Skip to content

影像大气校正

来源：https://vis-webcontent.s3.amazonaws.com/quickguides/Image+Preprocessing/Atmospheric+Correction/index.html#/

课程内容

第 1 课，共 1 课

影像大气校正

在本快速指南中，您将使用以下工具，减轻一幅地球表面矿物尘埃源调查（EMIT）（在新标签页中打开）高光谱影像中的大气效应：

  • • 超立方体快速视线大气分析（FLAASH®）
  • • 快速大气校正（QUAC®）
  • • 暗像元减法

您还将比较生成的 QUAC 和 FLAASH 反射率影像的光谱曲线。

示例数据

下载下面的示例数据。然后将 .zip 文件的内容解压到本地目录。

[EMIT_L1B_Radiance.zip

307.9 MB

下载](assets/EMIT_L1B_Radiance.zip)

背景

在进行任何光谱分析之前，必须考虑大气过程（如吸收、透射、散射和反射）的影响，因为它们会降低影像质量并影响影像解译的准确性。大气校正方法并不能完全消除这些过程的影响，而是将它们对影像的影响最小化。

多光谱传感器（如 Landsat 和 Sentinel-2）在设计上会考虑气体吸收特征，因为其波段对应大气窗口。相比之下，高光谱传感器覆盖了整个可见光到短波红外（SWIR）的光谱范围，包括了存在气体吸收的波段。因此，补偿高光谱影像中的这些效应至关重要。

大气校正中常伴随的一个进一步预处理步骤是将其校准至地表反射率。任何分析材料反射特性的应用，都应该使用已经过大气校正且校准到地表反射率的影像进行。

如今，许多数据供应商会分发“即分析”的地表反射率影像，这意味着这些影像已经过大气校正并校准到地表反射率。例如 Landsat、WorldView、PlanetScope、Sentinel-2、AVIRIS 和 EMIT。如果您不想使用这些产品，而希望自己进行大气校正，ENVI 提供了几种基于经验和模型的方法来实现。

打开并显示 EMIT 影像

  1. 从菜单栏中选择 文件 > 打开。将出现打开对话框。
  2. 转到下载示例数据的目录，选择文件 EMIT_L1B_Radiance.dat。点击打开。影像将被添加到图层管理器并显示在影像窗口中。

该影像位于加利福尼亚州优胜美地国家公园附近。布里奇波特水库位于影像底部。它是从一个更大的 NetCDF-4 影像中提取的空间子集，并转换成了 ENVI 栅格格式（.dat）。

该影像未使用标准地图投影进行地理配准。请参阅使用地理查找表（GLT）进行地理配准快速指南，了解如何对 NetCDF-4 格式的 EMIT 影像进行地理配准。

  1. 从菜单栏中选择 文件 > 数据管理器。将出现数据管理器。
  2. 滚动浏览波段列表。括号中的值是中心波长，单位为纳米（nm）。每个波段覆盖大约 7.5 nm 的波长范围。

  1. 在图层管理器中，右键单击 EMIT_L1B_Radiance.dat 并选择剖面 > 光谱剖面。影像中的像元值代表传感器处辐射亮度。您可以判断这是一幅辐射亮度影像，因为光谱剖面曲线模仿了太阳辐照度曲线（也称为太阳光谱），例如：

太阳辐照度光谱。中分辨率成像光谱仪（MODIS）波段用橙色显示，以供参考。大气层顶部的太阳光谱辐照度曲线为绿色。穿过大气层到达地球表面的太阳辐照度为棕色。来源：NASA, 2012（公共领域）。

“坏”波段用黄色三角形符号标记。由于它们对应于可见光到短波红外光谱中的气体吸收区域，因此包含条带和其他噪声。

  1. 关闭光谱剖面和数据管理器。

运行 FLAASH

FLAASH 包含在 ENVI 大气校正模块中。它是一种严谨的方法，使用 MODTRAN® 辐射传输代码来模拟大气属性，如水汽、气溶胶分布和场景能见度。特别是，高光谱影像通常提供足够的光谱信息来测量大气水汽吸收波段，这可以提高基于模型方法的准确性。FLAASH 也适用于多光谱传感器。它包含许多参数，需要大量用户输入，尤其是在使用高光谱影像时。关于参数的详细说明，请参阅ENVI 帮助（在新标签页中打开）。

  1. 在工具箱的搜索窗口中，输入 flaash。
  2. 双击FLAASH 大气校正工具。将出现数据选择对话框。
  3. 选择 EMIT_L1B_Radiance.dat 并点击确定。将出现FLAASH - 严谨大气校正对话框。场景采集日期和时间会自动填入。
  4. 在输出栅格字段中，输入输出文件名 EMIT_FLAASH_Refl.dat。

