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數(shù)字量化值、輻射亮度、反射率、亮溫的含義及計(jì)算公式

 geoallan 2024-06-24 發(fā)布于四川

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(wú)單位,是一個(gè)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(guò)率和散射率等有關(guān)。DN值通常被用來(lái)描述還沒有校準(zhǔn)到具有意義單位的像素值。如果只是想看一個(gè)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(lái)保存。所有遙感影像原始數(shù)據(jù)都是DN值,要經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)轉(zhuǎn)換成具有實(shí)際物理含義的表觀反射率(光學(xué))或后向散射系數(shù)(SAR)。

DN值范圍的不同是因?yàn)椴煌瑐鞲衅髁炕?jí)不同,就是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)將傳感器接收電平的量化級(jí),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(hào)是10bit量化,理論上DN值范圍為0-1024。高分一號(hào)02、03、04星相機(jī)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(gè)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(xiàn)值,也包含云層的影響。同時(shí),輻射亮度值也會(huì)受到輻射源的影響,如光學(xué)遙感中的太陽(yáng)。國(guó)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(guó)際制單位的0.1倍。

將未定標(biāo)的DN圖像轉(zhuǎn)成輻射亮度值圖像,是輻射定標(biāo)的一種方式,通常只用一個(gè)線性轉(zhuǎn)換公式及偏移和增益就可以完成,數(shù)據(jù)源會(huì)公開這兩個(gè)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(shí)候?yàn)榱斯?jié)省儲(chǔ)存空間,擴(kuò)大一定的倍數(shù),如放大一萬(wàn)倍[0,10000],浮點(diǎn)數(shù)變成整數(shù)存儲(chǔ)。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(cè)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(xiàn)。大氣表觀反射率通過(guò)輻射亮度定標(biāo)參數(shù),太陽(yáng)輻照度,太陽(yáng)高度角和成像時(shí)間等幾個(gè)參數(shù)計(jì)算得到。
 表觀反射率一般采用如下公式:

圖片

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

下面介紹日地距離(天文單位)的計(jì)算代碼,首先計(jì)算儒略日
//計(jì)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(yīng)儒略日計(jì)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(guò)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(shí)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??蓮妮椛淞炼葓D像中計(jì)算得到,有很多的計(jì)算模型,如輻射傳輸模型,其實(shí)就是去除云層、大氣組分、臨近地物等因素影響的過(guò)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(biāo)的DN圖像轉(zhuǎn)成反射率圖像,通常采用線性變換模型計(jì)算。和溫度相關(guān)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(dāng)一個(gè)物體的輻射亮度與某一黑體的輻射亮度相等時(shí),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(gè)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(gè)廣義的溫度定義,這個(gè)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^(guò)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(duì)應(yīng)的就是地表溫度,簡(jiǎn)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(shí)際的溫度。通常低于物體的真實(shí)溫度。只有熱紅外波段才能計(jì)算亮溫。亮溫的計(jì)算公式:

圖片

式中:
rad是輻亮度
K1和K2是定標(biāo)常數(shù),數(shù)據(jù)源會(huì)給出。

以上內(nèi)容為個(gè)人總結(jié)結(jié)果,歡迎大家關(guān)注,批評(píng)指正。

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