用于大气校正的大气辐射传输模型简介

用于大气辐射传输校正的模型主要有5S模型,6S模型,LOWTRAN模型,MODTRAN模型和FASCODE模型。其中可以分为两类:1)、5S和

6S模型;2)、LOWTRAN模型,MODTRAN模型和FASCODE模型。除此以外,还有一些根据上述模型商业化的校正软件所进行的改进模型,主要

有ACORN和FLASSH模型。

15S和6S模型。1986年,法国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,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,EricVemote对5S进行了改进,发展到6S(SECONDSIMULATIONOFTHESATELLITESIGNALINTHESOLARSPECTRUM),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。

1.15S模型

该模型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,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。随后发展成为6S模型。

1.26S模型

6S是在5S的基础上发展而来的,该模型采用了最新近似和逐次散射算法来计算散射和吸收,考虑了地表的非朗伯特性,在计算透过率时加入了3种新气体

(CH4,N2O,CO),提高了瑞利散射与气溶胶散射的计算精度。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)。采用方法逐次散射算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。

1.3ATREM模型

另一个优秀的大气校正模型是ATREM,在6S基础上改进,

它是科罗拉多大学开发的大气校正软件包。利用Malkmus窄波段模型计算7种大气气体(H2O、CO2、O3、N2O、CO、CH4、O2)的透过率,

利用3波段比值技术计算每个像元的水汽含量,利用6s辐射传输模型模拟大气的散射过程,产生的最终结果包括一幅水汽含量图像和大气校正过后的反射率影像。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。

2LOWTRAN模型,MODTRAN模型和FASCODE模型

LOWTRAN,MODTRAN

和FASCODE都是由美国空军地球物理实验室(AFGL)根据不同的应用目的而开发和研制的宽带、窄带和逐线计算的大气辐射传输模型及其相应的应用软

件。它们之间相互借鉴,取长补短,具有一组共享的公共模块,在编程时如同拼积木似的互相调用,这样也便于互相比较。

这三个大气辐射传输模型具有如下共同的特点:它们都可以在非常宽的电磁波谱范围(0~50000cm-1,0.2m~∞)内使用,都涉及了复杂大气条件下

多种辐射传输量的计算。在这些计算模型中都包括了1976年美国标准大气作为高度函数的温度、压力、密度以及水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳和一氧化二氮等

30种气体混合比的六种参考模型大气,这些大气模型适合气候学选择的范围。同时还可以根据理论计算或实测资料,由用户自行定义模型大气,使这个模型在特定

环境下仿真和使用显得特别灵活。此外,在这些传输模型实用程序中包括了具有代表性的大气、气溶胶、云和雨的模型,这些复杂的天气环境使它们具有更广泛的应

用。模型还包括了水平、垂直、倾斜向上和向下传输等各种复杂的几何关系,在计算大气倾斜路径及沿着传输路径衰减量时,都考虑了大气折射和地球的曲率。这些

辐射传输模型都利用了HITRAN数据库中的基本分子常数,然而,它们采取了各不相同的处置方法把这些常数换算成透过率和辐射度,显然,这些辐射传输模型

具有不同的精确性。下面我们将讨论这些模型在应用这个信息时所采取的不同方法。

2.1LOWTRAN模型

LOWTRAN系列是计算大气透过率及辐射的软件包,由美国空军地球物理实验室用FORTRAN语言编写。目前流行的是1989年2月公布的LOWTRAN7版本。它以20cm-1的光谱分辨率的单参数模式计算0cm-1~50000cm-1(0.02μm~∞)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、太阳直接辐照度。LOWTRAN7增加了多次散射的计算及新的带模式、臭氧和氧气在紫外波段的吸收参数。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。

2.2MODTRAN模型

MODTRAN是LOWTRAN的改进模型,它将光谱分辨率从LOWTRAN的20cm-1提高到2cm-1,主要改进包括发展了一种2cm-1的光谱分辨率的分子吸收的算法并更新了对分子吸收的气压温度关系的处理,同时维持LOWTRAN7的基本程序和使用结构。许多大气校正模型就是在MODTRAN的基础上

