光学遥感卫星大气校正研究综述

ＤＯＩ：１０．１３８７８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｎｕｉｓｔ．２０１８．０１．００２

龙

１

李正强

１１１１２

陈兴峰 马 伽丽丽 侯伟真 乔延利

夭

光学遥感卫星大气校正研究综述

０ 引言

地球是一颗表面包围着浓密大气的行星，在大气浑浊的情况下，

光学卫星拍摄到的遥感影像上，地物等目标信息会受到严重干扰

［１］

，

直观表现为传感器图像对比度、锐度等显著降低，产生模糊现象．这种

图像质量的降低，来源于大气中气溶胶、水汽等颗粒物和吸收气体对

于卫星接收到的地物反射的太阳辐射信号的削减作用，是一种独立

于传感器相机等成像系统的自然不可控因素．由于其在图像质量提升

方面的重要作用，以及空气污染造成的大气能见度降低等因素的影

响，大气校正在目前的光学卫星传感器数据处理链条中受到了越来

越多的重视．

对地观测的卫星传感器，尤其是在较短波长的光学波段，电磁辐

射不可避免地受到大气中各种气体和悬浮颗粒物的吸收和多次散射

作用

［２］

．在以大气为监测目标的研究中，遥感获得的地面信号被视作

一种噪声

［３］

，而在大气校正的研究中，大气则被认为是一种妨碍地物

目标信息提取的因素

［４］

，这是站在以观测地物为目标的定量遥感应

用立场来说的．在这种情况下，从卫星在大气层外观测的遥感数据中

扣除大气干扰，恢复地面真实信息就是大气校正的主要目标

［５］

．在遥

感器成像时刻，当大气中有较厚云层覆盖时，光学遥感往往无法穿透

云层，难以获得地表信号，这种情况下通常没有必要进行大气校正

［６］

．

的地表信息，提高卫星图像质量．

收稿日期２０１７⁃１１⁃１５

资助项目国家重点研发计划（２０１６ＹＦＥ０２０１４

００）；国家自然科学基金（４１７０１４０７）；中科院

科技创新重点部署项目（ＫＧＦＺＤ⁃１２５⁃１３⁃００６）

作者简介

李正强，男，博士，研究员，主要研究方向

为大气遥感．ｌｉｚｑ＠ｒａｄｉ．ａｃ．ｃｎ

陈兴峰（通信作者），男，博士，副研究员，

主要从事气溶胶光学卫星遥感研究．ｃｈｅｎｘｆ＠

ｒａｄｉ．ａｃ．ｃｎ

１中国科学院遥感与数字地球研究所国家环

境保护卫星遥感重点实验室，北京，１００１０１

２中国科学院合肥物质科学研究院中国科学

院通用光学定标与表征技术重点实验室，

合肥，２３００３１

摘要

由于高分辨率遥感应用需求增加的

牵引，国内外发射了越来越多的光学遥

感卫星载荷．然而，随着传感器分辨率的

增加，大气对地表信息干扰的问题也越

来越突出，光学遥感图像的大气校正问

题，因载荷特点和应用需求的改变面临

着一些新的挑战，有必要对其进行总结

和分析．本文在介绍大气校正现状和原

理的基础上，按照光学遥感卫星大气校

正输入信息来源不同，把大气校正方法

归纳为基于图像和图形处理方法、基于

辐射传输计算、基于图像自身信息反演

大气参数、基于大气同步校正仪的大气

校正４类进行介绍．最后，结合我国高分

辨率光学卫星的发展方向，对当前的大

气校正应用方案和未来发展进行了讨论

和展望．

关键词

光学遥感；大气校正；定量遥感；高

分辨率；辐射传输

中图分类号Ｐ４０７􀆰４

文献标志码Ａ

所以大气校正一般是在薄云和无云的情况下，致力于恢复遥感影像

大气对遥感器入瞳信号的贡献可超过８０％

［７］

，干扰最大的大气

组分是气溶胶

［８］

，其他组分诸如气体分子造成的吸收和瑞利散射，因

传感器波段设计已避开以及大气成分稳定等因素，相对而言校正或

扣除较为容易

［４］

．在空气动力学中，气溶胶是指直径约为０􀆰００１～１００

μｍ的颗粒物，可以长时间悬浮在大气中，因此也被叫做总悬浮颗粒

物．当光线照射时，气溶胶会发生散射和吸收作用导致遥感图像模

糊

［９］

．气溶胶本身在大气中的分布随着时间和空间变化很大，因此，与

入．不同的大气校正方法定义了不同的参量来描述大气或者气溶胶的

含量

［１０⁃１２］

，通常来说，在遥感中使用气溶胶光学厚度（ＡｅｒｏｓｏｌＯｐｔｉｃａｌ

Ｄｅｐｔｈ，ＡＯＤ）描述气溶胶在整层大气中的含量．图１显示了同一

［１３⁃１５］

遥感影像同步的气溶胶含量等信息是开展定量化大气校正的关键输

地区在半个月内（可认为光照和轨道情况变化较小），３种不同的ＡＯＤ

