1、箩3 3卷：箩5朝 光谱学与光谱分析 V0133，No5,ppl320132620 1 3年5月 Spectroscopy and Spectral Analy妊 May，2013HJ一1A1B卫星CCD影像水环境遥感大气校正方法评价研究以鄱阳湖为例曾 群12，赵越2，田礼乔，陈晓玲3“1华中师范大学学报编辑部，湖北武汉4300792华中师范大学城市与环境科学学院，湖北武汉4300793武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北武汉4300794江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，江西南昌330022摘要HJ一1A1B卫星CCD传感器具有较高的空间、时问分辨率，在内陆湖泊水质遥
2、感定量监测方面有很大潜力，大气校正是制约其应用的关键问题之一。以我国第一大淡水湖鄱阳湖为研究区域，结合2009年、201 1年两次现场实测数据对FLAASH，6S，COST和QUAC四种大气校正结果进行对比分析，并探讨各种大气校正算法对悬浮泥沙浓度反演精度的影响。结果表明：(1)HJ一1A1B卫星CCD的第1波段在水环境遥感应用时，建议进行重新定标；第2和3波段四种大气校正结果精度相对较高，其中，FLAASH，6s和CA)ST三种大气校正算法精度都较高，QUAC精度偏低，建议在可能的情况下对该算法进行有针对性的改进；(2)FLAASH，6S，COST和QUAC四种大气校正算法第2和3波段比值结
3、果与实测数据吻合度最好，平均相对误差分别为82，95，76和116，因此建议在鄱阳湖水域尽量采用第2和3波段比值作为反演因子；(3)以四种大气校正结果为基础，与悬浮泥沙浓度直接建模，结果发现，四种模型反演精度均比用实测遥感反射率与实测悬浮泥沙浓度建立的模型反演结果要高，FLAAsH，6S和C0sT三种算法反演所得悬浮泥沙浓度精度都较高，平均相对误差分别为：10o，102和8o；QUAC略差，平均相对误差为186。建议在泥沙浓度反演时采用大气校正结果与悬浮泥沙浓度直接建模，可以有效降低利用实测光谱数据建模引起的大气校正误差的累积效应；(4)在精度要求不是特别高的前提下，四种大气校正算法都可以采用
4、，但综合算法复杂程度、精度、稳定性等多种因素，在辅助信息不全的情况下，COST大气校正算法更值得推荐。关键词 水色遥感；大气校正；HJ一1A1B卫星；6S；FLAASH；COST；QUAC中图分类号：P4078 文献标识码：A DOI：103964jissni00005932013)05132007引 言海洋水色卫星传感器接收到的总辐射能量80以上来自大气的干扰，而来自海面的辐射只有3151。因此，消除大气程辐射的十扰，获得有效的离水辐射信号，实现卫星影像大气校正，是水色遥感信息提取的关键技术之一2。2008年9月6日我国自主知识产权的HJ-1A1B卫星发射升空，A和B星均搭载一台CCD多光谱
5、可见光相机，单台CCD扫描幅宽360 km，空间分辨率30m，重访周期4 d，A和B星组网后重访周期2 d。CCD传感器共设置4个通道，光谱范围043o9 pm(蓝光：043o52 pm，绿光：052O60 pm、红光：063070脚、近红外：076090肛m)。光学CCD相机具有幅宽大，分辨率较高的特点，在中小型内陆湖泊水体的遥感监测方面有很大的潜力3。针对HJ-1A1B卫星CCD数据，研究适合于浑浊水体的业务化大气校正方法，对提高该卫星数据的水环境监测能力具有重要收稿日期：2013一Ol一09。修订日期：2013-03-09基金项目：国家(973)计划项目(2011CB707106)，国家
6、(863)计划项目(2012AAl2A304)，国家自然科学基金项目(41101415，40906092，41071261)，国家自然科学基金委创新研究群体科学基金项目(41021061)，测绘遥感信息工程国家重点实验室专项科研经费和985、国家重点实验室仪器设备专项经费资助作者简介：曾群，1971年生，华中师范大学学报编辑部副编审，城市与环境科学学院副教授 e-mail：zengqunmailccnueducn*通讯联系人 e-mail：tianliqiaowhueducn tianye2003gmailcorn万方数据第5期 光谱学与光谱分析 1321意义。目前专家学者已经进行过较多砌一1
