实验报告_云的提取和气溶胶反演

实验二 云的提取和气溶胶反演

实验报告

一、实验目的（4分）

1. 云的提取实验目的：

掌握遥感图像中云的提取方法。

2. 气溶胶反演实验目的：

了解大气气溶胶的组成，理解气溶胶反演的方法和流程。

二、实验数据和内容（6分）

1. 云的提取实验数据和内容：

实验数据：2001年7月26日的Landsat 5，119/38图像。

实验内容：①几何精校正，本实验下载时图像已经做过几何精校正；②运用波段计算工具进

行处理，即可得到薄云和厚云的二值图像。

2. 气溶胶反演实验数据和内容：

实验数据：北京地区2012年6月4日的MODIS L1B 1KM数据、北京市矢量图、北京地区

2012年6月4日的MODIS气溶胶产品。

实验内容：①MODIS影像的辐射校正；②MODIS影像的几何校正，包括发射率的几何校正、

反射率的几何校正和角度数据集的几何校正；③波段合成与裁剪，包括反射率和发射率的合

成与裁剪，角度数据集的合成与裁剪；④合成后处理，包括云检测和角度数据波段计算；⑤

气溶胶反演；⑥反演结果分析。

三、实验方案（40）

1. 云的提取实验（主要步骤及截图，10分）

（1）薄云的提取

在ENVI中用basic tools->band math处理，输入表达式“（b6/b1） lt 1”，即可得到薄云

的二值图像，利用该图像对原图像进行掩膜即可提取原图像中的薄云。

运算工具界面 薄云二值图

（2）厚云的提取

在ENVI中用basic tools->band math处理，输入表达式“（b5/b6） gt 1.5”，即可得到厚

云的二值图像，利用该图像对原图像进行掩膜即可提取原图像中的厚云。

波段计算 厚云二值图

（3）图像掩膜

在ENVI中用Masking->Apply Mask处理，选择相应的波段和掩膜所使用的薄云和厚云

的二值图，操作过程以其中一个波段为例进行演示，其他波段以相同的方式进行处理。

选择提取图像 选择掩膜图像

2. 气溶胶反演（主要步骤及截图，30分）

一、发射率的几何校正

（1）在ENVI中用Geometric Correction->Georeference by Sensor-> GeoreferenceMODIS处理

（2）打开输入MODIS数据对话框，选择发射率作为输入文件，点击OK，如下图所示。

输入发射率文件

（3）参数设置，注意保持GDP控制点文件以及对MODIS影像做双眼皮去除。

MODIS几何校正参数设置

（4）发射率几何校正参数设置，注意分辨率为1000（默认）。

保存几何校正文件发射率几何校正结果

二、反射率几何校正

（1）Wrap from GCPs->Image to Map Registration 工具，发射率文件几何校正之后，可以利

用导出的GCP控制点文件来校正其他文件。

选择GCP控制点文件

（2）投影参数设置，更改分辨率为1000，根据对话框参数设置流程，选择待校正的反射率

文件，注意更改几何校正方法为Triangulation，重采样方法为Bilinear，这样才能与之前的

发射率结果相匹配。操作步骤与发射率相似，这里直接给出校正结果图。

反射率几何校正结果

三、角度数据集的几何校正

前面操作数据采用的是MODIS L1B 1KM数据，其中包括了角度信息，但是角度数据

集的行列号与科学数据集的行列号不同，因此如果想用校正发射率的GDP控制点数据来校

正角度数据集，必须在角度数据集校正之前进行重采样到行列号为（1354,2030）。

（1）打开角度数据集，并进行重采样。角度数据集的行列数是271*406的，而发射率的行

列数是1354*2030的，因此想要用之前的GDP控制点文件来校正角度数据集，必须先进行

重采样。

（2）双击Resize Data 工具，选择其中一个角度数据进行重采样。依次将四个角度数据进

行重采样之后，就可以进行几何校正了。

选择重采样角度数据重采样参数设置

（3）角度数据集几何校正。角度数据的几何校正和反射率的几何校正是一样的，根据校正

发射率产生的GDP控制点文件，利用Wrap from GCPs:Image to Map Registration工具进行校

正。校正结果如下图。

