辐射校正、辐射定标、大气校正关系

前言

完整的辐射校正包括遥感器校准、大气校正、太阳高度和地形校正。本文主要介绍辐射校正基本概念及区分辐射校正、辐射定标、大气校正。

一、基本概念

• DN（Digital Number）值：像元亮度值，记录地物灰度值，即传感器得到的数字测量值。无单位（非物理量），整数。其大小与传感器的辐射分辨率、地物发射频率、大气透过率、散射率有关，反映地物辐射率。
  
  【注】相同传感器，量化系统不同，DN值不同。

• 辐射率（Radiance），也叫辐射亮度值，某一面积的辐射能量的总和，是辐射定标结果之一。

• 反射率（Reflectance）：物体表面反射的辐射量/接收的辐射量，[0,1]，为存储方便通常扩大某一倍数（如MODIS扩大10000倍）。
  包括：大气表观反射率：飞行在大气层外的传感器量测的反射率，包括云层、气溶胶、大气的贡献，由辐射亮度定标参数、太阳辐照度、太阳高度角、成像时间等来计算。

• 表观反射率：大气层顶的反射率，辐射定标的结果之一。（大气表观反射率，简称表观反射率，又称视反射率）。

• 地表反射率（地物真实反射率）：由辐射亮度图像计算得到，计算模型如辐射传输模型（去除云、大气、临近地物的影响）。

二、辐射校正

辐射校正：图像数据中依附在辐射亮度里的各种失真（噪声）的过程。

完整的辐射校正包括：遥感器校准、大气校正，以及太阳高度和地形校正。

遥感图像辐射校正的数据流程：

• 遥感器校准
  遥感器校正（定标）是将遥感器所得的测量值变换为绝对亮度值（绝对定标）或变换为与地表反射率、地面温度等物理量有关的相对值（相对定标）的处理过程。定标是遥感定量化的前提。

• 太阳高度和地形校正
  为了获得每个像元真实的光谱反射，经过遥感器和大气校正的图像还需更多的外部信息进行太阳高度和地形校正。 此过程目前较少涉及。

• 大气校正
  大气校正是遥感影像辐射校正的主要内容，其前提是辐射定标。大气校正的目的是消除大气和光照等因素对地物反射的影响。

下面重点介绍辐射定标和大气校正。

三、辐射定标

辐射校正、辐射定标与大气校正的关系：

（1）辐射定标：将记录的原始DN值转换为表观反射率；将图像的亮度灰度值转换为绝对辐射亮度。
（2）大气校正：将辐射亮度或者表面反射率转换为地表实际反射率；消除大气散射、吸收、反射引起的误差。

DN值与辐射亮度值的转换公式：

k和c可从遥感数据头文件中读取，并假设它们在遥感使用期内固定不变，实际它们会随时间有很小的衰减。

四、大气校正

1.是否需要大气校正

是否进行大气校正，取决于问题本身、可以得到的遥感数据的类型的历史与当前实测大气信息的数据和遥感数据中提取生物物理信息所要求的精度。

（1）可以忽略遥感数据的大气影响

• 对某些分类和变化检测而言，大气校正并不是必须的。
• 用最大似然法对单时相遥感数据进行分类，通常就不需要大气校正。只要影像中的用于分类的训练数据具有相对一致的尺度，大气校正与否就对分类精度几乎没有影响。

（2）一般需要进行大气校正

• 从水体或植被中提取生物物理变量(如：水体中的叶绿素a、悬浮泥沙、温度；植被中生物量、叶面积指数、叶绿素、树冠郁闭百分比)时，就必须对遥感数据进行大气校正。如果数据未经校正，就可能会丢失这些重要成分的反射率(或出射率)的微小差别信息。
• 如果需要将某景影像中提取的生物物理量(如：生物量)与另一景不同时相影像中提取的同一生物量相比较，就必须对遥感数据进行大气校正。
  

2.大气校正模型

（1）定义

大气校正实质：将辐射亮度或者表面反射率转换为地表实际反射率。

（2）大气校正模型

大气校正模型大致可以归纳为：

• 基于图像特征模型
• 地面线性回归经验模型
• 大气辐射传输理论模型

目前常用的大气辐射传输模型有MODTRAN（moderate resolution transmission）、6S（second simulation of the satellite signal in the solar spectrum）以及ACTOR（atmospheric and topographic correction）。

（3）大气校正分类

大气校正可以分为绝对校正和相对校正。

• 绝对校正：常用方法包括MODTRAN和6S；
• 相对校正：常用方法包括直方图调整法、暗目标法、固定目标法；

这里暂时不做探讨，主要理解辐射校正的流程及辐射定标、大气校正的关系。后期利用ENVI进行FLAASH大气校正。FLAASH大气校正使用了 MODTRAN 4+ 辐射传输模型的代码，基于像素级的校正，校正由于漫反射引起的连带效应，包含卷云和不透明云层的分类图，可调整由于人为抑止而导致的波谱平滑。

FLAASH可对Landsat, SPOT, AVHRR, ASTER, MODIS, MERIS, AATSR, IRS等多光谱、高光谱数据、航空影像及自定义格式的高光谱影像进行快速大气校正分析。能有效消除大气和光照等因素对地物反射的影响，获得地物较为准确的反射率和辐射率、地表温度等真实物理模型参数。

总结：

• 辐射亮度值与DN的关系：
  
• 反射率与辐射亮度值的关系：
  
  

五、参考链接

1. 辐射定标、大气校正：https://blog.csdn.net/qq_41718357/article/details/83545582

2. 遥感图像预处理-大气校正：https://blog.csdn.net/qq_36213352/article/details/88071802

3. 《遥感应用分析原理与方法》——赵英时

4. 遥感图像预处理：https://zhuanlan.zhihu.com/p/56646172