第四章 遥感图像的辐射校正定稿

1、第四章第四章 遥感图像的辐射校正遥感图像的辐射校正 大气对电磁波传输的影响大气对电磁波传输的影响1 大气成分(Atmospheric composition)2 大气结构（structure of the atmosphere）对流层对流层Troposphere：大气的最低层，：大气的最低层，自地面到自地面到 818km，平均，平均12km。 特点特点剧烈的垂直对流运动，气温剧烈的垂直对流运动，气温随高度的升高而降低（随高度的升高而降低（-0.6/100m），），为什么？为什么？空气密度大，水汽含量不固定，空气密度大，水汽含量不固定，1.2-3km云分布，尘烟多。云分布，尘烟多。该层大气吸收、

2、散射引起电磁衰减，该层大气吸收、散射引起电磁衰减，是电磁波传输的主要研究内容。是电磁波传输的主要研究内容。3 大气对电磁辐射的影响散射吸收大气对不同波段的影响3大气对电磁辐射的影响：大气吸收大气吸收Absorption 氧气（氧气（O 2 ）臭氧臭氧(O 3 ) 二氧化碳二氧化碳(CO 2 ) 水汽水汽Water vapor3大气对电磁辐射的影响：大气散射Scattering 大气散射大气散射: 辐射在传播过程中遇到小微粒辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个而使传播方向改变，并向各个方向散开。方向散开。 散射对遥感数据的影响散射对遥感数据的影响 对反射辐射成分的改变对反射辐射成

3、分的改变 改变传感器所接受的电磁波信改变传感器所接受的电磁波信息息 大气散射集中于太阳辐射能大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区。量较强的可见光区。散射类型散射类型散射的方式随电磁波长与大气分子直径、气溶胶微粒大小之间的相对关系而变，主要有： 1)瑞利(Rayleigh)散射 2)米氏(Mie)散射 3)非选择(Non-selective)散射3大气对电磁辐射的影响：大气折射Refraction1 2 3 Optically less dense atmosphere Optically more dense atmosphere Optically less dense atmosphe

4、re Path of energy in homogeneous atmosphere 3 n n 1 = index of refraction for this layer of the atmosphere n 2 Incident radiant energy Normal to the surface Path of radiant energy affected by atmospheric refraction Atmospheric Refraction 3 大气对电磁辐射的影响：大气反射 Reflection 电磁波传播过程中通过两种介质的交界面上时，还电磁波传播过程中通过两

5、种介质的交界面上时，还会出现反射现象，这种反射同样满足反射定律。会出现反射现象，这种反射同样满足反射定律。 通过大气时，气体、尘埃反射作用很小。反射现象通过大气时，气体、尘埃反射作用很小。反射现象主要发生在云层顶部，取决于云量和雾量，而且各主要发生在云层顶部，取决于云量和雾量，而且各个波段均受到不同程度的影响，严重地削弱了电磁个波段均受到不同程度的影响，严重地削弱了电磁波强度。波强度。 因此，如果不是专门研究云层，尽量选择无云的天因此，如果不是专门研究云层，尽量选择无云的天气接收遥感信号，则不用考虑大气的反射。气接收遥感信号，则不用考虑大气的反射。Date Acquired：1999/09/1

6、04 大气窗口Atmospheric window ？大气窗口波段透射率透射率/%应用举例紫外可见光近红外0.30.4m0.40.7m0.71.15m709580TM1-4、SPOT的HRV近红外1.32.5m6095TM5、TM7中红外3.55.0m6070NOAA的AVHRR热红外814m80TM6微波1.01.8mm25mm101000mm35405070100Radarsat大气窗口5 辐射传输方程(Radiation transfer equation)Solar irradiance Reflectance from study area,Various Paths of Sate

7、llite Received RadianceDiffuse sky irradiance Total radiance at the sensorL L L Reflectance from neighboring area,123Remote sensor detectorAtmosphere541,3,5EL900Tv T 00 vpTSInrrEd地物反射太阳辐射STPLLL大气校正：去雾a) Image containing substantial haze prior to atmospheric correction. b) Image after atmospheric cor

8、rection using ATCOR (Courtesy Leica Geosystems and DLR, the German Aerospace Centre). Jensen 2005（2）地物发射辐射pLdEsLgL0EgE大气的热辐射大气的热辐射地面热辐射地面热辐射4.14.1辐射校正概述辐射校正概述 1 1、辐射校正的含义、辐射校正的含义 利用传感器观测目标物辐射或反射的电磁能量时，传利用传感器观测目标物辐射或反射的电磁能量时，传感器得到的测量值与目标物的光谱反射率或光谱辐射亮度等感器得到的测量值与目标物的光谱反射率或光谱辐射亮度等物理量是不一致的，这是因为物理量是不一致的，这

9、是因为测量值中包含太阳位置及角度测量值中包含太阳位置及角度条件、薄雾等大气条件所引起的失真。条件、薄雾等大气条件所引起的失真。为了正确评价目标物为了正确评价目标物的反射特性及辐射特性，必须消除这些失真。的反射特性及辐射特性，必须消除这些失真。 辐射量校正辐射量校正（radiometric correctionradiometric correction） ：消除图：消除图像数据依附在辐射亮度中的各种失真的过程。像数据依附在辐射亮度中的各种失真的过程。2 2、辐射传输方程、辐射传输方程2 2、辐射传输方程、辐射传输方程空辐射照度；为大气辐射所形成的天为平台高度；发射通量密度；为与地物同温度黑体的

