5.1輻射校正概述
1. 進入傳感器的輻射能量：(1)目標物的直接反射
(2)大氣程輻射（太陽光散射）
(3)目標物鄰近地物反射
2.聚光器（光學透鏡）
3.模數轉換（模擬圖像到數字圖像，即光電轉換過程）
4.傳感器記錄的是灰度值
一、輻射畸變：傳感器在接收來自地面目標物的電磁波輻射能量時，受遙感傳感器本身特性、大氣作用以及地物光照條件（地形影響和太陽高度角影響）等影響致使遙感傳感器的探測值與地物實際的光譜輻射值不一致，遙感圖像產生的這種輻射誤差（即灰度失真）就叫輻射畸變。
二、輻射校正
1、消除或修正因輻射誤差而引起的圖像畸變這一過程就叫輻射校正。
2、為了獲取地表實際反射的太陽輻射亮度值或反射率，輻射校正通常包含以下三方面的處理：
(1)傳感器校正，即輻射定標
(2)大氣校正
(3)地形及太陽高度角校正

5.2傳感器校正 DN：遙感獲取的像元灰度值
一、傳感器校正相關概念
傳感器校正是為了消除傳感器本身所帶來的輻射誤差，并將傳感器記錄的無量綱的DN值轉換成具有實際物理意義的大氣頂層輻射亮度或反射率。
傳感器校正依靠的是輻射定標，輻射定標的原理就是建立數字量化值與其所對應視場中輻射亮度值之間的定量關系，以消除傳感器本身產生的誤差。輻射定標可分為：1、相對輻射定標
2、絕對輻射定標
二、相對輻射定標
理想狀況下，在遙感圖像獲取過程中，對于傳感器中的每一個探測元件，其輸出的DN值都應與入射的輻亮度成正比，且比例因子相同。即當傳感器入瞳處的入射光照完全均勻一致時，各個探測元件應該輸出完全相同的DN值。
相對輻射定標是為了校正探測元件的不均勻性，消除探測元件的響應不一致性，對原始亮度值進行歸一化處理，從而使入射輻射量一致的像元對應的輸出像元值也一致，以消除傳感器本身的誤差。需要注意的是，相對輻射定標得到的結果仍是不具備物理意義的DN值。
三、相對輻射定標方法

四、絕對輻射定標
絕對輻射定標是建立DN值與實際輻射值之間的數學關系，目的是獲取目標的輻射絕對值。絕對輻射定標可以在相對輻射定標的基礎上進行，也可以直接通過原始DN值和實際輻射值建立數學定標模型，從而獲取目標地表輻射量。
絕對輻射定標得到的是大氣頂層的輻射亮度（或反射率）。
大氣頂層的輻射亮度計算，即將初始的DN值轉換為輻射亮度，其表達式如下：


反射率和輻射亮度可以相互轉化。

五、定標參數獲取
根據獲取定標參數的時間和（或）地點不同可以將輻射定標分為三類：
(1)發射前的實驗室定標
(2)基于星載定標器的星上定標
(3)發射后的場地定標
六、大氣表觀反射率的計算（大氣頂層反射率的計算）



1、實驗室定標
實驗室定標是在遙感器發射之前在實驗室中標定其波長位置、輻射精度、空間定位等信息，將儀器輸出的數字量化值轉換為輻射亮度值。實驗室定標一般包含兩部分內容，即光譜定標和輻射定標。
首先通過光譜定標來獲取遙感傳感器每個波段的中心波長和帶寬，以及光譜響應函數，然后再利用輻射定標建立傳感器輸出的DN值與傳感器入瞳處的輻射亮度或者反射率之間的函數關系。
2、星上定標
星上定標是指在衛星正常運行期間，利用衛星上自帶的定標設備對遙感器進行輻射定標。其內容和作用與實驗室定標類似，用于對星上獲取的數據進行校正。
星上定標的輻射源：(1)自然輻射源：太陽，月亮
(2)人工輻射源：標準燈，黑體
星上定標可以分為主動定標和被動定標。
主動定標，又叫在軌內置定標，采用標準燈、黑體作為光源。
被動定標，又叫在軌向陽定標，采用太陽、月亮作為光源。
其中，燈定標、太陽定標和月亮定標用于可見光、近紅外和短波紅外波段的定標，黑體定標用于中波紅外和長波紅外波段的定標。
3、場地定標
場地定標指的是遙感器處于正常運行條件下，選擇輻射定標場地，通過地面同步測量對遙感器的定標。場地定標可以實現全孔徑、全視場、全動態范圍的定標，并考慮到了大氣傳輸和環境的影響，但場地定標最難操作。
在遙感器飛越輻射定標場地上空時，在定標場地選擇若干個像元區，測量成像光譜儀對應的地物的各波段光譜反射率和大氣光譜等參量，并利用大氣輻射傳輸模型等手段給出成像光譜儀入瞳處各光譜帶的輻射亮度，最后確定它與成像光譜儀對應輸出的數字量化值的數量關系，求解定標系數，并估算定標不確定性。

