1、基于6S模型TM遥感影像大气校正 毕 业 论 文题 目：基于6S模型的TM遥感影像大气校正 研究-以张掖地区为例 学 院： 地理与环境科学学院 专 业： 地理信息系统 毕业年限： 2011年 学生姓名： 秦麟 学 号： 200775000126 指导教师： 李净 基于6S模型的TM遥感影像大气校正研究-以张掖地区为例秦麟摘要：受大气吸收与散射的影响，电磁波在大气-目标物-遥感器途径传输过程中发生失真，造成目标地物反射辐射能量到达遥感器时被衰减。给计算地表反照率、反射率和地表温度等关键参数带来较大的误差。本文以张掖地区Landsat TM热红外波的遥感图像数据为例，通过利用6S大气辐射传输模型进
2、行大气校正，并在窄波段反照率与宽波段反照率之间存在线性关系的前提下，反演该地区的地表反照率。关键词：6S模型；大气校正；地表反照率6S Model Based Atmospheric Correction of Remote Sensing Image in zhangye QIN LinAbstract : Due to the distortions and noises caused by the presence of the atmosphere on the Sun-target-Sensor path, the space-based and airborne remote se
3、nsing information in the solar spectral range do not directly characterize the surface objects. It becomes serious impediments for the quantitative analysis and measurement of resources and environment. This paper discussed the atmospheric correction with 6S model (Second Simulation of Satellite Sig
4、nal in the Solar Spectrum), reversing surface albedos under the linear relationship between narrow band albedos and broadband albedos in the remote sensing image in zhangye city.Key words: 6S model; atmospheric correction; surface albedo.1 引言地表反照率是指地表反射太阳辐射与入射太阳辐射之比，是地-气间辐射能量收支的重要参数之一。地表反照率作为整个太阳光谱的
5、半球反射积分值，随时空变化而变化， 在一般情况下变化较为缓慢，但在气候环境突然改变(暴风雪、沙尘暴等) 的情况下其值变化非常显著。地表反照率是研究气候模型、天气预报、资源和灾害监测(干旱、火灾、大气污染及洪水等) 和水资源管理的一个重要参数。因此，准确获得大范围的地表反照率具有重要意义。早在20世纪50年代初，Houghton利用气象观测数据对北半球全年能量平衡作了全面计算，求出全球年平均反照率为0.34。后来的研究工作利用实测资料和地表覆盖类型结合的传统方法，推算地表反照率，为反照率遥感反演奠定了基础。伴随遥感技术的发展，反照率遥感反演逐渐取代传统的实测资料结合地表覆盖类型推算反照率的方法，
6、在区域和全球尺度上，针对不同的地表覆盖类型及其反射特征，对反照率及其季节变化特征进行了研究。近20年来，定量遥感技术迅速发展，特别是利用多遥感器、多时相遥感数据进行监测和分析全球资源环境、气候变化等的需要，使得遥感数据的定标、大气辐射校正和地表物理量反演方法的研究越来越受到重视。就太阳反射光谱区的遥感数据而言，大气辐射校正和反射率反演方法研究的目的就是将这些卫星遥感定标后的表观辐亮度转换为反映地物真实信息的地表反射率。最理想的大气辐射校正和反射率反演方法应该是仅通过遥感影像信息，而不需要野外场地测量等辅助数据，并且能够适用于历史数据和很偏远的研究区域。2 研究区域概况张掖市地处西北内陆的河西走
