環(huán)境星CCD數(shù)據(jù)大氣校正研究

孫 源，顧行發(fā)，余 濤，高海亮

(1．中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101;2．中國科學(xué)院研究生院，北京 100039;3．國家航天局航天遙感論證中心，北京 100101)

環(huán)境星CCD數(shù)據(jù)大氣校正研究

孫 源1，2，3，顧行發(fā)1，3，余 濤1，3，高海亮1，2，3

(1．中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101;2．中國科學(xué)院研究生院，北京 100039;3．國家航天局航天遙感論證中心，北京 100101)

利用6S模型和同步氣象資料，對國產(chǎn)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星HJ－1 A的CCD1傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行了大氣校正和反射率反演。同時對CCD1傳感器1～4波段大氣校正前后的反射率變化進(jìn)行了對比研究，發(fā)現(xiàn)大氣校正后的1～3波段的地面反射率明顯降低，4波段的地面反射率升高;利用同步野外實(shí)測地面數(shù)據(jù)對大氣校正后的反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)，兩者結(jié)果基本一致;此外，還進(jìn)行了定量化誤差分析，以同步野外實(shí)測地面數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)，將大氣校正后的反射率數(shù)據(jù)與之對比，分析了可能帶來誤差的原因。結(jié)果表明，利用6S大氣校正方法能夠有效去除HJ－1 A星CCD圖像的大氣影響，獲取地物絕對反射率。

環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星A星;CCD圖像;大氣校正;6S模型

0 引言

環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星(簡稱HJ星)是我國自主研發(fā)的中低空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率的衛(wèi)星，在我國環(huán)境監(jiān)測、減災(zāi)應(yīng)用、氣象預(yù)報和農(nóng)林監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。HJ－1A/1B于2008年9月成功發(fā)射，已經(jīng)開始投入使用。為了進(jìn)一步推動國產(chǎn)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)更加廣泛的應(yīng)用，研究適合于HJ－1 A CCD數(shù)據(jù)的大氣校正方法，對去除大氣對圖像的影響、獲取地物真實(shí)反射率具有重要意義。

由于大氣對太陽輻射和地面反射的散射和吸收，提高了地球表面大氣層的平均亮度值，并疊加在地物的輻射信號上，共同通過遙感成像被記錄下來［1］。因此，衛(wèi)星傳感器接收到的輻射信號出現(xiàn)畸變失真，例如:圖像清晰度、對比度均下降，反射率、輻射亮度等相關(guān)物理量出現(xiàn)偏差。所以必須進(jìn)行大氣校正以還原目標(biāo)物的真實(shí)反射率［2］。

國內(nèi)外學(xué)者提出過許多大氣校正的方法，如:直方圖均衡化法(histogram matching method)［3］、暗目標(biāo)法(dark object method)［4］、固定目標(biāo)法(invariant object method)［5］和對比減少法［6］大氣校正模式等。上述方法與模式大多建立在某種特定或理想條件下，其實(shí)用性受到一定限制［7，8］。6S(Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum)模型則建立在輻射傳輸理論基礎(chǔ)之上，應(yīng)用范圍廣，受研究區(qū)特點(diǎn)及目標(biāo)類型等的影響較小，精度較高，因而在輻射及遙感等學(xué)科中應(yīng)用越來越廣泛。

本次研究采用2009年9月20日的HJ－1 A星CCD圖像，以內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市克斯克騰旗貢爾大草原為研究對象。選取中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心公布的HJ－1 A星CCD定標(biāo)系數(shù)，對CCD1傳感器1～4的4個波段進(jìn)行了輻射定標(biāo)。利用6S模型和同步氣象資料，進(jìn)行了大氣輻射校正和反射率反演研究，分析了大氣對HJ－1 A星CCD數(shù)據(jù)定量研究的影響。

本文還利用同步野外實(shí)測地面數(shù)據(jù)對大氣校正后的反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)，兩者結(jié)果基本吻合;并對兩者差異的原因進(jìn)行了誤差分析。結(jié)果表明，利用6S大氣校正方法能夠有效地去除大氣影響，獲取地物絕對反射率，具有較高的應(yīng)用價值。

