高光谱遥感大气辐射校正技术的研究

为满足高光谱遥感图像定量化解译的需求,针对现有大气校正方法面临的大气参数不同步问题,对基于大气参数空间同步获取的大气辐射校正技术进行了研究。首先总结了利用卫星搭载专用大气辐射校正载荷,同步提供大气校正参数与地表反射特性的方法,从根本上解决辐射传输模型中的大气参数难以同步获取的问题。其次结合国外在轨运行的高光谱遥感卫星的调研结果,在大气校正载荷的设计—尤其是谱段选择和优化方面对载荷系统的方案特点和技术指标进行了归纳。并选取EO-1 Hyperion高光谱遥感图像进行了大气校正,从校正前后图像的视觉效果、光谱特性、典型地物的分类识别效果三方面分析了大气校正对高光谱遥感定量化应用性能的提升。最后对大气辐射校正技术的发展前景进行展望。     

400-1000nm波段反演气溶胶光学厚度的暗像元法

从卫星遥感的角度来看,气溶胶的不确定性是可见一近红外遥感中大气校正的难点,从遥感数据本身来反演气溶胶参数,进而完成大气校正,一直是遥感研究的重点.针对可见一近红外波段大气辐射传输特点,提出了利用浓密植被红波段(660 nm)与近红外波段(830 nm)之间的线性关系反演气溶胶光学厚度的基于可见近红外波段的暗像元法,该方法主要思想是首先假设在清洁大气的条件下,利用MODTRAN辐射传输模型对遥感图像进行大气校正,以减少近红外波段大气的影响,再通过双层叠代法搜索浓密植被像元作为暗像元,根据红波段和近红外波段之间的线性关系通过近红外波段计算暗像元的红波段表观反射率,并反演气溶胶光学厚度.利用该方法对PHI航空高光谱图像进行了气溶胶光学厚度的反演,并给出了反演原理、步骤和误差分析.     

一种MODIS遥感图像大气校正的快速算法

本文设计了基于大气辐射传输模型对MODIS遥感图像进行大气校正的一种新的快速算法。根据Kaufman气溶胶光学厚度反演方法的基本原理,建立了简化的气溶胶光学厚度反演模型,通过6S模型获取气溶胶光学厚度参数,利用经验公式计算大气反射率及大气透过率等参数,实现了MODIS遥感图像的快速大气校正。     

基于MODTRAN的高光谱快速大气校正方法

高光谱遥感成像过程中一般会受大气成分的影响,为了利用高光谱数据进行有效的地物识别,这些影响必须消除。详细介绍大气校正的一个过程:首先采用大气预处理微分吸收法(APDA)和暗像元法,通过并行调用MODTRAN先后建立水汽和能见度的查找表,从而计算出图像中水汽含量和能见度,并利用得出的这些参数建立反射率查找表,最终对高光谱图像进行逐像元校正。该过程结合辐射传输模型法和基于图像信息的校正方法的优点,不需要实时的大气参数也能进行绝对大气校正。同时,加入并行处理使运行速度显著提高。通过对校正后的数据进行对比分析,结果表明校正后的光谱曲线与地面实物和其他软件校正后的光谱特征相吻合,该方法能够满足大气辐射校正的基本要求。     

基于环境星CCD数据的山区大气校正研究

山区地形崎岖，高程变化较大，遥感影像地形效应明显，地物的光谱特征容易受到干扰，导致在分类过程中对遥感影像出现误分，不利于遥感信息的提取。基于辐射传输原理，利用Python开发了针对山区的大气校正算法。所提算法充分考虑了太阳直接辐射、天空散射辐射及邻近地表反射辐射对卫星入瞳处目标辐亮度的影响，可以有效地消除地形阴影的影响。利用所提算法，结合数字高程模型（DEM），对环境减灾二号01组卫星的CCD传感器的山区数据进行大气校正研究。分析结果表明：校正后的图像地形效应减弱，图像质量得到了明显的改善，反演得到的地表反射率与实地测量的地物光谱数据比较吻合，为进一步开展定量遥感研究提供了数据质量保障。     

基于低空遥感系统的星载光学遥感器成像仿真

在星载光学遥感器设计过程中,利用计算机仿真技术模拟遥感器成像过程能够评估遥感系统设计可行性,并预测遥感器成像能力。针对高分辨率星载光学遥感器成像特点,提出一种基于低空遥感系统的成像仿真方法。以低空宽视场和多光谱图像数据为基础,利用图像分类、分类拟合等方法生成低空多光谱宽视场仿真图像,采用经验线性法进行反射率反演,结合星载光学遥感器空间分辨率、MTF、光谱响应等特性以及大气辐射传输理论得到遥感器入瞳处辐亮度仿真图像。将QuickBird卫星作为仿真对象,开展成像仿真实验,并评价仿真精度。实验结果表明仿真图像与卫星图像保持较高相似程度。     