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学报（自然科学版），２０１８，１０（１）：６⁃１５

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１８，１０（１）：６⁃１５

７

Ｆｉｇ􀆰１ ＧＦ⁃１ｓａｔｅｌｌｉｔｅｉｍａｇｅｓ（１６ｍｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）ａｔＳｈｕｎｙｉ，Ｂｅｉｊｉｎｇｃｉｔｙ（ＡＯＤｉｓａｔ５５０ｎｍ）

图１ 北京市顺义区的ＧＦ⁃１卫星１６ｍ彩色图像（ＡＯＤ波长为５５０ｎｍ）

状况下，大气导致的卫星图像模糊效应的差异．标系数），随后扣除由于传感器特性引入的辐射测量

而设置了不同的光谱和空间分辨率

［１６］

．对于气象、海

洋、全球变化等领域的大尺度观测，遥感卫星通常为

了保障覆盖能力而设置很大的幅宽（１１０

×

６

ｍ级）和

较低的空间分辨率（ｋｍ级）．随着遥感应用深入到各

行各业，农、林、水、土、城、环、灾等行业都对高空间

分辨率的遥感观测提出了强烈需求

［１７⁃２１］

，遥感卫星

也逐步健全了百米级和亚米

［２２］［２３］［２４］

、十米级、米级

级空间分辨率观测能力，例如美国的ＫＢ⁃１１卫

［２５⁃２６］

星空间分辨率已达０􀆰１ｍ过大气校正提高污染区域图像可用率是满足遥感应

［２７］

．上述不同分辨率的光

学卫星在以地面目标为定量化监测对象时，都需要

进行辐射观测量的校正，按照校正的流程，可以分为测能力的提升遇到了瓶颈．通过增大光学孔径来提

传感器校正（绝对、相对）、大气校正、地形校正等．传高空间分辨率的手段难以无限制使用，当新型探测

感器校正通常是通过在轨定标获得传感器特性（定器的应用和光学孔径的增大接近现有工程极限时，

对地观测的光学遥感卫星，根据不同应用目的

值误差

［２８⁃２９］

．之后，需要进行大气校正，在山区等特

殊区域，还需要根据地形数据，继续对遥感观测数据

进行地形校正

［３０⁃３１］

．

随着大气环境污染和卫星分辨率进一步增加，

光学遥感卫星大气校正变得尤为重要．首先，大气环

境的恶化，尤其是在中国、印度等发展中国家

［３２⁃３３］

，

以气溶胶为主的大气污染情况非常严重．图２是基

于卫星观测和模式同化的ＡＯＤ全球分布

［３４］

，中国

等区域ＡＯＤ值显著较高，这种大气环境状况下，通

用对观测效率需求的必然手段．其次，遥感器对地观

图２ 卫星观测（ＭＯＤＩＳ）结合模式同化（ＥＣＷＭＦ）的２００３—２０１０年间全球气溶胶光学厚度（ＡＯＤ）分布

［３４］

Ｆｉｇ􀆰２ ＧｌｏｂａｌＡｅｒｏｓｏｌＯｐｔｉｃａｌＤｅｐｔｈ（ＡＯＤ）ｆｒｏｍｓａｔｅｌｌｉｔｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ（ＭＯＤＩＳ）ａｎｄ

ｍｏｄｅｌａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ（ＥＣＷＭＦ）ｏｖｅｒｔｈｅｐｅｒｉｏｄ２００３２０１０

－

［３４］

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８

ＬＩＺｈｅｎｇｑｉａｎｇ，ｅｔａｌ．Ａｎｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｏｐｔｉｃａｌｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ．

李正强，等．光学遥感卫星大气校正研究综述．

图像清晰度的提升遇到了困难．例如，工程上虽然按与上述过程对应的遥感器入瞳信号可以定量表

照特定的分辨率去设计，受限于传感器自身的ＭＴＦ达为

（调制传递函数，ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）和大

气ＭＴＦ，最终的遥感产品无法实现既定的在轨传函

ＭＴＦ（包含传感器和大气２部分），成像的实际空间

分辨率可能低于设计值．在这种情况下，大气校正可

以弥补或者改善因大气ＭＴＦ造成的图像质量退

化

［３５］

ρ

∗

（θ，θ，φ，φ）ρ（θ，θ，φ，φ）

ｓｖｓｖｓｖｓｖ

＝＋

ａ

ｅ（θ），（１）

１ρ

－

ｅ

ｓ

Ｔ（θ

ｓ

）

()