1 數(shù)據(jù)源與研究區(qū)概況

選取2009年9月20日上午11時獲取的HJ－1 A星CCD1傳感器1～4波段圖像為數(shù)據(jù)源。

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市克斯克騰旗貢爾大草原，屬于內(nèi)蒙古高原東部、大興安嶺西麓波狀高平原。該區(qū)為典型的半干旱草原氣候，冬季寒冷干燥，夏季溫和濕潤，地物覆蓋類型主要為植被、沙地和水體。

實(shí)驗(yàn)場區(qū)有達(dá)里諾爾湖作為標(biāo)志性地物，容易辨認(rèn)。達(dá)里諾爾湖周長百余千米，呈海馬狀，為封閉式蘇達(dá)型半鹽水湖。

2 基于6S模型的大氣校正

2．1 輻射定標(biāo)

定量遙感反演研究必須從傳感器所接收到的大氣—陸地混合信號中提取出陸地表面目標(biāo)物體的貢獻(xiàn)部分，消除所觀察目標(biāo)的非相關(guān)信息。定量遙感首先要解決的核心問題是輻射定標(biāo)和大氣校正［9，10］。輻射定標(biāo)主要指將星上觀測到的遙感數(shù)值轉(zhuǎn)換成物理量絕對值的過程［11］。本次研究利用中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心公布的定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，相關(guān)定標(biāo)系數(shù)見表1。

表1 HJ－1 A星CCD1傳感器1～4波段輻射定標(biāo)系數(shù)Tab．1 Radiance calibration coefficients of HJ －1 A satellite CCD1 Band 1～4

2．2 6S模型大氣校正

該模型適用于波長范圍為0．25～4．0μm的多波段遙感數(shù)據(jù)，對不同傳感器和不同地面狀況下太陽光在太陽—地面目標(biāo)—傳感器整個傳輸路徑中所受的大氣影響進(jìn)行了描述。通過輸入相應(yīng)的參數(shù)，即可求得地面反射率。

在6S模型中需要輸入下列參數(shù):幾何參數(shù)(傳感器類型、成像年月日)，經(jīng)緯度，氣溶膠濃度，輻射條件、觀測波段和海拔高度，地面覆蓋類型，目標(biāo)物半徑和目標(biāo)反射率等［12］。其中，衛(wèi)星的光譜響應(yīng)函數(shù)由中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供，氣象數(shù)據(jù)為HJ衛(wèi)星過境時的同步實(shí)測數(shù)據(jù)。具體輸入?yún)?shù)見表2。

表2 6S輸入?yún)?shù)Tab．2 Input parameters of 6S model

研究區(qū)為典型的中緯度冬季大氣模式，地表可被視為均勻朗伯面。利用上述參數(shù)，對HJ－1 A星CCD1傳感器的4個波段反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正模擬計算，得到大氣校正參數(shù)xa、xb和xc(表3)。然后利用6S模型提供的計算公式(式(1))計算校正后的反射率。

表3 HJ－1 A星CCD1傳感器1～4波段6S大氣校正參數(shù)Tab．3 Atmospheric correction parameters of HJ －1 A satellite CCD1 Band 1～4 by 6S model

式中，ρ為校正后反射率;Li為第i波段輻射亮度。

3 大氣校正結(jié)果分析

3．1 表觀反射率

大氣校正前地物的大氣頂層表觀反射率ρTOA可由式(2)計算得到［12，13］，即

式中，ρTOA為大氣層頂(TOA)表觀反射率(無量綱);L為大氣層進(jìn)入衛(wèi)星傳感器的光譜輻射亮度(Wm－2sr－1μm－1);Esun為大氣層外平均太陽輻射亮度;θz為太陽天頂角;d為日地距離。d以天文距離(AU)為單位，即

式中，D為數(shù)據(jù)獲取日期距1月1日的天數(shù)。

表觀反射率計算有關(guān)參數(shù)見表4。

表4 表觀反射率計算有關(guān)參數(shù)Tab．4 The relative coefficients of the TOA equivalent reflectance

