高光谱遥感大气校正(详细分析“大气”共51张)课件.pptx

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1、高光谱遥感大气校正,1,第1页，共51页。,高光谱遥感大气校正1第1页，共51页。,第三章 第2节 高光谱遥感大气校正,一、大气校正简介二、大气辐射传输过程的定量分析三、基于辐射传输模型大气校正模型四、辐射校正的统计学模型,2,第2页，共51页。,第三章 第2节 高光谱遥感大气校正一、大气校正简介2第2页,传感器定标,传感器响应关系,大气传输过程,地面目标特性,大气校正,已知,未知,定标,从入瞳辐射值中消除大气影响,灰度,传感器入瞳处,辐射值 L,一、大气校正简介,1.1地物光谱重建与大气校正,3,第3页，共51页。,传感器定标传感器响应关系大气传输过程地面目标特性大气校正已知,大气校正,核心

2、是估算地气系统的辐射状况及大气的光学参数。,遥感定量化研究的主要难点之一。（多源）,定义：根据大气状况对遥感图像测量值进行调整，以消除大气影响。,一、大气校正简介,1.1地物光谱重建与大气校正,4,第4页，共51页。,大气校正 核心是估算地气系统的辐射状况及大气,吸收散射折射反射,1.2 大气辐射传输影响要素,一、大气校正简介,5,第5页，共51页。,吸收1.2 大气辐射传输影响要素一、大气校正简介5第5页，共,大气吸收,降低透射率，是大气校正中的重要因素,形成大气窗口,能级的跃迁导致波长变化（复杂）,一、大气校正简介,大气散射,改变传播方向，不改变波长,照亮阴影，降低图像反差,是可见光波段辐

3、射衰减的主要原因,1.2 大气辐射传输影响要素,6,第6页，共51页。,大气吸收降低透射率，是大气校正中的重要因素形成大气窗口能级的,大气折射,传播方向的偏折，引起几何畸变。,与太阳的高度角密切相关。,大气反射,在介质层的交会面处出现。,一、大气校正简介,1.2 大气辐射传输影响要素,7,第7页，共51页。,大气折射传播方向的偏折，引起几何畸变。与太阳的高度角密切相关,第三章 第2节 高光谱遥感大气校正,一、大气校正简介二、大气辐射传输过程的定量分析三、基于辐射传输模型大气校正模型四、辐射校正的统计学模型,8,第8页，共51页。,第三章 第2节 高光谱遥感大气校正一、大气校正简介8第8页,2.

4、1 可见光及近红外波段,大气透射率,地物反射率,太阳辐照度,大气向地面散射太阳辐照度,太阳天顶角,观测天顶角,二、大气辐射传输过程的定量分析,9,第9页，共51页。,2.1 可见光及近红外波段灰度可见光及近红外波段简化辐射传输,2.2 热红外波段,灰度,可见光及近红外波段简化辐射传输过程,透射,天空光,发射能,传感器入瞳处,大气上行辐射,大气下行辐射,地物亮温,地表比辐射率,大气透射率,大气上行辐射,大气下行辐射,二、大气辐射传输过程的定量分析,10,第10页，共51页。,2.2 热红外波段灰度可见光及近红外波段简化辐射传输过程透射,第三章 第2节 高光谱遥感大气校正,一、大气校正简介二、大气

5、辐射传输过程的定量分析三、基于辐射传输模型大气校正模型四、辐射校正的统计学模型,11,第11页，共51页。,第三章 第2节 高光谱遥感大气校正一、大气校正简介11第1,3.1 基本原理,利用基于辐射传输原理建立起来的大气校正模型校正方法是精度较高的一种方法，基本原理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。,三、基于辐射传输模型大气校正模型,12,第12页，共51页。,3.1 基本原理 利用基于辐射传输原理建立起来的,3.2 一般校正思路,作为定量遥感反演的基础，地物光谱重建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

6、关的信息。,从哪里入手？,三、基于辐射传输模型大气校正模型,影像灰度值,光谱反射率,入瞳辐射值,13,第13页，共51页。,3.2 一般校正思路 作为定量遥感反演的基础，地物光,实现传感器定标后,把高光谱影像相应波段的象元灰度值转换成具有辐射意义的亮度值。,1.辐射亮度值计算,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.2 一般校正思路,14,第14页，共51页。,实现传感器定标后,把高光谱影像相应波段的象元灰度值转,2.建立起入瞳辐射亮度与表观反射率的联系,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.2 一般校正思路,15,第15页，共51页。,2.建立起入瞳辐射亮度与表观反射率的联系灰度程辐射透射天空

