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实验三十三 遥感地质体热异常信息提取
一、实验目的
通过对广西花山ETM＋影像热红外波段数据作地质体遥感热异常信息提取实验，加深对遥感提取地质体热异常信息原理的理解，初步掌握其ENV I操作方法。
二、实验内容
（①星上亮度温度TB计算操作；②计算星上亮度温度TB；③花山地表温度LST图制作，包括LST图像去干扰信息处理和LS 图T像密度分割；④LST图像分析。
三、实验要求
本实验涉及理论较复杂，要求事先做好地表绝对温度反演原理预备知识准备；初步掌握热红外数据的基础组成以及与实际地物热信息的关系，由此获取广西花山区域地质体热异常信息。编写实验报告。
四、技术条件
①微型计算机；②广西花山区域ETM＋遥感影像；③ENVI软件；④ACDSee软件（ver.4.0以上）。
五、实验步骤
（1）地表绝对温度反演原理预备知识。热红外遥感影像信息是对地表自发热红外辐射和太阳光电磁波的短波辐射在地表产生的长波热红外反射辐射这两种热红外辐射信息的综合反映。所谓遥感地质体热异常信息提取，就是利用多波段遥感影像的热红外波段DN值去计算地表温度LST。这一过程也称为遥感地表热异常信息提取，或者称为遥感地表热异常信息反演。
在全区域、空间上受到的大气影响程度均一，忽略该区大气的影响假设条件，LST计算公式具有如下形式：
遥感地质学实验教程
式中：TB为求得的星上亮度温度；λ是热红外波段的波长（本实验中采用ETM +6数据，故取值11.5μm）；p=h×c/σ＝1.438 ×10-2m ·K，其中σ是玻耳兹曼常数，σ＝1.38 × 10-23J/K,h为普朗克常量，这里取值6.626×10-34J·s,c是光速，取值2.998×108m/s；ε是自然地表的比辐射率。可见，公式的运用必须知道星上亮度温度TB 和自然地表的比辐射率ε。ENVI提供了计算这两个参数的功能，分述如下。
（2）星上亮度温度TB的计算操作。
1）在ENVI主菜单栏中选择“FileOpen Image File”，出现文件目录窗口，将广西花山ETM＋数据调入“Available Bands List”窗口，打开花山热红外数据波段即ETM +6。
2）对花山陆地卫星热红外数据波段即ETM +6进行辐射定标得到其星上光谱辐射亮度，为下一步求取星上亮度温度提取基础数据。辐射定标公式为
Radiance=Gain×DN+Offset （33-2）
式中：Radiance为星上光谱辐射亮度，W/（m2 ·sr·μm）; Gain和Offset 分别为卫星传感器本身的增益和偏差，不同卫星不同传感器的增益和偏差也不相同，增益和偏差值可在元数据头文件中读取。
在ENVI软件中有针对Landsat卫星的辐射定标模块，在ENVI主菜单栏中选择“Basic ToolsPreprocessingData-Specific UtilitiesLandsat TM Landsat Calibration”，在打开的“Landsat Calibration Input File”对话框中，选择ETM +6 文件，单击【OK】按钮，出现“ENVI Landsat Calibration Dialog”对话框（图33-1）。
图33-1 Landsat辐射定标对话框
输入或选择对应花山数据的各项参数（传感器类型、成像时间、太阳高度角等），选择转换数据为“Radiance”（辐射亮度），各项设置好后，选择存储路径存储及文件名，点击【OK】按钮，完成转换。
3）计算星上亮度温度 TB。对步骤（2）得到花山星上光谱辐射亮度用如下公式计算出星上亮温TB（单位：K）：
遥感地质学实验教程
式中：Lλ为星上光谱辐射率，W/（m2 ·srμm）; K1和K2为Landsat卫星TM/ETM＋热红外波段的反演常数，使用TM 影像反演时，K1 =60.776W/（m2 ·s·r μm），K2 =1260.56K，使用ETM＋影像反演时，K1=666.09W/（m2·sr·μm）,K2=1252.71 K。
公式（33-3）的计算，可在ENVI主菜单中的基础工具（Basic Tools）下拉菜单中波段运算（Band Math）执行命令，打开“Band Math”对话框（图33-2），在“Enter an expression”文本框中输入公式，点击【OK】按钮，出现“Variables to Bands”对话框（图33-3），定义参与运算的波段（此处选择步骤（2）得到的花山星上辐射亮度影像波段）后，存储文件点击【OK】按钮即可得到花山星上亮温TB影像。
