?第六章 辐射校正
? 辐射校正
? 一 辐射校正的含义
? 二 辐射畸变产生的原因
? 三 辐射校正的方法
一 辐射校正的含义
? 进入传感器的辐射强度取决于两个因素
? 一 太阳辐射照射到地面的辐射强度 ;
? 二 地物的光谱反射率。
? 当太阳辐射相同时，像元亮度值的差异直接反映了
地物目标反射率的差异。但是在实际测量的时候，
辐射强度值还受到其他因素的影响而发生改变。引
起图像的失真，这一改变的部分就是需要校正的部分，消除影像中各种失真的过程称为 辐射校正,
? 目的是尽可能恢复图像的本来面目，为遥感图像的识别，分类，解译等后续工作打下基础。
二 辐射畸变产生的原因
? 由辐射传输方程可知,传感器的输出 Eλ为
? Kλ为传感器的光谱响应系数 ； ρλ为地物的波谱反射系数 ； E0为
太阳辐射照度 ； t(z1,z2)为区段大气层的光学厚度 ； θ为太阳天顶
角； ελ为波谱发射率系数 ;Wе(λ) 为地物同温度黑体的发射通量密
度； H为平台高度； bλ 为大气辐射所形成的天空辐照亮度 。
? 一 )是传感器仪器本身产生的误差
? 既光学摄影机和光电扫描仪引起的辐射误差,—通过辐射校正场
或地面光谱测量来对传感器定标。这一工作由地面接收站来完成。
? 二 )是太阳辐射引起的辐射误差
? 1)太阳位置引起的辐射误差
? 2）地形起伏引起的辐射误差
? 三是大气影响引起的辐射误差
1）大气影响的定量分析
进入大气的太阳辐射会发生反射，折射，吸收，散射和投射。
如果没有大气存在，传感器接收的辐照度只与太阳辐射到达地
面的辐照度和地物的反射率有关，由于大气的存在，辐射经过
大气吸收和散射，透过率小于 1，从而减弱了信号的强度。同
时，大气的散射光也有一部分直接或经过地物反射进入到传感器，这两部分又增强了信号，但是没有用的。
设 E0为某一波长的辐照度,θ为入射方向的天顶角，当无大气
存在的时候，地面上单位面积的辐照度为,
? E1=E0?COSθ
? 假定地表面是朗伯体，其表面是漫反射，则某方向物体的亮度
是
? L0=Rλ?E1/π
? Rλ是地物反射率,π是球面度（半球反射）
? 传感器接收信号时，受仪器的影响还有一个系统增益系数 S,这时，
进入传感器的亮度值为
? L’0= L0?S
? 由于大气的存在，在入射方向有与入射天顶角和波长有关的透过
率 Tθ,反射后，在反射方向上有与反射天顶角和波长有关的透过
率 Tφ,因此，进入传感器的亮度为 L1= L’0? Tθ? Tφ
? 大气对辐射散射后，来自各个方向的散射又以漫入射的形式照射
地物，其辐照度为 ED,这部分的亮度值为 L2=R? Tφ?S? ED/ π
? 相当部分的散射光向上通过大气直接进入传感器，亮度为 LP
? 所以由于大气的存在，实际到达传感器的辐射亮度是三者之和
? L=L1+L2+LP
? L=LP+R?Tφ? S(E0 TθCOSθ+ ED)/ π
?
