1、大氣校正（ENVD大氣校正是定量遙感中重要的組成部分。本專題包括以下內容：大氣校正概述ENVI中的大氣校正功能1大氣校正概述大氣校正的目的是消除大氣和光照等因素對地物反射的影響，廣義上講獲得地物反射率、輻射率或者地表溫度等真實物理模型參數；狹義上是獲取地物真實反射率數據。用來消除大氣中水蒸氣、氧氣、二氧化碳、甲烷和臭氧等物質對地物反射的影響，消除大氣分子和氣溶膠散射的影響。大多數情況下，大氣校正同時也是反演地物真實反射率的過程。圖1大氣層對成像的影響示意圖很多人會有疑問，什么情況下需要做大氣校正，我們購買或者其他途徑獲取的影像是否做過大氣校正。通俗來講，如果我們需要定量反演或者獲取地球信息、精

2、確識別地物等，需要使用影像上真實反映對太陽光的輻射情況，那么就需要做大氣校正。我們購買的影像，說明文檔中會注明是經過輻射校正的，其實這個輻射校正指的是粗的輻射校正，只是做了系統大氣校正，就跟系統幾何校正的意義是一樣的。目前，遙感圖像的大氣校正方法很多。這些校正方法按照校正后的結果可以分為2種：絕對大氣校正方法：將遙感圖像的DN(DigitalNumber)值轉換為地表反射率、地表輻射率、地表溫度等的方法。相對大氣校正方法：校正后得到的圖像，相同的DN值表示相同的地物反射率，其結果不考慮地物的實際反射率。常見的絕對大氣校正方法有：基于輻射傳輸模型MORTRANB型LOWTRANB型ATCO旗型6

3、s模型等基于簡化輻射傳輸模型的黑暗像元法基于統計學模型的反射率反演；相對大氣校正常見的是：基于統計的不變目標法直方圖匹配法等。既然有怎么多的方法，那么又存在方法選擇問題。這里有一個總結供參考：1、如果是精細定量研究，那么選擇基于基于輻射傳輸模型的大氣校正方法。2、如果是做動態監測，那么可選擇相對大氣校正或者較簡單的方法。3、如果參數缺少，沒辦法了只能選擇較簡單的方法了。2ENVI大氣校正功能在ENVI中包含了很多大氣校正模型，包括基于輻射傳輸模型的MORTRAN模型、黑暗像元法、基于統計學模型的反射率反演。基于統計的不變目標法可以利用ENVI一些功能實現。其中MORTRAN莫型集成在ENVI大

4、氣校正擴展模塊中。還有直方圖匹配等。2.1 簡化黑暗像元法大氣校正黑暗像元法是一種古老、簡單的經典大氣校正方法。它的基本原理是在假設待校正的遙感圖像上存在黑暗像元、地表朗伯面反射和大氣性質均一，并忽略大氣多次散射輻照作用和鄰近像元漫反射作用的前提下，反射率很小（近似0）的黑暗像元由于大氣的影響，使得這些像元的反射率相對增加，可以認為這部分增加的反射率是由于大氣影響產生的。這樣，將其他像元減去這些黑暗像元的像元值，就能減少大氣（主要是大氣散射）對整幅影像的影響，達到大氣校正的目的。整個過程的關鍵是尋找黑暗像元以及黑暗像元增加的像元值。ENVI下的DarkSubtract工具提供選擇波段最小值、R

5、OI的平均值、自定義值三種方式確定黑暗像元的像素值。操作過程如下:(1)打開待校正圖像文件。(2)在主菜單中，選擇BasicTools->Preprocessing->GeneralPurposeUtilities->DarkSubtract,在文件選擇對話框中選擇待校正圖像文件，單擊OK按鈕，打開DarkSubtractionParameters面板。(3)在DarkSubtractionParameters面板中，確定黑暗像素值包括三種方法(SubtractionMethod):波段最小值(BandMinimum)ROI的平均值(RegionOfInterest)自定義值

6、(UserValue)(4)在OutputResultto中選擇File以及相應的輸出路徑和文件名，單擊OK執行操作。圖2DarkSubtractionParameters面板(BandMinimum)2.2基于統計學模型的反射率反演基于統計學模型的反射率反演的方法主要有平場域法(FlatField,FF)、對數殘差法(LogResiduals、內部平均法(InternalAverageRelativeReflectance,IARR)、經驗線性法(EmpiricalLine)。集中在BasicTools->Preprocessing->CalibrationUtilities菜單