地基红外高光谱遥感大气温湿廓线反演研究综述

作为气象学和气候学研究的重要参量,温湿廓线在辐射传输过程、层结稳定度、对流有效位能、降水过程以及云的形成和演变过程中具有重要作用。目前,对大气温湿廓线的遥感探测主要有激光雷达、微波辐射计以及红外高光谱分辨率探测器等探测技术。总结了地基红外高光谱遥感大气温湿廓线在仪器、反演算法等方面的研究进展,重点介绍了统计反演算法和物理反演算法的基本原理,具体分析了不同算法在反演精度、稳定性和计算时间等方面的技术特点。最后,对目前地基红外高光谱遥感大气温湿廓线反演中存在的问题及未来的发展趋势进行了探讨。     

光学遥感图像大气校正的算法设计

采用光学遥感图像大气校正黑暗像元法和典型大气条件下光谱透过率分布曲线,设计了基于简单大气模型的光学遥感图像自动校正算法.将读取的彩色光学遥感图像的红绿蓝设定一像素数判定标准值,找到红绿蓝三分量的强度最小值,作为近似的红绿蓝三分量的程辐射值校正,再进行红绿蓝各个典型波长通过整层大气的透过率校正,恢复出地面最终图像.根据算法原理编制的MATLAB自动校正程序计算表明,本算法设计思路合理,处理遥感图像的效果优于传统的黑暗像元法.     

基于NOAA卫星图像信息的大气辐射校正方法研究

探讨一种基于NOAA卫星图像信息的大气辐射校正方法.选用实测的海陆边界表面大气水汽压eD,并合理选择海陆分界表面物体的发射率ε,利用图像信息对大气影响进行校正.由于采用同一时刻、同一条件下图像大气辐射信息,该方法具有时效性.并用该方法选取NOAA卫星图像中海陆边界区域进行反演试验,得出该方法是正确可行的.同时利用大气辐射传输模型MODTRAN程序,选定了几种大气模式,设定1976年美国标准大气作为标准,进行了算法间的对比分析.分析结果表明:该方法校正效果明显,操作简单,实用性强.     

气溶胶散射对海洋水色遥感辐射偏振校正的影响

辐射偏振校正对具有相对较大偏振响应的海洋水色卫星遥感器(如Aqua MODIS)是十分必要的,可在一定程度上提高海洋水色信息提取的精度.目前, MODIS已经实现了业务化的辐射偏振校正,但其算法中忽略了气溶胶散射对大气顶辐射偏振分量的影响.利用海洋-大气耦合矢量辐射传输模型PCOART,分别模拟获得纯瑞利大气(无气溶胶)和气溶胶光学厚度为0.2大气时的大气顶辐射偏振分量.结果表明,除太阳耀斑区外,气溶胶散射对蓝光波段(443 nm)大气顶线偏振辐亮度的贡献很小,可以忽略不计,而对近红外波段(865 nm)大气顶线偏振辐亮度的贡献显著.此外,将PCOART数值模拟的大气顶瑞利散射辐射线偏振反射率与POLDER实际观测的大气顶线偏振反射率进行了比较,结果同样说明了气溶胶散射对蓝光波段(443 nm)大气顶线偏振反射率的贡献很小,而对近红外波段(865 nm).大气顶线偏振反射率的贡献显著.最后,在现有MODIS辐射偏振校正算法基础上,提出了考虑气溶胶散射的海洋水色卫星遥感辐射偏振校正算法,并利用POLDER实测的大气顶线偏振反射率对算法进行了检验,结果表明,无论是在443 nm波段,还是在865 nm波段,均比MODIS辐射偏振校正算法估算大气顶辐射偏振分量更接近POLDER实测结果.     