ρρｔ

ｓｅｄｖ

μ

ｖ

＋

－

τ

其中，ρ

∗

（θ，θ，φ，φ）是表观反射率，θ、θ、φ、

ｓｖｓｖｓｖｓ

φ

ｖ

分别是太阳天顶角、观测天顶角、太阳方位角、观

测方位角，μ表示目标像元反射率，ρ是

ｖｖｓｅ

＝

ｃｏｓθ

，ρ

邻近像元反射率，τ为大气光学厚度，ｔ

ｄｖ

（θ）是向上

的散射辐射透过率，ｓ是大气半球反照率：

ｓ１μＴ（μ）ｄμ，（２）

＝－

心的在轨传函和空间分辨率．

，使大气校正后的数据尽可能满足用户最终关

１ 大气干扰对地观测遥感影像的原理

图３是卫星光学遥感器对地观测时获取辐射信

息构成的示意．图３中，①是由目标直接反射太阳光

的辐射信息；②是未到达地面的太阳辐射被大气分

子、气溶胶粒子等散射的信息，通常称为程辐射；③

是来自目标周围环境反射，并再经大气散射进入遥

感器视场的辐射信息；④是由经过大气散射到背景

像元，反射后再经大气散射进入遥感器视场的辐射

信息；⑤是目标反射大气背景产生的辐射信息．由图

示可以看出，①是最主要目标特征信息，⑤在一定

程度上也反映了目标特征，如对阴影部分目标的探

测可以利用此信息．①和⑤包含了最终所需的地表

信息，②是仅由大气引起的程辐射，③和④则是由

邻近效应造成的干扰，也不包含目标信息．

［３６］

其中μ是天顶角的余弦．Ｔ（θ

ｓｄｓ

）ｅ（θ）和

＝

μ

ｓ

＋

ｔ

Ｔ（θｔ

ｖｄｖ

）ｅ（θ）分别为向下和向上的总透过率．

＝

μ

ｖ

＋

②部分贡献，可以表达为

ａｓｖｓｖ

－

τ

∫

１

０

－

τ

ρ

ａｓｖｓｖ

（θ，θ，φ，φ）是程辐射反射率，对应图３中的第

Ｒ（λ）ＥμＴ

（θ，θ）ρｄλ

∫

ρ

（θ，θ，φ，φ），

＝

∫

Ｒ（λ）Ｅμ

ｄλ

λλ

ｓｇｓｖ

λ

ａ

λ

ｓ

其中，Ｒ（λ）是光谱响应函数，λ是波长，Ｅ是大气

λ

层外太阳光谱辐射能量，μ

ｓｓｇｓｖ

＝

ｃｏｓθ

，Ｔ（θ，θ）是大

λ

气气体透过率，ρ是气溶胶散射和瑞利散射的反

ａ

λ

射率．

所有邻近像元的真实反射率与大气点扩散函数的卷

积计算得到：

１

ρρ

ｅｓｖ

＝

ｔ

ｄｖ

（θ）

式（１）中，邻近像元的空间平均反射率ρ可由

ｅ

（３）

其中，（ｘ，ｙ）是邻近像元距离目标像元的位置，ｅ（ｘ，

ｙ，θ

ｖ

）是大气点扩散函数．从辐射传输的角度而言，

大气校正就是从卫星入瞳信号中，扣除程辐射和邻

近像元等贡献，反算得到目标像元反射率．

∫∫

＋＋

∞∞

－－

∞∞

（ｘ，ｙ）ｅ（ｘ，ｙ，θ）ｄｘｄｙ，（４）

２ 大气校正方法归纳

为了开展光学遥感大气校正，研究人员从不同

的思路出发开发了大量的方法，相关学者也对其进

行了归类

［３７］

．然而，实际执行大气校正的时候，由于

具备的大气、地表等输入信息条件差异很大，实际可

图３ 光学遥感器入瞳辐射信号构成示意

Ｆｉｇ􀆰３ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｒａｄｉａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌ

ｉｎｔｏｔｈｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｓｅｎｓｏｒ

用的大气校正方法也不同．因此，着眼于校正输入信

息来源和定量化与否，本文将大气校正的主要方法

分为４类进行介绍．

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学报（自然科学版），２０１８，１０（１）：６⁃１５

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１８，１０（１）：６⁃１５

９

２􀆰１ 基于图像和图形处理方法的大气校正

基于图像自身特征，采用图像和图形处理方法并没有指定大气信息的来源，仅提供了基于辐射传

可以开展大气校正．这类方法不关注造成图像模糊输的大气校正计算功能．因此，在执行辐射传输计算

的物理机理，只要是大气造成图像视觉模糊，都可采的时候，需要人工输入大气参数．这类大气校正软件

用“去雾”或者“去雾霾”算法等进行校正，通通常采用６Ｓ、ＭＯＤＴＲＡＮ等辐射传输计算模型．

［３８⁃３９］

常这视为一种相对的大气校正．遥感图像去雾是从

地面摄像数据的去雾方法发展而来的，并不关是由法国里尔大学大气光学实验

［４０⁃４１］［４８］

注遥感信号的辐射数值定量化准确程度，这种方法室和美国马里兰大学发展的辐射传输模型，提供了

在特定场景下可显著提高目视效果．在某些具备较较全面的卫星信号模拟和大气辐射传输计算功能，

高空间分辨率的图像应用中，用户如果仅关注目标在卫星影像大气校正中得到了广泛的应用．Ｍｏｄｅｒａｔｅ

类型和几何等非定量化辐射信息，去雾类大气校正

方法能够满足需求且具备较高的效率，甚至针对不是由美国空军物理实验室与光谱科技公司

均匀的大气分布，利用小波变换、Ｔ⁃Ｃ变换等联合开发的模型，被广泛使用在ＦａｓｔＬｉｎｅ⁃ｏｆ⁃ｓｉｇｈｔ

［１１］

，也

可以有较好的校正效果．这些方法中典型的有Ｈｅ

等发展的暗通道去雾法、Ｚｈａｎｇ等发展的等大气校正软件包，德国光电研究所

［４０⁃４１］［４２］［５０］

ＨＯＴ（ＨａｚｅＯｐｔｉｍｉｚｅｄＴｒａｎｓｆｏｒｍ）方法等，后续很多研

究是在其基础上做出改进快速大气校正软件包也是使用ＭＯＤＴＲＡＮ

［１１，４３⁃４５］［５１］

．ＣＯＲ）

这些去雾处理往往伴随使用对比度拉伸等增强构建的辐射传输查找表

广泛使用的辐射传输大气校正工具．该类工具通常

ＳｅｃｏｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｉｇｎａｌｉｎｔｈｅＳｏｌａｒ

Ｓｐｅｃｔｒｕｍ（６Ｓ）

ＳｐｅｃｔｒａｌＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ（ＭＯＤＴ⁃

ＡｔｍｏｓｐｈｅｒｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｐｅｃｔｒａｌＨｙｐｅｒｃｕｂｅｓ

ＲＡＮ）

［４９］

（ＦＬＡＡＳＨ）

研发的ＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃａｎｄＴｏｐｏｇｒａｐｈｉｃＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ＡＴ⁃

关通用辐射传输模型．处理，通常使用清晰度、信息熵等评价指标，但由于

［５２］

．表１汇总了大气校正相

２􀆰３ 基于图像自身信息反演大气参数的大气校正

基于辐射传输的大气校正是符合光学遥感物理

机理的方法，但这种方法需要知道大气参数．对于部

分具备大气探测能力的传感器而言，从图像自身提

取大气参数是一种切实可行的方法．Ｋａｕｆｍａｎ等

［５４］

利用ＭＯＤＩＳ图像自身的暗目标（浓密植被等）提取

大气气溶胶信息，并将其用于大气校正．对于中高空

间分辨率的卫星，例如我国高分卫星

［５５］

、资源卫

星等，可通过基于先验知识设定基于辐射传输模型的大气校正属于物理模型方

［５６⁃５７］［５８］

、环境卫星

经验系数或先验地表数据支法．商业遥感软件公司和研究机构已经提供了一些

［５６，５８］［５７］

、先验地表关系

其不考虑地物反射特性或者辐射强度等物理量，容

易造成矫正过度或色彩失真

［１１］

分辨率的有人机、无人机航空遥感图像处理中得到

了大量的应用，在实际的航空测绘遥感产品生产过

程中，通过大气校正达到用户对测图清晰度等的要

求，可以在较短的时间内完成航拍任务，保障在较短

工期内交付测绘产品

［４６⁃４７］

．这种方法在高空间

２􀆰２ 基于辐射传输计算的大气校正

．

表１ 基于辐射传输计算的大气校正模型和软件包

Ｔａｂｌｅ１ Ｒａｄｉａｔｉｖｅｔｒａｎｓｆｅｒｍｏｄｅｌｓａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｐａｃｋａｇｅｓｆｏｒａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ

辐射传输模型／

软件包

６Ｓ［４８］

ＭＯＤＴＲＡＮ［４９］

ＲＴ３［５３］

ＦＬＡＡＳＨ［５０］

ＡＴＣＯＲ［５１］

参考文献特点

采用逐次散射法计算大气散射，优化了参数的输入，内置了典型大气模式、气溶胶类型模

型，内置了常用传感器的光谱响应函数，易用性好，在我国被广泛用于大气校正．６ＳＶ是具

有矢量辐射传输计算能力的版本

利用离散纵标法计算多次散射，具有较高的光谱分辨率．多被商业化软件采用，例如ＥＮＶＩ

软件中的ＦＬＡＡＳＨ模块、ＥＲＤＡＳ软件中的ＡＴＣＯＲ模块，均采用ＭＯＤＴＲＡＮ完成辐射传输

计算

基于倍加累加法进行辐射传输计算，具备矢量计算能力，没有内置气溶胶类型模型，可以

直接将散射相函数的勒让德展开系数作为输入，能够灵活集成自定义气溶胶模型，计算

速度快

内置到商业软件中，界面易操作，需要用户输入大气参数，辐射传输计算使用ＭＯＤＴＲＡＮ

模型，可以校正高光谱和多光谱遥感图像．考虑了邻近效应校正

可以快速执行大气校正，内置到了ＰＣＩ和ＥＲＤＡＳ等商业软件中．针对高空间分辨率遥感

图像校正进行了优化，分为多个版本，在ＡＴＣＯＲ３和ＡＴＣＯＲ４中考虑了地形辐射校正

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１０

ＬＩＺｈｅｎｇｑｉａｎｇ，ｅｔａｌ．Ａｎｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｏｐｔｉｃａｌｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ．

李正强，等．光学遥感卫星大气校正研究综述．

撑等方法，从待校正图像估算气溶胶信息，随后大气测量信息的需求．因此，通过搭载小型化专用大

［５５］

用于大气校正．这些方法通常受限于地表类型（要求气探测仪，同步获取大气测量数据，用于同一平台上

暗目标），或者需要其他遥感器的地表数据库支撑，其他传感器遥感数据的大气校正方法得到了发展．

具有一定的局限性，但优点是自动化程度较高．另外大气校正所需的大气参数，须与待校正图像同

还有通过使用大气干扰较小的遥感参数来描述某些时同区域，以保证可以精准描述成像时刻的大气状

地表特征，也可归类为利用图像自身光谱特征的大态，然后通过辐射传输计算，得到指定波段的地表反

气校正，例如被广泛使用的归一化植被指数射率．考虑到气溶胶、水汽等信息的反演需要大量的

ＮＤＶＩ

［５９］

等．专用探测波段，且大气组分的时空变化特性明显，通

表２总结了针对我国中高空间分辨率遥感数据过专用小型化仪器获得高精度的大气参数，逐渐成

为大气校正的一个重要发展方向．例如美国新千年的一些典型大气校正研究，这些工作都是基于遥感

计划中，用于卫星平台和新遥感器技术验证的ＥＯ⁃１图像自身信息反演大气参数再开展大气校正的．从

卫星，于２０００年１１月发射成功，该星搭载了大气校表２中也可以看出，基于辐射传输的大气校正，即使

正仪ＬＥＩＳＡＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＣｏｒｒｅｃｔｏｒ（ＬＡＣ）用以校正是基于图像自身信息获得大气参数，在业务化运行

８月，美国商业卫星遥感数据公司ＤｉｇｉｔａｌＧｌｏｂｅ发射

了ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ⁃３卫星，该星专门搭载了用于纠正高分化运行．这表明基于图像自身信息反演大气参数的

辨率遥感影像的大气同步校正仪ＣＡＶＩＳ（Ｃｌｏｕｄｓ，大气校正仍具有较大的局限性，此外还有很多高分

Ａｅｒｏｓｏｌｓ，ＷａｔｅｒＶａｐｏｒ，ＩｃｅａｎｄＳｎｏｗ）；在我国民用

［６２］

空间基础设施规划的一些中（十米级）高（亚米级）对这种状况，基于同步校正仪的大气校正得到了

ＡｄｖａｎｃｅｄＬａｎｄＩｍａｇｅｒ（ＡＬＩ）多光谱图像；２０１４年

［６１］

时，也需要解决云识别、辐射定标、几何配准、大气信

息反演等一系列问题，目前仅部分研究开展了业务

辨率传感器难以从自身图像中提取出大气信息，针

发展．分辨率卫星上面，已设计搭载了中国科学院安徽光

２􀆰４ 基于大气同步校正仪的大气校正

大气状况随着时间和空间变化往往非常剧烈，

利用其他渠道获得的大气气溶胶信息时空匹配吻合

度随机性较大，很难满足业务化校正这类需要专门

学精密机械研究所研制的系列化星载大气同步校正

仪，该类型的大气同步校正仪使用了偏振技术

［６３⁃６４］

提高气溶胶反演的精度

［６５］

．一些典型的大气校正仪

的技术信息如表３所示．

表２ 基于图像自身信息反演大气参数进行校正的中国中高分辨率传感器举例

Ｔａｂｌｅ２ ＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎｅｓｅｍｉｄｄｌｅ⁃ｈｉｇｈｓｐａｔｉａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｓｕｓｉｎｇｔｈｅ

ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｌｙｒｅｔｒｉｅｖｅｄｆｒｏｍｔｈｅｉｍａｇｅ

方法简述卫星／遥感器参考文献辐射传输模型业务化

利用蓝波段数据，基于深蓝算法（适用于暗目标和较亮地表）反演ＡＯＤ，

随后开展校正

借助于ＭＯＤＩＳ地表先验知识确定暗目标，利用ＰＳＭ多光谱图像自身反

演ＡＯＤ，随后开展校正

构建了适用于业务化大气校正的查找表，未建立业务化大气校正系统ＧＦ２／ＰＳＭ［６０］６Ｓ否

采用暗目标法反演ＡＯＤ并校正，或不反演ＡＯＤ直接用暗目标校正ＺＹ３／ＣＣＤ［５６］６Ｓ否

采用归一化的植被、土壤、水体指数识别暗像元，随后开展气溶胶反演和

大气校正

采用区域气溶胶模式用于大气校正，暗目标反演ＡＯＤ，同时在亮目标区

域通过插值获得ＡＯＤ

ＧＦ１／ＷＦＶ［５５］６Ｓ

ＧＦ１／ＰＳＭ［１２］６Ｓ

ＨＪ⁃１Ａ，Ｂ／ＣＣＤ

［５７］ＭＯＤＴＲＡＮ

［５８］ＲＴ３

否

否

试运行

否

表３ 星载大气同步校正仪

Ｔａｂｌｅ３ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｏｒｓｆｏｒｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ

卫星／平台大气同步校正仪参考文献波段设置技术特色

ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ⁃３ＣＡＶＩＳ［６２］

样机ＳＭＡＣ［６３］中心波长（ｎｍ）：４９０、５５０、６７０、８６５、９１０、１３８０、１６１０、２２５０偏振观测

ＥＯ⁃１ＬＡＣ［６１］２５６个波段（覆盖范围０􀆰８９～１􀆰５８μｍ）高光谱载荷

中心波长（ｎｍ）：４１３、４８４、５５５、６４５、８６５、９１２、９４８、１２３６、１３８０、１６５０、

中高空间分辨率

２１７５

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学报（自然科学版），２０１８，１０（１）：６⁃１５

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１８，１０（１）：６⁃１５

１１

３ 现状和发展趋势讨论

遥感是一个面向应用的交叉学科，大气校正是

服务于遥感应用的重要数据处理过程，由于定量化

遥感需求快速增加的推动作用，大气校正应用的需

求十分迫切．结合国际发展趋势，针对我国高分辨率

卫星的大气校正需求，大气校正的现状和发展方向

可以大致归纳为以下几个方面：

３􀆰１ 面向高分辨率遥感的大气校正

近年来，国内外高空间分辨率卫星大量发射，服

务领域也从原来集中服务于国土详查、军事侦察等

拓展到各行各业的定量化应用．高空间分辨率遥感

图像受到邻近像元的干扰贡献，在大气校正处理的

３ＤＭＣ模型开展了卫星遥感邻近效应的蒙特卡罗模

随着太阳天顶角的增大，邻近效应明显增大；邻近窗

口大小受到地表均一性、气溶胶光学厚度和相函数

影响；空间分辨率越高，邻近效应越强．

温奇等将卫星获取的信号分为目标像元的

［６７］

贡献和背景像元的贡献两部分，通过同步测量目标

区域和邻近区域的地面反射率，利用逆向最小二乘

法确定目标像元贡献率，从而进行了邻近效应校正．

Ｌｉａｎｇ等

［６８］［６９］

在业务化运行时占用大量计算时间，需要从算法级

别优化再结合计算机高性能计算

［７１］

，开发既保障高

精度，又能快速进行大气校正处理的运行算法．此

外，遥感卫星海量数据批量处理，要求研发自动化的

大气参数提取和图像校正算法和流程，从而具备业

务化处理能力，推动从算法研究到工程实现的转变，

促进大气校正在卫星工程地面系统中具备实用化

能力．

３􀆰３ 大气校正输入信息的多源化和专用化

大气校正的依据是对大气状况的判断，气溶胶、

水汽、云等大气组分的相关参数是开展精确大气校

正的数据基础．随着大气环境、气象类卫星在轨运行

数量的增多，利用多源卫星大气产品整合形成具备

高空间分辨率、高时间分辨率、统一时空参考的大气

探测数据集，可以为不具备同时、同区域大气参数同

步探测的遥感图像提供交叉大气校正服务．

面向定量化辐射精度要求较高，或者商业价值

较高的亚米级空间分辨率卫星数据，大气校正需要

时空严格匹配的、更加精准的大气参数，大气同步校

正仪随着更多的高分辨率卫星发射而得到发展．随

着卫星平台以及载荷技术的发展，大气校正的同步

参数探测将朝着更高空间分辨率的方向发展，获得

偏振、光谱、角度等多维信息，并充分借助于训练地

基数据得到的气溶胶模型等先验知识

［７２］

，实现更加

精确的地气解耦合和大气多参数探测．

大气校正是辐射处理的重要环节，包含大气参

数提取和图像大气校正两方面的内容，这两部分的

精度均严重依赖遥感数据地面处理过程中的几何校

正、绝对和相对辐射标定等环节的处理精度．我国规

划并已经发射了大量的高分辨率遥感卫星，其中高

分、资源、环境等系列卫星的数据已经开放使用，但

在地面处理系统数据产品方面，目前还较少提供经

过几何精纠正的辐射数据，这不利于开展基于辐射

传输计算的大气校正，因此未来应统筹考虑几何和

辐射校正，满足高精度定量遥感应用的全链路需求．

时候更有必要包括邻近效应校正．刘广员等基于

［６６］

拟，对相关参数进行了敏感性分析，得到一些结论：

针对Ｔａｎｒé等邻近效应校正中背景平

均反射直接求解困难的问题，利用三维辐射传输模

型ＳＨＤＯＭ，提出用有效反射率代替反射率，建立经

验方程，实现ＬａｎｄＳａｔＥＴＭ陆地遥感图像的大气校

＋

正．然而，很多情况下，在计算邻近效应时需要输入

的邻近像元的反射率仍然是难以确定的，因此简便、

３􀆰２ 多种大气校正方法融合发展

通用的邻近效应校正方法仍是目前的一个挑战

［７０］

．

在不同的应用场合下，遥感图像的大气校正可

以使用对应的校正方法，以服务于定性或定量化的

地面参数遥感应用．在定量遥感应用领域，基于辐射

传输的物理方法是面向大部分应用的通用处理方

法，但其在高分辨率图像大气校正方面仍面临许多

问题，高分影像大气校正的算法需要结合卫星观测

姿态、地表类型、阴影处理等开展细化研究，与地形

辐射校正进行深度耦合提高山区校正精度；对辐

［３０］

射定量化需求并不太强烈的遥感应用，可以结合图

像处理的相关方法，针对某个方面提高特定应用需了一定程度的应用．定量化的大气校正目前正在从

求下的图像质量．能用到好用的方向迈进．获得更多、更高精度的大气

基于辐射传输方法的定量化遥感图像大气校正校正所需大气参数，研发高精度、通用的校正方法，

４ 结论

对于地表参数的遥感应用来说，大气校正在可

见⁃近红外波段范围内是重要的处理环节．大气校正

方法多样，不论是定性还是定量的校正方法，都取得

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１２

ＬＩＺｈｅｎｇｑｉａｎｇ，ｅｔａｌ．Ａｎｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｏｐｔｉｃａｌｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ．

李正强，等．光学遥感卫星大气校正研究综述．

有利于更加精确地描述成像瞬间的辐射场景，获得

更高精度的校正效果；具备业务化大气校正能力的

地面处理系统，将能够批量制备全球地表定量遥感

产品数据集，为地球科学研究和各种行业应用提供

系统的观测数据．

［１１］ 姜侯，吕宁，姚凌．改进ＨＯＴ法的Ｌａｎｄｓａｔ８ＯＬＩ遥感

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ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｏｆＣＢＥＲＳ⁃０１ＣＣＤｄａｔａｂａｓｅｄｏｎ

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ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅｏｆＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００５，３０（１０）：ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅａｎｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｆｏｒｓｐａｔｉａｌｖａｒｉａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｉｎ

９２５⁃９２７

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ＬＩＫｕｎ，ＬＡＮＳｈｉｙｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＪｉａｎｗｅｉ，ｅｔａｌ．ＡｎＱｕｉｃｋｌｙａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒＧＦ⁃１ＷＦＶｃａｍｅｒａｓ

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ｏｆｏｐｔｉｃａｌｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃｄｅｈａｚｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ［Ｊ］．ＡｃｔａＺＹ⁃３ＣＣＤＤａｔａ［Ｊ］．ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＳｐｅｃｔｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓ，

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ＳｉｎｇｌｅｉｍａｇｅｄｅｆｏｇｇｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎＨＳＩｃｏｌｏｒｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅＨＪ⁃１Ａ／ＢｓａｔｅｌｌｉｔｅＣＣＤｓｅｎｓｏｒ

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ｏｆｔｈｅｓａｔｅｌｌｉｔｅｓｉｇｎａｌｉｎｔｈｅｓｏｌａｒｓｐｅｃｔｒｕｍ，６Ｓ：Ａｎｏｖｅｒ⁃ｓａｔｅｌｌｉｔｅｉｍａｇｅｏｆＣｈｉｎａＢｒａｚｉｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｒｅｓｏｕｒｃｅｓａｔ⁃

