大气辐射传输模型6S简介
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。
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。
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。
基于6s的Sentinel影像大气校正研究
基于6s的Sentinel影像大气校正研究摘要：Sentinel影像的高分辨率和海量数据为应用提供了广阔的空间。
然而，由于大气散射和吸收对遥感图像质量的影响，遥感图像在实际应用中经常受到大气干扰。
基于此，该文提出了一种基于Python的Sentinel影像大气校正方法。
首先，采用6S模型对大气参数进行反演，然后对影像进行辐射校正。
校正后影像光谱曲线与地面实测光谱曲线的变化趋势一致,具有较高的拟合度。
模型大气校正的结果具有较强的相关性和较高的精度。
实验结果表明，该方法能够有效地降低Sentinel影像的大气干扰，提高遥感图像的质量和信度。
关键词：Sentinel影像，大气校正，6S模型，Python1.引言Sentinel影像的高分辨率、广覆盖范围和丰富的信息量使其成为遥感领域的研究热点[1]。
然而，由于大气散射和吸收对遥感图像质量的影响，Sentinel影像在实际应用中经常受到大气干扰。
因此，在Sentinel影像的处理过程中，如何减少大气干扰，提高图像的质量和信度成为了一个重要的问题和挑战。
遥感影像大气校正是一种重要的遥感数据处理方法[2]，主要用于去除由大气介质对遥感图像所产生的影响。
这些影响包括大气散射、吸收和反射等，会导致遥感影像中的亮度和色彩变化，从而对遥感数据的定量分析和应用造成不利影响。
因此，通过大气校正，可以使遥感数据更加准确，从而提高数据的应用价值。
目前，常见的遥感影像大气校正方法主要包括：6S模型法、DOS模型法、MODIS气溶胶算法和FLAASH方法等[3]。
其中，6S模型法是最为广泛应用的一种方法[5]，主要基于一个称为“6S（Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum）”的大气辐射传输模型，并结合遥感数据进行模拟计算和校正。
此外，也有基于深度学习和卷积神经网络等技术的遥感影像大气校正方法[4]。
6S和MODTRAN
6S （Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum）大气校正模型是Eric F. Vermote et al.（1997）在5S模型的基础上发展起来的。
6S模型可以很好地模拟太阳光在太阳－地面目标－传感器的传输过程中所受到的大气影响。
相对于5S模型，6S模型考虑了地面目标的海拔高度、非朗伯平面的情况和新的吸收气体种类（CH4，N2O，CO）。
通过采用the art approximation近似算法和SOS运算法则，提高了瑞利和气溶胶散射作用的计算精度。
光谱步长提高到了2.5nm。
6S模型建立在辐射传输理论基础之上,模型应用范围广，不受研究区特点及目标类型等的影响。
MODTARN（Moderate Resolution Transmission）这是由美国空军地球物理实验（AFGL）开发的计算大气透过率及辐射的软件包。
MODTRAN从LOWTRAN发展而来，它提高LOWTRAN的光谱分辨率。
MODTRAN的基本算法包括透过率计算，多次散射处理和几何路径计算等。
需要输入的参数有四类：计算模式，大气参数，气溶胶参数和云模式。
MODTRAN有四种计算模式：透过率，热辐射，包括太阳或月亮的单次散射的辐射率，直射太阳辐照度计算。
用MODTRAN进行大气纠正的一般步骤是：首先输入反射率，运行MODTRAN得到大气层顶（TOA）光谱辐射，解得相关参数；然后利用这些参数带入公式进行大气纠正。
6S描述了大气如何影响辐射在太阳－地表－遥感器之间的传输。
需要输入的参数有：几何参数（遥感器类型、成像年月日和经纬度；大气中的水和臭氧浓度；气溶胶浓度；辐射条件、观测波段和海拔高度；地表覆盖类型和反射率。
6S预先设置了50多种波段模型，包括MODIS，AVHRR，TM等常见传感器的可见光近红外波段。
6S和MODTRAN比较：MODTRAN解决的是正问题，给出反射率，MODTRAN能计算出大气层顶辐射；6S解决的是反问题，给出大气层顶辐射，计算地表的反射率。
大气辐射校正-6S-实习【课件】共26页文档
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与 艰难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
0代表均匀 1代表不均匀
10 输入RAPP 的空气校正参数
11 打开sixs.out文件，找到经校正之后 的系数，计算大气校正的表达式
*************************************************
*
atmospheric correction result
亮度单位*： w/m2srm
10
m/w cm 2srm
注意三点：
增益（Gains）和偏置（Offset）取值
