,定标工具会从元数据文件中自动获取相关信息，选择,Calibration Type,：,Radiance;,（,4,）选择输出路径和文件名，单击,OK,执行定标处理。,第二步：辐射亮度单位转换,（,1,）在主菜单中选择,Basic ToolsBand Math,；,（,2,）在,Enter an expression,输入,B1/10.0,，单击,OK,按钮；,（,3,）单击,Map Variable to Input File,按钮，在文件输入对话框中选择辐射量亮度值文件（第一步输出的传感器定标文件）；,（,4,）单击,Choose,按钮，选择输出文件名及路径，单击,OK,按钮，执行操作。,（,1,）在主菜单中，选择,Basic Tools Convert Data(BSQ,BIL,BIP),，在,Convert File Input File,对话框中选择上一步波段运算的结果，单击,OK,按钮。,（,2,）选择,Output Interleave :BIL, Convert In Place:,Yes,;,（,3,）单击,OK,按钮，执行处理。,这样就得到符合,FLAASH,要求的辐射亮度值。,第三步：存储顺序 调整,输入,FLAASH,参数：,在主菜单中选择,SpectrlFLAASH,单击,Input Radiance Image,按钮，选择上一步准备好的辐射亮度值数据，因为已经完成了单位换算，选择,Use Single factor for all bands(1.000000);,传感器器与图像目标信息设置（按照常规设置）；,注意事项：,FLAASH,模块：,根据图像元数据输入参数，若自带的元数据中不包含中心经纬度，可在数据下载网址中查询获取。讲高级设置为默认，执行模块，输出结果。,需要注意的是，输出的结果为实际反射率,*,1,0000,，可以通过,bandmath,调整（,b,1,/,1,0000,）。,谢 谢,