遥感图像处理图像校正

作者: blackMZX

发表于2023-10-30

更新于2023-11-06

遥感图像处理

利用传感器观测目标的反射或辐射能量时，传感器的测量值与目标的光谱反射率或光谱辐亮度等物理条件是不一致的，这是因为测量值中包含了太阳位置和角度条件、薄雾等大气条件、或因传感器的性能不完备等条件引起的失真。为了正确评价目标的反射或辐射特征，必须清除这些失真，这就需要进行图像校正。

辐射传输

在可见光遥感和红外摇杆中，传感器接收到的地物辐射来自于地表，因此有必要了解基本的辐射传输过程。

基本概念

1.立体角

点状物体辐射通常是以球面波的形式向外均匀的传播能量，立体角用来度量一个方向上某个面接受的辐射量的大小。

一个锥面所围成的空间部分称为立体角，立体角是以锥的顶点为心、半径为1的球面被锥面所截得的面积来度量的，度量单位称为立体弧度。设为截面到点源的距离，那么立体角为

2.辐射通量

单位时间内通过某一表面的辐射能量称为辐射通量，单位为W。

3.辐照度、辐亮度和辐射度

辐照度指单位时间内单位面积上接受的辐射能量，单位为。

辐亮度和辐射度两个概念的含义相同，指的是沿辐射方向、单位面积、单位立体角上的辐射通量，单位为。

4.反射率、吸收率和透射率

反射率是反射能量与入射能量的比值，吸收率是吸收能量与入射能量的比值，透射率是投射能量与入射能量的比值。在介质内部，反射率、吸收率和透射率的和为1。

5.反照率

反照率不同于反射率，指的是界面反射的辐照度与内部反射的辐照度之和与入射的辐照度的比值。

电磁波的大气传输

太阳讷讷感随波长的不同差异很大，在可见光范围内出现峰值。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其他测量。

电磁辐射在大气层传输时由于吸收和散射而被削弱，热量发散和其他方向上的散射对观测地电磁辐射也有影响。

1.可见光和红外传输

由于空气分子和悬浮颗粒地散射，可见光在大气层传输时会被削弱，传感器接收到大气散射部分的电磁波称为程辐射，或路径辐射。根据瑞利散射理论，大气的光学厚度与成正比，这意味着大气中的分子散射对波长较短的电磁波（UV紫外光和蓝光）有影响，对红外线没有影响。

由于参数可变性，悬浮颗粒散射的影响很难校正。因为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的依赖性不大。在红外光谱区域，各种气体（主要是水蒸气和CO~2~）吸收的电磁波超过散射。

即使是相对清洁的大气也会与入射和反射的太阳能相互作用，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反射能量。因为某些气体的吸收以及气体分子和微粒的散射，大气的透射率降低，这些作用结合在一起产生了如图所示的投射曲线。

2.热红外传输

红外线3~20部分大气的透射率如图，C0~2~ 、H~2~O、N~2~O和O~3~是主要的吸收气体。在、和附近的光谱区的测量可以用来探测大气温度的剖面，的区域可以用来探测水蒸气，为中心的窄窗和的宽窗可用来对地球表面进行观测。

辐射传输理论

传感器接受目标物辐射或反射的电磁波，由此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—大气—目标—大气—传感器的辐射传输过程中存在着许多干扰因素，使接收信号不能准确反映地表物理特征。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。

在各种影响中，大气影响要首先予以考虑，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造成深刻影响。

在可见光-短红外光谱区，地球本身的辐射可以忽略，所以只考虑太阳光的辐射传输。传感器处的上行辐射量为：

$L_\lambda^s=L_\lambda^{su}+L_\lambda^{sd}+L_\lambda^{sp}$

式中：$L\lambda^s $为传感器处总的上行辐射，即传感器接收到的辐射；$ L\lambda^{su} $为地表对太阳光的反射辐射；$ L\lambda^{sd} $为地表对天空光的反射；$ L\lambda^{sp}$为大气向上散射的程辐射。

