1、第5章 圖像校正引言n圖像校正主要包括輻射校正和幾何校正。n幾何校正就是校正成像過程中造成的各種幾何形變。n輻射校正包括傳感器的輻射校正、大氣矯正、照度矯正以及條紋和斑點(diǎn)的判定和消除。何為輻射校正？n利用傳感器觀測(cè)目標(biāo)的反射或輻射能量時(shí)，傳感器的測(cè)量值與目標(biāo)的光譜反射率或光譜幅亮度等是不一致的，這是因?yàn)闇y(cè)量值中包含了太陽位置和角度條件、薄霧等大氣條件、或因傳感器的性能不完備條件引起的失真。n輻射校正就是消除圖像數(shù)據(jù)中依附在幅亮度中的各種失真的過程。nPS：幅亮度就是指沿輻射方向，單位時(shí)間、單位面積、單位立體角上的輻射通量。輻射校正的目的n盡可能消除因傳感器自身?xiàng)l件、薄霧等大氣條件、太陽位置和角

2、度條件及某些不可避免的噪聲引起的傳感器的測(cè)量值與目標(biāo)的光譜反射率或光譜幅亮度等物理量之間的差異；盡可能恢復(fù)圖像的本來面目，為遙感圖像的分割、分類、解譯等后續(xù)工作做好準(zhǔn)備。5.1 輻射傳輸n在可見光和紅外遙感中，傳感器接收到的地物輻射來自于地表，因此，有必要了解基本的傳輸過程。地表輻射傳輸5.1.1 基本概念n立體角立體角：點(diǎn)狀物體輻射通常是以 球面的形式向外均勻的傳播能量。立體角用來度量一個(gè)方向上某個(gè)面接收的輻射量的大小。n輻射通量輻射通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過某一表面的輻射能量。n輻照度輻照度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位面積上接受的輻射能量。n輻亮度輻亮度：與輻照度的概念含義相同，指沿輻射方向、單位面積、單位

3、立體角的輻射通量。n反射率反射率：反射能量與入射能量的比值；吸收率吸收率：吸收能量與入射能量的比值。5.1.2 電磁波的大氣傳輸n電磁輻射在大氣傳輸時(shí)由于吸收和散射而被消弱。同時(shí)，熱量發(fā)散和其他方向的散射對(duì)觀測(cè)的電磁輻射也有影響，為了從衛(wèi)星遙感圖像上獲得地球表面的發(fā)散或反射情況，必須排除大氣的影響。（1）可見光和紅外傳輸n由于空氣分子和懸浮顆粒的散射，可見光在大氣層傳輸時(shí)會(huì)被削弱。n大氣中的分子散射對(duì)波長(zhǎng)較短的電磁波（UV紫外光和藍(lán)光）有影響，對(duì)紅外線沒有影響。n在紅外光譜區(qū)域，水蒸氣和二氧化碳等吸收的電磁波超過散射。n由于水汽和二氧化碳的影響，1.4m和1.9m附近的入射和反射能量幾乎全部減

4、少，出現(xiàn)了明顯的吸收特征，從這些波段幾乎無法獲得有用的信息。（2）熱紅外傳輸n在4.3m（CO2）、4.5m（N2O）和13-15m（ CO2 ）附近的光譜區(qū)的測(cè)量可以用來探測(cè)大氣溫度的剖面，6-7m的區(qū)域可用來探測(cè)水蒸氣。3.8m的窄窗和8.5-12.5m的寬窗可用來對(duì)地球表面進(jìn)行觀測(cè)。5.1.3 輻射傳輸理論nVermote（1997）將在太陽-大氣-目標(biāo)-大氣-傳感器的輻射傳輸過程中存干擾傳感器接收目標(biāo)物輻射或反射的電磁波，使得形成的遙感原始圖像與目標(biāo)相比失真的因素歸結(jié)為4個(gè)方面：n（1）大氣分子及氣溶膠瑞利散射和米氏散射、分子及氣溶膠的吸收、散射以及散射吸收的耦合作用。大氣的存在導(dǎo)致程

