基于FLAASH模型的Worldview3大气校正

陈 玲，陈 理，李 伟，刘建宇

(中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

随着遥感技术的快速发展，遥感应用已由定性发展至定量阶段，其中大气校正是定量遥感不可或缺的重要环节。由于受到大气分子、气溶胶对电磁波辐射的散射以及臭氧、水汽等对辐射吸收的影响，卫星传感器接收到的是不能代表地物真实信息的地物与大气相互作用的混合信息。因此，为了获取地物的真实信息，需要对传感器接收到的信息进行大气校正，从而消除大气和光照等因素对地物反射的影响[1-4]。目前大气校正主要有基于图像特征、地面线性回归经验和大气辐射传输理论这3种模型。其中大气辐射传输理论模型是基于电磁波在大气中的辐射传输原理对遥感图像进行大气校正，常用的有MODTRAN，LOWTRAN，6S和FLAASH等模型[5-8]。FLAASH模型是对MODTRAN模型改进后提出的，相对于其他模型，该模型具有输入参数简单、输出反射率精度高的特点，是目前常用的、效果较好的适用于高光谱、多光谱遥感的大气校正模型[9-10]。

高光谱遥感数据在定量遥感研究方面做出了重要的贡献，但由于受制于数据获取渠道，科研工作者很难获得高质量的高光谱数据[11]。因此，易于获取的具有较高光谱分辨率的高空间分辨率遥感数据在地物信息识别中发挥着越来越重要的作用。Worldview3卫星(以下简称WV3)是美国数字地球公司的高解析度光学卫星，是目前最先进的商用遥感卫星，其不仅能提供空间分辨率高达0.31 m的全色和8个波段的可见光—近红外图像，而且还能提供8个波段的短波红外图像，同时装备CAVIS装置(云、气溶胶和水汽等气象条件下的大气校正设备)[12]，由于它具备比传统多光谱更高的精度，也被称为超光谱。这些特征不仅使其识别地物细节信息成为可能，而且其较高的光谱分辨率使其对地物信息的提取也成为可能。尽管WV3数据已在相关领域取得了较好的应用[7,12-15]，但截至目前，对WV3数据进行大气校正方法的研究和评价却鲜有报道。

本文采用FLAASH模型对研究中获取的WV3数据的16个波段进行大气校正，比较大气校正前后各波段反射率变化情况，同时对比研究区典型地物——盐碱地、闪长岩ASD实测光谱数据，为高空间分辨率的多光谱数据的地表参数反演和业务化应用提供参考，为WV3数据在定量遥感研究中的广泛应用提供科学的数据支撑。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

研究区位于新疆若羌县罗布泊无人区，平均海拔为800 m左右，总面积为89 km2，范围E92°17′～92°25′，N40°41′57″～40°46′33″。研究区基本无植被，仅在沟谷可见有极少的骆驼刺等生长，基岩裸露程度高，中部有大片盐碱地，地形地貌属于中高山丘陵地貌。

1.2 数据源

本研究所用的遥感影像数据是新疆若羌县罗布泊无人区的WV3数据。获取到的WV3全色、可见光—近红外以及短波红外波段空间分辨率分别为0.31 m，1.2 m和7.5 m，成像时间为2016年8月11日05:05:27，文件类型为L2A的TIL数据，接收到的数据仅进行了系统传感器校正和相对辐射校正。本次工作中用到的WV3相关参数如表1所示。

表1 本研究中所用遥感数据参数一览表Tab.1 Technical parameters of the remote sensing data used in this research

研究区WV3影像见图1。2016年6月份野外采集研究区典型地物——盐碱地和闪长岩样品(图1中的星标左为闪长岩，右为盐碱地的采样点)，同年10月采用ASD光谱辐射仪对采集的样品进行室内光谱测试。ASD光谱辐射仪光谱范围为350～2 500 nm，光谱分辨率为1 nm，结果采用5次测量的平均值。相关测量均严格按照行业标准进行。

图1 研究区WV3 B8(R)，B4(G)，B3(B)假彩色合成影像Fig.1 False color image composed of WV3 B8(R)，B4(G)，B3(B)in study area

2 研究方法

根据数字地球公司提供的WV3辐射定标参数(表2)，首先分别对获取的WV3数据各波段进行辐射定标，把传感器记录的DN值转换成表观反射率，并将其转换为BIL格式供大气校正使用，然后利用数字地球公司提供的光谱数据，构建WV3光谱响应函数，最后根据文件中自带的卫星运行参数，输入FLAASH模型进行大气校正。

表2 WV3影像数据辐射定标相关参数Tab.2 Parameters of radiometric calibration for WV3 image

本次FLAASH大气校正利用ENVI5.3软件完成，主要分3步：①获取研究区相关大气参数，包括能见度、气溶胶类型和大气水汽含量；②通过求解大气辐射传输方程来获取反射率数据，具体原理详见文献[4,16]；③进一步消除校正过程中存留的噪声。

根据获取的研究区WV3影像数据时相和地理位置，在FLAASH大气校正模块中选取中纬度夏季(mid-latitude summer，MLS)和乡村气溶胶；使用2016年8月11日当地气象站能见度数据，即大气校正中采用的能见度数据为40 km。

