6S辐射传输模型在校正哈尔滨市遥感

6S辐射传输模型在校正哈尔滨市遥感 第31卷第2期2008年4月 测绘与空间地理信息 GEOMATICS&SPATIALINFORMATIONTECHNOLOGY Vol.31,No.2Apr.,2008 6S辐射传输模型在校正哈尔滨市遥感图像中的应用 王　岩,范文义,杨爱玲 1 1 2 (1.东北林业大学林学院,黑龙江哈尔滨150040; 2.国家测绘局黑龙江基础地理信息中心,黑龙江哈尔滨150086) 摘要:由于遥感器在空中获取地 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 信息过程中,受到大气成分吸收与散射的影响,测量值发生辐射失真。本文 通过分析大气成分对辐射传输的影响,探讨遥感图像处理中大气校正的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。关键词:大气效应;大气校正方法;定量遥感;6S模型中图分类号:TP751　　　文献标识码:B　　　文章编号:1672-5867(2008)02-0016-04 TheApplicationof6SModelsforng Renin,FANWen-yi,YANGAi-ling 1 1 2 (1.NorthEastForestryUniversity,Harbin150040,China;2.HeilongjiangGeomaticsCenterofSBSM,Harbin150086,China) Abstract:Themeasurementsofremotesensingimageexistedradiationdistortionduetotheeffectsofatmosphereabsorptionandscat2teringduringacquiringtheinformationofearthsurfacebysensors.Thispaperdiscussedtheatmosphericcorrectionmethodsinthere2motesensingimageprocessingthroughanalyzingtheeffectsofatmosphericcompositionstoradiativetransfer.Keywords:atmosphericeffect;atmosphericcorrectionmethod;quantitativeremotesensing;6Smodel 0　引　言 随着遥感技术的不断发展,人们对遥感信息的质量 要求也提出新的需求。从以前定性的目视解译和自动的计算机解译等方法逐渐向着遥感信息定量化的方向发展。定量遥感应用的基础是遥感地表应用参数的定量反演。定量遥感反演研究必须从遥感器所接收到的大气-陆地混合信号中提取出陆表目标物体的可见部分,消除所观察目标非相关的信息。因此,研究大气在遥感成像过程中的作用是定量遥感研究的前提。 化主要受到大气主要成分的影响。大气主要成分可分为两类:气体分子和其他微粒。它们对电磁辐射具有吸收与散射作用。 在太阳光谱中,大气分子吸收主要受氧气、臭氧、水汽、二氧化碳、甲烷和二氧化氮等气体的影响。大气中的粒子与细小微粒如烟、尘埃、雾霾、小水滴及气溶胶等对大气具有散射作用 [1] 。 1.2　大气成分在遥感成像中的作用 由于上述大气成分的影响,传感器在接受地物辐射信息的同时也接受了散射所造成的非地物辐射能,从而使得遥感图像对比度下降,导致图像犹如蒙上一层薄纱一样不清晰。某地物目标如图1所示,中心为黑,周围为白。若在地面直接测得的亮度(无大气散射影响)是:最大亮度值为5,最小亮度值为2,则反差比为　Cv=最大亮度值==2.5。若使用有散射作用的遥感影像, 最小亮度值2 设散射光附加的亮度值为5,则此时反差比为Cv= =2+5 1　大气对遥感图像的影响 1.1　大气成分对辐射传输的影响 太阳辐射有时习惯称作太阳光,太阳光通过地球大气照射到地面,经过地面物体反射又返回,再经过大气到达航空或航天遥感平台,被安装在平台上的传感器接收。这时传感器探测到的地表辐射强度与太阳辐射到达地球大气上空时的辐射强度相比,已有了很大的变化,这种变 收稿日期:2008-02-18 基金项目:地球观测与导航技术领域森林生物量碳储量遥感定量反演及分析技术课题研究项目(2006AA12Z104)资助作者简介:王　岩(1983-),女,蒙古族,内蒙古赤峰人,在读硕士研究生,研究方向为遥感和GIS应用。 