大气辐射传输校正模型(5S,modtran,acorn)
大气辐射传输模型
[转载]大气辐射传输模型已有 968 次阅读2010-11-6 14:31|个人分类:未分类|系统分类:科普集锦|关键词:辐射传输转自/s/blog_4b700c4c0100jgl7.html相对辐射校正和绝对辐射校正基于物理模型的绝对辐射校是利用一系列参数(例如，卫星过境时的地物反射率，大气的能见度，太阳天顶角和卫星传感器的标定参数等)将遥感图像进行校正的方法。
仪器引起的误差畸变一般在数据生产过程中由生产单位根据传感器参数进行了校正。
对于用户来所，绝对辐射校正的方法主要是辐射传输模型法，该方法校正精度较高，它是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气校正的方法。
由于有不同的不同的假设条件和适用的范围，因此产生很多可选择的大气较正模型，例如 6S模型、LOWTRAN模型、MODTRAN模型、ATCOR模型等。
基于统计模型的相对辐射校正,主要包括不变目标法、黑暗像元法与直方图匹配法等等。
不变目标法假定图像上存在具有较稳定反射辐射特性的像元，并且可确定这些像元的地理意义，那么就称这些像元为不变目标，这些不变目标在不同时相的遥感图像上的反射率将存在一种线性关系。
当确定了不变目标以及它们在不同时相遥感图像中反射率的这种线性关系，就可以对遥感图像进行大气校正。
黑暗像元法的基本原理就是在假定待校正的遥感图像上存在黑暗像元区域、地表朗伯面反射、大气性质均一，忽略大气多次散射辐照作用和邻近像元漫反射作用的前提下，反射率很小的黑暗像元由于大气的影响，而使得这些像元的反射率相对增加，可以认为这部分增加的反射率是由于大气程辐射的影响产生的。
利用黑暗像元值计算出程辐射，并代入适当的大气校正模型，获得相应的参数后，通过计算就得到了地物真实的反射率。
直方图匹配法是指如果确定某个没有受到大气影响的区域和受到大气影响的区域的反射率是相同的，并且可以确定出不受影响的区域，就可以利用它的直方图对受影响地区的直方图进行匹配处理。
大气校正与Modtran的使用
大气辐射传输及基本知识； 大气校正； Modtran的使用； 存在问题及讨论。
一、大气辐射传输及基本知识
大气辐射传输是大气中的基本物理过程之一； 发生于大气中的辐射传输过程起着多方面的作用； 来自太阳的电磁辐射是地球表层运动的主要能源，太阳短波辐射和地球—大气系统的长波辐射构成了地球—大气系统辐射平衡的基础； 大气中各种成分对不同波长电磁波的散射吸收和发射构成了复杂多变的辐射传输图像。
MODTRAN（Berk等，1989）：中光谱分辨率（2cm-1 ）大气透过率及辐射传输算法软件； DISORT算法（Stamnes等，1988）：多次散射辐射传输算法。
二、大气校正
进入大气的太阳辐射会发生反射、折射、吸收、散射和透射，其中对传感器接收影响较大的是吸收和散射。
在没有大气存在时，传感器接收的辐照度，只与太阳辐射到地面的辐照度和地物反射率有关。 由于大气的存在，辐射经过大气吸收和散射，透过率小于1，从而减弱了原信号的强度。 同时大气的散射光也有一部分直接或经过地物反射进人到传感器．这两部分辐射又增强厂信号，但却不是有用的。
一是利用大气和地表（包括自然和人工产物）的不同辐射特性，进行目标物与背景区分，达到高准确度和高精度的目标识别（以及动目标跟踪）； 另一种应用则是遥感，即利用大气和地表介质在电磁辐射传输中的不同特征，通过对特征性辐射的测量进而反演提取大气和地表的物理状态参数以及成分结构。
正是由于上述4个方面的应用需要的蓬勃发展，大气辐射传输的研究，包括理论研究、实验室测量、野外观测和验证试验等在过去几十年中取得了长足的进展。
3、大气辐射传输研究的主要内容
1）大气中各类气体分子的吸收光谱参数（及其随大气状态参数的变化）； 2）大气中的气溶胶粒子（广义而言也包括云和降水粒子）的成分、粒谱结构、形状特征、其复折射指数随波长的变化，由此可计算获得的气溶胶粒子的散射和吸收特性； 3）大气辐射传输方程的求解与具体算法。
