大气校正6S模型简介
基于6S模型的TM遥感影像大气校正
毕业论文题目：基于6S模型的TM遥感影像大气校正研究--以张掖地区为例学院：地理与环境科学学院专业：地理信息系统毕业年限：2011年学生姓名：秦麟学号：200775000126指导教师：李净基于6S模型的TM遥感影像大气校正研究--以张掖地区为例秦麟摘要：受大气吸收与散射的影响，电磁波在大气--目标物--遥感器途径传输过程中发生失真，造成目标地物反射辐射能量到达遥感器时被衰减。
给计算地表反照率、反射率和地表温度等关键参数带来较大的误差。
本文以张掖地区Landsat TM热红外波的遥感图像数据为例，通过利用6S大气辐射传输模型进行大气校正，并在窄波段反照率与宽波段反照率之间存在线性关系的前提下，反演该地区的地表反照率。
关键词：6S模型；大气校正；地表反照率6S Model Based Atmospheric Correction of Remote SensingImage in zhangyeQIN LinAbstract : Due to the distortions and noises caused by the presence of the atmosphere on the Sun-target-Sensor path, the space-based and airborne remote sensing information in the solar spectral range do not directly characterize the surface objects. It becomes serious impediments for the quantitative analysis and measurement of resources and environment. This paper discussed the atmospheric correction with 6S model (Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum), reversing surface albedos under the linear relationship between narrow band albedos and broadband albedos in the remote sensing image in zhangye city.Key words: 6S model; atmospheric correction; surface albedo.1 引言地表反照率是指地表反射太阳辐射与入射太阳辐射之比，是地--气间辐射能量收支的重要参数之一。
实习一 6S 大气校正
实习一 6S 大气校正一、实习目的加深对6S 模型原理的理解，掌握6S 软件的使用方法与步骤，能够利用该软件进行TM 影像的大气校正。
二、原理与方法6S 模型是目前世界上发展比较完善的大气辐射校正模型之一，是由Tanre 等人提出的5S （the simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum ）模型改进而来，它适合于可见光-近红外（0.25～4μm ）的多角度数据。
该模型考虑了地表非朗伯体情况，解决了地表BRDF 与大气相互耦合的问题，通过使用较为精确的近似方程以及称之为“successive order of scattering ”（SOS ）的算法，提高了瑞利散射和气溶胶散射的计算精度；将大气由原来5S 所考虑的26层、24个高斯离散角缩减为13层、12个离散角，显著简化了计算；光谱分辨率高达2.5nm 。
许多研究证明该模型的计算精度比其它模型精度高，而且计算时间快。
地面目标反射率与传感器入瞳处反射率的关系可由下面的方程表示：]),(),,,([)()(),(),(),,,(a R v s g v s v s T v s v s g aR v s g v s v s T T s T T T T ++−+−=ρθθφφθθρθθθθρθθφφθθρρ其中，ρ为地表反射率，()v s v S T φφθθρ,,,为大气上界反射率，s θ 为太阳天顶角，s φ 为太阳方位角，v θ为传感器天顶角，v φ为传感器方位角，)(s T θ为大气透过率， ),(v s g T θθ 为太阳－目标大气路径透过率，)(v T θ为目标－传感器大气路径透过率，a R +ρ 为分子散射和气溶胶散射所构成的路径辐射反射率，s 为大气半球反射率。