第2期王　岩等:6S辐射传输模型在校正哈尔滨市遥感图像中的应用17 1.4。对两种情况进行比较,可见光使得反差比下降,它使 2.3　大气辐射传输模型法 利用基于复杂的辐射传输方程建立起来的大气校正模型校正方法是精度较高的一种方法。应用大气辐射传 输模型进行遥感影像大气校正需要解决两个关键问题:一是有关大气介质特征数据的获取;二是适用的大气辐射传输模型的研究。有了大气成分的光学特征值(大气模型、气溶胶模型),输入大气辐射传输方程,则可精确计算出大气校正参数(如大气透过率、程辐射)的数值解,再通过计算每个像元的反射值,完成对整幅图像的校正。 目前,国内外学者研发了多种不同类型的大气辐射传输模型,其中广泛应用的是LOWTRAN,MODTRAN,6S大气辐射近似计算模型。在本文中应用6S模型对实验区域进行大气校正。 得图像的分辨率降低,必须进行大气校正 [2] 。 图1　散射对对比度的影响 Fig.1　Theeffectsofscatteringtocontrast 3　2　大气校正的方法 为两种,校正的过程,[3] 正方法。126°20′～ °′～45°30′之间,是中国东北北部最大 ,位于黑龙江省中南部,地处松嫩平原的东部。所使用的遥感数据为1998年10月7日记录的land2 sat-5的TM影像(轨道号为117/28),利用哈尔滨市地形 2.1　基于图像特征的相对校正法 从理论上讲,基于图像特征的大气校正方法都不需 要进行实际地面光谱及大气环境参数的测量,而是直接从图像特征本身出发消除大气影响,进行反射率反演,基 [4] 本属于数据归一化的范畴。目前比较常用的方法有黑暗像元法、直方图匹配法和不变目标法。 黑暗像元法其关键技术在于遥感图像中黑暗像元值 [5] 的有效确定和大气校正模型的适当选择。利用黑暗像元值计算出程辐射,并代入适当的大气校正模型,获得相应的参数后,通过计算就得到了地物真实的反射率。 直方图匹配法是指在假定气溶胶空间分布均匀的前提下,如果确定某个没有受到大气影响的区域和受到大气影响的区域的反射率是相同的,就可以调用不受影响 [6] 区域的直方图对受影响地区的直方图进行匹配处理。 不变目标法假定图像上存在具有较稳定的反射辐射特性的像元,并且可确定这些像元的地理意义,这些不变目标在不同时相的遥感图像上的反射率将存在一种线性关系。根据这种线性关系,就可以对遥感图像进行大气 [7] 校正。 图对遥感影像做了几何精校正。 6S模型(theSecondSimulationoftheSatelliteSignalintheSolarSpectrum)是由Vermote和Tanre等人用FOR2 μm)的大气TRAN编写的适用于太阳反射波段(0.25～4 辐射传输模型,是精度较高的一种模型。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。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。目前多用于处理可见、近红外的多角度数据。6S模型对于不同情况(不同的遥感器,不同的地面状况)下太阳光在太阳-地面目标-遥感器整个传输路径中所受大气的影响进行了描述,包括大气点扩散函数效应和表面方向反射率的模拟。基于以上特点,针对本实验数据6S模型是最为合适的一种方法。 3.1　6S大气校正原理———辐射传输方程 辐射传输方程是描述电磁辐射在散射、吸收介质中传输的基本方程。电磁辐射能量在大气辐射传输过程中产生的正、负变化。平面平行大气中基本的单色辐射传输方程为: dI(l) 2.2　基于地面线性回归经验模型法 该方法是一个比较简便的定标算法,国内外已多次 [4] 成功地利用该模型进行遥感定标实验。它首先假设地面目标的反射率与遥感器探测的信号之间具有线性关系,通过获取遥感影像上特定地物的灰度值及其成像时相应的地面目标反射光谱的测量值,建立两者之间的线性回归方程式,在此基础上对整幅遥感影像进行辐射校正。该方法 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 和物理意义明确,计算简单,但必须以大量野外光谱测量为前提,因此成本较高,对野外工作依赖性强。 τd =Iv(τ,μ,φ)-Jv(τ,μ,φ)(1) 　　这里τ是垂直光学厚度,μ是光线所经路径天顶角的 余弦,φ是路径相对于太阳方位的方位角。对μ<0的向μ—,而将方向记下辐射情况,依照常用的规则,令μ=— 为-μ。