5、輻射及吸收，這是兩個(gè)相互對(duì)立的作用，一個(gè)增加輻射量，一個(gè)減少輻射量。n瑞利散射：又遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)的氣體分子引起，大小與波長(zhǎng)的四次方成正比；n米氏散射：有大小與光波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)念w粒（氣溶膠：如煙、水蒸氣）引起，也稱為氣溶膠散射，大小與波長(zhǎng)成反比。（2）表面因素的貢獻(xiàn)n在一般的遙感應(yīng)用中，認(rèn)為地球表面為朗伯體，反射與方向無關(guān)，這個(gè)假設(shè)是一種近似，實(shí)際上，任何表面在物理特性與物質(zhì)結(jié)構(gòu)上都不是理想的朗伯體、另外，由于大氣散射的存在，鄰近像素的反射也會(huì)進(jìn)入目標(biāo)視場(chǎng)從而影響輻射量。n關(guān)于朗伯體：關(guān)于朗伯體：光線射到光滑的表面上，定向地發(fā)射出去；射到粗糙的表面上時(shí)，它將朝向所有方向漫射。一個(gè)理想的漫射面，應(yīng)是遵循

6、朗伯定律的，即不管入射光來自何方，沿各方向漫射光的發(fā)光強(qiáng)度總與cos成正比，從而亮度相同。積雪、刷粉的白墻或十分粗糙的白紙表面，都很接近這類理想的漫射面。這類物體稱為朗伯反射體。（3）地形因素的貢獻(xiàn)n目標(biāo)的高度和坡向會(huì)對(duì)輻射造成影響。（4）太陽輻射光譜的影響n太陽輻射通過大氣，一部分到達(dá)地面，稱為直接太陽輻射；另一部分為大氣的分子、大氣中的微塵、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太陽輻射一部分返回宇宙空間，另一部分到達(dá)地面，到達(dá)地面的這部分稱為散射太陽輻射。到達(dá)地面的散射太陽輻射和直接太陽輻射之和稱為總輻射。n太陽輻射通過大氣后，其強(qiáng)度和光譜能量分布都發(fā)生變化。到達(dá)地面的太陽輻射能量比大氣上界小

7、得多，在太陽光譜上能量分布在紫外光譜區(qū)幾乎絕跡，在可見光譜區(qū)減少40%，而在紅外光譜區(qū)增至60%。 n在地球大氣上界，北半球夏至?xí)r，日輻射總量最大，從極地到赤道分布比較均勻；冬至?xí)r，北半球日輻射總最小，極圈內(nèi)為零，南北差異最大。南半球情況相反。春分和秋分時(shí)，日輻射總量的分布與緯度的余弦成正比。南、北回歸線之間的地區(qū)，一年內(nèi)日輻射總量有兩次最大，年變化小。緯度愈高，日輻射總量變化愈大。 n到達(dá)地表的全球年輻射總量的分布基本上成帶狀，只有在低緯度地區(qū)受到破壞。在赤道地區(qū),由于多云，年輻射總量并不最高。在南北半球的副熱帶高壓帶，特別是在大陸荒漠地區(qū)，年輻射總量較大，最大值在非洲東北部。n在各種因素中

8、，大氣的影響要首先考慮。n大氣散射與吸收太陽的下行輻射和傳感器接收的上行輻射的光譜特性造成深刻的影響。n大氣影響使圖像表面的細(xì)節(jié)變模糊，大氣輻射校正的目的是消除這些影響，提高表面反演的準(zhǔn)確性。傳感器處的上行輻射量spsdsusLLLL為傳感器處的總上行輻射量，即傳感器接收到的輻射；為地表對(duì)太陽光的反射輻射；為地表對(duì)天空光的反射；為大氣向上散射的程輻射。sLsuLsdLspL傳感器接收的熱輻射總量epedeueLLLL為傳感器處的熱輻射總量，即傳感器接收到的熱輻射；為地表發(fā)熱；為大氣下行熱發(fā)射輻射被地表反射后的輻射；為大氣上行熱輻射。eLeuLdLepLe大氣傳輸模型n采用大氣光學(xué)參數(shù)n直接采用

