陸地高光譜遙感數(shù)據(jù)的大氣校正算法分析

付海龍 劉永海

摘要：針對(duì)大氣散射、氣溶膠散射和太陽(yáng)反射等因素影響，使傳感器接收到的數(shù)據(jù)與地表反射的數(shù)據(jù)不一致，造成遙感圖像失真的問(wèn)題，本文為了將高光譜成像數(shù)據(jù)用于陸地表面的定量遙感，必須消除大氣影響，對(duì)所獲得的信息進(jìn)行大氣校正。通過(guò)運(yùn)用輻射傳輸模型法對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，并采用經(jīng)驗(yàn)法與輻射傳輸模型法相結(jié)合的混合方法進(jìn)行大氣校正。研究結(jié)果表明，將ATREM和現(xiàn)場(chǎng)光譜測(cè)量相結(jié)合，可以在與校準(zhǔn)點(diǎn)不同的海拔上改善大氣校正，地面校準(zhǔn)消除了與傳感器偽影和輻射傳輸模型相關(guān)的殘留誤差。該研究可以使遙感圖像準(zhǔn)確地獲得地表信息。

關(guān)鍵詞：大氣校正; 光譜; 遙感; 輻射傳輸模型

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，遙感技術(shù)作為一門(mén)探測(cè)技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，該技術(shù)是通過(guò)衛(wèi)星遙感獲取地表的輻射信息，從而達(dá)到對(duì)地物進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的。遙感技術(shù)具有監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確、快速等特點(diǎn)，在環(huán)境、水利、農(nóng)林業(yè)等方面廣泛應(yīng)用。由于受大氣散射、氣溶膠散射和太陽(yáng)反射等影響，地表發(fā)射的輻射信息在傳輸?shù)絺鞲衅鞯倪^(guò)程中，其強(qiáng)度、波譜、空間分布等發(fā)生變化，使遙感器獲得的數(shù)據(jù)與地表反射的數(shù)據(jù)不一致，遙感圖像出現(xiàn)失真。因此，為了獲得準(zhǔn)確反應(yīng)地表信息的遙感圖像，必須對(duì)所獲得的信息進(jìn)行大氣校正。大氣校正的目的是消除大氣和光照等大氣因素對(duì)地表反射信息的影響、大氣中氧氣、二氧化碳、水蒸氣和臭氧等對(duì)地物反射的影響、以及大氣分子和氣溶膠散射的影響。多數(shù)情況下，大氣校正同時(shí)也是反演地物真實(shí)反射率的過(guò)程，如果數(shù)據(jù)未經(jīng)校正，有可能丟失這些重要成分反射率差別微小的信息。遙感圖像的大氣校正方法有很多，按校正結(jié)果，可分為絕對(duì)大氣校正方法和相對(duì)大氣校正方法兩種。常用的大氣校正方法有不變目標(biāo)法、直方圖匹配法、暗元目標(biāo)法和輻射傳輸模型法等。權(quán)維俊等人＼[1＼]利用Landsat衛(wèi)星影像對(duì)地表覆被類(lèi)型區(qū)分進(jìn)行了研究;鄭秋萍等人＼[2＼]通過(guò)大氣校正對(duì)熱島效應(yīng)進(jìn)行了研究;劉朝順等人＼[3＼]基于6S模型對(duì)Landsat ETM+的可見(jiàn)光到中紅外波段的反射率進(jìn)行了大氣校正。自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，大氣校正算法已經(jīng)從先前的經(jīng)驗(yàn)線法和平場(chǎng)域法演變?yōu)榛趪?yán)格的輻射傳遞模型方法。因此，本文主要對(duì)陸地高光譜遙感數(shù)據(jù)的大氣校正算法進(jìn)行研究，給出了陸地輻射傳輸模型方法，并研究了經(jīng)驗(yàn)法與輻射傳輸模型方法相結(jié)合的混合方法。該研究對(duì)準(zhǔn)確獲得地表信息的遙感圖像具有實(shí)際意義。

