• 高光谱遥感图像大气辐射校正的模型
– 统计学模型法
• 经验线性法、内部平均法、平场域法、对数残差法
– 大气辐射传输模型法
• 5S、6S、LOWTRAN、MODTRAN、ATREM、 ACORN、FLAASH
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
经验线性法
– 实测两个定标点的地面反射光谱值，计算图像 上对应像元点的平均辐射光谱，再利用线性回 归建立反射光谱和辐射光谱间的相关关系，求 出系数k, b就可得到DN值与反射率R之间的关系 式，可以进行像元灰度的反射率反演。
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
• MODTRAN辐射传输模型 – 可以计算0到50000cm-1的大气透过率和辐射亮度， 在440nm到无限大的波长范围的精度是2cm-1 ，在 22680到50000cm-1紫外波范围的精度是20cm-1。 目前版本已经到4.0，光谱分辨率已达到1cm -1
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
AVIRIS在每个扫描行的 开始和结束都要对定 标器进行测量。该机 上的定标系统是由一 个硅探测器反馈电路 控制稳定的石英卤灯。 测量的定标数据包括 一个亮信号、一个暗 信号和两个光谱信号， 用来监测仪器辐射性 能。
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
（3）场地定标 原理：机载或星载成像光谱仪飞越辐射定标场 地上空时，在定标场地选择若干像元区，测量成 像光谱仪对应的地物的各波段成像反射率和大气 光谱等参量，并利用大气辐射传输模型等手段给 出成像光谱仪入瞳处各光谱带的辐射亮度，最后 确定它与成像光谱仪对应输出的输出的数字量化 值的数量关系，求解定标系数，并估算定标不确 定性。
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
成像光谱仪的定标 有三个阶段的定标
仪器实验室定标
机上或星上定标
场地定标
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
（1）实验室定标
光谱定标 - 确定成像光谱仪每个波段的 中心波长和宽度 辐射定标 相对定标 绝对定标
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
相对定标
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测得的辐射量的相对值。 绝对定标 通过各种标准辐射源，在不同波谱段建立成 像光谱仪入瞳处的光谱辐射亮度值（L）与成像光 谱仪输出的数字量化值（DN）之间的定量关系。
R , F
是相对反射率
R 是像元辐射值 F 平场域的平均辐射光谱
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
该方法使用的两个重要假设为：
– 平场域自身的平均光谱没有明显吸收特征 – 平场域辐射光谱主要反映的是当时大气条件下 的太阳光谱 该方法的三个主要缺陷： – 得到的是相对反射率 – 不适合大量多条带高光谱数据的处理 – 这种何校正
• 使用经验线性法，对定标点有如下要求
– 定标点要选择尽可能各向同性的均一地物；
– 定标点地物在光谱上要跨越尽可能宽的地球反 射光谱段； – 定标点要尽可能与研究区域保持同一海拔高度。
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
• 内部平均法
– 假定一幅图像内部的地物充分混杂，整幅图像的 平均光谱基本代表大气影响下的太阳光谱信息。 把图像DN值与整幅图像的平均辐射光谱的比值确 定为相对反射率光谱，即
R A 是分子、气溶胶层的内在反射率
Tdown , Tup 是由太阳到地面以及地表到遥感器的大气透过率 S是大气反射率
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
• 6S模型（Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum） – 适用于太阳反射波段（0.25-4μm ）的大气辐射传输模 式。 – 假定大气无云的情况下考虑水汽、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 – 对5S模型的改进：考虑了目标高程、表面的非朗伯体 特性、新的吸收分子种类的影响，采用了好的近似算 法来计算大气和气溶胶的散射与吸收的影响，其中气 体的吸收以10cm-1光谱间隔来计算，且光谱积分的步长 达到了2.5nm。
场地定标常用方法：
- 反射率法 - 辐亮度法 - 辐照度法
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
发射率法—在卫星遥感器过顶时同步测量地面目标 反射率因子和大气光学参量，然后利用辐射传输 模型计算出遥感器入瞳处辐射亮度值。 辐亮度法—主要采用经过严格光谱与辐射标定的辐 射计，通过航空平台实现与卫星遥感器观测几何 相似的同步测量，把机载辐射计测量的辐射度作 为已知量，去标定飞行中卫星遥感器的辐射量， 从而实现卫星遥感器的标定。 辐照度法—利用地面测量的向下漫射与总辐射度值 来确定卫星遥感器高度的表观反射率，进而确定 出遥感器入瞳处辐射亮度。
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
