基于6S模型TM遥感影像大气校正
基于6S模型的TM遥感影像大气校正
毕业论文题目：基于6S模型的TM遥感影像大气校正研究--以张掖地区为例学院：地理与环境科学学院专业：地理信息系统毕业年限：2011年学生姓名：秦麟学号：200775000126指导教师：李净基于6S模型的TM遥感影像大气校正研究--以张掖地区为例秦麟摘要：受大气吸收与散射的影响，电磁波在大气--目标物--遥感器途径传输过程中发生失真，造成目标地物反射辐射能量到达遥感器时被衰减。
给计算地表反照率、反射率和地表温度等关键参数带来较大的误差。
本文以张掖地区Landsat TM热红外波的遥感图像数据为例，通过利用6S大气辐射传输模型进行大气校正，并在窄波段反照率与宽波段反照率之间存在线性关系的前提下，反演该地区的地表反照率。
关键词：6S模型；大气校正；地表反照率6S Model Based Atmospheric Correction of Remote SensingImage in zhangyeQIN LinAbstract : Due to the distortions and noises caused by the presence of the atmosphere on the Sun-target-Sensor path, the space-based and airborne remote sensing information in the solar spectral range do not directly characterize the surface objects. It becomes serious impediments for the quantitative analysis and measurement of resources and environment. This paper discussed the atmospheric correction with 6S model (Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum), reversing surface albedos under the linear relationship between narrow band albedos and broadband albedos in the remote sensing image in zhangye city.Key words: 6S model; atmospheric correction; surface albedo.1 引言地表反照率是指地表反射太阳辐射与入射太阳辐射之比，是地--气间辐射能量收支的重要参数之一。
实习1 辐射定标与大气校正
实习1 辐射定标与大气校正一、实习目的：辐射定标和大气校正都属于图像的预处理，辐射定标的目的是把图像上的DN值转为表观辐亮度，大气校正的目的是消除或减少大气对图像的干扰。
本次实习要求熟练掌握辐射定标和大气校正的方法，加深对6S模型原理的理解，掌握6S软件的使用方法与步骤，并利用该软件进行TM影像的大气校正。
二、实习数据河北黄骅市TM影像三、实习步骤1辐射定标要对图像进行辐射定标，将图像的DN值转化为表观辐亮度，该过程应用下式实现：Radiance=gain*DN+offset (1) 也可由下式计算表观反射率，ρ=π*L*d2/（ESUN*cos（θ））(2) 其中ρ为表观反射率，L为表观辐亮度，d为日地距离，ESUN为太阳平均辐射强度，θ为太阳高度角。
将以上两个步骤结合得：ρ=π*（gain*DN+offset）* d2/（ESUN*cos（θ））(3) ENVI中的具体实现：以TM图像第3波段的DN值转化为表观反射率为例：第一步，查找HEADER文件，找到图像每个波段的gain和offset，如第三波段：gain＝1.61277，offset＝-0.0132第二步，查找HEADER文件可知Sθ=64度；查找表可知d=1.10109天文单位；查找表1 可知ESUN3＝1554。
第三步，把这些参数的值带入（3）式：：ρ3＝3.14159*(1.61277*b3-0.0132)*1.10109^2/(1554*cos(26*pi/180))同理，可求出其它波段的辐射定标表达式。
表1 TM光谱辐亮度以及外大气层太阳光谱辐照度2简单暗像元大气校正Dark Subtraction功能允许对图像数据进行大气散射校正。
从每一个波段减少的数字值，可以是波段最小值，或者是用户定义的感兴趣区的平均值，或一个特定值。
1) 选择Basic Tools> Preprocessing > General Purpose Utilities> Dark Subtract.2) 当出现Dark Subtract Input File 对话框时，选择一个输入文件。
五种TM影像大气校正模型在植被遥感中的应用
! ;8< H " ・#$ 4A9 I % 的增益与偏移!
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式中： ! ;8< 为表观反射亮度值； " 和 % 分别是传感器 "#$ 模型： "#$ 模型是基于以下假设建立： %） 大气对辐射传输的影响是常数； 被校正区域程辐射 相同； 地物表面为朗伯面； 影像中具有因大气散射被
“ 1’" ” 工程科技创新平台资助项目 （ #$"%$2%$$*$$$$+ ） !国家 !!通讯作者- [;HD:Q：99A@EA\ HD:Q- ANAK- 9EK- R? %$$&;$#;%1 收稿， %$$’;$#;%2 接受-
植被遥感的研究- 但他们使用的 2 种大气校正模型 是基于影像的校正模型， 缺少物理校正模型， 且由于 GD?EADF;" () 的长期运行可导致传感器老化， 而该 研究中的辐射标定方法不能用于 %$$2 年 " 月 " 日
应 用 生 态 学 报! %$$’ 年 * 月! 第 #1 卷! 第 * 期! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! MB:?9A9 P>KJ?DQ >I 5SSQ:9E [R>Q>@N，5SJ- %$$’ ， 78 （*） ： &+10&&*
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因此根据遥感影像获取时的大气状况分布特征， 选 择广州市东北部与惠州市北部 （ ’()*+,(-.—’()&%, (/.0， %%()1’,1’.—%%1)(%,(*. 2 ） 作为本文的研究 区! 该区属南亚热带季风气候区， 区域内多为山区， 主要由九连山脉与罗浮山脉组成， 山体呈东北3西南 走向， 最高海拔 % ’%* 4， 地带性植被为南亚热带季 风常绿阔叶林! !# $" 数据来源 研究区的遥感数据来自 ’**& 年 5 月 %- 日摄录 的轨道号为 %’’ 6 *11 的 789:;8< => 影像， 整景影像 面积为 (1 ’’& ?4’ ， 覆盖了广东省珠三角大部分地 区， 是经过辐射校正和系统几何校正处理的产品! !# %" 研究方法 !# %# ! 大气校正模型@ 为去除大气对辐射传输的影 响， & 种大气校正模型 （ "#$% 、 "#$’ 、 "#$( 、 "#$1 和 +$ 模型） 基于不同假设建立了影像表观反射亮度值 与地物反射率的关系方程! 但影像原始信息一般为 灰度值 （ :ABA<8C 9D4EFG， "0） ， 因此在大气校正前， 需 对影像进行辐射标定， 即 "0 与表观反射亮度值之