➢头文件 ➢USGS网站上定期公布数据
增益（Gains）和偏置（Offபைடு நூலகம்et）量纲和含 义
m/w cm 2sr
➢毫瓦/（平方厘米*球面度）
➢毫瓦/ （平方厘米*球面度*微m 米/）w cm 2srm
* coefficients xa xb
xc
: .00450 .02945 .08062
* y=xa*(measured radiance)-xb; acr=y/(1.+xc*y)
*************************************************
y=0.00450*b1-0.02945
*
-----------------------------
* input apparent reflectance
: .309
* measured radiance [w/m2/sr/mic] : 90.000
大气6S辐射模型
4 (湖水)
100 (执行大气校正，大气层顶辐亮度)
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
Geometrical conditions 几何条件
igeom [0-7]:
0 (用户自定义几何条件）
asol,phi,avis,phiv,month,day:
rapp:
-0.2 (表观反射率)
Output filename: 输出的文件名
d:\dh6s\example.dat (输出文件名)
* direct solar irr. atm. diffuse irr. environment irr *
* 522.913 353.436 11.241 *
* rad at satel. level (w/m2/sr/mic) *
（1）几何参数
6S两种输入方法⑴ 太阳和卫星的天顶角和方位角以及观测时间(月,日)。⑵ 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。特别注意的是这里的时间采用世界时且要精确到1/6秒。
遥感卫星数据6S大气校正输入参数
遥感卫星数据6S大气校正输入参数
6s大气校正模型的输入参数主要包括：
几何参数（遥感器类型、成像时间、经纬度）；大气中水和臭氧浓度；气溶胶浓度；辐射条件、观测波段和海拔类型和反射率。
具体参数解释如下：
1.IGEOM：（几何条件）
程序预定有几个常用传感器类型，如果不是，需要选择0来自定义传感器类型。
2.IDATM
输入气候类型
3.IAER
输入气溶胶类型
4.V（visibility)
输入能见度，输入为550nm处的气溶胶光学厚度，或者是气象能见度。
5.XPS（目标海拔高度）
利用GPS测得
6.XPP（传感器海拔高度）
-1000表示卫星传感器
7.IWA VE（波谱响应函数）
根据不同传感器，有相应的选项，如果没有，则需要手动输入（前面-2、-1、0、1）就是手动输入的选项。
8.INHOMO
输入地表异质性参数（0表示非异质，1表示异质性地表）
选择0即同质性地表时，IDIREC表示是否发生了方向性反射，0表示无方向性反射，接下来IGROUN表示地表示反射率是一个常数，不随波长变化）
9.IRAPP
输入值为-1到0时，表示要订正的图像DN值为定标过后的表观反射率值，大于0时，表示DN值为辐射亮度值此处的值只是一个开关标量，其大小只代表程序的工作模式，而不代表其他实际物理意义。
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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）。
这5个部分便构成了辐射传输模型，考虑了大气顶的太阳辐射能量通过大气传递到地表，以及地表的反射辐射通过大气到达传感器的整个辐射传输过程。
6S的输入参数主要有9个部分组成：（1）几何参数6S两种输入方法⑴ 太阳和卫星的天顶角和方位角以及观测时间(月,日)。
⑵ 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。
特别注意的是这里的时间采用世界时且要精确到1/6秒。
（2）大气模式6S给出几种可供选择的大气模式，热带、中纬度夏季、中纬度冬季、近极地夏季、近极地冬季、美国62标准大气也可自定义大气模式。
（3）气溶胶模式三种选择：⑴ 无气溶胶。
⑵ 自定义气溶胶模式。
如，四种基本气溶胶的体积的加权平均；气溶胶的谱分布加光度计测量结果（光学厚度）和复折射指数；直接给出消光系数。
⑶ 提供的三种气溶胶模式大陆型，海洋型和乡村型。
（4）气溶胶浓度两种选择：⑴ 在550nm处的光学厚度⑵ 气象能见度（km）。
故它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（设为负值）。
（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的每个通道的光谱响应函数，也可选择自定义。
（8）地表特性可以选择地表均一或不均一，也可选择地表为郎伯体或双向反射。
6S给出了九种比较成熟的BRDF模式供用户选择，也可自定义BRDF函数（输入个角度的反射率及入射强度）（9）表观反射率输入反射率或辐射亮度，同时也决定模式是正向还是反向工作。