10、数；为地物的波谱发射率系为太阳天顶角；区段大气层的光学厚度到为为太阳辐射照度；为地物的波谱反射系数数；为传感器的光谱响应系bHWZZZZTEKbeWeEKEeHTeZZT)(),()()(21210), 0(sec),(021 传感器输出的能量除了与地物本身的反射和发射波谱传感器输出的能量除了与地物本身的反射和发射波谱特性有关，还与传感器的光谱响应特性、大气条件、光照特性有关，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。情况等因素有关。3、辐射误差产生的原因、辐射误差产生的原因 辐射误差辐射误差：传感器得到的测量值与目标的光谱反射率：传感器得到的测量值与目标的光谱反射率或光谱辐射亮

11、度等物理量之间的差值。或光谱辐射亮度等物理量之间的差值。 由遥感成像过程的复杂性可知，传感器接收到的电磁波由遥感成像过程的复杂性可知，传感器接收到的电磁波能量包含能量包含3部分：部分： a 太阳辐射经大气衰减后照射到地表，经地面反射后太阳辐射经大气衰减后照射到地表，经地面反射后又经大气第二衰减进入传感器的能量又经大气第二衰减进入传感器的能量 b 地面本身辐射的能量经大气后进入传感器的能量地面本身辐射的能量经大气后进入传感器的能量 c 大气散射、反射和辐射的能量大气散射、反射和辐射的能量 传感器输出的能量还与传感器的光谱响应系数有关。传感器输出的能量还与传感器的光谱响应系数有关。所以辐射误差产生

12、的原因有两种：传感器的响应特性和外界所以辐射误差产生的原因有两种：传感器的响应特性和外界环境。环境。1 1）由遥感器的响应特性引起的辐射误差）由遥感器的响应特性引起的辐射误差（1 1）光学摄影机引起的辐射误差光学摄影机引起的辐射误差 在使用透镜的光学系统中，例如在摄像面中，存在在使用透镜的光学系统中，例如在摄像面中，存在着边缘部分与中着边缘部分与中心部分的透射光强度不一致心部分的透射光强度不一致。使同一类地物在图像上不同位置有不。使同一类地物在图像上不同位置有不同的灰度值。如果以光轴到摄象面边缘的视场角为同的灰度值。如果以光轴到摄象面边缘的视场角为，则理想的光，则理想的光学系统中某点的光量与学

13、系统中某点的光量与coscosn n几乎成正比，利用这一性质可以进行几乎成正比，利用这一性质可以进行校正（校正（coscosn n校正校正）。）。 （2 2）由光电扫描仪引起的辐射误差）由光电扫描仪引起的辐射误差 光电转换误差；光电转换误差； 探测器增益变化引起的误差；探测器增益变化引起的误差； 由于光电变换系统的灵敏度特性通常有很高的重复性，所以可以由于光电变换系统的灵敏度特性通常有很高的重复性，所以可以定期地在地面测定其特性，根据测定值进行校正。定期地在地面测定其特性，根据测定值进行校正。2 2）因大气影响引起的辐射误差）因大气影响引起的辐射误差 进入大气的太阳辐射会发生反射、折射、吸收、

14、散射进入大气的太阳辐射会发生反射、折射、吸收、散射和透射。其中对传感器接收影响较大的是和透射。其中对传感器接收影响较大的是吸收和散射。吸收和散射。选择散射选择散射非选择散射非选择散射瑞利散射瑞利散射米散射米散射大气影响的定量分析大气影响的定量分析 无大气：无大气： 在没有大气存在时，传感器接收的辐照度，只与太在没有大气存在时，传感器接收的辐照度，只与太阳辐射到地面的辐照度和地物反射率有关。阳辐射到地面的辐照度和地物反射率有关。 设设E0为波长为波长的入射辐照度，的入射辐照度，为入射方向的天为入射方向的天顶角，当无大气存在时，地面上单位面积的辐照度顶角，当无大气存在时，地面上单位面积的辐照度为：

15、为： cos0EE 大气影响的定量分析大气影响的定量分析 假定地表面是朗伯体，假定地表面是朗伯体， 其表面为漫反射，则某方向物体的亮度为其表面为漫反射，则某方向物体的亮度为： 是地物反射率；是地物反射率； 是球面度（半球反射）是球面度（半球反射） cos00ERERLR大气影响的定量分析大气影响的定量分析 传感器接收信号时，传感器接收信号时， 受仪器的影响还有一个系统增益因子受仪器的影响还有一个系统增益因子 ，这是进入传感器的亮度值为：这是进入传感器的亮度值为：Scos00SERL大气影响的定量分析大气影响的定量分析 由于大气的存在，由于大气的存在， 辐射经过大气吸收和散射，透过率小于辐射经过

16、大气吸收和散射，透过率小于1 1，从而减，从而减弱了原信号的强度。同时大气的散射光也有一部分弱了原信号的强度。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入射天顶角和波长和波长有关的透过率有关的透过率T；反射后，；反射后，在反射方向上有与反射大顶角在反射方向上有与反射大顶角和波长和波长又有关的又有关的透过率透过率T。因此进入传感器的亮度值为。因此进入传感器的亮度值为 cos01STETRL大气影响的定量分析大气影响的定量分析 大

17、气对辐射散射后，大气对辐射散射后， 来自各个方向的散射又重新以漫入射的形式照射地来自各个方向的散射又重新以漫入射的形式照射地物，其辐照度为物，其辐照度为ED，经过地物的反射及反射路径上，经过地物的反射及反射路径上大气的吸收进入传感器，其亮度值为（此值通常很大气的吸收进入传感器，其亮度值为（此值通常很小，有人主张忽略不计）小，有人主张忽略不计）DESTRL2大气影响的定量分析大气影响的定量分析 相当部分的散射光相当部分的散射光 向上通过大气直接进入传感器，这部分辐射称为程向上通过大气直接进入传感器，这部分辐射称为程辐射辐射度，亮度为度，亮度为 。pL大气影响的定量分析大气影响的定量分析 可见，由