遥感图像处理中大气校正方法综述
遥感图像处理中大气校正方法综述作者：廖吉庆章开灵来源：《科学与财富》2013年第03期摘要：本文就遥感图像处理中大气校正的一些方法进行论述，综合总结了遥感图像处理大气校正方法。
大气校正的方法主要有辐射传输模型、黑暗像元法、不变目标法、参考值大气校正法和大气阻抗植被指数法等。
关键词：遥感图像大气校正方法卫星遥感图像的大气校正，一直是遥感定量化研究的主难点之一。
近些年来，随着定量遥感技术迅速发展，特别利用多传感器、多时相遥感数据进行土地利用和土地覆盖化监测、全球资源环境分析、气候变化监测等的需要，使得感图像大气校正方法的研究越来越受到重视。
一、辐射传输模型在诸多的大气校正方法中校正精度高的方法是辐射传输模型法（Radiative transfer models）。
辐射传输模型法是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气校正的方法。
国内很多研究者对辐射传输模型大气校正方法也作了很多研究工作。
秦益等人提出了基于辐射传输模型理论的AVHRR图像大气校正方案，并研制了软件系统。
李先华等人在讨论逐点计算遥感图像像元的大气程辐射值和大气透过率的方法和原理的基础上，提出了一个适合非均匀大气的、包括大气程辐射和大气透过率等修正内容的遥感图像广义大气校正模型。
张玉贵对TURNER模型进行改进，并对TM 图像进行了大气校正。
胡宝新等人提出了BRDF一大气订正环的大气校正方法。
这种方法首先用6S模型作基于朗伯体的大气校正，并通过一系列在不同成像几何条件的订正结果，在BRDF模型库中找到一种最能描述这些数据的模型，最后根据反演的模型参数进行基于BRDF的大气校正。
龙飞等人利用连续数天的多角度NOAA卫星数据，采用Rahman地表二向反射模型和基于地面BRDF反射率的大气校正方法反复迭代提出了多个角度大气校正后的图像。
二、黑暗像元法最理想的大气辐射校正和反射率反演方法应该是仅通过遥感影像信息，而不需要野外场地测量等辅助数据，并且能够适用于历史数据和很偏远的研究区域。
应用6S模型进行LANDSAT_TM影像大气校正
应用6S模型进行LANDSAT_TM影像大气校正应用6S 模型进行LANDSAT TM 影像大气校正一、辐射校正1、 1、用定标系数将原始DN 值转换为大气层顶太阳辐亮度L ；rescale cal rescale B Q G L +?=λL 为大气层顶太阳辐亮度，Q 为记录的电信号数值，rescaleG ，为通道增益，rescale B 为偏移量，定标系数可以在头文件中获得。
表1 LANDSAT5 TM 数据定标系数2、由大气层顶太阳辐亮度L 转换为反射率。
s p ESUN d L θπρλλcos 2=其中:pρ: 行星反射率λL : 传感器口径的光谱辐射值 d: 日地距离（以天文为单位）λESUN :Mean solar exoatmospheric irradiances 平均太阳外大气层辐射值s θ : 太阳天顶角表2 TM 太阳外大气层光谱辐射值表3,日地距离（以天文为单位）二、大气校正经过辐射校正后，象元灰度值转换为了反射率，我们使用6S模型对可见光和近红外波段进行大气校正。
1、辐射校正完的反射率是0-1之间的值，然后把它转换为0-100之间的数值；2、再在ENVI中把第一步中的反射率（0-100）存为RAW格式；3、然后在inputfiles中填写大气条件的输入文件、大气条件的输出文件名、待大气校正的输入文件（RAW格式）、待大气校正的图像大小；4、4、第3步中的大气条件的输入文件需要填写以下的几项：Landsat5 geometrical conditionsmonth,day,hh.ddd,long.,lat.tropical atmospheric modecontinental aerosols modelvisibility in km (aerosol model concentration)target at 600 m above sea levelsensor on board of satellitethird band of Landsat5the image has values of reflectance, DN is percent (actual values only 0-100, not 0-255)(-1)number of pixels of the image=number of bytes以上的这些参数可以根据实际情况进行填写。
遥感图像的大气校正
大气校正
原理：
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，本次试验采用简单的黑暗像元法。
黑暗像元法是一种古老、简单的经典大气校正方法。
它的基本原理是在假设待校正的遥感图像上存在黑暗像元、地表朗伯面反射和大气性质均一，并忽略大气多次散射辐照作用和邻近像元漫反射作用的前提下，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，可以认为这部分增加的反射率是由于大气影响产生的。
这样，将其他像元减去这些黑暗像元的像元值，就能减少大气（主要是大气散射）对整幅影像的影响，达到大气校正的目的。
步骤：
1.打开待校正的图像文件：
2.主菜单中选择Basic Tools---Preprocessing----General Purpose Utilities---Dark Parameters对话框，如下图所示：
3.在Dark Subtract Input File对话框中选择带校正的图像：单机OK。
4.在Dark Subtraction Parameters对话框中选择黑暗像素值，选择波段最小值（Band Minimum），然后选择输出路径，点击OK。
如下图所示：
5.重新打开新的窗口，显示校正过的图像：。
6S模式对EOS_MODIS数据进行大气校正的方法_徐萌
