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辐射定标和大气校正
概述
辐射定标
多光谱数据FLAASH大气校正
3.1 FLAASH输入数据要求
3.2 详细操作步骤
3.2.1 输入文件准备
3.2.2 基本参数设置
3.2.3 多光谱数据参数设置
3.2.4 高级设置
3.2.5 处理结果浏览
4.1 输入文件准备
4.2 基本参数设置
4.3 高光谱数据参数设置
4.4 高级设置
4.5 处理结果浏览
快速大气校正（QUAC）
概述
太阳辐射通过大气以某种方式入射到物体表面然后再反射回传感器，由于大气气溶胶、地形和邻近地物等影像，使得原始影像包含物体表面，大气，以及太阳的信息等信息的综合。如果我们想要了解某一物体表面的光谱属性，我们必须将它的反射信息从大气和太阳的信息中分离出来，这就需要进行大气校正过程。
本课程学习利用ENVI 大气校正扩展模块（FLAASH和QUAC）对多光谱和高光谱数据进行大气校正的过程，还包括大气校正的准备工作——辐射定标。
FLAASH是基于MODTRAN5辐射传输模型，MODTRAN模型是由进行大气校正算法研究的领先者SpectralSpectral Sciences, Inc和美国空军实验室（Air Force Research Laboratory）共同研发。Exelis VIS公司负责集成和GUI设计。
注：本课程需要大气校正模块（Atmospheric Correction）扩展模块的使用许可。
辐射定标
一般来讲，辐射定标就是将图像的数字量化值（DN）转化为辐射亮度值或者反射率或者表面温度等物理量的处理过程。辐射定标参数一般存放在元数据文件中，ENVI中的通用辐射定标工具（Radiometric Calibration）能自动从元数据文件中读取参数（如表2.1所示），从而完成辐射定标。
注：这里以Landsat5 L1G级的数据为例，由于数据较大，并且该工具操作简单，这里不提供例子数据。
(1) 选择File>Open As>Landsat>GeoTIFF with Metadata，选择打开*_MTL.txt文件。
表2.1 Radiometric Calibration工具自动识别的数据类型
注：以下类型的数据，ENVI打开后自动定标。
Göktürk-2: Radiance
MODIS/ASTER Simulator (MASTER): Radiance
RASAT: Radiance
ASTER Level-1B
MODIS Level-1B through 4 (HDF-EOS)
(2) 在Toolbox中，选择Radiometric Correction > Radiometric Calibration，对文件对话框中选择多光谱数据。打开Radiometric Calibration面板。
(3) 在Radiometric Calibration面板中，设置以下参数：
定标类型（Calibration Type）：辐射率数据Radiance
单击Apply FLAASH Settings按钮，自动设置FLAASH大气校正工具需要的数据类型，包括储存顺序（Interleave）：BIL或者BIP；数据类型（Data Type）：Float；辐射率数据单位调整系数（Scale Factor）：0.1。
(4) 设置输出路径和单位名，单击OK执行辐射定标。
图：Radiometric Calibration面板
(5) 显示辐射定标结果图像，选择Display>Profiles>Spectral查看波谱曲线，看到定标后的数值主要集中在0-10范围内，单位是µW/(cm2 * sr * nm)。
图：辐射定标结果的波谱曲线
3.1 FLAASH输入数据要求
FLAASH对大气校正的输入图像做了一些要求，具体要求如下：
一、图像基本参数
波段范围：卫星图像：400－2500nm，航空图像：860nm-1135nm。
如果要执行水汽反演，光谱分辨率<=15nm，且至少包含以下波段范围中的一个：
1050-1210 nm
770-870 nm
870-1020 nm
像元值类型：经过定标后的辐射亮度（辐射率）数据，单位是：（μW）/（cm2*nm*sr）。
二、数据储存类型
数据类型：浮点型（Floating Point）、32位无符号整型（Long Integer）、16位无符号和有符号整型（Integer、Unsigned Int)。
文件类型： ENVI标准栅格格式文件，BIP或者BIL储存结构。
三、辅助信息
中心波长：数据头文件中（或者单独的一个文本文件）包含中心波长（wavelenth）值，如果是高光谱还必须有波段宽度（FWHM），这两个参数都可以通过编辑头文件信息输入（Edit Header）。
