辐射定标与大气校正要点
操作-大气校正,辐射定标,气溶胶反演
基于RS\GIS监测洪灾变化上机操作实例基本原理：①大气校正遥感图像在获取过程中，受到大气吸收与散射、传感器定标、地形等因素的影响，且会随时间的不同而有所差异。
利用多时相遥感图像的光谱信息检测地物变化的重要前提是要消除不变地物的辐射值差异。
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，大多数情况下，大气校正是反演地物真实反射率的过程。
目前可以进行大气校正的模块有很多种，如最早的MODTRAN 4+，6S (Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum)，ACORN，ATREM，在ERDAS IMAGINE 8.7上的模块ATCOR，以及ENVI上的模块FLAASH（基于MODTRAN）。
FLAASH可对LANDSAT，SPOT，A VHRR，ASTER，MODIS，MERIS，AATSR，IRS等多光谱、高光谱数据、航空影像及自定义格式的高光谱影像进行快速大气校正分析。
下面的大气纠正步骤，都是基于FLAASH进行的。
②辐射定标当我们拿到一幅原始影像，先要进行辐射定标，目的是把图像上的DN（Digital Number）值转为辐亮度或者是反射率。
辐射定标的结果可以是表观辐亮度（L），也可以是表观反射率（ρ）。
计算表观辐亮度（L）的公式为：Radiance=（（Lmax-Lmin）/（Qcalmax-Qcalmin）*（Qcal-Qcalmin）+Lmin ①其中：Radiance 是表观辐亮度，注意单位是W/m2·sr·μm；Qcal为像元DN 值（也就是影像数据本身）；Qcalmax为传感器处最大辐亮度值所对应的DN值，一般为255；Qcalmin 为传感器处最大辐亮度值所对应的DN值，一般为0；Lmax 和Lmin是从参数表中查询，Lmin为光谱辐亮度的最小值，单位同L；Lmax为光谱辐亮度的最大值，单位同L。
ENVI--专题五辐射定标与大气纠正
专题五辐射定标与大气纠正图像处理流程分为以下几个步骤：图像的配准、重采样、定标以及大气纠正。
其中，图像配准是做所有工作的前提，是图像的几何纠正。
在进行定性或者定量遥感时都要进行图像配准来确定我们所要研究的目标。
在进行完图像配准（几何纠正）之后，为了使得输出图像的配置与输入图像向对应，因此要进行重采样。
定标以及大气纠正则是进行辐射量纠正的重要的过程，是进行定量遥感不可少的步骤。
分类是图像处理的最后一步，按某种使用意图分类之后的图像，对实际应用有很大帮助。
辐射定标和大气纠正都属于图像的预处理，辐射定标的目的是把图像上的DN值转为辐亮度或者是反射率，大气纠正的目的是消除或减少大气对图像的干扰。
以下是图像预处理的流程：一、辐射定标要对图象进行辐射定标，将图象的DN值转化为表观反射率，该过程的实现是通过应用以下两个步骤来实现的：（1）首先将图象的DN值转化为辐亮度：radiance=gain*DN+offset (1)式（2）然后将图象的辐亮度转化为表观反射率：ρ=π*L*d2/（ESUN*cos（θ））(2)式其中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为太阳天顶角。
（3）将以上两个步骤结合得：ρ=π*（gain*DN+offset）* d2/（ESUN*cos（θ））(3)式ENVI中的具体实现：采用简单的波段运算例如，我们把2002-5-22的一幅ETM图像第3波段的DN值转化为表观反射率。
第一步，查找.FST文件（是该图像经过粗纠正后的数据信息说明文件），该图像第3波段的gain和offset，可知：gain＝0.619215662339154，offset＝-5.0000000000000第二步，查找.FST文件可知S =90-62.7=27.3度，cos（θ）＝0.8886；查找Table 11.4（Earth-Sun Distance in Astronomical Units）可知d=1.10109天文单位；查找Table11.3 （ETM+ Solar Spectral Irradiances）可知ESUN＝1551。
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。
【精选】landsat8辐射定标与大气校正ENVI5.1
四，辐射定标Landsat8数据和其他TM 数据类似，发布的数据标示L1T，做过地形参与的几何校正，一般情况下可以直接使用而不需要做几何校正。
为了利用其丰富的波段光谱信息，我们需要进行辐射定标处理，将原始图像上的DN值转为反射率。
1.使用ENVI5.1下的通用定标工具Radiometric Calibration进行Landsat8的辐射定标。
打开LC81220382013141LGN01_MTL.txt全波段文件，选择MultiSpectral多光谱数据进行定标，定标的范围可缩小为ROI区域。
在subset by file选项中选择5月份的ROI区域，使得定标的范围针对ROI。
2.定标参数设置。
为后续的FLAASH大气校正做数据准备，单击Apply FLAASH Settings得到相应的参数。
辐射定标后的结果：通过定标之后的影像DN值可靠。
