鄱陽湖Landsat遙感影像大氣校正研究

肖陽

摘要：大氣校正是進行精確定量反演的關鍵。而國內對Landsat8 OLI這類中分辨率遙感影像在鄱陽湖水域通過泥沙濃度的變化進行大氣校正的研究較匱乏.以鄱陽湖為研究區，采用基于MODTRAN的FLAASH大氣校正模型、黑暗像元法、短波紅外法對2015年9月9日的Landsat影像進行大氣校正，并通過泥沙濃度的差別與實測數據做對比分析。結果表明現有FLAASH校正模型并不適合湖泊水色的大氣校正，黑暗像元法與短波紅外法的校正結果表示，在較高濃度水體暗像元法校正精度高，清澈水體短波紅外法校正精度高。

關鍵詞：大氣校正；Landsat；FLAASH；黑暗像元法；短波紅外法

引言：鄱陽湖作為我國第一大淡水湖，在長江流域的生態調節中占有舉足輕重的作用，對鄱陽湖的大面積監測就顯得尤為重要。遙感作為一門從六十年代發展起來的對地探測、監測學科，具有快速、大范圍、準確的特點。與其他水質監測手段相比較，具有很明顯的優勢。鄱陽湖作為高動態的二類水體，衛星影像中包含水體信息的離水輻亮度不足大氣頂層輻射的10%。因此，對影像進行大氣校正以獲取有效的微量、準確的數據就成為了遙感監測的重中之重。而國內針對鄱陽湖Landsat8 0LI這類中分辨率遙感影像的大氣校正研究不足，所以，對鄱陽湖Landsat8 0LI數據的研究就顯得十分有意義。

基于鄱陽湖Landsat80LI影像數據，以2015年9月份實測數據為基礎，采用暗像元法、MORTRAN輻射傳輸模型、短波紅外大氣校正法對研究區進行大氣校正處理，與實測數據進行對比分析，并做出誤差分析。

1.研究區域和數據

鄱陽湖是中國最大的季節性、吞吐性和通江性淡水湖泊，其湖面面積、湖水水位的季節和年際變幅都較大。

采用實測數據是2015年9月初于鄱陽湖采用型號FieldSpec4Wide-Res的便攜式地物光譜儀獲取的實測光譜，進行處理得出的遙感發射率。Landsat8影像選取2015年9月9日的一幅landsat8影像進行研究分析。圖1為鄱陽湖2015年9月初采集光譜數據的站點分布圖。

2.研究方法

2.1FLAASH大氣校正

FLAASH大氣校正是在ENVI軟件中較為常用的大氣校正方法，其校正范圍可從可見光波段至近紅外、短波紅外波段。它結合了MODTRAN4+的輻射傳輸模型代碼，并對此進行了修改，可以有效地消除大部分大氣和光照影響，FLAASH是一個在太陽光譜范圍內的標準平面朗伯體中，傳感器接收單個像元的光譜輻射亮度標準的方程。

2.2黑暗像元法大氣校正

黑暗像元法就是，假設在表面為朗伯面反射，大氣成分均勻一致，且忽略大氣多重散射和臨近像元漫反射作用的影響的條件下，待校正的圖像存在黑暗像元區域。但是由于大氣的影響，導致這些反射率或者輻亮度非常低的的黑暗像元的亮度值增加，所以我們就認為這部分增加的亮度值是由大氣程輻射貢獻的。

2.3短波紅外大氣校正

由于二類水體的受陸源排放、懸浮泥沙、黃色物質等因素的影響，導致近紅外波段的離水輻亮度不為零，因此在二類水體中無法運用到Gordon大氣校正算法，而實測光譜數據表明，在波長大于1000nm的短波紅外波段，水體具有較強的吸收性，其離水輻亮度可以視為零。

3.實驗結果與分析

鄱陽湖作為典型的二類水體，其水體的高動態性使得不同湖區的泥沙濃度具有較大的差異性。羅衛根據實測反射光譜的形態特征，將水體類型分為五種：特別混濁區、中等混濁區、輕度混濁區、清水區及特別清澈區。選用的2015年Landsat影像泥沙濃度普遍屬于輕度混濁至少量清水區，所以本文僅對這兩個泥沙濃度范圍進行考慮。

選取三個與衛星過境時間相差小于3個小時的站點數據，分別為9、10、11號三個站點，其中，9、10號站點屬于輕度混濁區，11號站點數據清水區。且泥沙濃度依次降低，其中9號站點濃度最高，11號站點濃度最低。利用FLAASH、黑暗像元法及短波紅外大氣校正得出的結果與站點實測數據進行分析，得出大氣校正結果與實測數據對比。

將經過FLAASH大氣校正的離水反射率數據與實測數據進行比較，第一第二波段的相對誤差達到90%，第三第四波段相對誤差達到170%，所以研究認為，現有的FLAASH大氣校正并不適合鄱陽湖水域的水體大氣校正，可以通過對模型參數的改進以期獲取更好的效果。

9、10號站點均屬于輕度混濁水體，由表2和表3可以發現，暗像元法相對誤差值普遍小于短波紅外校正結果值，除去相對誤差較大近紅外波段，9號站點第一至第四波段，短波紅外法相對誤差的均值比暗像元法相對誤差的均值高153.78%；10號站點第一至第四波段，短波紅外法相對誤差的均值比暗像元法相對誤差的均值高36.79%。說明隨著泥沙濃度的降低，短波紅外算法的校正精度與暗像元法的校正精度差距越來越小。

11號站點屬于清澈水體，由表4可以發現，暗像元法的校正精度開始不如短波紅外波段，短波紅外法相對誤差均值比暗像元法相對誤差均值低38.17%。

分析9號站點至11號站點的校正精度，在9號、10號站點，暗像元法的校正精度高，在11號站點，短波紅外法的校正精度高。在泥沙濃度較高的9號、10號站點，短波紅外波段的強吸收性減弱，離水輻亮度為零的假設也可能不成立，導致氣溶膠散射的高估，從而導致校正結果出現誤差較大；而暗像元法是基于較為清澈的水體進行大氣校正，所以校正結果較短波紅外法精度更高。

在11號站點，泥沙濃度較低，水體較為清澈，水體在短波紅外波段的強吸收性增強，離水輻亮度為零的假設可以實現，其校正精度開始提高，反觀暗像元法，每個站點均采用的是固定的程輻射值進行校正，存在暗像元選取不當的因素。隨著短波紅外法精度的提高，其校正精度開始不如短波紅外。

4.結論

通過利用黑暗像元法、FLAASH法及短波紅外法對鄱陽湖Landsat8 oli影像進行大氣校正處理，并對結果進行分析，得出以下結論：

（1）利用F1AASH模塊進行大氣校正，得出的結果與實測數據相差很大，認為現有的FLAASH大氣校正算法并不適合二類水體的大氣校正，認為可以通過對其算法進行調整來提高其大氣校正的精度。

（2）9、10號站點暗像元校正結果的精度較高，11號站點短波紅外校正結果的精度較高。9號站點短波紅外法比暗像元法相對誤差高153.78%，10號站點短波紅外法比暗像元法相對誤差高36.79%，11號站點短波紅外法比暗像元法相對誤差低36.79%。endprint