遥感数字图像处理——第五章——辐射校正

5.1辐射校正概述
1. 进入传感器的辐射能量：(1)目标物的直接反射
(2)大气程辐射（太阳光散射）
(3)目标物邻近地物反射
2.聚光器（光学透镜）
3.模数转换（模拟图像到数字图像，即光电转换过程）
4.传感器记录的是灰度值
一、辐射畸变：传感器在接收来自地面目标物的电磁波辐射能量时，受遥感传感器本身特性、大气作用以及地物光照条件（地形影响和太阳高度角影响）等影响致使遥感传感器的探测值与地物实际的光谱辐射值不一致，遥感图像产生的这种辐射误差（即灰度失真）就叫辐射畸变。
二、辐射校正
1、消除或修正因辐射误差而引起的图像畸变这一过程就叫辐射校正。
2、为了获取地表实际反射的太阳辐射亮度值或反射率，辐射校正通常包含以下三方面的处理：
(1)传感器校正，即辐射定标
(2)大气校正
(3)地形及太阳高度角校正

5.2传感器校正 DN：遥感获取的像元灰度值
一、传感器校正相关概念
传感器校正是为了消除传感器本身所带来的辐射误差，并将传感器记录的无量纲的DN值转换成具有实际物理意义的大气顶层辐射亮度或反射率。
传感器校正依靠的是辐射定标，辐射定标的原理就是建立数字量化值与其所对应视场中辐射亮度值之间的定量关系，以消除传感器本身产生的误差。辐射定标可分为：1、相对辐射定标
2、绝对辐射定标
二、相对辐射定标
理想状况下，在遥感图像获取过程中，对于传感器中的每一个探测元件，其输出的DN值都应与入射的辐亮度成正比，且比例因子相同。即当传感器入瞳处的入射光照完全均匀一致时，各个探测元件应该输出完全相同的DN值。
相对辐射定标是为了校正探测元件的不均匀性，消除探测元件的响应不一致性，对原始亮度值进行归一化处理，从而使入射辐射量一致的像元对应的输出像元值也一致，以消除传感器本身的误差。需要注意的是，相对辐射定标得到的结果仍是不具备物理意义的DN值。
三、相对辐射定标方法

四、绝对辐射定标
绝对辐射定标是建立DN值与实际辐射值之间的数学关系，目的是获取目标的辐射绝对值。绝对辐射定标可以在相对辐射定标的基础上进行，也可以直接通过原始DN值和实际辐射值建立数学定标模型，从而获取目标地表辐射量。
绝对辐射定标得到的是大气顶层的辐射亮度（或反射率）。
大气顶层的辐射亮度计算，即将初始的DN值转换为辐射亮度，其表达式如下：


反射率和辐射亮度可以相互转化。

五、定标参数获取
根据获取定标参数的时间和（或）地点不同可以将辐射定标分为三类：
(1)发射前的实验室定标
(2)基于星载定标器的星上定标
(3)发射后的场地定标
六、大气表观反射率的计算（大气顶层反射率的计算）



1、实验室定标
实验室定标是在遥感器发射之前在实验室中标定其波长位置、辐射精度、空间定位等信息，将仪器输出的数字量化值转换为辐射亮度值。实验室定标一般包含两部分内容，即光谱定标和辐射定标。
首先通过光谱定标来获取遥感传感器每个波段的中心波长和带宽，以及光谱响应函数，然后再利用辐射定标建立传感器输出的DN值与传感器入瞳处的辐射亮度或者反射率之间的函数关系。
2、星上定标
星上定标是指在卫星正常运行期间，利用卫星上自带的定标设备对遥感器进行辐射定标。其内容和作用与实验室定标类似，用于对星上获取的数据进行校正。
星上定标的辐射源：(1)自然辐射源：太阳，月亮
(2)人工辐射源：标准灯，黑体
星上定标可以分为主动定标和被动定标。
主动定标，又叫在轨内置定标，采用标准灯、黑体作为光源。
被动定标，又叫在轨向阳定标，采用太阳、月亮作为光源。
其中，灯定标、太阳定标和月亮定标用于可见光、近红外和短波红外波段的定标，黑体定标用于中波红外和长波红外波段的定标。
3、场地定标
场地定标指的是遥感器处于正常运行条件下，选择辐射定标场地，通过地面同步测量对遥感器的定标。场地定标可以实现全孔径、全视场、全动态范围的定标，并考虑到了大气传输和环境的影响，但场地定标最难操作。
在遥感器飞越辐射定标场地上空时，在定标场地选择若干个像元区，测量成像光谱仪对应的地物的各波段光谱反射率和大气光谱等参量，并利用大气辐射传输模型等手段给出成像光谱仪入瞳处各光谱带的辐射亮度，最后确定它与成像光谱仪对应输出的数字量化值的数量关系，求解定标系数，并估算定标不确定性。

