OM IS-II图像大气校正之 FLAASH法与经验线性法的比较

杨 杭,张 霞,帅 通,童庆禧

(中国科学院遥感应用研究所,北京 100101)

OM IS-II图像大气校正之 FLAASH法与经验线性法的比较

杨 杭,张 霞,帅 通,童庆禧

(中国科学院遥感应用研究所,北京 100101)

对 FLAASH法和经验线性法的大气校正效果进行评价。结果表明,FLAASH法和经验线性法均能很好地消除大部分大气的影响,满足试验要求。如果单从精度方面考虑,FLAASH法要略好于经验线性法。但 FLAASH法的校正精度依赖于输入的大气参数和仪器定标精度,因而在实际应用中关键还要根据现有的数据情况选择合适的校正方法。

OM IS-II;辐射定标系数;FLAASH法;经验线性法;反射率转换

一、引 言

实用模块化成像光谱仪Ⅱ型 (OM IS-II)是上海技术物理研究所研制的机载高光谱成像系统。OM IS-II从可见光到热红外共有 64个波段,对每个像元能产生一条连续而完整的光谱曲线,实现了图谱合一,并广泛应用于陆地和海洋资源勘探及环境、全球变化等领域。

OM IS-II的摆扫式成像方式决定了其获取的高光谱图像往往存在边缘辐射畸变,主要表现为同一扫描行中同种地物的亮度值不同,即从机下点向两侧递减的趋势。这主要是由于传感器在成像时观测角的变化导致的地面分辨率、大气路径长度、仪器—太阳—目标几何关系以及地物反射非朗伯特性等综合作用的结果[1]。因此在对图像深化处理前应首先进行图像边缘辐射畸变校正。另外,OM IS-II图像信息受到大气分子、气溶胶和云粒子等大气成分吸收和散射的影响,因此大气校正是恢复高光谱遥感图像的光谱辐射特性、进行遥感定量分析的关键。目前经验线性法和基于大气辐射传输模型的 FLAASH法大气校正是最常用的大气校正方法。

经验线性法的数学和物理意义明确,计算简单,应用比较广泛,但必须以地面实测数据为基础,对野外工作的依赖性强,且对地面定标点的要求比较严格。该方法在实际应用中获得了比较满意的结果[2-4]。FLAASH法可以逐像元反演大气属性参数,但依赖于输入的大气参数和仪器定标精度。FLAASH法多应用于卫星影像,比如 ET M+影像、ASTER多光谱影像等[5-7],并取得了精度比较高的反射率图像。目前将 FLAASH法运用于国内航空高光谱图像大气校正的研究极少。另外,研究人员只是分别研究经验线性法和 FLAASH法大气校正的效果。本文针对以上两点缺憾,同时选用经验线性法和 FLAASH法对航空高光谱影像进行大气校正,并对校正能力进行了分析比较。

二、数据源

本文的研究数据是通过参加中国科学院西部行动计划“黑河流域遥感—地面观测同步试验与综合模拟平台建设”与 973项目“陆表生态环境要素主被动遥感协同反演理论与方法”在黑河组织的大型综合试验获取的。2008年 6月 4日获得了张掖—大满地区的15个条带的OM IS-II数据。OM IS-II在可见光到热红外有64个波段,总视场角为 73°。本次试验平均飞行高度为1 500m,对应地面分辨率约 4.5m。图像前60个波段经过去暗电流处理和基于 POS的几何粗校正,因此本文的分析仅对前 60个波段进行。

与飞行同步进行了地面典型地物的反射率光谱测量,所用仪器为野外便携式光谱仪 ASD Field-Spec FR,测量地点在工行度假村和盈科气象站,主要测量地物为水泥路面、玉米、小麦、荒漠等。这些同步测量光谱将用于OM IS-II图像的反射率标定和辐射校正后光谱保真效果评价。

三、OM IS-II的图像处理

对OM IS-II图像的处理程序包括辐射定标、辐射校正和大气校正。

辐射定标是将 OM IS-II图像标定为辐亮度图像。定标公式为

式中,A为增益;B为偏置。

矩匹配校正法为线性转换,对后面的经验线性法的影响较小,故本文选用矩匹配法对 OM IS-II图像进行边缘辐射校正。校正时,根据图像的扫描方向,将每一列看成一个子图像,计算每个子图像的DN值均值和方差。选取所有方差和均值的中值作为参考均值和标准差,采用公式(2)计算

图1 辐射校正前后图像比较

1.基于 FLAASH法的大气校正

研究区域的大气校正利用 ENV I软件的FLAASH法进行。FLAASH模块嵌入了MODTRAN4 +辐射传输代码,能够对影像逐像元地校正大气中的水汽、氧气、二氧化碳、甲烷、臭氧和分子与气溶胶散射的影响。它能得到每景影像的水汽图、云图和能见度,是目前精度较高的大气辐射校正模型。

FLAASH法假设在太阳波谱范围内 (不包括热辐射)地表为均匀的朗伯面,因此遥感器获取的每个像元的辐射亮度满足以下标准方程

式中,L为遥感器接收到的总辐射;ρ为像元表面反射率;ρe为像元和周围环境的平均表面反射率;S是大气半球反照率;La是大气后向散射;系数A和B依赖于大气和观测几何状况,与地表无关。方程(3)的第一项是由地面反射直接进入遥感器的部分,第二项是地面反射后经大气散射进入遥感的部分。参数A、B和La是由MODTRAN4+模型计算而得。ρ和ρe的最大区别在于后者包含像元临近效应,如果忽略临近效应,则二者相等,即ρ=ρe。本次试验中的参数设置见表 1。