图33-2 波段运算对话框图
图33-3 定义参与波段运算对话框图
（3）计算自然地表比辐射率ε的计算步骤。由于不同地物的比辐射率不同，故需要通过地表植被覆盖度来区分水体、植被、居民区，从而赋予不同地类不同的比辐射率值。
1）植被覆盖度计算。在ENVI软件中以花山NDVI影像为数据基础，计算植被覆盖度Fv，采用混合像元分解法，将整景影像的地类大致分为水体、植被、居民区，具体的计算公式如下：
Fv =（NDVI- NDVIs）/（NDVIv- NDVIs） （33-4）
其中，NDVI为归一化差异植被指数，取NDVIv = 0.70和NDVIs = 0.00，且有，当某个像元的NDVI大于0.70时，Fv取值为1；当NDVl小于0.00时，Fv取值为0。
利用ENVI主菜单“Basic ToolsBand Math”，在公式输入栏（即Enter an expression文本框）中输入：
（b1 gt 0.7）＊1+（b1 It 0.）*0+（b1 ge 0 and b1 le O.7）*（（b1-0.0）/（0.7-0.0））
在波段运算中，定义b 1为NDVI图像，运算后就得到植被盖度图像。
2）花山地表比辐射率赋值。将遥感影像分为水体、居民区和自然表面三种类型。本次实验采取以下方法计算研究区地表比辐射率：水体像元的比辐射率赋值为0.995（经验值），自然表面和居民区像元的比辐射率估算则分别根据公式（33-5）和公式（33-6）进行计算：
遥感地质学实验教程
式中：εfearua和εbuilding分别代表自然表面像元和居民建筑区像元的比辐射率。
利用ENVI主菜单中“Basic ToolsBand Ma”，在公式输入栏中输入：
（b1 le0）*0.995+（b1 gt 0 and b1 It0.7）+（0.9589+0.086*62 -0.0671*62^2）＋（b1 ge 0.7）*（0.9625+0.0614*b2-0.0461*b2^2）
在波段运算中，定义b1选择花山NDVI值图像，b2选择花山植被覆盖度图像，就得到花山地表比辐射率数据。
（4）利用步骤（3）获得的花山地表比辐射率数据与步骤（3）获得的花山星上亮度温度数据通过公式（33-1）利用ENVI主菜单中的“Basic ToolsBand Math”，计算得到花山地表温度LST图像。
（5）对步骤（4）获得的花山地表温度图像进行去干扰信息处理，此处主要去除人类活动与水体的高背景。先对花山进行监督分类，此处大概分三类：水体、居民区、植被覆盖区域，然后对步骤（4）得到的花山地表温度图像进行感兴趣区裁减，掩膜掉水体、居民区部分，去除水体、居民区强背景对花山地质体热信息的影响。
（6）对步骤（5）得到的花山去干扰地表温度图像进行密度分割，得到花山地质体热异常信息图像。
六、实验报告
（1）简述实验过程。
（2）回答问题：①写出运用ENVI反演计算地表温度LST的操作步骤；②TM6密度分割图与LST密度分割图哪一个对反映地表热信息更有效？为什么？③ASTER也具有热红外波段影像，请浅谈你对其运用的考虑。
实验报告格式见附录一。
相对大气校正和绝对大气校正区别与联系
辐射定标是进行遥感定量反演的一个前提，在遥感应用占有很重要的位置，下面部分内容主要摘自童庆禧先生的《高光谱遥感》 辐射定标： 建立遥感传感器的数字量化输出值DN与其所对应视场中辐射亮度值之间的定量关系。
辐射定标，大气校正，辐射校正的区别与联系 在最初的遥感学习中，我总是分不清传感器定标、辐射定标、辐射校正、大气校正这几个概念的区别与联系。而且在不同的资料 中，各个名词的解释又不一样。例如：
定标是将传感器所得的测量值变换为绝对亮度或变换为与地表反射率、表面温度等物理量有关的相对值的处理过程（赵英时等《遥感应用分析原理与方法》）
遥感器定标就是建立遥感器每个探测器输出值与该探测器对应的实际地物辐射亮度之间的定量关系；建立遥感传感器的数字量化输出值DN与其所对应的视场中辐射亮度值之间的定量关系（陈述彭）。
辐射定标是将传感器记录的电压或数字值转换成绝 对辐射亮度的过程（梁顺林《定量遥感》，2009）
其实，简单来说，辐射定标就是将记录的原始DN值转换为大气外层表面反射率，目的是消除传感器本身产生的误差，有多种方法：实验室定标、星上定标、场地定标。
