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1、遥感影像辐射定标与大气校正,展鹏QQ：987209775,本节课知识要点纲要：一、辐射定标的概念及原理二、大气校正的概念及原理三、辐射定标、大气校正、辐射校正的区别四、FLAASH大气校正原理五、FLAASH大气校正操作难点：大气校正原理重点：FLAASH操作,辐射定标的定义,我们常见影像的像元值大多是经过量化的、无量纲的DN(Digital Number)灰度值，而进行遥感定量化分析时，常用到辐射亮度值、反射率值、温度值等物理量。所以，传感器辐射定标就是要获得这些物理量的过程。作用是消除传感器本身产生的误差。辐射定标是将传感器记录的电压或数字量化值（DN灰度值）转换成绝对辐射亮度值（辐射率）
2、的过程，或者转换成与地表反射率、表面温度等物理量有关的相对值的处理过程。,辐射定标的类型,辐射定标分为绝对定标和相对定标绝对定标是通过各种标准辐射源，建立辐射亮度值与数字量化值（DN值）之间的定量关系，对于一般的线性传感器，绝对定标通过一个线性关系式完成数字量化值（DN值）与辐射亮度值L(单位:w/m2msr)的转换：L=Gain*DN+OffsetL：辐射亮度值，单位（瓦特/平方厘米*微米*球面度）Gain:增益系数，可以从头文件获取。单位（瓦特/平方厘米*微米*球面度）DN：数字量化值，DN值是遥感影像像元亮度值，记录的地物的灰度值。无单位，是一个整数值，值大小与传感器的辐射分辨率、地物发
3、射率、大气透过率和散射率等有关。Offset:偏移量，可以从头文件获取。单位（瓦特/平方厘米*微米*球面度）y=a*x+b（线性函数关系）,相对定标是确定各像元之间、各探测器之间、各波谱段之间以及不同时间测量的辐射度量相对值。传感器辐射定标分为三个方面内容：发射前的实验室定标；基于星载定标器的星上定标；发射后的定标（场地定标）。注：我们常用的定标参数，有使用实验室定标的结果（如高分辨率传感器QuickBird、WorldView-1等）；也有使用实验室定标与星上定标相结合的参数（如NOAA、MSS等）；由于设备老化，Landsat TM5的定标参数有用实验室定标的（2003年前），也有用经过场
4、地定标的参数（2003年后）；,Landsat数据定标,定标参数使用Chander,Markham,and Helder(2009)的研究成果，其中LPGS和NLAPS分别是两种数据处理系统得到的产品：the Level 1 Product Generation System(LPGS)the National Land Archive Production System(NLAPS)从2008年12月份开始，L7 ETM+和L5都是以LPGS系统处理，L4 TM和MSS以NLAPS系统处理。具体参数如下所示：,NLAPS处理和LPGS处理产品的MSS定标参数,NLAPS处理产品的TM4、5定
5、标参数,Landsat数据定标的ENVI实现步骤,使用Landsat数据定标工具可以将Landsat MSS、TM或ETM+的DN值转换成辐射亮度值或表观大气反射率。下面以USGS（United States Geological Survey）美国地质调查局网站下载的，带MTL元数据的Landsat7数据为例，操作过程如下：在ENVI主菜单中，选择FileOpen External File Landsat GeoTIFF with Metadata，打开Landsat7 ETM+数据L71140037_03720050724_MTL.txt,在ENVI主菜单中，选择启动定标工具：Basic
6、 Tools Preprocessing Calibration Utilitties Landsat Calibration，选择文件，单击OK按钮。,在ENVI Landsat Calibration Dialog对话框中，输入如下参数（自动从元数据中获取）：这里Calibration Type 注意选择为Radiance（辐射亮度值）。,单击Edit Calibration Parameters按钮，可以打开定标参数对话框，可以自行修改定标参数。,选择输出路径及文件名，单击OK按钮，执行定标过程。,显示定标结果,当元数据信息丢失，或者选择FileOpen External File La
7、ndsat GeoTIFF，打开GeoTIFF格式文件时，需要手动输入ENVI Landsat Calibration Dialog对话框中的参数（默认参数会自动添加），以不带元数据的Landsat7_ GeoTIFF格式文件数据为例，操作过程如下：,MODIS数据定标,定标公式：反射率计算公式 R=reflectance_scale*(DNreflectance _offset)辐射亮度计算公式 R=radiance_scale*(DNradiance _offset),MODIS数据定标的ENVI实现,方法步骤：File Open External File EOS-MODIS 通过这种方
