基于FLAASH模型的Worldview3大氣校正

陳 玲，陳 理，李 偉，劉建宇

(中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

隨著遙感技術的快速發展，遙感應用已由定性發展至定量階段，其中大氣校正是定量遙感不可或缺的重要環節。由于受到大氣分子、氣溶膠對電磁波輻射的散射以及臭氧、水汽等對輻射吸收的影響，衛星傳感器接收到的是不能代表地物真實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信息，需要對傳感器接收到的信息進行大氣校正，從而消除大氣和光照等因素對地物反射的影響[1-4]。目前大氣校正主要有基于圖像特征、地面線性回歸經驗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遙感圖像進行大氣校正，常用的有MODTRAN，LOWTRAN，6S和FLAASH等模型[5-8]。FLAASH模型是對MODTRAN模型改進后提出的，相對于其他模型，該模型具有輸入參數簡單、輸出反射率精度高的特點，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]。

高光譜遙感數據在定量遙感研究方面做出了重要的貢獻，但由于受制于數據獲取渠道，科研工作者很難獲得高質量的高光譜數據[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據在地物信息識別中發揮著越來越重要的作用。Worldview3衛星(以下簡稱WV3)是美國數字地球公司的高解析度光學衛星，是目前最先進的商用遙感衛星，其不僅能提供空間分辨率高達0.31 m的全色和8個波段的可見光—近紅外圖像，而且還能提供8個波段的短波紅外圖像，同時裝備CAVIS裝置(云、氣溶膠和水汽等氣象條件下的大氣校正設備)[12]，由于它具備比傳統多光譜更高的精度，也被稱為超光譜。這些特征不僅使其識別地物細節信息成為可能，而且其較高的光譜分辨率使其對地物信息的提取也成為可能。盡管WV3數據已在相關領域取得了較好的應用[7,12-15]，但截至目前，對WV3數據進行大氣校正方法的研究和評價卻鮮有報道。

本文采用FLAASH模型對研究中獲取的WV3數據的16個波段進行大氣校正，比較大氣校正前后各波段反射率變化情況，同時對比研究區典型地物——鹽堿地、閃長巖ASD實測光譜數據，為高空間分辨率的多光譜數據的地表參數反演和業務化應用提供參考，為WV3數據在定量遙感研究中的廣泛應用提供科學的數據支撐。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

研究區位于新疆若羌縣羅布泊無人區，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″。研究區基本無植被，僅在溝谷可見有極少的駱駝刺等生長，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 數據源

本研究所用的遙感影像數據是新疆若羌縣羅布泊無人區的WV3數據。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，成像時間為2016年8月11日05:05:27，文件類型為L2A的TIL數據，接收到的數據僅進行了系統傳感器校正和相對輻射校正。本次工作中用到的WV3相關參數如表1所示。

表1 本研究中所用遙感數據參數一覽表Tab.1 Technical parameters of the remote sensing data used in this research

研究區WV3影像見圖1。2016年6月份野外采集研究區典型地物——鹽堿地和閃長巖樣品(圖1中的星標左為閃長巖，右為鹽堿地的采樣點)，同年10月采用ASD光譜輻射儀對采集的樣品進行室內光譜測試。ASD光譜輻射儀光譜范圍為350～2 500 nm，光譜分辨率為1 nm，結果采用5次測量的平均值。相關測量均嚴格按照行業標準進行。

圖1 研究區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

根據數字地球公司提供的WV3輻射定標參數(表2)，首先分別對獲取的WV3數據各波段進行輻射定標，把傳感器記錄的DN值轉換成表觀反射率，并將其轉換為BIL格式供大氣校正使用，然后利用數字地球公司提供的光譜數據，構建WV3光譜響應函數，最后根據文件中自帶的衛星運行參數，輸入FLAASH模型進行大氣校正。

表2 WV3影像數據輻射定標相關參數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獲取研究區相關大氣參數，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據，具體原理詳見文獻[4,16]；③進一步消除校正過程中存留的噪聲。