在中红外和热红外区域，传感器接收的能量主要来源于地球的热辐射，其能量分为3个部分：地表热发射辐射$L\lambda^{eu} $、大气下行热发射辐射被地表反射后的辐射$ L\lambda^{ed} $和大气上行热发射辐射$ L\lambda^{ep} $。传感器接收的热辐射总量$ L\lambda^e$为：

$L_\lambda^e=L_\lambda^{eu}+L_\lambda^{ed}+L_\lambda^{ep}$

由于电磁波的传输过程包含了与大气和地面的相互作用，因此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。

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。辐射误差产生的原因有两种：传感器的相应特性和外界（自然）环境，其中后者包括大气（雾和云）和太阳辐射等。

1.传感器的相应特性

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上的灰度值不同。光电扫描仪引起的辐射误差：主要包含两类，一类是光电转换误差，在扫描方式的传感器中，电磁波信号转换为电信号时产生的误差；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。这些分子和微小粒子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而不同。

散射分为选择性散射和非选择性散射两种。这里的“选择”指的是对波长的选择，即波长越短选择越强，例如在地面上看到太阳的颜色在早、中、晚的差异。中午太阳直射，穿过的大气厚度小，选择性散射相对较弱，较多的短波得以通过，所以太阳是白色；早晚太阳斜射，穿过的大气较厚，选择性散射相对较强，短波都被散射，所以太阳呈红色。

选择性散射中，按大气中的颗粒大小的不同，散射分为瑞利散射和米氏散射。瑞利散射由远小于光波长的气体分子引起，大小和波长的四次方成反比；米氏散射由与波长相当的颗粒引起，大小和波长成反比，也被称为气溶胶散射。

非选择性散射由尘埃、雾、云以及大小超过光波长10倍的颗粒引起，对各种波长予以同等散射，天上的云呈白色就是这个原理。

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反差。散射所增加的亮度值不含有任何地面信息，却降低了图像的反差，反差降低则降低了图像的分辨率，因此必须进行校正。同时，低空间分辨率图像的空间范围较大，不能认为图像中各处的大气散射是均匀的，需要进行分区校正。

3.太阳辐射

由于太阳高度角和方位角以及地形部位的变化，不同地表位置接收到的太阳辐射是不同的。

1）太阳位置

太阳位置主要指高度角和方位角，随着高度角和方位角的不同地物入射照度也会发生变化，地物发的反射率也就随之改变。

$E_{\tau(\theta,\lambda)}=E_{\tau(\lambda)}\cdot\sin\theta$

式中，$E{\tau(\theta,\lambda)} $为地面接收的照度，$ E{\tau(\lambda)} $为太阳透过大气候垂直太阳光的照度，$ \theta$为太阳高度角。

总照度为：

$E_{\tau(\theta)}=\int_0^\infty E_{\tau(\theta,\lambda)}d\lambda$

太阳高度角较低时，图像上会产生阴影压盖其他地物图像造成同物异谱；太阳方位角的变换也会改变光照条件，所引起的误差通常只对图像细部特征产生影响。

2）地形起伏

传感器接收的辐亮度和地面倾斜度有关，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，由于地形起伏变化，在遥感图像上会造成同类地物灰度不一致。

系统辐射误差校正

1.光学镜头的非均匀性引起的边缘减光现象

由于透镜光学特性的非均匀性，在成像平面上边缘部分比中间部分暗，即边缘减光。如果光线以平行于主光轴的方向通过透镜到达相平面O点的光强度为，以与主光轴成角度的方向到达相平面P点的光强为则，据此可对边缘减光现象进行辐射校正。

另外，机载成像光谱图像的边缘辐射即便与一起大视场角有关。该问题在图像上表现为沿扫描方向辐亮度的不均匀变化，会直接影响基于地物光谱特征的地物定量或半定量的分析和识别。

