PIE大气校正功能介绍
    来源:航天宏图  时间:2017/09/08

    1  引言

        由于大气分子、气溶胶的散射以及臭氧、水汽等气体的吸收,均会影响传感器接收到得信号,导致传感器接收到的信息不能真实反映地表特性。要获得地表的准确信息,就必须尽量消除大气影响,大气校正的目的就是将获取的遥感数据定标后的表观反射率转换为能够反映地物真实信息的地表反射率。

        PIE大气校正功能具有界面操作简单、处理速度快、校正效果好的特点,支持GF-1、GF-2、ZY-3、ZY1-02C、天绘等卫星数据的处理,而且支持传感器类型的快速扩展。本文下面将对PIE大气校正功能的算法原理及技术流程进行介绍,并对部分成果进行展示。

    2  算法原理

        目前大气校正模型大致可以归纳为:基于图像特征模型、地面线性回归经验模型、大气辐射传输模型三种。基于图像特征模型仅利用遥感图像自身的信息,用该方法校正后的图像存在不同程度的噪声;地面线性回归模型需进行地面同步定标点的光谱测量,且要求地面定标点区域不宜过大,表面均匀;辐射传输模型能够较合理地描述大气散射、吸收过程,它是基于准确的辐射传输模型和良好的大气参数获取方法来计算地表反射率。常用的辐射传输模型有6S、MODTRAN等。辐射传输模型法计算地表反射率具有更高的精度和明确的物理意义,本软件采用该方法来计算地表反射率。
    辐射传输模型法计算地表反射率基本原理如下:

        假定地表是朗伯体,大气水平均一,垂直变化,忽略大气湍流、折射的影响,辐射传输方程可以表示成:

              (1)


        式中:L为卫星接收到的辐亮度;L0为观测方向路径辐射;Td、Tu分别表示从太阳到地面、从地面到卫星大气层总的透过率;ρ为地表二向反射率;s为大气的半球反照率;系数1/(1-ρs)代表地面和大气层多次散射作用;E0为太阳常数;θ为太阳天顶角。

        对上式利用大气顶部太阳辐照度E0 cosθ进行归一化,得到下式:

              (2)


        式中:ρa为整层大气辐射路径反射率,包括大气分子和气溶胶散射的反射率。

        卫星观测的大气顶部表观反射率ρ^*可以通过如下公式计算得到:

                     (3)


        式中,d为日地距离。从式(2)可知,卫星观测到得反射率ρ*,既与下垫面反射率有关,又与大气性质相关,而对于可见光波段,大气影响主要体现在气溶胶上。对于表现为亮地表的地球表面,卫星观测的表观反射率主要是地面反射率;当地面为水体或比较密集的植被时,即反射率比较小时,卫星接收的辐射信息主要是因为大气分子以及气溶胶影响产生的。

        可将式(2)变化成如下形式:

               (4)


        通过上面(3)、(4)两式,利用大气参数s、ρa、Td、Tu 可从表观反射率ρ*计算得到地表反射率ρ。

        对于同一大气模式,每一个给定的气溶胶光学厚度有一组大气参数s、ρa、Td、Tu 与之对应。若已知了卫星成像处的大气模式,和气溶胶光学厚度值,利用辐射传输模型模拟出大气参数s、ρa、Td、Tu ,然后计算出每个波段的地表反射率。

        在上式中,T_d、T_u总是以乘积形式出现,因此可将Td、Tu 作为一个参数考虑。实际反演过程中,PIE使用的是6S辐射传输模型,即通过输入不同大气模式、气溶胶类型和观测几何条件,得到气溶胶光学厚度和s、ρa、Td、Tu 三个参数之间的对应关系,据此建立大气校正查找表。在对卫星数据进行大气校正时,根据成像时的大气模式、气溶胶类型、太阳和传感器角度以及气溶胶光学厚度,在查找表中查找出参数,然后利用式(4)计算各像元的地表反射率。

    3  技术路线与流程

    地表反射率反演流程如下:

    (1)查找表的构建

        为了避免在进行大气校正是分别对每个像元运行辐射传输软件,导致运行效率低下,需要提前建立大气校正参数查找表,在对输入影像进行大气校正时只需要根据大气状况和观测几何条件,在查找表中内插出对应的大气校正参数即可。使用6S辐射传输模型计算构建查找表的主要过程是输入不同的大气模式、气溶胶模型、卫星观测几何参数、气溶胶光学厚度,并且考虑要观测数据所在的波段的响应函数,构建不同的s、ρa、Td、Tu 参数组合成查找表。在实际应用时根据成像时的大气模式、太阳和传感器角度以及气溶胶光学厚度,在查找表中查找出参数,然后带入式(4)即可计算各像元的地表反射率。

    (2)反演气溶胶光学厚度

        PIE中气溶胶光学厚度反演使用的是暗像元法。根据大气模式、气溶胶类型、太阳天顶角等参数对照查找表进行插值,得到暗像元处红、蓝波段不同AOD下的大气参数s、ρa、Td、Tu ,将这3个参数和大气顶部表观反射率代入方程求解出不同AOD下对应的红、蓝波段地表反射率,再将计算的地表反射率之间的比值与“红蓝波段地表反射率比值k”对比,确定比值最接近k值的两个气溶胶光学厚度,然后在这两个AOD值中内插出真实AOD值。由于在局部区域内,气溶胶光学厚度的分布相对稳定,可以将气溶胶进行重采样和平滑处理,以降低地表反射率计算结果的斑块效应。

    (3)计算表观反射率

        对多光谱数据进行辐射定标,根据定标系数、太阳高度角、成像时间(确定日地距离)等参数,将影像的DN值转换为表观反射率。

    (4)地表反射率计算

        根据提取的气溶胶光学厚度,在大气校正查找表中查找出参数,然后带入公式(4)计算各像元的地表反射率。

    大气校正流程图如下图所示:

     

    图1大气校正流程图


    4  成果展示

        下图为GF-1多光谱影像大气校正前后对比图。从图中可以看出,利用PIE大气校正功能对GF-1多光谱影像进行处理,效果较好,处理后的植被、水体的波谱曲线与其真实的光谱响应特征基本一致。

     

    图 2 GF-1多光谱影像大气校正前后对比