A method for the surface reflectance retrieval from PROBA/CHRIS data over land: application to ESA SPARC campaigns

The Compact High Resolution Imaging Spectrometer (CHRIS) onboard the Project for On-Board Autonomy (PROBA) platform system provides the first high spatial resolution hyperspectral/multiangular remote sensing data from a satellite system, what represents a new source of information for Earth Observation purposes. A fully consistent radiative transfer approach is always preferred when dealing with the retrieval of surface reflectance from hyperspectral/multiangular data. However, due to the reported calibration anomalies for CHRIS data, a direct atmospheric correction based on physical radiative transfer modeling is not possible, and the method must somehow compensate for such calibration problems in specific wavelength ranges. A dedicated atmospheric correction algorithm for PROBA/CHRIS data over land is presented in this work. It consists in the combination of radiative transfer and empirical line approaches to atmospheric correction, in order to retrieve surface reflectance images free from both the atmospheric distortion and artifacts due to miscalibration. The atmospheric optical parameters and the updated set of calibration coefficients are obtained jointly in an autonomous process, without the need for any ancillary data. Results from the application of the algorithm to PROBA/CHRIS data from the two European Space Agency SPectra bARrax Campaign (SPARC) held at the Barrax study site (La Mancha, Spain) in 2003 and 2004 are presented in this work, focusing on the validation of the final surface reflectance using in situ measurements acquired simultaneously to PROBA overpasses.     

红外高光谱探测CO_2柱总量的敏感性分析

利用辐射传输模型MODTRAN5模拟计算了红外高光谱仪在光谱分辨率、光谱定标精度、地面反射率、大气廓线以及辐射分辨率对CO_2气体含量探测敏感性的影响,同时定义探测辐亮度随气体含量改变的变化量指标S值,并对探测灵敏度、光谱分辨率和信噪比SNR的关系进行了综合分析。为我国红外高光谱大气探测仪的设计以及高光谱大气成分反演研究的开展提供重要的科学依据。对CO_2柱总量反演通道的选择和实现CO_2气体探测敏感参数分析具有重要的参考价值。     

Considerations on Water Vapor and Surface Reflectance Retrievals for a Spaceborne Imaging Spectrometer

The retrievals of atmospheric water vapor column and surface reflectance from air- or spaceborne hyperspectral imagery require accurate spectroradiometric calibration and a radiative transfer (RT) code. Since RT codes are too time consuming to be run on a per-pixel basis, a common technique employs the offline compilation of an atmospheric database and its subsequent use for the atmospheric correction of the image cube. The challenge is to design the size of the database as small as possible for a requested retrieval accuracy. We present a methodology to compile the database for a specified retrieval accuracy in water vapor and surface reflectance for a given set of input surface reflectance spectra and a chosen RT algorithm. The method is applied as a case study conducted for the planned German imaging spectrometer EnMAP. Some tradeoff considerations are also discussed. For the specified range of columnar water vapor (0.5-4.5 cm), results demonstrate that five water vapor grid points in the database are sufficient to achieve the requested relative root-mean-square retrieval accuracies of 2% and 3% in water vapor and surface reflectance, respectively. It should be pointed out that this is not intended as a general claim of retrieval accuracy achievable under typical remote sensing conditions, but these figures apply only to the theoretical conditions of the calculation, i.e., assuming the same conditions for forward simulation and retrieval. Nevertheless, these figures are indispensable for the design of a database, which is an important step for the atmospheric correction of imaging spectrometer data and the sole topic of this paper.     

McCART: Monte Carlo Code for Atmospheric Radiative Transfer

McCART is a numerical procedure to solve the radiative transfer equation for light propagation through the atmosphere from visible to near-infrared wavelengths. The procedure has been developed to study the effect of the atmosphere in the remote sensing of the Earth, using aerospace imaging spectrometers. The simulation is run for a reference layered plane nonabsorbing atmosphere and a plane ground with uniform reflectance. For a given distribution of ground reflectance and for a specific profile of scattering and absorption properties of the atmosphere, the spectral response of the sensor is obtained in a short time from the results of the Monte Carlo simulation by using scaling relationships and symmetry properties. The procedure also includes an accurate analysis of the adjacency and trapping effects due to multiple scattering of photons coming from neighboring pixels. McCART can generate synthetic images of the Earth's surface for arbitrary viewing conditions. The results can be used to establish the limits of applicability of approximate algorithms for the processing and analysis of hyperspectral images acquired by imaging spectrometers. In addition, the algorithm can be used to develop procedures for atmospheric correction for the accurate retrieval of the spectral ground reflectance.     