2.经验线性法

经验线性法 (empirical line approach,ELA)进行大气校正,是使遥感数据与同步实测光谱反射数据相匹配。经验线性法的公式如下

式中,DNk是第 k波段的像元输出值;ρλ为传感器瞬时视场(IFOV)内物质在某一特定波长(λ)的折合表面反射率;Ak是影响 DNk的乘性项 (增益);Bk是加性项(偏置)。为了使用经验线性法,分析人员常选择场景中两个或多个反照率不同的区域,所选区域应该尽量单一,以保证图像像元的纯度。然后采用光谱辐射计实测这些地面目标。对实测数据和遥感数据采用最小二乘法进行回归,计算出增益和偏置。然后应用增益和偏置逐波段处理遥感数据,以去除大气衰减。由于处理过程中辐射定标和经验线性法均是线性变换,故辐射定标对经验线性法的结果没有影响。实际中,选用了水体、土壤、小麦、水泥四种地物回归求解增益和偏置,实现反射率转换。

表1 模型参数的设置

四、结果与分析

为了对校正结果进行评价,从处理后的图像上提取了玉米、小麦和荒漠的反射率曲线。图 2为根据OM IS中心波长和半高半宽采样后的地面实测典型地物反射率曲线,图 3、图 4分别是采用 FLAASH法和经验线性法校正后的典型地物反射率曲线。

图2 ASD光谱仪测量的地物反射率曲线

图3 FLAASH法校正后地物反射率曲线

图 4 经验线性法(EL)校正后地物反射率曲线

对照图2～图4分析表明,FLAASH法和经验线性法反演的小麦反射率曲线都能够很好地表征小麦的反射率光谱特征,能够很好地去除绝大多数的大气影响,满足试验要求,二者反演结果与ASD实测反射率曲线的相关系数均达到 0.996。但是在蓝光波段 FLAASH法校正后的反射率比经验线性法校正结果更接近于 ASD实测反射率。这可能是由于 FLAASH法综合考虑了大气中的瑞利散射和气溶胶散射的影响,比经验法更精确。

ASD实测的玉米反射率曲线红边不明显,并且0.74～1.3μm谱段内的反射平台也低于正常植被的反射“平台”。这是因为 6月份田间玉米处于幼苗期,未完全覆盖土壤,因此所测玉米光谱曲线含有大量土壤信息。在可见光波段 FLAASH法和经验线性法校正后的玉米反射率曲线基本反映了这一时期玉米光谱的真实状况,二者反演结果与 ASD实测反射率曲线的相关系数分别为 0.993和0.969。但是 FLAASH在 0.94μm附近有明显的水吸收带,这可能是因为在反演过程中,FLAASH模块重点考虑了 0.94μm处的水吸收作用。

常见的荒漠光谱反射率在 ＜1.1μm波长范围内呈现单调增加趋势 (见图 2),且增加主要集中在0.47～0.7μm波长范围内,经验线性法校正的结果在整个测量范围内呈现单调增加趋势,总体上要比ASD实测结果平缓得多,因此经验线性法校正后的荒漠反射率曲线与 ASD实测的相关系数仅为0.894。FLAASH校正结果在 0.47～0.7μm波长范围内与 ASD实测结果十分相似,但是在 0.8～1.1μm波长范围内反射率曲线不够平滑,表明模型法相对经验法对噪声更加敏感。FLAASH法校正反射率曲线与 ASD实测反射率曲线相关系数为0.978。

将两种方法的校正结果与ASD实测结果进行误差分析,结果表明,在整个测量波谱范围内, FLAASH法与ASD实测反射率曲线的绝对误差平均值在 0.008 7～0.025之间,经验线性法与ASD实测反射率曲线的绝对误差均值在 0.004 2～0.048之间,这在一定程度上表明 FLAASH法反演结果更稳定。

五、结 论

本文总结和比较了 FLAASH法和经验线性法的大气校正方法,并在此基础上将校正结果与地面实测地物的反射率进行比较。结果表明：FLAASH法和经验线性法均能很好地消除大部分大气的影响,满足试验要求。如果单从精度方面考虑, FLAASH法要略好于经验线性方法,因为 FLAASH法是基于大气辐射传输模型发展起来的,能够逐像素地消除大气传输路径的影响,并且 FLAASH法综合考虑了大气中的水汽、氧气、二氧化碳、甲烷、臭氧和分子与气溶胶散射的影响。但是 FLAASH法的校正精度依赖于输入的大气参数和仪器定标精度。而经验线性法与 FLAASH法相比,其优点是数学和物理意义明确,计算简单,在具有足够的实测数据支持条件下,能较好地消除大气传输和仪器定标等的影响;缺点是校正精度依赖于地面实测数据,且对整个图像需要采用同样的定标参数。因此地面实测数据的精度、定标体的混合像元和邻近像元等因素会严重影响校正精度。

在实际中应该选用哪种方法要依据试验数据源的质量和种类。即在实际应用中如果能够选择范围足够大且均一,近似满足朗伯体,无植被覆盖或全植被覆盖的目标时,不需要考虑大气以及传感器定标等问题,直接采用经验线性法是很好的选择。然而更多情况下不能够获取同步地面实测数据,比如研究历史数据时,则需根据研究区域的大气参数以及相应传感器的定标系数,采用 FLAASH法进行大气校正才能达到很好的校正效果。

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Comparision of FLAASH and EmpiricalL ine Approach for Atmospheric Correction of OM IS-II I magery

YANG Hang,ZHANG Xia,SHUA I Tong,TONGQingxi

0494-0911(2010)08-0004-03

P237

B

2009-11-10

中国科学院西部行动计划 (二期)课题 (KZCX2-XB2-09-02);国家科技支撑课程 (2007BAH15B01);国家自然科学基金项目(40971205)

杨 杭(1979—),男,山东泰安人,博士,主要研究方向为高光谱遥感。