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光學(xué)遙感大氣訂正方法與軟件應(yīng)用分析
摘要：本文首先介紹了常見的若干大氣訂正方法，對于海色遙感，高光譜遙感，機載圖像、多角度圖像，考慮其特殊性，并介紹了其大氣訂正的新進展;接著分析了幾個當(dāng)前發(fā)行的大氣訂正軟件或者模塊;最后，我們提 了大氣訂正中存在的問題和發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：大氣汀正;光學(xué);遙感;進展;軟件;方法
1、大氣訂正的方法分析從大氣參數(shù)、地物光譜信息應(yīng)用的角度對大氣訂正進行分類，大致可分 類：f1)已較準確的知道大氣參數(shù)(通過地表同步測量�；蛲ㄟ^特有的波段反演等)。并可以輸入輻射傳輸方程進行大氣訂正的，即基于物理模型、輻射傳輸方程的大氣訂正。是最為準確的方式。f2)基于地面目標(biāo)波譜的大氣訂正：通過已知地物的反射光譜和表觀反射率來反推大氣信息。然后進行訂正。這類方法和有些輻射定標(biāo)的方法類似。f3)用戶完全不知道大氣和任何地物波譜。通過直方圖調(diào)整等思路進行的大氣訂正：由于參數(shù)的缺乏。大氣訂正精度難以保證，這類方法簡單方便。仍然用于大氣訂正中，但已不是主流。其實上述i類之間也并無嚴格的界限。有些所謂的大氣訂正方法。往往與氣溶膠反演方法緊密相關(guān)�；蛘弑举|(zhì)上就是氣溶膠的反演方法下面回顧一些基于地物光譜和圖像自身信息的大氣訂正方法。對某個方法。一般從模型假定、基本思想和所基于的物理模型、精度如何、所需參數(shù)、優(yōu)缺點、可能的改進等方面進行分析1.1暗目標(biāo)提取方法(dark object subtraction.DOS)最早的DOS方法認為大氣的影響(程輻射)是“加”性的，不考慮透過率“乘”性的影響;圖像上存在一些點，這些點幾乎完全處于陰影中;傳感器接收的輻射完全來自大氣的后向散射：大氣的影響在整幅圖像是均勻的�；舅枷胧峭ㄟ^選取圖像的上述點，整幅圖像減去程輻射。依此作為大氣訂正 對這種方法的研究多集中在如何選取暗目標(biāo) 其精度取決于當(dāng)時的大氣狀況和選取的暗目標(biāo)的精度 這種方法不需要其他參數(shù)。其優(yōu)點是它完全基于圖像的方法，不需要地表測量和大氣參數(shù)：缺點是當(dāng)目標(biāo)的反射率大于15%Hrj-精度往往是不可接受的 一般的DOS方法不校正透過率影響 由于大氣的散射是觀測角度的函數(shù)。因此它不可能用于寬視場的圖像�？赡艿母倪M有參考文獻fl，21等。改進的暗目標(biāo)方法不是直接用來減去程輻射。而是用來估計氣溶膠光學(xué)厚度。然后用輻射傳輸方程進行大氣訂正
1.2 直方圖調(diào)整、匹配對于直方圖調(diào)整。假定是圖像的近紅外和中紅外圖像不受大氣散射的影響。而可見光圖像受大氣散射影響，大氣的影響在整幅圖像是均勻的。通過暗目標(biāo)方法，或者查看可見光波段的直方圖。認為圖像直方圖的最小值和0坐標(biāo)的距離是來自于大氣的后向散射。從而可以調(diào)整直方圖，將這部分減去，類似于暗目標(biāo)提取方法。方法優(yōu)點是非常簡單。
易于實現(xiàn)。同早期的暗目標(biāo)提取方法類似。它也僅考慮了大氣“加”性的作用。是一種技術(shù)手段。而后者(DOS)則是一種方法。