9、大氣物理參數(shù)5.2 輻射誤差n傳感器所得到的目標(biāo)測(cè)量值與目標(biāo)的光譜反射率或光譜輻亮度等物理量之間的差值稱為輻射誤差。輻射誤差產(chǎn)生的原因(1) 傳感器的響應(yīng)特性(2) 大氣影響(3) 太陽輻射（1）傳感器的響應(yīng)特性n光學(xué)攝影機(jī)引起的輻射誤差:光學(xué)鏡頭的非均勻性引起的邊緣減光現(xiàn)象.n光電掃描儀引起的輻射誤差 光電轉(zhuǎn)換誤差 探測(cè)器增益變化誤差（2）大氣影響大氣的消光(吸收和散射)天空光(大氣散射的太陽光)路徑輻射n散射增加了達(dá)到衛(wèi)星傳感器的能量，從而降低了遙感圖像的反差，反差降低則降低了圖像的分辨率，因此必須進(jìn)行校正。n低分辨率圖像的空間范圍比較大，不能認(rèn)為圖像中各處的大氣散射是均勻的，需要進(jìn)行分區(qū)

10、校正。（3）太陽輻射n太陽位置(高度角和方位角)造成光照條件的差異引起的輻射誤差 太陽高度角較低時(shí)，圖像上會(huì)產(chǎn)生陰影壓蓋其他地物的圖像，造成同物異譜問題，影響遙感圖像的定量分析和自動(dòng)識(shí)別。n地形起伏引起的輻射誤差 地面傾斜度 由于地形的變化，在遙感圖像上會(huì)造成同類地物灰度不一致的現(xiàn)象。5.3 系統(tǒng)輻射誤差校正（1）光學(xué)鏡頭的非均勻性引起的邊緣減光現(xiàn)象的改正 由于透鏡光學(xué)特性的非均勻性，在成像面上邊緣部分比中間部分暗。（2）條紋n主要由檢測(cè)器引起。n常用消除方法：平均值法、直方圖法及在垂直掃描線方向上采用最鄰近點(diǎn)法或三次褶積法。條紋的判定和消除n圖像上出現(xiàn)的與輻射信息無關(guān)的線條噪聲，其特點(diǎn)：（1

11、）分布一般不規(guī)則（2）亮度值趨于極端（3）所在圖像標(biāo)準(zhǔn)差極易增大n找出條紋： 用相鄰行間像元的亮度差值是否超過某個(gè)預(yù)定閥值n消除條紋：將條紋上下相鄰兩掃描行對(duì)應(yīng)像元亮度值取平均值。用最鄰近點(diǎn)法或三次卷積法確定條紋上相應(yīng)像元亮度值。條紋誤差校正結(jié)果條帶噪聲的去除（3）斑點(diǎn)n由噪聲或磁帶的誤碼率等造成，在圖像中往往是分散和孤立的。斑點(diǎn)的判定和消除n斑點(diǎn)的判定：可通過將圖像像元亮度值與其鄰近像元亮度值比較來判定 鄰點(diǎn)，鄰點(diǎn)像元灰度值之差 闕值 平均值濾波法或三次卷積法校正等n消除斑點(diǎn)的新亮度值的計(jì)算方法（4）灰度一致化n進(jìn)行圖像拼接時(shí)，由于圖像不是同一天拍攝的，天氣、植被、日照條件均會(huì)發(fā)生變化，存在

12、灰度狀況（大小、分布）不一致的問題，需要對(duì)遙感圖像進(jìn)行灰度一致化。通常有兩種方法。n注意：在灰度一致化前，圖像該完成了幾何精校正，具有相同的地理坐標(biāo)。1）等概率變換n設(shè)有F、G兩張圖像，F(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)圖像G上與F上重疊部分的灰度值小于gi的的像素百分?jǐn)?shù)為P，對(duì)應(yīng)在圖像F上占有同樣百分?jǐn)?shù)P的像素灰度值為fi，變換關(guān)系gi = fi就是修正的結(jié)果；類似可以找出圖像G上所有重疊部分g值應(yīng)變?yōu)間 g。完成變換。2）線性變換n在兩張圖像的重疊部分取出相對(duì)應(yīng)的n個(gè)點(diǎn)，并利用這些點(diǎn)建立線性回歸方程，然后利用該方程，以其中一幅圖像為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算另一幅圖像的值，即可達(dá)到兩幅圖像的灰度一致化。nn足夠大時(shí)有精度5.4