7、下。1 .平場域法(FlatField)FlatField定標工具通過選擇圖像中一塊具有高反射率、光譜變化平坦的區域，利用這個區域的平均光譜值來模擬飛行時的大氣條件下的太陽光譜。將每個像元的DN值除以選擇區域的平均光譜值得到相對反射率，以此來消除大氣的影響。在使用這個工具前，需要利用ENVI提供的感興趣區繪制工具(ROITool)在被定標圖像上選擇感興趣區作為平場域(FlatField),感興趣區可選擇沙漠、大塊水泥地、沙地等區域。2 .對數殘差(LogResiduals對數殘差定標工具將數據除以波段幾何均值，后再除以像元幾何均值，可以消除光照、大氣傳輸、儀器系統誤差、地形影響和星體反照率對數

8、據輻射的影響。定標結果的值在1附近。3 .內部平均法(InternalAverageRelativeReflectangelARR)IAR(InternalAverageRelative)Reflectance定標工具假定整幅圖像的平均光譜基本代表了大氣影響下的太陽光譜信息。把圖像DN值與整幅圖像的平均輻射光譜值相除，得到的結果為相對反射率。該工具特別適用于沒有植被的干旱區域。4 .經驗線性法(EmpiricalLine)EmpiricalLine定標方法是假設圖像DN值與反射率之間存在線性關系：反射率=增益*DN值+偏移利用兩個已知點的地面反射光譜值，再計算圖像上對應像元點的平均DN值，然后

9、利用線性回歸求出增益和偏移值，建立DN值與反射率之間的相互關系式，進行反射率的定標。消除了太陽輻亮度和大氣程輻射。ENVI的EmpiricalLine定標工具要求至少需要一個已知區域的地面反射光譜值(FieldSpectra)作為參照波譜，以及圖像上對應像元點的波譜曲線(DataSpectra)。它們可以來自波譜剖面或波譜曲線、波譜庫、感興趣區、統計文件和ASCII文件。輸入的波譜將自動被重采樣，以與選擇的數據波長相匹配。也可以用已經存在的系數對數據集進行定標。2.3不變目標法相對大氣校正相對大氣校正按照數學基礎可以分為2種，非線性校正法和線性校正法。非線性校正法最典型的是直方圖匹配，圖像的直

10、方圖是圖像中所有灰度值的概率分布。即將校正圖像的直方圖與參考圖像的直方圖進行匹配，使兩幅圖像具有相同或相近的灰度值概率分布，達到兩幅圖像上同名地物具有相同灰度值的目的。利用ENVI中HistogramMatching工具(Display中，Enhance->HistogramMatching)線性校正法有個前提假設：不同時相的圖像灰度值之間滿足線性關系，這種假設在近似情況下是成立的。這樣就可以通過線性等式來描述不同時相間的灰度關系，用x表示參考圖像，y表示待校正圖像，他們之間的線性關系可描述為：y=ax+b(式1)其中：a、b為線性等式中的參數，即為增益和偏移量。根據前述原理，完成線性相

11、對校正需要以下3個步驟：第一步，在兩幅圖像中搜尋相對固定目標即光譜穩定的地物樣本點，即偽不變特征要素(PIF：Pseudo-InvariantFeatures）;第二步，運用這些偽不變特征點的DN值，利用線性回歸的方法求解式（13.6）中的參數，得到圖像間的線性關系；第三步，根據該關系式，通過波段運算，得到與參考圖像具有相同或相近輻射值的結果圖像，完成相對大氣校正。整個過程的關鍵是PIF的選擇。下面以兩個不同大氣環境下成像、已經經過精確配準、ENVI標準格式的LandsatTM5數據為例（2000年和2001年），介紹線性校正法的操作步驟：第一步：PIF選擇選擇一幅目視質量較好的圖像作為基準圖

12、像（2001年），另外一幅作為待校正圖像（2000年）。在兩個圖像上選擇相同區域的瀝青房頂、礫石面、混凝土停機坪、潔凈水體、混凝土、沙地等地物作為PIF,這些地物不會隨時間的變化而變化。（1）在主模塊中，選擇File->OpenImageFile,打開兩幅圖像，并在Display中顯示。（2）在其中一幅影像上點擊右鍵，從快捷菜單中選擇GeographicLink,將顯示的兩幅影像地理鏈接。（3）在顯示2000年圖像的主圖像窗口中，選擇Overlay->RegionofInterest,打開ROITool面板。（4）通過目視方式，從兩幅圖像找到光譜穩定、相同地物作為樣本，用Polyg