五．Flassh大气校正大气校正的意义在于去除一些大气的干扰，利用ENVI5.1工具箱中的FLAASH Atmospheric Correction进行大气校正。
大气校正参数设置：1) Input Radiance Image：打开辐射定标结果数据,要求为BIL存储格式；2) Output Reflectance File：设置输出FLAASH大气校正结果的路径；3) Output Directory for FLAASH Files：设置输出FLAASH校正文件的路径；4) Scene Center Location：自动获取；5) Sensor Type：Landsat-8 OLI；Sensor Altitude:自动读取；Pixel Size:自动读取；6) Ground Elevation: 0.132KM。
注：利用ENVI自带的全球900米分辨率DEM数据计算，Open World Data ->Elevation（GMTED2010）;在Toolbox下选择Statistics->Compute Statistics，打开Compute Statistics输入文件对话框，选择GMTED2010.jp2数据。
辐射定标、辐射校正、大气校正、正射校正等相关概念
辐射定标、辐射校正、大气校正、正射校正等相关概念作为初学者，容易将这几个概念搞混。
为了较好地理解这几个概念，先介绍一下相关的术语 terminology。
DN值（Digital Number ）：遥感影像像元亮度值，记录地物的灰度值。
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相关。
反映地物的辐射率radiance地表反射率：地面反射辐射量与入射辐射量之比，表征地面对太阳辐射的吸收和反射能力。
反射率越大，地面吸收太阳辐射越少；反射率越小，地面吸收太阳辐射越多，表示：surface albedo表观反射率：表观反射率就是指大气层顶的反射率,辐射定标的结果之一，大气层顶表观反射率，简称表观反射率，又称视反射率。
英文表示为：apparent reflectance4、行星反射率：从文献“一种实用大气校正方法及其在ＴＭ影像中的应用”中看到“卫星所观测的行星反射率（未经大气校正的反射率）”；在“基于地面耦合的TM影像的大气校正-以珠江口为例”一文有“该文应用1998年的LANDSAT5 TM影像,对原始数据进行定标、辐射校正,求得地物的行星反射率”。
因此行星反射率就是表观反射率。
英文表示：planetary albedo，辐射校正VS. 辐射定标辐射校正：Radiometric correction 一切与辐射相关的误差的校正。
目的：消除干扰，得到真实反射率的数据。
干扰主要有：传感器本身、大气、太阳高度角、地形等。
包括：辐射定标，大气纠正，地形对辐射的影响辐射定标：Radiometric calibration 将记录的原始DN值转换为大气外层表面反射率（或称为辐射亮度值）。
目的：消除传感器本身的误差，确定传感器入口处的准确辐射值方法：实验室定标、机上/星上定标、场地定标不同的传感器，其辐射定标公式不同。
L=gain*DN+Bias在ENVI4.8中，定标模块：Basic Tools>Preprocessing>Calibration Utilities>模块(只能对一个波段进行辐射定标)大气校正：Atmospheric correction 将辐射亮度或者表面反射率转换为地表实际反射率目的：消除大气散射、吸收、反射引起的误差。
辐射定标和大气校正操作
辐射定标和大气校正操作辐射定标和大气校正是遥感图像处理中非常重要的环节，它们能够有效地消除大气干扰和地物表面反射率差异等因素对遥感图像的影响，从而得到更为精确的遥感信息。
本文将分别介绍辐射定标和大气校正的基本原理、方法和应用，并探讨它们在遥感图像处理中的重要作用。
一、辐射定标1.基本原理辐射定标是指通过对遥感仪器的响应进行准确的实验测定和模型估计，将数字遥感数据中的像元值转换为表观辐射亮度。
在遥感图像处理中，辐射定标是将数字数值转换为真实物理量的过程，包括辐射定标系数的获取和数据的辐射定标转换。
2.方法辐射定标的方法主要包括实地观测、辐射反演法和模型估算法。
其中，实地观测是指通过在地面上设置观测站点，利用辐射仪器对地表进行测量，获取地面真实辐射亮度，以此来建立数字值和真实辐射亮度之间的关系。
辐射反演法是指通过大气传输模型和辐射传输方程来估算大气对遥感数据的影响，并进一步进行辐射定标。
模型估算法是指利用已有的大气传输模型和地表反射率模型，通过数值方法来进行遥感图像的辐射定标。
3.应用辐射定标的应用主要包括地球观测卫星的遥感数据处理、遥感影像的信息提取、环境变化分析和生态监测等领域。
利用辐射定标后的遥感数据可以更准确地获取地表反射率、地表温度和大气成分等信息，从而为环境监测、资源管理和灾害预警提供更为可靠的数据支持。
二、大气校正1.基本原理大气校正是指利用大气传输模型和辐射传输方程，对遥感数据进行修正，消除大气对遥感图像的干扰和影响，还原地物表面的真实辐射亮度。
大气校正主要考虑大气吸收、散射和反照，以及大气对太阳辐射的衰减和地表反射率的影响。
2.方法大气校正的方法主要包括模型校正和经验校正。
其中，模型校正是指利用大气传输模型和辐射传输方程，对遥感数据进行数值计算，得到校正系数，进而进行大气校正。