13、傳感器端的輻射校正n傳感器端的輻射校正對(duì)于衛(wèi)星遙感圖像來說，又稱為大氣頂面輻射校正或大氣上界輻射校正.為什么進(jìn)行傳感器端的輻射校正？n在掃描方式的傳感器中，傳感器收集到的電磁波信號(hào)需要經(jīng)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)記錄下來。該信號(hào)量化后成為離散的灰度級(jí)別，僅在圖像中具有相對(duì)大小的意義，沒有物理意義。不同的傳感器間、同一傳感器不同日期產(chǎn)生的圖像中都可能存在偏差，需要對(duì)傳感器定標(biāo)校正后才能進(jìn)行比較。傳感器端的輻射校正的原理n利用已經(jīng)建立的地物反射率與遙感圖像像素之間的關(guān)系，通過遙感圖像的像素值計(jì)算傳感器端的像素的反射率。一般通過輻射定標(biāo)來完成。n輻射校正的結(jié)果可以是輻亮度也可以是反射率。（1）可見光和

14、近紅外波段的輻射定標(biāo) 在衛(wèi)星飛越大面積均勻試驗(yàn)場(chǎng)地上空同時(shí)，在若干選好的象元內(nèi)測(cè)定探測(cè)器對(duì)應(yīng)波段內(nèi)的地物反射率，同時(shí)測(cè)出氣象要素和大氣光學(xué)特性。再根據(jù)衛(wèi)星過頂時(shí)太陽幾何位置、儀器視場(chǎng)角、探測(cè)器光譜響應(yīng)函數(shù)等，通過大氣輻射傳輸模式正演出到達(dá)傳 感器入瞳處各光譜通道的輻射亮度各光譜通道的輻射亮度。 （2）紅外波段的輻射校正n傳感器入瞳處接受的總輻射由3部分組成：通過大氣向上傳輸?shù)闹苯拥孛孑椛洌挥纱髿庾陨硐蛏蟼鬏數(shù)妮椛?；大氣向下輻射到達(dá)地面再經(jīng)地面反射后通過大氣向上傳輸?shù)妮椛?。如選擇清潔水面為目標(biāo)，那么按線性模型處理為式中， 為紅外波段的校正系數(shù)，C為圖像灰度級(jí)。CAI*A（3）圖像的灰度級(jí)和輻亮度

15、n圖像上的像素值為灰度級(jí)n實(shí)際的電磁波輻射強(qiáng)度為輻亮度n在圖像數(shù)字化時(shí)，電磁波的輻亮度被量化為灰度級(jí)。而在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)榛叶燃?jí)沒有實(shí)際的物理意義，不同日期圖像對(duì)比和遙感定量反演時(shí)，需要將灰度級(jí)轉(zhuǎn)化為輻亮度。輻射定標(biāo)n在衛(wèi)星飛越試驗(yàn)場(chǎng)地上空時(shí)同時(shí),在若干選好的像素內(nèi)測(cè)定探測(cè)器對(duì)應(yīng)波段內(nèi)的地物反射率t，同時(shí)測(cè)出氣象要素和大氣光學(xué)特性.再根據(jù)衛(wèi)星過頂時(shí)太陽幾何位置,儀器視場(chǎng)角,探測(cè)器光譜響應(yīng)函數(shù)等通過大氣輻射傳輸模式正演出到達(dá)傳感器入瞳處各光譜通道的幅亮度Lt.n絕對(duì)輻射校正就是建立遙感器測(cè)量數(shù)字信號(hào)與對(duì)應(yīng)的輻射能量之間的數(shù)量關(guān)系。 對(duì)于一種遙感器來說，絕對(duì)輻射校正就是確定一個(gè)灰度值（DN）對(duì)應(yīng)多