大气校正方法说明
利用MODTRAN 进行大气校正的方法说明一． 大气校正公式、原理以及所需参数大气是介于传感器和地球表层之间由多种气体和气溶胶组成的介质层，电磁波在地物和传感器之间传输时，必然受到大气的影响。
遥感对地观测时，要想得到目标的真实信息，大气校正是不可回避的。
由卫星传感器获取的表观反射率ρ*可由下式表出： '()(,,)(,,)(())1v s s v s v a s v s v t t v d t T Se t τμθρθθφφρθθφφρρθρ-*-=-++- (1) 式中： s θ：太阳天顶角 ， s φ：太阳方位角 ，v θ ：传感器天顶角，v φ ：传感器方位角， t ρ：目标反射率，(,,)a s v s v ρθθφφ-：大气的路径辐射项等效反射率， τ：大气的光学厚度， S ：大气的半球反照率，'()v d t θ：散射透过率，cos()v v μθ=。
通过MODTRAN4对大气辐射传输进行模拟，求得大气校正所需参数，将所求的大气校正参数和传感器获得的表观反射率一并代入大气辐射传输公式 (1)，便可计算出目标的真实反射率t ρ，从而完成大气校正的任务。
在实际的工作中，我们可以用下面的公式：0()()()1t v v d v t L L F T S ρμμμρ=+- (2) 是传感器接收到的辐射亮度，0()v L μ是路径辐射项，d F ＝式中：s μ0F ()s T μ是太阳下行总辐射(0F 是大气层顶的太阳辐照度)， ()v T μ=v e τμ-+'()v d t θ是传感器和目标之间的透过率（v e τμ-是直射透过率，'()v d t θ是散射透过率）。
在已知的观测条件（太阳和传感器的几何参数，大气廓线，地表反射率等）下，设定一组t ρ值以及相应的传感器高度，通过MODTRAN4模拟得到一组辐射亮度()v L μ，代入方程(2)，再经过简单的代数运算就可以求出大气校正所需的参数（路径辐射项、透过率、大气半球反照率和太阳下行总辐射）。
大气辐射传输校正模型(5S,modtran,acorn)
在遥感的实际应用中，常用很多简化的手段，如假设地面为朗伯面，排除云的存在，采用有关标准大气模式及大气气溶胶模式等，一次产生了许多不同类型的大气辐射传输模型，主要分为两类，1）采用大气的光学参数2）直接采用大气物理参数如lowtran、modtran等大气辐射近似计算模型，而且还增加了多次散射计算1. 5s模型该模型的代码模拟计算海平面上的均匀朗伯体目标的反射率，并假定大气吸收作用与散射作用可以耦合，就像吸收粒子位于散射层的上面一样，则大气上层测量的目标反射率可以表示为，海平面处朗伯体的反射率大气透过率分子、气溶胶层的内在反射率有太阳到地表再到传感器的大气透过率S为大气的反射率大气传输辐射校正模型－3 modtran该模型是由美国空军地球物理实验室研制的大气辐射模拟计算程序，在遥感领域被广泛应用于图像的大气校正。
lowtran7是一个光谱分辨率20cm－1，的大气辐射传输实用软件，它提供了6种参考大气模式的温度、气压、密度的垂直廓线，水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳、一氧化二氮的混合比垂直廓线，其他13种微量气体的垂直廓线，城乡大气气溶胶、雾、沙尘、火山喷发物、云、雨的廓线，辐射参量（如消光系数、吸收系数、非对称因子的光谱分布），以及地外太阳光谱。
lowtran7可以根据用户的需要，设置水平、倾斜、及垂直路径，地对空、空对地等各种探测几何形式，适用对象广泛。
lowtran7的基本算法包括透过率计算方法，多次散射处理和几何路径计算。
1）多次散射处理lowtran 采用改进的累加法，自海平面开始向上直至大气的上界，全面考虑整层大气和地表、云层的反射贡献，逐层确定大气分层每一界面上的综合透过率、吸收率、反射率和辐射通量。
再用得到的通量计算散射源函数，用二流近似解求辐射传输方程。
