本文介紹基於ENVI軟體，實現對Landsat 7遙感影像加以預處理與多種不同大氣校正方法的操作。

1 資料匯入與輻射定標

關於資料的下載，網路中相關資源很多，這裡不再贅述。

在我們所獲得的遙感影像原始資料中，每一個畫素對應的像元值往往是未經明確量化、沒有統一量綱的資料（DN值，即Digital Number）；而當我們需要利用遙感影像的資訊對地物屬性進行分析時，則往往需要其輻射亮度值、反射率值等。因此，我們首先需要通過「輻射定標」操作實現上述資料之間的轉換。

（1） 將影象壓縮包（例如「LE71230392011231EDC00_RGF_21.rar」)解壓縮；開啟ENVI Classic 5.3（64-bit）軟體，選擇「File」→「Open Image File」，在彈出的檔案選擇視窗中分別選中壓縮包中字尾名包含「B10」「B20」「B30」「B40」「B50」「B70」的六個「.tif」格式檔案；點選「開啟」。

（2） 選擇「Basic Tools」→「Preprocessing」→「Calibration Utilities」→「Landsat Calibration」，在彈出的檔案選擇視窗中選擇一個波段的影象。

（3） 在彈出的屬性設定視窗中調整待定標衛星影象對應的感測器、資料獲取日期、太陽高度角、對應波段數、電磁波型別（輻射或反射）、檔案儲存方式及地址等資訊。其中，與衛星有關的資訊可以由衛星影象的後設資料資訊中獲取。

（4） 執行上述操作共六次，從而對壓縮包中1、2、3、4、5、7六個波段的影象均進行輻射定標操作。

2 波段合成

如前所述，我們本次選用一幅完整遙感影象中1、2、3、4、5、7六個波段的影象進行分析操作，而上述定標操作後的結果是將各個波段的結果影象單獨列出，並未連在一起；因此，為了使得後期分析時，我們可以獲得一幅影象各個不同波段完整的變化曲線，我們需要對上述影象進行「波段合成」操作。

（1） 選擇「Basic Tools」→「Layer Stacking」，在彈出的檔案選擇視窗中選擇經過輻射定標後的六個波段的影象。

（2） 選擇後，需要觀察六幅影象在待合成檔案列表中的排列順序。由於後期我們需要對合成後的影象各個波段的資訊進行折線圖形式的分析操作，因此需要將待合成檔案按照「中心波長值」由小至大的順序排列。點選「Reorder Files」即可實現這一功能。

（3） 順序排列完畢後，檢查投影資訊等無誤後，點選「OK」即可開始合成操作。

3 編輯標頭檔案

波段合成操作完畢後，所得結果影象中包含了原有六個波段的資訊。但由於合成過程中，我們並未將每一個波段的資訊「告訴」軟體，因此合成後的影象中六個波段的中心波長值為預設數值（分別為「1」「2」……「6」）。為解決這一問題，我們需要手動為合成後的影象各個波段賦以其原有的波長數值。

（1） 在「Available Bands List」檔案列表中右鍵選擇波段合成後的結果檔案，選擇「Edit Header」功能。

（2） 選擇「Edit Attributes」→「Wavelengths」，按照影象各個波段原有中心波長資訊對合並後影象各個波段的波長資訊進行修改，並注意將資料單位修改為「Micrometers」。

4 轉換檔案格式

由圖可以看到，經過波段合成、編輯標頭檔案後的結果影象「allbands」的資料儲存格式為「BSQ」模式，而接下來所需要進行的大氣校正中，FLAASH方法需要原始檔案的資料儲存結構為「BIP」或「BIL」模式，因此，我們需要對資料檔案的儲存格式加以轉換。

（1） 選擇「Basic Tools」→「Convert Data (BSQ,BIL,BIP)」，在彈出的檔案選擇視窗中選擇經過波段合成、編輯標頭檔案操作後的結果影象，點選「OK」。

5 QUAC快速大氣校正

首先使用快速大氣校正工具（QUAC）進行大氣校正。這種校正方法將自動由影象中收集不同地物的波譜資訊，從而獲得相關經驗值，以進行大氣校正。值得注意的是，這一大氣校正方法只可以對多光譜、高光譜影象進行處理。

QUAC快速大氣校正對待處理檔案資料單位、資料儲存格式等並沒有要求，即我們既可以使用通過上述步驟轉換得來的「BIL」格式檔案，亦可以使用轉換前的「BSQ」格式檔案。

（1） 選擇「Basic Tools」→「Preprocessing」→「Calibration Utilities」→「Quick Atmospheric Correction」，在彈出的檔案選擇視窗中選擇待處理影象檔案，點選「OK」。