波谱滤波函数（波谱响应函数）文件：对于未知多光谱传感器（UNKNOWN-MSI）需要提供波谱滤波函数文件。
3.2 详细操作步骤
ENVI大气校正模块的使用主要又以下7个方面组成：1、输入文件准备，2、基本参数设置，3、多光谱数据参数设置，4、高光谱数据参数设置，5、高级设置，6、输出文件，7、处理结果。下面介绍这7个方面内容。
下面以Landsat5的多光谱数据为例介绍操作步骤。
表3.1 练习数据信息
3.2.1 输入文件准备
根据前一章节中介绍的FLAASH对数据的要求准备待校正文件。由于使用了Radiometric Calibration工具辐射定标，数据类型、储存顺序、辐射率数据单位都符合FLAASH要求，Landsat5的L1G级数据包括了中心波长信息。
3.2.2 基本参数设置
在Toolbox中打开FLAASH工具：/Radiometric Correction/Atmospheric Correction Module/FLAASH Atmospheric Correction。启动FLAASH Atmospheric Correction Module Input Parameters面板
(1) Input Radiance Image：选择辐射定标结果数据，在打开的Radiance Scale Factors面板中，设置Single scale factor：1。
注：辐射率数据的单位已经是：（μW）/（cm2nmsr）
图：Radiance Scale Factors面板
(2) Output Reflectance File：设置输出路径和文件名；
(3) Output Directory for FLAASH Files：设置其他文件输出目录；
(4) 传感器基本参数设置：
1.中心点经纬度Scene Center Location：如果图像有地理坐标则自动获取；
2.选择传感器类型Sensor Type：Landsat TM5，其对应的传感器高度以及影像数据的分辨率自动读取；
3.设置影像区域的平均地面高程Ground Elevation：0.05km
4.影像成像时间（格林威治时间）：在layer manager中的数据图层中右键选择View Metadata，浏览time字段获取成像时间，2009年9月22号02:43:22。
注：也可以从元文件"*_MTL.txt"中找到，具体名称：DATE_ACQUIRED 和SCENE_CENTER_TIME；
(5) 大气模型参数选择Atmospheric Model：Mid-Latitude Summer（根据成像时间和纬度信息依据下表规则选择）；
表3.2数据经纬度与获取时间对应的大气模型
(6) 气溶胶模型Aerosol Model：Urban；
(7) 气溶胶反演方法Aerosol Retrieval：2-band（K-T）；
注：初始能见度Initial Visibility只有在气溶胶反演方法为None时候，以及K-T方法在没有找到黑暗像元的情况下。
(8) 其他参数按照默认设置即可。
图：FLAASH基本参数设置
3.2.3 多光谱数据参数设置
(1) 单击Multispectral Settings，打开多光谱设置面板；
(2) K-T反演选择默认模式：Defaults->Over-Land Retrieval standard（600:2100），自动选择对应的波段；
(3) 其他参数选择默认。
图：多光谱设置面板
3.2.4 高级设置
单击Advanced Settings打开高级设置面板。这里一般选择默认设置能符合绝大部分数据情况，在右边面板中设置：
(1) 分块处理（Use Tiled Processing）：是否分块处理，选择Yes能获得较快的处理速度，Tile Size一般设为4-200m，根据内存大小设置，这里设置为100m（计算机物理内存8G）。
(2) 空间子集（Spatial Subset）：可以设置输出的空间子集，这里选择默认输出全景。
(3) 重定义缩放比例系数（Re-define Scale Factors For Radiance Image）：重新选择辐射亮度值单位转换系数，这里不设置。
(4) 输出反射率缩放系数（Output Reflectance Scale Factor）：为了降低结果储存空间，默认反射率乘于10000，输出反射率范围变成0~10000。
(5) 自动储存工程文件（Automatically Save Template File）：选择是否自动保存工程文件。
(6) 输出诊断文件（Output Diagnostic Files）：选择是否输出FLAASH中间文件，便于诊断运行过程中的错误。
图：高级设置面板
如果对Modtran模型非常熟悉，可根据数据情况进行调整，如下为其余部分的参数说明。