7、AlB卫星CCD数据大气校正方面的研究3。9。针对HJ-1A1B卫星CCD影像的水环境遥感大气校正多以Cordon模型为主结合MoDIS的辅助信息进行处理45，但两传感器成像时间相差较大，大气条件显著变化的情况下，该方法误差会比较大。尤其在鄱阳湖地区，Wang等10提出的经典NIR-SWlR算法无法给出有效的气溶胶光学厚度分布和遥感反射率结果11。，MO-DIS信息辅助的Cordon改进算法很难满足我国中小型湖泊水域业务化监测要求。基于辐射传输模型的6S和FLAAsH对HJ星CCD影像的大气校正探讨主要集中于非水体目标，但已经有很多成功应用于水环境遥感的例子6。此外，COSTcl2为改进的暗像
8、元法不用输入任何其他辅助信息，方便快捷，QUAC13(quick atmospheric correction，快速大气校正)主要采用影像提供的纯净端元信息进行大气校正处理，效率较高，这些基于影像信息的大气校正方法也理应受到重视。因此，以都阳湖水域为研究区域，对能用于HJ一1A1B卫星CCD数据进行大气校正处理的基于辐射传输模型的FLAASH，6S和基于影像信息的COST，QUAC四种算法进行对比分析，综合评价各种算法的优缺点，及其各种算法结果差异对参数反演精度的影响，对于进一步挖掘HJ一1A1B卫星的应用潜力具有一定的理论和现实意义。研究区和数据预处理11研究区鄱阳湖(28。2229。45N
9、，115。47116。45E)位于长江中下游南岸，江西省北部，是我国最大的淡水湖，有着典型的过水性、吞吐型、季节性内陆湖泊的特征。它承纳江西省境内赣江、抚河、信江、饶河和修水五大河流的来水来沙，经调蓄后，由湖口注入长江。由于河流入湖携带大量颗粒物，以及频繁的采砂活动，鄱阳湖水体高度浑浊，悬浮颗粒物是其最重要的水色参数之一3。图1为鄱阳湖研究区域及两次实测站位点分布。116。00”E 116a300”E隐I Location of sampling stj舳in Poyang L嗣ike12数据及预处理121卫星数据及预处理由于鄱阳湖部分水域宽度较窄，尤其在枯水期，较高空间分辨率的卫星遥感数据才
10、能更好地发挥监测优势。2008年一2011年本研究小组对鄱阳湖进行了三次野外考察，综合考虑条带噪声、云覆盖等卫星数据质量与获取时间、太阳光照条件变化等实测数据质量因素，最终采用2009年10月20日、24日H卜1A卫星CCDl和2011年7月21日U一1B卫星CCDl 3景都阳湖区域无云影像进行四种大气校正处理。从资源卫星应用中心数据发布网站(http：218247138116：8080zywx)获取的HJ卫星CCD的影像是原始DN值，在大气校正处理前，采用式(1)进行辐射定标处理以=gainDN+offset (1)其中，以为脚星CCD对应波段的光谱辐射亮度(单位：Win_2sr_1tim-
11、1)；gain和offset为绝对定标增益和偏移系数，可以从影像的头文件中获取；DN是影像灰度值。122实测光谱数据处理光谱测量采用美国Spectra Vista公司的SVC HR-1024便携式地物光谱仪，考虑观测几何利用水面以上法获取15，在测量水体散射光谱的同时，采集水样放入冷藏箱，送回实验室采用称重法测定悬浮泥沙浓度。为了对HJlAB卫星CCD影像大气校正结果进行验证，利用实测数据，按照式(2)一式(4)，计算获得CCD对应各波段的等效遥感反射率R。(i一1，2，3，4)IRSR(a)k(A)daiQ)lRSRG)EdGt)d2E0一=l_,-一 (3)J。2。RSR(2)dRRd=挚
12、 (4)此处A为波长，RSR(relative spectral response)为I_U一1A1B卫星CCD四个波段的光谱响应函数，k和Ed分别为利用实测光谱推导出的各个波长处的离水辐亮度和恰在水面之上的下行辐照度，L“和E士分别为模拟的CCD各个波段的等效离水辐亮度、恰在水面之上的下行辐照度。2 HJ-1A1B卫星CCD数据大气校正处理21AASH大气校正处理FLAASH可以校正的光谱范围为可见光到近红外，短波红外的范围，最大可到3,m。它结合MODTRAN 4辐射传输代码，可以针对每一景图像通过任意地选择MODTRAN模型标准的大气和气溶胶类型。FLAASH模块现已集成在ENVI软件中
13、，具有可视化操作界面，操作简单方便，是目前常用的基于辐射传输理论的校正方法之一1 3。利用ENVI软件中的FLAASH模块对三景影像进行大Z：eo门惫Z。o、oo鼻一Z；obn口呻一万方数据1322 光谱学与光谱分析 第33卷气校正，裁剪后的三景影像中心坐标均为29。54812”N，116。154068”E，FLAASH校正模型中所需的传感器高度、飞行时间，地面空间分辨率等参数在头文件中均可获得，大气模型选择农村型，气溶胶类型根据查找表选择，能见度由同步实测的MICR0，r0PS 11太阳光度计获取550 nlTl波段的气溶胶光学厚度经过转换获取。22 6S大气校正处理6S模型是20世纪90年