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ｃｌｏｕｄａｎｄｍｕｌｔｉｐｌｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｕｐｇｒａｄｅｓｗｉｔｈａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏ

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ｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｓｈｏｒｔｗａｖｅｓｐｅｃｔｒａｌｉｍａｇｅｒｙｂａｓｅｄｌｏｏｋ⁃ｕｐｔａｂｌｅｓｆｏｒＧＦ⁃２ｉｍａｇｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉ⁃

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ｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓｔｏｖｉｓｉｂｌｅａｎｄｎｅａｒ⁃ＩＲｓａｔｅｌｌｉｔｅｉｍａｇｅｒｙＫＡＮＧＱｉｎｇ，ＹＵＡＮＹｉｎｌｉｎ，ＬＩＪｉａｎｊｕｎ，ｅｔａｌ．Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ

［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇ，１９８８，９ａｎｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｌｔｅｒｓｏｎａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ

（８）：１３５７⁃１３８１ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｃｏｒｒｅｃｔｏｒ［Ｊ］．ＡｃｔａＯｐｔｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０１７（３）：

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ｏｆａｅｒｏｓｏｌｏｐｔｉｃａｌｄｅｐｔｈｏｖｅｒｌａｎｄｂｙｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃｍｅａｓ⁃ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｕｐｏｎｓｐａｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆ

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ｇｒｏｕｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａｆｏｒａｄｊａｃｅｎｃｙｅｆｆｅｃｔｉｎｒｅｍｏｔｅＳｃｉｅｎｃｅ，２０１６，３８（５）：８５７⁃８６２

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＋

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３９（１１）：２４９０⁃２４９８ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅ⁃

ＬＩＡＮＧＳｈｕｎｌｉｎ．Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｏｆｌａｎｄ

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ｄａｔａｄｉｖｉｓｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙｉｎａｈｉｇｈ⁃ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ

太阳⁃天空辐射计观测网［Ｊ］．遥感学报，２０１５，１９（３）：

Ａｎｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｏｐｔｉｃａｌｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ

ＬＩＺｈｅｎｇｑｉａｎｇ ＣＨＥＮＸｉｎｇｆｅｎｇ ＭＡＹａｎ ＱＩＥＬｉｌｉ ＨＯＵＷｅｉｚｈｅｎ ＱＩＡＯＹａｎｌｉ

１１１１１２

２ＫａｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｐｔｉｃａｌＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，ＨｅｆｅｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅ，

ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ ２３００３１

ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇａｎｄＤｉｇｉｔａｌＥａｒｔｈ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１０１

１ＳｔａｔｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳａｔｅｌｌｉｔｅＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇ，

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｒｉｖｅｎｂｙｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｍａｎｙｏｐｔｉｃａｌｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｓａｔｅｌ⁃

ｌｉｔｅｓｗｉｔｈｈｉｇｈｅｒｓｐａｔｉａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｅｎｌａｕｎｃｈｅｄ．Ｂｕｔｔｈｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍｓａｔｅｌｌｉｔｅｉｍ⁃

ａｇｅｉｓａｌｓｏｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｗｏｒｓｅａｔｍｏｐｓｈｅｒｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｓｅｎｓｏｒｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅａｔ⁃

ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｉｓｖａｌｕａｂｌｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔａｔｕｓａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈ⁃

ｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｃｌａｓｓｉｆｉｅｄｉｎｔｏｆｏｕｒｃａｔａｌｏｇｕｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｉｍａｇｅｇｒａｐｈｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｈｅｒａｄｉａｔｉｖｅｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｍｐｕ⁃

ｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｉｔｈｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣｈｉｎｅｓｅｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔａ⁃

ｔｕｓｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．

ｔｒａｎｓｆｅｒ

ｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｃａｌｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｉｍａｇｅｓｉｓｆａｃｉｎｇｎｅｗｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｄｕｅｔｏｎｅｗｐａｙｌｏａｄ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｕｐｇｒａｄｅｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｄｅｍａｎｄｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅａｂｒｉｅｆｓｕｍｍａｒｙｗｉｔｈｓｉｍｐｌｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ

ｏｄｓｆｏｒｏｐｔｉｃａｌｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｐｐｒｏａｃｈｅｓｏｂｔａｉｎｉｎｇａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅｓｅ

ｔｉｎｇ，ｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｖｅｒｓｉｏｎｆｒｏｍｏｗｎ⁃ｉｍａｇｅ，ａｎｄｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｏｒｍｅｔｈｏｄｓ．Ａｔ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｏｐｔｉｃａｌｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ；ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ；ｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ；ｒａｄｉａｔｉｖｅ

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