作业标准1：辐射定标及波段运算
铁路外部环境安全隐患变化卫星监测技术
特别策划·铁路科技保安全铁路外部环境安全隐患变化卫星监测技术杨移超（中国铁路北京局集团有限公司北京高铁工务段，北京100070）摘要：为保障铁路运营安全，科学、高效、定期开展铁路周边安全环境整治工作，需大力提升技防手段，其中卫星监测技术可以快速准确获取铁路外部环境安全隐患的地理位置和属性特征，有效降低人力、物力投入。
因此应大力推广铁路外部环境安全隐患变化卫星监测技术应用，同时要及时跟进作业流程规范化梳理，依托京沪高铁廊坊段卫星监测技术应用，详细论述技术流程、数据预处理、隐患影像特征、项目内容，形成一整套满足工程应用的作业指导。
相比较传统的现场筛查安全隐患变化，卫星监测技术获取的安全隐患问题库更精细具体，规范化安全隐患变化卫星监测作业流程可以更好地提升监测精度和工作效率。
关键词：铁路外部环境；安全隐患；卫星监测；数据预处理；影像特征；京沪高铁；铁路安全中图分类号：U298 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2023）10-0151-07 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2023.01.10.0030 引言卫星监测技术在土地利用、水资源、林业、采矿等行业均已系统化运用［1-4］。
随着陆地卫星观测体系不断健全完善，覆盖能力不断提升，为全天候、全要素、全流程监测提供了重要数据基础。
近年来，随着高速铁路建设快速发展，铁路营业里程不断增长，铁路外部环境安全隐患时刻威胁着列车运行安全。
铁路外部环境安全隐患按问题属性主要分为18个类别，包括违法施工、危险物品、上跨并行等。
在这些问题类别中，有学者研究部分安全隐患如硬飘浮物、轻飘浮物、堆放隐患等适合采用卫星监测手段进行检测调查［5-6］。
铁路外部环境安全隐患造成的列车事故通常由外力因素触发，具有随机性和偶发性，精确排查出安全隐患的地理位置及自身属性后，综合考虑隐患自身属性、环境特征和空间关系可以进行安全风险评价。
铁基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（N2020T005）作者简介：杨移超（1983—），男，高级工程师。
辐射定标教程
在新版本ENVI中（4.5版本以及更新），没有单独设立ASTER和MODIS定标的工具。
对于ASTER L1A/L1B和MODIS 02级数据，在打开数据时会自动完成对数据的定标。
如图1所示打开ASTER L1B的结果，在波段列表中，自动读取各个波段的中心波长信息，并按照波段范围信息（VNIR、SWIR、TIR）分组波段。
其中VNIR、SWIR自动定标为辐射亮度，单位是：W/m2/sr/μm；TIR数据定标为大气表观温度值，单位：开尔文。
打开其中一个数据，浏览像元值，可以看到已经定标为浮点型的辐射亮度值。
图1 ASTER L1B数据如图2为打开MODIS 02级1km数据，其中250米和500米的波段经过重采样为1km 加入这个数据集中。
ENVI根据各个波段的中心波长信息定标为三个类型数据：反射率数据（Reflectance）、辐射亮度值数据（Radiance）和发射率数据（Emissive）。
其中反射率和发射率为0~1无单位值，辐射亮度值单位是：W/m2/μm/sr。
图2 MODIS 02级数据如果打开原始的ASTER和MODIS的DN值数据，可以在ENVI主菜单中选择File->preferences，切换到Miscellaneous面板，将Auto-Correct ASTER/MODIS项设置为NO。
3.2 Landsat数据定标ENVI4.7版本改进了Landsat数据定标的功能，对于Landsat4/5数据可以手动选择以下两种定标公式：式中:•QCAL为原始量化的DN值•LMINλ为QCAL = 0时的辐射亮度值•LMAXλ为QCAL = QCALMAX时的辐射亮度值注：LMINλ和LMAXλ的值取自Chander, Markham, and Helder (2009)的研究成果。
•QCALMIN是最小量化定标像素值（与LMINλ类似）。
取值如下：1：LPGS产品1：04 April 2004之后的NLAPS产品0：04 April 2004之前的NLAPS产品注：如果没有元数据信息，QCALMIN取默认值1（TM和ETM+)）或者0 (MSS)。
辐射定标
线形定标公式
定标过程一般采取线形公式进行转换： 定标过程一般采取线形公式进行转换： L = a*DN + b a(gain)、b(offset)通常可以从遥感数据头文件读出 a(gain)、b(offset)通常可以从遥感数据头文件读出 L
线形区域
DN
二、辐射纠正—反射率 辐射纠正— 的计算