? 上图是图像的某一抛面，抛面线长为横坐标，亮度
值为纵坐标。无大气时，白处的亮度值为 50，黑处
亮度值为 0，亮度对比为（ 50-0） /50=1，当有大气影
响时，乘上透过率假定减少 10%，亮度减少到 45，而
由于 L2,LP得存在，黑白处的亮度均增加 10，这样亮
度对比度为（ 55-10） /55=9/11，可见对比度减少，
图像质量下降。
三辐射校正的方法
1传感器仪器本身产生的误差
? 通过辐射校正场或地面光谱测量来对传感器定标。这一
工作由地面接收站来完成。
2是太阳辐射引起的辐射误差
? 1)太阳位置引起的辐射误差
? 2）地形起伏引起的辐射误差
3大气影响造成的畸变
? 1）波段对比法,常用除了气象卫星探测云层外，其它的被
动遥感都选择无云天气观测，这时候大气的影响只有吸收
和散射。理论依据是大气散射具有选择性，即大气散射对
短波影响大，对长波影响小。为处理问题的方便，把近红
外图像当作无散射影响的标准图像，通过对不同波段的对
比分析计算出大气干扰值。一般有两种方法,回归分析法
和直方图法
? 回归分析法
? 在不受大气影响的波段和待校
正的某一波段图像中，选择最
黑区域中的一系列目标，将每
一个目标的两个待比较的波段
亮度值提取出来进行会给分析。
以 TM为例,1波段的散射最大，
7波段几乎不受影响,
? 可以以 7波段为基础对其他波段
进行辐射校正，若对 3波段进行
校正，首先在 3波段上选择最黑
的影像目标，在 7波段找出对应
的目标，取灰度值，再以
（ TM7,TM3）为坐标的直角坐
标系中绘制散点图，并用最小
二乘法建立回归方程
? TM3=a+b× TM7
大气校正前的盖度 大气校正后的盖度
直方图法
? 直方图已统计的形式表示图像亮度值与象元数之间的关系。在二
维坐标系中，横坐标代表图像的亮度值，纵坐标代表每一亮度或
亮度间隔的象元数。最小法的去除思想在于一幅图像总可以找到
其亮度值为 0的地物，实际上，不为 0，校正时候将每一个波段中
每一个象元的亮度值都减去本波段的最小值。使图像的亮度动态
范围得到改善，对比度增强。图像质量提高。
? 2）野外波谱测试回归分析法（不常用）
? 野外波谱测试与地面调查同步进行,通常选用同类仪
器测量,将地面测量结果与卫星影象对应的亮度值进
行回归分析,见上图,(再进行比较时,应将图象象元亮度
值转换为辐射率 ),
? 回归方程
? L=A+BR,
? A为一固定的常数,B为回归系数,R为地面反射率。
BR（ L较）为不受大气影响的辐射率，所以校正公式
为
? L较 =L-A,
? 即图像中的每一个象元值都扣除 A的影响。由于地面
反射率不具有普遍性，所以这个方法不常用。
? 3）辐射传递方程计算法（不常用）
? 若地面的辐射能量为 E0,它通过高度为 H的大气层后，传感器接收
系统所能收集到的电磁波能量为 E,则有辐射传递方程可得
? E= E0× A
? A为大气衰减系数。在可见光和近红外区，大气的影响主要是由
于气溶胶引起的散射造成的，在热红外区，大气的影响主要是由
于水蒸气的吸收造成的，为了消除大气的影响，需要测定可见光
和近红外区的气溶胶的密度和热红外区的水蒸气密度，实现起来
比较困难
? 辐射校正
? 一 辐射校正的含义
? 二 辐射畸变产生的原因
? 三 辐射校正的方法
一 辐射校正的含义
? 进入传感器的辐射强度取决于两个因素
? 一 太阳辐射照射到地面的辐射强度 ;
? 二 地物的光谱反射率。
? 当太阳辐射相同时，像元亮度值的差异直接反映了
地物目标反射率的差异。但是在实际测量的时候，
辐射强度值还受到其他因素的影响而发生改变。引
起图像的失真，这一改变的部分就是需要校正的部分，消除影像中各种失真的过程称为 辐射校正,
? 目的是尽可能恢复图像的本来面目，为遥感图像的识别，分类，解译等后续工作打下基础。
二 辐射畸变产生的原因
? 由辐射传输方程可知,传感器的输出 Eλ为
? Kλ为传感器的光谱响应系数 ； ρλ为地物的波谱反射系数 ； E0为
太阳辐射照度 ； t(z1,z2)为区段大气层的光学厚度 ； θ为太阳天顶
角； ελ为波谱发射率系数 ;Wе(λ) 为地物同温度黑体的发射通量密
度； H为平台高度； bλ 为大气辐射所形成的天空辐照亮度 。
? 一 )是传感器仪器本身产生的误差
? 既光学摄影机和光电扫描仪引起的辐射误差,—通过辐射校正场
或地面光谱测量来对传感器定标。这一工作由地面接收站来完成。
? 二 )是太阳辐射引起的辐射误差
? 1)太阳位置引起的辐射误差
? 2）地形起伏引起的辐射误差
? 三是大气影响引起的辐射误差
1）大气影响的定量分析
进入大气的太阳辐射会发生反射，折射，吸收，散射和投射。
如果没有大气存在，传感器接收的辐照度只与太阳辐射到达地
面的辐照度和地物的反射率有关，由于大气的存在，辐射经过
大气吸收和散射，透过率小于 1，从而减弱了信号的强度。同
时，大气的散射光也有一部分直接或经过地物反射进入到传感器，这两部分又增强了信号，但是没有用的。
设 E0为某一波长的辐照度,θ为入射方向的天顶角，当无大气
存在的时候，地面上单位面积的辐照度为,
? E1=E0?COSθ
? 假定地表面是朗伯体，其表面是漫反射，则某方向物体的亮度
是
? L0=Rλ?E1/π
? Rλ是地物反射率,π是球面度（半球反射）
? 传感器接收信号时，受仪器的影响还有一个系统增益系数 S,这时，
进入传感器的亮度值为
? L’0= L0?S
? 由于大气的存在，在入射方向有与入射天顶角和波长有关的透过
率 Tθ,反射后，在反射方向上有与反射天顶角和波长有关的透过
率 Tφ,因此，进入传感器的亮度为 L1= L’0? Tθ? Tφ
? 大气对辐射散射后，来自各个方向的散射又以漫入射的形式照射
地物，其辐照度为 ED,这部分的亮度值为 L2=R? Tφ?S? ED/ π
? 相当部分的散射光向上通过大气直接进入传感器，亮度为 LP
? 所以由于大气的存在，实际到达传感器的辐射亮度是三者之和
? L=L1+L2+LP
? L=LP+R?Tφ? S(E0 TθCOSθ+ ED)/ π
?
