OM IS-II圖像大氣校正之 FLAASH法與經(jīng)驗(yàn)線性法的比較

楊 杭,張 霞,帥 通,童慶禧

(中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所,北京 100101)

OM IS-II圖像大氣校正之 FLAASH法與經(jīng)驗(yàn)線性法的比較

楊 杭,張 霞,帥 通,童慶禧

(中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所,北京 100101)

對(duì) FLAASH法和經(jīng)驗(yàn)線性法的大氣校正效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,FLAASH法和經(jīng)驗(yàn)線性法均能很好地消除大部分大氣的影響,滿足試驗(yàn)要求。如果單從精度方面考慮,FLAASH法要略好于經(jīng)驗(yàn)線性法。但 FLAASH法的校正精度依賴于輸入的大氣參數(shù)和儀器定標(biāo)精度,因而在實(shí)際應(yīng)用中關(guān)鍵還要根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)情況選擇合適的校正方法。

OM IS-II;輻射定標(biāo)系數(shù);FLAASH法;經(jīng)驗(yàn)線性法;反射率轉(zhuǎn)換

一、引 言

實(shí)用模塊化成像光譜儀Ⅱ型 (OM IS-II)是上海技術(shù)物理研究所研制的機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)。OM IS-II從可見光到熱紅外共有 64個(gè)波段,對(duì)每個(gè)像元能產(chǎn)生一條連續(xù)而完整的光譜曲線,實(shí)現(xiàn)了圖譜合一,并廣泛應(yīng)用于陸地和海洋資源勘探及環(huán)境、全球變化等領(lǐng)域。

OM IS-II的擺掃式成像方式?jīng)Q定了其獲取的高光譜圖像往往存在邊緣輻射畸變,主要表現(xiàn)為同一掃描行中同種地物的亮度值不同,即從機(jī)下點(diǎn)向兩側(cè)遞減的趨勢(shì)。這主要是由于傳感器在成像時(shí)觀測(cè)角的變化導(dǎo)致的地面分辨率、大氣路徑長(zhǎng)度、儀器—太陽(yáng)—目標(biāo)幾何關(guān)系以及地物反射非朗伯特性等綜合作用的結(jié)果[1]。因此在對(duì)圖像深化處理前應(yīng)首先進(jìn)行圖像邊緣輻射畸變校正。另外,OM IS-II圖像信息受到大氣分子、氣溶膠和云粒子等大氣成分吸收和散射的影響,因此大氣校正是恢復(fù)高光譜遙感圖像的光譜輻射特性、進(jìn)行遙感定量分析的關(guān)鍵。目前經(jīng)驗(yàn)線性法和基于大氣輻射傳輸模型的 FLAASH法大氣校正是最常用的大氣校正方法。

經(jīng)驗(yàn)線性法的數(shù)學(xué)和物理意義明確,計(jì)算簡(jiǎn)單,應(yīng)用比較廣泛,但必須以地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)野外工作的依賴性強(qiáng),且對(duì)地面定標(biāo)點(diǎn)的要求比較嚴(yán)格。該方法在實(shí)際應(yīng)用中獲得了比較滿意的結(jié)果[2-4]。FLAASH法可以逐像元反演大氣屬性參數(shù),但依賴于輸入的大氣參數(shù)和儀器定標(biāo)精度。FLAASH法多應(yīng)用于衛(wèi)星影像,比如 ET M+影像、ASTER多光譜影像等[5-7],并取得了精度比較高的反射率圖像。目前將 FLAASH法運(yùn)用于國(guó)內(nèi)航空高光譜圖像大氣校正的研究極少。另外,研究人員只是分別研究經(jīng)驗(yàn)線性法和 FLAASH法大氣校正的效果。本文針對(duì)以上兩點(diǎn)缺憾,同時(shí)選用經(jīng)驗(yàn)線性法和 FLAASH法對(duì)航空高光譜影像進(jìn)行大氣校正,并對(duì)校正能力進(jìn)行了分析比較。