2）透过率计算该模型在单纯计算透过率或仅考虑单次散射时，采用参数化经验方法计算带平均透过率，在计算多次散射时，采用k－分布法3）光线几何路径计算考虑了地球曲率和大气折射效应，将大气看作球面分层，逐层考虑大气折射效应由于lowtran直接使用大气物理参数，因而需要按照下列方法计算出与lowtran使用的大气物理参数相对应的大气光学参数179页4.modtran辐射传输模型modtran可以计算0到50000cm－1的大气透过率和辐射亮度，它在440nm到无限大的波长范围精度是2cm－1，在22680到50000cm－1紫外波（200-440nm）范围的精度是20cm－1，在给定辐射传输驱动、气溶胶和云参数、光源与遥感器的几何立体对和地面光谱信息的基础上，根据辐射传输方程来计算大气的透过率以及辐射亮度。
简述大气校正的流程
1. 收集大气校正所需信息：大气传输模型参数：收集用于大气校正的大气传输模型参数，这通常包括大气水汽含量、气溶胶光学厚度等。
这些参数可以通过气象站观测、气象模型、气象卫星数据等获取。
太阳和观测几何信息：获取影像获取时的太阳天顶角、太阳方位角，以及观测天顶角、观测方位角等信息。
这些参数对于计算大气校正时的辐射传输很重要。
2. 选择大气校正模型：选择适当的大气校正模型是关键的一步。
不同的模型适用于不同的气象条件和传感器特性。
一些常见的大气校正模型包括：●标准大气模型（Standard Atmospheric Model）：基于大气中的吸收和散射的基本物理过程，考虑水汽、气溶胶、气体等的影响。
●MODTRAN（Moderate Resolution Atmospheric Transmission）：这是一个用于计算大气传输的计算机程序，可以模拟大气吸收、散射等效应。
●6S模型（Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum）：用于计算太阳光在大气中传输和反射的模型，适用于辐射度校正。
3. 执行大气校正：获取遥感数据：获取待处理的遥感图像数据，包括可见光和红外波段的多光谱或高光谱数据。
计算大气校正所需参数：利用收集的大气传输模型参数和太阳、观测几何信息，计算大气校正所需的参数。
执行大气校正计算：利用选定的大气校正模型，将原始数字值转换为辐射度或反射率。
这个步骤通常包括对每个波段进行单独的校正。
可选：反射率计算：对于可见光和红外波段，可以将辐射度进一步转换为反射率，以便更好地比较不同波段的数据。
4. 验证和调整：验证结果：验证大气校正的效果，检查校正后的图像是否更加真实地反映了地表的特征。
调整参数：根据验证结果，可能需要调整大气传输模型参数，以获得更准确的校正效果。
注意事项：●大气校正的精确性受到大气条件的影响，例如云量、气溶胶浓度等。
MODTRAN介绍使用
第一行：（CARD1参数，主要是大气模式方面的参数） CARD 1:FORMAT (2A1, I3, 12I5, F8.3, F7.0) 第二行：（CARD 1A 的参数） FORMAT (2L1, I3, L1, I4, F10.5, 2A10, 3(1X, A1), 4X, F10.3) (MOD4.0) 第三行： FORMAT(A80) 第四行：（CARD2 的参数，主要是气溶胶及云雨模式方面的参数） FORMAT (A2, I3, A1, I4, A3, I2, 3(I5), 5F10.5) 第五行：（CARD3 的参数，主要是探测几何方式方面的参数） FORMAT (6F10.3, I5, 5X, F10.3) 第六行：（CARD3 A1 的参数） FORMAT (415) 第七行：（CARD3 A2 的参数） FORMAT (8F10.3) 第八行：（CARD4 的参数，主要是波段及分辨率方面的参数） FORMAT (4F10.0, 2A1, A8, A7) 第九行：（CARD5 的参数） FORMAT (I5)
2. MODTRAN简介
2.1 MODTRAN及特点
(1)模式选择性强。可任意选择 LOETRAN7或MODTRAN辐射 传输模式，在选择的模式下，可以计算吸收物质的路径透射比、 大气辐射率、单次 (多次 )散射的太阳/月亮辐射率和直接透过的太 阳辐射等；