经验校正是指利用多源遥感数据、气象数据和地面监测数据，结合统计模型和经验模型，对遥感数据进行修正，消除大气干扰。
Landsat5TM辐射定标和大气校正
遥感数据辐射定标和大气校正-Landsat 5 Thematic Mapper为例北京农业信息技术研究中心 遥感技术部yanggj@2008-12-261 辐射定标1.1 基本原理当TM 获取影像以后（Level 0），会将其转化为32 位浮点型的绝对辐亮度。
之后进一步处理，将绝对辐亮度变为8 位的DN 值（Digital Number），这也就是我们购买后拿到的数据（Level 1）。
如果要将L1 的DN 值转化为传感器处的辐亮度值（at-sensor spectral radiance），需要通过下面这个公式：其中，是传感器处的辐亮度值，注意单位是；为像元的DN 值；为传感器处最小辐亮度值所对应的DN 值（一般取0）； 为传感器处最大辐亮度值所对应的DN 值（一般取255）； 为光谱辐亮度的最小值，单位同 ； 为光谱辐亮度的最大值，单位同 。
上面的这个公式也可以改为：其中，各个波段的 ， 以及 和 见表1。
需要注意的是，上述参数在2003 年5 月5 日前后是不一致的，所以在操作时，一定要搞清楚影像获取的时间。
参考文献：Chander, G. and Markham, B. (2003). Revised Landsat-5 TM radiometric calibration procedures and postcalibration dynamic ranges. IEEE Transactions on geosciences and remote sensing. Vol. 41, No. 11, November: 2674-2677.1.2 操作流程由于ENVI 4.4 中有专门进行辐射定标的模块，因此实际的操作十分简单。
将原始TM影像打开以后，选择Basic Tools¬Preprocessing¬Calibration Utilities¬Landsat TM进入下一步参数选择：根据传感器类型选择Landsat 4,5 或者7。
LandsatTM辐射定标和大气校正步骤
Landsat TM 辐射定标和大气校正步骤一、数据准备从USGS网站或者马里兰大学下载TM原始数据，USGS网站下载的数据是原始数据，在ENVI软件File–Open ExternalFile–Landsat – Geotiff with meta中只需打开***********_MTL.txt即可打开所有波段数据（除band6）；usgs网站或马里兰大学网站下载的数据有可能不是原始数据，在ENVI软件File–Open External File–Landsat–Geotiff with meta中只需打开***********.met 即可打开所有波段数据（除band6）二、辐射定标1. 由于ENVI 4.7中有专门进行辐射定标的模块。
将原始TM的影像打开以后，选择Basic Tools–Preprocessing–Calibration Utilities–Landsat Calibration2. 进入下一步参数选择：根据传感器类型选择Landsat 4,5 或者7。
从遥感影像的头文件中获取Data Acquisition 的时间，Sun elevation。
如果你是用File–Open External File–Landsat–Geotiff with meta(Fast) 的方法打开的话，sun elevation 就已经填好了。
这里Calibration Type 注意选择为Radiance。
输出文件，定标就完成了。
三、大气校正简单一点的大气校正可以采用ENVI的FLAASH模块，以下就是FLAASH操作的步骤：1. FLAASH 模块的进入方法是Spectral–FLAASH，或者是BasicTools–Preprocessing–Calibration Utilities–FLAASH。
2. 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。
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大气对传感器接收辐射能量的影响
对入射光的消光（extinction) 产生路径辐射（散射）(path radiance) 产生天空漫射光(diffuse skylight) 发生地面——天空的多次反射 邻区经多次散射面混入象元反射光中，造成影
像模糊(diffuse adjacency signal)
散射角
为散射角，是入射方向与观测方向的夹角
cos coss cosv sins sinv cos(s v )
s和v 分别为入射方向与观测方向天顶角
s和v 分别为入射方向与观测方向天顶角
地面反射辐射
Lg (Fg Esky )RTv
对入射光的消光（extinction)
到达地面的太阳直射光辐照率为：
Fg
F0
r0 r
2
Ts
F0
r0 r
2
exp
h 0
s a cos s
dl
F0 d2
exp
cos
s
F0 大气层外平均日地距离太阳辐照度， s 入射天顶角
r0 , r 平均和成象时的日地距离