7、廊中部，黑河中游，介于972010220E，与37283957N之间。东临金昌市，西连酒泉市，南靠祁连山，与青海省接壤，北依合黎山与内蒙古自治区阿拉善右旗及额济纳旗交界，东西长210km，南北宽5080km。本区属青藏高原的过渡地带，大地形由南部祁连山区，北部合黎山，龙首山区，中部走廊平原区组成。北部合黎山为海拔14001900m的低山丘陵，龙首山为海拔20003000m微显陡峻的中低山区，南部的祁连山，山势雄伟高峻，山体宽厚，终年积雪，冰川广部，为典型的高寒山地。在南北两山之间，形成一条南高北低由东南向西北倾斜的狭长盆地，海拔在12001700m之间。境内属温带大陆性干旱气候，多年平均气温7
8、.7，年降水量113.30342.70mm，蒸发量1453.002351.00mm。行政上区划上包括高台县、临泽县、民乐县、山丹县和甘州区，总面积18813km2。3 研究方法 3.1 数据来源本研究所选用的数据为张掖市2003年9月23日Landsat-5卫星影像（轨道号为133/33）的热红外波段数据如图1。Landsat-5卫星是美国于1984年发射的第二代试验型地球资源卫星。卫星在技术上有了较大改进，平台采用新设计的多任务模块，增加了新型的专题图绘图仪TM，可通过中继卫星传送数据。Band1为蓝绿波段（0.45-0.52m），B-and2为绿色波段（0.52-0.60m），Band3为
9、红色波段（0.63-0.69m），Band4为近红外波段（0.76-0.96m），Band5为中红外波段（1.55-1.75m），Band6为热红外波段（10.40-12.50m），Band7为中红外波段（2.08-2.35m），空间分辨率为30m。 图1 张掖地区Landsat-5标准假彩色合成影像3.3 辐射定标、大气顶部反射率的计算定量遥感反演研究必须从遥感器所接受到的大气-陆地混合信号中提取出陆表目标物体的贡献部分，消除所观察目标非相关的信息1。定量遥感首先要解决的核心问题是辐射定标和大气校正。科学家们试图通过大气校正方法提取目标物的真实反射率，提出了直方图均衡化、黑暗目标法、固定目标
10、法、对比减少法、LUT方法、6S模型等不少方法。上述方法大部分建立在某种特殊的理想条件下，其实用性受到一定限制。6S模型建立在辐射传输理论基础之上，模型应用范围广，不受研究区特点及目标类型等的影响。实现辐射订正后，采用公式1把图像灰度值转换成具有辐射意义的亮度值4。 （1）其中，L是某个波段光谱辐射亮度(单位：Wm-2m-1sr-1)，gain和offest是偏差参数(单位：Wm-2m-1sr-1)，DN是经辐射订正的图像灰度值。各参数如表1所示：表1 灰度值转换亮度值参数BandgainoffestDN10.762824-1.5262.8421.44251-2.8462.3831.03988
11、-1.1758.2840.872588-1.5152.9850.119882-0.3710.9370.065294-0.153.24利用公式2可以计算地物在大气外的顶部光谱反射率5： （2）式中，d 为日地天文单位距离，在这里取0.9925；E 为波段处的平均大气外太阳辐照度(单位:Wm- 2 m- 1 ) ；为太阳天顶角，取值为42。各参数的数值如表2所示：表2 计算地物在大气外的顶部光谱反射率参数BandPTOAEL10.14219576720.15118266630.16615546240.22710365650.2262151170.18880.6733.2 几何纠正在利用遥感图像提取