第42卷第6期2006年11月南京大学学报(自然科学)JOURNAL OF NANJING U NIVERSITY(NAT URA L SCIENCES)Vo l.42,No.6Nov.w20066S模式对EOS/MODIS数据进行大气校正的方法*徐萌1,2,郁凡1**,李亚春2,焦圣明2,王成刚1(1.南京大学大气科学系,南京,210093;2.江苏省气象台,南京,210008)摘要:探讨了运用6S模式对EO S/M O DIS的可见光与近红外通道数据进行大气校正的方法和步骤,对模式中的大气模式参数和廓线的计算方法提出了改进,应用研究目标地的气象探空资料计算包括气压、温度、水汽密度和臭氧密度等大气参数和廓线,并根据海拔高度对大气廓线进行订正.实验表明:校正后的象元反射率普遍增大,反射率区间明显拉宽,表现在图像上亮度有所提高,对比度明显增加,图像层次更加丰富,图像质量得到较大改善.关键词:大气校正,6S模式,EOS/M ODIS,反射率中图分类号:T P751.1The Method of Atmospheric Correction on theEOS/MODIS Data with6S ModelX u M eng1,2,Yu F an1,L i Ya-Chun2,J iao S heng-Ming2,Wang Cheng-G ang1((1.Depar tment of A tmospher e Sciences,N anjing U niversit y,Nanjing,210093,China;2.Jiang Su M eteoro lo gical Observ ator y,Nanjing,210008,China)Abstract:EOS/M ODIS as a new o pt ical remote sense instrument can pr ov ide much info rmatio n abo ut the Eart h, cloud,atmospher e,ocean,veg etatio n,etc.,and can be used to monito r the nat ur al disaster and eco lo gical env iro nment and to study the change o f g lo ba l circumstance and climat e.But the r adiation fro m sun is absor bed and scatter ed by the at mosphere when it passes the aero sphere lay er.A t the same time,the long w ave r adiation reflected by gr ound is also abso rbed and scatter ed by atmospher e.So the r adiation signal received by the sensor o n sat ellite will be distor ted and attenuated.T herefor e t he satellite data must be per for med under atmospher ic co rr ection befor e the r emote sense imag e can be analy zed.6S model(the second simulat ion of the satellite signal in the so lar spectrum)is based o n the theor y of radiative transfer and analyzes the landfor m,weather,spectrum and many o ther kinds of parameter s synthetically.T he model is not affected by the style and backg ro und of targ et and it has pr eferable precisio n and can be widely applied.T his paper tr ied to use6S model to finish the atmospher ic co rr ection of the visible lig ht and near infr ared band data of EO S/M O DIS.It probed into the metho d and steps and im pr oved the calculatio n method o f atmo spheric model parameter and profile in the6S model,w hich meant the author s applied the w eather sounding ballo on dat a of targ et area into the mo del to calculate the atmo spheric parameter and pr ofile including the air pressure,temperature,vapor density,o zo ne density,et c.T he method localized the atmospher ic* **基金项目:国家自然科学基金(G4*******),国家重点基础研究发展规划项目(G1998040910),江苏省自然科学基金(BK2002067)收稿日期:2006-03-28通讯联系人,E-mail:yufan@m ail.n co rr ect ion parameter in t he model.T he ex per iment show ed that after the cor rectio n,the pix els reflectance incr eased generally and the r eflectance range w idened obvio usly.So the curve of pixel number on the histog ram became smo oth,t he peak o f which shifted to t he r ight.I t display ed on the image that the info rmation o f sur face included in the imag e was richer,t he brig htness enhanced distinctly and contrast raised markedly.T he r esults distinguished the no ise of clo ud fr om the interested area entirely and r esumed the actual reflect ance o f tar get appr ox imately.T he fuzzy image became clear and the kinds o f gr ound o bject s that can be r ecognized increased.T he hibera rchy o f imag e became richer,visio n effect and image quality was well impro ved,and at the same time the inv ersed physics informat ion was closer to the fact.Any way,the result w as sat isfying.Key words:at mospher ic co rr ect ion,6S model,EO S/M O DIS,r eflectanceMODIS是EOS-AM1及PM1星上装载的主要对地探测仪器,也是当前世界上新一代/图谱合一0的光学遥感仪器,可以同时提供反映陆地、云、海洋、植被等的多种信息,用于对陆表、生物圈、固态地球、大气和海洋进行长期全球观测,其数据对于开展自然灾害与生态环境监测、全球环境和气候变化研究以及进行全球变化的综合性研究等非常有意义[1],因而越来越受到重视并被广泛应用.