基于6S-GDAL大氣校正軟件的實現(xiàn)與應(yīng)用

鄭堯，靳竺霖

(沈陽市勘察測繪研究院，遼寧 沈陽 110004)

1 引 言

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對遙感信息的質(zhì)量要求也提出了新的需求，特別是利用多遙感器、多時相遙感數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和分析資源、環(huán)境以及氣候變化等的需要。從以往定性的目視解譯和自動的計算機解譯等方法逐漸向遙感信息定量化方向發(fā)展[1]。而要獲得地表的準確信息，就必須在遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用過程中盡量消除大氣影響，大氣輻射校正的目的就是將遙感數(shù)據(jù)的表觀反射率轉(zhuǎn)換為地物真實的地表反射率。

6S輻射傳輸模型主要適用于 0.25 μm～4.0 μm波段的大氣校正，該模型使用狀態(tài)近似和逐次散射方法來求解輻射傳輸方程，能較好地解決瑞利散射和氣溶膠的影響[2]。與直方圖均衡化、黑暗目標法、固定目標法、對比減少法等大氣校正方法相比，6S模型具有計算精度高、操作方便，可以利用實測的大氣數(shù)據(jù)和氣溶膠數(shù)據(jù)進行大氣校正等優(yōu)點[3]。

但是6S模型不能對遙感影像進行直接校正，而是根據(jù)輸入的參數(shù)得到大氣校正系數(shù)，再借助其他軟件對遙感影像進行大氣校正。為了能更方便地使用6S模型進行大氣校正，本文將GDAL庫與6S模型相結(jié)合(本文稱為6S-GDAL軟件)，用GDAL庫對影像進行分塊讀取處理，實現(xiàn)了影像讀取和校正的一體化處理，不需要再借助其他軟件進行處理；同時，還增加了6S-GDAL軟件中的光譜響應(yīng)函數(shù)，使其能夠處理環(huán)境星、資源衛(wèi)星等國內(nèi)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。

2 應(yīng)用6S模型進行大氣校正的基本原理

6S模型是在法國大氣光學實驗室和美國馬里蘭大學地理系在5S(Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，模型將大氣分31層，21個離散角，分別計算不同大氣層和離散角的輻射值，從而可減少計算量、整層處理的難度以及計算的誤差。計算透過率時考慮了6種氣體(H2O、CO2、O2、O3、N2O、和CH4)，提高了瑞利散射與氣溶膠散射的計算精度[2]。

對于朗伯體表面而言，衛(wèi)星所接收到的表面反射率包括：被地表反射后的直接太陽輻射和漫射太陽輻射、內(nèi)部的大氣輻射、周邊環(huán)境的貢獻等。衛(wèi)星傳感器接收到的表面反射率為：

(1)

式(1)中ρ′(θs，θv，φv)是傳感器接收的大氣頂部反射率，ρa(θs，θv，φv)是瑞利散射和氣溶膠散射引起的程輻射；θs，θv，φv是太陽天頂角、觀測天頂角和方位角；T(θs)、T(θv)是下行和上行輻射的總透射率；td(θs)、td(θv)是下行和上行散射輻射透射率因子；e-τ/μs、e-τ/μv是下行直射輻射和直接透射到傳感器的上行輻射；τ是大氣光學厚度；ρ(M)表示鄰近效應(yīng)；<ρ(M)>是平均環(huán)境反射率；tg(θs，θv)是大氣分子和水汽吸收因子。

3 6S-GDAL軟件的設(shè)計思路

6S-GDAL軟件基于Windows7系統(tǒng)操作環(huán)境下，并在Visual Studio 2008開發(fā)平臺下基于C++程序設(shè)計語言開發(fā)。GDAL(Geospatial Data Abstraction Library)是一個在X/MIT協(xié)議下開源的柵格空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換庫。它可以對柵格數(shù)據(jù)進行相關(guān)的處理，它使用抽象的數(shù)據(jù)模型來分析數(shù)據(jù)格式。本文使用GDAL庫讀取需要處理的GeoTIFF格式的遙感影像，由于遙感影像的數(shù)據(jù)量大，在讀取和處理過程中需要大量占用計算機的內(nèi)存，影響影像處理的效率。針對這一問題，采用影像分塊處理算法，在保證軟件處理速度情況下，提高了軟件處理數(shù)據(jù)的能力。根據(jù)上述的設(shè)計思路及數(shù)據(jù)處理需求，把軟件的結(jié)構(gòu)模塊劃分為如圖1所示。

圖1 6S-GDAL軟件的主要功能模塊

3.1 輻射定標模塊

該模塊的功能是將遙感影像的DN值轉(zhuǎn)換為表觀反射率，并將得到的結(jié)果保存為GeoTiff格式的影像數(shù)據(jù)。使用式(2)將遙感影像的DN值轉(zhuǎn)換為反射率：

(2)

式中：Lλ為輻亮度，Gain和Bias為增益和偏移，ρ為表觀反射率，d為天文單位的日地距離，θ為太陽天頂角，E為各波段太陽表觀輻射率的均值。本軟件的輻射定標模塊如圖2所示。

圖2 6S-GDAL軟件的輻射定標模塊

3.2 傳感器參數(shù)模塊

該模塊的功能是讀取輻射定標后的影像和獲得大氣校正所需要的傳感器參數(shù)，這些參數(shù)包括：傳感器的幾何條件、傳感器型號、波段和影像獲取的時間等。

3.3 大氣參數(shù)模塊

該模塊的主要功能是設(shè)置大氣模型。其中大氣模型分為：無大氣吸收模型、熱帶大氣模型、中緯度夏季大氣模型、中緯度冬季大氣模型、亞北極區(qū)夏季大氣模型、亞北極區(qū)冬季大氣模型、美國62標準大氣模型、自定義大氣模型和直接輸入水汽和臭氧濃度。