? 上图是图像的某一抛面，抛面线长为横坐标，亮度
值为纵坐标。无大气时，白处的亮度值为 50，黑处
亮度值为 0，亮度对比为（ 50-0） /50=1，当有大气影
响时，乘上透过率假定减少 10%，亮度减少到 45，而
由于 L2,LP得存在，黑白处的亮度均增加 10，这样亮
度对比度为（ 55-10） /55=9/11，可见对比度减少，
图像质量下降。
三辐射校正的方法
1传感器仪器本身产生的误差
? 通过辐射校正场或地面光谱测量来对传感器定标。这一
工作由地面接收站来完成。
2是太阳辐射引起的辐射误差
? 1)太阳位置引起的辐射误差
? 2）地形起伏引起的辐射误差
3大气影响造成的畸变
? 1）波段对比法,常用除了气象卫星探测云层外，其它的被
动遥感都选择无云天气观测，这时候大气的影响只有吸收
和散射。理论依据是大气散射具有选择性，即大气散射对
短波影响大，对长波影响小。为处理问题的方便，把近红
外图像当作无散射影响的标准图像，通过对不同波段的对
比分析计算出大气干扰值。一般有两种方法,回归分析法
和直方图法
? 回归分析法
? 在不受大气影响的波段和待校
正的某一波段图像中，选择最
黑区域中的一系列目标，将每
一个目标的两个待比较的波段
亮度值提取出来进行会给分析。
以 TM为例,1波段的散射最大，
7波段几乎不受影响,
? 可以以 7波段为基础对其他波段
进行辐射校正，若对 3波段进行
校正，首先在 3波段上选择最黑
的影像目标，在 7波段找出对应
的目标，取灰度值，再以
（ TM7,TM3）为坐标的直角坐
标系中绘制散点图，并用最小
二乘法建立回归方程
? TM3=a+b× TM7
大气校正前的盖度 大气校正后的盖度
直方图法
? 直方图已统计的形式表示图像亮度值与象元数之间的关系。在二
维坐标系中，横坐标代表图像的亮度值，纵坐标代表每一亮度或
亮度间隔的象元数。最小法的去除思想在于一幅图像总可以找到
其亮度值为 0的地物，实际上，不为 0，校正时候将每一个波段中
每一个象元的亮度值都减去本波段的最小值。使图像的亮度动态
范围得到改善，对比度增强。图像质量提高。
? 2）野外波谱测试回归分析法（不常用）
? 野外波谱测试与地面调查同步进行,通常选用同类仪
器测量,将地面测量结果与卫星影象对应的亮度值进
行回归分析,见上图,(再进行比较时,应将图象象元亮度
值转换为辐射率 ),
? 回归方程
? L=A+BR,
? A为一固定的常数,B为回归系数,R为地面反射率。
BR（ L较）为不受大气影响的辐射率，所以校正公式
为
? L较 =L-A,
? 即图像中的每一个象元值都扣除 A的影响。由于地面
反射率不具有普遍性，所以这个方法不常用。
? 3）辐射传递方程计算法（不常用）
? 若地面的辐射能量为 E0,它通过高度为 H的大气层后，传感器接收
系统所能收集到的电磁波能量为 E,则有辐射传递方程可得
? E= E0× A
? A为大气衰减系数。在可见光和近红外区，大气的影响主要是由
于气溶胶引起的散射造成的，在热红外区，大气的影响主要是由
于水蒸气的吸收造成的，为了消除大气的影响，需要测定可见光
和近红外区的气溶胶的密度和热红外区的水蒸气密度，实现起来
比较困难
