基于图像和辐射传输模型的高分辨率卫星影像联合大气校正研究

With the improvement of spatial resolution, aerosols in a large region which seem uniform in low resolution image distribute nonuniform in high resolution image. Therefore, high spatial resolution aerosol parameters are necessary for atmospheric correction based on radiative transfer method. The resolution of the aerosol products released in the world is low, and the accuracies of aerosol parameters retrieved based on domestic high resolution satellite images are not good because of the limited wavelengths. To solve this problem, this project will joints the advantage of image dehazing method which can obtain broad band atmospheric transmittance distribution image, and of the radiative transfer method which can accurately calculate surface reflectance. The atmospheric transmittance of broad band can be decomposed into single band through the calculation based on the priori aerosol models. The percentage matching between satellite image and the 2.1 µm band of a prior surface reflectance data set and the band threshold are used to screen dark target pixels jointly. Aerosol optical depths of dark target pixels are retrieved based on the look-up table, High spatial resolution aerosol optical depth of whole image can be obtained by interpolation according to the atmospheric transmittance image. Then atmospheric correction of each pixel can be conducted. This research project has good portability, which can provide the basis for atmospheric correction of high resolution satellite images in future.

随着卫星影像空间分辨率的提高，中低分辨率影像上假定大范围均匀分布的大气气溶胶在高分辨率影像上显示出不均匀分布，因此，提供高空间分辨率气溶胶参数对基于辐射传输方法的大气校正十分必要。国际上发布的气溶胶产品分辨率都较低，而目前国产高分辨率卫星的波段还不具备精确反演气溶胶参数的能力。为了解决这个问题，本项目拟通过将基于图像去雾霾方法可以获取区域宽波段大气透过率分布图的优势，以及基于辐射传输模型方法可以实现精确反演地表反射率的优势进行联合研究。使用先验的气溶胶模型参数将宽波段大气透过率分解为单波段大气透过率，通过影像与地表反射率库2.1 µm暗像元百分比匹配和暗像元波段阈值联合筛选暗像元，基于查找表反演暗像元气溶胶光学厚度，然后基于大气透过率图像进行插值得到高空间分辨率的气溶胶光学厚度，进一步逐像元进行大气校正。本项目的研究方案具有较好的可移植性，可以为我国未来的高分辨率卫星影像大气校正提供基础。

随着卫星影像空间分辨率的提高，大气信号在高分辨率影像上呈现不均匀分布。一方面，在中低空间分辨率影像上可以假定大范围均匀分布的大气气溶胶在高分辨率影像上会显示出不均匀分布；另一方面，由大气气溶胶的散射作用造成的非目标像元对目标像元的辐射贡献，即地面目标间的邻近效应会随着影像分辨率的提高而越来越明显。而国际上发布的大气产品分辨率都较低，国产高分辨率卫星的波段又不具备精确反演大气参数的能力。因此，提供卫星同步的高空间分辨率大气参数对于高分辨率影像大气校正十分必要。针对这一问题，项目联合基于图像去雾霾方法获取区域宽波段大气透过率的优势，以及基于辐射传输模型方法实现精确反演地表反射率的优势，主要开展了三方面的研究：一是完成了基于先验的大陆型气溶胶模型参数分解宽波段大气透过率，并基于对数插值的方法反演整景影像气溶胶光学厚度的算法研究，将透过率图像精细化和定量化；二是完成了中国区域月度和北京区域8-day的地表反射率数据集构建，并基于百分比匹配方法，完成了地表反射率数据集2.1µm波段与影像NDVI联合筛选暗像元的算法研究；三是完成了基于图像和辐射传输模型的高分辨率卫星影像逐像元大气校正算法研究。校正后的卫星影像定量评价参数显示，该校正方法对图像细节信息提升效果明显。本项目针对国产高空间分辨率卫星建立了完整的同步大气校正系统，适用于我国未来的高分辨率卫星影像定量应用。