(2)辐射过程几乎考虑了大气中所有大气分子的吸收、散射和气 溶胶、云的吸收和散射效应；
+
b,i
( ,; ,)Lai tm ( ) cos d
]
atm i
+
Latm i
为到达传感 器的实际辐 射亮度；
穿透大气而进 入传感器的地 物的辐射亮度
大气校正方法说明
利用MODTRAN 进行大气校正的方法说明一． 大气校正公式、原理以及所需参数大气是介于传感器和地球表层之间由多种气体和气溶胶组成的介质层，电磁波在地物和传感器之间传输时，必然受到大气的影响。
遥感对地观测时，要想得到目标的真实信息，大气校正是不可回避的。
由卫星传感器获取的表观反射率ρ*可由下式表出： '()(,,)(,,)(())1v s s v s v a s v s v t t v d t T Se t τμθρθθφφρθθφφρρθρ-*-=-++- (1) 式中： s θ：太阳天顶角 ， s φ：太阳方位角 ，v θ ：传感器天顶角，v φ ：传感器方位角， t ρ：目标反射率，(,,)a s v s v ρθθφφ-：大气的路径辐射项等效反射率， τ：大气的光学厚度， S ：大气的半球反照率，'()v d t θ：散射透过率，cos()v v μθ=。
通过MODTRAN4对大气辐射传输进行模拟，求得大气校正所需参数，将所求的大气校正参数和传感器获得的表观反射率一并代入大气辐射传输公式 (1)，便可计算出目标的真实反射率t ρ，从而完成大气校正的任务。
在实际的工作中，我们可以用下面的公式：0()()()1t v v d v t L L F T S ρμμμρ=+- (2) 是传感器接收到的辐射亮度，0()v L μ是路径辐射项，d F ＝式中：s μ0F ()s T μ是太阳下行总辐射(0F 是大气层顶的太阳辐照度)， ()v T μ=v e τμ-+'()v d t θ是传感器和目标之间的透过率（v e τμ-是直射透过率，'()v d t θ是散射透过率）。
在已知的观测条件（太阳和传感器的几何参数，大气廓线，地表反射率等）下，设定一组t ρ值以及相应的传感器高度，通过MODTRAN4模拟得到一组辐射亮度()v L μ，代入方程(2)，再经过简单的代数运算就可以求出大气校正所需的参数（路径辐射项、透过率、大气半球反照率和太阳下行总辐射）。
大气矫正参数-概述说明以及解释
大气矫正参数-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述是文章引言的一部分，用于简要介绍文章的主题和内容。
在本文中，我们将讨论大气矫正参数的概念和相关内容。
大气矫正参数是一种用于校正遥感图像中由大气层引起的主要扰动的参数，能够提高遥感图像的质量和准确性。
通过消除大气层对图像的影响，我们可以更好地获取地表物体的真实反射率信息。
本文将主要介绍大气矫正参数的基本原理和常见方法。
首先，我们将探讨大气矫正参数的定义和作用，解释为什么大气层会引起遥感图像的扰动，并提出采用大气矫正参数进行校正的必要性。
接下来，我们将详细介绍大气矫正参数的计算方法和常见模型。
大气矫正参数的计算涉及到大量的物理原理和数学模型，我们将介绍一些经典的大气校正模型，如ATCOR、MODTRAN等，并比较它们的优缺点。
此外，我们还将讨论大气矫正参数的应用领域和实际案例。
大气矫正参数在地质勘探、环境监测、农业、城市规划等领域具有广泛的应用价值。
通过实际案例的介绍，我们将展示大气矫正参数在图像处理中的实际效果和应用效益。
最后，我们将对大气矫正参数的未来发展进行展望。
由于大气校正技术在遥感图像处理中的重要性，未来的研究将更加注重新的矫正方法和模型的开发。
我们预计随着技术的不断进步，大气矫正参数将在遥感图像处理中发挥更加重要的作用。
通过本文的阅读，读者将了解大气矫正参数的基本概念和原理，并对大气校正技术的应用和发展有更深入的认识。
本文旨在为相关领域的研究人员和工程师提供一些参考和指导，以促进大气矫正参数的进一步研究和应用。
