大气辐射传输校正模型(5S,modtran,acorn)

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

n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

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chandrakhar（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。