楊 杭,張 霞,帥 通,童慶禧

(中國科學院遙感應用研究所,北京 100101)

OM IS-II圖像大氣校正之 FLAASH法與經驗線性法的比較

楊 杭,張 霞,帥 通,童慶禧

(中國科學院遙感應用研究所,北京 100101)

對 FLAASH法和經驗線性法的大氣校正效果進行評價。結果表明,FLAASH法和經驗線性法均能很好地消除大部分大氣的影響,滿足試驗要求。如果單從精度方面考慮,FLAASH法要略好于經驗線性法。但 FLAASH法的校正精度依賴于輸入的大氣參數和儀器定標精度,因而在實際應用中關鍵還要根據現有的數據情況選擇合適的校正方法。

OM IS-II;輻射定標系數;FLAASH法;經驗線性法;反射率轉換

一、引 言

實用模塊化成像光譜儀Ⅱ型 (OM IS-II)是上海技術物理研究所研制的機載高光譜成像系統(tǒng)。OM IS-II從可見光到熱紅外共有 64個波段,對每個像元能產生一條連續(xù)而完整的光譜曲線,實現了圖譜合一,并廣泛應用于陸地和海洋資源勘探及環(huán)境、全球變化等領域。

OM IS-II的擺掃式成像方式決定了其獲取的高光譜圖像往往存在邊緣輻射畸變,主要表現為同一掃描行中同種地物的亮度值不同,即從機下點向兩側遞減的趨勢。這主要是由于傳感器在成像時觀測角的變化導致的地面分辨率、大氣路徑長度、儀器—太陽—目標幾何關系以及地物反射非朗伯特性等綜合作用的結果[1]。因此在對圖像深化處理前應首先進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高光譜遙感圖像的光譜輻射特性、進行遙感定量分析的關鍵。目前經驗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。

經驗線性法的數學和物理意義明確,計算簡單,應用比較廣泛,但必須以地面實測數據為基礎,對野外工作的依賴性強,且對地面定標點的要求比較嚴格。該方法在實際應用中獲得了比較滿意的結果[2-4]。FLAASH法可以逐像元反演大氣屬性參數,但依賴于輸入的大氣參數和儀器定標精度。FLAASH法多應用于衛(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法運用于國內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驗線性法和 FLAASH法大氣校正的效果。本文針對以上兩點缺憾,同時選用經驗線性法和 FLAASH法對航空高光譜影像進行大氣校正,并對校正能力進行了分析比較。

二、數據源

本文的研究數據是通過參加中國科學院西部行動計劃“黑河流域遙感—地面觀測同步試驗與綜合模擬平臺建設”與 973項目“陸表生態(tài)環(huán)境要素主被動遙感協同反演理論與方法”在黑河組織的大型綜合試驗獲取的。2008年 6月 4日獲得了張掖—大滿地區(qū)的15個條帶的OM IS-II數據。OM IS-II在可見光到熱紅外有64個波段,總視場角為 73°。本次試驗平均飛行高度為1 500m,對應地面分辨率約 4.5m。圖像前60個波段經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前 60個波段進行。

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

三、OM IS-II的圖像處理

對OM IS-II圖像的處理程序包括輻射定標、輻射校正和大氣校正。

輻射定標是將 OM IS-II圖像標定為輻亮度圖像。定標公式為

式中,A為增益;B為偏置。

矩匹配校正法為線性轉換,對后面的經驗線性法的影響較小,故本文選用矩匹配法對 OM IS-II圖像進行邊緣輻射校正。校正時,根據圖像的掃描方向,將每一列看成一個子圖像,計算每個子圖像的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準差,采用公式(2)計算

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法進行。FLAASH模塊嵌入了MODTRAN4 +輻射傳輸代碼,能夠對影像逐像元地校正大氣中的水汽、氧氣、二氧化碳、甲烷、臭氧和分子與氣溶膠散射的影響。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法假設在太陽波譜范圍內 (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像元的輻射亮度滿足以下標準方程

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A和B依賴于大氣和觀測幾何狀況,與地表無關。方程(3)的第一項是由地面反射直接進入遙感器的部分,第二項是地面反射后經大氣散射進入遙感的部分。參數A、B和La是由MODTRAN4+模型計算而得。ρ和ρe的最大區(qū)別在于后者包含像元臨近效應,如果忽略臨近效應,則二者相等,即ρ=ρe。本次試驗中的參數設置見表 1。

