遥感Radiometric corrections.ppt

Lesson 6 Radiometric corrections,Outline 6.1 Radiometric corrections 6.2 Image Enhancement 6.3 Band Math 6.4 Image fusion,Radiometric corrections may be necessary due to variations in scene illumination照度 and viewing geometry, atmospheric conditions, and sensor noise and response. Each of these will vary depending on the specific sensor and platform used to acquire the data and the conditions during data acquisition. Also, it may be desirable to convert and/or calibrate the data to known (absolute) radiation or reflectance units to facilitate comparison between data.,6.1 Radiometric corrections,1. The meaning of radiometric correction辐射校正的含义 2. Radiative transfer equation辐射传输方程 3. Contents and methods of the radiometric correction 4. Conversion between the DN and radiance像元灰度值DN和辐射率的转换,6.1 Radiometric corrections,,,1.The meaning of radiometric correction,遥感成像时，因太阳位置、大气、传感器性能等因素的影响，使图像产生一定辐射量失真。

消除图像数据中依附在辐射亮度中的各种辐射畸变的过程称为辐射量校正，也称辐射校正辐射畸变：地物目标的光谱反射率的差异在实际测量时，受到传感器本身、大气辐射等其他因素的影响而发生改变这种改变称为辐射畸变1.The meaning of radiometric correction,,,,,,,,目标物辐射,目标物反射,大气辐射,,,,,透射,,,,,目标物吸收,,,,大气散射,大气吸收,,(4)路径辐射(程辐射),地表辐射,进入传感器的辐射强度反映在图像上就是亮度值(灰度值)辐射强度越大，亮度值(灰度值)越大影响亮度值的两个物理量：,实际测量时，辐射强度值还受到其他因素的影响而发生改变这一改变的部分就是需要校正的部分，故称为辐射畸变①太阳辐射照射到地面的辐射强度 ②地物的光谱反射率,相同,不同,,亮度值,,不同,,,辐射畸变,+,+,,,太阳,,1.The meaning of radiometric correction,(1) 因传感器的响应特性引起的辐射误差 光学摄影机引起的辐射误差 光电扫描仪引起的辐射误差 光电转换误差 探测器增益（如电流、电压、温度变化等）变化引起的误差 (2) 因大气影响引起的辐射误差 进入传感器的辐射畸变成分（辐射数据处理而言）： 大气消光（吸收和散射）； 天空光（大气散射的太阳光）； 路径辐射 其中散射作用会降低遥感影像的反差比: Cr=Bmax/Bmin （即最大亮度值与最小亮度值之比），从而降低遥感影像的分辨率,辐射误差产生的原因,1.The meaning of radiometric correction,(3) 因太阳辐射引起的辐射误差 太阳位置引起的辐射误差 太阳高度角、方位角不同，地物入射照度变化，因而地物反射率改变； 高度角也会产生阴影压盖其他地物影像，影响定量分析和自动识别； 方位角变化影响图像的细部特征。

地形起伏引起的辐射误差 造成水平地表与倾斜坡面的同类地物灰度不一致(4) 其他原因引起的辐射误差 检测器的特性差别、干扰、故障产生不正常条纹； 噪声或磁带误码率产生斑点误差,1.The meaning of radiometric correction,辐射误差产生的原因,传感器的光谱响应系数,地物的波谱反射系数,太阳的辐射照度,Z1到Z2大气层光学厚度,太阳天顶角,地物的波谱发射率系数,与地物同温黑体的反射通量密度,平台高度,大气辐射形成的天空辐射照度,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Eλ与地物的反射、发射波谱；传感器的光谱响应特性；大气条件、光照情况等有关2. Radiative transfer equation,3.Contents and methods of the radiometric correction,辐射定标：传感器探测值的标定过程，用以确定传感器入口处的准确辐射值 辐射校正：消除或改正遥感图像成像过程中附加在传感器输出辐射能量中的各种噪声 大气校正：指大气散射校正，即消除大气散射对辐射失真的影响包括大气的消光（吸收和辐射）、天空光照射、路径辐射 地形校正：指通过各种变换，将所有像元的辐射亮度变换到某一参考面上（通常是水平面）的一种方法。

太阳高度角校正：将太阳光线倾斜照射时获取的图像校正为太阳光垂直照射时获取的图像完整的辐射校正包括： 传感器校正、大气校正，以及太阳高度和地形校正,光学系统引起的误差：根据仪器系统参数来校正，一般由生产单位在数据生产过程中进行校正； 光电转换系统引起的误差：一般通过定期地面测定，根据测量值进行校准（地面定标）光学镜头的非均匀性引起的边缘减光现象的校正 光电变换系统的特性引起的辐射误差校正 探测器增益变化引起的辐射误差校正,（1）辐射定标（传感器定标）,,传感器校正,（2）大气校正,野外波谱测试回归分析法 辐射传递方程计算法 波段对比法,①野外波谱测试回归分析法,回归方程：L = a + bR a：常数；b：回归系数；R：地面反射率 令bR = LG ,则 L = a + LG LG不受大气影响的地面实际辐射率，a为大气影响的附加部分（天空光的散射）；L为卫星观测结果，则校正公式为： LG = L - a,遥感是动态过程，在地面特定地区、特定条件和一定时间段内测量的地物目标波谱特性数据，并不具有普遍性，所以此法代价很大而适用范围有限，一般很少采用图像中每一像元值必须扣除a的影响,（2）大气校正,②辐射传递方程计算法,要取得成像时当地大气中的气溶胶密度和水蒸气浓度数据，目前还很困难，所以此方法至今未能实用化。