1 陸地輻射傳輸模擬方法

由于表面反射率反演經(jīng)驗(yàn)方法的局限性，1987年，F(xiàn).H.G.Alexander研究了一種使用輻射傳輸模型的大氣校正技術(shù)。隨著大氣去除算法（atmospheric removal algorithms，ATREM）＼[4＼]的發(fā)展，大氣校正技術(shù)很快得到實(shí)現(xiàn)，它利用理論建模技術(shù)，從高光譜成像數(shù)據(jù)中獲取陸地表面反射光譜，模擬大氣氣體和氣溶膠的吸收和散射效應(yīng)。

1.1 大氣效應(yīng)和輻射傳輸公式

太陽(yáng)表面?zhèn)鞲衅髀窂缴系奶?yáng)輻射受大氣氣體和氣溶膠的吸收和散射影響，為了從成像光譜儀數(shù)據(jù)中導(dǎo)出表面反射光譜，需要對(duì)這些效應(yīng)進(jìn)行精確建模。在約30種大氣中，只有水蒸汽（H2O），二氧化碳（CO2），臭氧（O3），一氧化二氮（N2O），一氧化碳（CO），甲烷（CH4），氧氣（O2）和二氧化氮（NO2）這8種氣體的波長(zhǎng)在0.4～2.5 μm的范圍內(nèi)，光譜分辨率在1～20 nm之間，在成像光譜儀數(shù)據(jù)中產(chǎn)生可觀察的吸收特征。8種氣體模擬大氣透射光譜如圖1所示。該路徑設(shè)定太陽(yáng)天頂角為50°，在最低點(diǎn)觀察海平面表面和大氣頂部的傳感器，給出每種氣體的典型用量，每處的水平尺度相同，垂直尺度不同。在采樣間隔為1 nm，光譜分辨率為5 nm的條件下，對(duì)光譜進(jìn)行模擬。

由圖1可以看出，波長(zhǎng)大約在0.4～2.5 μm之間，光譜區(qū)域的一半受到大氣中水蒸汽的吸收，而其它7種氣體的吸收效應(yīng)通常位于更窄的波長(zhǎng)間隔內(nèi)。大氣氣態(tài)分子和氣溶膠散射太陽(yáng)，輻射在0.4～0.7 μm之間的短波長(zhǎng)區(qū)域受到分子散射（瑞利散射）的強(qiáng)烈影響。隨著波長(zhǎng)（λ-4）的增加，其效應(yīng)迅速下降。氣溶膠散射效應(yīng)隨著波長(zhǎng)的增加而減小，但是速率較慢。

1.2 大氣去除算法（ATREM）

ATREM從AVIRIS收集的成像光譜數(shù)據(jù)中獲取表面反射光譜，不需要對(duì)反射光譜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。由于水汽在空間內(nèi)是可變的，因此利用信道比率技術(shù)＼[4＼]，從波長(zhǎng)為0.94 μm和1.14 μm的水蒸汽吸收波段，根據(jù)圖像逐步推導(dǎo)出綜合水汽量。采用窄帶譜模型＼[8＼]和得到的水汽值，模擬波長(zhǎng)為0.4～2.5 μm的完整太陽(yáng)光譜區(qū)域內(nèi)的水汽透射譜，類(lèi)似地，在0.4～2.5 μm區(qū)域中的二氧化碳（CO2），臭氧（O3），一氧化二氮（N2O），一氧化碳（CO），甲烷（CH4）和氧氣（O2）是基于太陽(yáng)和觀測(cè)幾何模擬，大氣分子和氣溶膠造成的散射效應(yīng)通過(guò)5S計(jì)算機(jī)編碼模擬。為模擬氣溶膠效應(yīng)，用戶需選擇氣溶膠模型和表面能見(jiàn)度，并根據(jù)測(cè)得的輻射度與大氣層上方太陽(yáng)輻照度的比值，得到表觀反射率。表面反射率利用模擬大氣氣體透過(guò)率、模擬分子和氣溶膠散射數(shù)據(jù)從表觀反射率得到。