然而,来自太阳的辐射穿过地球表面的大气层时被大气吸收和散射;同样,在空中遥感地面目标成像的过程中,地面的长波辐射也要被大气吸收和散射而产生信号的衰减,因此卫星传感器接收到的辐射信号出现变形失真.而造成大气散射和吸收的主要原因是其中存在着大量的水汽、二氧化碳、灰尘和烟尘等微小粒子,主要发生在辐射的高频通道,通常,这种散射和吸收与波长有关,对于瑞利散射与其波长的四次方成反比[2].由于大气对太阳辐射和地面反射辐射的散射和吸收,提高了大气层的平均亮度值,并将它迭加在地物的辐射信号上,共同经过遥感成像被记录下来[3],这种现象使图像清晰度、对比度均下降,同时反射率、辐射亮度等相关物理量都会出现偏差,所以必须进行大气校正还原目标物的真实反射率.国内外学者提出了许多大气校正的方法,如:直方图均衡化法(histogram m atching method)[4]、暗目标法(dar k object m ethod)[5]、固定目标法(invariant object method)[6]、对比减少法(contrast reductio n method)[7]、以及low tran[8]、modtran[9]大气校正模式等等.上述方法与模式大多建立在某种特定或理想条件下,实用性受到一定限制.6S模式建立在辐射传输理论基础之上,考虑了地形、气象、光谱等多种参数的共同作用,适用于多种卫星传感器的波段范围,不受研究对象及目标物类型、背景等的限制,应用范围广,精度较高,因而在辐射及遥感等学科中越来越受到重视.本文探讨了将6S模式应用于对EOS/ M ODIS可见光与近红外通道数据作大气校正的方法与步骤,对6S模式中大气模式的计算方法提出改进,将研究目标地物的气象探空资料与地形数据应用于计算当地的大气参数和廓线,取得了较好的效果.1模式基本原理6S模式全名为seco nd simulatio n of the satellite signal in the so lar spectrum,即太阳光谱卫星信号的二次模拟.6S模式能够预测无云大气条件下0.25L m~ 4.0L m的卫星信号, M ODIS的可见光与近红外通道(1~19、26)的波长分布在这一范围内,6S模式可以对这些通道的数据作大气校正.对于朗伯体表面而言,卫星所接收到的表面反射率包括:被地表反射后的直接太阳辐射和漫射太阳辐射、内部的大气辐射、周边环境的贡献等.卫星传感器接收到的表面反射率为:Q.(H s,H v,<v)=t g(H s,H v){Q a(H s,H v,<0v)+#583#第6期徐萌等:6S模式对EO S/M O DIS数据进行大气校正的方法T(H s)1-<Q(M)>S[Q c(M)e-S/L v+<Q(M)>t d(H v)]}(1)式中,Q.(H s,H v,<v)是传感器所接收的大气顶部反射率;Q a(H s,H v,<v)是瑞利散射和气溶胶散射引起的程辐射;H s,H v,<v是太阳天顶角、观测天顶角和方位角;S为大气球面反射率;T(H s)、T (H v)是下行和上行辐射总透射率;t d(H s)、t d(H v)是下行和上行散射辐射透射率因子;e-S/L s、e-S/L v是下行直射辐射和直接透射到传感器的上行辐射;L s=cos(H s)、L v=cos(H v)为太阳和卫星天顶角的余弦;S是大气光学厚度.Q(M)表示非均一目标反射率;Q c(M)表示邻近效应; <Q(M)>是平均环境反射率;t g(H s,H v)是大气分子和水汽吸收因子.式(1)综合了主要的大气效应:水汽、氧气、二氧化碳、臭氧等气体的吸收,分子和气溶胶的散射,以及非均一下垫面等情况[10].模式运行需要输入以下一些参数:几何条件、关于大气成份的大气模型、气溶胶模型(类型和浓度)、光谱条件、地表反射率(类型和光谱变化).用户可以选择模式的公共条件,或使用自定义数据.本研究将尽量使用当地气象、地形等实测资料开展研究,以期反演结果能够更接近于实况.2资料及预处理选取04年8月16日上午10时EOS/ MODIS1~7通道影像数据,范围为120.3b~ 122.1b E,30b~31.4b N,面积约28.4万平方公里,共700@650个象素点,位置在苏南太湖地区.已通过Lamber t投影、双三次插值重采样等处理完成几何校正,去除其/bow tie effect0 (国内译为弯弓效应、双眼皮现象或蝴蝶结效应)[11].3模式应用3.1几何条件输入几何条件对卫星数据作太阳高度角订正.6S模式可针对不同卫星传感器进行太阳高度角订正.从EOS/M ODIS的1km分辨率文件中读取轨道日期、世界时、经度、升交点时间等数据,对其插值投影,得到每一像元点的太阳天顶角、方位角与卫星天顶角、方位角数据.3.2大气模式大气对太阳辐射的吸收依赖于多种气体的共同作用,其中氧气、二氧化碳、甲烷和一氧化二氮等气体成分被认为是常量,且在大气中均匀混合,而水汽和臭氧的浓度则会随时间、地点的不同发生变化,所以水汽和臭氧浓度是研究的重要参数.此外,温度、气压、湿度等气象要素也会对气体吸收产生重要影响,因而需要根据研究对象的时间、地点给出温、压、湿、臭氧浓度等要素值在大气中的垂直分布,即大气廓线[12].6S模式中已经给出热带、中纬度夏季、中纬度冬季、副极地夏季、副极地冬季、1962美国标准大气等多种模式大气的大气廓线,为使校正结果更加精确,本研究应用当地探空资料来反演大气廓线.江苏省省内仅有3个探空站,分别是徐州、宿迁和南京,考虑到南京离太湖最近,因而选用南京站的探空数据.探空数据由探空气球在上升过程中经过不同等压面时测得,其测量高度和6S模式要求的高度不同,因此需要将探空数据从等压面高度插值到模式要求的海拔高度上.以2004年8月16日07时南京站探空资料为例,将气压、温度、相对湿度从19个等压面高度(1000mb、900mb、850m b,,)插值到34个模式规定高度(1km、2km、3km,,)上,并根据绝对湿度、相对湿度的定义((2)、(3)式)与马格努斯(M agnus)经验公式((4)式)计算绝对湿度[13],即模式要求输入的水汽密度:Q v=a=e/R v T(2)e=f#E(3)E=E0#107.5T/(237.3+T)(4)式中,Q v为水汽密度,a为绝对湿度,T即探空数据插值后得到的各层大气温度,Rv= 461J/(kg#k),是水汽的比气体常数,e、E分别为各层的实际水汽压与饱和水汽压,f为相对湿度,由探空数据插值后得到.E0是273.15 K温度下的饱和水汽压,其值等于6.11hpa.#584#南京大学学报(自然科学)第42卷由(2)、(3)、(4)式计算得到大气模式所规定的各海拔高度上的水汽密度.探空气球不对大气的臭氧密度进行探测,本文使用中纬度夏季大气模式的臭氧密度数据.这样,得到南京站上空34个规定海拔高度上的气压、温度、水汽密度、臭氧密度数据,作为整个苏南地区的大气廓线.由于目标物上方散射和吸收气体的数量与其海拔高度有关,因此要用目标物海拔高度对大气廓线作相应的修正.根据无锡站的海拔高度0.005km,计算新的水汽和臭氧积分含量,得到目标物太湖区域在其海拔高度上的温度、气压、湿度、气体浓度等要素值,对大气廓线(P(z)、T(z)、H2O(z)、O3(z))进行订正,使廓线的第一层位于目标物海拔高度上.