电磁辐射与辐射源——地物 电磁辐射与辐射源——地物——传感器的几何 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
定标参数的确定
• 定标公式针对何种真实物理量 反射率？ 反射率？ • a是负数时，定标前后图象视觉相反 是负数时， ？ • 定标参数的确定都是对波段的波长积分 响 应 函 数 λ
遥感数据的星上辐射定标
DN值的影响因素 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 遥感数据的辐射定标 地表辐亮度的计算
公式的GAINS/BIASES可从头文件中获取
%1=%1*0.00398-0.0100 %2=%2*0.00964-0.0232 %3=%3*0.00540-0.0078 %4=%4*0.01043-0.0193 %5=%5*0.00235-0.0080 %6=%6*0.05516+1.2378 %7=%7*0.00154-0.0040 TM6的 TM6的GAINS/BIASES 是不变的，为：0.055158 / 1.2378 是不变的，
式中除10为将单位由 式中除10为将单位由 mW /(cm ⋅ Sr ⋅ µm ) 转化为 W /( M ⋅ Sr ⋅ µm )
2
2
实际操作
计算出各波段的反射辐亮度 计算出各波段的行星反射率 对比地物反射辐亮度与行星反射率 请考查计算后各典型地物反射率的特点， 请考查计算后各典型地物反射率的特点，并 分析原因
遥感原理与应用第6章-遥感作业(1)
第六章遥感图像辐射校正名词解释：辐射定标、绝对定标、相对定标、辐射校正、大气校正、图像增强、累积直方图、直方图匹配、NDVI、图像融合1、辐射定标：是指传感器探测值的标定过程方法，用以确定传感器入口处的准确辐射值。
2、绝对定标：建立传感器测量的数字信号与对应的辐射能量之间的数量关系，对目标作定量的描述，得到目标的辐射绝对值。
3、相对定标：又称传感器探测元件归一化，是为了校正传感器中各个探测元件响应度差异而对卫星传感器测量到的原始亮度值进行归一化的一种处理过程。
最终得到的是目标中某一点辐射亮度与其他点的相对值。
4、辐射校正：是指消除或改正遥感图像成像过程中附加在传感器输出的辐射能量中的各种噪声的过程。
5、大气校正：是指消除大气对阳光和来自目标的辐射产生的吸收和散射影响的过程。
6、图像增强：为了特定目的，突出遥感图像中的某些信息，削弱或除去某些不需要的信息，使图像更易判读。
7、累积直方图：以累积分布函数为纵坐标，图像灰度为横坐标得到的直方图称为累积直方图。
8、直方图匹配：是通过非线性变换使得一个图像的直方图与另一个图像直方图类似。
也称生物量指标变化，可使植9、NDVI：归一化差分植被指数。
NDVI=B7−B5B7+B5被从水和土中分离出来。
10、图像融合：是指将多源遥感图像按照一定的算法，在规定的地理坐标系，生成新的图像的过程。
问答题：1．根据辐射传输方程，指出传感器接收的能量包含哪几方面，辐射误差及辐射误差纠正内容是什么。
根据辐射传输方程，传感器接收的电磁波能量包含三部分：1）太阳经大气衰减后照射到地面，经地面发射后又经过大气的二次衰减进入传感器的能量；2）大气散射、反射和辐射的能量；3）地面本身辐射的能量经过大气后进入传感器的能量。
辐射误差包括：1）传感器本身的性能引起的辐射误差；2）大气的散射和吸收引起的辐射误差；3）地形影响和光照条件的变化引起的辐射误差。
辐射误差纠正的内容是传感器辐射定标和辐射误差校正等。
辐射定标步骤
辐射定标步骤
辐射定标是指通过比较已知源的辐射强度和待测源的辐射强度来确定待测源的辐射水平的过程。
辐射定标的步骤如下：
1. 准备辐射源：选择已知辐射强度的辐射源作为定标源，例如放射性同位素或已经经过精确测定的辐射源。
2. 测量定标源的辐射强度：使用辐射测量仪器（例如辐射计或辐射剂量仪）对定标源进行辐射强度的测量。
确保使用的仪器具有良好的准确性和稳定性。
3. 确定仪器的响应：根据已知辐射强度和仪器测量值的对比，计算出仪器的响应因子。
这个响应因子可以用来将仪器的测量值转换为辐射强度。
4. 测量待测源的辐射强度：使用同一台仪器测量待测源的辐射强度。
确保在测量中采取适当的防护和安全措施。
5. 计算待测源的辐射水平：根据仪器的响应因子和待测源的测量值，计算出待测源的辐射强度。
可以使用之前计算得到的响应因子将仪器的测量值转换为相应的辐射水平。
通过以上步骤，可以将待测源的辐射水平与已知源进行对比，从而确定待测源的辐射水平。
这个过程对于辐射监测、核安全等领域具有重要意义。
辐射定标
具体的定标公式：
LMAX LMIN L LMIN ( )(QCAL QCALMIN) QCALMAX QCALMIN