四、波段合成与裁剪

（1）反射率和发射率的合成。在ENVI下打开之前校正好的反射率和发射率文件，利用Layer

Stacking工具进行合成。

选择反射率和发射率文件并选择裁剪文件输入反射率和发射率文件

选择结果保存的路径点击合成 反射率发射率合成结果

（2）角度数据的合成。操作步骤和上述一样，要注意角度数据的合成时的顺序是卫星天顶

角、卫星方位角、太阳天顶角、太阳方位角，合成结果如下图所示。

角度合成结果

五、合成后处理

（1）云检测。云检测工具是扩展工具，该工具实现对反射率和发射率的合成文件进行去云

处理，将扩展工具安装包放在ENVI安装目录下的extensions文件夹下，重启ENVI即可看

到modis_cloud工具。双击打开工具，选择发射率和反射率合成裁剪后的结果，保存云检测

结果。

选择数据合成结果云检测结果

（2）角度数据。HDF中的角度数据是扩大了100倍的，所以在进行气溶胶反演之前需要将

角度合成数据乘以0.01，在这里需要用到band math波段计算工具。

六、气溶胶反演

气溶胶反演工具也是扩展工具，刚刚添加扩展工具操作已经同时将其放在ENVI安装目

录下，完成了扩展工具的安装。

（1）双击modis_aerosol_inversion，弹出“选择云检测结果”对话框，选择前面操作保存的

云检测结果。根据操作弹出的对话框，依次选择角度合成数据、选择查找表文件、保存气溶

胶反演结果。

选择云检测结果 选择角度数据

选择查找表文件 保存气溶胶反演结果

（2）查看反演结果。

气溶胶反演结果气溶胶反演结果彩色显示

四、结果分析（50分）

1. 对比真彩色合成结果与提取结果，云是否被全部提取出来？哪些区域的云提取不完整，

为什么？（结果图对比，如有提取不完整的地方用红框标出，解释其原因）（20分，300字）

真彩色合成图 云掩膜提取图

由结果对比图可知，遥感影像中的云层基本全部被提取出来，这是因为：针对不同的云

层厚度，采用不同的提取方法对遥感影像进行云处理，提高了云检测的精度。而红框中的部

分云未被成功检测，分析操作过程主要有以下可能的原因：①遥感影像中云层稀薄地区分布

较广，云检测结果可能会受到地理位置的影响；②像元只有部分云覆盖时可能不会被提取出

来从而产生误差；③由于云的复杂性，选定阈值时使用的是经验值，而阈值的确定往往是云

检测的关键，因此也会带来一定的误差；④当下垫面为河流、湖泊时，由于云和下垫面的反

射率相近，难以进行正确的辨别，因而有时会检测出错误的云。例如，若将地物误判为云被

检测，地物信息就会丢失；而若将云误判为地物保留时，则会影响云提取的结果。

2. 对比本实验反演结果与MODIS气溶胶产品以及北京土地利用覆盖情况，分析北京气溶

胶的空间分布情况，解释其原因。（30分，400字）

气溶胶反演结果 2015年北京土地利用分布

（注释：本实验所用的数据为北京地区2012年6月4日的MODIS L1B 1KM数据，气溶胶反演的结果为2012年北京地区的气

溶胶反演。由于找到的免费使用的北京土地利用数据最接近实验数据的只有2015年的，因此使用2015年北京土地利用分布数

据进行气溶胶的空间分布分析。原始数据来自“资源环境科学与数据中心”，右图为自己经过Arcgis处理后输出的北京土地利用

专题地图。）

从气溶胶反演结果图中可以看出，获得的气溶胶有效覆盖面积较高，在城区、耕地以及

植被区域都能较好地获取大气气溶胶的分布情况。城乡和草地、林地的气溶胶分布数量存在

差异，城乡地区气溶胶比重较大，整体呈现东南高、西北低的分布格局。低值区主要位于海

拔高、植被覆盖度大的西北部地区，高值区主要集中在人口稠密、经济与工业发达的北京中

部、东南部城区以及廊坊市。根据高值区的空间分布特征，大致推测出高值区为经济开发区

和北京首都国际机场。经济开发区拥有很多大面积的工厂用地，北京首都机场是世界上最繁

忙的机场之一，飞机发动机排放给机场大气污染带来压力，因此这些地区污染较为严重，导

致气溶胶值较高。然而，西北部地区含有较高覆盖度的密集植被，气溶胶可以促进植物碳吸

收能力和水分利用效率，并有研究发现植物茎干的生长量和植株水分利用效率随着气溶胶浓

度的增加呈显著上升趋势。因此，较高密度的植被覆盖地区气溶胶的分布相对较少。