目标物到传感器之间的距离也会影响反射路径上大气中散射和吸收气体的数量,因此需要根据不同的传感器位置选择相应的方案.若传感器位于飞行器上,则需要再次订正大气廓线,使廓线第一层位于飞行器高度.MODIS为星载传感器,保留以上经过目标物海拔高度订正后的大气廓线.3.3气溶胶大气中的气溶胶粒子将会吸收和散射太阳辐射,从而使卫星传感器接收到的辐射信号产生衰减,必须加以订正.气溶胶参数包括气溶胶类型和气溶胶浓度.气溶胶类型从基于4种基本成分(尘土类、海洋性、水溶性、烟灰类)的气溶胶混合比模式)陆地类型、海洋类型、城市类型中选择适当的模式.考虑本文所用的M ODIS影像范围的时间、地点,以及目标地区经济发达、城镇密集,因而本研究采用中纬度夏季大气模式的城市类型气溶胶,即大气中尘土类、海洋性、水溶性、烟灰类气溶胶的比例分别为:17%、61%、0.0%、22%.混合比值由世界气候组织国际辐射委员会提供[14].气溶胶浓度主要指气溶胶的光学厚度.本文运用6S模式提供的通过气象能见度计算气溶胶光学厚度的算法:按照标准气溶胶廓线计算气溶胶光学厚度值,即通过气溶胶粒子密度(粒子数/cm3)的垂直分布计算K=550nm的气溶胶消光横截面积和气溶胶光学厚度[15].由2004年8月16日无锡站的气象观测资料可知,10时即卫星过境时间的无锡站地面能见度V=9.0km,得到大气气溶胶光学厚度S= 0.471.3.4光谱响应为了准确计算传感器接收到的辐射信号,需要获得该通道滤波函数的波长范围及其光谱响应[16].6S模式提供了包括M ODIS在内多个卫星传感器的可见光与近红外通道的光谱响应用于订正辐射信号.如图1的a、b分别是M ODIS1、3通道的光谱响应,可以看出:并非每一个光谱值的光谱响应都是100%、部分光谱值的响应虽然较小,但并不为0,也会对辐射吸收产生一定影响,将在订正过程中分别加以考虑.4启动大气校正输入观测辐射率启动大气校正.观测辐射率由卫星数据辐射定标得到.EOS/M ODIS各通道的对地观测数据集均以仪器定标后的16位整型计数值存放,大小介于0~65535,对计数值作辐射定标的转换公式如(5)、(6)式所示:转换为辐射率(适用于36个通道,因为EOS/M ODIS的36个通道均有辐射数据集):L=ras(S–r ao)(5)转换为反射率(仅适用于1-19、26等反射通道,因为这20个反射通道有反射数据集,其余辐射通道仅有辐射数据集,无反射数据集):R=res(S–r eo)(6) L即要输入的观测辐射率,R是卫星传感器接收到的校正前的大气层顶反射率,进行大气校正才能过滤大气的吸收和散射等效应对辐射信号造成的干扰,还原目标物的真实反射率. S即象素点在该通道的计数值,ras、r es和r ao、r eo分别是定标系数和偏移量,其值可在相应通道数据集的属性域中获得[17].#585#第6期徐萌等:6S模式对EO S/M O DIS数据进行大气校正的方法a 1通道b 3通道图1 EOS/MODIS 的通道光谱响应Fig.1 The spectral responses of EOS/MODIS channels 1(a)and 3(b)运行6S 模式计算得到x a 、x b;由公式(7)、(8)分别得到y 、R ..x a 、x b 、x c 和y 均为相应的系数,无意义,而R .即经过大气校正得到的该点的实际反射率[18]:y =xa @L -xb(7)R .=y /(1.+xc @y)(8)5 结果与分析对本文第2节选定的EOS/MODIS 影像范围,按照上述方法对其中每一象素点进行大气校正计算,将卫星观测的大气层顶反射率校正为目标地物的真实反射率,比较分析校正前后图像及相关物理量的变化,从而检验该方法的效果.图2、3分别是1、3通道数据大气校正前、后的反射率分布直方图,从图上可以看出:(1)直方图上象元数曲线的波峰在大气校正之后出现右移.大气校正前,直方图上相似地物的象元个数及反射率分布会比较集中,而大气校正后,得到的是这些相似地物的真实反射率,比校正之前普遍有所增大,于是对应于这部分反射率的曲线波峰也相应地右移.图2 EOS/MODIS 1通道大气校正前后目标物反射率分布Fig.2 EOS/MODIS channel 1reflectance distribution histogram before and after atmosphere correction#586#南京大学学报(自然科学) 第42卷图3EOS/MODIS3通道大气校正前后目标物反射率分布Fig.3EOS/MODIS channel3reflectance distribution histogram before and after atmosphere correction(2)校正之后象元数曲线所对应的实际反射率区间明显比校正之前变宽.这是因为同样的700@650个象素在大气校正之后计算出了数量更多的反射率值,相应的这些反射率所对应的象元个数的分布就会均匀一些,于是象元个数的极值变小,而不是如校正之前那样,所有被计数的象元反射率值集中在一个或几个很窄的区间之内,所选区域内的反射率值大量重复、分布很集中,造成某些反射率值对应的象元个数多,表现为象元数曲线的波峰很陡.图4和5分别是1、3通道数据大气校正处理前后的灰度图像.图中可以看出,由于校正之后真实反射率区间变宽,所以光学特性有所差异的不同甚至相同的地物对应到更多不同的反射率值,于是校正之后的图像相应比校正之前包含更为丰富的地物信息,视觉上也更加具有层次感.校正之前图像上(图4a、图5a)一些看上去模糊一团的地物目标在校正之后(图4b、图5b)已经能够分辨清楚.此外,6S模式适用于无云条件下的大气校正,模式本身虽然不能作去云处理把云区过滤,但是对云和地物仍有较好的分辨能力.如图4、5,目标区域经6S 模式处理后,各种类型和高度的云,包括在校正之前的图像上不清晰的云(图4a、图5a中白色和暗白色部分),被统一作为亮度最大的高值区(图4b、图5b中亮白色部分)与其它地物加以区别,从而将云噪声从感兴趣的目标地物中完全区分出来.图4、5中可以看出,校正前的灰度图(4a、5a)比较暗,且目标物模糊,这是大气中的水汽等吸收气体吸收太阳辐射以及分子、气溶胶散射等共同作用的结果,从而使大气的透明度降低,卫星反演的目标物反射率比实际偏低,造成图像偏暗,并呈现/雾0状效果;而校正后的图像(图4b、5b)基本还原了目标物的真实反射率,因而图像亮度明显提高,且清晰度增加,能够识别出的地物种类增多,层次更加丰富,无论是视觉效果还是所反映物理信息的准确性等都得到较大的改善.6结论由于大气对太阳辐射和地面反射辐射的散射和吸收,提高了大气层的平均亮度值,迭加在地物的辐射信号上,共同经过遥感成像被记录下来,使得图像对比度、清晰度均下降,同时辐射信号变形失真,因此在进行遥感图像分析前必须对卫星数据进行大气校正.6S模式建立在辐射传输理论基础之上,将地形、气象、光谱等多种参数输入模式进行模拟计算,适用于多种卫星传感器及波段范围,不受研究对象及目标物类型、背景等的影响,应用范围广,精度较高,因而在辐射及遥感等学科中得到广泛的应#587#第6期徐萌等:6S模式对EO S/M O DIS数据进行大气校正的方法a校正前b校正后图404年8月16日10时EOS/MODIS1通道大气校正前后太湖地区图像Fig.4EOS/MODIS channel1image before(a)and af ter(b)atmosphere correction at Taihu Lake area at10on August162004a校正前b校正后图504年8月16日10时EOS/MODIS3通道大气校正前后太湖地区图像Fig.5EOS/MODIS channel3image before(a)and af ter(b)atmosphere correction at Taihu Lake area at10on August162004用.