第四章(4)_遥感影像辐射校正

• 相当部分的散射
没有到达地面，向上通过大气直接进入传感 器，这部分辐射称为程辐射度，辐亮度为 L p。
大气影响的定量分析
可见，由于大气影响的存在，实际到达传 感器的辐射亮度是前面所分析的三项之和 ，即
L L1 L2 L p
L RT S ( E0T cos E D ) SL p
• Reflectance (field spectrum) = gain x radiance (input data) + offset • ENVI's empirical line calibration requires at least one field, laboratory, or other reference spectrum; these can come from spectral profiles or plots, spectral libraries, ROIs, statistics or from ASCII files. Input spectra will automatically be resampled to match the selected data wavelengths. • If more than one spectrum is used, then the regression for each band will be calculated by fitting the regression line through all of the spectra. • If only one spectrum is used, then the regression line will be assumed to pass through the origin (zero reflectance equals zero DN). The calibration can also be performed on a dataset using existing factors.
大气辐射校正作用
不同时间或不同传感器收集的影像进行对比和 共同应用，相同地物有相似的辐亮度（反射率）， 以便进行动态监测和变化监测； 将影像像元光谱与地面收集或实地测定的光谱 进行对比，使影像上的光谱信息更接近于地面地 物的光谱信息； 定量遥感必须做大气辐射校正 ，如农情监测、 估产等
θ为太阳天顶角；ε λ为地物的发射率系数
We(λ)为与地物同温度黑体的发射通量密度 H为平台高度；bλ为大气辐射所形成的天空辐射照度
辐射传输方程
• 从辐射传输方程可以看出，传感器的输 出Eλ除了与地物本身的反射和发射波谱 特性有关外，还与传感器的光谱响应特 性、大气条件、光照情况等因素有关。
大气影响的定量分析
第四章 遥感图像处理
本次课程主要内容
引起辐射误差的原因 由于大气影响引起的辐射误差校正 由于太阳辐射不同引起的辐射误差校正
辐射校正定义
• 利用传感器观测目标的反射或辐射能量时，由 于测量值包含了太阳位置、地形起伏、大气等 外界条件，或因传感器的性能不完备等引起的 辐射失真，所以传感器得到的测量值与目标实 际的光谱反射/发射率或光谱辐射亮度等物理量 不一致。 • 消除图像数据中依附在辐射亮度中的各种噪声 的过程称为辐射（量）校正（radiometric correction ; radiometric calibration（需要有标 定物））
大气影响的粗略纠正
精确的校正公式需要找出每个波段像元亮 度值与地物反射率的关系。为此需得到卫 星飞行时的大气参数，以求出透过率Tθ 、 Tφ 等因子。如果不通过特别的观测，一般 很难得到这些数据，所以，常常采用一些 简化的处理方法，只去掉主要的大气影响 ，使图像质量满足基本要求。
大气影响的粗略纠正
太阳光为 方向光束
E E0 cos
大气影响的定量分析
• 假定地表面是朗伯体， 其表面为漫反射，则某方向物体的辐射亮度 为：
L0
R

E
R

E0 cos
R 是地物反射率； 是半球球面度（半球反射）
大气影响的定量分析
• 传感器接收信号时，
受仪器的影响还有一个系统增益因子 S ， 这时进入传感器的亮度值为：
外界（自然）条件引起的辐射误差
1、大气对电磁辐射的影响 大气的散射、 反射和吸收 用户应该考虑的主要是大气影响造成的畸 变，特别是定量遥感。 2、太阳辐射引起的辐射误差 1）太阳位置引起的辐射误差 2）地表地形起伏引起的辐射误差
2、由于大气引起辐射误差校正
一个基本概念 ：
反射率
• 反射率是反射辐射通量与入射通量的比 值，是0-1之间的无量纲的值 • ρλ=Φreflectedλ/ Φiλ • 通常用反射率描述各种地物的光谱反射 特性。 • 分为：镜面反射、方向反射、漫反射（ 各向同性） • 反射率是地物自身的属性
L
' 0