大气校正就是将辐射亮度或者表观反射率转换为地表实际反射率，目的是消除大气散射、吸收、反射引起的误差。主要分为两种类型：统计型和物理型。
GF5辐射定标缺少定标参数怎么办
可以将仪器信号、大气质量建立起线性关系，推算到大气层外界的太阳辐射值，从而获取定标系数。
目前风云卫星外场仪器定标方法采用的是基于太阳辐射的Langley法，即假设大气条件满足Beer-Bouguer定律，在仪器测量太阳直射的情况下，对数坐标系下，可以将仪器信号、大气质量建立起线性关系，推算到大气层外界的太阳辐射值，从而获取定标系数。
精确的辐射定标是气象卫星定量化应用的基础。由于不是所有的卫星都具有星上定标装置，而卫星发射上天后的在轨测试阶段需要用到卫星仪器的辐射定标系数来进行产品测试等方面的工作。
载荷性能指标及影响因素分析
随着遥感成像技术的不断发展，星载遥感器系统变得越来越复杂，正向着具有更高空间分辨率、光谱分辨率和辐射分辨率的方向发展，特别是高光谱遥感技术的出现，其数据质量和产品真实性受载荷技术指标、平台参数、辐射传输过程及各种检测/分类算法等多种因素的影响。而目前的成像系统设计都综合考虑在成本、研制周期及降低风险的限制下获得最优的数据质量。因此，星载高光谱遥感器的设计、评价和遥感任务预测面临一系列的挑战。我国已经将星载高光谱成像仪立项，高光谱遥感图像作为一种产品，对其质量的评价，必将随着高光谱遥感图像应用的进一步深入而引起越来越多的关注；此外，我国发射的卫星载荷普遍存在上星后载荷性能退化严重等问题，影响了载荷数据的有效应用。如何在上星前将载荷设计、应用潜力预测和评价相结合，获得高质量且满足应用部门需求的遥感数据是当前高光谱遥感应用亟待解决的关键技术之一。
针对影响高光谱数据质量的各种因素，从辐射质量要素、几何质量要素、光谱质量要素等方面展开详细的分析与研究；针对各个要素包含指标的释义、模型、影响环节等展开了详细的分析与总结，为后续高光谱数据质量与应用能力评价模型的建立奠定了良好的技术基础。
2.4.1 辐射质量要素
2.4.1.1 辐射定标精度
（1）说明/释义
辐射定标包括相对辐射定标与绝对辐射定标。相对定标精度即（提升）遥感探测器元件归一化的精度，目的是为了校正遥感器中各个探测器元件响应度的差异，对遥感器测量到的原始数字值进行归一化处理，相对定标精度由相对定标过程中的各种参数测量、计算产生的不确定度得到；绝对辐射定标是建立遥感器记录的数字信号与相应的辐射能量之间对应关系的模型。定标精度指的是绝对定标过程中各种参数测量产生的不确定度。
相对定标精度计算如下：
高光谱遥感技术原理及矿产与能源勘查应用
式中：DNcal-i为相对定标后的探测元件数字值；DNraw-i为原始探测器元件采集的数字值；Bi 为第i个探测元件归一化后的偏置值，即归一化的暗电流；NG i 为第i个探测元件归一化后的增益值。
高光谱遥感技术原理及矿产与能源勘查应用
式中：ε相对定标为相对定标精度；ε1，ε2，…，εn为n个不确定度/误差。
绝对定标精度计算如下：
Rad ＝ A·DN ＋ B （2.6）
式中：Rad为辐亮度；A为增益系数；B为偏置；DN为仪器记录的数字值。
高光谱遥感技术原理及矿产与能源勘查应用
式中：ε绝对定标为不确定度平方和的根；ε1，ε2，…，εn为测量过程中的各不确定度。
（2）影响因素
影响相对定标精度的因素包括：地物反射特性的均一性与稳定性、大气的吸收与散射、平台的稳定度与指向精度、探测器响应特性、地面平坦度、成像区域覆盖范围、太阳高度角、地物均值与方差的估计、区域选择等。
影响绝对定标精度的因素包括：大气光学厚度计算与测量误差、地面反射率测量误差、地物BRDF特性分析与测量、大气模式/大气吸收与垂直分布、探测器的响应特性（灵敏度、稳定性、均匀性等）、地表朗伯特性、定标环境、测量方法的不确定性等。
2.4.1.2 动态范围
（1）说明/释义
传感器的动态范围是指传感器可以线性响应的入射辐亮度范围，即遥感器的探测器件从线性输出开始到达饱和的响应范围。理想的遥感器系统应该是线性的，探测器线性响应区的下限由噪声水平等决定，上限与探测器的阱深相对应。
［DNmin，DNmax］或［Rmin，Rmax］即为动态范围。
（2）影响因素