14、代中后期在5s模型的基础上发展起来的改进版本1。模型考虑了目标物的海拔高度、地表非均匀状况和气体对辐射的吸收影响，对分子和气溶胶散射作用的计算使用近似和逐次散射(the successive order ofscattering，S06)算法。6S模型不仅可以模拟地表非均一性，还可以模拟地表双向反射特性，对主要大气效应如HzO，03，0：，C02，CH。和NzO等气体的吸收，大气分子和气溶胶的散射等都进行了考虑，是当前发展比较成熟的大气校正模型之一。利用6s模型进行大气校正所需要输入的参数如卫星参数、角度参数均可在头文件中获得，大气参数如大气模式、能见度的选择与FLAASH模型设置一致。利用6
15、S模型得到大气校正所需的3个参数后，再利用6S模型提供的计算公式计算校正后的反射率，最后再转化为遥感反射率1。23 QUAC大气校正处理ENVI软件提供的QUAC工具，可以自动从图像上收集不同物质的波谱信息，获取经验值完成高光谱和多光谱的快速大气校正。目前QUAC支持的多光谱和高光谱波谱范围是(o425“m)，输入数据可以是辐射亮度值、表观反射率、无单位的raw数据，数据储存格式和类型没有特殊要求，但必须提供多光谱和高光谱传感器数据的每个波段的中心波长信息L1。利用ENVI软件中的QUAC模块进行大气校正时，输入的是经过辐射定标的带有中心波长信息的HJ一1AlB卫星CCD辐亮度数据。24 CO
16、ST大气校正处理COST大气辐射校正模型基于以下理论假设：一是每一波段均存在反射率为1的黑体辐射，黑体辐射值取决于大气顶层的太阳辐照度；二是大气性质是均一的，传感器每一波段的最小辐射亮度值除黑体辐射影响外，主要还有大气分子的瑞利散射和气溶胶的米氏散射和反射作用的影响。基于COST模型的HJ一1A1B卫星CCD数据地面反射率反演公式可以表示为1胡P一槲2(LsataLhazeA)ESUNa COS20 (5)其中，D为地面反射率；d为日地天文单位距；Lsata为传感器光谱辐射值，即大气顶层的辐射能量；Lhazea为大气层路径辐射，由对应波段最小光谱辐射值减去反射率为1的黑体辐射值获取；ESUN。
17、为大气顶层太阳辐照度；0为太阳天顶角。3结果与讨论31大气校正结果分析利用FLAASH，6S，COST和QUAC对鄱阳湖l_U一1A1B卫星CCD三景影像进行大气校正后，以鄱阳湖水域2009年10月20日、24日和2011年7月23日的同步实测光谱数据为基础，对校正结果做了对比分析(见表1)。由于HJ一1AlB卫星CCD传感器在第4波段近红外光谱部分信噪比较差，且存在大部分零值区域1“。因此，在本研究中没有对第4波段的大气校正问题进行深入讨论。Table 1 Comparison of four atmospheric correction methods for HJ-1A1B satell
18、ite CCD i啪g群311单波段影像校正值对比分析以卫星过境时间前后3 h为时问窗口，选取实测光谱转换后的同步等效遥感反射率共计21个点来评价四种大气校正结果的精度(见图2)。第1波段整体大气校正精度不高，平均相对误差都在40以上，影像校正结果普遍高于实测值见图2(a)。第2波段是四种大气校正算法效果最好的波段见图2(b)，FLAASH，6S和COST平均相对误差都控制在20以内，QUAC大气校正结果的平均相对误差较大，在30左右。四种大气校正算法在第3波段的表现基本与第2波段相同见图2(c)，但整体精度比第2波段略低。在三个波段中，都有大气校正误差较大的点，仔细对照站位图，可以发现这些点
19、基本位于河湖交界处，水体动态变化明显可能是该点相对误差较大的重要原因。整体来讲，FLAASH和6s的大气校正效果相差不大，万方数据第5期 光谱学与光谱分析 1323表现相对稳定。COST大气校正方法作为一种基于影像信息的处理方式，其大气校正平均相对误差基本与FLAASH和6s等辐射传输理论方法相当。四种算法中，QUAC方法的表现最不稳定，与实测值相对误差较大的点数也比其他方法多(见图2中“”验证点)。童三羞哥右苎0言三锚壶勺旦芒oU亘署差鼍莒鲁U薰疹堑Fig2 Comparison of the atmospheric correctionresults provided by various
20、 methods312波段比值结果分析波段比值因子能在一定程度上进一步消除大气影响，往往经常被用于参数反演中。本研究尝试对四种大气校正结果波段比值因子也做了对比分析(见图3)。由于第1波段大气校正误差较高，所以由第l波段组合的波段比值相对误差都比较大见图3(a)和(b)，但最大相对误差通过波段比值之后有明显缩小。第2和3波段的比值组合效果最好见图3(c)，四种大气校正算法精度基本相当，都比较可信，FLAASH，6S，COST和QUAC的平均相对误差为82，95，76 oA和116。综合图2、图3可以看出，中低浑浊水域的五个站位单波段与波段比值大气校正结果，与实测数据相比都存在较大相对误差，这可
