不同氣溶膠模型對HJ-1衛星CCD數據大氣校正的影響

付嬈

（遼寧省自然資源事務服務中心，遼寧沈陽 110032）

隨著遙感技術的發展與進步，人們開始利用多源遙感器、多時相遙感數據進行地表監測和分析資源、環境以及氣候變化等。人們以往通過定性的目視解譯和一些基于經驗模型的計算機自動解譯方法去獲取遙感數據的有效信息，現在逐漸向著遙感信息定量化的方向發展。如果要獲得地表的準確的反射率信息，就必要盡量消除大氣輻射對遙感數據的影響，而大氣輻射校正就是將遙感數據的表觀反射率轉換為地物真實的地表反射率。

一、6S模型大氣校正原理

6S大氣校正模型建立在輻射傳輸理論的基礎上，將輻射傳輸理論進行數學建模，從而建立了大氣校正模型。6S大氣校正模型模擬了太陽輻射在太陽-地面目標-傳感器之間傳輸中受到的大氣影響。6S模型中的大氣吸收模型采用統計帶模式的方法，在考慮水汽、臭氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氧氣等七種氣體分子對太陽輻射的吸收作用的基礎上，計算大氣分子整層的大氣透射率。在處理大氣散射問題時，6S大氣校正模型在計算大氣分子和氣溶膠的散射問題時采用最新近似和逐次散射算法，該算法可以更準確的計算出大氣分子組成和氣溶膠的散射強度。

二、利用不同氣溶膠模型對HJ-1星CCD數據進行大氣校正

選擇2012年5月6日AERONET某地區的HJ-1B衛星CCD1數據進行大氣校正實驗。首先對環境衛星CCD數據進行定標處理，使用數據集中提供的定標參數，將影像的DN值轉換為輻亮度值。將大氣校正需要的參數輸入6S模型中：太陽天頂角24.509°，太陽方位角305.801°，觀測方位角16.827°，觀測天頂角281.406°，平均海拔50米，氣溶膠光學厚度0.788，大氣模型為中緯度夏季。

將計算的氣溶膠模型、大陸型氣溶膠模型和城市型氣溶膠模型輸入到6S模型中，結合AERONET地基觀測氣溶膠數據，得到三種模型的大氣校正參數（表1）。AERONET地基觀測數據使用Angstrom公式處理，將其統一轉換到550nm波段的光學厚度。

將三種模型的大氣校正效果進行對比分析（圖1），可以看出，確定的氣溶膠模型校正后的影像紋理清晰，對比度強；而用城市型和大陸型氣溶膠模型校正的影像紋理較模糊，對比度低，說明用這兩種模型對環境星CCD數據的校正效果不理想。表2給出了大氣校正前和確定的氣溶膠模型、城市型氣溶膠和大陸型氣溶膠模型進行大氣校正后影像各波段的最大、最小和均值數據。

可以看出，城市型氣溶膠模型校正后的波段值的最大值、最小值和均值大于其他三種情況。說明城市型氣溶膠模型存在過校正現象，校正后影像的反射率偏大，造成影像失真，對比度下降。而大陸型氣溶膠模型的最大值、最小值和均值略小于確定的氣溶膠模型，表2的結果不能說明本文確定的氣溶膠模型優于大陸型氣溶膠模型。而圖1中大陸型氣溶膠模型的影像確實存在效果失真，對比度低等現象，那么我們從四種模型的統計直方圖進一步分析這三種模型的校正效果（圖2）。

表2 模型的統計信息對比

圖1 大氣校正前后真彩色圖

明顯看出，城市型氣溶膠模型的反射率直方圖偏大，說明城市型模型的存在過校正現象，將校正后的反射率值拉大。而大陸型氣溶膠模型的反射率偏低，可以看出在第1，2，3波段大陸型模型的反射率大部分值都遠低于校正前的反射率。確定的氣溶膠模型的反射率在第1，2，3波段也略有減小，但其減小的幅度不高，符合大氣校正前后反射率變化的規律。再結合圖1中三種模型校正后的影像，可以認為確定的氣溶膠模型的校正效果優于其他兩種模型。

根據標準的植物光譜曲線，我們可以看出在植被在紅色波段、藍色波段的反射率較低，呈現兩個吸收谷，而在綠色波段的反射率較高，呈現出一個反射峰。因為植物的葉綠素強烈吸收藍色（中心波長為0.45um）和紅色波段（中心波長為0.65um）的太陽輻射能量，對綠色波段（0.54um附近）吸收較為微弱，在近紅外0.76um附近反射率急劇上升，高達45%-50%，形成“紅邊”現象，這是綠色健康植物最為明顯的光譜特征。因此，可以利用植物的光譜曲線來評價這三種氣溶膠模型大氣校正的效果。

圖2 大氣校正前和三種模型校正后各波段反射率統計直方圖

圖3 校正前和三種模型校正后植物反射率與標準植物反射率

圖4 大氣校正前和三種模型校正后水泥地面反射率與標準水泥地面反射率

HJ-1衛星CCD數據的第1波段是藍光波段，第2波段是綠光波段，第3波段是紅光波段，第4波段是近紅外波段。從圖3可以看出，確定的氣溶膠模型反射率與標準植物反射率都符合植物的光譜曲線的變化規律，在第1和3波段反射率低于第2波段的反射率，第4波段反射率急劇升高，而其他兩種氣溶膠模型不符合這一變化規律。確定的氣溶膠模型植物反射率和標準植物反射率的圖形形狀最為相似，反射率值也較近似，介于城市型和大陸型氣溶膠模型之間。

由于水泥地本身性質的因素，導致新舊水泥地面的反射率值差別很大，造成大氣校正前后反射率圖形形狀和反射率值與標準圖形形狀和反射率值相差都較大，特別是第4波段（圖4）。

可以看出，大氣校正前的反射率值在波段1，2，3，4和標準值相差比較大，在形狀上和標準水泥路面反射率形狀也相差較遠；確定的氣溶膠模型的反射率值介于城市型氣溶膠模型和大陸型氣溶膠模型之間，同時與標準水泥路面反射率值最為接近，圖形的相似度也比大陸型和城市型氣溶膠模型高。綜上所述，本文確定的氣溶膠模型能提高大氣校正的精度，校正后的影像能更好的反映地物真實的地表反射率。

三、結語

本文針對環境衛星CCD數據在大氣校正中的如何確定氣溶膠模型中的粒子比例問題，提出了一種利用HJ-1衛星CCD數據本身和AERONET地基觀測數據確定氣溶膠模型的方法。通過對比分析不同的氣溶膠模型對大氣校正效果的影響得出以下結論。

（1）應用6S模型中的大陸型和城市型氣溶膠模型進行大氣校正時存在過校正現象，城市型氣溶膠模型使校正的反射率值偏大，大陸型氣溶膠模型使校正后影像的反射率偏低，二者都不能對HJ-1衛星CCD數據進行精確的大氣校正。

（2）使用本文提出的方法得到的氣溶膠模型可對HJ-1衛星CCD數據進行較為精確大氣校正，校正后的影像能更好的反映地表真實的反射率。