因此为了进行大气辐射校正必须知道大气中的气溶胶特性、密度和水蒸气浓度，这样才可以大致算出大气衰减系数以及大气路径辐射,从而求出E0,大气衰减系数取决于大气层的成分、厚度，计算相当复杂在可见光和近红外区影响大气衰减的主要因素是气溶胶的散射作用，在热红外区则主要是大气中的水蒸气2）大气校正,②辐射传递方程计算法,一些模型：,其中MODTARN、6S比较常用2）大气校正,,MODTARN： 是由美国空军地球物理实验室（AFGL）开发的计算大气透过率及辐射的软件包它从LOWTRAN发展而来，提高了光谱分辨率 MODTRAN的基本算法： 透过率计算、多次散射处理和几何路径计算等 需要输入的参数有四类：计算模式、大气参数、气溶胶参数和云模式 MODTRAN大气校正的一般步骤： 首先输入反射率，运行MODTRAN得到大气层顶（TOA）光谱辐射，解得相关参数；然后利用这些参数带入公式进行大气纠正用长波数据来校正短波数作法：在不受大气影响的波段（如TM5）和待校正的某一波段图像中，选择由最亮至最暗的一系列目标，将每一目标的两个待比较的波段灰度值提取出来进行回归分析例如：,式中，,为TM5波段的亮度均值；,为TM1亮度均值；,a. 回归分析法,③波段对比法（粗略校正）,（2）大气校正,辐射回归分析图：,通过灰度直方图对比找出校正量a1。

b. 直方图最小值去除法,③波段对比法（粗略校正）,（2）大气校正,①太阳位置引起的辐射误差（照度校正） 太阳高度角、方位角不同，地物入射照度变化，因而地物反射率改变例中午与傍晚的照片有差异 高度角也会产生阴影压盖其他地物影像，影响定量分析和自动识别； 方位角变化影响图像的细部特征 ②地形起伏引起的辐射误差 造成水平地表与倾斜坡面的同类地物灰度不一致如阳坡与阴坡3）因太阳辐射引起的辐射误差校正,①太阳位置引起的辐射误差校正公式法 求太阳高度角 太阳高度角校正 波段比值法,公式法：将倾斜照射时获取的图像校正为垂直照射时获取的图像 求太阳高度角,Sinθ = sinφ sinδ±cos φ cosτ,成像对应区地理纬度,太阳赤纬（成像时太阳直射点地理纬度）,太阳高度角,时角（地区经度与成像时太阳直射点地理经度的经差）,①太阳位置引起的辐射误差校正,在忽略大气的影响下，太阳高度角和日地距离对于地表辐射的影响：,①太阳位置引起的辐射误差校正,E为标准化的太阳辐射，即垂直于正切平面入射时的太阳辐射； E0为平均日地距离时的太阳辐射； θ0为太阳高度角 D为日地距离日地距离的影响与距离的平方成反比。

太阳高度角校正 各波段同步图像采用相同的太阳高度角θ通过调整图幅内的平均灰度进行校正；,f (x, y ) = g (x, y ) / sinθ,以θ斜射时得到的图像,光线垂直于地平面时得到的图像,或用下式校正：,DN' = DN ·cosi,校正后的亮度值,太阳天顶角(90 –θ),原图像的亮度值,对于不同时相的两幅图像的太阳高度角校正（用于镶嵌）,DN ' = DN ·COS i1 / COSi2,参考图像的太阳天顶角,要校正的图像的太阳天顶角,波段比值法同步多光谱图像上的阴影可以通过图像之间的比值予以消除或减弱 同步多波段图像上两个波段相除的比值图像基本消除阴影影响，便于提高定量分析和自动识别精度地物阴影区的灰度值 = 无阴影的灰度值 + 对各波段影响相同的阴影亮度值,①太阳位置引起的辐射误差校正,②地形起伏引起的辐射误差校正,如果太阳光垂直入射到水平地表时收到的光照强度为E0，那么光线垂直入射到倾角为α的坡面上时，其入射点处的光强度E（标准化到垂直于水平地表方向）E = E0 COS α,若处在坡度为α的倾斜面上的地物目标影像为g（x，y）（与E对应），则校正后的图像f（x，y）（与E0对应）为：,等于地表法线矢量与太阳入射矢量的夹角,f（x，y）= g（x，y）/ COS α,此法需要图像对应地区的DEM数据，可采用比值法代替。

若综合考虑太阳高度角、太阳方位角、坡度、坡向等因素，则模型会更复杂，如Cosine校正、 C校正、 SCS 校正、SCS+C 校正、Minnaert校正等 参见课程中心参考资料中关于地形校正的文献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,（4）其他辐射误差校正,①条纹误差的校正 方法有：平均法、直方图法、最近邻点法或三次卷积法（垂直扫描线方向） ②斑点误差的校正 斑点判定：像元亮度值fij 与周围邻点像元亮度平均值之差 > 给定阈值ε 斑点校正：平均法、三次卷积法 ③数字图像的灰度一致化(用于拼接） 方法：等概率变换、线性灰度变换,,图像上出现的与辐射信息无关的线条噪声，其特点：,分布一般不规则，可稀可密、可长可短； 亮度值一般趋于极端(或黑或白)； 含有这种条纹的图像，其标准差往往显著增大,找出条纹的方法,用相邻行间像元的亮度差值是否超过某个预定阈值判定消除条纹的方法,将条纹上、下相邻两扫描行对应像元亮度值取平均值用最近邻点法或三次褶积法确定条纹上像元的亮度值①条纹的判定和消除,条带噪声去除,斑点的判定:可以通过将图像像元亮度值同它的邻近像元亮度值进行比较来判定,。