本文尝试将6S模式应用于对EOS/ MODIS数据作大气校正,并对6S模式中大气模式的计算提出了部分改进,将研究目标地物的气象探空资料应用于计算当地的大气参数和廓线,并根据目标地物海拔高度对大气廓线进行订正.应用本方法对EOS/M ODIS的可见光与近红外通道数据进行大气校正后,得到的反射率值普遍增大,且值域范围扩大,因而直方图上象元数曲线趋于平滑,其波峰在大气校正之后出现右移,曲线对应的实际反射率区间明显比校正之前变宽.在图像上表现为包含了更为丰富的地物信息,视觉上更加具有层次感,亮度有所提高,对比度明显增加,同时将云噪声从感兴趣的目标地物中完全区分出来.校正结果基#588#南京大学学报(自然科学)第42卷本还原了目标物的真实反射率,使得原先较模糊的遥感图像清晰度增加,能够识别出的地物种类增多,层次更加丰富,图像质量、视觉效果均得到较大改善,反演的物理信息更接近于实况,结果令人鼓舞.致谢本文所用MODIS卫星数据,由南京大学大气科学系教育部重点试验室遥感信息处理中心提供,谨此致谢!References[1]L iu Y J,Y ang Z D.T he theor y and a rithmetic ofM O DIS remo te sense informat ion pro cess.Be-ijing:Science Publishing,2001,1~16.(刘玉洁,杨忠东.M OD IS遥感信息处理原理与算法.北京:科学出版社,2001,1~16).[2]Xu D Y,D ing S B.Remote sense image infor ma-tio n pr ocess.Beijing:Space Nav igat ion Publish-ing,1997,22~31.(许殿元,丁树柏.遥感图像信息处理.北京:宇航出版社,1997,22~31). [3]M o ike J G.Remot e sense imag e dig ital process.Beijing:M et eo ro lo gical Publishing,1987,111~123,213~218.(莫伊克J G.遥感图像的数字处理.徐建平等译.北京:气象出版社,1987,111~123,213~218).[4]Ri chter R.A spatially adap tive fast atmospheri c correc-tion algorithm.Remote Sense,1996,17:1201~1214.[5]K aufman Y J,A W ald,L A Lo rr aine,et al.Re-mote sensing of aero so l over the co nt inents w iththe aid of a2.2L m channel.IEEE T r ansactio nso f Geoscience Remote Sensing,1997,35:1286~1298.[6]Chavez Jr P.Imag e-based atmo spheric cor rec-tio ns)Rev isited and improv ed.Photog r am Eng-ineering o f Remote Sensing,1996,62:1025~1036.[7]T anr e D,L egr and M.On the satellite r etriev al ofSaharan dust o ptical t hickness ov er land:tw o dif-ferent appro aches.Jo ur nal G eophy sical Re-search,1991,96:5221~5227.[8]L iang S L,F ang H L,Chen M Z.A tmo sphericco rrection o f L andsat ET M+land sur face imag e-r y-part I:metho ds.IEEE T ransactions o f G e-osience Remote Sensing,2001,39(11):2490~2498.[9]L iang S L,Fang H L,Jeffrey T M,et al.At-mospheric Cor rectio n of L andsat ET M+L andSur face Imager y-part II:V alidation and Applica-tions.IEEE T ransactions o f Geoscience R emo teSensing,2002,41(1):1~10.[10]Vermote E,TanrÜD,DeuzÜJ L,et al.Second simu-lation of the satellite signal in the solar spectrum(6S).6S User Guide Version2,1999,5:33. [11]Xu M,Yu F.T he method of eliminating thebow tie effect in the EOS/M ODIS1B data.M e-teor olog ical Science,2005,25(3):257~265.(徐萌,郁凡.去除EO S/M O DIS1B卫星数据中的弯弓效应的方法.气象科学,2005,25(3):257~265).[12]Y u F,L iu C S,Xiao W A.T he co mpa rison o ftex tural char acter betw een cirrus and other kindclo ud on the Geosy nchro no us Satellit e Infr aredImag e.Journal o f Nanjing U niver sity(N aturalSciences),1998,34(3):350~358.(郁凡,刘长盛,肖稳安.静止卫星红外云图上卷云与其它云类纹理特征的比较.南京大学学报(自然科学),1998,34(3):350~358).[13]Xu Y M,L iu H N,Xu G Y.A tmospheric sc-ience conspectus.Nanjing:N anjing U niv ersityP ublishing,2000,13~14.(徐玉貌,刘红年,徐桂玉.大气科学概论.南京:南京大学出版社,2000,13~14).[14]M c Clatchey R A,Bo lie M J,K ondr atyev K Y.A pr eliminary clo udless st andard atmo sphere forr adiat ion computat ion.Remo te Sense,1992,48(2):310~318.