输入传感器参数

  1. 点击传感器选项卡。
  2. 点击传感器类型下拉列表并选择未知。
  3. 在输入比例字段中输入值 1。比例因子用于将辐射亮度值转换为 FLAASH 期望的单位，即 μW / (cm2 * nm * sr)。EMIT 辐射亮度影像已经使用这些单位，因此无需进行缩放。

输入几何参数

  1. 点击几何选项卡。
  2. 在纬度字段中，输入 38.16。
  3. 在经度字段中，输入 -119.27。
  4. 在传感器高度字段中，输入 407 公里。
  5. 在地面高程字段中，输入 2.4 公里。平均场景高程是使用 Google Earth 估算的。

ENVI 将根据场景的地理坐标和采集时间自动确定太阳方位角和太阳天顶角的值。在此不显示。

选择大气模型

  1. 点击模型选项卡。
  2. 点击大气模型下拉列表并选择1976 美国标准大气。当估算气温为 15°C (59°F) 时，此模型是合适的。

您将保留水汽选项卡中的默认选项。

输入气溶胶参数

  1. 点击气溶胶选项卡。
  2. 点击气溶胶模型下拉列表并选择高能见度乡村。
  3. 其余参数保持默认值。

输入其他参数

  1. 点击其他选项卡。
  2. 点击光谱抛光下拉列表并选择使用光谱伪影的统计检测进行抛光。光谱抛光是一种减少高光谱数据中光谱伪影的技术。所选方法通过比较光谱与其低通滤波版本来计算抛光因子。
  3. 将抛光宽度值设置为 9。

运行 FLAASH 并显示光谱剖面

  1. 在FLAASH - 严谨大气校正对话框中点击确定。处理完成后，FLAASH 校正后的反射率影像将添加到图层管理器并显示在影像窗口中。它看起来与辐射亮度影像相同。
  2. 在图层管理器中，右键单击 EMIT_FLAASH_Refl.dat 并选择剖面 > 光谱剖面。光谱剖面窗口出现，显示红色十字准星下方像元的反射率曲线。
  3. 在工具栏的转到窗口中，输入像元坐标 224, 924。按回车键。十字准星跳转到一个植被像元，反射率曲线相应更新。

  1. 保持光谱剖面窗口打开。稍后，您将在 QUAC 反射率影像中显示同一像元位置的光谱剖面，以便进行比较。

运行 QUAC

QUAC 也包含在 ENVI 大气校正模块中。它是一种基于场景的方法，意味着大气校正参数严格从像元光谱推导，而非参考光谱。由于通常无法直接测量大气属性，因此可以从影像像元推断这些属性。QUAC 使用简单，适用于广泛的传感器和波长范围（VNIR 到 SWIR，大约 0.4 到 2.5 µm）。

影像应包含各种光谱多样的材料——至少 10 种——例如水、土壤、植被和人造结构。当影像光照均匀时（例如晴朗天空条件下，或机载传感器在完全云层下飞行时），其性能最佳。

  1. 在工具箱的搜索窗口中，输入 quac。
  2. 双击QUAC - 快速大气校正工具。将出现数据选择对话框。
  3. 选择 EMIT_L1B_Radiance.dat 并点击确定。将出现QUAC对话框。
  4. 点击传感器类型下拉列表并选择通用 / 未知传感器。
  5. 在输出栅格字段中，输入文件名 EMIT_QUAC_Refl.dat。

  1. 点击确定。处理完成后，QUAC 校正后的反射率影像将添加到图层管理器并显示在影像窗口中。
  2. 在图层管理器中，右键单击 EMIT_QUAC_Refl.dat 并选择 剖面 > 光谱剖面。
  3. 在工具栏中，将光标放在 224, 924 的末尾，然后按回车键。十字准星跳转到与之前相同的植被像元。QUAC 光谱剖面的反射率曲线相应更新。
  4. 在 QUAC 光谱剖面窗口中，点击绘图右侧的小箭头图标。这将展开绘图属性。
  5. 点击曲线选项卡。
  6. 点击颜色字段内部。将出现一个小的下拉箭头。
  7. 选择一种深蓝色。绘图线条将变为该颜色。

  1. 点击 FLAASH 光谱剖面绘图窗口右侧的小箭头，以展开其绘图属性。
  2. 将 FLAASH 光谱剖面中的绘图名称拖放到 QUAC 光谱剖面的绘图属性中。

两条反射率曲线绘制在同一窗口中。同样，它们代表相同的植被像元位置。Y 轴上的数字是反射率值，已乘以 10,000 进行缩放。例如，值 3,000 代表 0.3，即 30% 的反射率。