式中，QCAL为原始量化的DN值，为QCAL=0 时的辐射亮度值。为QCAL=QCALMAX时的辐 射亮度值，QCALMAX/QCALMIN是最大/最小 量化定标像素值。一般情况下，QCALMIN=0。 所以公式又可简化为 L LMIN LMAX LMIN QCAL
splitfilenaห้องสมุดไป่ตู้me()
getMaxDN ()
getMinDN()
调用后返回存放DN值数 组地址
getDNvalu e() 调用后返回存放DN值数 组地址 getGrayVa lue())
图1 定标算法函数间逻辑关系
功能1：打开原始文件 （1）操作->打开原始数据->选择“pp_01.txt”，打开
图2 打开文件“pp_01.txt”
（2）显示测试原始图像和定标信息
图3 原始数据图像显示。
如果对原始数据文件打开并定标写入成功，则会 弹出下面的提示框：
图4 提示信息
功能2：定标 步骤：定标->线性定标->选择“file_01.txt”，打开； 下图是定标后的结果显示：
图7 测试文件定标结果
QCALMAX
其中增益值gain=
LMAX LMIN QCALMAX
偏移量offset= LMIN
定义类：class Calibration
showPictu re() 调用后返回特 征值 调用后返回特征 QCALMAX GetChara cter() 调用后返回特征 QCALMIN readfile() 调用后返回特征 文件名
(完整)基于单窗算法反演地表温度的ENVI操作教程
单窗算法反演地表温度教程1.1 算法原理1.1.1单窗算法单窗算法（MW 算法）是覃志豪于2001年提出的针对TM 数据只有一个热红外波段的地面温度反演算法。
经过众多学者验证，单窗算法具有很高的反演精度，且同样适用于ETM+和landsat 8数据。
公式如下：6666666666/)))1(()1((C T D T D C D C b D C a T a sensor s -++--+--=式中，LST 为地表温度（K ），T sensor 是传感器上的亮度温度（K ），T a 是大气平均温度（K ）；a 、b 为参考系数，当地表温度为0-70℃时，a = -67.355351，b = 0.458606；C 、D为中间变量，计算公式为：式中，为地表比辐射率，为地面到传感器的大气总透射率。
因此单窗算法反演地表温度的关键是计算得到亮度温度T senso 、地表比辐射率、大气透射率和大气平均作用温度T a 。
1.1.2参数计算1.1.2.1辐射亮温计算利用Planck 公式将图像像元对应传感器辐射强度值转换为对应的亮度温度值。
公式如下式中，T senso 为亮度温度值；影像预处理后得到的光谱辐射值，λL 单位为，K1 、K2为常量，可由数据头文件获取。
)/(2m sr m w μ⋅⋅计算图像辐射亮温之前，需采用辐射定标参数将像元灰度值DN转换为热辐射强度值，公式如下：式中，M L 为增益参数，A L 为偏移参数，该参数可直接在影像通文件数据中获取，且ENVI 软件中已经集成，不需要自己在查找。
1.1.2.2地表比辐射率计算根据覃志豪针对TM 影像提出的混合像元分解法来确定区域地表福辐射率。
对于城市区域，我们简单的将其分为水体、自然表面和建筑表面三种，因此针对混合像元尺度上的地表比辐射率通过下式来估算：式中，为混合像元的地表比辐射率；P V 为植被覆盖率；R V 为植被的温度比率；R M 为建筑表面的温度比率；V 表示植被法地表比辐射率，m 表示建筑表面的地表比辐射率；d表示辐射校正项。
实验六-辐射定标
波段使用高增益参数，4在太阳高度角（elevation angle） 低于45度也使用高增益，反之使用低增益
7
一. 辐射定标
2. Land sat8 数据 定标：
8
一. 辐射定标——方法一
• 针对特定的卫星，如Landsat • 要求文件含有头文件信息 L******_MTL.txt（如果没
float（bx）*a+b c.为bx指定对应波段
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一. 辐射定标——方法二
例如：TM5 2008年的数据，对第一波段
18
一. 辐射定标——方法二
例如：TM5 2008年的数据，对第一波段 辐射定标后的结果分析：图像数值的改变，由原来的 DN值整数变为有小数点的辐射亮度值
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一. 辐射定标
⑤对每个波段进行辐射定标后，使用layer stacking再次 将定标后的各波段单个文件合并成一个文件（建议修 改头文件中的波段名称） 完成DNRadiance的转换
有则需要单个波段校正）
