ENVI学习总结（五）——辐射定标和大气校正(FLAASH/QUAC)

远方~ · 发表于 2020-9-15 15:05

5.辐射定标和大气校正5.1 内容介绍

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。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。

5.2 辐射定标

辐射定标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，从而完成辐射定标。

（1）选择 File>Open As>Landsat>GeoTIFF with Metadata，选择打开*_MTL.txt 文件。下面以Quic kbird影像为数据源学习卫星影像的正射校正过程。分别在ENVI5.3和ENVI Classic下操作。

（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。如图5.2.1

图5.2.1 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)。如图5.2.2

图5.2.2 辐射定标结果的波谱曲线

5.3. 多光谱数据 FLAASH 大气校正5.3.1 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：

1. 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）。

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。

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。

5.3.2 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。 (一)、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。

(二) 、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

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：如图5.3.1

图5.3.1 Radiance Scale Factors 面板

（1）Output Reflectance File：设置输出路径和文件名；

（2）Output Directory for FLAASH Files：设置其他文件输出目录；

（3）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：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；

（4）设置影像区域的平均地面高程 Ground Elevation：0.05km

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。

（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如图5.3.2。

图5.3.2 FLAASH 基本参数设置

(三) 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。如图5.3.3

图5.3.3 多光谱设置面板

(四) 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。如图5.3.4

图5.3.4 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。

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。
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。
（Use Square Slit Function）：
使用领域纠正（Use Adjacency Correction）：Yes 或者 No。
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。
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。
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。

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。

(五) 处理结果浏览

设置好参数后，单击 Apply 执行大气校正；
完成后会得到反演的能见度和水汽柱含量。
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。
选择 Display>Profiles>Spectral 查看典型地物波谱曲线，如植被、水体等。如图5.3.5

图5.3.5 FLAASH 大气校正结果中获取的波谱曲线（左-植被，右-水体）

5.4. 高光谱数据 FLAASH 大气校正5.4.1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。

5.4.2 基本参数设置

（1）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。

（2）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。在对话框中选择 AVIRIS11_gain.txt 文件，在 Input ASCII File 对话框中，Scale Column 设置如图5.4.1。

图5.4.1 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

（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）；

（11）其他参数按照默认设置即可。如图5.4.2

图5.4.2 FLAASH 基本参数设置

5.4.3 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5.4.3 高光谱设置面板

5.4.4 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，在右边面板中设置如图5.4.4：

（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5.4.4 高级设置面板

5.4.4 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。如图5.4.5

图4.5 FLAASH 结果

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。

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5.4.6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5.4.6 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）。

5.5. 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5.5.1）。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)。