二、數(shù)據(jù)源

本文的研究數(shù)據(jù)是通過參加中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃“黑河流域遙感—地面觀測(cè)同步試驗(yàn)與綜合模擬平臺(tái)建設(shè)”與 973項(xiàng)目“陸表生態(tài)環(huán)境要素主被動(dòng)遙感協(xié)同反演理論與方法”在黑河組織的大型綜合試驗(yàn)獲取的。2008年 6月 4日獲得了張掖—大滿地區(qū)的15個(gè)條帶的OM IS-II數(shù)據(jù)。OM IS-II在可見光到熱紅外有64個(gè)波段,總視場(chǎng)角為 73°。本次試驗(yàn)平均飛行高度為1 500m,對(duì)應(yīng)地面分辨率約 4.5m。圖像前60個(gè)波段經(jīng)過去暗電流處理和基于 POS的幾何粗校正,因此本文的分析僅對(duì)前 60個(gè)波段進(jìn)行。

與飛行同步進(jìn)行了地面典型地物的反射率光譜測(cè)量,所用儀器為野外便攜式光譜儀 ASD Field-Spec FR,測(cè)量地點(diǎn)在工行度假村和盈科氣象站,主要測(cè)量地物為水泥路面、玉米、小麥、荒漠等。這些同步測(cè)量光譜將用于OM IS-II圖像的反射率標(biāo)定和輻射校正后光譜保真效果評(píng)價(jià)。

三、OM IS-II的圖像處理

對(duì)OM IS-II圖像的處理程序包括輻射定標(biāo)、輻射校正和大氣校正。

輻射定標(biāo)是將 OM IS-II圖像標(biāo)定為輻亮度圖像。定標(biāo)公式為

式中,A為增益;B為偏置。

矩匹配校正法為線性轉(zhuǎn)換,對(duì)后面的經(jīng)驗(yàn)線性法的影響較小,故本文選用矩匹配法對(duì) OM IS-II圖像進(jìn)行邊緣輻射校正。校正時(shí),根據(jù)圖像的掃描方向,將每一列看成一個(gè)子圖像,計(jì)算每個(gè)子圖像的DN值均值和方差。選取所有方差和均值的中值作為參考均值和標(biāo)準(zhǔn)差,采用公式(2)計(jì)算

圖1 輻射校正前后圖像比較

1.基于 FLAASH法的大氣校正

研究區(qū)域的大氣校正利用 ENV I軟件的FLAASH法進(jìn)行。FLAASH模塊嵌入了MODTRAN4 +輻射傳輸代碼,能夠?qū)τ跋裰鹣裨匦Ｕ髿庵械乃?、氧氣、二氧化碳、甲烷、臭氧和分子與氣溶膠散射的影響。它能得到每景影像的水汽圖、云圖和能見度,是目前精度較高的大氣輻射校正模型。

FLAASH法假設(shè)在太陽(yáng)波譜范圍內(nèi) (不包括熱輻射)地表為均勻的朗伯面,因此遙感器獲取的每個(gè)像元的輻射亮度滿足以下標(biāo)準(zhǔn)方程

式中,L為遙感器接收到的總輻射;ρ為像元表面反射率;ρe為像元和周圍環(huán)境的平均表面反射率;S是大氣半球反照率;La是大氣后向散射;系數(shù)A和B依賴于大氣和觀測(cè)幾何狀況,與地表無(wú)關(guān)。方程(3)的第一項(xiàng)是由地面反射直接進(jìn)入遙感器的部分,第二項(xiàng)是地面反射后經(jīng)大氣散射進(jìn)入遙感的部分。參數(shù)A、B和La是由MODTRAN4+模型計(jì)算而得。ρ和ρe的最大區(qū)別在于后者包含像元臨近效應(yīng),如果忽略臨近效應(yīng),則二者相等,即ρ=ρe。本次試驗(yàn)中的參數(shù)設(shè)置見表 1。

2.經(jīng)驗(yàn)線性法

經(jīng)驗(yàn)線性法 (empirical line approach,ELA)進(jìn)行大氣校正,是使遙感數(shù)據(jù)與同步實(shí)測(cè)光譜反射數(shù)據(jù)相匹配。經(jīng)驗(yàn)線性法的公式如下