[15]Wang H R,Y u F.A ssimilation of G M S-5hu-midity ret riev als w ith a one-dimensional var ia-tio n analysis technique and its applicatio n in thefo recast of precipitat ion.Jo ur nal o f N anjing U-niver sity(N atural Sciences),2006,42(1):76~87.(王华荣,郁凡.用一维变分方法同化G M S-5反演湿度场及其在降水预报中的应用分析.南京大学学报(自然科学),2006,42(1):76~87).[16]Kneizys F X,Shettle E P,Gallery W O,et al.A tmospheric transmittance/radiance:computercode LOWT RA N5.Air Force Geo physics Labora-tory,Bedford,M ass,1990,36(3):509~518. [17]Zhang L Y.T he for mat of EOS/M ODIS1B da-ta set.T echno log y R epo rt.Beijing:N atio nalSatellite M eteo ro log ical Center,1999.(张里阳.EOS/M OD IS1B数据集格式说明.技术报告.北京:国家卫星气象中心,1999).[18]Szekielda K H.Pat tern recog nitio n of mar inepro vinces.Internatio nal Jo ur nal of R emo teSensing,2005,26(7):1499~2503.#589#第6期徐萌等:6S模式对EO S/M O DIS数据进行大气校正的方法。
基于高程或气溶胶厚度与6S模型校正参数回归方程的遥感图像大气校正模型
射过程时, 需要输入许多大气校正参数, 其中对校正 效应影响较大的包括气溶胶厚度和高程。校正时, 首先利用 6S 模型计算大气校正参数 X a、X b、X c, 然 后利用这些参数计算地表真实反射率[ 3] 。但是一景 ET M+ 图像覆盖 范围为 185 185 km2 , 下垫面非 常复杂, 气溶胶光学厚度分布不均。若以平均气溶 胶光学厚度和平均高程对整幅影像进行大气校正显 然是不合理的。因此, 本文基于 6S 模型, 探讨影像 区域下垫面高程和气溶胶光学厚度对 6S 模型校正 参数的影响, 并建立了回归方程的简单可行的大气 校正方法。本文最终建立的模型可以脱离 6S 模型 直接使用于冬季无云天气珠江三角洲影像区域的大 气校正。该方法也可以用于其它区域进行类似的大 气校正模型的建立。
表 2 城市模式拟合蓝光波段气 溶胶变化校正方程系数 Table 2 The correction equation coeff icients in blue band depending on the changes of aerosol ( urban model)
AOT
250 380 460 550 650 750
33 2
遥感技 术与应用
第 24卷
刻的气象数据很难准确获取, 所以常常使用一些标 准模式来估算, 如关于水汽和臭氧含量的参数的确 定, 可以从大气模式中选择中纬度冬季或夏季模式 等来代替。这些参数中对大气校正效应影响最大的 是气溶胶光学厚度, 而大气校正最重要也是最难的 部分就是气溶胶散射的校正。原因有两点: 第一, 气 溶胶的光学厚度( 或者水平视距) 本身很难获得; 第 二, 在一幅图像上不同地点的气溶胶光学厚度是不 同的, 如 T M 影像上的林地与城市中心上空的气溶 胶光学厚度有 2~ 3 倍的差距, 显然在整幅较大的图 像上用一个气溶胶光学厚度参数是不合理的。与此 有相似特点的还包括高程等。
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毕业论文题目：基于6S模型的TM遥感影像大气校正研究--以张掖地区为例学院：地理与环境科学学院专业：地理信息系统毕业年限：2011年学生姓名：秦麟学号：200775000126指导教师：李净基于6S模型的TM遥感影像大气校正研究--以张掖地区为例秦麟摘要：受大气吸收与散射的影响，电磁波在大气--目标物--遥感器途径传输过程中发生失真，造成目标地物反射辐射能量到达遥感器时被衰减。
给计算地表反照率、反射率和地表温度等关键参数带来较大的误差。
本文以张掖地区Landsat TM热红外波的遥感图像数据为例，通过利用6S大气辐射传输模型进行大气校正，并在窄波段反照率与宽波段反照率之间存在线性关系的前提下，反演该地区的地表反照率。
关键词：6S模型；大气校正；地表反照率6S Model Based Atmospheric Correction of Remote SensingImage in zhangyeQIN LinAbstract : Due to the distortions and noises caused by the presence of the atmosphere on the Sun-target-Sensor path, the space-based and airborne remote sensing information in the solar spectral range do not directly characterize the surface objects. It becomes serious impediments for the quantitative analysis and measurement of resources and environment. This paper discussed the atmospheric correction with 6S model (Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum), reversing surface albedos under the linear relationship between narrow band albedos and broadband albedos in the remote sensing image in zhangye city.Key words: 6S model; atmospheric correction; surface albedo.1 引言地表反照率是指地表反射太阳辐射与入射太阳辐射之比，是地--气间辐射能量收支的重要参数之一。
地表反照率作为整个太阳光谱的半球反射积分值，随时空变化而变化，在一般情况下变化较为缓慢，但在气候环境突然改变(暴风雪、沙尘暴等) 的情况下其值变化非常显著。
地表反照率是研究气候模型、天气预报、资源和灾害监测(干旱、火灾、大气污染及洪水等) 和水资源管理的一个重要参数。
因此，准确获得大范围的地表反照率具有重要意义。
早在20世纪50年代初，Houghton利用气象观测数据对北半球全年能量平衡作了全面计算，求出全球年平均反照率为0.34。