2.經驗線性法

經驗線性法 (empirical line approach,ELA)進行大氣校正,是使遙感數據與同步實測光譜反射數據相匹配。經驗線性法的公式如下

式中,DNk是第 k波段的像元輸出值;ρλ為傳感器瞬時視場(IFOV)內物質在某一特定波長(λ)的折合表面反射率;Ak是影響 DNk的乘性項 (增益);Bk是加性項(偏置)。為了使用經驗線性法,分析人員常選擇場景中兩個或多個反照率不同的區(qū)域,所選區(qū)域應該盡量單一,以保證圖像像元的純度。然后采用光譜輻射計實測這些地面目標。對實測數據和遙感數據采用最小二乘法進行回歸,計算出增益和偏置。然后應用增益和偏置逐波段處理遙感數據,以去除大氣衰減。由于處理過程中輻射定標和經驗線性法均是線性變換,故輻射定標對經驗線性法的結果沒有影響。實際中,選用了水體、土壤、小麥、水泥四種地物回歸求解增益和偏置,實現反射率轉換。

表1 模型參數的設置

四、結果與分析

為了對校正結果進行評價,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OM IS中心波長和半高半寬采樣后的地面實測典型地物反射率曲線,圖 3、圖 4分別是采用 FLAASH法和經驗線性法校正后的典型地物反射率曲線。

圖2 ASD光譜儀測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 經驗線性法(EL)校正后地物反射率曲線

對照圖2～圖4分析表明,FLAASH法和經驗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的大氣影響,滿足試驗要求,二者反演結果與ASD實測反射率曲線的相關系數均達到 0.996。但是在藍光波段 FLAASH法校正后的反射率比經驗線性法校正結果更接近于 ASD實測反射率。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,比經驗法更精確。

ASD實測的玉米反射率曲線紅邊不明顯,并且0.74～1.3μm譜段內的反射平臺也低于正常植被的反射“平臺”。這是因為 6月份田間玉米處于幼苗期,未完全覆蓋土壤,因此所測玉米光譜曲線含有大量土壤信息。在可見光波段 FLAASH法和經驗線性法校正后的玉米反射率曲線基本反映了這一時期玉米光譜的真實狀況,二者反演結果與 ASD實測反射率曲線的相關系數分別為 0.993和0.969。但是 FLAASH在 0.94μm附近有明顯的水吸收帶,這可能是因為在反演過程中,FLAASH模塊重點考慮了 0.94μm處的水吸收作用。

常見的荒漠光譜反射率在 ＜1.1μm波長范圍內呈現單調增加趨勢 (見圖 2),且增加主要集中在0.47～0.7μm波長范圍內,經驗線性法校正的結果在整個測量范圍內呈現單調增加趨勢,總體上要比ASD實測結果平緩得多,因此經驗線性法校正后的荒漠反射率曲線與 ASD實測的相關系數僅為0.894。FLAASH校正結果在 0.47～0.7μm波長范圍內與 ASD實測結果十分相似,但是在 0.8～1.1μm波長范圍內反射率曲線不夠平滑,表明模型法相對經驗法對噪聲更加敏感。FLAASH法校正反射率曲線與 ASD實測反射率曲線相關系數為0.978。

將兩種方法的校正結果與ASD實測結果進行誤差分析,結果表明,在整個測量波譜范圍內, FLAASH法與ASD實測反射率曲線的絕對誤差平均值在 0.008 7～0.025之間,經驗線性法與ASD實測反射率曲線的絕對誤差均值在 0.004 2～0.048之間,這在一定程度上表明 FLAASH法反演結果更穩(wěn)定。

五、結 論

本文總結和比較了 FLAASH法和經驗線性法的大氣校正方法,并在此基礎上將校正結果與地面實測地物的反射率進行比較。結果表明：FLAASH法和經驗線性法均能很好地消除大部分大氣的影響,滿足試驗要求。如果單從精度方面考慮, FLAASH法要略好于經驗線性方法,因為 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和儀器定標精度。而經驗線性法與 FLAASH法相比,其優(yōu)點是數學和物理意義明確,計算簡單,在具有足夠的實測數據支持條件下,能較好地消除大氣傳輸和儀器定標等的影響;缺點是校正精度依賴于地面實測數據,且對整個圖像需要采用同樣的定標參數。因此地面實測數據的精度、定標體的混合像元和鄰近像元等因素會嚴重影響校正精度。

在實際中應該選用哪種方法要依據試驗數據源的質量和種類。即在實際應用中如果能夠選擇范圍足夠大且均一,近似滿足朗伯體,無植被覆蓋或全植被覆蓋的目標時,不需要考慮大氣以及傳感器定標等問題,直接采用經驗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測數據,比如研究歷史數據時,則需根據研究區(qū)域的大氣參數以及相應傳感器的定標系數,采用 FLAASH法進行大氣校正才能達到很好的校正效果。

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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

中國科學院西部行動計劃 (二期)課題 (KZCX2-XB2-09-02);國家科技支撐課程 (2007BAH15B01);國家自然科學基金項目(40971205)

楊 杭(1979—),男,山東泰安人,博士,主要研究方向為高光譜遙感。