（2） 得到結果影象檔案後，可在其上任意位置處右鍵，選擇「Z Profile (Spectrum)」，即可檢視影象中任意位置像元所對應的波譜資訊；若同時開啟多個視窗，則可在其中任意一個影象視窗中右鍵，選擇「Geographic Link」，並將對應的視窗資訊均調整為「ON」，即可實現同一區域的光譜資訊多影象對比。下圖即為經過QUAC快速大氣校正後的影象與處理前影象的對比。具體對比結果將會在本文後半部分分析。

6 簡化黑暗像元法大氣校正

黑暗像元法基本原理為：假定待校正的遙感影象上存在黑暗像元區域，且地表為朗伯面反射、大氣性質均一，則反射率或輻照亮度很小的黑暗像元由於受到大氣的影響，使得這些像元的亮度值相對增加；可以認為這一部分的增加亮度是由於大氣的影響造成的。在此基礎上，若將全影象所有像元的亮度值都減去這一數值，得到的結果即為減少了大氣影響的校正結果影象。這一方法十分簡單，且其所獲得的校正精度可以滿足一般的遙感研究與實際應用。

（1） 選擇「Basic Tools」→「Preprocessing」→「General Purpose Utilities」→「Dark Subtract」，在彈出的檔案選擇視窗中選擇待處理影象檔案，點選「OK」。

（2） 在彈出的視窗中選擇校正方法。共有三種校正方法可供選擇，分別為「Band Minimum」「Region Of Interest」與「User Value」。這三種方法的差異在於黑暗像元的選取方式有所不同——第一種方法將會以波段最小值作為假設中的黑暗像元，第二種方法將會以影象中我們所選取的研究區域的畫素平均值作為假設中的黑暗像元，而第三種方法將會以使用者輸入的數值作為假設中的黑暗像元。結合情況，我們選擇第一種方法進行操作。

（3） 點選「OK」，即可完成操作。

7 FLAASH大氣校正

FLAASH大氣校正方法適用於多光譜資料與高光譜資料，能夠精確補償大氣對輻射的影響。這一方法採用MODTRAN4+ 輻射傳輸模型，通過影像畫素光譜中的特徵估計大氣屬性，可以有效去除水蒸氣、氣溶膠散射等效應帶來的干擾，精度較高。

而另一方面，FLAASH方法同樣對待處理資料有一定嚴格要求，如需要資料儲存結構為「BIP」或「BIL」模式，像元值型別為經過定標後的輻射亮度或輻射率資料，資料單位為(μW)/(cm2nmsr)。

（1） 選擇「Basic Tools」→「Preprocessing」→「Calibration Utilities」→「FLAASH」，在彈出的轉換因子視窗中選擇第二項，即單一因子適用於所有波段的情況。由於我們本次所使用資料原有光譜數值為標準單位，即(W)/m2 *μm *rad，為了將這一單位換為FLAASH方法所能利用的單位，我們需要將轉換因子設定為10.00。

（2） 在隨後彈出的設定對話方塊中，首先選擇輸入影象檔案、輸出影象檔案目錄及名稱，同時依據遙感影像的後設資料，設定其中心點經緯度、感測器型別（感測器型別一旦選定，系統將會自動匹配感測器高度與像元大小這兩個引數）、航行時間；同時依據實際研究區的情況，設定平均海拔高度這一選項；其次，選擇合適的地球大氣模型和氣溶膠模型。其中，地球大氣模型需要根據一張標準查詢表確定，氣溶膠模型則依據研究區域實際情況加以確定。

（3） 接下來，選擇「Multispectral Settings」。當基本設定中設定了水汽反演模型和氣溶膠模型時，我們需要相應地將多光譜相關屬性加以設定，設定完畢後點選「OK」。

（4） 全部設定完畢後，可以點選右下角的「Save」按鈕，從而將本次對於FLAASH方法的全部屬性設定儲存；在後期若對同樣的遙感資料進行同樣的操作時，儲存屬性設定可以免去多次重複調整相關引數的工作，從而提高效率。

（5） 點選「Apply」，將會開始執行FLAASH大氣校正。前期執行時，軟體都在過程中停止運算，並報如下錯誤：

（6） 針對這一問題，嘗試了網路論壇中所提供的一些方法，但錯誤依然存在。隨後注意到，目標資料夾中包含中文欄位；雖說其他操作（如QUAC快速大氣校正、簡化黑暗像元法大氣校正等）並未出現報錯的現象，但考慮到FLAASH方法較為複雜，因此將目標資料夾改為純英文路徑，發現問題得到解決。