5.3大氣校正
一、大氣校正概念
大氣校正是將大氣頂層的輻射亮度值（或大氣頂層反射率）轉換為地表反射的太陽輻射亮度值（或地表反射率），主要是為了消除大氣吸收、散射對輻射傳輸的影響。
二、大氣校正方法
按照大氣校正后的結果可以將大氣校正分為絕對大氣校正和相對大氣校正。
根據大氣校正原理的不同，又可以將其分為統計模型和物理模型。
三、 大氣校正統計模型
統計模型是基于地表變量和遙感數據的相關關系而建立的，不需要知道圖像獲取時的大氣和幾何條件，具有簡單易行，所需參數較少的優點，由于可以有效地概括從局部區域獲取的數據，一般具有較高的精度。但是由于區域之間具有差異性，統計模型只適用于局部地區，并不具備通用性。
四、大氣校正物理模型
物理模型是根據遙感系統的物理規律來建立的，可以通過不斷加入新的知識和信息來改進模型。物理模型機理清晰，但是模型復雜，所需參數較多且通常難以獲取。有的物理模型為提高計算效率會選擇簡化或假定某些過程。

5.4大氣校正統計模型
一、內部平均相對反射率法
內部平均相對反射率法( IARR )是假定一幅圖像內部的地物充分混雜，整幅圖像的平均光譜基本代表了大氣影響下的太陽光譜信息，從而將整幅圖像的平均輻射光譜值作為參考光譜，以計算每個像元的光譜曲線與參考光譜曲線的比值，作為相對反射率，由此消除大氣影響，亦可消除地形陰影的影響。
?計算方法:某波段各像元的灰度值除以該波段所有像元的灰度平均值
IARR的不足之處在于當圖像某些位置出現強吸收特征時,參考光譜受其影響而降低，導致其他不具備上述吸收特征的地物光譜出現與該吸收特性相對應的假反射峰，從而使計算結果出現偏差。由于高植被覆蓋的地區存在葉綠素吸收的問題，該方法就不太適用，但在沒有植被覆蓋的干旱地區能夠得到較好的效果。
（如果一幅遙感影像里面，有大片的植被區，由于植被區對紅光波段是強吸收，故叫暗像元，吸收之后，整幅圖像灰度的平均值就比較低，如果圖像當中的某些的地方的值是高反射率的值，如果這個值高于平均值，那么我們計算出來的反射率會大于1，因此對于高反射率的地方，會出現一個假的反射峰）
二、平場域法
平場域法選擇圖像中一塊面積大且亮度高而光譜響應曲線變化平緩的區域(如沙漠、大塊水泥地、沙地等)建立平場域，然后利用該區域的平均光譜輻射值來模擬圖像獲取時大氣條件下的太陽光譜。將每個像元的輻射值與該平均光譜輻射值的比值作為地表反射率，用以消除大氣的影響。該方法要求平場域自身的平均光譜沒有明顯吸收特征。
三、對數殘差法
對數殘差法的目的是為了消除光照及地形的影響，假設像元的灰度值DNij (波段j中像元i的灰度值)只受到反射率Rij (波段j中像元i的反射率)、地形因子Ti(像元i處表征表面變化的地形因子)和光照因子Ij(波段j的光照因子)的影響，即： DNij = TiRijIj,
如果假設DNi()表示像元i所有波段的幾何均值,DN()j表示波段j對所有像元的幾何均值, DN()()表示所有像元在所有波段的數據的幾何均值,則有 Yij =(DNij / DNi()) / (DN()j / DN()())
四、經驗線性法
經驗線性法是假設在圖像覆蓋范圍內，至少有兩個以上不同反射特征且反射率值差異較大的物體，分別為暗目標和亮目標。假定圖像DN值與對應區域的實際反射率R間存在線性關系,，通過實測各定標點的地面反射光譜值，計算圖像上對應像元點的平均輻射光譜，然后利用線性回歸建立反射光譜與輻射光譜間的相關關系 R=k*DN+ b
樣本點的選取有3個要求：
?樣本點要選擇盡可能各向同性的均一地物;
?樣本點地物在光譜上要跨越盡可能寬的地球反射光譜段;
?樣本點盡可能與研究區域保持同一海拔高度。