16、少輻射度值（L），或者確定一個(gè)輻射值L對(duì)應(yīng)多少灰度值（DN），其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 DNa.L 或 Lb.DNn不同的傳感器有不同的校驗(yàn)參數(shù)，通常通過線性方程將傳感器的最小和最大的輻亮度與圖像的灰度級(jí)聯(lián)系起來，進(jìn)行轉(zhuǎn)換。n波段不同，傳感器可以探測(cè)的最小和最大的輻亮度值不同。n對(duì)于8位量化（量化級(jí)數(shù)）為256的圖像，基本的轉(zhuǎn)換方程如下所示：nL為圖像的輻亮度；Lmin和Lmax分別為最小和最大灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的輻亮度；DN為圖像中像素的灰度級(jí)。minminmax255/ )(LDNLLLGain，增益Bias，偏置n對(duì)于8位量化圖像，圖像幅亮度 Lt=（Lmax-Lmin)/255X DN+LminnLt為

17、圖像的輻亮度；Lmin為最小灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的輻亮度；Lmin為最大灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的輻亮度；DN為像素對(duì)應(yīng)的灰度級(jí)。n傳感器的輻亮度參數(shù)可以在圖像的元數(shù)據(jù)文件中找到。Landsat5的TM圖像輻射校正幅亮度 L=Gain * DN+BiasnGain為增益，增益=（Lmax-Lmin)/255，Lmax和Lmin分別為最大和最小光譜輻射值，Bias為偏置，偏置=Lmin。n隨著時(shí)間變換，傳感器的校正參數(shù)誤差也會(huì)發(fā)生變化。5.5 大氣校正n消除由大氣散射引起的輻射誤差的處理稱為大氣校正。在前期的大氣校正中主要 指對(duì)天空散射光的校正（程輻射校正）。n遙感圖像中，衛(wèi)星遙感圖像需要進(jìn)行大氣校正；航空攝影獲取的圖

18、像，根據(jù)飛行高度的情況可以不進(jìn)行大氣校正。大氣校正的3種方法n統(tǒng)計(jì)學(xué)方法：將野外實(shí)測(cè)的大氣影響的測(cè)量值與傳感器同步觀測(cè)結(jié)果回歸分析n輻射傳遞方程：測(cè)量大氣參數(shù)，按理論公式求得大氣干擾輻射量；n波段對(duì)比法：在特殊條件下，利用某些不受大氣影響或影響很小的波段校正其他波段。n一般采用波段對(duì)比法5.5.1統(tǒng)計(jì)學(xué)方法n通過將野外實(shí)地波譜測(cè)試獲得的無大氣影響的輻射值與衛(wèi)星傳感器同步觀測(cè)對(duì)應(yīng)象元亮度值進(jìn)行回歸分析計(jì)算確定輻射誤差校正量。5.5.2輻射傳遞方程算法n測(cè)量大氣參數(shù)，按理論公式求得大氣干擾輻射量。 n 為大氣的衰減系數(shù)；E0為地面目標(biāo)的輻射能量；H為傳感器的高度（高度為H的大氣）；E為傳感器測(cè)到的

19、電磁波能量。n在可見光和近紅外區(qū)，大氣的影響主要是由氣溶膠 引起的散射造成的；在熱紅外區(qū)，大氣的影響主要 是由水蒸氣的吸收造成的。 需要測(cè)定可見光和近紅外區(qū)氣溶膠的密度、熱紅外區(qū)水蒸氣濃度參數(shù)。常用大氣模型n商業(yè)模型：ACTOR（Erdas和Geomatica）、Flaash（ENVI）n公共模型：6S模型6S模型是目前世界上發(fā)展比較完善的大氣輻射校正模型之一。由5S模型改進(jìn)而來，適合于可見光-近紅外的多角度數(shù)據(jù)。該模型考慮了地表非朗伯體情況，解決了BRDF與大氣相互耦合的問題，通過使用較為精確的近似方程以及“SOS”算法，提高了瑞利散射和米氏散射的計(jì)算精度，顯著簡(jiǎn)化了計(jì)算，同時(shí)模型支持的光譜

