PIE（Pixel Information Expert）是航天宏图十余年来持续投入自主研发的国产新一代遥感与地理信息一体化软件。产品覆盖了多平台多载荷遥感数据的全流程加工处理与应用分析功能，可提供面向航天、航空等多源异构遥感影像、点云等数据的预处理、高级处理、解译分析、专题产品生产以及可视化表达等一体化解决方案，广泛应用于自然资源、气象、海洋、水利、农业、林业、减灾、环保等多个行业和领域。
随着PIE产品体系的不断完备，功能不断优化，PIE得到了越来越多的用户关注、支持及使用，为方便用户使用操作软件，更好的支持、服务好广大用户，PIE产品技术支持团队将定期在航天宏图公众号发布PIE软件常用数据处理操作流程和方法，供广大用户学习使用。
本期发布的是基于PIE-Basic遥感图像基础处理软件（下面简称PIE-Basic）的辐射定标和大气校正处理流程，由于国内辐射定标软件工具研发面世较晚，国内大多用户习惯使用国外商用软件，为增强广大用户使用PIE软件的信心，本期推文同步将PIE-Basic辐射校正处理结果与国外同类软件处理结果进行对比分析。供广大用户参阅。
PIE-Basic 遥感影像基础处理软件
辐射校正处理使用篇
1 引言
随着科技和经济的日益发展，地物分类、遥感制图等定性遥感已经不能完全满足用户多样性的要求，越来越多的用户期望利用遥感器获取地表地物的电磁信息，准确反演遥感影像中地物的各种信息，这种遥感技术被称为定量遥感。定量遥感技术是在先进的计算机系统支持下，结合先验知识，利用数学或物理模型建立遥感信息与观测地表目标参量之间的联系，通过建立的模型定量地反演或推算某些地学、生物学及大气等目标参量的技术方法。遥感手段具有观测范围广、时空分辨率高、可重复观测、时效性强等特点，并且能够为用户提供可持续的服务，已然成为获得高时空分辨率、高精度地表参数的一条重要途径，在精准农业、区域水质监测、生态环境监测、灾害应急等方面应用日益广泛。
遥感卫星上的传感器记录的是经过大气-地表反射的太阳辐射量，理想情况下，太阳辐射到达地球表面，一小部分能量会被地表目标吸收，剩余的辐射反射后被卫星传感器接收，这一部分辐射与太阳辐射总量的比值即为实际的地表反射率。在实际情况中，电磁辐射在传播过程中会受到大气干扰，只有一小部分太阳辐射会到达卫星传感器，在0.45um处约有50%的辐射被反射到卫星传感器，辐射量地减少主要与吸收和散射这两个过程有关。大气环境带来的辐射误差主要来源于以下几个方面：大气中的气体（主要是O3、H2O、O2、CO2、CH4和N2O）和气溶胶粒子与电磁波相互作用使电磁波在传输过程中发生衰减；太阳辐射未到达地表即经大气分子、气溶胶粒子散射后进入卫星传感器，这部分能量不携带任何地表信息，称之为程辐射；地表目标周围环境反射电磁波，并经过大气散射进入卫星传感器，这部分辐射是由邻近效应造成的干扰，不包含目标信息。辐射校正处理的目的就是消除传感器本身、大气、太阳高度角、地形等的干扰，得到地物真实的辐射特性数据。未经辐射校正处理得到的数据，不能准确地反映地表目标真实的辐射特性。消除与减弱失真的过程为辐射校正，辐射校正包括辐射定标和大气校正。随着遥感技术从定性遥感到定量遥感的不断发展，辐射校正成为定量遥感的基础与关键，其校正的精度对实际应用起到决定性作用。
本文主要介绍基于PIE-Basic进行辐射校正处理流程，同时对软件处理结果与国外商用软件辐射校正处理结果进行对比分析。通过对GF1_PMS、GF1_WFV、GF1B_PMS、GF1C_PMS、GF1D_PMS、GF2_PMS、ZY3 02_TMS以及GF6_WFV等相同影像数据辐射校正结果对比分析，可以看出，经过PIE-Basic处理得到的地表反射率与国外软件结果具有高度的一致性，各波段地表反射率的整体校正结果未有太大差异，但PIE-Basic的6S模型大气校正后各波段反射率普遍比国外商用软件的MORTRAN大气校正结果略微偏高。从数据处理效率来看，在相同硬件环境下，PIE-Basic数据处理效率更高。