12、信息的过程中，要求把所提取的信息表达在某一个规定的图像投影参照系统中，以便进行图像的几何量测、相互比较以及图像复合分析等处理。当原始图像上各地物的几何位置、形状、尺寸、方位等特征与在参照系统中的表达要求不一致时，就产生了图像几何变形问题，需要对图像进行几何纠正2。本文采用多项式纠正法，其基本思想是回避成像的空间几何过程，而直接对影像变形的本身进行数学模拟，认为图像变形规律可以看做为平移、缩放、旋转、仿射、偏扭和弯曲以及更高次的基本变形的综合作用结果。其基本过程是利用有限个地面控制点的已知坐标，解求多项式的系数，然后将各像元的坐标代入多项式进行计算，从而求得纠正后的坐标。该方法对各种类型传感器的
13、纠正都是普遍适用的，尽管它存在着不同程度的近似性；同时该方法不仅用于影像对地面系统的纠正，还常用于不同类型影像之间的几何配准，以满足计算机分类、地物变化监测等处理的需要3。首先，在ERDAS软件中，输入需要纠正的张掖地区Landsat-5卫星影像；其次是采集地面控制点，地面控制点是几何纠正中用来建立纠正方程的基础，是最关键的数据。本次纠正，一共选取了24个控制点，大多在容易分辨、相对稳定、特征明显的位置，且在图像中均匀分布；最后是图像重采样，检验校正结果，像元属性值的重采样是依据未校正图像的灰度值，采用某种方法估算校正后图像像元灰度值。通常有三种算法：最邻近插值、双线性插值和三次卷积插值3。最
14、后，在校正后的图像与参考图像之间建立连接，移动查询光标，观测其在两屏幕中的位置及匹配程度，并注意光标对话框中数据的变化，检验校正结果，校正后的图像如图2所示：图2 张掖地区Landsat-5几何纠正影像3.4 6S模型的基本原理和计算6S模型(the Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum)是由Vermote和Tanre等人用FORTRAN编写的适用于太阳反射波(0.25-4m)的大气辐射传输模型，是精度较高的一种模型6。这种模型是在假定无云大气的情况下考虑了水汽、CO2、O3，和O2的吸收，分子和气溶胶的
15、散射以及非均一地面和双向反射率的问题，对不同情况下（不同的遥感器、不同地面状况）太阳光在太阳-地面目标-遥感器整个传输路径中所受到的大气影响进行了描述7 ，包括大气点扩散函数效应和表面方向反射率的模拟，其中气体的吸收以10cm-1的光谱间隔计算，且光谱积分的步长达到了2.5nm；软件运行速度也相对较快。目前多用于处理可见、近红外的多角度数据8 -9。6S输入参数6S模型中提供多种可选参数，针对成像时不同的时间地点以及气候条件选择相应的参数。3.4.1 几何参数目的是利用输入的参数来确定相对于一个指定的地面点时，太阳、地面目标和传感器之间的空间几何关系。3.4.2 大气模式6S中包括来自于LOW
16、TRAN模式中的6个标准大气模型，分别是对流层模型，中纬度夏季、冬季模型，亚极地夏、冬季模型和标准US62模型9。3.4.3 气溶胶模式气溶胶模式包括定义气溶胶类型和浓度两部分。在6S中定义了7种缺省的气溶胶模式（大陆型、海洋型、城市型、沙土型、生物气溶胶和平流层模型），还可以根据实际测量来定义气溶胶模型。3.4.4 光谱条件0.25-4m是6S模型处理的合法波长。6S能提供自定义和标准预定义两种光谱选择方式。3.4.5 地面反射率在6S中分为两种类型的地表，分别是均一地表类型和非均一地表类型。前者又分两种子类型：无方向型和方向型地表，前者代表的是均一的朗伯反射体，在程序中给出了4种典型的朗伯
17、体反射类型，分别是绿色植被均值、洁净水均值、沙地均值和湖水均值，同时还可以输入自己的地表反射率10-11。后者则考虑了地表和大气的二向反射特性。6S程序中给出了9种较为成熟的描述二向反射的核驱动模型。3.4.6 目标和传感器的高程参数6S中有3种传感器高程的设置方式，分别是卫星平台、地面和航空。本研究区域输入的参数见表3，大气校正后最终模拟的参数，见表4：表3 6S输入参数卫星类型时间参数气象参数经纬度Landsat TM-59月23日大陆性气溶胶类型100.80 E3.8h中纬度夏天38.90 N能见度23km，海拔1.45km表4 6S模拟的各波段大气校正参数波段XaXbXcBand10.
