遥感数字图像处理教程【2.2】

5 . 1 . 2 电 磁 波 的 大 气 传 输太阳能随波长的不同变化很大在可见光范围内出现峰值。在获取一幅图像时为了将图像的辐亮度值转成反射率入射的太阳能光谱必须是已知的、假设的或间接地来自于其他测量。电磁辐射在大气层中传输时由于吸收和散射而被削弱。同时热量的发散和其他方向的散射对观测的电磁辐射也有影响。为了从卫星遥感图像上获得地球表面的发射或反射情况必须排除大气的影响。1 . 可见光和红外的辐射传输由于空气分子和悬浮颗粒的散射可见光在大气中传输时会被削弱。传感器接收的由大气散射产生的电磁波称为程辐射或路径辐射path radiance0影响大气透射的物质包括以下两种。①大气分子二氧化碳、臭氧、水蒸气等气体分子。这些成分导致的散射称为瑞利散射。②气溶胶雾霭、水滴、烟尘等粒径较大的悬浮颗粒。这些成分导致的散射称为米氏散射。根据瑞利Rayleigh散射理论大气的光学厚度盯与波长的四次方万 成反比大气中的分子散射对波长较短的电磁波紫外和可见蓝光影响强红外影响弱。悬浮颗粒散射量的大小和角度的变化取决于悬浮颗粒的总容量、粒径分布、介电常数和微粒的形状等参数。由于参数可变性悬浮颗粒散射的影响很难校正。此外悬浮颗粒的大小比空气分子大得多所以悬浮颗粒散射量对波长2 的依赖性不大。在红外光谱各种气体主要是水蒸气和CO?吸收的电磁波超过散射。图 5 .4 是大气对地球表面接收的太阳辐射的影响。这是在假定标准大气和洁净的空气对流层的基础上用程序 LOWTRAN7计算的结果。在红外光谱区受吸收的影响地球表面观测使用的大气窗口主要有 2 l.lpim , 1.2 2 1.3|^m , 1.5 2 1.7|im , 2 .0 4 4 2 .3 g m 。即使是相对清洁的大气也会与入射的和反射的电磁波相互作用。对于某些波长这些相互作用减少了到达地面的入射能量并进一步减少了到达传感器的能量。因为某些气体的吸收以及气体分子和微粒的散射大气的透射度降低。这 些 作 用结合在一起产生了如图5 .5 中所示的透射曲线。由于水汽和二氧化碳的影响1.4pm和 1.9pm附近入射和反射能量几乎全部减少出现了明显的吸收特征在这些波段几乎无法获得有用的地物信息。图中没有显示出来的还有大气向上的散射作用即路径辐射。如果大气条件在空间上是变化的或地面相对高差较大图像内不同区域的大气影响也可能有明显的差异。透射率是到达地表的入射太阳能的比例。气体的吸收导致了低透射率散射导致了近红外到可见光波段透射率平缓的减少。使用辐射传输程序6 s 可以通过卫星图像数据计算地表反射率①。如果没有大气参数可用那些反射率已知的相对稳定的地物或经验性的大气数据作为参照进行计算。2 . 热红外辐射传输红外波段(3〜 20Mm) 大气的透射率如图5 .6 所示这是标准大气条件下用LOWTRAN7软件计算出来的结果,COZ、匕。、、 。和 0 3 是主要的吸收气体。在 4.3 pm (CO2)4.5 pm (N2O)和 13〜 15Mm (CO。附近的光谱区可用来探测大气温度廓线6〜 7 p m 可用来探测水蒸气。以3.8pm 为 中 心 的 窄 窗 和 8.5〜 12.5pm 的宽窗可用来对地球表面进行观测。但即使在这些大气窗口区地球表面的辐射也会受大气(主要是H2O和 CO2气体)吸收和散射的影响。为了得到地 球 表 面 的 辐 射 率 和 温 度 应 排 除 大 气 的 影 响 。常 用 的 方 法 是 利 用 软 件 LOWTRAN②或MODTRAN®来计算辐射值需要输入的数据是垂直剖面的温度和水蒸气等参数。获得地球表面温度和辐射率的一种方法是分离窗口技术(又称为劈窗方法)它利用具有不同透射率的大气窗口来进行计算N O A A 先进的高精度辐射计(AVHRR)图像可以用来反演地表温度。更深入的内容建议参阅覃志豪的相关论文。5 . 1 . 3 辐 射 传 输 理 论辐射传输(radiative transfer)是指电磁波在受到大气影响的同时在大气中传播的过程。在辐射传输过程中大气 的影响如表5 .2 所示。对大气入射的影响可以分为乘法性因子影响和加法性因子影响。乘法性影响是由消光(extinction)引起的大气的吸收及散射使目标物(地球表面)传到遥感器的能量逐渐减少。