18、于大气影响的存在，实际到达传可见，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感器的辐射亮度是前面所分析的三项之和，项之和，即即pLLLL21pDSLETESRTL)cos(0大气影响的定量分析大气影响的定量分析比较以下两个公式：比较以下两个公式： 大气的主要影响是减少了大气的主要影响是减少了图像的对比度，使图像的对比度，使原始信号和背景信号都增加了因子。原始信号和背景信号都增加了因子。 pDSLETESRTL)cos(0cos00SERL 散射作用降低遥感影像的反差比。散射作用降低遥感影像的反差比。 无大气时（无大气时（a)a)白处亮度值为白处亮度值为50，黑处亮度值为，黑处

19、亮度值为0，则亮，则亮度对比度对比C1 =（500）501。当有大气影响时。当有大气影响时(b)(b)，乘上，乘上透过率后假定减少透过率后假定减少10，亮度值减少到，亮度值减少到45，而由于散射存，而由于散射存在，黑白处亮度均增加在，黑白处亮度均增加 10，这样亮度对比变成，这样亮度对比变成 C2 =（55-10)/)/559/ /11。3）因太阳辐射引起的辐射误差）因太阳辐射引起的辐射误差 （1）太阳位置引起的辐射误差）太阳位置引起的辐射误差 ( , )()sinEE 太阳高度角还会使图像上产生阴影压盖其它地物影像，太阳高度角还会使图像上产生阴影压盖其它地物影像，从而影响了遥感图像的定量分析

20、和自动识别。从而影响了遥感图像的定量分析和自动识别。 为了减少误差，遥感的卫星轨道大多设在同一个地方时为了减少误差，遥感的卫星轨道大多设在同一个地方时间通过当地上空，但由于季节的变化和地理经纬度的变化，间通过当地上空，但由于季节的变化和地理经纬度的变化，造成太阳高度角和方位角的变化是不可避免的。造成太阳高度角和方位角的变化是不可避免的。 如果太阳高度角和方位如果太阳高度角和方位角不同，则地面物体入射照角不同，则地面物体入射照度也就发生变化，地物的反度也就发生变化，地物的反射率也就随之改变。射率也就随之改变。 （2）地形起伏引起的辐射误差）地形起伏引起的辐射误差 地形倾斜的影响校正：地形倾斜的影

21、响校正：当地形倾斜时，经过地表扩散、当地形倾斜时，经过地表扩散、反射再入射到遥感器的太阳光的辐射亮度就会依倾斜度反射再入射到遥感器的太阳光的辐射亮度就会依倾斜度而变化。可以采取用而变化。可以采取用地表的法线矢量和太阳光入射矢量地表的法线矢量和太阳光入射矢量的夹角进行校正的夹角进行校正的方法，以及对消除了光路辐射成分的的方法，以及对消除了光路辐射成分的图像数据采用波段间的比值进行校正的方法等。图像数据采用波段间的比值进行校正的方法等。 由遥感器引起的误差或由太阳高度引起的误差，一般在由遥感器引起的误差或由太阳高度引起的误差，一般在数据生产过程中由生产单位根据遥感器参数进行校正，而不数据生产过程中

22、由生产单位根据遥感器参数进行校正，而不需要用户进行自行处理。用户应该考虑大气影响引起的辐射需要用户进行自行处理。用户应该考虑大气影响引起的辐射畸变。畸变。 4）其它原因引起的辐射误差）其它原因引起的辐射误差 遥感影像中有时因各检测器特性的差别、干扰、故障等遥感影像中有时因各检测器特性的差别、干扰、故障等原因引起不正常的条纹和斑点。原因引起不正常的条纹和斑点。 条纹误差主要是由检测器引起的，斑点误差主要由噪声条纹误差主要是由检测器引起的，斑点误差主要由噪声或磁带的误码率等原因造成，具有分散和孤立的特点。或磁带的误码率等原因造成，具有分散和孤立的特点。4 4、辐射校正的目的、辐射校正的目的 尽可能

23、消除因传感器自身条件、薄雾等大气条件、太尽可能消除因传感器自身条件、薄雾等大气条件、太阳位置和角度条件及某些不可避免的噪声，而引起的传感阳位置和角度条件及某些不可避免的噪声，而引起的传感器的测量值与目标的光谱反射率或光谱辐射亮度等物理量器的测量值与目标的光谱反射率或光谱辐射亮度等物理量之间的差异，尽可能恢复图像的本来面目，为遥感图像的之间的差异，尽可能恢复图像的本来面目，为遥感图像的识别、分类、解译等后续工作打下基础。识别、分类、解译等后续工作打下基础。4.24.2辐射误差校正的原理和方法辐射误差校正的原理和方法 4.2.14.2.1因传感器灵敏度特性引起的辐射误差校正因传感器灵敏度特性引起的

24、辐射误差校正1.光学镜头的非均匀性引起的边缘减光现象的校正光学镜头的非均匀性引起的边缘减光现象的校正 边缘减光：由于透镜光学特性的非均匀性，在其成像平边缘减光：由于透镜光学特性的非均匀性，在其成像平面上存在着边缘部分比中间部分暗的现象。面上存在着边缘部分比中间部分暗的现象。 如图，如果光线以平行如图，如果光线以平行于主光轴的方向通过透镜到达于主光轴的方向通过透镜到达像平面像平面o点的光强度为点的光强度为E0，以，以与主光轴成与主光轴成角度的方向通过角度的方向通过镜头达到像平面镜头达到像平面P P点的光强度点的光强度为为E EP P，则，则 E EP PE E0 0coscos4 4利用此性质可