(1) 气溶胶厚度系数（Aerosol Scale Height）：用于计算邻域效应范围。一般值为1~2km，默认为1.5km。
(2) CO2混合比率（CO2 Mixing Ratio）：默认为390ppm，它是依据2001测量值为370ppm，增加20ppm以得到更好的结果。
(3) Use Square Slit Function：No
(4) 使用领域纠正（Use Adjacency Correction）：Yes 或者No。
(5) 使用以前的MODTRAN模型计算结果（Reuse MODTRAN Calculations）：
No：重新计算MODRTRAN辐射传输模型。
Yes：执行上一次FLAASH运行获得的MODRTRAN辐射传输模型，每次运行FLAASH后，都会在根目录和临时文件夹下生成一个acc_modroot.fla。
(6) MODTRAN模型的光谱分辨率（Modtran Resolution）：越低分辨率具有较快速度而相对较低的精度，主要影响区域在2000 nm附近。高光谱数据默认为5 cm-1，多光谱数据默认为15 cm-1。
(7) MODTRAN多散射模型（Modtran Multiscatter Model）：校正大气散射对成像的影响，提供三种模型供选择ISAACS，DISORT和 Scaled DISORT。默认是Scaled DISORT和streams为8。
Isaacs模型计算速度快，精度一般；
DISORT模型对于短波（小于1000nm）具有较高的精度，但是速度非常比较慢，由于散射对短波（如可见光）影响较大，长波（近红外以上）影响较小，因此当薄雾较大和短波图像时可以选择此方法；
Scaled DISORT提供在大气窗口内与DISORT类似的精度，速度与Isaacs类似，这模型是推荐使用的模型。当选择DISORT 或者 Scaled DISORT，需要选择streams：2、4、8、16，这个值是用来估算散射的方向，可见streams值越大速度越慢。
(8) 观测参数
天顶角（Zenith Angle）：是传感器直线视线方向和天顶的夹角，范围是90~180度，其中180为传感器垂直观测。
方位角（Azimuth Angle）：范围是-180~180度。
3.2.5 处理结果浏览
(1) 设置好参数后，单击Apply执行大气校正；
(2) 完成后会得到反演的能见度和水汽柱含量。
(3) 显示大气校正结果图像，查看像元值，可以看到像元值扩大10000倍后，值在几百到几千不等。如果要得到0-1范围内的反射率数据，可以使用BandMath除以10000.0。
(4) 选择Display>Profiles>Spectral查看典型地物波谱曲线，如植被、水体等。
图：FLAASH大气校正结果中获取的波谱曲线（左-植被，右-水体）
表4.1 练习数据信息
4.1 输入文件准备
本例中的AVIRIS高光谱数据已经是辐射率数据，包括了中心波长、波段宽度（FWHM），Integer数据类型，BIP储存顺序。在layer manager中的数据图层中右键选择View Metadata，可以浏览所有的信息。
注：高光谱数据一般有一套预处理工具，可以满足FLAASH工具的数据要求。
4.2 基本参数设置
打开CupriteAVIRISSubset.dat数据，在Toolbox中打开FLAASH工具：/Radiometric Correction/Atmospheric Correction Module/FLAASH Atmospheric Correction。启动FLAASH Atmospheric Correction Module Input Parameters面板。
(1) Input Radiance Image：选择CupriteAVIRISSubset.dat文件，在打开的Radiance Scale Factors面板中，选择默认Read array of scale factors (1 per band) from ASCII file。
(2) 在对话框中选择AVIRIS11_gain.txt文件，在Input ASCII File对话框中，Scale Column设置1。
注： AVIRIS辐射率原始的定标结果是浮动型，为了减少储存空间，NASA/JPL 使用一组比例系数将浮点型数据变成整型数据。设定比例系数将数据由变成。在使用的时候需要将整型变回浮点型，单位变成µW/(cm2 * sr * nm)。这一步就是完成这个，文本文件中第一列就是缩放系数。
图：Radiance Scale Factors和输入文本文件面板
(3) Output Reflectance File：设置输出路径和文件名；
(4) Output Directory for FLAASH Files：设置其他文件输出目录；
(5) 传感器基本参数设置：