• Basic Tools—Preprocessing—Calibration Utilities—Landsat Calibration
9
一. 辐射定标——方法一 • 例1：Landsat5 TM • 输入原文件的MTL信息，注意选择X6的txt
10
一. 辐射定标——方法一 • 例1：Landsat5 TM • 自动读出了文件的时间 • 选择Radiance！！
11
一. 辐射定标——方法一 • 例1：Landsat5 TM • 得到了辐亮度图像
12
一. 辐射定标——方法一 • 例2：Landsat7 ETM+ • 没有集成的头文件，需要一个波段一个波段
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一总述
1 遥感图像处理的目的
遥感的目的是为了获得地物的几何属性和物理属性.但是由于受到大气,目标,传感器等诸多因素的影响,原始的遥感影像中除了有目标地物的信息以外还包含有大气,传感器的运行状态等信息,如果我们只是利用原始的遥感影像,将不能提取出所感兴趣的有效信息, 所以为了实现遥感的最终目的,提取所需的信息,我们必须对遥感影像进行处理.
2 ENVI简介
目前已经开发了一些进行遥感图像处理的软件,例如ENVI,PCI,ERDAS等.现在就简单介绍一下ENVI.
ENVI是由美国RSI公司开发的一套功能齐全的遥感图像处理系统，是处理、分析并显示多光谱数据、高光谱数据和雷达数据的高级工具。
其完全是由IDL开发，方便灵活，可扩展性强,并可用IDL进行二次开发。
现在最高版是4.7版本的.
我们来大概熟悉一下
ENVI的主菜单:
可以看出ENVI的主菜单中主要有以下一些工具: 基本工具,分类,空间变换,滤波,波谱工具,制图工具,矢量工具,地形分析,雷达工具
来看一下主菜单中的FILE菜单, 通过选择Open Image File可以打开ENVI 图像文件或其它已知格式的二进制图像文件。
ENVI 自动地识别和读取下列类型的文件：TIFF、GeoTIFF、GIF、JPEG、BMP、SRF、HDF、PDS、MAS-50、NLAPS、RADARSAT 和A VHRR 。
数据仍保留它原有格式，必要的信息从数据头文件中读取。
ENVI也直接读取其它几种文件类型（参见“O pen External File”）。
注意:
若你得到“File does not appear to be a valid Radarsat file” 这样一个错误消息，使用File > Open External File 来选择正确的数据类型。
当ENVI 第一次打开一个文件，它需要关于文件特征的特定信息。
通常，这些信息存储在与图像文件同名的一个独立的文本头文件，但是文件扩展名为.hdr 。
若文件打开时没有找到ENVI头文件，你必须在Header Information 对话框中输入一些基本的参数.
另外一些数据格式没有.hdr 文件也能自动打开。
这些格式包括：TIFF、GeoTIFF、GIF、JPEG、BMP、SRF、HDF、PDS、MAS-50、NLAPS、RADARSAT 和A VHRR 。
(ENVI 头文件中含有丰富的信息,例如:
ENVI
description = {
Create New File Result [Tue Oct 19 15:47:45 2004]}
samples = 2000
lines = 2000 (图像的大小)
bands = 7
header offset = 0
file type = ENVI Standard
data type = 4
interleave = bsq (存储方式)
sensor type = Unknown
byte order = 0
x start = 3252
y start = 4828
(坐标投影情况)
map info = {Transverse Mercator, 1.0000, 1.0000, 428019.2564, 4457909.5476,
3.0000000000e+001, 3.0000000000e+001, , units=Meters}
projection info = {3, 0.0, 0.0, 0.000000, 67036062.030306, 500000.0, 0.0, 1.000000, Transverse Mercator, units=Meters}
wavelength units = nm (图像波段的情况)
wavelength = {
482.000000, 564.000000, 659.000000, 837.000000, 1649.000000,
10000.000000, 2219.000000}
关于ENVI的一些基本知识,我们就介绍到这里,如果想了解更多的,请参考用户手册和ENVI 中的HELP.
