數(shù)字量化值、輻射亮度、反射率、亮溫的含義及計算公式

geoallan 2024-06-24 發(fā)布于四川

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數(shù)字量化值（Digital Number，DN）

DN值是遙感影像像元亮度值，記錄的地物的灰度值。無單位，是一個整數(shù)值，值大小與傳感器的輻射分辨率、地物發(fā)射率、大氣透過率和散射率等有關。DN值通常被用來描述還沒有校準到具有意義單位的像素值。如果只是想看一個圖像,和不打算解釋像素值的物理意義,那么就可以以DN值的方式來保存。所有遙感影像原始數(shù)據(jù)都是DN值，要經(jīng)過輻射定標轉(zhuǎn)換成具有實際物理含義的表觀反射率（光學）或后向散射系數(shù)（SAR）。

DN值范圍的不同是因為不同傳感器量化級不同，就是存儲數(shù)據(jù)時將傳感器接收電平的量化級，有的是8bit量化，則DN值范圍是0-255，有的是16bit量化（如高分辨的Worldview-2衛(wèi)星），范圍為0-65535，還有12bit量化的。GF-1號是10bit量化，理論上DN值范圍為0-1024。高分一號02、03、04星相機是12bit量化。

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輻射亮度（Radiance）

輻射率（Radiance）：通常叫輻射亮度值（radiance pixel values），是某一個面積輻射能量的總和，是星上接收到的輻射亮度值。包括物體反射的輻射能量，還包括臨近地物的貢獻值，也包含云層的影響。同時，輻射亮度值也會受到輻射源的影響，如光學遙感中的太陽。國際制單位是W/(m2*μm*sr)（瓦特/(平方米*微米*球面度)），ENVI做大氣校正的FLAASH工具要求的單位是μW/(cm2*nm*sr)，是國際制單位的0.1倍。

將未定標的DN圖像轉(zhuǎn)成輻射亮度值圖像，是輻射定標的一種方式，通常只用一個線性轉(zhuǎn)換公式及偏移和增益就可以完成，數(shù)據(jù)源會公開這兩個參數(shù)。

Rad = gain*DN + offset

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反射率（Reflectance）

反射率是物體表面所能反射的輻射量和它所接受的輻射量的比值，一般在[0,1]范圍，有的時候為了節(jié)省儲存空間，擴大一定的倍數(shù)，如放大一萬倍[0,10000]，浮點數(shù)變成整數(shù)存儲。反射率圖像包括兩種：大氣表觀反射率和地表反射率。

大氣表觀反射率（Top of Atmosphere Reflectance,TOA reflectance）：是飛行在大氣層之外的航天傳感器量測的反射率，又叫做衛(wèi)星上反射率。這種反射率包括地表反射率、云層、氣溶膠和氣體的貢獻。大氣表觀反射率通過輻射亮度定標參數(shù)，太陽輻照度，太陽高度角和成像時間等幾個參數(shù)計算得到。
表觀反射率一般采用如下公式：

式中：
rad是輻射亮度
d是日地距離
ESUN是太陽輻照度（W/(m2*μm)），不同波段的值不一樣，由波譜響應函數(shù)和太陽輻照度的積分計算得到。
θ是太陽高度角，元數(shù)據(jù)會給出

下面介紹日地距離（天文單位）的計算代碼，首先計算儒略日

//計算儒略日float GF1_PMS_proThread::julian_day(float year, float month, float day, float hour, float minute, float second){ //調(diào)整月份和年份以適應儒略日計算的要求 if (month <= 2) { year = year - 1; month = month + 12; }

float a = floor(year / 100); float b = 2 - a + floor(a / 4); float d = day + hour / 24 + minute / 1440 + second / 86400;

float jd = floor(365.25 * (year + 4716)) + floor(30.6001 * (month + 1)) + d + b - 1524.5; return jd;}

得到儒略日后，再通過以下代碼得到日地距離d

float n = JulianDay（儒略日） - 2451545;  float g = 357.528 + 0.9856003*n;  g = g*(pi / 180);  float d = 1.00014 - 0.01671*cos(g) - 0.00014*cos(2 * g);

帶入表觀反射率的公式即可。

地表反射率（Surface Reflectance）：地表反射率是地球表面地物真實反射率，由表觀反射率去除大氣影響后得到的反射率，它沒有云層和大氣組分的影響。可從輻射亮度圖像中計算得到，有很多的計算模型，如輻射傳輸模型，其實就是去除云層、大氣組分、臨近地物等因素影響的過程。遙感軟件中的大氣校正處理是獲取地表反射率的一種途徑。

將未定標的DN圖像轉(zhuǎn)成反射率圖像，通常采用線性變換模型計算。和溫度相關的熱紅外波段只能轉(zhuǎn)化為亮溫，不能轉(zhuǎn)化為反射率。

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亮度溫度

亮溫（brightness temperature）：當一個物體的輻射亮度與某一黑體的輻射亮度相等時，該黑體的物理溫度就被稱之為該物體的“亮度溫度”，所以亮度溫度具有溫度的量綱，但是不具有溫度的物理含義，它是一個物體輻射亮度的代表名詞。單位是開爾文或者攝氏度，是一個廣義的溫度定義，這個溫度是由很多因素造成的，比如大氣下行、上行輻射等?？梢酝ㄟ^普朗克方程，將熱紅外輻射亮度圖像轉(zhuǎn)成亮溫圖像。與亮溫相對應的就是地表溫度，簡單的理解就是消除大氣上行、下行等因素影響的亮溫，常用的方法包括大氣校正法、單窗法、劈窗法等。

所以亮度溫度是假定的一種溫度，并不是實際的溫度。通常低于物體的真實溫度。只有熱紅外波段才能計算亮溫。亮溫的計算公式：