影响探测器的因素包括暗电流/低电平、阱深、响应函数等。动态范围一般通过在图像中找到明暗两种目标，然后根据定标系数与原始图像数据，计算两类明暗目标的反照率/辐亮度，然后外推得到当图像饱和时图像数据目标的反照度/辐亮度。因此，定标精度和明暗目标辐亮度的计算、拟合、外推方法也是影响动态范围估计的主要因素。
2.4.1.3 信噪比
（1）说明/释义
信噪比是指输出信号与噪声的电压比值或输出信号与噪声的功率比值。当利用图像进行信噪比估计时，采用图像均值与方差的比值进行SNR估计。SNR计算方法主要包含以下两种方法：
A：
高光谱遥感技术原理及矿产与能源勘查应用
式中：B（λ）为入射的光谱辐亮度（已转换为电子数）；
为散粒噪声方差；
为定标噪声方差；
为读出噪声方差；
为量化噪声方差。
B：
SNR＝mean/std （2.9）
式中：mean为图像均值；std为图像标准差。
（2）影响因素
影响系统SNR的主要因素为目标地物反射特性、大气透过率、能见度、光学系统透过率、衍射效率、探测器积分时间、量子效率、太阳高度角等。一般情况下，利用图像进行SNR估计的主要方法如下：选择均匀地物场景的图像进行均值与方差的计算得到SNR；也可以在同一地区选择地物反射特性类似的区域多次成像（成像时间接近），取多个SNR的平均值；也可以用该方法估计不同地区、不同地物、不同观测条件下的SNR。因此，估计方法选取、区域选取等也是影响系统 SNR 的主要因素。
2.4.2 几何质量要素
2.4.2.1 调制传递函数
（1）说明/释义
调制传递函数反映遥感器（或图像）的光学对比度与空间频率的关系，是成像系统对所观察景物再现能力的度量。把成像物体看作是由各种空间频率组成的谱的形式，频率大小不同的成分经过成像系统调制后的下降程度也不同，描述各个空间频率调制度下降程度的函数称为调制传递函数（MTF）。从图像上可以利用点扩散函数/线扩散函数/边缘调制度等实现MTF的检测。
计算公式如下：
MTF ＝图像的调制度 /目标的调制度 ＝ Mi /M （2.10）
（2）影响因素
MTF主要影响因素包括：大气的光学湍流效应、气溶胶等散射；探测器单元尺寸、电子学的结构与工作方式、光学系统结构与性能、平台的运动与振动、探测器的采样、量化、衍射效率、探测器像元配准精度；观测距离/观路径长度；处理方法/MTF检测方法。
2.4.2.2 空间分辨率
（1）说明/释义
光学遥感系统的空间分辨率是指与探测器单元对应的最小地面尺寸，地面分辨率（GSD）描述遥感器能区分两个相邻目标地物之间的最小距离，即遥感器单个探元所对应的地面投影尺寸。
计算公式如下：
高光谱遥感技术原理及矿产与能源勘查应用
式中：a为探元尺寸；H为卫星轨道高度；f为遥感器焦距。
（2）影响因素
影响因素主要包括：大气点扩散函数、探测器器件尺寸及性能、卫星平台高度、观测角度地形起伏。
2.4.3 光谱质量要素
2.4.3.1 光谱中心波长位置
（1）说明/释义
光谱中心波长位置是指某一光谱通道上，光谱响应函数峰值所对应的光谱波长位置，单位一般为nm，μm。
计算公式如下：
λ ＝ λ0｛λ0maxf（λ）｝（2.12）
（2）影响因素
研制阶段：光栅分光器件的光栅常数、闪耀级次、闪耀波长及衍射角（光栅分光器件性能）、狭缝宽度，探测器单元尺寸与响应灵敏度、光机结构、光学系统成像质量、仪器噪声水平、光谱响应函数测量仪器与环境性能等。
在轨阶段：系统分光器件性能衰减、探测器与分光器件结构变化、大气廓线临边测量的准确性或选择的地物矿物光谱特征的稳定性，光谱定标精度或光谱定标过程中的不确定性。
数据处理阶段：光谱响应函数拟合策略与光谱中心波长估算方法。
2.4.3.2 光谱分辨率（波段光谱响应）
（1）说明/释义
光谱曲线上能够区分开的两个相邻波长的最小光谱间隔，其单位和波长的单位一致，一般为nm，μm。通常采用半高宽表征光谱分辨率。
计算公式如下：
Δλ ＝ λ2-λ1 （2.13）
式中：λ2 ，λ1 分别对应波段光谱响应下降到光谱最大响应值的50% 时的波长位置/大小。
（2）影响因素
研制阶段：光栅分光器件的光栅常数、闪耀级次、闪耀波长及衍射角（光栅分光器件性能）、狭缝宽度、探测器单元尺寸与响应灵敏度、光机结构、光学系统成像质量、仪器噪声水平、光谱响应函数测量仪器与环境等。对于干涉型高光谱成像仪，两个干涉光束间的最大光程差对光谱分辨率具有决定性的作用。
在轨阶段：系统分光器件的性能衰减、探测器与分光器件结构变化、大气廓线临边测量的准确性或选择地物矿物光谱特征的稳定性。
数据处理阶段：光谱响应函数拟合策略与光谱分辨率计算方法。