基于FLAASH的AVIRIS高光譜影像大氣校正

林 娜，楊武年 ，王 斌

（1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,重慶 400074；2.成都理工大學(xué) 地學(xué)空間信息技術(shù)國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室遙感與GIS研究所,四川 成都610059；3.重慶市地理信息中心,重慶 401121）

高光譜遙感是20世紀(jì)80年代興起的新型對(duì)地觀測(cè)技術(shù)[1]。要充分發(fā)揮高光譜數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì),首先需要消除成像過(guò)程中的大氣影響[2]，獲得不同波段的地物真實(shí)反射率信息。大氣校正是遙感定量分析的關(guān)鍵,也是進(jìn)行遙感影像預(yù)處理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其主要方法有基于統(tǒng)計(jì)學(xué)模型的方法和基于輻射傳輸模型的方法?；诮y(tǒng)計(jì)學(xué)模型的方法主要依據(jù)圖像的統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行大氣校正,包括內(nèi)部平均相對(duì)反射率法、平場(chǎng)域糾正法、經(jīng)驗(yàn)線(xiàn)性擬合法、對(duì)數(shù)殘差法等，簡(jiǎn)單易行但通常要求大氣狀況均一，而在實(shí)際應(yīng)用中往往難以滿(mǎn)足?；谳椛鋫鬏斈Ｐ偷姆椒ㄊ歉鶕?jù)大氣輻射傳輸模型進(jìn)行反射率反演[3]，有MODTRAN、ATCOR、6S、LOWTRAN、FLAASH模型等。其中FLAASH基于MODTRAN4+輻射傳輸模型，理論基礎(chǔ)嚴(yán)密，校正的波長(zhǎng)范圍為0.4～2.5 μm。FLAASH通過(guò)影像像素光譜上的特征來(lái)估計(jì)大氣的屬性，不依賴(lài)遙感成像時(shí)同步測(cè)量的大氣參數(shù)數(shù)據(jù)，可以有效地去除水蒸氣/氣溶膠散射效應(yīng)，同時(shí)可矯正目標(biāo)像元和鄰近像元交叉輻射的“鄰近效應(yīng)”，對(duì)由于人為抑制而導(dǎo)致的波譜噪聲進(jìn)行光譜平滑處理,很多學(xué)者利用FLAASH進(jìn)行了大氣校正，取得了很好的效果[4,5]。本文選用FLAASH模型對(duì)AVIRIS高光譜影像進(jìn)行大氣校正，獲得地表反射率圖像,并對(duì)校正的效果進(jìn)行了分析。

1 FLAASH算法原理

遙感圖像大氣校正不僅需要考慮大氣系統(tǒng)，同時(shí)也需要考慮大氣的下墊面。FLAASH基于MODTRAN4+輻射傳輸模型，假設(shè)地表非均勻,但可滿(mǎn)足朗伯體[6,7]，其輻射傳輸方程為：

式中,L*為傳感器接收到的像元的輻射亮度；ρ為像元的地表反射率；ρe為像元及周邊像元的平均反射率；S為大氣半球反照率；La*為大氣程輻射；A和B是依賴(lài)于大氣透過(guò)率和幾何條件的系數(shù)，這些變量都取決于光譜通道。Aρ/（1?ρeS）是地表反射直接到達(dá)傳感器的輻射 ；Bρe /（1?ρeS）是大氣散射輻射。ρ和ρe之間的區(qū)別取決于大氣散射照成的“鄰近效應(yīng)”，令ρe=ρ則可忽略“鄰近效應(yīng)”，但是在有薄霧或地物強(qiáng)烈對(duì)比的情況下會(huì)造成短波范圍內(nèi)大氣糾正結(jié)果的明顯誤差。

