基于FLAASH模型的Worldview3大氣校正

陳 玲，陳 理，李 偉，劉建宇

(中國(guó)自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，遙感應(yīng)用已由定性發(fā)展至定量階段，其中大氣校正是定量遙感不可或缺的重要環(huán)節(jié)。由于受到大氣分子、氣溶膠對(duì)電磁波輻射的散射以及臭氧、水汽等對(duì)輻射吸收的影響，衛(wèi)星傳感器接收到的是不能代表地物真實(shí)信息的地物與大氣相互作用的混合信息。因此，為了獲取地物的真實(shí)信息，需要對(duì)傳感器接收到的信息進(jìn)行大氣校正，從而消除大氣和光照等因素對(duì)地物反射的影響[1-4]。目前大氣校正主要有基于圖像特征、地面線性回歸經(jīng)驗(yàn)和大氣輻射傳輸理論這3種模型。其中大氣輻射傳輸理論模型是基于電磁波在大氣中的輻射傳輸原理對(duì)遙感圖像進(jìn)行大氣校正，常用的有MODTRAN，LOWTRAN，6S和FLAASH等模型[5-8]。FLAASH模型是對(duì)MODTRAN模型改進(jìn)后提出的，相對(duì)于其他模型，該模型具有輸入?yún)?shù)簡(jiǎn)單、輸出反射率精度高的特點(diǎn)，是目前常用的、效果較好的適用于高光譜、多光譜遙感的大氣校正模型[9-10]。

高光譜遙感數(shù)據(jù)在定量遙感研究方面做出了重要的貢獻(xiàn)，但由于受制于數(shù)據(jù)獲取渠道，科研工作者很難獲得高質(zhì)量的高光譜數(shù)據(jù)[11]。因此，易于獲取的具有較高光譜分辨率的高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)在地物信息識(shí)別中發(fā)揮著越來越重要的作用。Worldview3衛(wèi)星(以下簡(jiǎn)稱WV3)是美國(guó)數(shù)字地球公司的高解析度光學(xué)衛(wèi)星，是目前最先進(jìn)的商用遙感衛(wèi)星，其不僅能提供空間分辨率高達(dá)0.31 m的全色和8個(gè)波段的可見光—近紅外圖像，而且還能提供8個(gè)波段的短波紅外圖像，同時(shí)裝備CAVIS裝置(云、氣溶膠和水汽等氣象條件下的大氣校正設(shè)備)[12]，由于它具備比傳統(tǒng)多光譜更高的精度，也被稱為超光譜。這些特征不僅使其識(shí)別地物細(xì)節(jié)信息成為可能，而且其較高的光譜分辨率使其對(duì)地物信息的提取也成為可能。盡管WV3數(shù)據(jù)已在相關(guān)領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用[7,12-15]，但截至目前，對(duì)WV3數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正方法的研究和評(píng)價(jià)卻鮮有報(bào)道。

本文采用FLAASH模型對(duì)研究中獲取的WV3數(shù)據(jù)的16個(gè)波段進(jìn)行大氣校正，比較大氣校正前后各波段反射率變化情況，同時(shí)對(duì)比研究區(qū)典型地物——鹽堿地、閃長(zhǎng)巖ASD實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)，為高空間分辨率的多光譜數(shù)據(jù)的地表參數(shù)反演和業(yè)務(wù)化應(yīng)用提供參考，為WV3數(shù)據(jù)在定量遙感研究中的廣泛應(yīng)用提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆若羌縣羅布泊無人區(qū)，平均海拔為800 m左右，總面積為89 km2，范圍E92°17′～92°25′，N40°41′57″～40°46′33″。研究區(qū)基本無植被，僅在溝谷可見有極少的駱駝刺等生長(zhǎng)，基巖裸露程度高，中部有大片鹽堿地，地形地貌屬于中高山丘陵地貌。

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究所用的遙感影像數(shù)據(jù)是新疆若羌縣羅布泊無人區(qū)的WV3數(shù)據(jù)。獲取到的WV3全色、可見光—近紅外以及短波紅外波段空間分辨率分別為0.31 m，1.2 m和7.5 m，成像時(shí)間為2016年8月11日05:05:27，文件類型為L(zhǎng)2A的TIL數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)僅進(jìn)行了系統(tǒng)傳感器校正和相對(duì)輻射校正。本次工作中用到的WV3相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 本研究中所用遙感數(shù)據(jù)參數(shù)一覽表Tab.1 Technical parameters of the remote sensing data used in this research