式中,DNk是第 k波段的像元輸出值;ρλ為傳感器瞬時(shí)視場(chǎng)(IFOV)內(nèi)物質(zhì)在某一特定波長(zhǎng)(λ)的折合表面反射率;Ak是影響 DNk的乘性項(xiàng) (增益);Bk是加性項(xiàng)(偏置)。為了使用經(jīng)驗(yàn)線性法,分析人員常選擇場(chǎng)景中兩個(gè)或多個(gè)反照率不同的區(qū)域,所選區(qū)域應(yīng)該盡量單一,以保證圖像像元的純度。然后采用光譜輻射計(jì)實(shí)測(cè)這些地面目標(biāo)。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行回歸,計(jì)算出增益和偏置。然后應(yīng)用增益和偏置逐波段處理遙感數(shù)據(jù),以去除大氣衰減。由于處理過程中輻射定標(biāo)和經(jīng)驗(yàn)線性法均是線性變換,故輻射定標(biāo)對(duì)經(jīng)驗(yàn)線性法的結(jié)果沒有影響。實(shí)際中,選用了水體、土壤、小麥、水泥四種地物回歸求解增益和偏置,實(shí)現(xiàn)反射率轉(zhuǎn)換。

表1 模型參數(shù)的設(shè)置

四、結(jié)果與分析

為了對(duì)校正結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),從處理后的圖像上提取了玉米、小麥和荒漠的反射率曲線。圖 2為根據(jù)OM IS中心波長(zhǎng)和半高半寬采樣后的地面實(shí)測(cè)典型地物反射率曲線,圖 3、圖 4分別是采用 FLAASH法和經(jīng)驗(yàn)線性法校正后的典型地物反射率曲線。

圖2 ASD光譜儀測(cè)量的地物反射率曲線

圖3 FLAASH法校正后地物反射率曲線

圖 4 經(jīng)驗(yàn)線性法(EL)校正后地物反射率曲線

對(duì)照?qǐng)D2～圖4分析表明,FLAASH法和經(jīng)驗(yàn)線性法反演的小麥反射率曲線都能夠很好地表征小麥的反射率光譜特征,能夠很好地去除絕大多數(shù)的大氣影響,滿足試驗(yàn)要求,二者反演結(jié)果與ASD實(shí)測(cè)反射率曲線的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到 0.996。但是在藍(lán)光波段 FLAASH法校正后的反射率比經(jīng)驗(yàn)線性法校正結(jié)果更接近于 ASD實(shí)測(cè)反射率。這可能是由于 FLAASH法綜合考慮了大氣中的瑞利散射和氣溶膠散射的影響,比經(jīng)驗(yàn)法更精確。

ASD實(shí)測(cè)的玉米反射率曲線紅邊不明顯,并且0.74～1.3μm譜段內(nèi)的反射平臺(tái)也低于正常植被的反射“平臺(tái)”。這是因?yàn)?6月份田間玉米處于幼苗期,未完全覆蓋土壤,因此所測(cè)玉米光譜曲線含有大量土壤信息。在可見光波段 FLAASH法和經(jīng)驗(yàn)線性法校正后的玉米反射率曲線基本反映了這一時(shí)期玉米光譜的真實(shí)狀況,二者反演結(jié)果與 ASD實(shí)測(cè)反射率曲線的相關(guān)系數(shù)分別為 0.993和0.969。但是 FLAASH在 0.94μm附近有明顯的水吸收帶,這可能是因?yàn)樵诜囱葸^程中,FLAASH模塊重點(diǎn)考慮了 0.94μm處的水吸收作用。