后来的研究工作利用实测资料和地表覆盖类型结合的传统方法，推算地表反照率，为反照率遥感反演奠定了基础。
伴随遥感技术的发展，反照率遥感反演逐渐取代传统的实测资料结合地表覆盖类型推算反照率的方法，在区域和全球尺度上，针对不同的地表覆盖类型及其反射特征，对反照率及其季节变化特征进行了研究。
近20年来，定量遥感技术迅速发展，特别是利用多遥感器、多时相遥感数据进行监测和分析全球资源环境、气候变化等的需要，使得遥感数据的定标、大气辐射校正和地表物理量反演方法的研究越来越受到重视。
就太阳反射光谱区的遥感数据而言，大气辐射校正和反射率反演方法研究的目的就是将这些卫星遥感定标后的表观辐亮度转换为反映地物真实信息的地表反射率。
最理想的大气辐射校正和反射率反演方法应该是仅通过遥感影像信息，而不需要野外场地测量等辅助数据，并且能够适用于历史数据和很偏远的研究区域。
2 研究区域概况张掖市地处西北内陆的河西走廊中部，黑河中游，介于97°20′～102°20′E，与37°28′～39°57′N之间。
东临金昌市，西连酒泉市，南靠祁连山，与青海省接壤，北依合黎山与内蒙古自治区阿拉善右旗及额济纳旗交界，东西长210km，南北宽50～80km。
本区属青藏高原的过渡地带，大地形由南部祁连山区，北部合黎山，龙首山区，中部走廊平原区组成。
北部合黎山为海拔1400～1900m的低山丘陵，龙首山为海拔2000～3000m微显陡峻的中低山区，南部的祁连山，山势雄伟高峻，山体宽厚，终年积雪，冰川广部，为典型的高寒山地。
在南北两山之间，形成一条南高北低由东南向西北倾斜的狭长盆地，海拔在1200～1700m之间。
境内属温带大陆性干旱气候，多年平均气温7.7℃，年降水量113.30～342.70mm，蒸发量1453.00～2351.00mm。
行政上区划上包括高台县、临泽县、民乐县、山丹县和甘州区，总面积18813km2。
3 研究方法3.1 数据来源本研究所选用的数据为张掖市2003年9月23日Landsat-5卫星影像（轨道号为133/33）的热红外波段数据如图1。
Landsat-5卫星是美国于1984年发射的第二代试验型地球资源卫星。
卫星在技术上有了较大改进，平台采用新设计的多任务模块，增加了新型的专题图绘图仪TM，可通过中继卫星传送数据。
Band1为蓝绿波段（0.45-0.52μm），B-and2为绿色波段（0.52-0.60μm），Band3为红色波段（0.63-0.69μm），Band4为近红外波段（0.76-0.96μm），Band5为中红外波段（1.55-1.75μm），Band6为热红外波段（10.40-12.50μm），Band7为中红外波段（2.08-2.35μm），空间分辨率为30m。
图1 张掖地区Landsat-5标准假彩色合成影像3.3 辐射定标、大气顶部反射率的计算定量遥感反演研究必须从遥感器所接受到的大气--陆地混合信号中提取出陆表目标物体的贡献部分，消除所观察目标非相关的信息[1]。
定量遥感首先要解决的核心问题是辐射定标和大气校正。
科学家们试图通过大气校正方法提取目标物的真实反射率，提出了直方图均衡化、黑暗目标法、固定目标法、对比减少法、LUT方法、6S模型等不少方法。
上述方法大部分建立在某种特殊的理想条件下，其实用性受到一定限制。
6S模型建立在辐射传输理论基础之上，模型应用范围广，不受研究区特点及目标类型等的影响。
实现辐射订正后，采用公式1把图像灰度值转换成具有辐射意义的亮度值[4]。
⋅=L+DNgainoffest（1）λ其中，L Λ是某个波段光谱辐射亮度(单位：W·m -2·μm -1·sr -1)，gain 和offest 是偏差参数(单位：W·m -2·μm -1·sr -1)，DN 是经辐射订正的图像灰度值。
各参数如表1所示：表1 灰度值转换亮度值参数Bandgain offest DN 10.762824 -1.52 62.84 21.44251 -2.84 62.38 31.03988 -1.17 58.28 40.872588 -1.51 52.98 50.119882 -0.37 10.93 7 0.065294 -0.15 3.24利用公式2可以计算地物在大气外的顶部光谱反射率[5]：)c o s (···d 2s T O A E L θρλλπ= （2） 式中，d 为日地天文单位距离，在这里取0.9925；E λ 为波段λ处的平均大气外太阳辐照度(单位:W·m - 2 ·μm - 1 ) ；s θ为太阳天顶角，取值为42°。
各参数的数值如表2所示：表2 计算地物在大气外的顶部光谱反射率参数BandP TOA E Λ L Λ 10.142 1957 67 20.151 1826 66 30.166 1554 62 40.227 1036 56 50.226 215 11 7 0.188 80.67 33.2 几何纠正在利用遥感图像提取信息的过程中，要求把所提取的信息表达在某一个规定的图像投影参照系统中，以便进行图像的几何量测、相互比较以及图像复合分析等处理。
当原始图像上各地物的几何位置、形状、尺寸、方位等特征与在参照系统中的表达要求不一致时，就产生了图像几何变形问题，需要对图像进行几何纠正[2]。
本文采用多项式纠正法，其基本思想是回避成像的空间几何过程，而直接对影像变形的本身进行数学模拟，认为图像变形规律可以看做为平移、缩放、旋转、仿射、偏扭和弯曲以及更高次的基本变形的综合作用结果。
其基本过程是利用有限个地面控制点的已知坐标，解求多项式的系数，然后将各像元的坐标代入多项式进行计算，从而求得纠正后的坐标。
该方法对各种类型传感器的纠正都是普遍适用的，尽管它存在着不同程度的近似性；同时该方法不仅用于影像对地面系统的纠正，还常用于不同类型影像之间的几何配准，以满足计算机分类、地物变化监测等处理的需要[3]。
首先，在ERDAS软件中，输入需要纠正的张掖地区Landsat-5卫星影像；其次是采集地面控制点，地面控制点是几何纠正中用来建立纠正方程的基础，是最关键的数据。
本次纠正，一共选取了24个控制点，大多在容易分辨、相对稳定、特征明显的位置，且在图像中均匀分布；最后是图像重采样，检验校正结果，像元属性值的重采样是依据未校正图像的灰度值，采用某种方法估算校正后图像像元灰度值。
通常有三种算法：最邻近插值、双线性插值和三次卷积插值[3]。
最后，在校正后的图像与参考图像之间建立连接，移动查询光标，观测其在两屏幕中的位置及匹配程度，并注意光标对话框中数据的变化，检验校正结果，校正后的图像如图2所示：图2 张掖地区Landsat-5几何纠正影像3.4 6S模型的基本原理和计算6S模型(the Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum)是由Vermote和Tanre等人用FORTRAN编写的适用于太阳反射波(0.25--4μm)的大气辐射传输模型，是精度较高的一种模型[6]。
这种模型是在假定无云大气的情况下考虑了水汽、CO2、O3，和O2的吸收，分子和气溶胶的散射以及非均一地面和双向反射率的问题，对不同情况下（不同的遥感器、不同地面状况）太阳光在太阳--地面目标--遥感器整个传输路径中所受到的大气影响进行了描述[7]，包括大气点扩散函数效应和表面方向反射率的模拟，其中气体的吸收以10cm-1的光谱间隔计算，且光谱积分的步长达到了2.5nm；软件运行速度也相对较快。