下面是关于ENVI的一些具体应用.
二图像的预处理
拿到一幅原始图像,我们先要进行辐射定标,目的是把图像上的DN值转为辐亮度或者是反射率.另外通过大气纠正,我们可以消除一些大气的干扰.
1 可以采用简单的波段运算
例如: 我们把2004年四月份的TM图像第3波段的DN值转化为表观反射率。
运用公式：radiance=（（lmax-lmin）/（qcalmax-qcmin））*（qcal-qcamin）+lmin
qcal-----DN
high gain ：b3-------lmax=264，lmin=-1.17；
ρ=π*L*d2/（ESUN*cos（θ））
L----radiance θ=42.43。
d=0.9909 π=3.1415
ESUN：b3：1554
我们在ENVI中运用band math进行相关的处理:
对于波段三: L3=1.039880*b3-1.17
ρ3=π*L3*d2/（ESUN*cos（θ））=3.1415* (1.039880*b3-1.17)*
0.9909^2/(1554*(cos42.43))= 3.1415* (1.039880*b3-1.17)* 0.9909^2/(1554*0.7381)
运算之前
实施运算
Basic tools > band math
输入运算式:
运算之后:
对于其它波段只要知道相关的参数,可以用同样的方法作简单的定标. 其中关于ETM图像的一些参数如下:
2用ENVI中的工具
(1) spectral> FLAASH
FLAASH相当于ENVI的插件,需要格外安装,其是根据类似于MODTRAN4的方法进行大气纠正,并得到地面的反射率.
(2)简单的经验线性法(不考虑交叉辐射)
此种方法比较简单,精度一般.需要已知图像上各波段地表反射率的最高值与最低值,通过建立反射率与图像中所选取的感兴趣区域的DN值的线性关系来进行简单的大气纠正.
spectral> preprocessing> Calibration Utilities>Empirical Line
compute factors and calibrate(计算参数,进行校准)
calibrate using existing factors(用已有的参数进行校准)
我们选择计算参数进行校准
过程如下:
选择compute factors and calibrate
,
点击上面的import spectra
打开一个ROI,选择上面IMPOT的from roi from input file,选好后点击OK
点击APPL Y
点击下一个import spectra 选择from ascii file
选好后,得到
把图像中亮(暗)的地方与高(低)反射率一一对应,此中RED对应C2(高),GREEN对应C3(低),所以:
选择OK,如果出现出错的信息,不用管,继续,下图为所建立的线性关系.
上一条线为截距,下一条线为斜率.
除了上面的方法还可以使用其它的纠正模型进行大气定标和大气纠正.
三NDVI的计算
(1)使用BAND MA TH
将经过了辐射定标(或者是定标+大气纠正)的图像,运用工具中的band math
采用公式：NDVI=（b1-b2）/（b1+b2）b1---近红外的反射率b2---红光的反射率
例如:
(2)使用IDL
IDL简介
IDL(interactive data language)交互式数据语言是进行数据分析,可视化表现和应用开发的软件工具.其特性包括: 高级图像处理能力,交互式二维和三维图形技术,面对对象的编程方式,opengl图形加速,量化可视化表现,集成数学与统计学算法,灵活的数据输入输出方式,
跨平台图形用户界面工具包,连接ODBC兼容数据库存及多种程序连接工具等.
以下是idl的主界面:
IDL程序的特点:
(a)分隔符为”,”,而非空格; (b) 不分大小写; (c)变量无需事先申明
IDL的符号(需注意的)
●$
–作为一行的第一个字符时，返回到操作系统下，如：$ dir
–作为一行的最后一个字符时，相当于一行未写完，换行。
●；后面是注释
●@ 批作业如：@test
关于IDL的知识,大家可以找相应的资料看
下面是简单利用一下IDL做波段运算
A 运用IDL编写波段运算的公式,再在BAND MATH中调用
例如:
选择ENVI中的BAND MATH,
选择相应的波段进行运算.
B 直接运用IDL编程,计算NDVI
例如:。