通過(guò)設(shè)定太陽(yáng)角、地面高、大氣模型、氣溶膠模型、可見(jiàn)范圍等，可用MODTRAN4計(jì)算A、B、S和La*的值，它們的值很大程度上取決于水汽含量，但是水汽含量通常未知且在某個(gè)區(qū)域內(nèi)可能發(fā)生變化。MODTRAN4在圖像的列上循環(huán)計(jì)算，然后在選擇的波段上分析得出每個(gè)像素的估計(jì)水汽含量，這是非常耗時(shí)的，可通過(guò)查找表來(lái)降低運(yùn)算量。具體來(lái)說(shuō)，計(jì)算水汽的吸收波段和波段區(qū)間外的“參考”波段的平均輻射，然后通過(guò)這些平均輻射構(gòu)造一個(gè)2維查找表（LUT）檢索水汽含量。當(dāng)獲取了式（1）的所有參數(shù)后，可利用式（2）近似計(jì)算平均反射率ρe。

式中，Le*表示空間平均輻射圖像，可通過(guò)原始圖像得到。經(jīng)過(guò)這些計(jì)算，可以反演出地表反射率ρ。

2 基于FLAASH的AVIRIS高光譜影像大氣校正實(shí)驗(yàn)

2.1 數(shù)據(jù)源

本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇的是機(jī)載可見(jiàn)/紅外成像光譜儀(AVIRIS)1997-06-19在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州CUPRITE礦區(qū)的成像數(shù)據(jù)，獲取地址為：http://aviris.jpl.nasa.gov/html/aviris.freedata.html，圖像為輻射能量數(shù)據(jù)，單位為mW/(cm2·nm·sr)。AVIRIS數(shù)據(jù)覆蓋全反射光譜區(qū)域（0.4～2.5 um）,共224波段，平均光譜分辨率為10 nm，地面分辨率約20 m。研究區(qū)數(shù)據(jù)在1997年獲取的高光譜遙感圖像數(shù)據(jù)中截取了548×511像元子區(qū)。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局資料，研究區(qū)出露的礦物主要有明礬石、高嶺石、方解石、云母、玉髓和水銨長(zhǎng)石等。

2.2 大氣校正輸入文件準(zhǔn)備

使用ENVI中的FLAASH大氣校正模塊進(jìn)行AVIRIS大氣校正,輸入文件必須要滿(mǎn)足一定的條件，數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)定標(biāo)后的輻射亮度（輻射率）數(shù)據(jù)，單位是μW/（cm2·nm·sr）；數(shù)據(jù)帶有中心波長(zhǎng)值及波段寬度；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類(lèi)型是ENVI標(biāo)準(zhǔn)柵格格式文件，且是BIP或BIL；數(shù)據(jù)光譜范圍是0.4～2.5 um。

本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是AVIRIS Cuprite礦區(qū)的輻亮度數(shù)據(jù)，BSQ格式，單位為mW/(cm2·nm·sr)，圖像的頭文件中包含波長(zhǎng)及波段寬度。為了進(jìn)行FLAASH大氣校正，將其轉(zhuǎn)換為BIL格式。

2.3 大氣校正參數(shù)設(shè)置

在FLAASH模塊中輸入輻亮度數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)彈出對(duì)話(huà)框要求輸入尺度轉(zhuǎn)換因子。尺度轉(zhuǎn)換因子有2種輸入方式：①?gòu)挠浭卤局凶x取每個(gè)波段的尺度因子，當(dāng)各個(gè)波段尺度轉(zhuǎn)換因子不同時(shí)，選擇此種方式；②對(duì)所有的波段采用同一個(gè)尺度因子，當(dāng)各個(gè)波段尺度轉(zhuǎn)換因子相同時(shí)，選擇此方式。本例中的尺度轉(zhuǎn)換因子相同，選第②種方式。由于FLAASH模塊要求輻射能量的量綱是μW/(cm2·nm·sr),本文AVIRIS數(shù)據(jù)的量綱為mW/(cm2·nm·sr)，所以需通過(guò)換算關(guān)系式1 mw/(cm2·nm·sr)=1 000μW/(cm2·nm·sr)進(jìn)行 量綱轉(zhuǎn)換。因此，本例中的尺度轉(zhuǎn)換因子為1 000。其他類(lèi)型遙感數(shù)據(jù)大氣校正時(shí)，尺度轉(zhuǎn)換因子的計(jì)算方法與此相同。