研究區(qū)WV3影像見圖1。2016年6月份野外采集研究區(qū)典型地物——鹽堿地和閃長(zhǎng)巖樣品(圖1中的星標(biāo)左為閃長(zhǎng)巖，右為鹽堿地的采樣點(diǎn))，同年10月采用ASD光譜輻射儀對(duì)采集的樣品進(jìn)行室內(nèi)光譜測(cè)試。ASD光譜輻射儀光譜范圍為350～2 500 nm，光譜分辨率為1 nm，結(jié)果采用5次測(cè)量的平均值。相關(guān)測(cè)量均嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

圖1 研究區(qū)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

根據(jù)數(shù)字地球公司提供的WV3輻射定標(biāo)參數(shù)(表2)，首先分別對(duì)獲取的WV3數(shù)據(jù)各波段進(jìn)行輻射定標(biāo)，把傳感器記錄的DN值轉(zhuǎn)換成表觀反射率，并將其轉(zhuǎn)換為BIL格式供大氣校正使用，然后利用數(shù)字地球公司提供的光譜數(shù)據(jù)，構(gòu)建WV3光譜響應(yīng)函數(shù)，最后根據(jù)文件中自帶的衛(wèi)星運(yùn)行參數(shù)，輸入FLAASH模型進(jìn)行大氣校正。

表2 WV3影像數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)相關(guān)參數(shù)Tab.2 Parameters of radiometric calibration for WV3 image

本次FLAASH大氣校正利用ENVI5.3軟件完成，主要分3步：①獲取研究區(qū)相關(guān)大氣參數(shù)，包括能見度、氣溶膠類型和大氣水汽含量；②通過求解大氣輻射傳輸方程來獲取反射率數(shù)據(jù)，具體原理詳見文獻(xiàn)[4,16]；③進(jìn)一步消除校正過程中存留的噪聲。

根據(jù)獲取的研究區(qū)WV3影像數(shù)據(jù)時(shí)相和地理位置，在FLAASH大氣校正模塊中選取中緯度夏季(mid-latitude summer，MLS)和鄉(xiāng)村氣溶膠；使用2016年8月11日當(dāng)?shù)貧庀笳灸芤姸葦?shù)據(jù)，即大氣校正中采用的能見度數(shù)據(jù)為40 km。

由于ASD實(shí)測(cè)光譜和WV3譜段不同，為了更好地對(duì)比校正效果，根據(jù)GPS定位的研究區(qū)采樣點(diǎn)，把典型地物——鹽堿地和閃長(zhǎng)巖的實(shí)測(cè)波譜重采樣到WV3對(duì)應(yīng)的波段。重采樣公式為：

(1)

式中：ρ和ρ(λ)分別代表重采樣后對(duì)應(yīng)WV3圖像的波段反射率和ASD波譜反射率；β(λ)代表不同波段對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)函數(shù)的權(quán)重值。通過重采樣，光譜能量在不同波段范圍內(nèi)被重新分配，以便于對(duì)比。

3 大氣校正結(jié)果與分析

3.1 大氣校正結(jié)果

大氣校正結(jié)果采用WV3 B8(R)B4(G)B3(B)假彩色合成，如圖2所示。從圖2可以看出，大氣校正后的圖像整體更清晰，說明本次大氣校正減小了大氣的影響，有效地提高了圖像質(zhì)量。以研究區(qū)的鹽堿地為例，在大氣校正前，影像光譜斜率較大，在黃光波段顯示出異常的高值，經(jīng)過大氣校正后，在可見光—近紅外波段，異常數(shù)值被校正，說明大氣散射光入射對(duì)地表反射的增強(qiáng)已經(jīng)被校正；同時(shí)選擇了以緯線40°43′48.13″N做一橫剖面(圖2中藍(lán)色線)，這一剖面基本橫穿調(diào)查區(qū)的大部分地物，對(duì)比大氣校正前后B4，B5和B6波段的影像光譜，認(rèn)為大氣校正后整個(gè)光譜曲線顯示出相對(duì)平緩的變化(圖3)，大氣校正前，B4波段(即黃光波段)DN值在B4,B5,B6這3個(gè)波段中是最高的，經(jīng)過FLAASH大氣校正后黃光波段的高值被校正，證明本次大氣校正對(duì)高反射率地表進(jìn)行了校正。