总体而言，QUAC 的反射率值高于 FLAASH，尤其是在 750 到 1,200 nm 之间。

QUAC 和 FLAASH 可能显示不同的反射率值，这是因为其算法和假设不同。FLAASH 使用更严谨的基于物理的第一性原理方法，该方法考虑了分子和气溶胶散射等复杂的大气条件，从而产生更准确的反射率估计。QUAC 执行的是更近似的校正，它假设大气均匀且气溶胶属性恒定，这可能导致反射率高估，尤其是在气溶胶属性变化的区域。通常，QUAC 产生的反射率光谱与基于物理的方法相比，误差在 +/-15% 以内。QUAC 比 FLAASH 更快且需要更少的用户输入，如果场景中至少有 10 种不同的材料且有足够的暗像元来准确估计基线光谱，QUAC 表现良好。

  1. 关闭两个光谱剖面窗口。

QUAC 和 FLAASH 都创建了地表反射率影像，其值都乘以了 10,000 进行缩放。如果您要进行比较影像光谱与参考光谱（如光谱库或光谱仪数据）的分析，理想情况下反射率值应在 0 到 1 之间。请参阅缩放和掩膜反射率影像快速指南了解如何操作。

运行暗像元减法

与之前的方法不同，暗像元减法不产生反射率影像。它在不对影像进行地表反射率校准的情况下模拟大气校正。它试图通过从每个像元中减去一个特定值来消除场景中大气散射的影响（尤其是在蓝色波长区域）。该值代表背景特征。它可以是波段最小值、基于 ROI 的平均值，或用户指定的值。

暗像元减法工具包含在 ENVI 中，不需要大气校正模块。

  1. 在工具箱的搜索窗口中，输入 dark。
  2. 双击暗像元减法工具。将出现暗像元减法校正对话框。
  3. 点击输入栅格旁边的浏览按钮。将出现数据选择对话框。
  4. 选择 EMIT_L1B_Radiance.dat 并点击确定。对于本练习，您将使用最小波段值来模拟大气校正。当您将ROI和值字段留空时，ENVI 将选择该方法。
  5. 在输出栅格字段中，输入文件名 EMIT_DarkSub_Radiance.dat。

  1. 点击确定。ENVI 计算影像统计信息并创建暗像元减法影像。
  2. 在图层管理器中，取消勾选 EMIT_QUAC_Refl.dat 和 EMIT_FLAASH_Refl.dat 图层以隐藏它们。
  3. 切换 EMIT_DarkSub_Rad.dat 图层的开关状态，将其与 EMIT_L1B_Radiance.dat 影像进行比较。它们看起来相同；然而，它们的数据值略有不同。
  4. 点击工具栏中的光标值按钮以显示光标值对话框。

  1. 比较光标值对话框中的“数据”值。

对于每个影像：

  • • 第一个数字是分配给红色（波段 36）的波段中的辐射亮度值。
  • • 第二个数字是分配给绿色（波段 24）的波段中的辐射亮度值。
  • • 第三个数字是分配给蓝色（波段 13）的波段中的辐射亮度值。

EMIT_DarkSub_Rad.dat 中的辐射亮度值低于 EMIT_L1B_Radiance.dat 中的值。例如，波段 36（红色）的值在暗像元减法影像中为 1.22145，而在原始辐射亮度影像中为 1.849405。这是一种验证暗像元减法从原始辐射亮度影像中减去了散射效应的方法。

您也可以使用前面 QUAC 部分展示的技术来比较两个影像的光谱剖面。

您无法将暗像元减法影像的光谱剖面与 FLAASH 或 QUAC 的光谱剖面进行比较。暗像元减法影像仍然是辐射亮度影像，而其他影像是地表反射率影像。

  1. 练习到此结束。

总而言之，FLAASH 是一种严谨的、基于模型的方法，考虑了气溶胶、水汽和太阳角度。与 QUAC 一样，它产生准确的结果，但需要更多的用户输入。

QUAC 是一种经验技术，易于运行，在各种情况下都表现良好。如果您正在处理 Sentinel-2 或 Landsat 的大气层顶（TOA）反射率影像，QUAC 是将它们校准到地表反射率的一个好选择。

暗像元减法是一种用于模拟大气校正的简单经验方法。其他经验性大气校正工具包括经验线校准（在新标签页中打开）、平场校正（在新标签页中打开）、内部平均相对（IAR）反射率校正（在新标签页中打开）和对数残差校正（在新标签页中打开）。

您的反馈对我们很重要，请花几分钟时间填写我们的快速指南反馈（在新标签页中打开）表。

© 2024 NV5 Geospatial Solutions, Inc. 此信息不受《国际武器贸易条例》（ITAR）或《出口管理条例》（EAR）的控制。