|
如何有效消除地形影響以獲得準(zhǔn)確的地表反射率一直是遙感領(lǐng)域研究的一個(gè)難點(diǎn)。本期【微課堂】帶你了解遙感影像的地形校正。 山地丘陵是陸地的基本形態(tài)之一，分布十分廣泛。尤其是亞歐大陸和南北美洲大陸分布最多，中國(guó)的地形分布如圖1所示，呈西高東低的特點(diǎn)，地形復(fù)雜。據(jù)第一次地理國(guó)情普查公報(bào)顯示，丘陵面積占中國(guó)陸地國(guó)土面積的20.39%，山地面積占全國(guó)陸地國(guó)土面積的43.65%。 圖1. 中國(guó)地形分布 蜿蜒起伏、巍峨奇特的山地丘陵，層巒疊嶂，形態(tài)奇特多樣，有的彼此平行，綿延數(shù)千公里；有的相互重疊，犬牙交錯(cuò)，山里套山，山外有山，連綿不斷，形成了獨(dú)特的地形地貌（如圖2）。
圖2. 山區(qū)風(fēng)景 遙感影像中的山區(qū)風(fēng)貌圖表現(xiàn)出了明顯的紋理特征（如圖3）。然而，地形的崎嶇分布一定程度上降低了山區(qū)LAI、FVC等參數(shù)反演以及地表分類等數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度，限制了遙感技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。究其原因，地形起伏一方面導(dǎo)致了地表接受能量的重新分配，能量傳輸過程如圖4所示，形成了陰影、周圍地形遮擋等現(xiàn)象。另一方面，山區(qū)獨(dú)特的環(huán)境也導(dǎo)致了山區(qū)局部氣候多變，容易積云聚雨。 圖3. 山區(qū)遙感影像 圖4. 山區(qū)輻射傳輸過程 如何有效消除地形影響以獲得準(zhǔn)確的地表參數(shù)一直是遙感領(lǐng)域研究的一個(gè)難點(diǎn)。地形校正是崎嶇地表下的高分辨率遙感數(shù)據(jù)的一個(gè)重要的預(yù)處理步驟。它能夠在一定程度上抵消地形的影響，使反演的參數(shù)更接近真實(shí)地表的反射和輻射特性。地形校正的方法可概括為通過各種變換，將所有像元的輻射亮度或反射率變換到某一參考平面上（通常取水平面），從而消除由于地形起伏而引起的影像值變化，使影像更好地反映地物光譜特征。目前，學(xué)者已經(jīng)提出了大量的地形校正模型，主要可分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、半?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、物理模型?/span> 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span> 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，不需要引入額外的信息，例如波段比模型等。波段比模型通過簡(jiǎn)單的波段間輻射亮度或反射率波段做比值的方法來實(shí)現(xiàn)去除地形影響的效果。該方法假設(shè)地形對(duì)不同波段的輻射亮度或反射率具有相同的削減效應(yīng)。很明顯這種方法在不同地物的相關(guān)波段特性相似的情況下失效。而同時(shí)經(jīng)過這種方法校正后的圖像沒有物理意義，無法用于定量化研究。 半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span> 半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂幸欢ǖ奈锢硪饬x，但需要引入DEM來輔助進(jìn)行校正，這種方法往往只考慮太陽直接輻射，而忽略天空漫散射及臨近地表散射的影響。同時(shí)這類方法往往假設(shè)地表為朗伯體，忽略地表的BRDF效應(yīng)，或者是通過一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來對(duì)模型進(jìn)行修正。這類方法主要包括余弦校正、C校正、Minnaert模型校正、SCS校正、SCS+C校正等。余弦校正通過引入DEM來獲取太陽方向與地表目標(biāo)表面法線之間的角度，并利用衛(wèi)星傳感器所接受的輻射與太陽直接入射輻射的經(jīng)驗(yàn)余弦關(guān)系來對(duì)影像進(jìn)行校正。