3．2 地面同步實(shí)測光譜數(shù)據(jù)處理

地面同步地物光譜測量采用美國ASD公司的Field Spec FR便攜式野外地物光譜儀和標(biāo)準(zhǔn)漫反射板，經(jīng)處理得到地物光譜曲線，再將其匹配到衛(wèi)星傳感器相應(yīng)的波段上。采用式(4)進(jìn)行匹配，即

式中，ρi為第i通道的反射率;ρ(λ)為野外光譜儀測量的反射率;φi(λ)為衛(wèi)星傳感器第i通道的光譜響應(yīng)函數(shù)。

4 對比分析

4．1 大氣校正前后反射率對比

在研究區(qū)內(nèi)的HJ－1 A圖像上分別選取不同典型地物(草地、裸土和水體(達(dá)里諾爾湖))的訓(xùn)練樣本100個，統(tǒng)計訓(xùn)練樣本的反射率平均值。圖1為草地、裸土和水體的表觀反射率、大氣校正后的地面反射率和野外實(shí)測反射率的對比圖。

圖1 HJ－1 A星CCD圖像反射率對比(左:草地、中:裸土、右:水體)Fig．1 HJ －1 A satellite CCD image reflectance comparison(left:grassland，middle:soil，right:water)

由圖1(左)和圖1(中)可以看出，草地和裸土的反射率曲線相似，9月份時貢爾草原植被稀疏，實(shí)測葉面積指數(shù)(LAI)值僅為0．3，二者曲線差別不大。經(jīng)過大氣校正的草地和裸土反射率在第1波段最低，隨波段依次遞增，第4波段最高;而未經(jīng)大氣校正的二者表觀反射率在第3波段最高，第1、2波段次之，第4波段最低。未經(jīng)及已經(jīng)大氣校正的草地和裸土表觀反射率與野外實(shí)測反射率相差很大，反射率曲線的形態(tài)也相差較大。經(jīng)過大氣校正的草地和裸土反射率與野外實(shí)測反射率曲線形態(tài)基本吻合，第1～3波段吻合度很高，其中裸土的平均誤差為7%，草地的平均誤差為8%;但第4波段差異較大，平均誤差為35%;這些誤差是因輻射定標(biāo)系數(shù)、圖像噪聲及太陽輻照度變化等引起的。

由圖1(右)可以看出，經(jīng)過大氣校正的水體反射率在第3波段最高，第2、4波段次之，第1波段接近為零;而未經(jīng)過大氣校正的水體表觀反射率在第2波段最高，第1、3波段減小，第4波段銳減。未經(jīng)及已經(jīng)大氣校正的水體表觀反射率與實(shí)測反射率相差很大，反射率曲線的形態(tài)也相差較大。經(jīng)過大氣校正的水體反射率與水體實(shí)測反射率曲線形態(tài)基本吻合。但兩者對比結(jié)果相對于草地和裸土的對比結(jié)果來說差異相對較大，這是因?yàn)樗w的反射率很低，實(shí)測數(shù)據(jù)難以獲取。

在1～3波段，草地、裸土和水體3種地物的光譜反射率經(jīng)大氣校正以后均有所降低，其主要原因是受天空光的影響。大氣散射增強(qiáng)了地面的輻照和大氣層本身的“亮度”，大氣校正后地物反射率還原為地面真實(shí)值，去除了大氣散射引起的“亮度”效果，使得大氣校正后的反射率值降低。

在4波段，草地和裸土經(jīng)大氣校正后的地面反射率明顯升高。由于在近紅外波段不僅受天空光的影響，還受水氣吸收的影響。大氣散射增強(qiáng)了“亮度”，而水氣吸收則減小了“亮度”;但大氣散射作用較小，而水氣吸收率大，故表現(xiàn)為地面的輻照和大氣層本身的“亮度”減弱。因此，經(jīng)大氣校正后，地物反射率還原為地面真實(shí)值，去除了“亮度”減弱效果，使大氣校正后的4波段即近紅外波段地面反射率大幅度上升。