FLAASH模塊中圖像中心點(diǎn)坐標(biāo)、傳感器高度、海拔高度信息都可以在數(shù)據(jù)自帶信息文件里獲得，這些數(shù)據(jù)讓FLAASH確定太陽(yáng)的位置、光線(xiàn)穿過(guò)大氣層到達(dá)地面和反射回傳感器的路徑。大氣模型根據(jù)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間及研究區(qū)所處的維度選擇中緯度夏季(MLS)大氣模型。使用水汽反演模型，數(shù)據(jù)必須具有15 nm以上波譜分辨率，且至少覆蓋以下波譜范圍之一：1 050～1 210 nm(選項(xiàng)1 135 nm),870～1 020 nm（選項(xiàng)940 nm),770～870 nm(選項(xiàng)820 nm)，本例中選擇1 135 nm波段。氣溶膠模型根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況選擇Rural。MODTRAN模型的光譜分辨率一般選擇5 cm-1。研究區(qū)AVIRIS數(shù)據(jù)FLAASH模型輸入?yún)?shù)如表1所示。設(shè)置合理的參數(shù)，利用FLAASH模塊進(jìn)行大氣校正主要的結(jié)果是反射率影像。

表1 研究區(qū)AVIRIS數(shù)據(jù)FLAASH模型參數(shù)

3 大氣校正結(jié)果分析

3.1 典型地物在大氣校正前后的光譜曲線(xiàn)對(duì)比

為了檢驗(yàn)FLAASH大氣校正的結(jié)果，選取了云母、方解石、高嶺石、明礬石4種地物FLAASH大氣校正前的輻亮度曲線(xiàn)及校正后的反射率曲線(xiàn)，如圖1所示。

從圖1 a可以看出，這些波譜曲線(xiàn)很相似，若直接利用它們進(jìn)行巖礦信息提取是很困難的。從圖1b可以看出，1 400 nm與1 900 nm附近波譜曲線(xiàn)中斷，這是因?yàn)樗挠绊憽? 000～2 500 nm區(qū)間反射率曲線(xiàn)波譜特征明顯，可在此波段區(qū)間之間進(jìn)行礦物識(shí)別。由此可見(jiàn)，F(xiàn)LAASH大氣校正消除了水汽和光照等因素對(duì)地物反射的影響，獲得了地物反射率。

3.2 校正后反射率曲線(xiàn)與波譜庫(kù)反射率曲線(xiàn)對(duì)比

圖1 FLAASH大氣校正前的輻亮度曲線(xiàn)及校正后的反射率曲線(xiàn)對(duì)比

圖2 是FLAASH大氣校正后圖像上典型地物點(diǎn)的反射率曲線(xiàn)與USGS波譜庫(kù)中反射率曲線(xiàn)的對(duì)比圖（波長(zhǎng)2 000～2 500 nm）。從圖2中可以看出，同一種地物的反射率曲線(xiàn)的形狀、波谷、波峰的位置都比較吻合，利用相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式計(jì)算得到兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.92，進(jìn)一步驗(yàn)證了FLAASH大氣校正結(jié)果的可靠性。

圖2 大氣校正后典型地物點(diǎn)反射率曲線(xiàn)及USGS波譜庫(kù)反射率曲線(xiàn)對(duì)比圖

4 結(jié) 論

本文利用ENVI中的FLAASH模塊對(duì)AVIRIS高光譜圖像進(jìn)行大氣校正。通過(guò)對(duì)比校正前后典型地物的光譜曲線(xiàn)表明，大氣校正消除了水汽和光照等因素對(duì)地物反射的影響，獲得了地物反射率；對(duì)比校正后反射率曲線(xiàn)與波譜庫(kù)反射率曲線(xiàn)，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92。這些都驗(yàn)證了利用FLAASH進(jìn)行大氣校正的有效性。

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