该式是大气纠正的近似经验公式，也是6S 模型的基本方程。
（详细原理请参考6S 操作手册）三、实习仪器与数据6S 程序包、ENVI 软件、TM 影像四、实习步骤1、输入6S 模型参数在利用6S 软件进行大气校正时需要输入的主要参数有（参照…\6S 大气校正\6S_V4.1\help\6S 操作手册_P1.pdf ）：(1)太阳天顶角、卫星天顶角、太阳方位角、卫星方位角，也可以输入卫星轨道与时间参数来替代。
大气校正6S模型简介
度（KM）
0.25-4um是6S模型处理的合法波长。提供
。 自定义和标准预定义两种光谱选择
地表反射率模型，包括均一地表和非均一地表。 前者又分为两种：无方向型和方向型地表，前者 代表的是均一的朗伯反射体，分别是绿色植被均 值、洁净水均值、沙地均值和湖水均值，同时还 可输入自己的地表反射率。后者考虑了地表和大 气的二向反射特性。
6S给出几种可供选择的大气模式:对流 层模型、中纬度夏季、中纬度冬季、 近极地夏季、近极地冬季、US62标准 大气模型，也可自定义大气模式 。
气溶胶模式包括定义气溶胶类型和浓度两部分。
*在6S中定义了7种缺省的气溶胶模式(大陆型、
海洋型、城市型、沙土型、生物气溶胶和平流层 型)，还可根据实际测量来定义。
射SOS (successive orders of scaБайду номын сангаасtering)算法来计 算散射和吸收,提高了瑞利和气溶胶散射作用的计算精
度。光谱波长提高到了2.5nm。 改进了模型的参数输
入,使其更接近实际。该模型对主要大气效应:
H2O ,O3 ,O2 ,CO2 ,CH4 ,N2O 等气体的吸收,大气分子 和气溶胶的散射都进行了考虑。它不仅可以模拟地表 非均一性,还可以模拟地表双向反射特性。
这四部分反射辐射的总和可以反演非朗伯体地表的反射率。
五、6S主要算法
六、6S算法流程
❖ 1、几何参数 ❖ 2、大气模式 ❖ 3、气溶胶模式 ❖ 4、光谱条件 ❖ 5、地面反射率 ❖ 6、目标和传感器的高程参数
利用输入的参数来确定相对于一个指定 的地面点时，太阳、地面目标和传感器 之间的空间几何关系。如太阳天顶角、 卫星天顶角、太阳方位角、卫星方位角， 观测时间等。
6S模型简介
大气辐射传输模型6S1986年，法国Université des Sciences et Technologies de Lille（里尔科技大学）大气光学实验室Tanré等人为了简化大气辐射传输方程，开发了太阳光谱波段卫星信号模拟程序5S（SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM），用来模拟地气系统中太阳辐射的传输过程并计算卫星入瞳处辐射亮度。
1997年，Eric Vemote对5S进行了改进，发展到6S（SECOND SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM）,6S吸收了最新的散射计算方法，使太阳光谱波段的散射计算精度比5S有所提高。
这种模式是在假定无云大气的情况下，考虑了水汽、CO2、O3和O2的吸收、分子和气溶胶的散射以及非均一地面和双向反射率的问题。
6S是对5S的改进，光谱积分的步长从5nm 改进到2.5nm，同5S相比，它可以模拟机载观测、设置目标高程、解释BRDF作用和临近效应，增加了两种吸收气体的计算（CO、N2O）。
采用SOS (successive order of scattering) 方法计算散射作用以提高精度。
缺点是不能处理球形大气和limb (临边)观测。
它其中主要包括以下几个部分：（1）太阳、地物与传感器之间的几何关系:用太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角四个变量来描述；（2）大气模式：定义了大气的基本成分以及温湿度廓线，包括7种模式，还可以通过自定义的方式来输入由实测的探空数据，生成局地更为精确、实时的大气模式，此外，还可以改变水汽和臭氧含量的模式；（3）气溶胶模式：定义了全球主要的气溶胶参数，如气溶胶相函数、非对称因子和单次散射反照率等，6S中定义了7种缺省的标准气溶胶模式和一些自定义模式；（4）传感器的光谱特性：定义了传感器的通道的光谱响应函数，6S中自带了大部分主要传感器的可见光近红外波段的通道相应光谱响应函数，如TM，MSS，POLDER和MODIS等；（5）地表反射率：定义了地表的反射率模型，包括均一地表与非均一地表两种情况，在均一地表中又考虑了有无方向性反射问题，在考虑方向性时用了9种不同模型）。