（7） 得到結果後，同樣得到一份結果紀錄檔。

8 大氣校正結果與其他處理對比分析

8.1 三種大氣校正方法結果與未校正結果對比分析

如上圖所示，左上、右上、左下、右下四幅圖分別為QUAC快速大氣校正、簡化黑暗像元法大氣校正、波段合成後未經大氣校正、FLAASH大氣校正所得到的結果影象。

由圖可知，QUAC快速大氣校正與FLAASH大氣校正所得結果為輻射率資料，資料往往在1500至2000部分；而簡化黑暗像元法大氣校正和波段合成後未經大氣校正的結果數值則多處於80以下。請教老師後得知，不同大氣校正所得到的結果數值單位有一定差異。而正由於四種影象資料單位不同，因此不能單純比較其在數值上的差異，而是需要結合整幅波譜曲線圖加以分析。

可以看出，未經大氣校正的結果與簡化黑暗像元法大氣校正結果十分類似，二者之間的差異很不明顯；我認為，這是由於這種方法僅僅為將原圖減去一個作為黑暗像元，而這一幅影像中最小畫素值數值較小，使得簡化黑暗像元法大氣校正再減去這一數值後和原有畫素相差不大導致的。QUAC快速大氣校正與FLAASH大氣校正所得結果與未經大氣校正的結果差異明顯，且兩種校正方法均在0.5至0.6毫米處有由低升高的趨勢，隨後呈現出一個較大的下降趨勢，並在0.8毫米左右變得較為平緩。此外也可以看到，QUAC快速大氣校正所得結果數值整體大於FLAASH大氣校正所得結果。

8.2 定標前後結果對比與不同地物波譜曲線對比分析

首先，需要將原有未經過輻射定標的六個波段影象資料合成，生成一幅包含六個波段但未經過輻射定標的結果資料。其中需要注意，所得結果同樣需要編輯標頭檔案中六個波段的中心波長數值。將處理完畢的資料放在一起對比、分析。

以下每一幅大圖都包含六幅小圖。其中，第一排最左側圖為遙感影象，左上第二幅圖為QUAC快速大氣校正結果圖，左上第三幅圖為簡化黑暗像元法大氣校正結果圖，最右側圖為未經輻射定標的結果圖；下排第一幅圖為波段合成後未經大氣校正結果圖，下排右側圖為FLAASH大氣校正所得到結果圖。

（1） 上圖所示為水體的光譜曲線。可以看到經過大氣校正後的水體波譜曲線在波長較低時具有較高的反射數值，而均在0.7左右出現大程度的下降，並迅速降低到零值附近；隨後繼續下降，但整體下降速度變得較慢。這符合水體在藍綠波段具有較強反射，而在其它波段，尤其是近紅外波段處對輻射的吸收程度最大，反射甚至達到零的結論。下圖則是另一處水體的光譜資訊。可以看出兩處水體光譜資訊在細節上有一定差異，但整體趨勢與數值十分相似。

（2） 下圖為一處建築物聚集地的輻射曲線影象。可以看出其經過校正後的光譜曲線在波長較小時整體數值較低，而在0.8左右有所上升，並在1.65附近開始下降。此外，不難發現，這一建築物的輻射曲線受到不同大氣校正方法、是否進行大氣校正、是否定標等影像較為強烈，五幅曲線圖幾乎均不一樣。我認為這可能是由於住宅區受人為影響較大，地物較為複雜，從而導致不同原理、不同精度的操作方式在最終所得結果上出現較大差距。

（3） 以下兩圖為不同位置的兩處植物的輻射曲線影象。可以看到，輻射影象在0.7至0.8附近上升快速，並在0.9左右形成一個峰值；隨後曲線趨勢較為平緩，達到1.5至1.6附近再次迎來一個峰值，隨後明顯下降。這同樣較為符合植物反射的規律，即在綠色光0.5附近吸收率較高，反射率低；在可見光波段0.4至0.76處有一個反射峰值，而在近紅外波段0.7至0.8處有一反射陡坡；且在1.0至1.1附近有一峰值。但是亦可以看出，這裡的光譜曲線與純正的植被光譜曲線相比，有一些細節並沒有表現出來。

（4） 以下為本次對比過程中其它地區的影象和曲線。從這些圖對比依然可以發現之前得到的結論，即未經大氣校正的結果與簡化黑暗像元法大氣校正結果十分類似，二者之間的差異很不明顯；QUAC快速大氣校正與FLAASH大氣校正所得結果與未經大氣校正的結果差異明顯，在曲線升降趨勢方面就包含很大的不同。此外，QUAC快速大氣校正雖與FLAASH大氣校正所得結果趨勢較為類似，但前者數值依然明顯大於後者。

（5） 對比輻射定標前後結果影象的曲線圖同樣可以看出，在絕大多數情況下，輻射定標後光譜曲線與定標前相比，其曲線數值增長或下降趨勢不變，但是變化的幅度的確發生了很大變化——輻射定標後的影象曲線由外形上看，可以看作將原有影象曲線「拉伸」，原有較為平緩的部分變得較為陡峭，曲線上的極大值或極小值較之周圍資料變化較大，顯得更加突出。