当RAPP<-1时是正向。
RAPP>0（辐射亮度）或-1<RAPP<0（反射率）均决定是反向过程，即要进行大气订正过程。
有几种6S可执行文件，我知道的有2种，一种是编辑一个文本文件，在DOS界面下输入这个文本文件的名字，指定输出文件的名字；另外一种是运行6S，在提示下一个一个输出参数。
先介绍一个一个输入的情况，给个例子：输入文件：Geometrical conditions 几何条件igeom [0-7]:0 (用户自定义几何条件）asol,phi,avis,phiv,month,day:32.50,157.70,24.10,103.60,8,29 (太阳天顶角，太阳方位角、观测天顶角、观测方位角、月份、天〕Atmospheric model 大气模型idatm [0-8]:2 （中纬度夏季大气模式） Aerosol model(type) 气溶胶类型iaer[0-12]:5 (背景沙漠气溶胶类型)Aerosol model (concentration) 气溶胶浓度the visibility:0 (输入光学厚度)the aero optical depth at 550:0.087 (550nm气溶胶光学厚度)The altitude of target 目标的高度xps:-1.15 (目标高度＝1.15km)The sensor altitude 传感器的高度xpp:-1000 (传感器在卫星高度)The spectral conditions 波段状况iwave[-2--60]:21 (SPOT1－HRV2 波段1)Ground reflectance (type) 地面反射率inhomo:0 (地面均匀)idirec:0 (地面无方向影响)igroun:0 (反射率不随波长变化)ro:0.21 (地面波段反射率＝0.21)Atmospheric correction mode 激活大气订正的方式rapp:-0.2 (表观反射率)Output filename: 输出的文件名d:\dh6s\example.dat (输出文件名)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－再给个直接输入文本文件的例子：7 (TM)11 13 2.15 120.2333 31.2333 (太阳天顶角、方位角；观测天顶角、方位角；月、日)3 (中纬度冬季)1 (大陆型气溶胶)20 (地表能见度为20公里)-0.01 (目标物的高度：0.1公里)-1000 (传感器的高度：卫星上)25 (TM1)0 (为均匀地表)0 (无方向性)4 (湖水)100 (执行大气校正，大气层顶辐亮度)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－6S输出一个很长的文本文件。
这个文件首先描述一下输入参数的情况，然后模拟在这些输入的条件下，辐射在太阳－地物－遥感器之间的传输过程，输出其中的中间参数和最终的就结果参数。
其中，比较重要的是下面几行。
它首先模拟了地面接收的辐照度来自3部分，太阳直射、大气漫射和环境辐射。
然后模拟了遥感器接收的辐射来自3部分，大气折射、背景辐射和来自地物象元的反射。
* int. absolute values of ** ----------------------- ** irr. at ground level (w/m2/mic) ** direct solar irr. atm. diffuse irr. environment irr ** 522.913 353.436 11.241 ** rad at satel. level (w/m2/sr/mic) ** atm. intrin. rad. background rad. pixel radiance ** 35.858 4.770 13.098 *如果在输入文件中选择进行大气校正，则输出下面大气校正参数：xa,xb和xc。
利用下面这个公式可以对遥感图像进行大气校正，提到地表反射率acr，前提是遥感图像经过辐射定标，是辐亮度图像，而且单位必须是w/m2/sr/mic。
y=xa*(measured radiance)-xb;acr=y/(1.+xc*y)*************************************************************** atmospheric correction result ** ----------------------------- ** input apparent reflectance: 0.269 ** measured radiance [w/m2/sr/mic] : 100.000 ** atmospherically corrected reflectance : 0.257 ** coefficients xa xb xc : 0.00419 0.15347 0.17212 ** y=xa*(measured radiance)-xb;acr=y/(1.+xc*y) ************************************************************。