加法性的影响是由发射(emission)引起的传感器也接收了大气热辐射及散射。从目标物辐射或目标物反射的电磁波在到达遥感器之前被大气等吸收和散射。吸收在特定波长产生使电磁波能量转换为吸收物质的能量。散射在短波长区非常显著它不进行能量的转换只是引起电磁波方向的变化。在遥感器的瞬时视场中包括了发射引起的目标物以外的电磁波。大气的热辐射是物质具有的热能转换为电磁能产生的其特性由普朗克辐射定律确定。 由热辐射引起发射的电磁波能量在任何方向上都是相等的。止匕外 目标物和遥感器方向以外的电磁波也会通过散射传到遥感器方向上来从而形成由散射引起的发射散射的电磁波能量由散射体的大小、入射方向和散射方向决定。热辐射在长波(热红外区)是主导性的随着波长变短其作用变小。而散射与此相反在长波长范围影响很小在短波长范围影响大。因为消光和发射同时发生所以在考虑辐射传输时必须把两者同时考虑进去表达这一机理的是辐射传输方程(radiative transfer equation) o传感器接收目标物辐射或反射的电磁波由此而形成的遥感原始图像与目标相比是失真的这是因为在太阳一大气一目标一大气一传感器的辐射传输过程中存在许多干扰因素使得接收的信号不能准确地反映地表物理特征(光谱反射率、光谱辐射亮度等)。Vermote①将这些因素归结为以下四个方面。(1)大气分子瑞利散射及气溶胶的米氏散射分子及气溶胶的吸收、散射以及散射吸收的耦合作用。大气的存在导致程辐射及吸收这是两个对立的作用一个增加辐射量一个减少辐射量。(2)地球表面因素的贡献。在一般的遥感应用中认为地球表面为朗伯体反射与方向无 关 这个假设是一种近似。事实上任何表面在物理特性与物质结构上都不是理想朗伯体因此认为地面是朗伯体会带来误差。另外一个因素是由于大气散射的存在邻近像素的反射也会进入目标视场从而影响辐射量这部分贡献被称为交叉辐射。对于高度较低的传感器(如航空遥感、高空间分辨力的航天遥感) 表面因素的贡献不可忽 略 。(3)地形因素的贡献。 目标高度与坡向也会对辐射造成影响。(4)太阳辐射光谱的影响。太阳本身是一个黑体其光谱辐射遵循普朗克定律这个因素在反射率反演中需要予以考虑。因 此 为了正确反映目标物的反射和辐射特性必须消除图像记录值中的各种干扰项这就是辐射校正的主要内容。辐射校正的基本流程见图5.70在各种因素中首先要考虑大气的影响。大气散射与吸收对太阳的下行辐射和传感器接收的上行辐射的光谱特性影响大而且其中的气溶胶和分子的影响行为是不相同的。大气的散射与辐射光波长有密切的关系对短波长的散射比长波长的散射要强得多。分子散射的强度与波长的四次方成反比。气溶胶的散射强度随波长的变化与粒子尺度有关。大气影响使图像表面的细节变模糊大气辐射校正的目的是要消除这些影响提高对表面反射率反演的准确性。在可见光-短红外光谱区(0.4〜 2.5p m ) , 地球本身的辐射可以忽略所以只考虑太阳光的辐射传输。传感器接收的太阳辐射包括太阳光直射到地表后地表的反射辐射、被大气散射辐射的太阳光在地表的反射辐射、大气的上行散射辐射(程辐射也称为路径辐射)三部分(图5.8)。式中功为传感器处总的上行辐射即传感器接收到的辐射 境为地表对太阳光的反射辐射 用为地表对天空光的反射 匕为大气向上散射的程辐射。在中红外和热红外传感器接收的能量主要来源于地球的热辐射其能量包括三个部分:地 表 热 发 射 辐 射 攻 、大 气 下 行 热 发 射 辐 射 被 地 表 反 射 后 的 辐 射 际 、大气上行热发射辐射明 传感器接收的热辐射总量以为电磁辐射在散射、吸收介质中的传输可用辐射传输方程来描述。在介质中的某特定点当电磁波沿方向仇。越 过 距 离 应 时 强 度 / z,仇e 的变化包括以下基本内容 1由于气体及悬浮粒子吸收引起的衰减对应电磁波的能量转换为热量导致辐射强度损失。2部分电磁波的能量被粒子散射总能量不变但 沿 夕夕方向有强度损失。3介质热辐射的能量增加到电磁波上。4由于其他方向入射波的散射在 仇0 方向上能量 增加大气程辐射效应o大气辐射传输方程较合理的描述了大气散射、大气吸收、发散等过程而且可以产生连续光谱避免光谱反演的较大误差因而得到了广泛的应用。通常可以从大气辐射传输方程中反演出被探测参数的数值或沿路径的分布。