应用6S模式对EOS_MODIS可见光到中红外波段的大气订正
应用6S 模式对EOS 2MODIS 可见光到中红外波段的大气订正Ξ张 杰1)2) 王介民3) 郭 铌1)2)1) (中国气象局兰州干旱气象研究所,兰州730020)2) (甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,兰州730020)3) (中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,兰州730000)摘 要应用6S 辐射传输模式对MODIS 可见光到中红外波段的反射率进行大气订正,订正过程分两步进行:首先设定地表为朗伯体,再应用二向反射模型BRDF 进行订正,订正结果与美国MODIS 研究组应用MAS 实验结果进行比较表明,两者变化趋势是一致的;经过臭氧、水汽、气溶胶等散射吸收订正,对于一定范围的反射率,大气订正使植被区红光波段反射率ρ1降低、近红外波段反射率ρ2增加,蓝光波段反射率ρ3降低;大气订正后,归一化植被指数I NDV 较大气订正前有所增加,增加的最大值为0.104,抗土壤2大气植被指数I EV 值略有减小,减小的最大值为0.005。
关键词:6S 辐射传输模式 EOS 2MODIS 大气订正 植被指数引 言Terra 是美国最新发射的对地观测极轨卫星,MODIS 是Terra 卫星的传感器之一,是为研究全球环境的空间和时间序列变化而设置的,可提供每日的全球数据,为研究全球环境变化提供了机会。
NASA 不但发展了MODIS 算法,而且提高了MODIS 许多波段的分辨率,如可见光到中红外波段,而可见光到中红外光谱遥感为了解生物圈及其动力学变化提供了重要信息。
20世纪80年代以来,红外和近红外波段数据(如:AV HRR )被用来研究植被[1],可见光和中红外数据(如TM 等)被用来研究土地利用和土地覆盖变化,MODIS 传感器是基于AV HRR 和TM 实验基础而设计的,美国应用这些波段已经取得了一些产品,如植被指数、叶面积指数、地表反照率、土地覆盖变化以及积雪覆盖等等[2]。
要获得地表的准确信息,有必要在遥感研究和应用中尽量削弱大气的影响。
6S辐射校正模型的输处参数
输出文件不仅包括输入文件的全部内容，而且包括所有的计算结果。
①辐射部分辐射部分的结果有:地面上的直接反射率及辐照度散射透过率及辐照度、环境反射率及辐照度:卫星上的大气路径反射率及辐亮度、背景反射率及辐亮度、像元反射率及辐亮度。
历②吸收部分包括:各种气体的向上透过率、向下透过率、总透过率。
气体总向上透过率、总向下透过率、总透过率。
③散射部分包括:大气分子，气溶胶的向上散射透过率、向下散射透过率、总散射透过率。
总向下散射透过率、总向上散射透过率、总散射透过率。
大气分子,气溶胶，及总的球面反照率、光学厚度、反照率，单次反照率及相函数。
④大气校正结果包括大气校正后的反射率及大气校正系数xa ,xb,xc。
①几何参数6S的几何参数有两种输入方法:太阳和卫星的天顶角和方位角,及观测时间(月，日);卫星的接收时间(月，日，年)、像素点数、升交点时间，由程序计算太阳和卫星的天顶角和方位角。
②大气模式6S给出几种可供选择的大气模式，包括热带、中纬度夏季、中纬度冬季、近极地夏季、近极地冬季等，美国62标准大气等，另外作者也可以根据需要自定义大气模式。
③气溶胶模式6S可以选择三种气溶胶模式，包括无气溶胶，自定义气溶胶模式。
如四种基本气溶胶的加权平均;气溶胶的谱分布加光度计测量结果(光学厚度)和折射指数;直接给出消光系数。
模型提供的大陆型，海洋型和乡村型三种气溶胶模式。
④气溶胶浓度可以输入波长在550 nm处的光学厚度Tsso和气象能见度(km)，所以它其实也提供了两者的相互关系。
⑤地面高度以千米为单位的地面海拔高度(负值)。
⑥探测器高度-1000代表卫星测量,0为地基观测，飞机航测输入以千米为单位的负值。
⑦探测器的光谱条件给出了常见卫星Meteosat, Goes, NOAA/AVHRR和HRV, Landsat TM和MSS, Modis, Polder 的每个波段的光谱条件，也可选择自定义。
⑧地表特性可以选择地表均一或不均一，也可选择地表为朗伯体或双向反射。
基于高程或气溶胶厚度与6S模型校正参数回归方程的遥感图像大气校正模型