5.5大氣校正物理模型
難點：大氣校正物理模型基礎
重點：大氣校正物理模型的原理
一、物理模型基礎 （朗伯面：各方向的反射率均為一致的時候）
1、物理模型基礎——大氣影響的定量分析
傳感器的輻射亮度L來自直接反射L1、鄰近反射L2以及大氣程輻射L3三部分，即
L=L1+L2+L3
1)直接反射的輻射亮度




2)大氣程輻射的輻射亮度
該部分輻射是由大氣成分和氣溶膠對太陽輻射的散射，向上通過大氣直接進入傳感器，不好進行直接計算，取輻射亮度為L2。
3)鄰近反射的輻射亮度

2、大氣輻射傳輸模型
大氣輻射傳輸模型可以模擬輻射信號在大氣、地表、傳感器之間的傳輸過程，機理較為復雜，建立大氣輻射傳輸模型不僅要考慮信號與大氣之間的相互作用，還要考慮地表面因素、地形因素的影響。
大氣輻射傳輸模型是對大氣輻射傳輸過程的簡化模擬。
二、6S模型

從6S模型的大氣輻射傳輸原理、過程以及公式來看，模型包括以下幾個部分：
(1)太陽、地物與傳感器之間的幾何關系：用太陽天頂角、太陽方位角、觀測天頂角、觀測方位角四個變量來描述。
(2)大氣模式：6S定義了大氣的基本成分以及溫濕度廓線，包括7種模式，還可以通過自定義的方式來輸入由實測的探空數據，生成局地更為精確、實時的大氣模式，此外,還可以改變水汽和臭氧含量的模式。
(3)氣溶膠模式：定義了全球主要的氣溶膠參數,如氣溶膠相函數、非對稱因子和單次散射反照率等, 6S中定義了7種缺省的標準氣溶膠模式和一些自定義模式。
. (4)傳感器的光譜特性：定義了傳感器各通道的光譜響應函數, 6S中自帶了大部分主要傳感器的可見光近紅外波段的通道相應光譜響應函數,如TM、MSS、POLDER和MODIS等。
(5)地表反射率：定義了地表的反射率模型,包括均一地表與非均一地表兩種情況,在均一地表中又考慮了有無方向性反射問題,在考慮方向性時用了9種不同模型。

三、MODTRAN模型
MODTRAN模型是由美國空軍地球物理實驗室在LOWTRAN模型的基礎上開發的, ENVI軟件中的FLAASH大氣校正模塊正是基于此模型構建的。


**重點了解公式中參數所代表的含義

5.6地形及太陽高度角校正
一、地形校正
●在丘陵地帶和山區,地形坡度、坡向和太陽光照幾何條件等對遙感影像的輻射亮度影響非常顯著,朝向太陽的坡面會接受到更多的光照,在遙感影像上色彩自然要亮一-些,背向太陽的陰面由于反射的是天空散射光,在圖像上表現得要暗淡一些。因此,在地形復雜的地區,為了提高遙感信息定量化的精度,除了要消除傳感器自身光電特性和大氣帶來的影響,更重要的是要消除地形效應。
●地形校正的目的是消除由地形弓起的輻射亮度誤差，使坡度不同但反射性質相同的地物在圖像中具有相同的亮度值。
●常見地形校正方法：

半經驗C校正法
●半經驗C校正法是在余弦校正法的基礎上發展的,由于余弦校正法在高太陽角入射地區( 如陰影區)會出現校正過度現象, Teillet等引入了半經驗系數C ,用于解釋散射輻射對入射太陽輻射通量的貢獻。

二、太陽高度角校正
太陽位置的變化會導致不同地表位置接收到的太陽輻射不相同,從而導致不同地方、不同季節、不同時期獲取的遙感圖像之間存在輻射差異。
太陽位置通常以太陽高度角和太陽方位角進行描述太陽高度角是指地球上某地的太陽入射方向與地平面之間的夾角,與太陽天頂角互余。

太陽高度角校正的目的是通過將太陽光線傾斜照射時獲取的圖像校正為太陽光線垂直照射時獲取的圖像,主要用于比較不同太陽高度角的圖像,消除不同地方、不同季節、不同時期圖像之間的輻射差異,通常通過調整圖像的平均亮度加以實現。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的遥感数字图像处理——第五章——辐射校正的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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