根據獲取的研究區WV3影像數據時相和地理位置，在FLAASH大氣校正模塊中選取中緯度夏季(mid-latitude summer，MLS)和鄉村氣溶膠；使用2016年8月11日當地氣象站能見度數據，即大氣校正中采用的能見度數據為40 km。

由于ASD實測光譜和WV3譜段不同，為了更好地對比校正效果，根據GPS定位的研究區采樣點，把典型地物——鹽堿地和閃長巖的實測波譜重采樣到WV3對應的波段。重采樣公式為：

(1)

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

3 大氣校正結果與分析

3.1 大氣校正結果

大氣校正結果采用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量。以研究區的鹽堿地為例，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，經過大氣校正后，在可見光—近紅外波段，異常數值被校正，說明大氣散射光入射對地表反射的增強已經被校正；同時選擇了以緯線40°43′48.13″N做一橫剖面(圖2中藍色線)，這一剖面基本橫穿調查區的大部分地物，對比大氣校正前后B4，B5和B6波段的影像光譜，認為大氣校正后整個光譜曲線顯示出相對平緩的變化(圖3)，大氣校正前，B4波段(即黃光波段)DN值在B4,B5,B6這3個波段中是最高的，經過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高反射率地表進行了校正。

(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比

Fig.3TransversesectionspectralcomparisonimagesbeforeandafterFLAASHatmosphericcorrection

3.2 實測典型地區ASD反射率與WV3大氣校正后反射率比較

鹽堿地和閃長巖是研究區的典型地物，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，影紋光滑，地形地貌平坦，相對閃長巖來說，其位于低洼地帶；閃長巖呈灰黑色色調，影紋相對粗糙，見少量樹枝狀水系干溝，呈山丘狀地形地貌。

(a)閃長巖、鹽堿地WV3影像 (b)野外照片

圖4 研究區閃長巖、鹽堿地WV3高分影像和野外照片

Fig.4WV3imageandfieldphotosofdioriteandsaline-alkalisoilinresearcharea

圖5的實測鹽堿地光譜曲線顯示了鹽堿地的關鍵光譜特征，即在350～800 nm的可見光—近紅外波段范圍內光譜曲線斜率大，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0.039，在1 950 nm附近吸收深度達0.24，同時鹽堿地實測光譜整體反射率較高，基本都在0.8以上。閃長巖在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附近存在強吸收譜帶，吸收深度達0.017，分析由OH-引起。

(a)鹽堿地 (b)閃長巖

圖5 鹽堿地和閃長巖ASD光譜曲線與WV3大氣校正后光譜曲線對比

Fig.5Comparisonofsaline-alkalisoilanddioriteASDspectraandWV3reflectanceafterFLAASH

4 結論

具有較高空間和較高光譜分辨率的WV3數據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。本文應用FLAASH模型對WV3影像數據進行了大氣校正，并通過校正結果與實測光譜的對比分析，有效驗證了大氣校正的效果，得出如下結論：

1)WV3影像經FLAASH大氣校正后，鹽堿地的反射率比實測反射率降低，分析與鹽堿地本身特征有關，其屬于高亮地物，經大氣校正后，由于瑞利散射作用，導致亮目標相對變暗。閃長巖的反射率與實測基本相當，在可見光—近紅外波段呈現高反射特征，在832.5 nm附近呈現明顯的吸收谷，在短波紅外波段1 200～1 600 nm附近呈現寬緩的吸收特征，且反射率呈上升趨勢，在1 730～2 165 nm附近呈現出高反射特征。

2)經FLAASH大氣校正后，研究區典型地物——鹽堿地、閃長巖WV3影像波譜與ASD重采樣的地物波譜吻合度較高，相關系數分別為0.75和0.8，表明利用FLAASH模型對研究區的WV3數據進行大氣校正是行之有效的。

3)本研究采用實測數據對新疆羅布泊地區的WV3數據大氣校正效果進行評價，研究結果證明，本次大氣校正方法切實可行。同時，本研究采用的大氣校正方法不受地域限制，該方法對于開拓WV3數據在定量遙感研究方面具有實用意義。

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