整层大气光学厚度
s , a 分别为容积散射和吸收系数
天空漫射光
Esky
F
4
[r Pr
2
()
a Pa ()]d
Landsat TM: 0-255 NOAA AVHRR: 0-1023
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。
辐亮度的计算
定标过程一般采取线形公式进行转换： L = a*DN + b （或：DN = a*L + b）
a(gain)、b(offset)通常可以从遥感数据头文件读出 L
内部参考光源与外部参考光源相结合进行定标 地面测量相结合进行定标
DN fr L Ap 2
DN
L fr Ap 2
定标参数的确定
• 定标公式针对何种真实物理量 反射率？
• a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
响 应 函 数
λ
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，将 其转为灰度值进行存储，是为了节省空间。
L F0 cos s R( s, s ;v,v )
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 准板反射辐亮度之比。
标准板反射辐亮度为：
L0
F0
cos s
故地物反射率为：
R(
s
,
s
;
v
,
v
)
L(s ,
F0
s ;v , cos s
v
)
三、 辐射与大气的相互作用
大气与辐射的相互作用
DN值的影响因素
DN：一般光敏原件——电流值的离散化
CCD——电压值的离散化
DN fr L Ap 2
fr 仪器波段响应函数，L 入射光辐照度，Ap 仪器镜
头孔径， 瞬时视场，波段宽度
参考光源
地面定标测量
遥感数据的辐射定标
确定响应函数，求出遥感数据DN值与入射光强的函数 关系，将DN值转化为入射光辐亮度。
传感器接收的辐亮度
Lsat Lg Lpath
路径辐射（散射）(path radiance)
Lpath Lr La
Lr和La 分别为大气分子和气溶胶的路径散射
Lx
F0x Px () 4 coss
x为r或a，分别表示大气分子和气溶胶的路径散射
x 大气分子或气溶胶的平均一次散射反照率
Px () 为散射相函数
胶的变化，即大气光学厚度的变化，因此关键是如何估
算遥感图像的气溶胶分布。
2 参考地物法(Invariant—Object Methods)
对于TM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
作相同（垂直观测），如果可以在一幅图像中找到苦
多次反弹反射率
R R
1 Rra
R
1 Rra (0,0) Tv (Ts sky )
Tv [ Rsat
ra
(s ,v )]
R aRsat b
多次反弹的影响较弱，一般可以忽略
四、 大气纠正方法
1 已知大气状况的校正方法 2 参考地物法(Invariant—Object Methods) 3 暗目标方法（Dark-Object Methods） 4 其它大气校正方法
第七章 辐射定标与大气校正
一、 辐射定标 二、 辐射纠正 三、 辐射与大气的相互作用 四、 大气纠正
一、 辐射定标（calibration）
辐射定标指将接收的遥感数据，通常是灰度 （DN）值，转换成实际的物理量（如辐射 亮度、反射率等）。
辐射的偏差问题 定标参数的确定与获取 辐射定标的种类 DN值向辐亮度的转换
• 机（星）上定标（on-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
• 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 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
遥感数据的星上辐射定标
DN值的影响因素 参考光源 地面定标测量 遥感数据的辐射定标——地表辐亮度的计算
1 已知大气状况的校正方法
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 a
和 b 值，而达到大气效应纠正的目的。对于可见光/近
红外波段而言，大气状况最主要的影响因素是大气气溶
辐射的偏差问题
传感器性能——波段响应函数
分光比例 探测元件的响应率及敏度 光学元件的损耗
（半导体材料性能）的不稳定性 工作过程中电压的起伏 数据的储存
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：
• 发射前定标（prelaunch）：
•卫星发射前在地面上对仪器进行反复定标
线形区域
DN
二、 辐射纠正—反射率的计算
电磁辐射与辐射源——地物——传感器的几何 关系
水平地面的假设 山地辐射纠正 辐亮度向反射率的转换
电磁辐射与辐射源——地物 ——传感器的几何关系
入射辐照度下入射方向是余弦关系 对于水平地面，入射辐照度为：
F F0 coss
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 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， 其反射辐亮度为：