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(duì)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(shí)相遙感數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)的計(jì)算機(jī)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(zhǔn)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(shí)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(biāo)法、固定目標(biāo)法、對(duì)比減少法等大氣校正方法相比，6S模型具有計(jì)算精度高、操作方便，可以利用實(shí)測的大氣數(shù)據(jù)和氣溶膠數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正等優(yōu)點(diǎn)[3]。

但是6S模型不能對(duì)遙感影像進(jìn)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(duì)遙感影像進(jìn)行大氣校正。為了能更方便地使用6S模型進(jìn)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(duì)影像進(jìn)行分塊讀取處理，實(shí)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(jìn)行處理；同時(shí)，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(jìn)行大氣校正的基本原理

6S模型是在法國大氣光學(xué)實(shí)驗(yàn)室和美國馬里蘭大學(xué)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(gè)離散角，分別計(jì)算不同大氣層和離散角的輻射值，從而可減少計(jì)算量、整層處理的難度以及計(jì)算的誤差。計(jì)算透過率時(shí)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(jì)算精度[2]。

對(duì)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(xiàn)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(bǔ)(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(xué)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(jì)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(tái)下基于C++程序設(shè)計(jì)語言開發(fā)。GDAL(Geospatial Data Abstraction Library)是一個(gè)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(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算機(jī)的內(nèi)存，影響影像處理的效率。針對(duì)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(jì)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(biāo)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(biāo)模塊如圖2所示。

圖2 6S-GDAL軟件的輻射定標(biāo)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(biāo)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(hào)、波段和影像獲取的時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)厚度和能見度兩種。

4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證6S-GDAL軟件能夠有效地去除大氣對(duì)遙感影像的影響，本文使用6S-GDAL軟件和FLAASH模型對(duì)2012年5月6日太湖地區(qū)的環(huán)境星CCD影像作進(jìn)行大氣校正實(shí)驗(yàn)，然后從校正后的影像、校正后各波段的統(tǒng)計(jì)直方圖和植被指數(shù)(NDVI)三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)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(biāo)物半徑和目標(biāo)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(shí)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(jìn)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?yàn)橛跋窠?jīng)過大氣校正后對(duì)比度增強(qiáng)。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(jì)直方圖進(jìn)行對(duì)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(duì)影像進(jìn)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(xiàn)[4、5]的研究結(jié)果基本一致。

一般認(rèn)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小；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(jì)直方圖范圍都有所擴(kuò)大，反射率的值都有所改變。為了更直觀地比較兩種軟件對(duì)影像大氣校正后的差異，將它們校正后的統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

模型校正后的統(tǒng)計(jì)信息對(duì)比 表2

由表2所示統(tǒng)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)差變大，這樣就對(duì)影像的亮度變化進(jìn)行了拉伸，增強(qiáng)對(duì)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(jìn)一步驗(yàn)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(jìn)行分析。在3幅NDVI影像上各取相當(dāng)于實(shí)際地面 10 km的橫線，每條橫線上等距地取40個(gè)不同地表覆蓋的像元點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(dá) 0.370 8，F(xiàn)LAASH的最大值可達(dá) 0.225 8，這說明了兩種模型都能較好地消除大氣對(duì)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(hào)的衰減，大氣校正在一定程度上彌補(bǔ)這種信號(hào)的衰減[8、9]。

總體來說，兩種模型都可以消除大氣對(duì)影像的影響，提高了影像的對(duì)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(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明該軟件夠有效地去除大氣對(duì)電磁波傳輸過程的影響，能較好地完成對(duì)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(shí)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(jìn)行校正時(shí)將地表近似為朗伯面，忽略了地物二向特性對(duì)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(duì)大氣校正結(jié)果進(jìn)行二次校正，以獲得更加準(zhǔn)確的地表反射率。