文章结构部分的内容可以按照以下方式进行编写：文章结构:本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
1. 引言：引言部分主要对大气矫正参数进行概述，并介绍文章的结构和目的。
1.1 概述：在这一节中，我们将简要介绍大气矫正参数的概念和作用。
大气矫正参数是指在遥感图像处理中，用于消除由于大气层对图像的干扰而产生的误差和偏差的参数。
通过准确计算和应用大气矫正参数，可以提高遥感图像的质量和准确度，使得图像结果更加真实和可靠。
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在遥感的实际应用中，常用很多简化的手段，如假设地面为朗伯面，排除云的存在，采用有关标准大气模式及大气气溶胶模式等，一次产生了许多不同类型的大气辐射传输模型，主要分为两类，
1）采用大气的光学参数
2）直接采用大气物理参数如lowtran、modtran等大气辐射近似计算模型，而且还增加了多次散射计算
1. 5s模型
该模型的代码模拟计算海平面上的均匀朗伯体目标的反射率，并假定大气吸收作用与散射作用可以耦合，就像吸收粒子位于散射层的上面一样，则大气上层测
量的目标反射率可以表示为，
海平面处朗伯体的反射率
大气透过率
分子、气溶胶层的内在反射率
有太阳到地表再到传感器的大气透过率
S为大气的反射率
大气传输辐射校正模型－3 modtran
该模型是由美国空军地球物理实验室研制的大气辐射模拟计算程序，在遥感领域被广泛应用于图像的大气校正。
lowtran7是一个光谱分辨率20cm－1，的大气辐射传输实用软件，它提供了6种参考大气模式的温度、气压、密度的垂直廓线，水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳、一氧化二氮的混合比垂直廓线，其他13种微量气体的垂直廓线，城乡大气气溶胶、雾、沙尘、火山喷发物、云、雨的廓线，辐射参量（如消光系数、吸收系数、非对称因子的光谱分布），以及地外太阳光谱。
lowtran7可以根据用户的需要，设置水平、倾斜、及垂直路径，地对空、空对地等各种探测几何形式，适用对象广泛。
lowtran7的基本算法包括透过率计算方法，多次散射处理和几何路径计算。
1）多次散射处理
lowtran 采用改进的累加法，自海平面开始向上直至大气的上界，全面考虑整层大气和地表、云层的反射贡献，逐层确定大气分层每一界面上的综合透过率、吸收率、反射率和辐射通量。
再用得到的通量计算散射源函数，用二流近似解求辐射传输方程。
2）透过率计算
该模型在单纯计算透过率或仅考虑单次散射时，采用参数化经验方法计算带平均透过率，在计算多次散射时，采用k－分布法
3）光线几何路径计算
考虑了地球曲率和大气折射效应，将大气看作球面分层，逐层考虑大气折射效应
由于lowtran直接使用大气物理参数，因而需要按照下列方法计算出与
lowtran使用的大气物理参数相对应的大气光学参数179页
4.modtran辐射传输模型
modtran可以计算0到50000cm－1的大气透过率和辐射亮度，它在440nm到无限大的波长范围精度是2cm－1，在22680到50000cm－1紫外波（200-440nm）范围的精度是20cm－1，在给定辐射传输驱动、气溶胶和云参数、光源与遥感器的几何立体对和地面光谱信息的基础上，根据辐射传输方程来计算大气的透过率以及辐射亮度。
cm－1是表示波数，即使指在波的传播方向上单位长度内所含的波长的数目。
开发modtran是为例改进lowtran的光谱分辨率，modtran将光谱的半高全宽度（full width half maximum，FWHM）由lowtran的20cm－1减少到2cm－1，目前的modtran4.0它的光谱分辨率已经达到2cm－1，改进了瑞利散射和复折射系数的计算精度，增加了disort计算太阳散射贡献的方位角相关选项，并将7种brdf 模型引进到模型中，使地表的参数化输入成为可能。