綜上所述，草地與裸土兩種地物在1～3波段，經(jīng)過大氣校正以后的地表反射率與野外同步實(shí)測反射率結(jié)果基本一致;在4波段，大氣校正后的數(shù)據(jù)比實(shí)測結(jié)果偏高，存在一定的差異，但總體趨勢一致。水體經(jīng)過大氣校正的地表反射率與實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果差異相對較大，但反射率曲線形態(tài)基本吻合。

4．2 誤差原因分析

(1)測量誤差。野外實(shí)地測量時，存在人為因素帶來的誤差，如參考板放置不是絕對水平、測量時操作人員手抖動等。

(2)測量環(huán)境誤差。由于地理位置、天氣條件等，造成精確的實(shí)測數(shù)據(jù)難以獲取。

(3)模型誤差。6S模型是朗伯體假設(shè)的大氣校正方法，輸入?yún)?shù)的近似值與實(shí)際地物的真實(shí)值之間存在較大差異，會產(chǎn)生較大的誤差。

(4)其他誤差。輻射定標(biāo)系數(shù)、圖像噪聲及太陽輻照度變化等導(dǎo)致的差異。

5 結(jié)論

(1)選取中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心公布的HJ－1 A星CCD定標(biāo)系數(shù)用于定標(biāo)，結(jié)果較為理想。

(2)未經(jīng)與已經(jīng)大氣校正的地物反射率相差很大，反射率曲線的形態(tài)也相差較大，表明大氣校正是必要且不可忽略的。

(3)經(jīng)大氣校正的地物反射率與野外地物實(shí)測反射率形狀基本吻合。草地與裸土2種地物的相似度較高，水體次之。草地與裸土2種地物在CCD1傳感器1～3波段相似度很高，誤差不到10%;在4波段差異相對較大，誤差達(dá)到35%。

(4)利用6S大氣校正方法能夠有效地去除大氣對電磁波傳輸過程的影響，實(shí)現(xiàn)HJ－1 A星CCD影像的大氣校正，獲取地物的絕對反射率。

致謝:本研究工作得到國家航天局航天遙感論證中心的項(xiàng)目支持和中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心的數(shù)據(jù)支持，特此致謝。

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(責(zé)任編輯:劉心季)

A Study of HJ－1A CCD Image Atmospheric Correction

SUN Yuan1，2，3，GU Xing － fa1，3，YU Tao1，3，GAO Hai－ liang1，2，3
(1．State Key Laboratory of Remote Sensing Science，Jointly Sponsored by the Institute of Remote Sensing Applications of Chinese Academy of Sciences and Beijing Normal University，Beijing 100101，China;2．Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China;3．The Center for National Spaceborne Demonstration，Beijing 100101，China)

This paper deals with a suitable atmospheric correction method based on HJ－1A CCD Image．A method based on 6S radiation transfer code and isochronous meteorological information on sensing time was used in the atmosphere correction，which is an operational method of correcting visible and near－infrared data for atmospheric effects．Validation analysis was conducted by comparing the reflectance data corrected and uncorrected atmospherically．Significant differences occurred between them:the values of the corrected reflectance of CCD1～3 decreased obviously，whereas those of CCD4 increased．The retrieved surface reflectance was evaluated against the ground －based reflectance acquired during HJ－1A satellite overpass，and it is shown that the curves of the figures are similar，and the compared values are agree with each other well．Based on the statistical analysis，some reasons for the errors were mentioned in the end of the paper．

HJ－1A;CCD image;Atmospheric correction;6S radiation transfer code

孫 源(1987－)，女，博士研究生，主要從事定量遙感方面的研究。

TP 751．1

A

1001－070X(2010)04－0006－04

2009－12－14;

2010－01－26

中國科學(xué)院百人計劃項(xiàng)目(編號:04Y015)和中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目“航天遙感圖像仿真模擬關(guān)鍵技術(shù)研究 ”(編號:KZCX2－YW－303)共同資助。