13、on或者Point類型繪制感興趣區。（5）在繪制一定數量感興趣后（不宜太多，太多后面的回歸運算量會很大），在ROITool面板中，選擇File->OutputROIstoASCIL（6）回到ROITool面板中,選擇Options->ReconcileROIsviaMap,將前面繪制的ROI轉接到2001年的圖像上，類似（5）步的方法將基準圖像的ROI內對應像素位置和像元值輸出為文本文件。分別用記事本打開上面步驟得到兩個文本文件，這樣我們得到了2000年的圖像和2001年的圖像相對應偽不變特征要素（PIF）的像素值。從文本文件中可以看到，兩個時相圖像中每一個波段的像素值是一一對應關

14、系，剛好對應式1中的x和y。第二步中就是利用這些像素值，根據最小二乘回歸分析法獲得式13.6中的a和b兩個參數。第二步、線性關系式求解使用最小二乘回歸的方法來求解線性回歸式a和b參數，如表1。表1回歸解算的a和b值波段增益（a）偏移（b）Band11.02-34Band21.22-18Band30.92-9Band41.21-16Band50.994Band70.943第三步、線性變換利用表1中的a和b值，在ENVI的BandMath工具對待校正圖像做線性變換，然后利用LayerStacking工具將線性變換結果組合成一個多波段文件。不變目標法相對大氣校正操作過程已經完成。2.4熱紅外大氣校正

15、ENVI提供ThermalAtmCorrection工具，可以近似去除熱紅外輻射數據中的大氣影響。在進行大氣校正之前，為了得到最好的結果，必須將熱紅外數據定標為比輻射率數據（TIMS的熱紅外數據必須被轉化為輻射亮度數據），并且待校正數據波長在8-14µm之間。下面以ASTERL1A勺熱紅外波段為例，操作過程如下：（1）打開ASTER在波段列表中按N波長自動歸為4組，2組可見光-近紅外（VNIR）、短波紅外（SWIR和熱紅外（IIR）,并根據頭文件信息自動定標為輻射亮度值（單位W/（m2*µm*sr）。（2）在主菜單中，從以下列表中選擇一種方式BasicT

16、ools->Preprocessing->CalibrationUtilities->ThermalAtmCorrectionBasicTools->Preprocessing->Data-SpecificUtilities->ThermalIR->ThermalAtmCorrectionBasicTools->Preprocessing->Data-SpecificUtilities->TIMS->ThermalAtmCorrection在ThermalCorrectionInputFile對話框中，選擇熱紅外數據(Wavel

17、ength:8.291to11.318)。(3)在ThermalAtmCorrectionParameters面板中(圖3),需要填寫以下參數：數據縮放系數(DataScaleFactor：1。將輸入數據的單位縮放為W/(m2*µm*sr)。波長單位(WavelengthUnits):Micrometers。設定表面溫度估算衰退像元(RegressionPixels:All選擇“All”，將使用整個輸入波長范圍內的亮度溫度最大值對每個像元的表面溫度進行估算。選擇“MaxHit”，僅對那些在特定波長具有最大亮度溫度值的像元進行表面溫度估算，所說的特定波長是指包含最多具有最大亮

18、度溫度的像元的波長范圍。散點圖擬合技術(FittingTechnique):TopofBins選擇“TopofBins”，將會使曲線向輻射率與亮度溫度的散點圖的上部擬合，散點圖的上部對應著發射率接近1的像元，使用該技術的擬合線是通過對散點圖上部5%的數據做了標準的最小平方回歸得到的。(注：該技術易受發生在散點圖頂部區域的傳感器噪聲的影響)選擇NormalizedRegression!,將會先使用標準的最小平方回歸把曲線向輻射率與亮度溫度的散點圖擬合，然后將擬合線的殘差與正態概率分布圖相比較，在正態圖中對殘差再進行另一個回歸，NESR(noiseequivalentsensorresponse距