對于直方圖匹配方法。則假定圖像中清潔(clear)和陰霾(hazy)區(qū)域的地物的直方圖本來是一樣的。在找到圖像的清潔區(qū)域后。陰霾區(qū)域的直方圖匹配到相應(yīng)的清潔區(qū)域。依此作為訂正I 。此方法已經(jīng)用于ERDAS和PCI軟件。方法局限于這兩個區(qū)域的目標(biāo)應(yīng)該一致。若兩個區(qū)域光譜反射和相對組成有較大差異，則不適用 若氣溶膠的空間變化非常劇烈。這個方法也不適用：但是若將圖像分割為若干非常小的區(qū)域后再進行直方圖匹配。則同此方法的最初假定相違背 Richter開拓了這種方法用于TM的大氣訂正。Liang Shunlin改進了此法，并用于提取氣溶膠光學(xué)厚度(后面介紹)
1.3經(jīng)驗線方法(empirical line method—ELM)經(jīng)驗線方法是基于地物光譜的一類方法。也是經(jīng)常用來做簡單輻射定標(biāo)的方法 。
這種方法假定有一系列隨時間其反射率不變的目標(biāo)(高、中、低反射率。至少需要兩個目標(biāo))。而且目標(biāo)均勻。面積足夠大。以至在圖像上能夠被區(qū)分。目標(biāo)最好為水平、均勻的朗伯體;最好不用植被(光譜變化比較大。非朗伯體);面積最好至少3倍于像元的空間分辨率，比如對于IKONOS.一般至少為12x12m 此方法假定圖像內(nèi)大氣屬性。尤其是氣溶膠在整幅圖像內(nèi)是均勻分布的 其基本思想是將地面目標(biāo)的反射率同對應(yīng)的傳感器像元值做線性回歸。其斜率反映大氣消光大小。截距反映程輻射的大小�；貧w等式可用于其他像元的訂正。這種方法的精度取決于大氣狀況和地面測量精度等。需要的參數(shù)是至少兩個不相關(guān)的地表光譜測量 其優(yōu)點是不需要大氣參數(shù) 缺點是需要有地面同步測量。
擬合公式只適用于本幅圖像 由于大氣散射的方向差異。要求各個目標(biāo)成像的觀測幾何要一致 這種方法沒有考慮地、氣之間的多次反彈，因此不適用于混濁的大氣，在選取地面目標(biāo)的時候，最好面積要足夠大以盡量減少鄰近像元的影響 建議其改進是通過這種方法來反演氣溶膠光學(xué)參數(shù)。然后進行基于輻射傳輸方程的大氣訂正。若地面目標(biāo)多于3個。則可以反演出更多的大氣參數(shù)。
1.4土壤線方法H.CHI最近給出了用沙土的土壤線進行大氣訂正的方法。并用于干旱、半干旱地。
這種方法假定整幅圖像大氣作用均勻，圖像上存在像元能夠構(gòu)成土壤線。有地面相同目標(biāo)的光譜測量。地面是均勻朗伯體 基本思想是對于同一類目標(biāo)(比如某種土壤)。其地表土壤線與從衛(wèi)星信號得到的土壤線的差異認為是由大氣作用造成的 土壤類型差異是地表土壤線變化的主要原因。每種土壤有一個土壤線。土壤線不隨其濕度、觀測幾何、時間等變化 通過平面坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)化。將衛(wèi)星上的土壤線轉(zhuǎn)化到地表的情況。得到平均校正值A(chǔ)R和ANIR(分別對應(yīng)于紅、近紅外波段)。然后用這兩個值校正整幅圖像。在精度方面。用于裸土最好，植被次之，水體最差。其原因在于，大氣對不同地物的影響作用所產(chǎn)生的平均校正值A(chǔ)R和ANIR.是大氣“加”和“乘”作用的綜合。和光譜密切相關(guān)。嚴格來講。此方法僅能適用于土壤(而且是特定的觀測角度)。把適用于土壤的平均校正值A(chǔ)R和ANIR用于其他地物是不合適的 所需參數(shù)是裸土的地面光譜測量 這種方法優(yōu)點是非常簡單，不需曼大氣參數(shù)。
缺點是僅適用于干旱、半干旱地區(qū)。僅僅適用于紅光與近紅外兩個能組成土壤線的波段。需要假定大氣作用空間均勻 這種方法也沒有考慮大氣散射的方向性 可能的改進是通過適當(dāng)?shù)男薷�。用土壤線估算氣溶膠光學(xué)厚度。再用精確的物理模型訂正大氣作用
