高光谱遥感大气校正

高光谱遥感大气校正第三章第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第2页,共51页，2024年2月25日，星期天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第3页,共51页，2024年2月25日，星期天大气校正

核心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第4页,共51页，2024年2月25日，星期天吸收散射折射反射1.2大气辐射传输影响要素一、大气校正简介第5页,共51页，2024年2月25日，星期天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射衰减的主要原因1.2大气辐射传输影响要素第6页,共51页，2024年2月25日，星期天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第7页,共51页，2024年2月25日，星期天第三章第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第8页,共51页，2024年2月25日，星期天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过程程辐射透射天空光反射能传感器入瞳处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第9页,共51页，2024年2月25日，星期天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第10页,共51页，2024年2月25日，星期天第三章第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第11页,共51页，2024年2月25日，星期天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第12页,共51页，2024年2月25日，星期天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第13页,共51页，2024年2月25日，星期天

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3.2一般校正思路第14页,共51页，2024年2月25日，星期天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光反射能传感器入瞳处整体看待表观反射率三、基于辐射传输模型大气校正模型3.2一般校正思路第15页,共51页，2024年2月25日，星期天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第16页,共51页，2024年2月25日，星期天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3.2一般校正思路第17页,共51页，2024年2月25日，星期天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.散射透射通量大气光学厚度第18页,共51页，2024年2月25日，星期天记总透射率为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3.2一般校正思路第19页,共51页，2024年2月25日，星期天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--大气辐射关系分析模型3.2一般校正思路第20页,共51页，2024年2月25日，星期天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3.2一般校正思路第21页,共51页，2024年2月25日，星期天三、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3.2一般校正思路第22页,共51页，2024年2月25日，星期天多次地面-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3.2一般校正思路第23页,共51页，2024年2月25日，星期天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3.2一般校正思路第24页,共51页，2024年2月25日，星期天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3.2一般校正思路第25页,共51页，2024年2月25日，星期天回顾：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3.2一般校正思路第26页,共51页，2024年2月25日，星期天因此，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3.2一般校正思路第27页,共51页，2024年2月25日，星期天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第28页,共51页，2024年2月25日，星期天分析下式：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3.2一般校正思路第29页,共51页，2024年2月25日，星期天(1)6S模型6S模式全名为secondsimulationofthesatellitesignalinthesolarspectrum，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。第30页,共51页，2024年2月25日，星期天三、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水汽等吸收系数环境反射率简化6S第31页,共51页，2024年2月25日，星期天三、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。第32页,共51页，2024年2月25日，星期天三、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第33页,共51页，2024年2月25日，星期天三、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美国标准大气

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近极地夏季用户自定义第34页,共51页，2024年2月25日，星期天三、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：气象能见度第35页,共51页，2024年2月25日，星期天三、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

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第36页,共51页，2024年2月25日，星期天三、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第37页,共51页，2024年2月25日，星期天三、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第38页,共51页，2024年2月25日，星期天三、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

大气校正系数第39页,共51页，2024年2月25日，星期天(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典型模型第40页,共51页，2024年2月25日，星期天

LOWTRAN模型是美国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典型模型第41页,共51页，2024年2月25日，星期天(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LOWTRAN7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典型模型第42页,共51页，2024年2月25日，星期天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、基于辐射传输模型大气校正模型3.3典型模型(3)MORTRAN模型第43页,共51页，2024年2月25日，星期天(4)ATCOR模型ATCOR模型起源

由德国Wessling光电研究所的RudolfRichter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典型模型第44页,共51页，2024年2月25日，星期天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。ATCOR2模型是ATCOR经历了多次改进和完善的产品，上述软件中引入的即为ATCOR2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