19、離的點將被認為是奇異點而被刪除，最后利用減少的像元集在散點圖上進行一個最終的回歸。(注：該方法使用散點圖中除奇異點以外的所有點，并且不僅僅把曲線向散點圖的上部(發射率近似為1)擬合)設置輸出增益與偏移參數為文件(OutputGain/OffsetFile):可選。設置是否繪制大氣透射和上行輻射光譜結果(PlotTransmission/Upwelling?)：Yes(4)選擇結果輸出路徑及文件名，單擊OK執行校正過程。圖3ThermalAtmCorrectionParameters面板2.5 QUAC快速大氣校正工具快速大氣校正工具（簡稱QUA。自動從圖像上收集不同物質的波譜信息，獲取經驗值完

20、成高光譜和多光譜的快速大氣校正（圖4）。它得到結果的精度近似FLAASHK者其他基于輻射傳輸模型的+/-15%。目前它支持的多光譜和高光譜波譜范圍是（0.42.5hm）感器包括AISA,ASAS,AVIRIS,CAPARCHER,COMPASS,HYCAS,HYDICE,HyMap,Hyperion,IKONOS,LandsatTM,LASH,MASTER,MODIS,MTI,QuickBird,RGBunknownsensor。圖4快速大氣校正流程圖QUAC的輸入數據可以是輻射亮度值、表觀反射率、無單位的raw數據。可以是任何數據儲存順序（BIL/BIP/BSQ和儲存類型，多光譜和高光譜傳感

21、器數據的每個波段必須有中心波長信息。QUAC的操作非常簡單，如下：(1)在ENVI主菜單中，選擇以下方式啟動BasicTools->Preprocessing->CalibrationUtilities->QUickAtmosphericCorrectionSpectral->QUickAtmosphericCorrectionSpectral->Preprocessing->CalibrationUtilities->QUickAtmosphericCorrection在文件輸入對話框中選擇校正的圖像文件。(2)打開QUickAtmosphericC

22、orrectionParameters面板(圖5),在SensorType中選擇相應的傳感器類型，選擇文件名和路徑輸出。圖5QUickAtmosphericCorrectionParameters面板2.6 FLAASH大氣校正FLAASH是基于MODTRAN4硼射傳輸模型，MODTRAN模型是由進行大氣校正算法研究的領先者SpectralSpectralSciences,Inc和美國空軍實驗室(AirForceResearchLaboratory)共同研發。ITTVIS公司負責集成和GUI設計。1 .FLAAS幅點支持傳感器種類多，包括多光譜的ASTERAVHRRGeoEye-1,IKONO

23、SIRSLandsalt,MODIS,SeaWiFSSPOTQuickBird,RapidEye等，高光譜HyMAP、AVIRISCASIHYDICEHYPERION(EO-1)AISA等。可以通過自定義波譜響應函數支持更多的傳感器。工程化應用價值比較明顯。FLAASH5用了MODTRAN4喃射傳輸模型，該算法精度高。任何有關影像的標準MODTRAN大氣模型和氣溶膠類型都可以直接使用。通過影像像素光譜上的特征來估計大氣的屬性，不依賴遙感成像時同步測量的大氣參數數據。可以有效地去除水蒸氣/氣溶膠散射效應，同時基于像素級的校正，矯正目標像元和鄰近像元交叉輻射的“鄰近效應”。對由于人為抑止而導致波譜

24、噪聲進行光譜平滑處理。作為結果，除了真實地表反射率外，還可以得到整幅圖像內的能見度、卷云與薄云的分類影像、水氣含量數據。2 .使用ENVI大氣校正模塊ENVI大氣校正模塊的使用主要又以下7個方面組成：1、輸入文件準備，2、基本參數設置，3、多光譜數據參數設置，4、高光譜數據參數設置，5、高級設置，6、輸出文件，7、處理結果。下面介紹這7個方面內容。(一)輸入文件準備1)支持傳感器類型高光譜包括：HyMAP、AVIRISCASlHYDICEHYPERION(EO-1)AISA等；多光譜包括：ASTERAVHRRGeoEye-1,IKONOSIRS,Landsat,MODIS,SeaWiFSSPO

25、TQuickBird,RapidEye等,航空：860nm-1135nm波長范圍2）數據是經過定標后的輻射亮度（輻射率）數據，單位是：（nW）/（cm2*nm*sr）。3）數據帶有中心波長（wavelenth）值，如果是高光譜還必須有波段寬度（FWHM），這兩個參數都可以通過編輯頭文件信息輸入（EditHeader）。4）數據類型支持四種數據類型：浮點型（floating）、長整型（longinteger卜整型（integer）和無符號整型（unsignedint）。數據存儲類型：ENVI標準柵格格式文件，且是BIP或者BIL。5）波譜范圍：flaash能夠做的數據光譜范圍是0.42500仙m

