第八章 为什么及如何辐射定标和大气校正

本文整理自我的原创教程《为什么及如何辐射定标和大气校正？》，内容基本保持原貌。

引言

不同地物在不同波段对电磁波的反射特性不同，所以在遥感成像中则表现为不同地物 在不同波段影像中地表反射率不同。无论是后续的地物分类，还是识别提取地物， 都要用到地表反射率。

但原始的遥感影像，由于传感器误差和不同传感器的数字存储类型不同等原因， 影像中各像元数值并非真实辐射物理量，所以要辐射定标，将其转为统一标准下的真实物理值。

就比如我和你都去量了下身高，我测得是身高1.6m，你测得是身高七尺， 但计算BMI要用到以cm为单位的身高数值，所以要转为以cm为单位的统一标准数值， 也就是定标。

另外，遥感成像时，大气条件会影响电磁波传播，所以得到的地表反射率 也并不是较真实的值，还要大气校正消除大气干扰引起的误差。

辐射定标和大气校正都属于辐射校正（Radiometric Correction）过程。

Level-1 与 Level-2

当我们从USGS下载Landsat系列影像时，对于比较原始的影像产品， 有Level-1和Level-2这两个级别的产品可供选择。

Level-1是经过初步的几何校正和辐射校正、但未大气校正的产品，在名称ID中以L1标识； Level-2是已经过几何校正、辐射校正和大气校正的产品，包括地表反射率和地表温度， 可直接用于遥感分析，在名称ID中以L2标识。

这两个级别产品的元文件都可以在 ArcGIS Pro 中打开，但在 ENVI 中则要 ENVI 5.6.2 及以上的版本才行，比较便捷的办法就是借助Landsat打开助手。 不过在 ENVI 5.6 及以下的版本中，Landsat打开助手也只能打开Level-1的产品。

如果下载的影像是Level-1级的产品，就需要先做辐射定标、大气校正等预处理后 才能直接用于遥感分析。下面演示如何在ENVI中完成对Landsat系列Level-1级影像的 辐射定标和大气校正（在ArcGIS中也可以，但不如在ENVI中有现成的工具那么方便）。

辐射定标

USGS官方对Level-1的数据已初步辐射校正过，并以16位无符号类型存储， 从而提高精度，因此像素值往往是上百或上千。这些值能反映辐射亮度相对大小， 但并不是真实的物理量，还需要将其转换为真实辐射亮度值，也就是辐射定标。

首先，利用Landsat打开助手打开MTL.txt（数据的元文件）。 对于Level-1的数据，打开后默认显示的是多光谱影像。

然后利用【Radiometric Calibration】工具对影像辐射定标： 选择影像（例如多光谱影像）。

应用FLAASH辐射定标参数：对于要用到FLAASH大气校正的影像， 点击【Apply FLAASH Settings】，会自动设置好适合FLAASH大气校正的参数类型 （Radiance）、存储格式（BIL格式）、像素类型（Float型）和单位比例系数（0.1）， 无需手动调整。定标完后，你会发现像素值都不再像之前那么大了，影像色调也会有所变化。 这个结果除了用于FLAASH大气校正，也可用于快速大气校正。

大气校正

由于大气路径中的水汽、CO2、气溶胶等物质会影响电磁辐射的传播， 遥感成像结果中的反射率值也会因此受到影响，所以还要大气校正 以消除大气对地表反射率的干扰。另外，辐射亮度与地表反射率之间存在数学关系， 通过大气校正可以将辐射定标后的辐射亮度（Radiance）转为地表反射率 （Surface Reflectance）。

在ENVI中，大气校正方法有两种：快速大气校正和FLAASH大气校正。

• 快速大气校正适合在处理时间有限或任务精度要求不高时使用；
• FLAASH则适合在高精度处理任务中使用。

综合结果精度和效率考虑：如果处理场景几乎没有云雾，地物显而易见， 且包含水域、植被、土地和人造地表等不同的地物，那么快速大气校正非常适合； 但如果处理区域有大面积水域（因为此时大气中水汽含量多），比如河口、湖泊， 那么就最好用FLAASH大气校正。

快速大气校正

在Toolbox栏中找到或搜索【Quick Atmospheric Correction】工具并打开， 输入辐射定标后的数据，然后选择对应的传感器类型， 最后输出的就是快速大气校正后的影像了。输出结果可以保存， 也可以做临时预览（Virtual Raster）；要拿来用的话就要输出为File。

另外，在 Toolbox > APP Store 中有批处理工具， 重启应用后可一键完成对多幅影像的辐射定标和快速大气校正。

FLAASH大气校正

与快速大气校正相比，FLAASH大气校正更为精确，但处理过程较慢。具体步骤如下：

（1）打开工具：在Toolbox栏中找到或搜索【FLAASH Atmospheric Correction】工具并打开。

（2）输入数据：输入辐射定标后的影像，Single Scale Factor选择为1。 因为Radiometric Calibration后的数据值单位是正确的，不需要再调整单位比例系数， 默认设为1就是乘1保持不变。

（3）设置输出路径：设置地表反射率结果的输出路径 （名称要包括扩展名，例如以 .dat 格式保存）， 并设置FLAASH大气校正其它结果文件的输出目录。

（4）输入影像采集时的信息：设置影像的中心地理坐标、传感器类型、 像元大小（分辨率）、成像时间等。除了【Ground Elevation（地表高程）】， 其它信息在Landsat元文件中都有——只要选择影像对应的【Sensor Type（传感器类型）】， 这些具体参数就会自动被ENVI读取并调好，无需手动调整。

