[微课堂]遥感影像的地形校正

如何有效消除地形影响以获得准确的地表反射率一直是遥感领域研究的一个难点。本期【微课堂】带你了解遥感影像的地形校正。

山地丘陵是陆地的基本形态之一，分布十分广泛。尤其是亚欧大陆和南北美洲大陆分布最多，中国的地形分布如图1所示，呈西高东低的特点，地形复杂。据第一次地理国情普查公报显示，丘陵面积占中国陆地国土面积的20.39%，山地面积占全国陆地国土面积的43.65%。

图1.  中国地形分布

蜿蜒起伏、巍峨奇特的山地丘陵，层峦叠嶂，形态奇特多样，有的彼此平行，绵延数千公里；有的相互重叠，犬牙交错，山里套山，山外有山，连绵不断，形成了独特的地形地貌（如图2）。

图2.  山区风景

遥感影像中的山区风貌图表现出了明显的纹理特征（如图3）。然而，地形的崎岖分布一定程度上降低了山区LAI、FVC等参数反演以及地表分类等数据产品的精度，限制了遥感技术的发展及应用。究其原因，地形起伏一方面导致了地表接受能量的重新分配，能量传输过程如图4所示，形成了阴影、周围地形遮挡等现象。另一方面，山区独特的环境也导致了山区局部气候多变，容易积云聚雨。

图3.  山区遥感影像

图4.  山区辐射传输过程

如何有效消除地形影响以获得准确的地表参数一直是遥感领域研究的一个难点。地形校正是崎岖地表下的高分辨率遥感数据的一个重要的预处理步骤。它能够在一定程度上抵消地形的影响，使反演的参数更接近真实地表的反射和辐射特性。地形校正的方法可概括为通过各种变换，将所有像元的辐射亮度或反射率变换到某一参考平面上（通常取水平面），从而消除由于地形起伏而引起的影像值变化，使影像更好地反映地物光谱特征。目前，学者已经提出了大量的地形校正模型，主要可分为经验模型、半经验模型、物理模型。

经验模型

经验模型，不需要引入额外的信息，例如波段比模型等。波段比模型通过简单的波段间辐射亮度或反射率波段做比值的方法来实现去除地形影响的效果。该方法假设地形对不同波段的辐射亮度或反射率具有相同的削减效应。很明显这种方法在不同地物的相关波段特性相似的情况下失效。而同时经过这种方法校正后的图像没有物理意义，无法用于定量化研究。

半经验模型

半经验模型具有一定的物理意义，但需要引入DEM来辅助进行校正，这种方法往往只考虑太阳直接辐射，而忽略天空漫散射及临近地表散射的影响。同时这类方法往往假设地表为朗伯体，忽略地表的BRDF效应，或者是通过一些经验参数来对模型进行修正。这类方法主要包括余弦校正、C校正、Minnaert模型校正、SCS校正、SCS+C校正等。余弦校正通过引入DEM来获取太阳方向与地表目标表面法线之间的角度，并利用卫星传感器所接受的辐射与太阳直接入射辐射的经验余弦关系来对影像进行校正。C校正是在余弦校正基础上加入经验参数，其中经验参数C完全通过样本统计回归的方式获取，可在一定程度上弥补朗伯体假设及忽略其他辐射造成的误差。Minnaert模型校正属于基于非朗伯假设的校正方法，它通过引入Minnaert函数来描述地表的非朗伯特性。其中，Minnaert常数k依赖与波长、相位角、地表覆盖类型，需要通过不同的日-地几何关系和影像波段参数进行估计。SCS校正是基于森林覆盖场景中树木的向地性生长特点构建的太阳-冠层-传感器校正模型。而SCS+C模型则是类似于C模型相同的思想，通过引入经验系数来达到弥补模型假设不足的效果。这类方法相对简单且具有一定的精度，得到了广泛的应用。

物理模型

物理模型主要基于大气-地表耦合辐射传输方程，具有严格的物理意义。它从物理机制上考虑了天空漫散射及临近地表散射效应。物理模型也分为地表朗伯假设及非朗伯假设两种。基于朗伯假设的物理模型相对简单。而基于非郎伯假设的校正模型需要引入一定的先验信息，如有学者通过引入归一化方向反射因子建立的地表反射率地形校正模型，取得良好的效果。此外，由于地表与大气耦合作用，目前在大气校正基础上的地形校正模型有一点的局限性，也有部分研究者试图建立大气-地形联合校正的一体化模型。总之，这类方法相对复杂，需要大量的先验辅助信息，目前还不能得到广泛的应用。

图5展示的是地形校正前后的遥感影像。从图中可以看出，经过地形校正后，有效消除了由于地形起伏而导致的地形阴影以及阴阳坡的差异，更好地反映了地物光谱特征。

图5.  地形校正前后影像对比（Wen JG,IJRS,2009）

虽然目前地形校正模型已取得了较大的发展，但仍然面临着很多问题：

01

现有的地形校正模型主要借助高分辨率DEM进行校正，因此校正效果受制于影像于DEM的配准精度及DEM自身的精度。但目前DEM自身的精度配准精度都难以满足要求。相信随着测绘遥感技术的进步，这一问题可以得到很大的改善。

2

现有的大多数的地形校正模型都是基于地表朗伯反射的假定，或者是基于经验系数来描述地表的非郎伯特性。而这些经验参数的确定往往依赖于特定的影像区域以及成像的大气及太阳-地表-传感器几何位置关系，具有很大的局限性。因此，建立真正意义上的考虑地表非朗伯性质的地形校正模型仍然十分必要。

3

现有的物理模型虽然能够实现足够的精度，但是由于需要足够的先验信息，仍然无法取代经验及半经验模型的主导地位。相信随着地球空间信息技术的发展，关于大气、地表参数的获取手段越来越丰富，基于物理机制的地形校正模型将得到更多的应用。而如何实现简化物理模型的同时能够保证其精度，是我们需要考虑的方向。

以上内容由遥感科学国家重点实验室遥感辐射传输研究室郝大磊提供。