8、法打开MODIS的1级数据，ENVI会自动对数据进行辐射定标，打开后的数据就是完成辐射定标后的数据。,传感器参数,MODIS数据的元数据本身存在于HDF文件数据集之中，该文件内包含了辐射定标所需的所有参数，元数据的获取可以采用HDFExplorer等HDF文件查看工具来获得，ENVI中也自带了获取元数据的模块：Basic Tools Preprocessing Data-Specific Utilitties View HDF Dataset Attributes,大气校正的定义,大气校正的目的是消除大气和光照等因素对地物反射的影响。广义上讲，为了获得地物反射率、辐射率或者地表温度等真实物理模
9、型参数；狭义上讲，是为了获取地物真实反射率数据。用来消除大气中水蒸气、氧气、二氧化碳、甲烷和臭氧等物质对地物反射的影响，消除大气分子和气溶胶散射的影响。大多数情况下，大气校正同时也是反演地物真实反射率的过程。,问题：什么情况下需要做大气校正？我们购买或者其他途径获取的影像是否做过大气校正？,通俗来讲，如果我们需要定量反演或者获取地球信息、精确识别地物等，需要使用影像上真实反映对太阳光的辐射情况，那么就需要做大气校正。我们购买的影像，说明文档中会注明是经过辐射校正的，其实这个辐射校正指的是粗的辐射校正，只是做了系统大气校正，就跟系统几何校正的意义是一样的。,大气校正的类型,基于对遥感图像校正后的
10、结果可以分为：绝对大气校正：是将遥感图像的DN值转换为地表反射率、地表辐射率、地表温度等的方法。相对大气校正：校正后得到的图像，相同的DN值表示相同的地物反射率，其结果不考虑地物的实际反射率。,既然有这么多的大气校正方法，那么又应该如何判断何时用何种方法呢？,总结规律仅供参考：1、如果是精细定量研究，那么选择基于辐射传输模型的大气校正方法。2、如果是做动态监测，那么可选择相对大气校正方法或者较简单的方法。3、如果参数缺少，只能选择其他较简单的方法。,简化黑暗像元法大气校正,此方法的原理是：在一定条件下反射率很小（近似0）的黑暗像元由于大气的影响，使得这些像元的反射率相对增加，即黑暗像元处增加的
11、这部分反射率是由大气影响造成的，通过其他像元减去这些黑暗像元增加的像元值，就可以减少大气对整幅图像的影响，达到大气校正的目的。关键：寻找黑暗像元以及黑暗像元增加的像元值。ENVI下的Dark Subtract工具提供选择波段最小值、ROI的平均值、自定义值三种方式确定黑暗像元的像素值。操作过程如下（以2000年TM5大兴安岭地区影像图像为实例）：,（1）打开待校正图像文件。FileOpen Image File 选择Landsat 7_2000.img数据,（2）在主菜单中，选择Basic Tools Preprocessing General Purpose Utilities Dark S
12、ubtract，在文件选择对话框中选择待校正图像文件2000.img，单击OK按钮，打开Dark Subtraction Parameters面板。,（3）在Dark Subtraction Parameters面板中，确定黑暗像素值包括三种方法（Subtraction Method）：,波段最小值(Band Minimum),自动统计每个波段的最小值作为黑暗像元的像元值，每个波段减去这个值作为结果输出；ROI的平均值(Region Of Interest)，每个波段减去感兴趣区平均像元值作为输出结果；自定义值（User Value)，手动输入每个波段的黑暗像元值，每个波段减去自定义值作为结果
13、输出。,（4）在Output Result to中选择File，以及相应的输出路径和文件名，单击OK执行操作。,大气校正模块,大气校正模块（Atmospheric Correction）提供两种大气校正工具：FLAASH校正工具（Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes）快速大气校正工具（Quick Atmospheric Correction,简称QUAC）,FLAASH大气校正工具,开发背景：FLAASH是基于MODTRAN4+辐射传输模型，MODTRAN模型是由进行大气校正算法研究的领先者Spectral
14、Spectral Sciences,Inc和美国空军实验室（Air Force Research Laboratory）共同研发。ITT VIS公司负责集成和GUI设计。FLAASH特点：支持传感器种类多；FLAASH采用了MODTRAN4+辐射传输模型，该算法精度高。任何有关影像的标准MODTRAN大气模型和气溶胶类型都可以直接使用；通过影像像素光谱上的特征来估计大气的属性，不依赖遥感成像时同步测量的大气参数数据；可以有效地去除水蒸气/气溶胶散射效应，同时基于像素级的校正，矫正目标像元和邻近像元交叉辐射的“邻近效应”；对由于人为抑止而导致波谱噪声进行光谱平滑处理。,快速大气校正工具,快速大气