25、进行边缘减光现利用此性质可进行边缘减光现象造成的辐射畸变校正。象造成的辐射畸变校正。 另外，机载成像光谱图像的边缘辐射另外，机载成像光谱图像的边缘辐射畸变与仪器大视场角有关，扫描角较大时，畸变与仪器大视场角有关，扫描角较大时，光线路径长，大气衰减越严重；视觉上表现光线路径长，大气衰减越严重；视觉上表现为为图像存在明显的沿扫描方向的辐射亮度不图像存在明显的沿扫描方向的辐射亮度不均。均。2、条纹误差的校正、条纹误差的校正 遥感影像中条纹误差判定和消弱的常用方法有：平均遥感影像中条纹误差判定和消弱的常用方法有：平均值法、直方图法及在垂直扫描线方向上采用最近邻点法或值法、直方图法及在垂直扫描线方向上采

26、用最近邻点法或三次褶积法等。三次褶积法等。 去条带去条带 成象时，由于检测系统某一扫描线上故障造成扫描线脱落。成象时，由于检测系统某一扫描线上故障造成扫描线脱落。这时往往没有任何信息，在图像只显示一条黑线，有时也会这时往往没有任何信息，在图像只显示一条黑线，有时也会出现分段黑线，这些均称条带噪声。出现分段黑线，这些均称条带噪声。 一般说，去条带的办法较简单，多用条带上行和下行的均值一般说，去条带的办法较简单，多用条带上行和下行的均值来代替。当像元位（来代替。当像元位（i,j）用）用g(i,j)来代替，则来代替，则2j)1,g(ij)1,g(ij)g(i, 对于遥感图像可以直接在图像上目视观察条

27、带对于遥感图像可以直接在图像上目视观察条带是否存在，但一般来说，则要设法让计算机自是否存在，但一般来说，则要设法让计算机自动查找条带了。采用公式动查找条带了。采用公式 式中：式中： 为某一像元被计算前的输入灰度值为某一像元被计算前的输入灰度值)(iijiijmgDdMGijg M为整个图像所有像元灰值的平均值 D为整个图像所有像元数灰度值的标准偏差 mi为每条扫描线上像元灰度平均值 di为每条扫描线上像元灰度的标准偏差SjijigSm11SjijLigNM1111)(121NMgDSjijLi1)(12SmgdSiiiji 以上各式中的以上各式中的i,j表示图像行列顺序号，其中表示图像行列顺序

28、号，其中i=1,2,L； j=1,2,S 按照上面查找条带公式。如果第按照上面查找条带公式。如果第i行是一个条行是一个条带，由于条带上所有像元都是零级灰值，故带，由于条带上所有像元都是零级灰值，故mi和和di计算出来也为零值，最后计算的计算出来也为零值，最后计算的Gij的灰度的灰度值应该等于整个像幅灰度值的平均值值应该等于整个像幅灰度值的平均值M，即计，即计算出来第算出来第 i 行的所有像元的灰值都相等（也即行的所有像元的灰值都相等（也即等于某一常数时），说明第等于某一常数时），说明第 i 行是一个条带，行是一个条带，需进行去条带处理。需进行去条带处理。3.斑点误差的校正斑点误差的校正 1）斑

29、点的判定）斑点的判定 当所要判定的像元亮度值当所要判定的像元亮度值fij与周围邻点像元亮度平均与周围邻点像元亮度平均值之差超过给定阈值值之差超过给定阈值1；或所要判定的像元与周围像元亮；或所要判定的像元与周围像元亮度值的方差度值的方差2减去影像亮度值的平均方差减去影像亮度值的平均方差 大于给定阈值大于给定阈值2，则认为该像元是斑点。周围邻点像元的数目可以是八，则认为该像元是斑点。周围邻点像元的数目可以是八邻点或四邻点。邻点或四邻点。2 2）斑点的校正）斑点的校正 校正后的斑点亮度值取其邻域像元亮度值的平均值或校正后的斑点亮度值取其邻域像元亮度值的平均值或用三次褶积法进行修正。注意斑点的消减应与

30、图像本身的边用三次褶积法进行修正。注意斑点的消减应与图像本身的边缘信息区分开来。通常边缘附近的斑点不进行校正，影像四缘信息区分开来。通常边缘附近的斑点不进行校正，影像四周的像元不进行斑点校正。周的像元不进行斑点校正。 4.数字影像的灰度一致化数字影像的灰度一致化 在做镶嵌图时，由于影像不是在同一时间拍摄的，因在做镶嵌图时，由于影像不是在同一时间拍摄的，因而存在灰度状况不一致的问题，除了需要根据位置找出需要而存在灰度状况不一致的问题，除了需要根据位置找出需要的图像以外，主要是匹配图像的摄影密度和反差比。以制作的图像以外，主要是匹配图像的摄影密度和反差比。以制作均匀的镶嵌图。均匀的镶嵌图。 常用的

31、灰度一致化的方法：常用的灰度一致化的方法： 1）等概率变换）等概率变换 利用重叠部分灰度分布应相同这一性质。利用重叠部分灰度分布应相同这一性质。 设有设有F、G两张影像，以影像两张影像，以影像F为标准进行变换。在重叠部为标准进行变换。在重叠部分影像分影像G上的灰度值小于上的灰度值小于gi的像元的百分数为的像元的百分数为P，对应在影像，对应在影像F上占有同样百分数上占有同样百分数P的像元的灰度值应为的像元的灰度值应为fi，这样就找到了，这样就找到了gi应变换成的灰度值应变换成的灰度值gifi；类似可以找出重叠部分影像；类似可以找出重叠部分影像G上所上所有有g值应变换成的亮度值值应变换成的亮度值g