3.4 氣溶膠參數(shù)模塊

該模塊的主要功能是設(shè)置氣溶膠模型和氣溶膠濃度。其中氣溶膠模型分為：無氣溶膠模型、大陸型模型、海洋型模型、城市型模型、自定義模型、沙漠型模型和同溫層模型；氣溶膠的濃度分為氣溶膠光學厚度和能見度兩種。

4 驗證實驗

為了驗證6S-GDAL軟件能夠有效地去除大氣對遙感影像的影響，本文使用6S-GDAL軟件和FLAASH模型對2012年5月6日太湖地區(qū)的環(huán)境星CCD影像作進行大氣校正實驗，然后從校正后的影像、校正后各波段的統(tǒng)計直方圖和植被指數(shù)(NDVI)三個方面進行對比分析。

在6S-GDAL軟件中需要輸入下列參數(shù)：傳感器參數(shù)(傳感器類型(成像年月日))，經(jīng)緯度，大氣模式，氣溶膠模型，氣溶膠濃度，輻射條件(觀測波段和海拔高度，地面覆蓋類型，目標物半徑和目標反射率)等。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，衛(wèi)星過境時的地面氣象參數(shù)由AERONET(Aerosol Robotic Network)太湖站提供。具體的輸入?yún)?shù)如表1所示。

軟件的輸入?yún)?shù) 表1

為了直觀地說明大氣校正的效果，將校正前后影像的1、2、3波段進行彩色合成，如圖3所示。

從圖3中可以看出，校正后的圖像較原影像更加清晰，這是因為影像經(jīng)過大氣校正后對比度增強。且6S-GDAL軟件的視覺效果要略好于FLAASH模型。然后將影像的表觀反射率、FLAASH模型校正后的反射率和6S-GDAL校正后的反射率的統(tǒng)計直方圖進行對比，如圖4所示。

圖3大氣校正前后HJ1B-CCD1彩色合成圖

圖4 大氣校正前后1～4波段反射率直方圖

從圖4可以看出，用兩種軟件對影像進行大氣校正，校正后影像的第1～3波段(可見光波段)的反射率都降低，第4波段(近紅外波段)的反射率都升高，這與文獻[4、5]的研究結(jié)果基本一致。

一般認為，可見光波段的平均反射率在大氣校正后明顯比校正前變小，且波長越短值變得越??；而在近紅外波段的平均反射率值比校正前增大[6]。經(jīng)過6S-GDAL軟件和FLAASH模型校正后，它們的統(tǒng)計直方圖范圍都有所擴大，反射率的值都有所改變。為了更直觀地比較兩種軟件對影像大氣校正后的差異，將它們校正后的統(tǒng)計信息進行對比，如表2所示。

模型校正后的統(tǒng)計信息對比 表2

由表2所示統(tǒng)計結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

(1)6S-GDAL反射率的均值與表觀反射率的均值相比：在第1～3波段6S-GDAL反射率的平均值減小，標準差變大，這樣就對影像的亮度變化進行了拉伸，增強對比度，提高地物的分辨能力。

(2)在第1～3波段，6S-GDAL反射率的均值都小于表觀反射率的均值，且6S-GDAL反射率的均值隨著波長的變小而減??；而FLAASH反射率在第2波段的均值與表觀反射率的均值相等，在第1、3波段的均值都小于表觀反射率均值。

植被指數(shù)作為遙感的基本地表參數(shù)，為監(jiān)測全球植被覆蓋變化提供了大量的信息[7]。因此，為了進一步驗證6S-GDAL軟件和FLAASH模型的校正效果，將大氣校正后的NDVI影像進行分析。在3幅NDVI影像上各取相當于實際地面 10 km的橫線，每條橫線上等距地取40個不同地表覆蓋的像元點，對其進行統(tǒng)計分析，如圖5示。

圖5大氣校正前后的NDVI變化

從圖5可以看出，6S大氣校正和FLAASH大氣校正都使NDVI值有所增加，其中6S-GDAL的最大值可達 0.370 8，F(xiàn)LAASH的最大值可達 0.225 8，這說明了兩種模型都能較好地消除大氣對影像的影響，且6S-GDAL的校正效果要優(yōu)于FLAASH模型。NDVI值增加的主要原因是光線在大氣傳播過程中受氣溶膠、水氣、空氣分子等因素的影響，造成了NDVI信號的衰減，大氣校正在一定程度上彌補這種信號的衰減[8、9]。

總體來說，兩種模型都可以消除大氣對影像的影響，提高了影像的對比度和解譯能力，而6S-GDAL軟件的校正效果優(yōu)于FLAASH模型。

5 結(jié)論與展望

(1)本文基于6S模型和GDAL庫開發(fā)了6S-GDAL大氣校正軟件。與FLAASH模型進行對比實驗，證明該軟件夠有效地去除大氣對電磁波傳輸過程的影響，能較好地完成對遙感影像的大氣校正工作。

(2)開發(fā)了遙感影像處理、校正一體化的校正軟件，簡化了遙感影像大氣校正的處理步驟，可以實現(xiàn)預(yù)設(shè)參數(shù)的批量化處理，減輕了遙感影像處理的工作量。

(3)本文在利用6S-GDAL大氣校正軟件進行校正時將地表近似為朗伯面，忽略了地物二向特性對大氣校正結(jié)果的影響。在后面的工作中，要在6S-GDAL軟件中增加二向反射模型(BRDF)對大氣校正結(jié)果進行二次校正，以獲得更加準確的地表反射率。