18、00310.10490.15616Band20.003210.061320.11231Band30.003490.036710.08484Band40.004930.01830.05449Band50.023130.003740.01674Band70.061680.001720.008933.5 地面反射率的计算6S模型对于不同情况下太阳光在太阳-地面目标-遥感器整个传输路径中所受大气的影响进行了描述，包括大气点扩散函数效应和表面方向反射率的模拟。大多数情况下地面不是均一的朗伯体，均一的假设给计算带来很大的误差11。在6S模型中，对于地面目标的非朗伯体情况，似归结为4种不同的形式，这4种情况
19、分别是：（1）光子直接从大气顶部太阳方向到达地面目标，经过地面目标的反射后，再直接到达遥感器；（2）光子在从大气顶部太阳方向直接到达地面目标的过程中，一部分被大气所散射，这些被散射的光子到达地面目标后被目标物反射后直接到达遥感器；（3）光子直接从大气顶部太阳方向到达目标后，一部分沿观察方向直接反射到达遥感器，另一部分经过大气的散射后，到达遥感器，（4）部分光子经过大气衰减直接到达目标物，另一部分经过大气的散射后到达目标物。这4部分反射辐射总和可以反演非朗伯地表的反射率。本文假定地面为均一的朗伯体，然后用公式3计算校正后的反射率12， ， （3）其中，为校正后反射率，是i 波段辐射亮度，、为大气
20、校正参数。3.6 地表反照率的计算地表反照率(Albedo)定义为地表向各个方向反射的全部光通量与总入射光通量之比。是一个十分重要的地表参数13。地表反照率的估算也有很多模式，但基于经验的公式不具有普遍适用性。梁顺林提出了一系列窄带反射率向宽带反照率转换的物理模式5。根据这一研究，基于TM的地表反照率可用公式4计算， （4）其中， i为1-5和7波段校正后反射率，为地表反照率。4 结果分析在进行地表反照率反演之前，使用6S大气校正模型对影像数据进行大气校正，然后运用公式3获取各波段地表反射率值，如图3所示。1波段为蓝色波段，多用于水体的研究，所以该波段地物的反射率较低，如图3中1所示；2波段为
21、绿色波段，该波段位于绿色植物的反射峰附近，对健康茂盛的植物反射敏感，所以该波段地物的反射率较高，如图3中2所示；3波段为红波段，对裸露地表、植被、岩性、地层、构造、地貌、水文等特征均可提供丰富的植物信息，所以该波段地物的反射率不是很高，如图3中3所示；4波段为近红外波段，位于植物的高反射区，反映了大量的植物信息，所以该波段地物的反射率较高，如图3中4所示；5波段为短红外波段，位于两个水体吸收带之间，对植物和土壤水分含量敏感，所以该波段地物的反射率也较高，如图3中5所示；7波段为短波外波段，是专为地质调查追加的波段，对岩石、特定矿物反映敏感，所以该波段地物的反射率较低，如图3中6所示。在各波段反
22、射率的基础上，应用公式5计算出研究区地表反照率，在ArcGIS软件的支持下，对研究区地表反照率的范围进行划分，如图4所示。结合研究区土地利用分类图，对比土地覆被类型反照率的估计值：林地为0.17-0.23，草地为0.20-0.32，沙漠为0.35左右14 -15，可以看出误差相对值较小，由此可知，在数据量相对较少的前提下，可以采用上述方法反演在特定大气条件下的地表宽波段的反照率，方法简便可行。 1 2 3 4 5 6图3 各波段反射率分类图 图4研究区地表反照率分类图5 结论（1）在6S大气模型基础上，借助于同步气象数据，研究TM近红外波段遥感影像的大气辐射校正。认为6S模型可以比基于图像本身
23、的大气校正方法更为有效地降低大气对电磁波传输过程中的影响和作用。（2）反照率反演前运用6S模型对TM 数据进行大气纠正是必要的，窄-宽波段反照率转换方法具有普适性，研究表明，此方法精度可靠，对于那些难以获得大量地面实测数据的地区，该方法是一种简便实用的地表反照率反演方法。（3）本研究存在的不足之处和需要进一步深入研究的问题是输入参数的不确定性。为了简化处理过程本研究采取假设部分输入参数如假设地表为均匀朗伯面，但此类假设可能与研究区真实条件存在误差。其次，光谱条件只能在0.25-4m范围，只有当波段的吸收性不是很显著时，能很好的处理波段上同时存在吸收和散射的问题。参考文献：1 阿布都瓦斯提吾拉木
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27、提高；感谢地理信息学习的老师和同学们四年来的关心和鼓励。大学生活即将结束，回顾大学四年的历程，老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作以及诲人不倦的师者风范是我终身学习的楷模，高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神将永远激励着我。这次毕业论文设计我得到了很多老师和同学的帮助，其中我的论文指导老师李净老师对我的关心和支持尤为重要。从选题、构思到最后定稿的各个环节都给予了我细心指引与教导，这几个月以来，李老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀，在此谨向李老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同时，感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在此，我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢！秦麟 2011年5月于西北师范大学