15、校正工具（简称QUAC），自动从图像上收集不同物质的波谱信息，获取经验值完成高光谱和多光谱的快速大气校正。它得到结果的精度近似FLAASH或者其他基于辐射传输模型的+/-15%。QUAC的输入数据可以是辐射亮度值、表观反射率、无单位的raw数据。可以是任何数据储存顺序（BIL/BIP/BSQ）和储存类型，多光谱和高光谱传感器数据的每个波段必须有中心波长信息。（1）在ENVI主菜单中，选择以下方式启动Basic Tools Preprocessing Calibration Utilities QUick Atmospheric Correction Spectral QUick Atmosph
16、eric CorrectionSpectral Preprocessing Calibration Utilities Quick Atmospheric Correction，在文件输入对话框中选择校正的图像文件。（2）打开QUick Atmospheric Correction Parameters面板，在Sensor Type中选择相应的传感器类型，选择文件名和路径输出。,FLAASH模块中数据输入的要求：1.图像基本参数波段范围：卫星图像4002500nm;航空图像8601135nm；像元值类型：经过定标后的辐射亮度（辐射率）数据，单位为W/(cm2nmsr)。2.数据存储类型数据类型
17、：浮点型、32-bit无符号整型；文件类型：ENVI标准栅格格式文件，BIP或者BIL存储结构。FLAASH模块启动方式（任意一种即可）：SpectralFLAASH Basic Tools Preprocessing Calibration Utilitties FLAASH,FLAASH 模块简介,FLAASH 模块的操作界面分为三块：最上部设定输入输出文件；中间设定传感器的参数；下部设定大气参数。,数据准备的步骤：第一步：传感器定标第二步：辐射亮度单位转换 由于辐射定标之后得到的辐射亮度单位为W/(m2msr)，FLAASH要求的辐射亮度单位为W/(cm2nmsr)，两者相差10倍，并且
18、FLAASH模块要求BIL或者BIP的通用栅格图像存储方式，因此需要作出调整。第三步：存储顺序调整,Landsat FLAASH大气校正,第一步：传感器定标,（1）在ENVI主菜单中选择选择FileOpen External File Landsat GeoTIFF with Metadata，在文件选择对话框中选择*.met文件，ENVI自动将数据添加到波段列表中；（2）在ENVI主菜单中选择Basic Tools Preprocessing Calibration Utilitties Landsat Calibration，选择可见光-红外组（6个波段），打开Landsat定标工具；（3
19、）Landsat 定标工具会从元数据文件中自动获取相关信息，选择Calibration Type：Radiance;（4）选择输出路径和文件名，单击OK执行定标处理。,第二步：辐射亮度单位转换,（1）在主菜单中选择Basic ToolsBand Math；（2）在Enter an expression 输入B1/10.0，单击OK按钮；（3）单击Map Variable to Input File 按钮，在文件输入对话框中选择辐射量亮度值文件（第一步输出的传感器定标文件）；（4）单击Choose按钮，选择输出文件名及路径，单击OK按钮，执行操作。,（1）在主菜单中，选择Basic Tools
20、Convert Data(BSQ,BIL,BIP)，在 Convert File Input File 对话框中选择上一步波段运算的结果，单击OK按钮。（2）选择Output Interleave:BIL,Convert In Place:Yes;（3）单击OK按钮，执行处理。这样就得到符合FLAASH要求的辐射亮度值。,第三步：存储顺序 调整,输入FLAASH参数：,在主菜单中选择 SpectrlFLAASH,单击 Input Radiance Image 按钮，选择上一步准备好的辐射亮度值数据，因为已经完成了单位换算，选择Use Single factor for all bands(1.000000);传感器器与图像目标信息设置（按照常规设置）；,注意事项：,FLAASH模块：根据图像元数据输入参数，若自带的元数据中不包含中心经纬度，可在数据下载网址中查询获取。讲高级设置为默认，执行模块，输出结果。需要注意的是，输出的结果为实际反射率*10000，可以通过bandmath调整（b1/10000）。,谢 谢,