发展起来的,如ACORN(AtmosphericCORrectionNow)和

FLAASH(FastLine-of-SightAtmosphericAnalysisofSpectralHypercubes)模型。ACORN

是由ImSpecLLC公司开发的用于大气校正的商业化软件包,可以对350nm~2500nm之间的高光谱与多光谱数据进行大气校正,它利用

MODTRAN4模拟大气吸收以及分子和气溶胶的散射效应,并形成一系列查找表(look-up-tables),利用查找表逐像元估算水汽含量。

ACORN的一个主要特点在于它利用全光谱拟合解决了水汽与植被表面液态水重叠吸收的问题。FLAASH模型是由光谱科技公司

(SpectralScienceInc.)、美国空气动力研究实验室(AFRL)与波谱信息技术应用中心(SITAC)联合开发的大气校正软件包,它工

作的波段范围在400nm~2500nm之间。FLAASH同样利用MODTRAN4生成一系列的大气参数查找表,其最大特点在于考虑了邻边效应。

2.3FASCODE模型

FASCODE是一个完全的逐线Beer-Lambert算法,它以最精细的光谱分辨率“精确”计算孤立的、重叠的分子谱线,这样的光谱分辨率与任意版本的HITRAN的分子成分跃迁资料相兼容。通过对每一层分子吸收,散射效应(分子和气溶胶)及一些连续吸收的计算,FASCODE提供了“精确”透过率计算的处理。并且FASCODE考虑了非局地热力平衡状态的处理,原则上它的应用高度不受限制。因此,FASCODE通常用作评估遥感系统参数化带模型的基准。

参考文献:

1大气辐射传输模型的比较研究,孙毅义等,2004,2强激光与粒子束

2光学遥感大气校正研究进展亓雪勇等2005,12国土资源遥感

36Smanualhttp://6s.ltdri.org

6S模式简介

对卫星遥感影像进行大气纠正是依据大气辐射传输模型来完成的。

6S模式,全称为“Seeond Simulation of satellite signal in the

Solar Spectrum”,是1996年由法国大气光学实验室(Laboratoire d’optique

Atmospherique)在5S模式的基础上开发出来的。它主要用来估计在无云的情况下,由气象传感器或地球遥感卫星获取的在0.25一4μm太阳光谱的辐射,主要特点为:

1

、通过使用了状态近似(the State of the art

approximation)和多次散射(successive order of scattering

method)方法来求解辐射传输方程,能较好的解决瑞利散射和气溶胶的影响。它将大气分成12层,离散角分为12个,分别计算不同层和离散角的辐射传输值,减少计算量,较少整层处理的难度,较少了计算的误差。

2

、6S在假定水汽在气溶胶层之上或之下的情况下,近似解决了水汽与气溶胶之间的散射和吸收匹配的问题。

3、计算波段范围是太阳光谱波段0.25一4μm;

4、对下垫面的类型有多种选择,包括,朗伯体、非朗伯体以及非均一地表反射可供选择,引入了BRDF模型来考虑均一地表条件下的二向反射问题,另外,用户还可以根据实际地表反射率特征进行自定义,同时考虑了地面高程的影响。

5、模式中气溶胶模式也很灵活,不但提供了几种标准气溶胶模式,还可以根据光度计实测数据或者气溶胶粒子谱分布来自定义。

6、除了给出了常用遥感器的波段响应函数,还可以根据用户需要自行定义波段以及响应函数,扩大了适用传感器的范围。

7、大气模式有标准和用户自定义可供选择,在大气模式中考虑了新的气体(CH4,NZO,CO)的影响。

8、有两种计算方式:正算和反算,正算就是根据地表反射率情况和大气的环境参数,计算出传感器应该接收到的辐射亮度值。反算是用户给定传感器的辐射亮度与大气环境参数,计算出大气的光学参数,进一步利用大气参数和传感器接收值反算出地表反射率,即大气订正过程。

6S模型的不足有:

1、光谱条件只能使在0.25一4μm范围,只有当波段的吸收性不是很显著时,能很好的处理波段上同时存在吸收和散射的问题。

2、气溶胶模式选择上,能见度要在5km以上,能见度太小使计算出来的结果可能不可靠。

3、不能处理有云情况下的辐射问题。

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