1.5地面不變目標(biāo)法這種方法一般用于校正多時相圖像r『I假定多天的圖像中至少有兩個不同反射率的目標(biāo)(像元)，其地面反射隨時問沒有變化。以其中一幅圖像的反射為參考。從而根據(jù)目標(biāo)的表觀反射率可以估算氣溶膠光學(xué)厚度 然后可以輸入大氣訂正模型。進行計算 它不需要知道這些目標(biāo)的反射率絕對值。
1.6 云陰影法(Cloud—shadow method)此法一般適用于高空間分辨率圖像。它假定有兩個地表反射相同的目標(biāo)。第一個目標(biāo)位于云的陰影內(nèi)。而相鄰的目標(biāo)在太陽光的直射下。根據(jù)兩個目標(biāo)表觀反射率的差異可以得到大氣相關(guān)特性，并用于大氣訂正I8]。方法要求地面兩個目標(biāo)都要水平均勻。云的陰影也要均勻。方法假定或者要求這兩個地點的大氣光學(xué)屬性是同樣的
1.7各種植被指數(shù)植被指數(shù)方法嚴格來說并不是大氣訂正方法。但是它卻能在不同程度上去除大氣的影響。Kaufman 提出了一個大氣阻抗植被指數(shù)(AtmosphericResistant Vegetation Index—ARVI)，采用藍、紅、近紅外三個波段。通過一個“自校正”過程減小大氣的1~[91。Song J.專門給出了對于NDVI的大氣訂正方法l11。
1.8 基于圖像明暗對比的方法這種方法由Kaufman等開拓。本質(zhì)上是氣溶膠反演方法1Ol 它假定表面反射可以由step function來描述，地表是朗伯反射體。方法假定暗的地表的step function是空間均勻的，而亮的部分則不是。故此方法適用于海岸區(qū) 其通過亮、暗表面的差異提取氣溶膠光學(xué)厚度信息用于大氣訂正。它僅適用于天頂觀測的圖像。假定氣溶膠的空間分布是均勻的 而表面由step function組成的假定則限制了其應(yīng)用范圍1.9 對比度衰減法(Contrast reduction methods)在地表反射相對穩(wěn)定的區(qū)域。衛(wèi)星觀測信號的時間變化可以歸咎于大氣屬性的變化。氣溶膠散射可以減小局地反射率的對比度，從而減小其方差。
氣溶膠越多，則方差越小，因此，局地的方差大小可以用來估算氣溶膠光學(xué)厚度的大小 圖像上兩個像元表觀反射率的差值(或者對比)和地表對應(yīng)反射率差值的關(guān)系可近似描述為一個關(guān)系式。并根據(jù)這個關(guān)系式來估算透過率和氣溶膠光學(xué)厚度 這種方法已經(jīng)成功地用于沙塵檢測?】。它假定目標(biāo)的反射不隨時間變化限制其應(yīng)用 方法假定圖像上這些隨時間不變的目標(biāo)和其鄰近像元具有大的“對比”。反演氣溶膠光學(xué)厚度的精度在0.1左右。僅用于大氣比較混濁的情況1.10聚類匹配方法Liang發(fā)展了直方圖匹配的思路，用聚類分析的思路來反演氣溶膠光學(xué)厚度并用于大氣訂正I41他不是把圖像分為clear和hazv區(qū)域。而是分為許多類。認為每一類的平均值在不同的大氣條件下是一樣的 進行分類時可以選擇近紅外和中紅外受大氣影響小的波段。各個波段分別進行平均反射率的匹配。他假定圖像中存在clear的區(qū)域。根據(jù)匹配的反射率和表觀反射率，從查找表反演這個地方的氣溶膠光學(xué)厚度。若氣溶膠的空間變化過于劇烈。則可以進行一個低通濾波來作空間域的平滑。
大氣訂正的方法還與傳感器的類型密切相關(guān)對于海洋水色遙感大氣訂正來說。相對于大氣的后向散射。傳感器接收的來自洋面的輻射僅僅占有非常小的比例 要從水體的離水輻射率反演海洋生物信息和水體的信息。大氣訂正是必須的步驟。
而且還必須保證極高的精度 海色遙感大氣訂正以C0r(1on的研究集體做的工作為多l(xiāng)l2] 他們的模型也經(jīng)歷了從單次散射的模型到多次散射模型的發(fā)展。
比如Gordon分析了CZCS大氣訂正中大氣多次散射的影響ll31 由于海洋的均勻性和低反射率特征。大氣訂正模型一般不需要考慮多次反彈和鄰近效應(yīng)。