2.条纹

遥感图像的条纹主要是由检测器引起的。条纹误差判定和消除的常用方法有：平均值法、直方图法以及在垂直扫描线方向上采用最邻近点法或三次褶积法等。

3.斑点

斑点误差主要由噪声或磁带的误码率等造成的，在图像中往往是分散和孤立的。

当像素亮度值与周围相邻像素亮度平均值之差超过给定阈值时，或与周围像素亮度值的方差减去图像亮度值的平均方差大于给定阈值时，认为该点是斑点。校正后的斑点亮度值取其邻域像素亮度值的平均值或用三次褶积法进行修正。应注意将斑点与图像本身的边缘信息区分开来，通常边缘附近的斑点不进行消除，图像四周的像素不进行斑点消除。

4.灰度一致化

在研究大区域时常常需要将几张遥感图像拼接起来，由于图像不是同一时间拍摄，灰度状况普遍不一致，因此需要进行亮度值的修正。在进行灰度一致化之前，图像应完成几何精修正，以具有相同的地理坐标。

1）等概率变换

如果进行拼接的图像间有重叠的部分，即可通过重叠部分的灰度分布进行修正。

具体如下：设有F、G两张图像，以F为标准。设G上重叠部分灰度值小于的像素百分数为P，对应在F上占有相同百分数P的像素灰度值为，变换关系就是修正的解雇哟；类似可以找出G上所有重叠部分值应变换的成的亮度值，据此产生与F灰度分布一致的G’。

此方法的优点是简单，变换效果好，缺点是由于按概率分布进行像素灰度变换，因此存在位置配准误差。

2）线性灰度变换

该方法是在两张图像的重叠部分取出相对应的n个点，并利用这些点建立线性回归方程，然后利用该方程，以其中一副图像为标准计算另一幅图像的值，即可使两张图像灰度一致化。

传感器端的辐射校正

在扫描方式的传感器中，传感器收集到的电磁波信号需要经光电转换系统转变成电信号记录下来，该信号量化后成为离散的灰度级别，仅在图像中具有相对大小的意义没有物理意义。经辐射校正后，灰度级别值转换为辐亮度或反射率。

辐射校正利用已经建立的地物反射率与遥感图像像素值之间的关系，通过遥感图像的像素值计算传感器端的像素反射率。辐射校正后的数据，可以是辐亮度也可以使反射率。前者有量纲，后者是相对百分比，如果还需要进行其他校正则往往计算辐亮度。

1.可见光和近红外波段的辐射定标

辐射定标是在卫星飞越试验场地上空时，在选好的像素内测定探测器对应波段内的地物反射率，同时测出气象要素和大气光学特性。再根据卫星过顶时的太阳几何位置、仪器视场角等通过大气辐射传输模式正演出到达传感器入瞳处各光谱通道的辐亮度。

对于朗伯体：

$L_t=\rho\cdot E\cdot\tau/\pi+L_p$

式中，E是太阳直射光与天空散射光在地面上的辐照度；为大气透过率，在进行辐射定标时可以假定为1（即大气是透明的）；是反射率；为大气产生的程辐射。

对于非朗伯体，上式可修改为：

$L_t=BRF\cdot E\cdot\tau/\pi+L_p$

式中，BRF为双向反射因子。

与探测器对应的输出信号的数字量比值C（图像的灰度级）之间的定量关系，按线性模型处理为：，其中A为辐射校正系数。

2.红外波段的辐射校正

对于红外波段，尤其是热红外波段，卫星上传感器入瞳处接收的总辐射由3部分组成：(1)通过大气向上传输的直接地面辐射；(2)由大气自生向上传输的辐射；(3)大气向下辐射到达地面反射后通过大气向上传输的辐射。