2 操作环境
本文数据处理硬件环境，软件版本详情如下表：
▲软件测试环境
▲软件测试版本
3 操作流程
PIE-Basic支持HJ CCD、GF1、GF2、ZY02C、ZY3、TH01、Landsat5/7/8、VRSS等数据的辐射校正处理。针对Landsat5数据，需要将第6个热红外波段去掉，按照 “1、2、3、4、5、7”的波段排列顺序进行波段合成，然后对波段合成后的数据进行辐射定标和大气校正处理；针对Landsat7数据，需要将第6个热红外波段和第8个全色波段去掉，按照“1、2、3、4、5、7”的波段排列顺序进行波段合成，然后对波段合成后的数据进行辐射定标和大气校正处理；针对Landsat8数据，需要将第8全色波段和第10、第11两个热红外波段去掉，按照 “1、2、3、4、5、6、7、9”的波段排列顺序进行波段合成，然后对波段合成后的数据进行辐射定标和大气校正处理。PIE-Basic辐射校正支持的卫星传感器类型详见下表。
▲PIE-Basic辐射定标支持的卫星传感器列表
▲PIE-Basic大气校正支持的卫星传感器列表
3.1 辐射定标
理想遥感图像应该能够毫无歪曲的反映地物的辐射能量分布和几何特征。但实际获取的遥感图像存在几何畸变和辐射畸变，形成“同物异谱”“异物同谱”现象。为了使遥感图像能够真实地反映不同地物的光谱特性，提高遥感影像的可信度和实用价值。需要对获取的遥感影像进行辐射定标处理。
辐射定标处理是把传感器记录的电压和数字量化值（DN）转化为绝对辐射亮度值（辐射率），或转化为地表（表观）反射率、表面（表观）温度等物理量有关的相对值的处理过程。
辐射定标包括绝对定标和相对定标。相对定标则指确定场景中各像元之间、各探测器之间、各波谱段之间以及不同时间探测的辐射度量的相对值。
绝对定标：通过各种标准辐射源，建立辐射亮度值与数字量化值之间的定量关系。如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化量化值与辐射亮度值的转化:L=Gain*DN+Offset
式中，L为辐射亮度值，常用单位为W/（cm²·μm·sr）；Gain为增益量；Offset为偏移量。本文中辐射定标处理均为绝对定标处理。
打开PIE-Basic，在“图像预处理”标签下的“辐射校正”组，选择【辐射定标】，打开“辐射定标”参数设置对话框。
▲PIE-Basic辐射定标对话框
（1）首先，点击输入文件右侧的【…】按钮输入待定标的卫星影像数据，软件会默认自动读取该影像对应的元数据（.xml）文件，若软件无法读取对应的元数据文件，则需要用户进行手动输入。
手动输入元数据文件的方法为：点击元数据文件右侧的【…】按钮，选择对应的元数据文件并输入即可（国产卫星数据元数据文件一般和数据存放在一起，软件会自动读取，Landsat系列数据元数据文件为MTL.txt）；
（2）文件读取后，设置定标类型，通常情况下，在对影像数据进行定量分析时，辐射亮度图像需要转换反射率图像，再进行后续反演计算，因此软件默认定标类型为表观反射率/亮温；
（3）最后，设置辐射定标结果数据的保存路径及文件名，点击输出文件右侧的【…】按钮即可对结果的保存路径和文件名进行设置；
所有参数设置完毕后，可点击【确定】按钮，软件自动进行辐射定标处理并输出辐射定标处理结果。
3.2 大气校正