但是海岸帶遙感則必須考慮鄰近效應(yīng)(陸面的影響) 在海洋上，一般是假定海洋表面在近紅外波段是完全“黑”的。由此來計算氣溶膠光學(xué)厚度。然后根據(jù)選擇的氣溶膠模型。插值到藍和綠波段 但對于渾濁的水體。不能用“黑”表面假定。對于這種情況。B—C Gao提出用光譜匹配的方式來提取氣溶膠光學(xué)厚度用于大氣訂正【14] Gordon總結(jié)了海色遙感中需要解決的若干問題高光譜傳感器的波段范圍比較窄。波段多(特別是一些氣體吸收波段，如水汽、臭氧)。為反演大氣參數(shù)提供了好的條件。對于大氣訂正需要的氣溶膠參數(shù)、水汽含量、臭氧等都可以從自身圖像獲得。
可以說是自成體系[161 Richter討論了高光譜遙感大氣訂正的若干問題ll 7l 在其算法中。用MODTRAN創(chuàng)建『大氣數(shù)據(jù)庫 為r處理時間和精度之間的矛盾。在大氣訂正時，可以根據(jù)需要選擇不同的精度他給出其大氣訂正的精度：反演的光譜反射和地表測量的光譜反射的偏差在2% 3%或者更小 Carins等考慮了計算吸收和散射時。精度和時間之間的矛盾。并提出高光譜遙感大氣訂正的方法【I8] 在軟件方面。Z.Qu在ATREM 的基礎(chǔ)上開發(fā)了HATCHrl9] 其他的軟件還有FLAASH、ACORN等機載和多角度傳感器大氣訂正的共同點是兩者均需要創(chuàng)建非常大的LUT 對于機載傳感器來說。是因為其飛行高度不固定。因此地表一傳感器路徑的吸收、散射特性受到高度的影響 而對于多角度傳感器來說。由于大氣的后向散射并非各項同性。需要考慮觀測天頂角和方位角的變化 正因為以上特點。Richter等開發(fā)的ACTOR4和SpectralSciences Inc.等開發(fā)的FLAASH都有接口可以臨時創(chuàng)建LU1‘。機載傳感器一般空間分辨率非常高。需要考慮鄰近效應(yīng)問題。
2、大氣訂正軟件應(yīng)用分析從產(chǎn)品的角度來說，大氣訂正的程序、軟件以兩種形式存在，一種是針對某個傳感器的，如MODIS的算法：另一種是通用的商業(yè)軟件，如：A—CORN、ATCOR、ATREM、FLAASH等。下面介紹常見的幾種大氣訂正程序或軟件。
2.1 ATREMATREMt2OJ fThe atmospheric removal program)的分子吸收算法基于HITRAN92數(shù)據(jù)庫 它使用三波段比值科技來進行水汽含量反演【21】。主要用于Aviris、Hydice、Casi、Hymap、Probe1、Dais、Ger等傳感器。在ATREM中，大氣的散射計算基于6S。采用的模型假定地表是水平均勻的朗伯體。ATREM被集成到ENVI中。也有單獨發(fā)行的版本。若地表的地形已知。則反演的“scaled surface reflectance”可用轉(zhuǎn)換成地表真實的反射率
2.2 HA'l'CHHATCH fThe high accuracy atmospheric corec—tion for hyperspectral data)是ATREM 的改進版本。
用于從高光譜遙感數(shù)據(jù)反演高質(zhì)量地表反射率。
他采用了“sm00thness test”方法用于水汽含量反演和自動光譜校正：基于HITRAN2000.采用“corre.1ated—k”方法和一個快速輻射傳輸?shù)仁浇馑闫?muhigrid discrete ordinate method)來解決大氣中的吸收和散射問題 它的缺陷是模型假定地表為朗伯的。尚未考慮鄰近效應(yīng)。假定一幅圖像中的氣溶膠空間分布是均勻的
