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鄱阳湖Landsat遥感影像大气校正研究

肖阳

摘要：大气校正是进行精确定量反演的关键。而国内对Landsat8 OLI这类中分辨率遥感影像在鄱阳湖水域通过泥沙浓度的变化进行大气校正的研究较匮乏.以鄱阳湖为研究区，采用基于MODTRAN的FLAASH大气校正模型、黑暗像元法、短波红外法对2015年9月9日的Landsat影像进行大气校正，并通过泥沙浓度的差别与实测数据做对比分析。结果表明现有FLAASH校正模型并不适合湖泊水色的大气校正，黑暗像元法与短波红外法的校正结果表示，在较高浓度水体暗像元法校正精度高，清澈水体短波红外法校正精度高。
关键词：大气校正；Landsat；FLAASH；黑暗像元法；短波红外法
引言：鄱阳湖作为我国第一大淡水湖，在长江流域的生态调节中占有举足轻重的作用，对鄱阳湖的大面积监测就显得尤为重要。遥感作为一门从六十年代发展起来的对地探测、监测学科，具有快速、大范围、准确的特点。与其他水质监测手段相比较，具有很明显的优势。鄱阳湖作为高动态的二类水体，卫星影像中包含水体信息的离水辐亮度不足大气顶层辐射的10%。因此，对影像进行大气校正以获取有效的微量、准确的数据就成为了遥感监测的重中之重。而国内针对鄱阳湖Landsat8 0LI这类中分辨率遥感影像的大气校正研究不足，所以，对鄱阳湖Landsat8 0LI数据的研究就显得十分有意义。
基于鄱阳湖Landsat80LI影像数据，以2015年9月份实测数据为基础，采用暗像元法、MORTRAN辐射传输模型、短波红外大气校正法对研究区进行大气校正处理，与实测数据进行对比分析，并做出误差分析。
1.研究区域和数据
鄱阳湖是中国最大的季节性、吞吐性和通江性淡水湖泊，其湖面面积、湖水水位的季节和年际变幅都较大。
采用实测数据是2015年9月初于鄱阳湖采用型号FieldSpec4Wide-Res的便携式地物光谱仪获取的实测光谱，进行处理得出的遥感发射率。Landsat8影像选取2015年9月9日的一幅landsat8影像进行研究分析。图1为鄱阳湖2015年9月初采集光谱数据的站点分布图。
2.研究方法
2.1FLAASH大气校正
FLAASH大气校正是在ENVI软件中较为常用的大气校正方法，其校正范围可从可见光波段至近红外、短波红外波段。它结合了MODTRAN4+的辐射传输模型代码，并对此进行了修改，可以有效地消除大部分大气和光照影响，FLAASH是一个在太阳光谱范围内的标准平面朗伯体中，传感器接收单个像元的光谱辐射亮度标准的方程。
2.2黑暗像元法大气校正
黑暗像元法就是，假设在表面为[本文来自于wwW.Zz-nEws.CoM]朗伯面反射，大气成分均匀一致，且忽略大气多重散射和临近像元漫反射作用的影响的条件下，待校正的图像存在黑暗像元区域。但是由于大气的影响，导致这些反射率或者辐亮度非常低的的黑暗像元的亮度值增加，所以我们就认为这部分增加的亮度值是由大气程辐射贡献的。
2.3短波红外大气校正
由于二类水体的受陆源排放、悬浮泥沙、黄色物质等因素的影响，导致近红外波段的离水辐亮度不为零，因此在二类水体中无法运用到Gordon大气校正算法，而实测光谱数据表明，在波长大于1000nm的短波红外波段，水体具有较强的吸收性，其离水辐亮度可以视为零。
3.实验结果与分析
鄱阳湖作为典型的二类水体，其水体的高动态性使得不同湖区的泥沙浓度具有较大的差异性。罗卫根据实测反射光谱的形态特征，将水体类型分为五种：特别混浊区、中等混浊区、轻度混浊区、清水区及特别清澈区。选用的2015年Landsat影像泥沙浓度普遍属于轻度混浊至少量清水区，所以本文仅对这两个泥沙浓度范围进行考虑。
选取三个与卫星过境时间相差小于3个小时的站点数据，分别为9、10、11号三个站点，其中，9、10号站点属于轻度混浊区，11号站点数据清水区。且泥沙浓度依次降低，其中9号站点浓度最高，11号站点浓度最低。利用FLAASH、黑暗像元法及短波红外大气校正得出的结果与站点实测数据进行分析，得出大气校正结果与实测数据对比。
将经过FLAASH大气校正的离水反射率数据与实测数据进行比较，第一第二波段的相对误差达到90%，第三第四波段相对误差达到170%，所以研究认为，现有的FLAASH大气校正并不适合鄱阳湖水域的水体大气校正，可以通过对模型参数的改进以期获取更好的效果。
9、10號站点均属于轻度混浊水体，由表2和表3可以发现，暗像元法相对误差值普遍小于短波红外校正结果值，除去相对误差较大近红外波段，9号站点第一至第四波段，短波红外法相对误差的均值比暗像元法相对误差的均值高153.78%；10号站点第一至第四波段，短波红外法相对误差的均值比暗像元法相对误差的均值高36.79%。说明随着泥沙浓度的降低，短波红外算法的校正精度与暗像元法的校正精度差距越来越小。
11号站点属于清澈水体，由表4可以发现，暗像元法的校正精度开始不如短波红外波段，短波红外法相对误差均值比暗像元法相对误差均值低38.17%。
分析9号站点至11号站点的校正精度，在9号、10号站点，暗像元法的校正精度高，在11号站点，短波红外法的校正精度高。在泥沙浓度较高的9号、10号站点，短波红外波段的强吸收性减弱，离水辐亮度为零的假设也可能不成立，导致气溶胶散射的高估，从而导致校正结果出现误差较大；而暗像元法是基于较为清澈的水体进行大气校正，所以校正结果较短波红外法精度更高。
在11号站点，泥沙浓度较低，水体较为清澈，水体在短波红外波段的强吸收性增强，离水辐亮度为零的假设可以实现，其校正精度开始提高，反观暗像元法，每个站点均采用的是固定的程辐射值进行校正，存在暗像元选取不当的因素。随着短波红外法精度的提高，其校正精度开始不如短波红外。
4.结论
通过利用黑暗像元法、FLAASH法及短波红外法对鄱阳湖Landsat8 oli影像进行大气校正处理，并对结果进行分析，得出以下结论：
（1）利用F1AASH模块进行大气校正，得出的结果与实测数据相差很大，认为现有的FLAASH大气校正算法并不适合二类水体的大气校正，认为可以通过对其算法进行调整来提高其大气校正的精度。
（2）9、10号站点暗像元校正结果的精度较高，11号站点短波红外校正结果的精度较高。9号站点短波红外[本文来自于www.zz-]法比暗像元法相对误差高153.78%，10号站点短波红外法比暗像元法相对误差高36.79%，11号站点短波红外法比暗像元法相对误差低36.79%。endprint

-全文完-