遥感辐射传输模型

遥感辐射传输模型

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学院：地球科学与环境工程学院

专业：遥感科学与技术

班级：遥感一班

提交时间：2015年5月10日

大气订正是遥感技术的重要组成部分，主要包括大气参数估计和地表反射率反演两个方面。如果获得了大气特性参数，进行大气订正就变得相对容易，但是

获得准确的大气特性参数通常比较困难。通常有两类方法用辐射传输方程计算大气订正函数：一种是直接的方法，对于大气透过率函数和反射率函数，通过对模型的积分来得到；另一种是间接的方法，他不是直接计算所需要的大气订正函数，而是通过辐射传输模型输出的表观反射率，结合模型输入的参数来求解。大气订正方法有很多，比如：基于图像特征的相对订正法、基于地面线形回归模型法、大气辐射传输模型法和复合模型法等。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订正的方法。

其中，大气辐射传输模型(Atmospheric Radiative Transfer Model)法是较常用的大气订正方法，它用于模拟大气与地表信息之间耦合作用的结果，其过程可以描述为地表光谱信息与大气耦合以后，在遥感器上所获得的信息，其中考虑了光子与大气相互作用机理，物理意义明确，具有很高的反演精度。

大气辐射传输原理

电磁辐射在介质中传输时，通常因其与物质的相互作用而减弱。辐射强度的减弱主要是由物质对辐射的吸收和物质散射所造成的，有时也会因相同波长上物质的发射以及多次散射而增强，多次散射使所有其它方向的一部分辐射进入所研究的辐射方向。当电磁辐射为太阳辐射，而且忽略多次散射产生的漫射辐射时，光谱辐射强度的变化规律可以表述为[1]

（1）式中，IΛ是辐射强度， s是辐射通过物质的厚度，ρ是物质密度,KΛ表示对波长λ辐射的质量消光截面。令在s=0 处的入射强度为Iλ（0），则在经过一定距离s1后，其出射强度可由式(1)积分得到

（2）假定介质是均匀的，则kλ与距离s无关，因此定义路径长度

（3）则式(2)可表示为

（4）上式就是比尔定律，也称朗伯定律。它指出，通过均匀消光介质传输的辐射强度按简单的指数函数减

弱，该指数函数的自变量是质量消光截面和路径长度的乘积。它不仅适用于强度

量，而且也适用于通量密度和通量。

根据式(4)我们可以定义单色透过率Tλ为

（5）式中，μ为θ的余弦值。

一般在大气辐射传输实际应用中，假定局域大气为平面平行的，因此只允许辐射强度和大气参数（温度和气体分布廓线）在垂直方向（即高度和气压）上变化，这种假定在物理意义上是适当的。如果用 z 表示距离，则定义的普遍辐射传输方程可化为

（6）式中，θ 为天顶角，φ 为方位角，J 是源函数。

当考虑多次散射问题时，引进由大气上界向下测量的垂直光学厚度

（7）于是得到描述平面平行大气中多次散射问题的基本方程

（8）典型的大气辐射传输模型

从20世纪80年代起，国外一些学者对遥感影像的大气订正研究做了许多工作，在模拟地—气过程的能力上有了很大提高，发展了一系列辐射传输模型，如6S、 LOWTRAN、 MODTRAN和FASCODE模型等，下面分别介绍。

1.1 6S模型

6S（ Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum）模型估计了 0.25- 4.0μm波长电磁波在晴空无云条件下的辐射特性，是在Tanre 等人[2]提出的 5S (Simulation of the Satellite Signal in the SolarSpectrum)基础上发展而来的。它在假设均一地表的前提下，描述了非朗伯反射地表情况下的大气影响理论，而后Vermote[3]又将其改进为 6S模型。目前普遍使用的是1997 年的 4.1 版本（以前是 3.1 版本）。当前若干大气订正算法利用 6S模型来计算大气订正函数，一般是通过解近似的辐射传输方程来求得所需要的各种直射、散射透过率、大气的程辐射和大气的半球反照率等参数。其基本公式可以写

为

（9）此处ρt 是传感器测得的表观反射率，ρs是地表漫反射率，S为大气半球反照率，ρr+a为由分子散射和气溶胶散射所构成的大气路径辐射反射率，T g(θs,θv)为大气吸收所构成的透过率，T(θs) 与T(θv)分别代表太阳-目标与目标-传感器路径上的直线透过率，ρt为大气上界的总反射率。

6S 模型主要包括以下 5 个部分:太阳、地物与传感器之间的几何关系，大气模式，气溶胶模式，传感器的光谱特性和地表反射率，它考虑了太阳的辐射能量通过大气传递到地表，再经地表反射通过大气传递到传感器的整个传播过程。对于吸收系数的计算公式，采用了吸收线的随机指数分布统计模式，这对于宽带传感器是一种很好的近似。为了考虑多次散射及分子散射与气溶胶散射及其相互作用， 6S 采用最新近似(state-of-the-art) 和连续散射 SOS (Successive Order of Scattering) 方法来求解辐射传输方程。

1.2 LOWTRAN

LOWTRAN是由美国地球物理实验室开发的单参数，谱带模式的大气传输模型，是计算大气透过率及辐射的软件包，其原意是“低谱分辨率大气透过率计算程序”[4]，适用于从紫外、可见、红外到微波乃至更宽的电磁波谱范围内，包括云、雾、雨等多种大气状况的大气透过率及背景辐射。目前普遍使用的是1989年2月公布的LOWTRAN7 版本。它以 20cm-1的光谱分辨率的单参数带模式计算0cm-1 -50 000cm-1的大气透过率、大气背景辐射、单次散射的阳光和月光辐射亮度、太阳直射辐照度。程序考虑了连续吸收，分子、气溶胶、云、雨的散射和吸收，地球曲率及折射对路径及总吸收物质含量计算的影响。大气模式包括 13种微量气体的垂直廓线，六种参考大气模式定义了温度、气压、密度、及水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳和一氧化二氮的混合比垂直廓线。程序用带模式计算水汽、臭氧、一氧化二氮、甲烷、一氧化碳、氧气、二氧化碳、一氧化氮和二氧化硫的透过率。多次散射参数化计算使用二流近似和累加法，用k-分布与带模式透过率计算衔接。对于水汽、氮气连续吸收以及紫外和可见波段的臭氧吸收，其平均透过率用朗伯定律计算，对其它气体吸收，则采用了双指数经验公式。

1.3MODTRAN

MODTRAN 是LOWTRAN的改进模型，其程序的基本结构和框架保持原样。它