激光雷达与高光谱遥感对地立体探测研究

将激光雷达对大气,水体的透视及对地精确测距定位的立体成像探测能力和高光谱技术相结合,发展先进的空、天基对地立体成像综合定量探测系统,是国家对大气、陆地和海洋精确立体综合定量探测的迫切需要,也是遥感技术自身发展进步的要求,激光与地面、水体和大气的相互作用及其在高光谱的遥感响应是空,天基激光雷达和高光谱对地立体成像综合定量探测的核心理论基础和关键科学问题.综述了激光雷达对地探测系统的研究现状和发展趋势.提出了新的基于激光雷达与高光谱遥感的对地立体探测系统.将激光雷达对大气、水体的透视以及对地的精确测距定位与高光谱技术相结合,介绍了该系统的原理方法和特点.从激光雷达和高光谱数字影像的广义大气修正和地形辐射改正,大气光学厚度与程辐射图像的生成,激光雷达的非均匀水体修正和水底地形改正,激光雷达和高光谱与介质以及目标的相互作用,多源数据融合等五个方面阐述了该体系的关键技术及其研究思路.     

Atmospheric correction against algorithm for NOAA-AVHRR products:theory and application

Investigation of the effect of atmospheric constituents on NOAA Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) visible and near-infrared data is presented. The general remote sensing equation, including scattering, absorption, and bidirectional reflectance effects for the AVHRR solar bands, is described. The magnitude of the atmospheric effects for AVHRR solar bands with respect to their impact on the normalized difference vegetation index (NDVI) and the surface bidirection reflectance is examined. Possible approaches for acquiring atmospheric information are discussed, and examples of atmospheric correction of surface reflectance and NDVI are given. Invariant effects (ozone absorption and molecular scattering) and variant effects (water vapor absorption and aerosol scattering) are shown to dominate the atmospheric effects in the AVHRR solar bands     

偏振遥感的回顾与展望

主要回顾了偏振遥感的产生与发展历程及其在植被、岩矿、土壤、水体等方面的研究成果,并展望了偏振遥感发展的未来。众所周知,传统遥感是将地球视为朗伯体,故采取垂直方式获取地表的二维信息,其目的是为了更有利于对遥感信息进行计算机处理。事实证明,把地球当做朗伯体颇欠合理,来自地球表面的信息具有明显得三维空间分布特征。李小文院士对BRDF进行了深入研究,并取得了令人瞩目的成果。偏振反射与二向性反射是一对孪生姊妹.BRDF主要反映的是光谱的角度信息,而偏振反射不但反映光谱的角度信息,同时也反映光谱的偏振信息。当地表某个部分为朗伯面时,其光谱的角度信息与偏振信息均为零。分析比较偏振遥感与多角度、高光谱遥感以及微波遥感的内在联系与差异,不难发现上述三种遥感是偏振遥感的特例.     

Atmospheric correction of Landsat ETM+ land surface imagery. I.Methods

To extract quantitative information from the Enhanced Thematic Mapper-Plus (ETM+) imagery accurately, atmospheric correction is a necessary step. After reviewing historical development of atmospheric correction of Landsat Thematic Mapper (TM) imagery, the authors present a new algorithm that can effectively estimate the spatial distribution of atmospheric aerosols and retrieve surface reflectance from ETM+ imagery under general atmospheric and surface conditions. This algorithm is therefore suitable for operational applications. A new formula that accounts for adjacency effects is also presented. Several examples are given to demonstrate that this new algorithm works very well under a variety of atmospheric and surface conditions     

基于列相关的热红外高光谱遥感图像非均匀性校正

由于探测单元之间响应不一致、电子增益和偏置发生变化、焦平面污染和损伤等因素,推扫式热红外成像光谱仪获取的图像常常表现为图像列之间不均匀,条带噪声严重,影响了热红外高光谱遥感图像的后续处理和应用。结合推扫式成像光谱仪非均匀性的来源和成因,以相邻地物的相关性为理论基础,提出了适用于热红外高光谱遥感图像的非均匀性校正方法。该方法的步骤是,首先逐波段对原始热红外高光谱遥感图像进行标准矩匹配校正,得到标准矩匹配校正图像;然后,以标准矩匹配校正图像为基础,选择相邻两列像元中相同的地物像元;最后,用两列中相同的地物像元,通过线性回归得到后一列的校正系数,并对其进行校正,顺次遍历一个波段的所有列,完成一个波段图像的非均匀性校正。按照此过程,遍历一幅热红外高光谱遥感图像的所有波段,完成一幅热红外高光谱遥感图像的非均匀性校正。将该方法应用于推扫式热红外光谱成像仪实际获取图像的非均匀性校正中。结果表明,相比矩匹配方法,在保证非均匀性校正效果的情况下,本文方法的各列均值和标准差更符合实际情况。