32、。据此列出变换表，就可将影像。据此列出变换表，就可将影像G各像元的灰度值变换为满足镶嵌卫片灰度一致的影像各像元的灰度值变换为满足镶嵌卫片灰度一致的影像G。 优点：简单（求出灰度变换表即可），变换效果较好优点：简单（求出灰度变换表即可），变换效果较好（利用了重叠部分的全部像元灰度，非线性变换）。（利用了重叠部分的全部像元灰度，非线性变换）。 缺点：由于按概率分布进行像元灰度变换，因而存在位缺点：由于按概率分布进行像元灰度变换，因而存在位置配准误差。置配准误差。2）线性灰度变换）线性灰度变换 在两张影像的重叠部分各取出相对应的在两张影像的重叠部分各取出相对应的n个点，并利用个点，并利用这些点建立线

33、性回归方程，然后运用最小二乘法求线性方程这些点建立线性回归方程，然后运用最小二乘法求线性方程系数的估计值，由此以其中一幅影像为标准，即可达到两幅系数的估计值，由此以其中一幅影像为标准，即可达到两幅图像的灰度一致。图像的灰度一致。 优点：简单，优点：简单，n足够大时有一定精度。足够大时有一定精度。 缺点：仍存在位置配准误差。缺点：仍存在位置配准误差。4.2.24.2.2传感器端的辐射误差校正传感器端的辐射误差校正 扫描方式的传感器中，传感器接收系统收集扫描方式的传感器中，传感器接收系统收集到的电磁波信号需经光电转换系统变成电信到的电磁波信号需经光电转换系统变成电信号记录下来，该信号量化成为离散的

34、灰度级号记录下来，该信号量化成为离散的灰度级别，仅在图像中具有相对大小的意义，没有别，仅在图像中具有相对大小的意义，没有物理意义，经辐射校正后为辐量度或反射率，物理意义，经辐射校正后为辐量度或反射率，具有物理意义。具有物理意义。 例如：例如：Landsat卫星的卫星的MSS图像和图像和TM图像对其传感器的图像对其传感器的输出进行校正公式：输出进行校正公式： R是传感器输出的辐射亮度；是传感器输出的辐射亮度；V是已校正过的数据，是已校正过的数据， Rmax、Rmin为探测器能够输出的最大、最小辐射亮度；为探测器能够输出的最大、最小辐射亮度； Dmax为最大地面分辨率；为最大地面分辨率；maxmi

35、nmaxminDVRRRR 已建立探测器的已知辐射值与作为量化结果输出的已建立探测器的已知辐射值与作为量化结果输出的DN值之间值之间的关系：的关系：式中：式中：DN传感器记录下的数字化值（传感器记录下的数字化值（Digital Number） G响应函数的斜率（通道增益，响应函数的斜率（通道增益，Gain） L实测的光谱辐射量（整个通道的光谱带宽）实测的光谱辐射量（整个通道的光谱带宽） B响应函数的截距（通道偏移量，响应函数的截距（通道偏移量，Bias）BGLDN传感器光谱线性响应曲线将上述光谱响应曲线的两个坐标轴翻转后写成：MINMINMAXLDNLLL255只要传感器校准的Lmax和Lmi

36、n的值已知，上述方程可以用来将特定波段的波段的任何DN值转换为该波段的光谱辐射率的绝对单位 TM 对应的Lmax和Lmin波 段Lmin / Lmax1-0.0099/1.0042-0.0227/2.4043-0.0083/1.4104-0.0194/2.6605-0.00799/0.58736-0.00375/0.359570.1534/1.8964.34.3大气校正大气校正 消除由大气散射引起的辐射误差处理过消除由大气散射引起的辐射误差处理过程称为大气校正。在遥感图像中，卫星遥感程称为大气校正。在遥感图像中，卫星遥感图像需要进行大气校正。航空摄影获取的图图像需要进行大气校正。航空摄影获取的

37、图像，根据飞行高度的情况，可以不进行。像，根据飞行高度的情况，可以不进行。大气影响的分析大气影响的分析 严格地说，去除大气影响是将公式严格地说，去除大气影响是将公式 中的附加项和附加因子求出，最终求出地物反射中的附加项和附加因子求出，最终求出地物反射率率R，从而恢复遥感影像中地面目标的真实面目。，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，有时只要去掉含当大气透过率变化不大时，有时只要去掉含ED和和L Lp p的数据项就可修正图像的亮度，使图像中像元之间的数据项就可修正图像的亮度，使图像中像元之间的亮度变化真正反映不同像元地物反射率之间的变的亮度变化真正反映不同像元地物反射率

38、之间的变化关系。化关系。pDSLETESRTL)cos(0大气影响的分析大气影响的分析 精确的校正公式需要找出每个波段像元亮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，以求出透过率行时的大气参数，以求出透过率T T、T T等因等因子。如果不通过特别的观测，一般很难得到这子。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，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只去掉主要的大气影响，使图像质量满足基本要求。要求。 大气影响的分析大气影响的

39、分析 粗略校正指通过比较简便的方法去掉式粗略校正指通过比较简便的方法去掉式 中的中的Lp，即，即程辐射度程辐射度，从而改善图像质量。式中还有，从而改善图像质量。式中还有漫漫入射因子入射因子ED及其他如透过率等影响，这些因子都作为地及其他如透过率等影响，这些因子都作为地物反射率的因子出现，直接相减不易去除，常用比值法物反射率的因子出现，直接相减不易去除，常用比值法或其他校正方法去除。严格地说，程辐射度的大小与像或其他校正方法去除。严格地说，程辐射度的大小与像元位置有关，随大气条件、太阳照射方向和时间变化而元位置有关，随大气条件、太阳照射方向和时间变化而变化，但因其变化量微小而忽略。可以认为，程辐