ATREM編碼的標(biāo)準(zhǔn)輸出包括水汽圖像和表面反射率數(shù)據(jù)立方體（空間成像的兩維和光譜信息的一維）。由于在反演過(guò)程中假設(shè)為水平朗伯表面，表面反射率ρ被稱(chēng)為縮放表面反射＼[8＼]，縮放表面反射率與絕對(duì)表面反射率的乘法因子不同，后者與表面斜率和表面雙向反射特性有關(guān)。從Aviris數(shù)據(jù)中獲取的地表反射率如圖2所示。

由圖2可以看出，在2.1～2.4 μm光譜區(qū)的礦物吸收譜帶，尤其是2.2 μm附近的特征高嶺石雙峰吸收特征，在大氣校正后得到恢復(fù)。

ATREM的發(fā)展標(biāo)志著成像光譜學(xué)發(fā)生了巨大進(jìn)步，使大型陸地遙感界將成像光譜儀的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地面反射，用于各種應(yīng)用，并使高光譜研究活動(dòng)得到顯著加速。20世紀(jì)90年代末和21世紀(jì)初，ATREM代碼用逐線大氣透過(guò)率模型＼[9＼]和HITRAN2000直線數(shù)據(jù)庫(kù)＼[10-11＼]代替譜帶模型進(jìn)行升級(jí)。5S計(jì)算機(jī)代碼被更新的6S代碼替代，用于模擬大氣散射效應(yīng)。在0.4～0.8 μm的光譜區(qū)增加了模擬大氣中NO2吸收效應(yīng)的模塊。該算法需要具有用于NO2列數(shù)量的輸入（通常約5×1015個(gè)分子/cm2）。更新的ATREM算法可以改進(jìn)表面反射率的推導(dǎo)，特別是在具有大氣氣體吸收特征的光譜區(qū)域。

2 經(jīng)驗(yàn)法與輻射傳輸模型方法的混合法

將輻射模型和經(jīng)驗(yàn)方法結(jié)合，推導(dǎo)來(lái)自高光譜成像數(shù)據(jù)的地表反射＼[12-13＼]。由于用輻射傳輸模型獲得的表面反射光譜，經(jīng)常包含殘留的大氣吸收和散射效應(yīng)，還可能包含由于輻射測(cè)量和光譜校準(zhǔn)中的誤差而造成的偽影，盡管模型隨著時(shí)間而改善，但它們還沒(méi)有達(dá)到將所有偽影都小于傳感器噪聲的水平。而高光譜方法＼[14＼]是從AVIRIS數(shù)據(jù)中推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量表面反射光譜，其校準(zhǔn)地點(diǎn)在單個(gè)地面，是將ATREM和現(xiàn)場(chǎng)光譜測(cè)量相結(jié)合，可以在與校準(zhǔn)點(diǎn)不同的海拔上改善大氣校正，地面校準(zhǔn)消除了與傳感器偽影和輻射傳輸模型相關(guān)的殘留誤差。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了高光譜圖像數(shù)據(jù)大氣校正的輻射傳輸模型方法，并介紹了將輻射傳輸模型方法與經(jīng)驗(yàn)方法相結(jié)合的混合方法。輻射傳輸模型方法已經(jīng)足夠成熟，可用于高光譜成像數(shù)據(jù)的常規(guī)處理。使用內(nèi)置平滑模塊算法的用戶，應(yīng)注意在其反演的表面反射光譜中，存在人工寬吸收特征的可能性。混合方法允許從成像光譜儀數(shù)據(jù)中推導(dǎo)類(lèi)實(shí)驗(yàn)室反射光譜。運(yùn)用輻射傳輸模型法對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，并將經(jīng)驗(yàn)法與輻射傳輸模型法相結(jié)合，使大氣校正結(jié)果更為準(zhǔn)確，但基于大氣校正算法的輻射傳輸模型還有深入討論和改進(jìn)的空間。

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