(a)大氣校正前 (b)大氣校正后

圖2 FLAASH大氣校正前后對(duì)比

Fig.2ComparisonimagebeforeandafterFLAASHatmosphericcorrection

(a)大氣校正前 (b)大氣校正后

圖3 FLAASH大氣校正前后影像橫切剖面光譜對(duì)比

Fig.3TransversesectionspectralcomparisonimagesbeforeandafterFLAASHatmosphericcorrection

3.2 實(shí)測(cè)典型地區(qū)ASD反射率與WV3大氣校正后反射率比較

鹽堿地和閃長(zhǎng)巖是研究區(qū)的典型地物，其影像特征和野外照片如圖4所示，鹽堿地呈明顯的白色色調(diào)，影紋光滑，地形地貌平坦，相對(duì)閃長(zhǎng)巖來說，其位于低洼地帶；閃長(zhǎng)巖呈灰黑色色調(diào)，影紋相對(duì)粗糙，見少量樹枝狀水系干溝，呈山丘狀地形地貌。

(a)閃長(zhǎng)巖、鹽堿地WV3影像 (b)野外照片

圖4 研究區(qū)閃長(zhǎng)巖、鹽堿地WV3高分影像和野外照片

Fig.4WV3imageandfieldphotosofdioriteandsaline-alkalisoilinresearcharea

圖5的實(shí)測(cè)鹽堿地光譜曲線顯示了鹽堿地的關(guān)鍵光譜特征，即在350～800 nm的可見光—近紅外波段范圍內(nèi)光譜曲線斜率大，形成高反射，在1 400 nm和1 900 nm附近顯示了明顯的吸收特征，在1 439 nm吸收深度達(dá)0.039，在1 950 nm附近吸收深度達(dá)0.24，同時(shí)鹽堿地實(shí)測(cè)光譜整體反射率較高，基本都在0.8以上。閃長(zhǎng)巖在400～700 nm存在弱吸收特征，分析由Fe3+引起，在1 100 nm附近存在寬而強(qiáng)的吸收譜帶，分析由Fe2+引起[17]，在2 204 nm和2 300 nm附近存在強(qiáng)吸收譜帶，吸收深度達(dá)0.017，分析由OH-引起。

(a)鹽堿地 (b)閃長(zhǎng)巖

圖5 鹽堿地和閃長(zhǎng)巖ASD光譜曲線與WV3大氣校正后光譜曲線對(duì)比

Fig.5Comparisonofsaline-alkalisoilanddioriteASDspectraandWV3reflectanceafterFLAASH

4 結(jié)論

具有較高空間和較高光譜分辨率的WV3數(shù)據(jù)在定量獲取地物信息方面具有較大的潛力，而大氣校正是遙感定量化研究的前提。本文應(yīng)用FLAASH模型對(duì)WV3影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了大氣校正，并通過校正結(jié)果與實(shí)測(cè)光譜的對(duì)比分析，有效驗(yàn)證了大氣校正的效果，得出如下結(jié)論：

1)WV3影像經(jīng)FLAASH大氣校正后，鹽堿地的反射率比實(shí)測(cè)反射率降低，分析與鹽堿地本身特征有關(guān)，其屬于高亮地物，經(jīng)大氣校正后，由于瑞利散射作用，導(dǎo)致亮目標(biāo)相對(duì)變暗。閃長(zhǎng)巖的反射率與實(shí)測(cè)基本相當(dāng)，在可見光—近紅外波段呈現(xiàn)高反射特征，在832.5 nm附近呈現(xiàn)明顯的吸收谷，在短波紅外波段1 200～1 600 nm附近呈現(xiàn)寬緩的吸收特征，且反射率呈上升趨勢(shì)，在1 730～2 165 nm附近呈現(xiàn)出高反射特征。

2)經(jīng)FLAASH大氣校正后，研究區(qū)典型地物——鹽堿地、閃長(zhǎng)巖WV3影像波譜與ASD重采樣的地物波譜吻合度較高，相關(guān)系數(shù)分別為0.75和0.8，表明利用FLAASH模型對(duì)研究區(qū)的WV3數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正是行之有效的。

3)本研究采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)新疆羅布泊地區(qū)的WV3數(shù)據(jù)大氣校正效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究結(jié)果證明，本次大氣校正方法切實(shí)可行。同時(shí)，本研究采用的大氣校正方法不受地域限制，該方法對(duì)于開拓WV3數(shù)據(jù)在定量遙感研究方面具有實(shí)用意義。

志謝：在地物光譜測(cè)試和野外樣品采集過程中，得到中國(guó)自然資源航空物探遙感中心董新豐和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)王博的幫助，再此一并表示感謝！