5.3大气校正
一、大气校正概念
大气校正是将大气顶层的辐射亮度值（或大气顶层反射率）转换为地表反射的太阳辐射亮度值（或地表反射率），主要是为了消除大气吸收、散射对辐射传输的影响。
二、大气校正方法
按照大气校正后的结果可以将大气校正分为绝对大气校正和相对大气校正。
根据大气校正原理的不同，又可以将其分为统计模型和物理模型。
三、 大气校正统计模型
统计模型是基于地表变量和遥感数据的相关关系而建立的，不需要知道图像获取时的大气和几何条件，具有简单易行，所需参数较少的优点，由于可以有效地概括从局部区域获取的数据，一般具有较高的精度。但是由于区域之间具有差异性，统计模型只适用于局部地区，并不具备通用性。
四、大气校正物理模型
物理模型是根据遥感系统的物理规律来建立的，可以通过不断加入新的知识和信息来改进模型。物理模型机理清晰，但是模型复杂，所需参数较多且通常难以获取。有的物理模型为提高计算效率会选择简化或假定某些过程。

5.4大气校正统计模型
一、内部平均相对反射率法
内部平均相对反射率法( IARR )是假定一幅图像内部的地物充分混杂，整幅图像的平均光谱基本代表了大气影响下的太阳光谱信息，从而将整幅图像的平均辐射光谱值作为参考光谱，以计算每个像元的光谱曲线与参考光谱曲线的比值，作为相对反射率，由此消除大气影响，亦可消除地形阴影的影响。
➢计算方法:某波段各像元的灰度值除以该波段所有像元的灰度平均值
IARR的不足之处在于当图像某些位置出现强吸收特征时,参考光谱受其影响而降低，导致其他不具备上述吸收特征的地物光谱出现与该吸收特性相对应的假反射峰，从而使计算结果出现偏差。由于高植被覆盖的地区存在叶绿素吸收的问题，该方法就不太适用，但在没有植被覆盖的干旱地区能够得到较好的效果。
（如果一幅遥感影像里面，有大片的植被区，由于植被区对红光波段是强吸收，故叫暗像元，吸收之后，整幅图像灰度的平均值就比较低，如果图像当中的某些的地方的值是高反射率的值，如果这个值高于平均值，那么我们计算出来的反射率会大于1，因此对于高反射率的地方，会出现一个假的反射峰）
二、平场域法
平场域法选择图像中一块面积大且亮度高而光谱响应曲线变化平缓的区域(如沙漠、大块水泥地、沙地等)建立平场域，然后利用该区域的平均光谱辐射值来模拟图像获取时大气条件下的太阳光谱。将每个像元的辐射值与该平均光谱辐射值的比值作为地表反射率，用以消除大气的影响。该方法要求平场域自身的平均光谱没有明显吸收特征。
三、对数残差法
对数残差法的目的是为了消除光照及地形的影响，假设像元的灰度值DNij (波段j中像元i的灰度值)只受到反射率Rij (波段j中像元i的反射率)、地形因子Ti(像元i处表征表面变化的地形因子)和光照因子Ij(波段j的光照因子)的影响，即： DNij = TiRijIj,
如果假设DNi()表示像元i所有波段的几何均值,DN()j表示波段j对所有像元的几何均值, DN()()表示所有像元在所有波段的数据的几何均值,则有 Yij =(DNij / DNi()) / (DN()j / DN()())
四、经验线性法
经验线性法是假设在图像覆盖范围内，至少有两个以上不同反射特征且反射率值差异较大的物体，分别为暗目标和亮目标。假定图像DN值与对应区域的实际反射率R间存在线性关系,，通过实测各定标点的地面反射光谱值，计算图像上对应像元点的平均辐射光谱，然后利用线性回归建立反射光谱与辐射光谱间的相关关系 R=k*DN+ b
样本点的选取有3个要求：
➢样本点要选择尽可能各向同性的均一地物;
➢样本点地物在光谱上要跨越尽可能宽的地球反射光谱段;
➢样本点尽可能与研究区域保持同一海拔高度。