7、光,表观反射率与入瞳辐射亮度的联系：,表观反射率的与地物光谱特征有何联系？,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.2 一般校正思路,2.建立起入瞳辐射亮度与表观反射率的联系,16,第16页，共51页。,表观反射率与入瞳辐射亮度的联系：表观反射率的与地物光谱特征有,3.建立起地表-大气辐射关系分析模型,（1）被大气衰减的下行太阳辐射通量,（2）散射透射辐射能量,（3）大气固有的反射太阳辐射通量,（1）,（2）,（3）,入射辐通量为,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.2 一般校正思路,17,第17页，共51页。,3.建立起地表-大气辐射关系分析模型（1）被大气衰减的下行,a.被大气衰减的下行太

8、阳辐射照度,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.建立起地表-大气辐射关系分析模型,3.2 一般校正思路,b.散射透射通量,18,第18页，共51页。,a.被大气衰减的下行太阳辐射照度三、基于辐射传输模型大气校正,记总透射率为,c.总透射通量,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.建立起地表-大气辐射关系分析模型,3.2 一般校正思路,19,第19页，共51页。,记总透射率为c.总透射通量三、基于辐射传输模型大气校正模型3,d.加载在地表的辐射通量究竟有多少？,（1）,（2）,（3）,有无其它因素？,（4）,考虑大气球面反照率,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.建立起地表-大气辐射关系分析

9、模型,3.2 一般校正思路,20,第20页，共51页。,d.加载在地表的辐射通量究竟有多少？（1）（2）（3）有无其,e.二次散射通量,二次散射通量是一种离散机制；它依赖于目标的环境而与地面与大气之间的连续反射和散射相一致。 如果大气的半球反射率（大气层临界面）被定义为 S，在可通过下列公式表示：,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.建立起地表-大气辐射关系分析模型,3.2 一般校正思路,21,第21页，共51页。,e.二次散射通量 二次散射通量是一种离散机制；它依赖于,三、基于辐射传输模型大气校正模型,e.二次散射通量,3.建立起地表-大气辐射关系分析模型,3.2 一般校正思路,22,第2

10、2页，共51页。,三、基于辐射传输模型大气校正模型e.二次散射通量3.建立起地,多次地面-大气辐射反射作用累加后：,三、基于辐射传输模型大气校正模型,e.二次散射通量,3.建立起地表-大气辐射关系分析模型,3.2 一般校正思路,23,第23页，共51页。,多次地面-大气辐射反射作用累加后：三、基于辐射传输模型大气校,f.加载在地面的辐射通量经反射穿透大气后,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.建立起地表-大气辐射关系分析模型,3.2 一般校正思路,24,第24页，共51页。,f.加载在地面的辐射通量经反射穿透大气后三、基于辐射传输模型,g.再加上大气固有的反射太阳辐射通量,三、基于辐射传输模

11、型大气校正模型,3.建立起地表-大气辐射关系分析模型,3.2 一般校正思路,25,第25页，共51页。,g.再加上大气固有的反射太阳辐射通量三、基于辐射传输模型大气,回顾：表观反射率的定义？,以“地表-大气”为整体目标，入射辐射通量与出射辐射通量的比例。,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.建立起地表-大气辐射关系分析模型,3.2 一般校正思路,26,第26页，共51页。,回顾：表观反射率的定义？以“地表-大气”为整体目标，入射辐射,因此，表观反射率：,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.建立起地表-大气辐射关系分析模型,3.2 一般校正思路,27,第27页，共51页。,因此，表观反射率：

12、三、基于辐射传输模型大气校正模型3.建立起,4.根据模型函数关系计算地物光谱反射率,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.2 一般校正思路,传感器接收的辐射亮度值,28,第28页，共51页。,4.根据模型函数关系计算地物光谱反射率三、基于辐射传输模型大,分析下式：,已知,在不同的辐射传输模型中，大气校正参数的形式和数量有所不同，但基本思想是类似的。,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.2 一般校正思路,29,第29页，共51页。,分析下式：已知参数待求 在不同的辐射传输模型中，大气校正,(1) 6S 模型,6S 模式全名为second simulation of the satellite

13、signal in the solar spectrum ，即太阳光谱卫星信号的二次模拟。,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.3 典型模型,特点:模型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。,30,第30页，共51页。,(1) 6S 模型 6S 模式全名为second sim,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.3 典型模型,(1) 6S 模型,模型原理,把周围环境的邻近效应带入,考虑地面不是均一的朗伯体,31,第31页，共

14、51页。,三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 典型模型(1) 6S,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.3 典型模型,(1) 6S 模型,模型输入,太阳、地物与传感器之间的几何关系 大气模式 气溶胶模式 传感器的光谱特性 地表反射率,五类参数：,这五个部分构成了大气辐射传输模型的全过程，模拟了太阳辐射经过大气效应到达地表，然后由地表反射通过大气效应到达传感器的整个太阳辐射传输过程，而且还考虑到了地表朗伯体和非朗伯体反射两个方面。,32,第32页，共51页。,三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 典型模型(1) 6S,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.3 典型模型,(1) 6S 模型