常見的荒漠光譜反射率在 ＜1.1μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)呈現(xiàn)單調(diào)增加趨勢(shì) (見圖 2),且增加主要集中在0.47～0.7μm波長(zhǎng)范圍內(nèi),經(jīng)驗(yàn)線性法校正的結(jié)果在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)呈現(xiàn)單調(diào)增加趨勢(shì),總體上要比ASD實(shí)測(cè)結(jié)果平緩得多,因此經(jīng)驗(yàn)線性法校正后的荒漠反射率曲線與 ASD實(shí)測(cè)的相關(guān)系數(shù)僅為0.894。FLAASH校正結(jié)果在 0.47～0.7μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)與 ASD實(shí)測(cè)結(jié)果十分相似,但是在 0.8～1.1μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)反射率曲線不夠平滑,表明模型法相對(duì)經(jīng)驗(yàn)法對(duì)噪聲更加敏感。FLAASH法校正反射率曲線與 ASD實(shí)測(cè)反射率曲線相關(guān)系數(shù)為0.978。

將兩種方法的校正結(jié)果與ASD實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行誤差分析,結(jié)果表明,在整個(gè)測(cè)量波譜范圍內(nèi), FLAASH法與ASD實(shí)測(cè)反射率曲線的絕對(duì)誤差平均值在 0.008 7～0.025之間,經(jīng)驗(yàn)線性法與ASD實(shí)測(cè)反射率曲線的絕對(duì)誤差均值在 0.004 2～0.048之間,這在一定程度上表明 FLAASH法反演結(jié)果更穩(wěn)定。

五、結(jié) 論

本文總結(jié)和比較了 FLAASH法和經(jīng)驗(yàn)線性法的大氣校正方法,并在此基礎(chǔ)上將校正結(jié)果與地面實(shí)測(cè)地物的反射率進(jìn)行比較。結(jié)果表明：FLAASH法和經(jīng)驗(yàn)線性法均能很好地消除大部分大氣的影響,滿足試驗(yàn)要求。如果單從精度方面考慮, FLAASH法要略好于經(jīng)驗(yàn)線性方法,因?yàn)?FLAASH法是基于大氣輻射傳輸模型發(fā)展起來的,能夠逐像素地消除大氣傳輸路徑的影響,并且 FLAASH法綜合考慮了大氣中的水汽、氧氣、二氧化碳、甲烷、臭氧和分子與氣溶膠散射的影響。但是 FLAASH法的校正精度依賴于輸入的大氣參數(shù)和儀器定標(biāo)精度。而經(jīng)驗(yàn)線性法與 FLAASH法相比,其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)學(xué)和物理意義明確,計(jì)算簡(jiǎn)單,在具有足夠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支持條件下,能較好地消除大氣傳輸和儀器定標(biāo)等的影響;缺點(diǎn)是校正精度依賴于地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),且對(duì)整個(gè)圖像需要采用同樣的定標(biāo)參數(shù)。因此地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的精度、定標(biāo)體的混合像元和鄰近像元等因素會(huì)嚴(yán)重影響校正精度。

在實(shí)際中應(yīng)該選用哪種方法要依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)源的質(zhì)量和種類。即在實(shí)際應(yīng)用中如果能夠選擇范圍足夠大且均一,近似滿足朗伯體,無(wú)植被覆蓋或全植被覆蓋的目標(biāo)時(shí),不需要考慮大氣以及傳感器定標(biāo)等問題,直接采用經(jīng)驗(yàn)線性法是很好的選擇。然而更多情況下不能夠獲取同步地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),比如研究歷史數(shù)據(jù)時(shí),則需根據(jù)研究區(qū)域的大氣參數(shù)以及相應(yīng)傳感器的定標(biāo)系數(shù),采用 FLAASH法進(jìn)行大氣校正才能達(dá)到很好的校正效果。

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Comparision of FLAASH and EmpiricalL ine Approach for Atmospheric Correction of OM IS-II I magery

YANG Hang,ZHANG Xia,SHUA I Tong,TONGQingxi

0494-0911(2010)08-0004-03

P237

B

2009-11-10

中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃 (二期)課題 (KZCX2-XB2-09-02);國(guó)家科技支撐課程 (2007BAH15B01);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40971205)

楊 杭(1979—),男,山東泰安人,博士,主要研究方向?yàn)楦吖庾V遙感。