5.5大气校正物理模型
难点：大气校正物理模型基础
重点：大气校正物理模型的原理
一、物理模型基础 （朗伯面：各方向的反射率均为一致的时候）
1、物理模型基础——大气影响的定量分析
传感器的辐射亮度L来自直接反射L1、邻近反射L2以及大气程辐射L3三部分，即
L=L1+L2+L3
1)直接反射的辐射亮度




2)大气程辐射的辐射亮度
该部分辐射是由大气成分和气溶胶对太阳辐射的散射，向上通过大气直接进入传感器，不好进行直接计算，取辐射亮度为L2。
3)邻近反射的辐射亮度

2、大气辐射传输模型
大气辐射传输模型可以模拟辐射信号在大气、地表、传感器之间的传输过程，机理较为复杂，建立大气辐射传输模型不仅要考虑信号与大气之间的相互作用，还要考虑地表面因素、地形因素的影响。
大气辐射传输模型是对大气辐射传输过程的简化模拟。
二、6S模型

从6S模型的大气辐射传输原理、过程以及公式来看，模型包括以下几个部分：
(1)太阳、地物与传感器之间的几何关系：用太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角四个变量来描述。
(2)大气模式：6S定义了大气的基本成分以及温湿度廓线，包括7种模式，还可以通过自定义的方式来输入由实测的探空数据，生成局地更为精确、实时的大气模式，此外,还可以改变水汽和臭氧含量的模式。
(3)气溶胶模式：定义了全球主要的气溶胶参数,如气溶胶相函数、非对称因子和单次散射反照率等, 6S中定义了7种缺省的标准气溶胶模式和一些自定义模式。
. (4)传感器的光谱特性：定义了传感器各通道的光谱响应函数, 6S中自带了大部分主要传感器的可见光近红外波段的通道相应光谱响应函数,如TM、MSS、POLDER和MODIS等。
(5)地表反射率：定义了地表的反射率模型,包括均一地表与非均一地表两种情况,在均一地表中又考虑了有无方向性反射问题,在考虑方向性时用了9种不同模型。

三、MODTRAN模型
MODTRAN模型是由美国空军地球物理实验室在LOWTRAN模型的基础上开发的, ENVI软件中的FLAASH大气校正模块正是基于此模型构建的。


**重点了解公式中参数所代表的含义

5.6地形及太阳高度角校正
一、地形校正
●在丘陵地带和山区,地形坡度、坡向和太阳光照几何条件等对遥感影像的辐射亮度影响非常显著,朝向太阳的坡面会接受到更多的光照,在遥感影像上色彩自然要亮一-些,背向太阳的阴面由于反射的是天空散射光,在图像上表现得要暗淡一些。因此,在地形复杂的地区,为了提高遥感信息定量化的精度,除了要消除传感器自身光电特性和大气带来的影响,更重要的是要消除地形效应。
●地形校正的目的是消除由地形弓起的辐射亮度误差，使坡度不同但反射性质相同的地物在图像中具有相同的亮度值。
●常见地形校正方法：

半经验C校正法
●半经验C校正法是在余弦校正法的基础上发展的,由于余弦校正法在高太阳角入射地区( 如阴影区)会出现校正过度现象, Teillet等引入了半经验系数C ,用于解释散射辐射对入射太阳辐射通量的贡献。

二、太阳高度角校正
太阳位置的变化会导致不同地表位置接收到的太阳辐射不相同,从而导致不同地方、不同季节、不同时期获取的遥感图像之间存在辐射差异。
太阳位置通常以太阳高度角和太阳方位角进行描述太阳高度角是指地球上某地的太阳入射方向与地平面之间的夹角,与太阳天顶角互余。

太阳高度角校正的目的是通过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,主要用于比较不同太阳高度角的图像,消除不同地方、不同季节、不同时期图像之间的辐射差异,通常通过调整图像的平均亮度加以实现。