毕业论文题目：基于6S模型的TM遥感影像大气校正研究--以张掖地区为例学院：地理与环境科学学院专业：地理信息系统毕业年限：2011年学生姓名：秦麟学号：200775000126指导教师：李净基于6S模型的TM遥感影像大气校正研究--以张掖地区为例秦麟摘要：受大气吸收与散射的影响，电磁波在大气--目标物--遥感器途径传输过程中发生失真，造成目标地物反射辐射能量到达遥感器时被衰减。

给计算地表反照率、反射率和地表温度等关键参数带来较大的误差。

本文以张掖地区Landsat TM热红外波的遥感图像数据为例，通过利用6S大气辐射传输模型进行大气校正，并在窄波段反照率与宽波段反照率之间存在线性关系的前提下，反演该地区的地表反照率。

关键词：6S模型；大气校正；地表反照率6S Model Based Atmospheric Correction of Remote SensingImage in zhangyeQIN LinAbstract : Due to the distortions and noises caused by the presence of the atmosphere on the Sun-target-Sensor path, the space-based and airborne remote sensing information in the solar spectral range do not directly characterize the surface objects. It becomes serious impediments for the quantitative analysis and measurement of resources and environment. This paper discussed the atmospheric correction with 6S model (Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum), reversing surface albedos under the linear relationship between narrow band albedos and broadband albedos in the remote sensing image in zhangye city.Key words: 6S model; atmospheric correction; surface albedo.1 引言地表反照率是指地表反射太阳辐射与入射太阳辐射之比，是地--气间辐射能量收支的重要参数之一。

地表反照率作为整个太阳光谱的半球反射积分值，随时空变化而变化，在一般情况下变化较为缓慢，但在气候环境突然改变(暴风雪、沙尘暴等) 的情况下其值变化非常显著。

地表反照率是研究气候模型、天气预报、资源和灾害监测(干旱、火灾、大气污染及洪水等) 和水资源管理的一个重要参数。

因此，准确获得大范围的地表反照率具有重要意义。

早在20世纪50年代初，Houghton利用气象观测数据对北半球全年能量平衡作了全面计算，求出全球年平均反照率为0.34。

后来的研究工作利用实测资料和地表覆盖类型结合的传统方法，推算地表反照率，为反照率遥感反演奠定了基础。

伴随遥感技术的发展，反照率遥感反演逐渐取代传统的实测资料结合地表覆盖类型推算反照率的方法，在区域和全球尺度上，针对不同的地表覆盖类型及其反射特征，对反照率及其季节变化特征进行了研究。

近20年来，定量遥感技术迅速发展，特别是利用多遥感器、多时相遥感数据进行监测和分析全球资源环境、气候变化等的需要，使得遥感数据的定标、大气辐射校正和地表物理量反演方法的研究越来越受到重视。

就太阳反射光谱区的遥感数据而言，大气辐射校正和反射率反演方法研究的目的就是将这些卫星遥感定标后的表观辐亮度转换为反映地物真实信息的地表反射率。

最理想的大气辐射校正和反射率反演方法应该是仅通过遥感影像信息，而不需要野外场地测量等辅助数据，并且能够适用于历史数据和很偏远的研究区域。

2 研究区域概况张掖市地处西北内陆的河西走廊中部，黑河中游，介于97°20′～102°20′E，与37°28′～39°57′N之间。

东临金昌市，西连酒泉市，南靠祁连山，与青海省接壤，北依合黎山与内蒙古自治区阿拉善右旗及额济纳旗交界，东西长210km，南北宽50～80km。

本区属青藏高原的过渡地带，大地形由南部祁连山区，北部合黎山，龙首山区，中部走廊平原区组成。

北部合黎山为海拔1400～1900m的低山丘陵，龙首山为海拔2000～3000m微显陡峻的中低山区，南部的祁连山，山势雄伟高峻，山体宽厚，终年积雪，冰川广部，为典型的高寒山地。

在南北两山之间，形成一条南高北低由东南向西北倾斜的狭长盆地，海拔在1200～1700m之间。

境内属温带大陆性干旱气候，多年平均气温7.7℃，年降水量113.30～342.70mm，蒸发量1453.00～2351.00mm。

行政上区划上包括高台县、临泽县、民乐县、山丹县和甘州区，总面积18813km2。

3 研究方法3.1 数据来源本研究所选用的数据为张掖市2003年9月23日Landsat-5卫星影像（轨道号为133/33）的热红外波段数据如图1。

Landsat-5卫星是美国于1984年发射的第二代试验型地球资源卫星。

卫星在技术上有了较大改进，平台采用新设计的多任务模块，增加了新型的专题图绘图仪TM，可通过中继卫星传送数据。

Band1为蓝绿波段（0.45-0.52μm），B-and2为绿色波段（0.52-0.60μm），Band3为红色波段（0.63-0.69μm），Band4为近红外波段（0.76-0.96μm），Band5为中红外波段（1.55-1.75μm），Band6为热红外波段（10.40-12.50μm），Band7为中红外波段（2.08-2.35μm），空间分辨率为30m。