射过程时, 需要输入许多大气校正参数, 其中对校正 效应影响较大的包括气溶胶厚度和高程。校正时, 首先利用 6S 模型计算大气校正参数 X a、X b、X c, 然 后利用这些参数计算地表真实反射率[ 3] 。但是一景 ET M+ 图像覆盖 范围为 185 185 km2 , 下垫面非 常复杂, 气溶胶光学厚度分布不均。若以平均气溶 胶光学厚度和平均高程对整幅影像进行大气校正显 然是不合理的。因此, 本文基于 6S 模型, 探讨影像 区域下垫面高程和气溶胶光学厚度对 6S 模型校正 参数的影响, 并建立了回归方程的简单可行的大气 校正方法。本文最终建立的模型可以脱离 6S 模型 直接使用于冬季无云天气珠江三角洲影像区域的大 气校正。该方法也可以用于其它区域进行类似的大 气校正模型的建立。
表 2 城市模式拟合蓝光波段气 溶胶变化校正方程系数 Table 2 The correction equation coeff icients in blue band depending on the changes of aerosol ( urban model)
AOT
250 380 460 550 650 750
33 2
遥感技 术与应用
第 24卷
刻的气象数据很难准确获取, 所以常常使用一些标 准模式来估算, 如关于水汽和臭氧含量的参数的确 定, 可以从大气模式中选择中纬度冬季或夏季模式 等来代替。这些参数中对大气校正效应影响最大的 是气溶胶光学厚度, 而大气校正最重要也是最难的 部分就是气溶胶散射的校正。原因有两点: 第一, 气 溶胶的光学厚度( 或者水平视距) 本身很难获得; 第 二, 在一幅图像上不同地点的气溶胶光学厚度是不 同的, 如 T M 影像上的林地与城市中心上空的气溶 胶光学厚度有 2~ 3 倍的差距, 显然在整幅较大的图 像上用一个气溶胶光学厚度参数是不合理的。与此 有相似特点的还包括高程等。
大气辐射传输模型6S简介
大气辐射传输模型6S简介1986年，法国Université des Sciences et Technologies de Lille（里尔科技大学）大气光学实验室Tanré等人为了简化大气辐射传输方程，开发了太阳光谱波段卫星信号模拟程序5S（SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM），用来模拟地气系统中太阳辐射的传输过程并计算卫星入瞳处辐射亮度。
1997年，Eric Vemote对5S进行了改进，发展到6S（SECOND SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM）,6S吸收了最新的散射计算方法，使太阳光谱波段的散射计算精度比5S有所提高。
这种模式是在假定无云大气的情况下，考虑了水汽、CO2、O3和O2的吸收、分子和气溶胶的散射以及非均一地面和双向反射率的问题。
6S是对5S的改进，光谱积分的步长从5nm改进到2.5nm，同5S相比，它可以模拟机载观测、设置目标高程、解释BRDF作用和临近效应，增加了两种吸收气体的计算（CO、N2O）。
采用SOS (successive order of scattering) 方法计算散射作用以提高精度。
缺点是不能处理球形大气和limb (临边)观测。
它其中主要包括以下几个部分：（1）太阳、地物与传感器之间的几何关系:用太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角四个变量来描述；（2）大气模式：定义了大气的基本成分以及温湿度廓线，包括7种模式，还可以通过自定义的方式来输入由实测的探空数据，生成局地更为精确、实时的大气模式，此外，还可以改变水汽和臭氧含量的模式；（3）气溶胶模式：定义了全球主要的气溶胶参数，如气溶胶相函数、非对称因子和单次散射反照率等，6S中定义了7种缺省的标准气溶胶模式和一些自定义模式；（4）传感器的光谱特性：定义了传感器的通道的光谱响应函数，6S中自带了大部分主要传感器的可见光近红外波段的通道相应光谱响应函数，如TM，MSS，POLDER和MODIS等；（5）地表反射率：定义了地表的反射率模型，包括均一地表与非均一地表两种情况，在均一地表中又考虑了有无方向性反射问题，在考虑方向性时用了9种不同模型）。
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6S给出几种可供选择的大气模式:对流 层模型、中纬度夏季、中纬度冬季、 近极地夏季、近极地冬季、US62标准 大气模型，也可自定义大气模式 。
气溶胶模式包括定义气溶胶类型和浓度两部分。
*在6S中定义了7种缺省的气溶胶模式(大陆型、
海洋型、城市型、沙土型、生物气溶胶和平流层 型)，还可根据实际测量来定义。