光学厚度包括以下机制:分子吸收(系数ka,km-1);分子散射即Rayleigh散射(系数ks,km-1);粒子吸 18 　　　　　　　　　　　　　　测绘与空间地理信息　　　　　　　　　　　　　　　　2008年 收,即气溶胶吸收(系数σa,km-1);粒子散射(系数σs,km-1)。 源函数包括散射太阳辐射和热辐射: (2)J(τ,μ,φ)=J0(τ,μ,φ)+Jms(τ,μ,φ)　　单次散射和热辐射的源函数为: ω0(τ) Fexp(-τ/μΩ-Ω0)J0(τ,μ,φ)=0)(P(π4 τ)]B[T(τ)](3)+[1-ω0(　　多次散射的源函数为:ω0(τ) (Ω;Ω′)I(τ)dΩ′(4)Jms(τ,μ,φ)=,Ω′πΩ4 ω0是单次散射反照率,P是散射相函数,B是温度T　　 πF是地外太阳辐照度,Ω是辐射路径时的Planck函数。 的方向,Ω′是阳光方向。 模型。 3.2.3　气溶胶模式 气溶胶模式包括定义气溶胶类型和浓度两部分。在 6S中定义了7种缺省的气溶胶模式(大陆型、海洋型、城市型、沙土型、生物气溶胶和平流层模型),还可以根据实际测量来定义气溶胶模型。 3.2.4　光谱条件 0.25～4μm是6S模型处理的合法波长。6S能提供 自定义和 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 预定义两种光谱选择方式。 ∫ 3.2.5　地面反射率 在6S中分为两种类型的地表,分别是均一地表类型和非均一地表类型。前者又分两种子类型:无方向型和方向型地表,前者代表的是均一的朗伯反射体,在程序中给出了4,,9种较为成熟的描述二向反射3.2　6S输入参数 6S模型中提供多种可选参数,3.2.1　面点时,3.2.6　目标和传感器的高程参数 6S中有3种传感器高程的设置方式可供选择,分别 3.2.2　大气模式 6S中包括来自于LOWTRAN模式中的6个标准大气 是卫星平台、地面和航空。 模型,分别是对流层模型,中纬度夏季、冬季模型,亚极地夏、冬季模型和标准US62模型。还有两套用户定义大气 3.2.7　本研究区域的参数确定及输入 见表1。 表1　研究区域的参数 Tab.1　Theparametersofresearcharea 卫星类型 波谱范围 0.52-0.60μm landsat-5 0.63-0.69μm0.76-0.90μm 10月7日 时间参数 大气模式 气象参数 中纬度夏大气 　 35km151 气溶胶类型城市气溶胶 可视距离 研究区域平均海拔高度/m 3.3　校正结果及对比分析 对2,3,4波段分别处理后,再合成一幅图像(如图2所示)。 图2中a是未经过大气校正的假彩色合成图像,b是经过6S大气校正后的图像,c为传统的直方图匹配方法进行大气校正的图像。大气校正前,地物边缘模糊不清,影像总体较亮,大气校正后,消除了大气的影响,明显恢复了地物目标的原貌,地物边缘变得清晰,图像对比度较高。经过6S校正的图像与直方图匹配校正的图像相比地物更加清晰,且明显消除了天空光的影响。 4　结论及展望 卫星遥感中,由于大气的存在,电磁辐射在太阳—表面—遥感器之间传输的过程中受到大气分子、水汽、气溶胶和云粒子等大气成分的吸收与散射的影响,结果遥感器所接受的目标反射辐射能量被衰减,不能准确地反映表面真 实的辐射特性。不论是基于图像本身的方法还是辐射传输模型方法,目的都是为了消除大气对遥感图像的这种影响。在6S大气模拟模型基础上,借助于同步气象数据,研究TM可见光、近红外波段遥感影像的大气辐射校正。认为6S模型可以比基于图像本身的大气校正方法更为有效地降低大气对电磁波传输过程中的影响和作用。 本研究存在的不足之处和需要进一步深入研究的问题是输入参数的不确定性。为了简化处理过程本研究采取假设部分输入参数如环境反射率和目标物的半径,但此类假设可能与研究区真实条件存在误差。 在今后的研究中将采用更多种的大气校正方法对同一研究区域进行大气校正,通过实际处理图像的效果对比各种大气校正方法,得出各种方法的优缺点,并针对研究区域有选择地将各种校正方法相结合,利用不同时相、几何和气象条件的数据最有效地对研究区域进行大气校正。同时用实测数据验证大气校正的精度。 第2期王　岩等:6S辐射传输模型在校正哈尔滨市遥感图像中的应用19 图2　大气校正前后图像的比较 Fig.2　Thecomparisonbetweentheimagestmc参考文献: [1]　,.]. 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