而地表高程则可借助ENVI自带的高程数据（GMTED2010）， 通过【Compute Band Statistics】工具并Subset（裁剪） 计算处理区域内的平均高程来得到。注意：计算得出的平均高程单位是m， 而要输入的【Ground Elevation】单位是km。

（5）选择大气和气溶胶模型：由于示例影像区域是在热带陆地， 且没有成片的城镇区或工业区，可见度良好，所以大气模型为Tropical、 气溶胶模型为Rural，其余选项默认。

大气模型是根据给定的水汽含量和地表气温来选择的（规则如下表）：

如果没有给定的水汽含量和地表气温数据，则根据影像的成像季节和纬度带来选择：

至于 Aerosol Retrieval（气溶胶反演）模型和 Water Column Multiplier（大气的水汽柱倍数）， 不确定的话就默认；常规质量好的影像没有明显的雾霾，所以可见度默认为40km （说明天气没有雾霾）。

（6）Multispectral Settings：如果默认有设定 Aerosol Retrieval（气溶胶反演）模型， 例如2-Band（K-T）模型，则要在底部【Multispectral Settings】选项中选择用来反演的波段， 可以从 GUI > Defaults 中选择 Over-Land Retrieval standard（600:2100）模式自动匹配。 如果没设定气溶胶反演模型，那么就不用考虑Multispectral Settings。

（7）高级设置：以下这些参数如果不确定的话，通通默认！

• 大气气溶胶集中区域的高度：一般在1～2km。
• 二氧化碳体积混合比：单位ppm（百万分比），390ppm表示百万分之390。
• 使用光谱响应函数：光谱响应函数是用来描述传感器对不同波长光信号响应特性的函数。 如果传感器对不同波长的电磁辐射感应的灵敏度有明显不同，那么使用相应的光谱响应函数 就能为大气校正提供较为准确的光谱分布信息。一般是默认不需要使用。
• 使用邻域校正：邻域校正会考虑周围像素的值，以更准确地估计大气对影像的影响。 如果遇到图像各像元反射率变化大、分辨率非常高（比如1米分辨率）、 或者影像有大量噪声（缺失数据的像元）等情况，最好不要用邻域校正， 否则周围像素值会干扰大气校正评估。
• 重用MODTRAN计算：MODTRAN是一种大气辐射传播模型，用于模拟大气中的辐射传播过程。 第一次大气校正后，计算结果会保存在FLAASH的输出文件中，以便要重复处理时再次使用。 由于每次大气校正都要耗时进行MODTRAN计算，如果多幅影像的大气条件都相似，则可以重用； 如果不确定是否相似，则默认不重用。
• 选择散射模型：散射模型是用来模拟辐射在大气传播过程中的散射情况， 默认为比较高效的Scaled DISORT模型。
• 遥感成像时的观测方位角和高度角：如果不确定就默认；如果确定的话， 大气校正结果会更精确。

大气校正处理过程及输出设置：

1. 分块处理及分块大小：如果数据量大，分块处理可提高处理效率； 如果数据量小可不考虑分块处理，以保证数据各区域的处理过程都一致。
2. Spatial Subset：是否裁剪只针对输入影像某一指定区域进行大气校正， 默认是整幅影像区域。
3. Reflectance Scale Factor：反射率单位的比例系数，越大则数值表示的精度越高。 例如设为10000，如果大气校正后影像的某一波段像元值为8723， 那么反射率就是87.23%。
4. 保存FLAASH模板文件：本次大气校正中的所有参数设置都会保存到FLAASH文件 输出目录下的 template.txt 中，如果后续需要可方便查看。
5. 输出诊断文件：输出大气校正处理过程中产生的所有过程文件，如果没必要就不需要。

（8）输出结果：Apply应用大气校正后会显示反演后的大气能见度和水汽含量， 而地表反射率结果则保存在之前设置的输出路径中。

由于Reflectance Scale Factor默认设为10000， 所以大气校正后的值都是反射率（0～100%）×10000，快速大气校正后的值也是如此。

总结与补充

总结：

1. 遥感地物识别需要用到地表反射率；
2. 辐射定标与大气校正都是辐射校正过程，其结果是得到较真实的地表反射率；
3. 辐射定标可将原始DN值转为辐射亮度；
4. 大气校正是为了消除大气对地表反射率的干扰，可将辐射亮度转为较真实的地表反射率。

补充：

1. 在ArcGIS中可通过【栅格计算器】工具来实现辐射定标和大气校正， 但这需要熟悉公式以及影像元文件中相应的参数，然后在【栅格计算器】输入表达式，比较复杂。
2. 关于辐射定标和大气校正的数学原理可以从ENVI软件的帮助文档中找到线索， 都是来自英文文献，但我也看得一知半解，很难通俗易懂地讲明白， 所以也不要完全相信这篇中文教程。

参考资料

1. ENVI帮助文档
2. 辐射定标与FLAASH大气校正 - icydengyw - 博客园
3. ENVI FLAASH大气校正常见错误及解决方法 - ENVI-IDL技术殿堂 - 博客园
4. Landsat Collection 2 | U.S. Geological Survey
5. ENVI扩展工具：Landsat 数据打开助手（支持 Landsat 9 和 Collection 2）