6S中有3种传感器高程的设置方 式，分别是卫星平台、地面和航 空。目标物的高度决定目标物上 层大气厚度，而传感器的高度用 于订正传感器在大气内的情况。
三、辐射传输机理
❖ 假设没有大气，太阳短波辐射直接照射到目标物， 一部分被目标物吸收，其余直接反射到传感器。但 实际并非如此，电磁波在大气中的传输和传感器在 测量过程中，由于地物光照条件（如太阳高度角及 地形变化等）以及大气作用等的影响，遥感传感器 的测量值与地物实际的光谱辐射发生失真。只有很 小部分（在0.85um波段80%，在0.45um波段50%）太 阳辐射反射到传感器。
❖ 1997年，美国马里兰大学地理系Eric Vemote对5S进行了改进， 发展到6S（SECOND SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM）,6S吸收了最新的散射计算方法，使太阳 光谱波段的散射计算精度比5S有所提高。
❖ 该模型采用了最新近似(state of the art)和逐次散
大气校正6S模型简介
主要内容：
❖ 一、引言 ❖ 二、6S模型概述 ❖ 三、辐射传输机理 ❖ 四、地表反射率的计算 ❖ 五、6S主要算法 ❖ 六、6S算法流程
一、引言
❖ 大气校正分为绝对大气校正和相对大气校正； ❖ 绝对大气校正方法中校正精度高的方法是辐射传输
模型； ❖ 辐射传输模型是利用电磁波在大气中的辐射传输原
*可以输入波长为550nm处的光学厚度和气象能见
度（KM）
0.25-4um是6S模型处理的合法波长。提供
。 自定义和标准预定义两种光谱选择
地表反射率模型，包括均一地表和非均一地表。 前者又分为两种：无方向型和方向型地表，前者 代表的是均一的朗伯反射体，分别是绿色植被均 值、洁净水均值、沙地均值和湖水均值，同时还 可输入自己的地表反射率。后者考虑了地表和大 气的二向反射特性。
❖ （2）光子从大气顶部太阳方向直接到达地面 目标的过程中，有一部分被大气所散射，这些 被散射的光子到达地面目标后被目标物反射后 直接到达传感器
❖ (3)光子直接从大气顶部太阳方向到达目标后， 经过目标物的反射某一部分沿观察方向直接到达 传感器，另一部分经过大气的散射后，到达传感 器，这个过程可以理解为从入射方向上的一束光 子在各个方向上的反射
这四部分反射辐射的总和可以反演非朗伯体地表的反射率。
五、6S主要算法
六、6S算法流程
❖ 1、几何参数 ❖ 2、大气模式 ❖ 3、气溶胶模式 ❖ 4、光谱条件 ❖ 5、地面反射率 ❖ 6、目标和传感器的高程参数
利用输入的参数来确定相对于一个指定 的地面点时，太阳、地面目标和传感器 之间的空间几何关系。如太阳天顶角、 卫星天顶角、太阳方位角、卫星方位角， 观测时间等。
射SOS (successive orders of scattering)算法来计 算散射和吸收,提高了瑞利和气溶胶散射作用的计算精
度。光谱波长提高到了2.5nm。 改进了模型的参数输
入,使其更接近实际。该模型对主要大气效应:
H2O ,O3 ,O2 ,CO2 ,CH4 ,N2O 等气体的吸收,大气分子 和气溶胶的散射都进行了考虑。它不仅可以模拟地表 非均一性,还可以模拟地表双向反射特性。
❖ (4)光子在直接从大气部太阳方向到达目标物的过 程中，一部分光子经过大气衰减后直接到达目标物， 另一部分光子经过大气的散射后，在到达目标物后被 反射，同样，其一部分直接到达传感器，而另一部分 则经过大气散射和地气作用后达到传感器。这一部分 可以理解为从各个方向入射到目标物的光子，在经过 目标物的反射后，又从各个方向到达接收传感器。
理建立起来的模型对遥感图像进行大气校正的方法； ❖ 6S模型为辐射传输模型中应用较为广泛的方法。
二、6S模型概述
❖ 1986年，法国里尔科技大学大气光学实验室TanreD.,DeuzeJ.L, 等人为了简化大气辐射传输方程，开发了太阳光谱波段卫星信 号模拟程序5S（SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM），用来模拟地气系统中太阳辐射的传输过程 并计算卫星入瞳处辐射亮度。
❖ 辐射损失主要发生在大气吸
收和散射过程。 O3,H2O,O2,CO2,CH4引起电 磁辐射的吸收，而散射主要
由烟灰、尘土等大气气溶胶 产生。
四、地表反射率的计算
❖ 在6S模型中，对于地面目标的非朗伯体，将光子从目 标物到达传感器的过程归结为以下4中不同形式：
❖ （1）光子直接从大气顶部太阳方向到达地面目标，然 后经过地物目标的反射后再直接到达传感器，由于大 气吸收效应等，光传输能量衰减，光子数量减少，其 递减成指数形式