如选择清洁水面为目标，那么按线性模型处理为：

$I_{\Delta\lambda}=A^\ast\cdot C$

式中，为红外波段辐射校正系数。

3.图像的灰度级和辐亮度

图像上的像素值为灰度级，实际的电磁波辐射强度为辐照度，在图像数字化的时候，电磁波辐亮度被量化为灰度级。

对于一个8位量化（量化级为256）的图像，一个基本的转换方程为

$L=(L_{max}-L_{min})/255\times DN+L_{min}$

式中，L为图像的辐亮度，单位；$L{min} $为最小灰度级对应的辐亮度，$ L{max}$为最大灰度级对应的辐亮度；DN为图像中像素的灰度级。

大气校正

消除由大气散射引起的辐射误差的处理过程成为大气校正。在遥感图像中，卫星遥感图像需要大气校正，而航空摄影图像根据飞行高度可选择不进行大气校正，但大气校正后可以得到更精确的地物辐射值。

大气校正主要有3种方法：(1)统计学方法，(2)辐射传递方程计算法，(3)波段对比法。

统计学方法

统计学方法需要与卫星同步在野外进行光谱测量，主要有内部平均法、平常域法、经验现行法和实测光谱回归方法等。

1.内部平均法

校正后为相对放射率，这是基于图像的方法，主要考虑各种因素的乘性贡献。

内部平均法假定衣服图像内部的地物成分混杂，整幅图像的平均光谱基本代表了大气影响下的太阳光谱信息。因此把图像亮度值DN与整幅图像的平均辐射光谱值的比值作为相对反射率，即$\rho\lambda=\frac{R\lambda}{F\lambda} $。式中，$ \rho\lambda $为相对反射率，$ R\lambda $为像素值，$ F\lambda$为整幅图像的平均光谱值。

内部平均法可以显著消除地形阴影和其他整体亮度差异，但是该方法假设地面变化是充分异构的，如果这个假设不成立，得到的反射光谱会有虚假性。

2.平场域法

校正后为相对放射率，这是基于图像的方法，主要考虑各种因素的乘性贡献。

平场域法要求图像具有一个光谱反射率曲线变化相对平坦、比较均一的区域，该区域的平均光谱受太阳辐射、大气散射和吸收影响的共同控制。该方法有两个假设条件：(1)区域的平均光谱没有明显的吸收特征；(2)区域辐射光谱主要反映当时大气条件下的太阳光谱。

作为平场的是图像中一块面积大、亮度高、光谱相应曲线变化平缓的区域。将每个像素的DN值与该区域的平均值的比值作为地表反射率，以此消除大气的影响，即$\rho\lambda=\frac{R\lambda}{F\lambda} $。式中，$ \rho\lambda $为相对反射率，$ R\lambda $为像素辐射值，$ F\lambda$为定标点(平场域)的平均辐射光谱值。

平场域通常需要通过人机交互来选择。同时，自然景观中具有完全平的反射光谱的物质很少，选择一个合适的平场较为困难。平场光谱中任何显著的光谱吸收特征将造成相对反射率计算结果的虚假性，如果地区存在显著海拔变化，转换结果会包含地形阴影和大气路径辐射差异的残余影响。

3.经验线性法

校正后为绝对反射率值，主要考虑各种因素的加性贡献。

经验线性法需要两个以上光谱均一、有一定面积大小的目标，分别为暗目标和亮目标——作为定标点。假定图像DN值与反射率r之间存在线性关系。

实测定标点的地面反射光谱值，计算图像上对应像素点的平均辐射光谱，利用线性回归建立反射光谱与像素值之间的相互关系，借此计算像素的反射率。

对定标点有如下要求：(1)选择尽可能各向同性的均一地物且面积足够大；(2)地物在光谱上要跨越尽可能宽的反射光谱段，明暗目标间有足够的差异；(3)尽可能与研究区域保持同一海拔高度。该方法仅设计用于包含地面实况数据的图像。

该方法的转换结果是“表观的”反射率，因为这个转换没有包括可能的地形影响（阴影和大气路径辐射差异）。

辐射传递方程计算法

本作品由 blackMZX 于 2023-10-30 09:36:07 发布

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