但 是 它需要对一系列的大气环境参数如大气光学厚度、温度 、气 压 、湿 度 、大气分布状况等进行测量而且校正模式的准确性取决于输入的大气参数的准确性。应用大气辐射传输模型进行遥感图像的大气校正需要解决两个关键问题①有关大气介质特征参数的获取②具体实用的大气辐射传输模型。在遥感应用中常进行很多的简化如假设地面为朗伯体完全漫反射、排除云的存在、采用有关标准大气模式及大气气溶胶模式等。因此也产生和发展了许多不同类型的大气辐射传输模型主要分为两种类型①采用大气光学参数如 RADFIELD辐射传输计算模型、参数化的向上亮度模式等②直接采用大气物理参数如 LOWTRAN. MODTRAN等大气辐射近似计算模型而且还增加了多次散射计算。因为电磁波的传输过程包含了与大气和地面的相互作用所以在进行遥感图像的大气影响校正时有必要考虑地表特性即地表空间分布特性和地表方向反射特性的影响。5 . 2 图像的辐射误差传感器所得到的目标测量值与目标的光谱反射 率或光谱辐亮度等物理量之间的差值称为辐射误差。辐射误差造成了遥感图像的失真影响人们对遥感图像的判读、解 译 因此必须进行消除。辐射误差产生的原因有两种传感器本身的响应特性和传感器外界自然环境的影响包 括 大 气 雾和云和太阳照射等。对前者的校正为系统辐射校正主要由传感器发射单位完成 。对后者的校正为用户辐射校正 由用户完成。L 传感器的响应特性1光学摄影机引起的辐射误差主要是由光学镜头中心和边缘的透射强度不一致造成的它使同一类地物在图像上不同位置有不同的灰度值。2光电扫描仪引起的辐射误差主要包括两类一类是光电转换误差即在扫描方式的传感器中传感器收集到的电磁波信号经光电转换系统转换为电信号过程所引起的辐射量误差另一类是探测器增益变化引起的误差。2 . 大气电磁波在大气中传输时受到大气中分子和微小粒子的作用。这些分子和颗粒对光波多次作用的结果即散射它随电磁波波长和散射体的大小不同而不同。散射分为选择性散射和非选择性散射表 5.3o 这 里 的 “选 择 ”指的是对波长的选择波长越短散射越强。典型的例子是地面上看到的太阳颜色在早、中、晚的变化。中午太阳当头穿过的大气层厚度小选择性散射相对较弱较多的短波长光通过于是人们看到太阳是白色早晚太阳光斜照穿过的大气层较中午要厚得多选择性散射相对较强较短波长的光都被散射因此人们看到太阳呈红色。在选择性散射中按颗粒大小不同散射分为瑞利散射和米氏散射。瑞利散射由远小于入射波长的气体分子引起散射程度与波长的四次方成反比米氏散射由直径与波长相当的颗 粒 气溶胶如烟、水蒸气和霾引起也称为气溶胶散射散射程度与波长成反比。非选择性散射由尘埃、雾、云以及直径超过入射波长1 0 倍的颗粒引起在各个波长均会发生天上的云呈白色就是这个道理。散射增加了到达卫星传感器的能量从而降低了遥感图像的对比度和反差。如 果 将 反 差 定 义 为 5 n1ax//m 练 Bmin为图像上最大亮度值和最小亮度值G 为反差且设两类地物的像素值分别为2 和 5。假设散射使亮度增加了 5 个单位。那么无散射时散射增加的亮度值不含有地面信息但降低了图像的反差。反差降低则降低了图像的可分辨性因此必须进行图像的显示增强。低空间分辨率图像由于所覆盖的空间范围大散射在图像中的分布是不均匀的图像中各像素的大气散射程度不同往往需要进行分区校正。3 . 太阳辐射由于太阳高度角和方位角的变化和地形部位的变化不同地表位置接收的太阳辐射是不同的。1太阳位置太阳位置主要指太阳高度角和方位角。太阳高度角和方位角不同则地物入射照度也会发 生 变 化 图 5.9,地物的反射率也就随之改变。太阳高度角较低时图像上会产生阴影压盖在其他地物上造成同物异谱问题影响遥感图像的定量分析和自动识别。太阳方位角的变化也会改变光照条件所引起的误差通常只对图像细部特征产生影响对高空间分辨率的图像影响更大。为了尽量减少太阳高度角和方位角引起的辐射误差遥感卫星大多设计在同一个地方时间通过当地上空。但由于季节变化和地理经纬度的差异太阳高度角和方位角的变化是不可避免的。2地形起伏传感器接收的辐亮度和地面坡度有关。太阳光线垂直入射到水平地表和坡面上所产生的辐亮度是不同的。由于地形起伏的变化在遥感图像上会造成同类地物灰度不一致的现象。4 . 其他误差遥感图像中有时因各传感器特性的差别、干 扰 、故障等原因引起不正常的条纹和斑点这些错误信息影响图像的统计计算必须在工作前予以消除。