图1 张掖地区Landsat-5标准假彩色合成影像3.3 辐射定标、大气顶部反射率的计算定量遥感反演研究必须从遥感器所接受到的大气--陆地混合信号中提取出陆表目标物体的贡献部分，消除所观察目标非相关的信息[1]。

定量遥感首先要解决的核心问题是辐射定标和大气校正。

科学家们试图通过大气校正方法提取目标物的真实反射率，提出了直方图均衡化、黑暗目标法、固定目标法、对比减少法、LUT方法、6S模型等不少方法。

上述方法大部分建立在某种特殊的理想条件下，其实用性受到一定限制。

6S模型建立在辐射传输理论基础之上，模型应用范围广，不受研究区特点及目标类型等的影响。

实现辐射订正后，采用公式1把图像灰度值转换成具有辐射意义的亮度值[4]。

⋅=L+DNgainoffest（1）λ其中，L Λ是某个波段光谱辐射亮度(单位：W·m -2·μm -1·sr -1)，gain 和offest 是偏差参数(单位：W·m -2·μm -1·sr -1)，DN 是经辐射订正的图像灰度值。

各参数如表1所示：表1 灰度值转换亮度值参数Bandgain offest DN 10.762824 -1.52 62.84 21.44251 -2.84 62.38 31.03988 -1.17 58.28 40.872588 -1.51 52.98 50.119882 -0.37 10.93 7 0.065294 -0.15 3.24利用公式2可以计算地物在大气外的顶部光谱反射率[5]：)c o s (···d 2s T O A E L θρλλπ= （2） 式中，d 为日地天文单位距离，在这里取0.9925；E λ 为波段λ处的平均大气外太阳辐照度(单位:W·m - 2 ·μm - 1 ) ；s θ为太阳天顶角，取值为42°。

各参数的数值如表2所示：表2 计算地物在大气外的顶部光谱反射率参数BandP TOA E Λ L Λ 10.142 1957 67 20.151 1826 66 30.166 1554 62 40.227 1036 56 50.226 215 11 7 0.188 80.67 33.2 几何纠正在利用遥感图像提取信息的过程中，要求把所提取的信息表达在某一个规定的图像投影参照系统中，以便进行图像的几何量测、相互比较以及图像复合分析等处理。

当原始图像上各地物的几何位置、形状、尺寸、方位等特征与在参照系统中的表达要求不一致时，就产生了图像几何变形问题，需要对图像进行几何纠正[2]。

本文采用多项式纠正法，其基本思想是回避成像的空间几何过程，而直接对影像变形的本身进行数学模拟，认为图像变形规律可以看做为平移、缩放、旋转、仿射、偏扭和弯曲以及更高次的基本变形的综合作用结果。

其基本过程是利用有限个地面控制点的已知坐标，解求多项式的系数，然后将各像元的坐标代入多项式进行计算，从而求得纠正后的坐标。

该方法对各种类型传感器的纠正都是普遍适用的，尽管它存在着不同程度的近似性；同时该方法不仅用于影像对地面系统的纠正，还常用于不同类型影像之间的几何配准，以满足计算机分类、地物变化监测等处理的需要[3]。

首先，在ERDAS软件中，输入需要纠正的张掖地区Landsat-5卫星影像；其次是采集地面控制点，地面控制点是几何纠正中用来建立纠正方程的基础，是最关键的数据。

本次纠正，一共选取了24个控制点，大多在容易分辨、相对稳定、特征明显的位置，且在图像中均匀分布；最后是图像重采样，检验校正结果，像元属性值的重采样是依据未校正图像的灰度值，采用某种方法估算校正后图像像元灰度值。

通常有三种算法：最邻近插值、双线性插值和三次卷积插值[3]。

最后，在校正后的图像与参考图像之间建立连接，移动查询光标，观测其在两屏幕中的位置及匹配程度，并注意光标对话框中数据的变化，检验校正结果，校正后的图像如图2所示：图2 张掖地区Landsat-5几何纠正影像3.4 6S模型的基本原理和计算6S模型(the Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum)是由Vermote和Tanre等人用FORTRAN编写的适用于太阳反射波(0.25--4μm)的大气辐射传输模型，是精度较高的一种模型[6]。

这种模型是在假定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，对不同情况下（不同的遥感器、不同地面状况）太阳光在太阳--地面目标--遥感器整个传输路径中所受到的大气影响进行了描述[7]，包括大气点扩散函数效应和表面方向反射率的模拟，其中气体的吸收以10cm-1的光谱间隔计算，且光谱积分的步长达到了2.5nm；软件运行速度也相对较快。