40、射度变化，但因其变化量微小而忽略。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。与波段有关。 pDSLETESRTL)cos(0三种方法：三种方法： 统计学方法统计学方法（野外波谱测试回归分析法），通过将野（野外波谱测试回归分析法），通过将野外实地波谱测试获得的无大气影响的辐射值与卫星传感器同外实地波谱测试获得的无大气影响的辐射值与卫星传感器同步观测结果进行分析计算，以确定校正量；步观测结果进行分析计算，以确定校正量； 辐射传递方程计算法辐射传递方程计算法，测量大气参数，按理论公式求，测量大气参数，按理论公式求得大

41、气干扰辐射量；得大气干扰辐射量； 波段对比法波段对比法，利用某些不受大气影响或影响很小的波，利用某些不受大气影响或影响很小的波段来校正其它波段。段来校正其它波段。大气影响的纠正方法大气影响的纠正方法4.3.1.4.3.1.统计学方法统计学方法1 1、内部平均法、内部平均法 校正后为相对反射率值，这是基于图像的方法，校正后为相对反射率值，这是基于图像的方法，主要考虑各种因素的乘性贡献。主要考虑各种因素的乘性贡献。 它是假定一幅图像内部的地物充分混杂，整幅图它是假定一幅图像内部的地物充分混杂，整幅图像的平均光谱基本代表了大气影响下的太阳光谱信息，像的平均光谱基本代表了大气影响下的太阳光谱信息，因而

42、，把图像因而，把图像DNDN值与整幅图像的平均辐射光谱值的比值与整幅图像的平均辐射光谱值的比值作为相对辐射率。即值作为相对辐射率。即FR /一般设定两个以上光谱均一、有一定面积大小的目一般设定两个以上光谱均一、有一定面积大小的目标标分别为暗目标和亮目标作为定标点。假定图像分别为暗目标和亮目标作为定标点。假定图像DN值与反射率值与反射率r之间存在线性关系：之间存在线性关系： brkDN实测两个定标点的地面反射光谱值，计算图像上对实测两个定标点的地面反射光谱值，计算图像上对应像元点的平均辐射光谱。然后，利用线性回归建应像元点的平均辐射光谱。然后，利用线性回归建立反射光谱与像素见的相互关系，球场系数

43、立反射光谱与像素见的相互关系，球场系数k,b后就后就得到所有像素得到所有像素DN值与反射率值与反射率r之间的关系，借此计之间的关系，借此计算任一像素真正的反射率，实现校正。算任一像素真正的反射率，实现校正。3 3、野外波谱测试回归分析法、野外波谱测试回归分析法 令令bRLG，则，则La LG， LG表示地面的实际辐射率，表示地面的实际辐射率，即不受大气影响的值，即不受大气影响的值，a为大气影响的附加部分，为大气影响的附加部分，L为卫星观为卫星观测结果。则校正公式测结果。则校正公式 LG L a 在获取地面目标图像的同时，也可预先在地面设置反在获取地面目标图像的同时，也可预先在地面设置反射率已知

44、的标志，或事先测出若干地面目标的反射率，把由射率已知的标志，或事先测出若干地面目标的反射率，把由此得到的地面实况数据和传感器的输出值进行比较，以消弱此得到的地面实况数据和传感器的输出值进行比较，以消弱大气的影响。大气的影响。4.3.2.4.3.2.辐射传递方程计算法辐射传递方程计算法 辐射传递方程：辐射传递方程：00( ,)THEE e E0为地面目标的真实辐射能量，为地面目标的真实辐射能量，H为大气层高度，为大气层高度，E为传感器接收系为传感器接收系统所能收集到的电磁波能量。统所能收集到的电磁波能量。 在可见光和近红外区，大气的影响主要是由在可见光和近红外区，大气的影响主要是由气溶胶气溶胶引

45、引起的散射造成的，在热红外区，主要由起的散射造成的，在热红外区，主要由水蒸气水蒸气的吸收造成。的吸收造成。在获取地面目标图像的同时，利用搭载在同一平台上的传在获取地面目标图像的同时，利用搭载在同一平台上的传感器测量气溶胶和水蒸气的密度数据可近似计算大气的衰感器测量气溶胶和水蒸气的密度数据可近似计算大气的衰减系数，进而进行大气校正。减系数，进而进行大气校正。 野外波谱测试回归分析法需要到野外进行与陆地卫星野外波谱测试回归分析法需要到野外进行与陆地卫星同步的一致的测试，辐射传递方程计算法需要测定具体天同步的一致的测试，辐射传递方程计算法需要测定具体天气条件下的大气参数。实现起来都有困难。气条件下的

46、大气参数。实现起来都有困难。0( ,)THe 为大气衰减系数为大气衰减系数4.3.3 4.3.3 波段对比法波段对比法 理论依据：理论依据：大气散射的选择性大气散射的选择性，即大气散射对短波影响大，即大气散射对短波影响大，对长波影响小；可以把（近）红外图像当做无散射影响的标对长波影响小；可以把（近）红外图像当做无散射影响的标准图像，通过对不同波段的对比分析计算出大气干扰值。准图像，通过对不同波段的对比分析计算出大气干扰值。1、回归分析法、回归分析法 在不受大气影响的波段和待校正的某一波段图像中，选在不受大气影响的波段和待校正的某一波段图像中，选择择最黑最黑区域中的一系列目标，将每一目标的两个待