3 高光谱遥感图像大气辐射校正 – 高光谱图像的大气辐射校正主要是获得 地物真实的光谱反射率，即将遥感器获 得的辐射亮度DN值转换为反射率值。
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
3 高光谱遥感图像大气辐射校正 – 高光谱遥感器在飞行平台上获取的地物 辐射能量值可以表述为：
① 有关大气介质特征参数的获取 ② 具体实用的大气辐射传输模型的研究
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
- 大气辐射校正常用算法
- 采用大气参数的方法 - 5S模型 - 6S模型 – 直接采用大气物理参数，增加多次散射计算 • LOWTRAN辐射传输模型 • MODTRAN辐射传输模型
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
辐射传输方程为
dI I s I B s J dz
是介质所有气体及粒子的吸收系数之和 s 是介质所有气体及粒子的散射系数之和
B是介质热发射能量 J是其它方向入射波的散射能量
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
应用大气辐射传输模型解决遥感影像的大气校正需 要解决两个关键问题
R , F
是相对反射率
R 是像元辐射值 F 整幅图像的平均辐射光谱值
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
• 内部平均法有两个缺陷 – 得到的是相对反射率 – 一些图像均值并不能完全代表太阳的全谱段辐 射特性
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
• 平场域法
– 选择图像中一块面积大且亮度高而光谱响应曲 线变化平缓的区域，利用其平均光谱辐射值来 模拟飞行时大气条件下的太阳光谱。将每个像 元的DN值与该平均光谱辐射值的比值作为地表 反射率，以此来消除大气的影响，即
• 5S模型（the Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum） 大气上层测量的目标反射率可以表示为
ToA Tg ( R A TdownTup
1 S s
s
),
s 是海平面处朗伯体的反射率
Tg 是大气透过率
-地面反射率
Lp 2 飞机-地面间的程辐射
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
机载成像光谱仪入瞳处各光谱带的辐射亮度值Lt 与机载成像光谱仪扫描地面地面定标场地时输出数 字量化值DN之间的数值关系
DN - b Lt a a (增益系数 )， b (暗电流 )
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
1. 2. 3. 4. 成像光谱仪定标 大气辐射传输理论 高光谱遥感图像大气辐射校正 高光谱遥感图像几何校正
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
1 成像光谱仪定标
成像光谱仪定标的目的： 建立成像光谱仪每个探测元件输出的数字量 化值（DN）与它所对应视场中输出辐射亮度值之 间的定量关系。
L0 ( ) Lsun ( )T ( ) R ( ) cos L path ( ), L0 ( )是入孔辐射能量 L sun 是大气上层太阳辐射 T（）是整层大气透过率 R（）不考虑地形影响的表观反射率
是太阳高度角 L path （）是程辐射
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
• 对数残差法
ij
DN ij DN i*
DN * j DN **
ij 是第i像元j波段的反射率
DN ij 是第i像元j波段的图像值 DN i*是像元各波段均值 DN * j 是j波段所有像元均值 DN **是图像各像元各波段均值
该方法的意义在于：为了消除光照及地形因子的影响
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
• 6S辐射校正模型 – 输入五类参数：
• 太阳、地物与遥感器之间的几何关系-用太阳天顶角、 太阳方位角、视角天顶角、视角方位角四个变量; • 大气模式-定义了大气的基本成分以及温湿度廓线包 括7种模式。 • 气溶胶模式-定义了全球主要的气溶胶参数，6S中定 义了七种缺省的标准气溶胶模式和一些自定义模式。 • 遥感器的光谱特性-定义了遥感器各波段的光谱响应 函数，6S中自带了大部分主要遥感器的可见光-近红 外波段的相应光谱响应函数，如TM、MSS、MODIS等。 • 地表反射率-定义了地表反射率模型，包括均一地表 和非均一地表两种情况。
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
大气辐射传输方程
到达遥感器处总的上行辐射为：
L L L L
s s su sd su sd sp
sp
L 遥感器处总的上行辐射 L - 地表对太阳光的反射辐射 L - 地表对天空光的反射 L -向上散射的程辐射
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
第三章 高光谱遥感图像 辐射与几何校正
（3）场地定标 辐射校正场包括 敦煌陆面试验场和青海湖水面试验场； 辐射标准和设备定标实验室； 光学特性和环境参数观测实验室； 辐射校正资料处理、存档和信息服务实验室