中心点经纬度Scene Center Location：如果图像有地理坐标则自动获取；
选择传感器类型Sensor Type：Hyperspectral > AVIRIS；
传感器飞行高度Sensor Altitude (km)：20
设置影像区域的平均地面高程Ground Elevation：0.6km
图像地面分辨率Pixel Size (m)：15.5
影像成像时间（格林威治时间）Flight Date：Aug 6, 2011，Flight Time (GMT): 19:20:00
注：大部分图像成像信息存放在*.info文件中。
(6) 大气模型参数选择Atmospheric Model：U.S. Standard（根据成像时间和纬度信息依据下表规则选择）；
(7) 水汽反演Water Retrieval：yes
(8) 水汽吸收波长Water Absorption Feature：1135
(9) 气溶胶模型Aerosol Model：Urban；
(10) 气溶胶反演方法Aerosol Retrieval：2-band（K-T）；
注：初始能见度Initial Visibility只有在气溶胶反演方法为None时候，以及K-T方法在没有找到黑暗像元的情况下。
(11) 其他参数按照默认设置即可。
图：FLAASH基本参数设置
4.3 高光谱数据参数设置
(1) 单击Hyperspectral Settings，打开高光谱设置面板；
(2) 其他参数选择默认。
图：高光谱设置面板
4.4 高级设置
单击Advanced Settings打开高级设置面板。这里一般选择默认设置能符合绝大部分数据情况，在右边面板中设置：
(1) 分块处理（Use Tiled Processing）：是否分块处理，选择Yes能获得较快的处理速度，Tile Size一般设为4-200m，根据内存大小设置，这里设置为100m（计算机物理内存8G）。
(2) 其他默认设置。
图：高级设置面板
4.5 处理结果浏览
(1) 设置好参数后，单击Apply执行大气校正；
(2) 完成后会得到反演的能见度和水汽柱含量。
(3) 显示大气校正结果图像，像元值同样扩大了10000倍。
(4) 选择Display>Profiles>Spectral查看地物波谱曲线。
注：得到的波谱曲线有几个地方断开了，这是由于FLAASH会根据反射信号的强度判断部分波段属于"Bad band"，在头文件中标识这些波段。这里标识的波段包括108-112和155-166范围内的波段。
(5) 在工具栏中的Go to文本框中输入326,290，回车。得到这个像素点的波谱曲线，如下图所示。
(6) 在1300 nm 和 1500 nm除有两个低谷，这个主要由于水汽吸收造成反射率很低。这种情况可以利用"edit header"工具将这几个波段标识为"Bad band"。
图：FLAASH大气校正结果中获取（326,290）点的波谱曲线
(7) 高光谱FLAASH大气校正结果还会产生两个文件：水汽含量反演图像（water.dat）和云层掩膜图像（cloudmask.dat）。
5 快速大气校正（QUAC）
快速大气校正工具（Quick Atmospheric Correction简称QUAC）自动从图像上收集不同物质的波谱信息，获取经验值完成高光谱和多光谱的快速大气校正（如下图）。它得到结果的精度近似FLAASH或者其他基于辐射传输模型的+/-15%。它支持的多光谱和高光谱波谱范围是(0.4~2.5 μm)。
图：快速大气校正流程图
QUAC的输入数据可以是辐射亮度值、表观反射率、无单位的raw数据。可以是任何数据储存顺序 （BIL/BIP/BSQ）和储存类型，多光谱和高光谱传感器数据的每个波段必须有中心波长信息。
QUAC的操作非常简单，如下：
(1) 在Tool box中，启动/Radiometric Correction/Atmospheric Correction Module/QUick Atmospheric Correction (QUAC)，在文件输入对话框中选择校正的图像文件；
注：如果待校正图像是不规则的，包括较多的背景（如0值），则需要在选择图像文件对话框中，选择/生成一个掩膜文件。
图：文件选择对话框
(2) 打开QUick Atmospheric Correction Parameters面板，在Sensor Type中选择相应的传感器类型，一般会根据图像信息自动选择。
(3) 选择文件名和路径输出。
注：QUAC大气校正的结果同样是扩大了10000倍的反射率数据。
图：QUick Atmospheric Correction Parameters面板
教程下载：http://pan.baidu.com/s/1ntohTNV
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