20、分辨率達(dá)到2.5nm。n利用輻射傳遞方程同城只能得到近似解，改進(jìn)的方法是在獲取圖像的同時(shí)，利用搭載在同一平臺(tái)的其他傳感器獲取氣溶膠密度和水蒸氣密度數(shù)據(jù)，然后利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。5.5.3 波段對(duì)比法n在特殊條件下，利用某些不受大氣影響或影響很小的波段來校正其他波段。n 理論依據(jù)：大氣散射影響對(duì)波長(zhǎng)的選擇性。波長(zhǎng)越長(zhǎng)的波段受大氣散射影響越小。n大氣散射輻射度主要來自米氏散射（塵埃、小水滴及氣溶膠等影響），其散射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的增大而減小，到紅外波段也有可能接近于零。n以Landsat衛(wèi)星為例，其TM2，3，4都會(huì)受到大氣散射的影響，而TM5，7幾乎不受大氣散射的影像，能夠較為正確地反映地物波譜的實(shí)

21、際情況。因而可以使用同步獲得的TM7波段來對(duì)其他幾個(gè)波段圖像進(jìn)行輻射校正。實(shí)現(xiàn)方法（一）回歸分析法n在TM圖像中，藍(lán)光波段的B1大氣散射最大，B7大氣散射最小。圖像中的深的大面積水體與地形陰影在B7中是黑色的，如果不存在附加的輻射，這些水體與陰影在其他波段也應(yīng)該是黑的，B1與B7應(yīng)該具有比例關(guān)系。n若對(duì)B1進(jìn)行校正，首先在B1上得最黑區(qū)域中選擇一系列目標(biāo)，以這兩個(gè)波段做散點(diǎn)圖，并作回歸分析，以確定偏移量。實(shí)現(xiàn)方法（二）直方圖法n基本思想：每幅圖像上都有輻射亮度或反射亮度 應(yīng)為0的地區(qū)，而事實(shí)上并不等于0,說明亮度最小 值必定是這一地區(qū)大氣影響的程輻射度增值。 n校正方法：將每一波段中每個(gè)像元的

22、亮度值都減 去本波段的最小值使圖像亮度動(dòng)態(tài)范圍得到改善，對(duì)比度增強(qiáng)，從而提高了圖像質(zhì)量。 5.6 地面輻射校正n太陽輻射校正n地形輻射校正5.6.1太陽輻射校正n主要是校正太陽高度角導(dǎo)致的輻射誤差。即：將太陽光線傾斜照射時(shí)獲取的圖像校正為太陽垂直照射時(shí)獲取的圖像。公式法 其中， 為太陽高度角，g(x,y)為太陽高度角 時(shí)的圖像，f(x,y)為太陽直射時(shí)的圖像。波段比值法：用同步獲取的相同地區(qū)的任意兩個(gè)波段圖像相除得到的新圖像。sin),(),(yxgyxf64(1) 不同太陽高度角校正 為太陽高度角 f(i，j)為校正前圖像在(i，j)像元點(diǎn)的灰度值； f(i，j)為校正后圖像在(i，j)像元點(diǎn)的灰度值； (2) 不同像幅的照度校正 5.6.2 地形輻射校正n地形不平坦，受坡度和坡向的影像，傳感器獲得的能量會(huì)發(fā)生變化。n地形校正需要有地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，對(duì)于高山峽谷地區(qū)的圖像，地形校正是非常必要的。地形起伏引起的輻射誤差校正基本思想是把起伏的地形校正到水平地面的狀況。I0I設(shè)光線垂直入射時(shí)水平地表收到的光照強(qiáng)度為I0，則光線垂直入射時(shí)坡度為的坡面入射點(diǎn)的光強(qiáng)度I為：cos0 II處在坡度為的坡面上的圖像g(x,y