R

E0 S cos
大气影响的定量分析
• 由于大气的存在，
辐射经过大气吸收和散射，透过率小于 1 ，从而减 弱了原信号的强度。同时大气的散射光也有一部分 直接或经过地物反射进入到传感器，这两部分辐射 又增强了信号，但却不是有用的。在入射方向有与 入射天顶角 θ 和波长λ 有关的透过率Tθ λ ；反射后 ，在反射方向上有与反射天顶角 Φ 和波长λ 又有关 的透过率TΦ λ 。因此进入传感器的辐亮度值为
以长波波段（短波红外）校正短 波波段（可见光、近红外）
•黑暗物体：可见 光和红外波段2 维散点图，建立 线性回归方程。
TMi ai bi TM 7
经验线性法(Empirical line)
(1) 测量地物光谱（暗物体，亮物体）； (2) 确定影像的 DN 值 (observed)与地面测量的光谱(ground truth)对应的区域 ； (3)拟合确定相应参数；(4)对影像进行校正。
1 图像的辐射纠正原因
• 1.1为什么要进行辐射纠正？
• 1） 传感器本身的产生的误差； • 2）外界（自然）条件引起的误差
与几何畸变产生原因类似
形成“同物异谱，异物同谱”现象。
• 图像不能真实地反映不同地物的光谱特征， 影响了遥感数字图像的质量和应用。
遥感器的响应特性引起的辐射误差
对于框幅式摄影机，主要由于透镜中心和边缘的 透射光强度不一致造成的 对于扫描成像，包括： 一、光电转换误差； 二、探测器增益变化引起的误差。 另外，还包括，由探测器单元不一致引起的条纹 误差，由存储设备和噪声引起的斑点误差。 遥感仪器误差导致接收的图像不均匀，产生条纹 等现象，但是这种畸变一般在数据生产过程中， 由生产单位（地面站）根据传感器参数进行校正， 一般不需要用户进行校正。
以红外波段校正可见光波段
• 大气散射（瑞利散射、米氏散射）的选 择性，即波长越短，大气散射越大；波 长越长，大气散射越小 • 直方图法或回归分析确定a值 • 纠正方法： 差值法
黑暗物体的灰度统计直方图
TM的第7波段（短波红外，2.08-2.35微米） TM的第4波段（近红外，0.76-0.9微米）
可见，对比度 减小，图像质 量下降了
大气辐射校正的方法
1、近似大气校正
2、基于模型的大气校正
大气影响的粗略纠正
严格地说，去除大气影响是将公式 RT L S ( E0T cos E D ) SL p

中的附加项和附加因子求出，最终求出地物 反射率R，从而恢复遥感影像中地面目标的真 实面目。当大气透过率变化不大时，有时只要 去掉含ED和Lp的数据项就可修正图像的亮度。 这种对大气影响的纠正是通过纠正辐射亮度的 办法实现的，因此也称作辐射校正。
Computing Factors and Calibrating • Typically, you should choose a dark and a bright region in the image for use in the empirical line calibration (providing that reference spectra are available for these regions). • This provides a more accurate linear regression. • Using as many paired data/field spectra as you can will also improve the calibration. At least one spectral pair is necessary.

辐射传输方程
E K {[ E0 ()e T ( Z1 ,Z2 ) sec We ()]e T (0,H ) b }
Eλ为传感器输入辐射度 K λ为传感器的光谱响应系数； ρ λ为地物的波谱反射系数； E0为太阳辐射照度 T（Z1，Z2）为Z1到Z2区段的大气层光学厚度
粗略校正指通过比较简便的方法去掉式
中的Lp，即程辐射度，从而改善图像质量。
L RT S ( E0T cos E D ) SL p
可以认为，程辐射度在同一幅图像的有限面积 内是一个常数，其值的大小只与波段有关。
暗物体扣除法(Dark object subtraction)
(1)在影像中选择暗物体 (2)假定暗物体的光谱值为0。 (3)如果暗物体的光谱不为0，则认为这是 大气作用的效果。 (4)将影像中所有像元值减去暗物体的数值。 问题：易过度校正，暗物体可能不好找。 陡峭地形的阴影（暗物体） 暗物体的DN值不为0
L1
R T

E0 T S cos
大气影响的定量分析
•
由于大气分子和气溶胶等散射，使得邻近区域 对太阳辐射的反射经大气散射，部分能量进入 传感器，其辐照度为ED，其辐亮度值为（此值 T