鄱陽(yáng)湖Landsat遙感影像大氣校正研究

肖陽(yáng)

摘要：大氣校正是進(jìn)行精確定量反演的關(guān)鍵。而國(guó)內(nèi)對(duì)Landsat8 OLI這類中分辨率遙感影像在鄱陽(yáng)湖水域通過(guò)泥沙濃度的變化進(jìn)行大氣校正的研究較匱乏.以鄱陽(yáng)湖為研究區(qū)，采用基于MODTRAN的FLAASH大氣校正模型、黑暗像元法、短波紅外法對(duì)2015年9月9日的Landsat影像進(jìn)行大氣校正，并通過(guò)泥沙濃度的差別與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)做對(duì)比分析。結(jié)果表明現(xiàn)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(jié)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(guān)鍵詞：大氣校正；Landsat；FLAASH；黑暗像元法；短波紅外法

引言：鄱陽(yáng)湖作為我國(guó)第一大淡水湖，在長(zhǎng)江流域的生態(tài)調(diào)節(jié)中占有舉足輕重的作用，對(duì)鄱陽(yáng)湖的大面積監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。遙感作為一門從六十年代發(fā)展起來(lái)的對(duì)地探測(cè)、監(jiān)測(cè)學(xué)科，具有快速、大范圍、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。與其他水質(zhì)監(jiān)測(cè)手段相比較，具有很明顯的優(yōu)勢(shì)。鄱陽(yáng)湖作為高動(dòng)態(tài)的二類水體，衛(wèi)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(duì)影像進(jìn)行大氣校正以獲取有效的微量、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)就成為了遙感監(jiān)測(cè)的重中之重。而國(guó)內(nèi)針對(duì)鄱陽(yáng)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(duì)鄱陽(yáng)湖Landsat8 0LI數(shù)據(jù)的研究就顯得十分有意義。

基于鄱陽(yáng)湖Landsat80LI影像數(shù)據(jù)，以2015年9月份實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用暗像元法、MORTRAN輻射傳輸模型、短波紅外大氣校正法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行大氣校正處理，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并做出誤差分析。

1.研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

鄱陽(yáng)湖是中國(guó)最大的季節(jié)性、吞吐性和通江性淡水湖泊，其湖面面積、湖水水位的季節(jié)和年際變幅都較大。

采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是2015年9月初于鄱陽(yáng)湖采用型號(hào)FieldSpec4Wide-Res的便攜式地物光譜儀獲取的實(shí)測(cè)光譜，進(jìn)行處理得出的遙感發(fā)射率。Landsat8影像選取2015年9月9日的一幅landsat8影像進(jìn)行研究分析。圖1為鄱陽(yáng)湖2015年9月初采集光譜數(shù)據(jù)的站點(diǎn)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(jié)合了MODTRAN4+的輻射傳輸模型代碼，并對(duì)此進(jìn)行了修改，可以有效地消除大部分大氣和光照影響，F(xiàn)LAASH是一個(gè)在太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)平面朗伯體中，傳感器接收單個(gè)像元的光譜輻射亮度標(biāo)準(zhǔn)的方程。

2.2黑暗像元法大氣校正

黑暗像元法就是，假設(shè)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(qū)域。但是由于大氣的影響，導(dǎo)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(rèn)為這部分增加的亮度值是由大氣程輻射貢獻(xiàn)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(zhì)等因素的影響，導(dǎo)致近紅外波段的離水輻亮度不為零，因此在二類水體中無(wú)法運(yùn)用到Gordon大氣校正算法，而實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)表明，在波長(zhǎng)大于1000nm的短波紅外波段，水體具有較強(qiáng)的吸收性，其離水輻亮度可以視為零。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

鄱陽(yáng)湖作為典型的二類水體，其水體的高動(dòng)態(tài)性使得不同湖區(qū)的泥沙濃度具有較大的差異性。羅衛(wèi)根據(jù)實(shí)測(cè)反射光譜的形態(tài)特征，將水體類型分為五種：特別混濁區(qū)、中等混濁區(qū)、輕度混濁區(qū)、清水區(qū)及特別清澈區(qū)。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(qū)，所以本文僅對(duì)這兩個(gè)泥沙濃度范圍進(jìn)行考慮。

選取三個(gè)與衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間相差小于3個(gè)小時(shí)的站點(diǎn)數(shù)據(jù)，分別為9、10、11號(hào)三個(gè)站點(diǎn)，其中，9、10號(hào)站點(diǎn)屬于輕度混濁區(qū)，11號(hào)站點(diǎn)數(shù)據(jù)清水區(qū)。且泥沙濃度依次降低，其中9號(hào)站點(diǎn)濃度最高，11號(hào)站點(diǎn)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(jié)果與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出大氣校正結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。

將經(jīng)過(guò)FLAASH大氣校正的離水反射率數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，第一第二波段的相對(duì)誤差達(dá)到90%，第三第四波段相對(duì)誤差達(dá)到170%，所以研究認(rèn)為，現(xiàn)有的FLAASH大氣校正并不適合鄱陽(yáng)湖水域的水體大氣校正，可以通過(guò)對(duì)模型參數(shù)的改進(jìn)以期獲取更好的效果。

9、10號(hào)站點(diǎn)均屬于輕度混濁水體，由表2和表3可以發(fā)現(xiàn)，暗像元法相對(duì)誤差值普遍小于短波紅外校正結(jié)果值，除去相對(duì)誤差較大近紅外波段，9號(hào)站點(diǎn)第一至第四波段，短波紅外法相對(duì)誤差的均值比暗像元法相對(duì)誤差的均值高153.78%；10號(hào)站點(diǎn)第一至第四波段，短波紅外法相對(duì)誤差的均值比暗像元法相對(duì)誤差的均值高36.79%。說(shuō)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(lái)越小。

11號(hào)站點(diǎn)屬于清澈水體，由表4可以發(fā)現(xiàn)，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(duì)誤差均值比暗像元法相對(duì)誤差均值低38.17%。

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

在11號(hào)站點(diǎn)，泥沙濃度較低，水體較為清澈，水體在短波紅外波段的強(qiáng)吸收性增強(qiáng)，離水輻亮度為零的假設(shè)可以實(shí)現(xiàn)，其校正精度開始提高，反觀暗像元法，每個(gè)站點(diǎn)均采用的是固定的程輻射值進(jìn)行校正，存在暗像元選取不當(dāng)?shù)囊蛩?。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(jié)論

通過(guò)利用黑暗像元法、FLAASH法及短波紅外法對(duì)鄱陽(yáng)湖Landsat8 oli影像進(jìn)行大氣校正處理，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）利用F1AASH模塊進(jìn)行大氣校正，得出的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差很大，認(rèn)為現(xiàn)有的FLAASH大氣校正算法并不適合二類水體的大氣校正，認(rèn)為可以通過(guò)對(duì)其算法進(jìn)行調(diào)整來(lái)提高其大氣校正的精度。

（2）9、10號(hào)站點(diǎn)暗像元校正結(jié)果的精度較高，11號(hào)站點(diǎn)短波紅外校正結(jié)果的精度較高。9號(hào)站點(diǎn)短波紅外法比暗像元法相對(duì)誤差高153.78%，10號(hào)站點(diǎn)短波紅外法比暗像元法相對(duì)誤差高36.79%，11號(hào)站點(diǎn)短波紅外法比暗像元法相對(duì)誤差低36.79%。endprint