47、比较的波区域中的一系列目标，将每一目标的两个待比较的波段亮度值提取出来进行回归分析。段亮度值提取出来进行回归分析。 如：若对如：若对TM3进行校正，首先在进行校正，首先在TM3上的最黑区域中上的最黑区域中选择一系列目标，在找出选择一系列目标，在找出TM7上对应的目标，然后取出这两上对应的目标，然后取出这两个波段的灰度值，再以个波段的灰度值，再以(I3,I7)为坐标的直角坐标系中点绘作为坐标的直角坐标系中点绘作图，并做出回归直线。图，并做出回归直线。 利用黑区数据，用最小二乘法作直线拟合计算得到：利用黑区数据，用最小二乘法作直线拟合计算得到： 校正公式为：校正公式为：77331333372771

48、()(),() niniIIIIbaIb III 333IIa I3为第三波段校正后的亮度值，对于任一波段为第三波段校正后的亮度值，对于任一波段i其校其校正为正为ai，它是第，它是第i波段回归分析的截距，即校正量。波段回归分析的截距，即校正量。回归方程为：回归方程为： I3=b3I7+a3 I3,I7为遥感图像为遥感图像3波段和波段和7波段的灰波段的灰度值，度值，b3，a3直线的斜率和截距。直线的斜率和截距。2、直方图法、直方图法 如果在某一像场中存在亮度值为零的目标，例如深海水如果在某一像场中存在亮度值为零的目标，例如深海水体、高山背影等，在这种情况下，任一波段亮度值都应为零。体、高山背影等

49、，在这种情况下，任一波段亮度值都应为零。但实际上只有不受大气影响的波段才为零，其它波段由于受但实际上只有不受大气影响的波段才为零，其它波段由于受水气散射、辐射等而使目标亮度值不为零。根据具体像场大水气散射、辐射等而使目标亮度值不为零。根据具体像场大气条件，不同波段的校正量气条件，不同波段的校正量ai是不同的。是不同的。2）直方图法）直方图法以陆地卫星以陆地卫星4、7波段为例波段为例 最黑的目标为零值，则最黑的目标为零值，则7波段直方图波段直方图0亮度值处有像元频数，亮度值处有像元频数，4波段波段0亮亮度值处没有像元频数，而在度值处没有像元频数，而在a4亮度值处有像元频数，则认为亮度值处有像元频

50、数，则认为a4就是大气散就是大气散射的影响，即第四波段图像的校正量。于是从各像元亮度值中减去射的影响，即第四波段图像的校正量。于是从各像元亮度值中减去a4就实就实现了校正。现了校正。4.4 4.4 地面辐射校正地面辐射校正 4.4.1.太阳辐射误差校正太阳辐射误差校正1、公式法、公式法 太阳高度角引起的畸变校正是将太阳光线太阳高度角引起的畸变校正是将太阳光线倾斜照射时获取的图像，校正为太阳光线垂直倾斜照射时获取的图像，校正为太阳光线垂直照射时获取的图像。太阳高度角照射时获取的图像。太阳高度角的确定：的确定： 为图像对应地区的地理纬度；为图像对应地区的地理纬度； 为成像时为成像时太阳直射点的地理

51、纬度；太阳直射点的地理纬度；t t为时角（地区经度与为时角（地区经度与成像时太阳直射点地区经度的经差）。成像时太阳直射点地区经度的经差）。sinsinsincoscoscost 太阳高度角的校正是通过调整一幅图像内的平均灰度来实太阳高度角的校正是通过调整一幅图像内的平均灰度来实现的，在太阳高度求出后，太阳以太阳高度角现的，在太阳高度求出后，太阳以太阳高度角斜射时得斜射时得到的图像到的图像g(x,y)与直射时得到的图像与直射时得到的图像f(x,y)的关系：的关系： 或者用下式校正：或者用下式校正：( , )( , )sing x yf x y cosDNDNi DNDN i为太阳天顶角，为太阳天

52、顶角， 为校正后的亮度值；为校正后的亮度值； 为原来的亮为原来的亮度值。这种校正和补偿，主要应用于比较不同太阳角的多日度值。这种校正和补偿，主要应用于比较不同太阳角的多日期图像。期图像。太阳方位角太阳方位角引起的图像辐射值误差通常只对图像细节特征产生引起的图像辐射值误差通常只对图像细节特征产生影响，采用与高度角类似的方法进行校正处理影响，采用与高度角类似的方法进行校正处理 当研究相邻地区跨越不同时期的两幅图像时，为了使两个当研究相邻地区跨越不同时期的两幅图像时，为了使两个部分便于衔接或镶嵌，也可作太阳角校正。校正的方法是部分便于衔接或镶嵌，也可作太阳角校正。校正的方法是以其中一幅图像为标准，而

53、校正另一幅图像，使之与参考以其中一幅图像为标准，而校正另一幅图像，使之与参考图像相近似。图像相近似。 若参考图像的太阳天顶角为若参考图像的太阳天顶角为i1，要校正的图像的太阳天，要校正的图像的太阳天顶角为顶角为i2，其亮度值为，其亮度值为DN表示，则校正后的亮度值表示，则校正后的亮度值DN为为12coscosiDNDNi 2、波段比值法、波段比值法 比值图像是用同步获取的相同地区的任意两个波段图像相比值图像是用同步获取的相同地区的任意两个波段图像相除而得到的新图像。在多光谱图像上，地物阴影区的灰度值可除而得到的新图像。在多光谱图像上，地物阴影区的灰度值可以认为是无阴影时的影像灰度值再加上对各波