15、,模型输入,太阳、地物与传感器之间的几何关系,太阳天顶角,由程序计算太阳与卫星的天顶角和方位角,输入,观测时间,卫星天顶角,太阳方位角,卫星方位角,交点时间,输入,卫星接收时间,像素点数,卫星条件,两种输入方式,33,第33页，共51页。,三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 典型模型(1) 6S,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.3 典型模型,(1) 6S 模型,模型输入,大气组分参数：包括水汽，灰尘颗粒度等参数,大气模式,无大气吸收,八种选择,中纬度冬季,标准大气,若缺乏精确的实况数据数据，可以根据卫星数据的地理位置和时间，选用提供的标准模型来替代。,热带夏季,近极地冬季,中纬度夏季

16、,近极地夏季,用户自定义,34,第34页，共51页。,三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 典型模型(1) 6S,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.3 典型模型,(1) 6S 模型,模型输入,气溶胶组分参数：包括水分含量以及烟尘、灰尘等在空气中的百分比等参数。,气溶胶模式,无气溶胶,可以选用提供的标准模型来代替,大陆型气溶胶,海洋性气溶胶,气溶胶的大气路径长度：用当地的能见度参数表示,方式1：波长500nm处的光学厚度,方式2：气象能见度,35,第35页，共51页。,三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 典型模型(1) 6S,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.3 典型模型,(1)

17、6S 模型,模型输入,传感器的光谱特性,探测器的光谱条件，主要指相应波段对应的波长信息，可以直接输入具体参数，也可通过选择常用卫星类型来确定。,地表反射率,地表为为郎伯体或双向反射模式,反射率随角度的变化关系,不同波长下的反射率,36,第36页，共51页。,三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 典型模型(1) 6S,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.3 典型模型,(1) 6S 模型,模型输出,a.辐射部分： 地面上的直接辐照度、环境反射率及辐照度； 卫星上的大气路径反射率及辐亮度、背景反射率及辐亮度、像元反射率及辐亮度。 b.吸收部分： 各种气体的向上透过率、向下透过率、总透过率； 气体

18、总向上透过率、总向下透过率、总透过率。,大气参数主要包括三个方面,大气参数,大气校正系数,37,第37页，共51页。,三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 典型模型(1) 6S,气溶胶组分参数：包括水分含量以及烟尘、灰尘等在空气中的百分比等参数。(3) MORTRAN 模型（1）被大气衰减的下行太阳辐射通量方式1：波长500nm处的光学厚度基于影像特征进行，属于相对辐射校正，不能得到准确的光谱反射率。第三章 第2节 高光谱遥感大气校正四、辐射校正的统计学模型总向下散射透过率、总向上散射透过率、总散射透过率;目前使用的LOWTRAN7 已经基本成熟固定，自 1989 年以来没有大的改动。加载在

19、地面的辐射通量经反射穿透大气后建立起地表-大气辐射关系分析模型三、基于辐射传输模型大气校正模型二次散射通量是一种离散机制；三、基于辐射传输模型大气校正模型四、辐射校正的统计学模型,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.3 典型模型,(1) 6S 模型,模型输出,c.散射部分 大气分子、气溶胶的向上散射透过率、向下散射透过率、总散射透过率; 总向下散射透过率、总向上散射透过率、总散射透过率; 大气分子、气溶胶及总的球面反照率、光学厚度、反照率、单次反照率及相函数。,大气参数主要包括三个方面,大气参数,大气校正系数,38,第38页，共51页。,气溶胶组分参数：包括水分含量以及烟尘、灰尘等在空气中的

20、百分比,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.3 典型模型,(1) 6S 模型,模型输出,大气参数,大气校正系数,大气校正系数,39,第39页，共51页。,三、基于辐射传输模型大气校正模型3.3 典型模型(1) 6S,(2) LOWTRAN 模型,光谱分辨率,以 20cm-1 的光谱分辨率的单参数带模式计算大气透过率、大气背景辐射、单次散射的光谱辐射亮度、太阳直射辐射度。,模型参数,它提供了6种参考大气模式的温度、气压、密度的相关描述，H2O、O3、O2、CO2、CH4、N2O 的混合比及其他 13 种微量气体的相应描述，城乡大气气溶胶、雾、沙尘、火山喷发物、云、雨廓线和辐射参量如消光系数、吸

21、收系数、非对称因子的光谱分布。,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.3 典型模型,40,第40页，共51页。,(2) LOWTRAN 模型光谱分辨率 以 20cm-,LOWTRAN 模型是 空军地球物理实验室研制的，目前流行的版本是LOWTRAN7。 LOWTRAN7增加了多次散射的计算及新的带模式、臭氧和氧气在紫外波段的吸收参数。目前使用的LOWTRAN7 已经基本成熟固定，自 1989 年以来没有大的改动。,LOWTRAN的发展,三、基于辐射传输模型大气校正模型,(2) LOWTRAN 模型,3.3 典型模型,41,第41页，共51页。,LOWTRAN 模型是 空军地球物理实验室研制的，