26、。（二）基本參數設置1）輸入文件及輸出路徑設置，如圖6所示。2）傳感器基本信息設置選擇傳感器類型，成像中心點經緯度，成像時間，高度信息（成像區域和傳感器飛行高度），傳感器這些都可以在數據自帶信息文件里獲得，需要注意的是南半球和西半球要用負值。圖6基本參數設置3)大氣模型(AtmosphericModel)提供6種大氣模型，如表2所示，可根據緯度和成像季節對照表3查找對應的大氣模型。WaterVaporModelAtmosphereWaterVapor(g/cm2)SurfaceAirTemperature(stdatm-cm)Sub-ArcticWinter(SAW)5180.42-160Co

27、r30FMid-LatitudeWinter(MLW)10600.85-10Cor300FU.S.Standard(US)17621.42150Cor590Sub-ArcticSummer(SAS)25892.08140Cor570Mid-LatitudeSummer(MLS)36362.92210Cor700Tropical(T)51194.11270Cor80°表2六種標準的大氣模型Latitude(0N)Jan.MarchMayJulySept.Nov.80SAWSAWSAW(/MLWMLWSAW70SAWSAWMLWVMLWMMLWSAW60MLW/MLWMLVVSASSAS

28、MLW50MLWMLWSASSASSASSAS40SASSASSASMLSMLSSAS30MLSMLSMLSTTMLS20TTTTTT10TTTTTT0TTTTTT-10TTTTTT-20TTTMLSMLST-30MLSMLSMLSMLSMLSMLS-40SASSASSASSASSASSAS-50SASSASSASMLWMLWSAS-60MLWMLWMLWMLWMLWMLW-70MLWMLWMLWMLWMLWMLW-80MLWMLWMLWSAWMLWMLW表3數據經緯度與獲取時間對應的大氣模型4）水氣反演WaterRetrieval水氣反演設置，采用兩種方式對水氣進行反演：a）利用水氣反演模型

29、恢復影像中每個像元的水氣量使用水氣反演模型，數據必須具有15nm以上波譜分辨率，且至少覆蓋以下波譜范圍之一：1050-1210nm（對應1135nm）870-1020nm（對應940nm）770-870nm（對應820nm）對于大多數多光譜傳感器，水氣反演默認顯示的是NO,因為大多數傳感器沒有適當的波段來補償水氣的影響。b）單一的水氣因數用于整體影像，默認是1,對于多光譜數據使用水氣反演模型，可以在多光譜設置中手動設置水氣波段5）氣溶膠模型（AerosolModel）a）提供四種標準MODTRAN氣溶膠模型Rural（鄉村）、Urban（城市）、Maritime（海洋）、Tropospheri

30、c（對流層，能見度在40km以上）b）兩種氣溶膠反演方法2-Band（K-T）方法（類似模糊減少法），如果沒有找到適應的黑值（一般是陰影區或者水體），系統將采用能見度值來計算；所以即使選擇了該選項也要給能見度。選擇None,采用能見度值參與氣溶膠反演，能見度值大約參考值參見表4天氣條件能見度晴朗40to100km中等霧、陰霾20to30km厚霧、陰霾15km或者更少表4天氣條件與能見度對照表6）光譜打磨（高光譜）SpectralPolishing使波譜曲線對高光譜數據的光譜進行打磨處理，對波譜曲線進行微調,更加近似于真實地物的波譜曲線。7）重新定標波長（RecalibratingtheInpu

31、tWavelengths）各個波段的中心波長對大氣校正結果影像比較大。（三）多光譜數據參數設置當基本設置里設置了水氣反演以及氣溶膠反演，相應的要在此設置相關參數（單擊MultispectralSettings）。有兩種設置方式：文件方式和圖形方式，一般選擇圖形方式。1）水氣反演模型參數absorption1117-1143nmWaterRetrievalreferenceupperwing1184-1210nmreferencelowerwing1050-1067nmabsorption935-955nm940nmreferenceupperwing870-890nmreferencelowerwing995-1020nmabsorptio