1) modtran输入输出参数
控制运行参数：如何采用何种辐射传输程序，是否进行多次散射计算等。
，
主要在card1中完成，card5提供了多重复计算的选项
遥感器参数：如遥感器的波段参数，观测的波束（波长范围），其中在card1a
中有是否输入遥感器波段响应函数的选项，在card1a3中输
入波段响应函数的文件名，在card4中输入模拟计算的波长
范围。
大气参数：其中大气模型通过card1中的选项确定，其他具体参数包括气溶胶
主要通Card2来进行选择。
观测几何条件：在card1中有关于几何条件的选项，另外在card3中主要为几何
参数的输入选项，它通过多种方式组合来实现几何参数的输
入，可根据计算的方便进行选择。
地表参量：在card1中提供了地表参数设定的初步选项，所以只能在card4根
据card1中设定的参数对地表的参数进行具体设定。
所有的输入都通过card1进行控制，然后在由后续的card进行具体社这
设定所有参数之后，就可以用modtran来模拟大气辐射传输过程
由卫星获得的表观反射率可以表示为
为目标反射率，为大气的路径辐射项等小反射率
为大气的光学厚度，为大气的半球反照率，为散射透过率，＝
在实际的工作中，我们可以用下面的公式：
为遥感器接收到的辐射亮度，为路径的程辐射
太阳下行总辐射，是大气层顶的太阳辐照度
为遥感器和目标之间的透过率，是直射透过率，
由此可以得出
将遥感器接收的辐射亮度和modtran4模拟的大气校正参数带入式子就可以进行校正。
大气传输辐射校正模型－4 acorn
5.acorn辐射校正模型
它是一种基于图像自身的大气校正软件，可以实现图像辐射值到表观地表反射率的转换，其工作的波长范围是350－2500nm
在目前的大气校正程序一般都把地表假定为水平朗伯体，这主要是因为我们一般很难获取地表的充足信息以完成地形校正，因此大气校正的结果称为拉伸的地表反射率，又称表观反射率，在地形信息已知的情况下，可以将表观反射率转为地表反射率。
Acorn所提供的最高级的大气校正形式是基于辐射传输理论的，大气校正的方法是基于chandrasekhar（1960，dover）公式，下面是其简化形式，描述了太阳辐射源、大气、和地表对辐射的贡献关系：
到达遥感器的总辐射，大气层顶的太阳辐照度，大气反射率
地物光谱反射率，大气上行透过率，大气下行反射率
在acorn的每一种基于辐射传输的大气校正策略中都用到了以上公式。
Caorn提供了一系列大气校正策略，包括经验法和基于辐射传输理论的方法，既可以对高光谱数据进行大气校正，也可以对多光谱图像数据进行大气校正，校正模式如下：
1）模式1：对定标后的高光谱数据进行辐射传输大气校正，输出项为地表表观反射率。
2）模式1.5：对定标后的高光谱数据利用水气和液体水光谱你和技术进行辐射传输大
气校正。
3）模式2：对高光谱大气校正结果进行独立的光谱增强。
4）模式3：利用经验线性法对高光谱数据进行大气校正
5）模式4：对高光谱数据进行卷积处理得到多光谱数据
6）模式5：对定标的多光谱数据进行辐射传输大气校正
7）模式6：对多光谱的大气校正结果进行独立的光谱增强
8）模式7：利用经验线性法对多光谱数据进行大气校正
为了减少大气校正数据中残留的认为噪声，acorn提供了三种类型的抑制噪声的方法
方法一：用于评价和校正高光谱数据集与光谱辐射转换计算之间的光谱定标不匹配现象，主要是抑制在760，940，1150，2000nm波长的强吸收特征附近的认为噪声（表现为尖峰）
方法二：由于绝对辐射定标的误差和辐射传输计算的误差，在图像数据和大气辐射传输模型间存在辐射定标不匹配现象，表现为整个光谱范围内常常由一些小的认为噪声，方法二的任务就是消除这些噪声的影响，使光谱变平滑。
方法三：在1400到1900nm的水汽吸收带内，给出的反射率光谱往往噪声很大，这些噪声是由该波长范围的低辐射值引起的。
方法三对定标后辐射的信号级别进行评定，抑制最低的信号部分，该部分容易产生错误的反射率计算，在输出光谱中将该低信号部分置为0。