22、,(3) MORTRAN 模型,MORTRAN 模型起源,发展了一种新的的分子吸收的算法和更新了对分子吸收的气压温度关系的处理，同时维持 LOWTRAN 7 的基本程序和使用结构。,MORTRAN模型主要是对LOWTRAN7模型的光谱分辨率进行了改进，它把光谱分辨率从20cm-1减少到2cm-1。,MORTRAN 模型发展,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.3 典型模型,42,第42页，共51页。,(3) MORTRAN 模型MORTRAN 模型起源,ENVI 软件中提供的 FLAASH 大气校正模型就是使用了改进的 MORTRAN 模型的代码。,MORTRAN 模型应用,三、基于辐射传输

23、模型大气校正模型,3.3 典型模型,(3) MORTRAN 模型,43,第43页，共51页。,ENVI 软件中提供的 FLAASH 大气校正模型就,(4)ATCOR 模型,ATCOR 模型起源,由德国 Wessling 光电研究所的 Rudolf Richter 博士于1990年研究提出的一种快速大气较正算法，并且经过大量的验证和评估。,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.3 典型模型,44,第44页，共51页。,(4)ATCOR 模型ATCOR 模型起源 由德国 We,三、基于辐射传输模型大气校正模型太阳、地物与传感器之间的几何关系四、辐射校正的统计学模型三、基于辐射传输模型大气校正模型四

24、、辐射校正的统计学模型也属于相对辐射校正，用以改善图像质量。各种气体的向上透过率、向下透过率、总透过率；与太阳的高度角密切相关。三、基于辐射传输模型大气校正模型大气校正三、基于辐射传输模型大气校正模型根据模型函数关系计算地物光谱反射率三、基于辐射传输模型大气校正模型（1）被大气衰减的下行太阳辐射通量三、基于辐射传输模型大气校正模型探测器的光谱条件，主要指相应波段对应的波长信息，可以直接输入具体参数，也可通过选择常用卫星类型来确定。,ATCOR 模型特点,ATCOR 模型应用,该模型已经广泛应用于很多的通用图像处理软件，如 PCI、ERDAS。 ATCOR 2 模型是 ATCOR 经历了多次改进

25、和完善的产品，上述软件中引入的即为 ATCOR 2 版本。,应用于高空间分辨率光学卫星传感器的快速大气校正模型，它假定研究区域是相对平的地区，并且大气状况通过一个查证表来描述。,三、基于辐射传输模型大气校正模型,3.3 典型模型,45,第45页，共51页。,三、基于辐射传输模型大气校正模型ATCOR 模型特点ATCO,第三章 第2节 高光谱遥感大气校正,一、大气校正简介二、大气辐射传输过程的定量分析三、基于辐射传输模型大气校正模型四、辐射校正的统计学模型,46,第46页，共51页。,第三章 第2节 高光谱遥感大气校正一、大气校正简介46第4,4.1 暗目标法,基于影像特征进行，属于相对辐射校正

26、，不能得到准确的光谱反射率。,将暗目标所对应的灰度值减掉，一般只能消除加性辐射误差。,四、辐射校正的统计学模型,47,第47页，共51页。,4.1 暗目标法 基于影像特征进行，属于相对辐射校正，不,4.2 平面场模型,在影像中选择具有一定面积、较均匀的样区，将每个像元的灰度值除以样区的灰度平均值（逐波段进行）。,只能得到相对反射率，不能做反射率的精确定量反演。,四、辐射校正的统计学模型,48,第48页，共51页。,4.2 平面场模型 在影像中选择具有一定面积、较均匀的样,4.3 内部平均法,首先计算整幅影像的灰度平均值，将每个像元的灰度值除以该灰度平均值（逐波段进型）。,也属于相对辐射校正，用

27、以改善图像质量。,四、辐射校正的统计学模型,49,第49页，共51页。,4.3 内部平均法 首先计算整幅影像的灰度平均值，将每个,4.4 对数残差模型,假设传感器的记录值可由下式表达：,两边取对数得到：,利用上式进行相对辐射校正,四、辐射校正的统计学模型,50,第50页，共51页。,4.4 对数残差模型假设传感器的记录值可由下式表达：两边取对,4.5 地面线性回归模型,核心： 将地面反射率与传感器入瞳值概括为线性关系,实施方法：,野外地面测量与卫星扫描同步进行 解算线性回归系数,i 表示波段,四、辐射校正的统计学模型,51,第51页，共51页。,4.5 地面线性回归模型核心：实施方法： 野外地面测量与卫星,