54、段影响相同的阴以认为是无阴影时的影像灰度值再加上对各波段影响相同的阴影亮度值，所以，当两个波段相除时，阴影的影响在比值图像影亮度值，所以，当两个波段相除时，阴影的影响在比值图像上基本被消除。上基本被消除。4.4.2.4.4.2.地形起伏引起的辐射误差校正地形起伏引起的辐射误差校正 太阳光线和地表作用以后再反射到传感器的太阳光的辐射太阳光线和地表作用以后再反射到传感器的太阳光的辐射亮度和地面倾斜度有关，可利用地表法线矢量与太阳入射亮度和地面倾斜度有关，可利用地表法线矢量与太阳入射矢量两者的夹角来校正。如果有多个波段辐射的数据，利矢量两者的夹角来校正。如果有多个波段辐射的数据，利用波段比值也可以消

55、除地形倾斜的影响。用波段比值也可以消除地形倾斜的影响。 如果光线垂直入射时水平地表受到的光照强度为如果光线垂直入射时水平地表受到的光照强度为I0，则光，则光线垂直入射时倾斜角为线垂直入射时倾斜角为的坡面上入射点的光强度的坡面上入射点的光强度I为为0cosII 因此，若处在坡度为因此，若处在坡度为的倾斜面上的地物影像为的倾斜面上的地物影像为g(x,y)，则校正后的图像则校正后的图像f(x,y)为为 地形坡度引起的辐射校正方法需要有图像对应地区的地形坡度引起的辐射校正方法需要有图像对应地区的DEM数据，较麻烦。数据，较麻烦。( , )( , )cosg x yf x y 4.54.5遥感卫星辐射校

56、正场概述遥感卫星辐射校正场概述 4.5.1辐射校正场的国外发展概况辐射校正场的国外发展概况 美国美国NASA和和Arizona大学在美国新墨西哥州的白沙和大学在美国新墨西哥州的白沙和加利福尼亚州的爱得华空军基地的干湖床建立了辐射校正场。加利福尼亚州的爱得华空军基地的干湖床建立了辐射校正场。并对多颗卫星进行了场地标定工作。并对多颗卫星进行了场地标定工作。 法国在马塞市附近建立了法国在马塞市附近建立了La Crun辐射校正场，并开展辐射校正场，并开展了多次辐射校正工作。了多次辐射校正工作。 欧洲空间局在非洲撒哈拉沙漠，日本与澳大利亚合作欧洲空间局在非洲撒哈拉沙漠，日本与澳大利亚合作在澳大利亚北部沙

57、漠地区建立了地面辐射校正场。在澳大利亚北部沙漠地区建立了地面辐射校正场。 目前用辐射校正场的方法对可见光和近红外波段的定目前用辐射校正场的方法对可见光和近红外波段的定标精度可达标精度可达63左右。左右。 1984年成立对地观测卫星委员会定标和真实性检验工年成立对地观测卫星委员会定标和真实性检验工作组（作组（WGCV），大大推进了辐射校正工作的深入进行。），大大推进了辐射校正工作的深入进行。4.5.24.5.2建立辐射校正场的目的建立辐射校正场的目的 卫星遥感辐射校正场的建立是发展空间对地观测技术卫星遥感辐射校正场的建立是发展空间对地观测技术的一个重要组成部分，是遥感信息定量化所必须的，也是验的

58、一个重要组成部分，是遥感信息定量化所必须的，也是验证遥感数据的可信性，进行多星数据和多时相卫星数据对比证遥感数据的可信性，进行多星数据和多时相卫星数据对比分析的重要手段，它属于拓宽卫星遥感应用领域和提高社会分析的重要手段，它属于拓宽卫星遥感应用领域和提高社会经济效益的关键技术，且有利于国际遥感卫星的应用与交流。经济效益的关键技术，且有利于国际遥感卫星的应用与交流。 1. 遥感数据定量化的要求遥感数据定量化的要求 建立传感器的每个探测单元所输出的信号数字量与该探建立传感器的每个探测单元所输出的信号数字量与该探测器对应像元内的实际地物辐射值之间的定量关系，测器对应像元内的实际地物辐射值之间的定量关

59、系，直接给直接给出传感器的校正系数出传感器的校正系数，实现对所获数据的绝对辐射校正。，实现对所获数据的绝对辐射校正。 2.检测在轨传感器变化并不断提供修正系数检测在轨传感器变化并不断提供修正系数 遥感卫星在发射前，卫星研制单位已利用地面设备对遥感卫星在发射前，卫星研制单位已利用地面设备对传感器进行了绝对辐射校正，但卫星在轨运行后，由于元器传感器进行了绝对辐射校正，但卫星在轨运行后，由于元器件所出环境变化和老化，灵敏度下降。如件所出环境变化和老化，灵敏度下降。如1984年美国在白年美国在白沙试验场对沙试验场对Landsat-5进行大气辐射校正，发现卫星在轨运进行大气辐射校正，发现卫星在轨运行行6

60、00d后，后，TM1，TM2，TM3，TM4波段的灵敏度分别变波段的灵敏度分别变化了化了6.6，2.0和和12.9，直接影响卫星遥感定量数据的，直接影响卫星遥感定量数据的精度和可靠性，所以，遥归卫星探测器在轨飞行标定是具有精度和可靠性，所以，遥归卫星探测器在轨飞行标定是具有使用价值的。根据美国等国家的试验结果表明，利用辐射校使用价值的。根据美国等国家的试验结果表明，利用辐射校正场是当前进行辐射校正较好的技术选择。正场是当前进行辐射校正较好的技术选择。 3.补充星上定标的不足补充星上定标的不足 目前卫星遥感仪器星上定标精度有限，难以满足定量目前卫星遥感仪器星上定标精度有限，难以满足定量遥感产品的