由于ASD实测光谱和WV3谱段不同，为了更好地对比校正效果，根据GPS定位的研究区采样点，把典型地物——盐碱地和闪长岩的实测波谱重采样到WV3对应的波段。重采样公式为：

(1)

式中：ρ和ρ(λ)分别代表重采样后对应WV3图像的波段反射率和ASD波谱反射率；β(λ)代表不同波段对应的光谱响应函数的权重值。通过重采样，光谱能量在不同波段范围内被重新分配，以便于对比。

3 大气校正结果与分析

3.1 大气校正结果

大气校正结果采用WV3 B8(R)B4(G)B3(B)假彩色合成，如图2所示。从图2可以看出，大气校正后的图像整体更清晰，说明本次大气校正减小了大气的影响，有效地提高了图像质量。以研究区的盐碱地为例，在大气校正前，影像光谱斜率较大，在黄光波段显示出异常的高值，经过大气校正后，在可见光—近红外波段，异常数值被校正，说明大气散射光入射对地表反射的增强已经被校正；同时选择了以纬线40°43′48.13″N做一横剖面(图2中蓝色线)，这一剖面基本横穿调查区的大部分地物，对比大气校正前后B4，B5和B6波段的影像光谱，认为大气校正后整个光谱曲线显示出相对平缓的变化(图3)，大气校正前，B4波段(即黄光波段)DN值在B4,B5,B6这3个波段中是最高的，经过FLAASH大气校正后黄光波段的高值被校正，证明本次大气校正对高反射率地表进行了校正。

(a)大气校正前 (b)大气校正后

图2 FLAASH大气校正前后对比

Fig.2ComparisonimagebeforeandafterFLAASHatmosphericcorrection

(a)大气校正前 (b)大气校正后

图3 FLAASH大气校正前后影像横切剖面光谱对比

Fig.3TransversesectionspectralcomparisonimagesbeforeandafterFLAASHatmosphericcorrection

3.2 实测典型地区ASD反射率与WV3大气校正后反射率比较

盐碱地和闪长岩是研究区的典型地物，其影像特征和野外照片如图4所示，盐碱地呈明显的白色色调，影纹光滑，地形地貌平坦，相对闪长岩来说，其位于低洼地带；闪长岩呈灰黑色色调，影纹相对粗糙，见少量树枝状水系干沟，呈山丘状地形地貌。

(a)闪长岩、盐碱地WV3影像 (b)野外照片

图4 研究区闪长岩、盐碱地WV3高分影像和野外照片

Fig.4WV3imageandfieldphotosofdioriteandsaline-alkalisoilinresearcharea

图5的实测盐碱地光谱曲线显示了盐碱地的关键光谱特征，即在350～800 nm的可见光—近红外波段范围内光谱曲线斜率大，形成高反射，在1 400 nm和1 900 nm附近显示了明显的吸收特征，在1 439 nm吸收深度达0.039，在1 950 nm附近吸收深度达0.24，同时盐碱地实测光谱整体反射率较高，基本都在0.8以上。闪长岩在400～700 nm存在弱吸收特征，分析由Fe3+引起，在1 100 nm附近存在宽而强的吸收谱带，分析由Fe2+引起[17]，在2 204 nm和2 300 nm附近存在强吸收谱带，吸收深度达0.017，分析由OH-引起。

(a)盐碱地 (b)闪长岩

图5 盐碱地和闪长岩ASD光谱曲线与WV3大气校正后光谱曲线对比

Fig.5Comparisonofsaline-alkalisoilanddioriteASDspectraandWV3reflectanceafterFLAASH

4 结论

具有较高空间和较高光谱分辨率的WV3数据在定量获取地物信息方面具有较大的潜力，而大气校正是遥感定量化研究的前提。本文应用FLAASH模型对WV3影像数据进行了大气校正，并通过校正结果与实测光谱的对比分析，有效验证了大气校正的效果，得出如下结论：

1)WV3影像经FLAASH大气校正后，盐碱地的反射率比实测反射率降低，分析与盐碱地本身特征有关，其属于高亮地物，经大气校正后，由于瑞利散射作用，导致亮目标相对变暗。闪长岩的反射率与实测基本相当，在可见光—近红外波段呈现高反射特征，在832.5 nm附近呈现明显的吸收谷，在短波红外波段1 200～1 600 nm附近呈现宽缓的吸收特征，且反射率呈上升趋势，在1 730～2 165 nm附近呈现出高反射特征。

2)经FLAASH大气校正后，研究区典型地物——盐碱地、闪长岩WV3影像波谱与ASD重采样的地物波谱吻合度较高，相关系数分别为0.75和0.8，表明利用FLAASH模型对研究区的WV3数据进行大气校正是行之有效的。

3)本研究采用实测数据对新疆罗布泊地区的WV3数据大气校正效果进行评价，研究结果证明，本次大气校正方法切实可行。同时，本研究采用的大气校正方法不受地域限制，该方法对于开拓WV3数据在定量遥感研究方面具有实用意义。

志谢：在地物光谱测试和野外样品采集过程中，得到中国自然资源航空物探遥感中心董新丰和中国地质大学(北京)王博的帮助，再此一并表示感谢！