21、能是由于这四种算法是针对陆地等较高反射率的地物目标设计有关，在应用于较低反射率的中低浑浊水体时，可能还需要进行一定的算法改进，由于本研究中的中低浑浊水体样本数相对较少，具体原因还需要进一步探讨(参见图5)。32悬浮泥沙浓度反演评价为了充分比较各种算法差异对反演结果的影响，探讨大气校正误差在参数反演中的累积效应，以同步的21个站位实验室分析所得悬浮泥沙浓度数据为基础建立反演模型，分别利用实测光谱和大气校正结果建立悬浮泥沙浓度反演模型(见表2)。从表2中的决定系数差异即可看出QUAC算法结果与悬浮泥沙浓度相关性较差，FLAASH，6S和COST三种大气校正算法结果则能很好地表现出与悬浮泥沙浓度有较
22、高相关性，从一定程度上说明，QUAC算法的稳定性要略低于其他三种大气校正算法。嗡套羞絮吾毫u龟锚壶邑8鲁U05 06 07 08 09 l 11insitu Rrsl瓜rs205 06 07 08 0 9 l 11 12insitu Rrsl，Ihs316O8insitu Rrs2fRrs3Fig3 Comparison of the atmospheric correctionresulIs of band ratio with in-situ dataTable 2 HJ-lAlB satellite OED inversion model oftotal suspended sedime
23、nts(TSS)concentration数据源 (。翳慧。2) 决定系数平均相对 R2 误差以同步实测悬浮泥沙浓度数据为基础，对两类模型的四种大气校正方法反演的悬浮泥沙浓度进行对比，发现利用实测光谱与悬浮泥沙浓度建立的反演算法用于卫星影像时，反演精度低于直接利用大气校正结果与悬浮泥沙浓度建模的反演精度。这主要是因为直接利用大气校正结果与实测悬浮泥沙浓度建模可以有效地降低大气校正误差的累积效应见1000O0N-笆一sJ匣弓。芍oJJoU万方数据1324 光谱学与光谱分析 第33卷喜暑詈要邑蚤0 1 2 3 4 5 6 7LN(insitu Tss)0 1 2 3 4 5 6 7LN(insit
24、u Tss)Fig4 Comparison of the retrieved total suspendedsediments(TSS)concentration resultsFig5 The retrieved total suspended sediments(TSS)distribution from HJ一1B satellite CCDl image in Poyang Lakeon July 21，2011图4(a)，(b)。从四种大气校正算法所得的悬浮泥沙浓度反演结果来看，FLAASH的平均相对误差由2276降到了999，6S由2734降到了lo21，COST由2307降到了8
25、02，QUAC由3341降到了1860。FLAAsH，6S和COST反演的悬浮泥沙浓度精度最高，QUAC的反演精度最差，此结果与前面的大气校正结果一致。图5为2011年7月21日鄱阳湖HJ一1B卫星CCDl影像四种大气校正结果与悬浮泥沙浓度直接建模后的反演结果，从整体分布可以看出，反演结果都能反映出鄱阳湖北部人江河道的悬浮泥沙高于南部主湖区，这一结果与冯练、于之锋、邬国锋等人的研究结果是一致的3“h14。四种大气校正结果反演所得悬浮泥沙浓度在中低浑浊水体区域差异不明显，在松门山岛附近的高浑浊水体区域存在一定的差异，该差异是否是悬浮泥沙浓度反演模型本身引起，还是由传感器本身的响应特性引起还需要进
26、一步探讨。4结论以鄱阳湖实测数据为基础，对HJlA1B卫星CCD影像的FLAAsH，6S和QUAC，COST大气校正处理结果进行了评价分析，得出如下结论：(1)第1波段所有大气校正算法结果都比实测数据偏高。若用讨论的四种大气校正方法对第1波段进行处理实现水环境参数的反演应用，有必要对一1AlB卫星CCD的第1波段进行重新定标。在没有进行重新定标处理的情况下，建议反演时尽量避开第1波段。(2)四种大气校正算法处理出的第2、3波段比值精度都较高，FLU心H，6S，COST和QUAC的相对误差为82，95，76和116。基于此，建议在建立反演算法时，尽量选用第2和3波段的比值组合。(3)四种大气校正