2.3 EXAC EXACT (Exact Atmospheric Correction Tech—nique1是T.PoPP提出的大氣訂正方法【 其大氣訂正的精度取決于輔助的大氣數(shù)據(jù)的精確程度。此方法反演反照率的絕對精度最高為0.O1 它基于輻射傳輸，采用數(shù)值計算大氣輻射。模型中將大氣頂部傳感器接收的輻射分為5部分：單次散射和多次散射的程輻射、地表反射的直射光和散射光、來自鄰近像元的輻射。用戶需要提供圖像位置信息、成像時間、相對濕度等輔助信息。該程序用迭代的方法進行反演。鄰近作用作為一個單獨的步驟，用Kaufman發(fā)表的解析近似的transfer fraction作一個濾波過程 I。氣溶膠的估算用典型的暗目標(biāo)方法。
2.4 ATCORATCOR(Atm0spheric and topographic correctionm0de1)是Richter集體開發(fā)的大氣、地形校正軟件，采用的大氣輻射傳輸模型為MODTRAN.已經(jīng)集成到ENVI、PCI，ERDAS IMAGINE等軟件，兒乎支持所有的商用的傳感器I3,~l ATCOR2是針對衛(wèi)星圖像(TM一類窄視場傳感器)進行大氣訂正而開發(fā)的l 31模型假定地表水平、朗伯，考慮了鄰近效應(yīng)，可以考慮氣溶膠空問不均勻的情況。算法中。大氣校正函數(shù)被做成LUT.是支持所有的窄視場衛(wèi)星傳感器。
同ATCOR2相比。ATCOR3，多考慮地形的影響，訂正時需有DEM支持 ATCOR4是ATCOR3的改進。用于機載的傳感器，和寬視場角的情況(觀測方位角變化比較大)。也包括了地形校正
2.5 SM ACSMAC fSimplified method for the atmosphericc0ITecti0n1是H Rahman在2O世紀9O年代初基于5S開發(fā)的大氣訂正程序 它通過用一系列半經(jīng)驗的等式來描述大氣的散射吸收特性。有前向和反演兩種模式 它的優(yōu)點是快速而且不需要查找表 適用于寬視場傳感器 要加入新的傳感器，僅需要根據(jù)通道響應(yīng)函數(shù)重新計算系數(shù) 模型假定地表是朗伯的。沒有考慮鄰近效應(yīng)。采用相同的輸入，SMAC和5S相對比。其相對誤差對于各種傳感器在1.65% 3.11% .相應(yīng)RMSE為0.0011～0.00221 I。由于5S自身的缺陷。在氣溶膠光學(xué)厚度比較大和太陽天頂角和觀測天頂角比較大時，精度稍籌。
2.6 'LAASHFLAASH(Fast line-of-sight atmospheric analy—sis of spectral hypercubes 1是Spectral sciences Inc.
(SSI)、U.S.Air force research laboratory(AFRL)和Spectral information technology application centerfSITAC1聯(lián)合開發(fā)的大氣訂正軟件[281。它支持AVIRIS、HyMap、Hyperion、HADICE等從紫外到紅外的高光譜、多光譜傳感器，可以生成水汽含量圖、地表高度、氣溶膠含量等輔助信息。基于MODTRAN4來創(chuàng)建查找表。對每個像元作汀正。它支持天頂觀測和斜程觀測 FLAASH所采用的點擴散函數(shù)是一個距離的近似指數(shù)函數(shù)。軟件可以進行鄰近效應(yīng)訂正。軟件用IDL (Research Systems，Inc.，Boulder'CO)語言寫成，是商業(yè)軟件，可以單獨購買或者作為ENVI的插件來購買。
2.7 AC0RNACORN fAtmospheric CORrection Now)是Im—Spec LLC公司開發(fā)的大氣訂正軟件，適用于高光譜和多光譜數(shù)據(jù)。適用的光譜范圍400～2 500nm。支持的傳感器有HyMap，AVIRIS，CASI.DAIS，AISA.