C校正是在余弦校正基礎(chǔ)上加入經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，其中經(jīng)驗(yàn)參數(shù)C完全通過樣本統(tǒng)計(jì)回歸的方式獲取，可在一定程度上彌補(bǔ)朗伯體假設(shè)及忽略其他輻射造成的誤差。Minnaert模型校正屬于基于非朗伯假設(shè)的校正方法，它通過引入Minnaert函數(shù)來描述地表的非朗伯特性。其中，Minnaert常數(shù)k依賴與波長(zhǎng)、相位角、地表覆蓋類型，需要通過不同的日-地幾何關(guān)系和影像波段參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。SCS校正是基于森林覆蓋場(chǎng)景中樹木的向地性生長(zhǎng)特點(diǎn)構(gòu)建的太陽-冠層-傳感器校正模型。而SCS+C模型則是類似于C模型相同的思想，通過引入經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來達(dá)到彌補(bǔ)模型假設(shè)不足的效果。這類方法相對(duì)簡(jiǎn)單且具有一定的精度，得到了廣泛的應(yīng)用。 物理模型 物理模型主要基于大氣-地表耦合輻射傳輸方程，具有嚴(yán)格的物理意義。它從物理機(jī)制上考慮了天空漫散射及臨近地表散射效應(yīng)。物理模型也分為地表朗伯假設(shè)及非朗伯假設(shè)兩種?；诶什僭O(shè)的物理模型相對(duì)簡(jiǎn)單。而基于非郎伯假設(shè)的校正模型需要引入一定的先驗(yàn)信息，如有學(xué)者通過引入歸一化方向反射因子建立的地表反射率地形校正模型，取得良好的效果。此外，由于地表與大氣耦合作用，目前在大氣校正基礎(chǔ)上的地形校正模型有一點(diǎn)的局限性，也有部分研究者試圖建立大氣-地形聯(lián)合校正的一體化模型?？傊?，這類方法相對(duì)復(fù)雜，需要大量的先驗(yàn)輔助信息，目前還不能得到廣泛的應(yīng)用。 圖5展示的是地形校正前后的遙感影像。從圖中可以看出，經(jīng)過地形校正后，有效消除了由于地形起伏而導(dǎo)致的地形陰影以及陰陽坡的差異，更好地反映了地物光譜特征。
圖5. 地形校正前后影像對(duì)比（Wen JG,IJRS,2009） 雖然目前地形校正模型已取得了較大的發(fā)展，但仍然面臨著很多問題： 現(xiàn)有的地形校正模型主要借助高分辨率DEM進(jìn)行校正，因此校正效果受制于影像于DEM的配準(zhǔn)精度及DEM自身的精度。但目前DEM自身的精度配準(zhǔn)精度都難以滿足要求。相信隨著測(cè)繪遙感技術(shù)的進(jìn)步，這一問題可以得到很大的改善。 現(xiàn)有的大多數(shù)的地形校正模型都是基于地表朗伯反射的假定，或者是基于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來描述地表的非郎伯特性。而這些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的確定往往依賴于特定的影像區(qū)域以及成像的大氣及太陽-地表-傳感器幾何位置關(guān)系，具有很大的局限性。因此，建立真正意義上的考慮地表非朗伯性質(zhì)的地形校正模型仍然十分必要。 現(xiàn)有的物理模型雖然能夠?qū)崿F(xiàn)足夠的精度，但是由于需要足夠的先驗(yàn)信息，仍然無法取代經(jīng)驗(yàn)及半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹鲗?dǎo)地位。相信隨著地球空間信息技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于大氣、地表參數(shù)的獲取手段越來越豐富，基于物理機(jī)制的地形校正模型將得到更多的應(yīng)用。而如何實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化物理模型的同時(shí)能夠保證其精度，是我們需要考慮的方向。 以上內(nèi)容由遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室遙感輻射傳輸研究室郝大磊提供。 |
|
|