大气校正的目的是消除大气对太阳辐射、大气对目标辐射产生的吸收和散射作用的影响，从而获得目标反射率、辐射率、地表温度等真实物理模型参数。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。PIE 的大气校正模块是基于6S大气辐射传输模型。6S模型假定在无云大气的情况下，考虑了水汽、CO2、O3和O2的吸收、分子和气溶胶的散射以及非均一地面和双向反射率的问题。光谱积分的步长为2.5nm，可以模拟机载观测、设置目标高程、解释BRDF作用和临近效应，增加了两种吸收气体的计算（CO、N2O）。采用SOS (successive order of scattering)方法计算散射作用以提高精度。
在“图像预处理”标签下的“辐射校正”组，点击【大气校正】，打开“大气校正”参数设置对话框。
▲PIE-Basic大气校正对话框
（1）首先选择数据类型，PIE-Basic能够对DN值、表观辐亮度和表观反射率三种数据类型进行大气校正，DN值是没有经过辐射定标的原始影像数据，表观辐亮度和表观反射率类型是辐射定标输出的结果文件。此处所选择的数据类型需与输入的待校正影像类型保持一致；
（2）打开待校正的影像数据，点击输入文件右侧的【…】按钮，输入待校正的影像数据，此时，软件会自动读取该影像对应的元数据（.xml）文件，也支持用户自定义输入，一般都是软件自动读取。
（3）设置大气校正模型参数
● 大气模式分为系统自动选择和手动选择两种方式，其中，手动选择的模式包括热带、中纬度夏季、中纬度冬季、副极地夏季、副极地冬季、美国62标准大气6种，用户可根据影像的实际位置来选择；
● 软件支持的气溶胶类型有：大陆型、海洋型、城市型、沙尘型、煤烟型、平流层型，用户可根据影像的地类情况进行选择；
● 设置初始能见度：可以自定义设置，也可以选择系统默认值，默认值是40KM，设置能见度时可参考下表，根据影像拍摄时间当时的天气情况设置能见度；
▲能见度设置参考表
● 选择是否逐像元反演气溶胶：PIE-Basic内置了反演气溶胶光学厚度的程序，选择“是”，则表示进行气溶胶光学厚度的反演处理；选择“否”，则不做反演，而是直接使用初始能见度转换的AOD值赋给影像的每个像元，作为每个像元的初始气溶胶光学厚度；
（4）点击输入文件右侧的【…】按钮，设置生成的地表反射率影像的保存路径及文件名，对地表反射率影像进行存储。
所有参数设置完毕后，点击【确定】按钮即可进行大气校正。
4 结果与分析
为验证PIE-Basic 6S模型的辐射校正处理精度和效率，基于上述相同硬件环境，对相同的数据，采用国外软件基于MORTRAN模型也进行了辐射校正处理，并将结果和PIE-Basic的辐射校正处理结果进行对比分析。
分析结果详见下表。其中，处理的数据包括近三年不同时相、不同区域的高分光学系列数据、资源三和Landsat8数据。
▲上表中图层名为“大气”代表PIE-Basic辐射校正处理得到地物光谱曲线，“daqi”代表国外软件辐射校正处理得到的地物光谱曲线。
经过对比，PIE-Basic大气校正模型处理得到的地表反射率与国外软件处理的结果具有高度的一致性，经两款软件辐射校正处理后的各波段地表反射率结果未有太大差异，但PIE-Basic利用的6S大气校正模型处理后各波段反射率普遍比国外软件MORTRAN大气校正模型校正结果略微偏高。从数据处理效率来看，在相同硬件环境下，PIE-Basic的数据处理效率更高，操作相对更简便。
欢迎大家下载试用PIE-Basic！同时也欢迎广大用户采用更多的数据进行处理对比分析。
下一期我们将推出基于PIE-Ortho卫星影像测绘处理软件的DOM生产处理流程。敬请期待。
PIE-Basic下载链接：
https://www.piesat.cn/product/DownloadCenter1/index.html