HYDICE， PROBE 一1， TRWIS一3， APEX， MIVIS，HYPERION， WARFIGH rER， NEMO， LANDSAT，SPOT.IKONOS.EARTHWATCH等[291。ACORN可以單獨發(fā)行。也可以作為ENVI的插件。它用MOD—TRAN4創(chuàng)建LUT.來處理吸收和散射。它通過水汽吸收波段940或者1 150nm.逐像元計算水汽含量ACORN提供7種模式的大氣訂正和輻射定標(biāo)方法 主要模式是基于輻射傳輸?shù)拇髿庥喺�。校正水汽、氧氣、二氧化碳、甲烷、臭氧等分子吸收和氣溶膠散射除了上述軟件外。還有若干針對某種傳感器的算法(比如MODIS、TM/ETM+、ATSR，AVHRR、ASTER、MISR1，本文不再詳述
3、大氣訂正需要解決的關(guān)鍵問題隨著科學(xué)水平的發(fā)展，新的傳感器不斷出現(xiàn)。
更多的波段設(shè)置和新的觀測手段可以使人們反演更多的大氣、氣溶膠參數(shù);輻射傳輸理論和算法的水平也在逐步提高。大氣訂正水平在提高的同時。
下列問題仍然是值得關(guān)注的：
(1)如何獲取與地表像元(準)同尺度、(準)同步的大氣、氣溶膠參數(shù)?通過多角度、極化、多波段數(shù)據(jù)提高反演大氣、氣溶膠參數(shù)的能力是一直在關(guān)注的事情。
(2)高分辨率圖像鄰近效應(yīng)的訂正問題如何解決?最近10年。高空間分辨率的商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)越來越多，典型的如IKONOS、QuickBird.這將使人們以新的視角審慎這些數(shù)據(jù)。從近年來的課題資助和發(fā)表論文情況可以反映這一趨勢
(3)大氣訂正中的尺度問題以及如何考慮實現(xiàn)不同尺度下的大氣參數(shù)和地表參數(shù)同時反演?氣溶膠反演和大氣訂正兩者在本質(zhì)上的都是將大氣和地表信號區(qū)分開來，只不過側(cè)重點不同。隨著多角度觀測數(shù)據(jù)的增多。緩變的大氣參數(shù)與局部劇變的地表參數(shù)能否同時反演?如何選取一個合適的尺度?這些問題已經(jīng)有了初步結(jié)論。但仍待深入研究
(4)工程化(可操作化、業(yè)務(wù)運行等問題)：這是一個將大氣訂正的成果推廣、普及的過程�？梢杂袃煞N方式向普通用戶提供大氣訂正成果 一是直接為用戶提供BRDF產(chǎn)品，比如MODIS。另一個思路是為用戶提供大氣訂正程序。用戶有許多原因需要自己做大氣訂正。當(dāng)前已經(jīng)有若干商業(yè)化的大氣訂正軟件。但價格不菲。期望一種能集成各種方法的免費軟件早日出現(xiàn)。
(5)將BRDF大氣訂正環(huán)思路用于單角度觀測以及先驗知識在大氣訂正中的應(yīng)用。在熱點方向。
將地表假定為朗伯體將給大氣訂正帶來很大的誤差。而單角度觀測不足以提供BRDF一大氣訂正環(huán)所需要的半球參數(shù) 借助先驗知識。若能提供或多或少的半球反射率信息。則有望至少能提高熱點方向的大氣訂正精度
4、總結(jié)
本文針對海色遙感、高光譜遙感、機載圖像、多角度圖像，分析了十余種常見的大氣訂正算法：同時介紹了其大氣訂正方法之特殊性和最新進展 接著簡析了7個當(dāng)前發(fā)行的大氣訂正軟件(或者模塊) 最后，提出了大氣訂正中仍然需要解決的問題和發(fā)展方向。
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