27、算法中，基于辐射传输模型的FLAASH和6S算法与基于影像信息的COST模型大气校正精度相当，QUAC效果一般。综合算法运行效率、复杂程度和辅助数据的获取难度，建议在辅助数据难于获取时可以采用COST大气校正算法。利用QUAC算法进行水环境遥感应用时还需要进行一定的算法改进。(4)利用实测光谱与悬浮泥沙浓度建立的反演算法用于卫星影像时，建议要先考虑大气校正误差的累积问题，在有足够同步点的情况下，直接利用大气校正结果与实测水色参数建模可以有效地降低实测光谱建模反演时大气校正误差的累积效应。由于同步实测数据有限和算法模型本身具有一定的区域适用性，本文的结论还需要进一步验证。后期工作主要从原理上进一
28、步分析，并进行一定的算法改进研究。1Gordon H R，Wang M HApplied Optics，1994，33：4432PAN De-lu，Doedfer R(潘德炉，Doerffer R)Acta Oceanologiea Siniea(海洋学报)，1997，19：43765432O_【卜可口lB昌焉叫vZ万方数据第5期 光谱学与光谱分析 13253456789D031116317YU ZhifengCHEN Xiaoling，ZHOU Bin，et a1Chinese Journal of Oceanology and Limnology，2012，30(2)：295JIN Xin
29、，I。I Yun-mei，WANG Qiao，et al(金鑫，李云梅，王桥，等)Journal of lake Sciences(湖泊科学)，2010，22(4)：504XU Hua，GU Xing-faLI Zheng-qiang，et al(许华，顾行发，李正强，等)Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析)，2011，31(10)：2798TIAN LiqiaoLU Jianzhong，CHEN Xiaoling，et a1Science ChinaTechnological Sciences，2010，53：191YU Xiuiuan，Y
30、AN Qia，LIU Zhen函unThe 3rd International Congress on Image and Signal Processing，Yantai，China2010，5：2125DUXin，CHENxue_yang，MENG Jihua，et al(杜鑫，陈雪洋，蒙继华，等)RemoteSensingforLand华中师范大学城市与环境科学学院,湖北武汉430079)， 赵越,ZHAO Yue(华中师范大学城市与环境科学学院,湖北武汉,430079)， 田礼乔,TIANLi-qiao(武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉,430079)， 陈晓玲,CHE
31、N Xiao-ling(武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉430079;江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室,江西南昌330022)刊名： 光谱学与光谱分析英文刊名： Spectroscopy and Spectral Analysis年，卷(期)： 2013,32(5)参考文献(18条)1.Gordon H R;Wang M H 查看详情 19942.潘德炉;Doerffer R 查看详情 19973.YU Zhifeng;CHEN Xiaoling;ZHOU Bin 查看详情 2012(02)4.金鑫;李云梅;王桥 查看详情 2010(04)5.许华;顾行发;李正
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33、2010:Observations from MODIS12.HU Chuanmin;CHEN Zhiqiang;CLAYTON Tonya D 查看详情 2004(03)13.ITT Visual Information Solutions Atmospheric Correction Module:QUAC and FLAASH Users Guide 200914.CUI Lijuan;WU Guofeng;Liu Yaoling 查看详情 200915.唐军武;田国良;王小勇 查看详情 2004(01)16.Vermote E;Tanre D;Deuze J L 6S User Guide Version 2 199717.赵越;曾群;陈晓玲 查看详情 2012(06)18.黄妙芬;牛生丽;孙中平 查看详情 2010引用本文格式：曾群.赵越.田礼乔.陈晓玲.ZENG Qun.ZHAO Yue.TIAN Li-qiao.CHEN Xiao-ling HJ-1A/1B卫星CCD影像水环境遥感大气校正方法评价研究以鄱阳湖为例期刊论文-光谱学与光谱分析 2013(5)
