大氣校正模型簡述

大氣輻射校正模型簡介

1、acorn模型

它是一種基于圖像自身的大氣校正軟件，可以實(shí)現(xiàn)圖像輻射值到表觀地表反射率的轉(zhuǎn)換，其

工作的波長范圍是350－2500nm。

在目前的大氣校正程序一般都把地表假定為水平朗伯體，這主要是因?yàn)槲覀円话愫茈y獲取地

表的充足信息以完成地形校正，因此大氣校正的結(jié)果稱為拉伸的地表反射率，又稱表觀反射

率，在地形信息已知的情況下，可以將表觀反射率轉(zhuǎn)為地表反射率。

Acorn所提供的最高級(jí)的大氣校正形式是基于輻射傳輸理論的，大氣校正的方法是基于

chandrakhar（1960，dover）公式，描述了太陽輻射源、大氣、和地表對(duì)輻射的貢獻(xiàn)關(guān)系。

Caorn提供了一系列大氣校正策略，包括經(jīng)驗(yàn)法和基于輻射傳輸理論的方法，既可以對(duì)高光

譜數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，也可以對(duì)多光譜圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，校正模式如下：

1）模式1：對(duì)定標(biāo)后的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射傳輸大氣校正，輸出項(xiàng)為地表

表觀反射率。

2）模式1.5：對(duì)定標(biāo)后的高光譜數(shù)據(jù)利用水氣和液體水光譜你和技術(shù)進(jìn)行

輻射傳輸大

氣校正。

3）模式2：對(duì)高光譜大氣校正結(jié)果進(jìn)行獨(dú)立的光譜增強(qiáng)。

4）模式3：利用經(jīng)驗(yàn)線性法對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正

5）模式4：對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積處理得到多光譜數(shù)據(jù)

6）模式5：對(duì)定標(biāo)的多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射傳輸大氣校正

7）模式6：對(duì)多光譜的大氣校正結(jié)果進(jìn)行獨(dú)立的光譜增強(qiáng)

2、lowtran模型

LOWTRAN是一種低分辨率（分辨率≥20cm-1）大氣輻射傳輸模式。它提供了6種參考大氣

模式的溫度、氣壓、密度的垂直廓線，水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳、一氧化二氮的混合比

垂直廓線，其他13種微量氣體的垂直廓線，城鄉(xiāng)大氣氣溶膠、霧、沙塵、火山噴發(fā)物、云、

雨的廓線，輻射參量（如消光系數(shù)、吸收系數(shù)、非對(duì)稱因子的光譜分布），以及地外太陽光

譜。

lowtran7可以根據(jù)用戶的需要，設(shè)置水平、傾斜、及垂直路徑，地對(duì)空、空對(duì)地等各種探測(cè)

幾何形式，適用對(duì)象廣泛。lowtran7的基本算法包括透過率計(jì)算方法，多次散射處理和幾何

路徑計(jì)算。

1）多次散射處理

lowtran 采用改進(jìn)的累加法，自海平面開始向上直至大氣的上界，全面考慮整層大氣和地表、

云層的反射貢獻(xiàn)，逐層確定大氣分層每一界面上的綜合透過率、吸收率、反射率和輻射通量。

再用得到的通量計(jì)算散射源函數(shù)，用二流近似解求輻射傳輸方程。

2）透過率計(jì)算

該模型在單純計(jì)算透過率或僅考慮單次散射時(shí)，采用參數(shù)化經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算帶平均透過率，在

計(jì)算多次散射時(shí)，采用k－分布法

3）光線幾何路徑計(jì)算

考慮了地球曲率和大氣折射效應(yīng)，將大氣看作球面分層，逐層考慮大氣折射效應(yīng)

3、modtran模型

MODTARN（ModerateResolutionTransmission）這是由美國空軍地球物理實(shí)驗(yàn)（AFGL）開發(fā)的

計(jì)算大氣透過率及輻射的軟件包。MODTRAN從LOWTRAN發(fā)展而來，它提高LOWTRAN的光

譜分辨率。MODTRAN的基本算法包括透過率計(jì)算，多次散射處理和幾何路徑計(jì)算等。需要

輸入的參數(shù)有四類：計(jì)算模式，大氣參數(shù)，氣溶膠參數(shù)和云模式。

MODTRAN有四種計(jì)算模式：透過率，熱輻射，包括太陽或月亮的單次散射的輻射率，直射

太陽輻照度計(jì)算。

用MODTRAN進(jìn)行大氣糾正的一般步驟是：首先輸入反射率，運(yùn)行MODTRAN得到大氣層頂

（TOA）光譜輻射，解得相關(guān)參數(shù)；然后利用這些參數(shù)帶入公式進(jìn)行大氣糾正。

modtran可以計(jì)算0到50000cm－1的大氣透過率和輻射亮度，它在440nm到無限大的波長

范圍精度是2cm－1，在22680到50000cm－1紫外波（200-440nm）范圍的精度是20cm－1，

在給定輻射傳輸驅(qū)動(dòng)、氣溶膠和云參數(shù)、光源與遙感器的幾何立體對(duì)和地面光譜信息的基礎(chǔ)

上，根據(jù)輻射傳輸方程來計(jì)算大氣的透過率以及輻射亮度。

modtran輸入輸出參數(shù)

（1）控制運(yùn)行參數(shù)：如何采用何種輻射傳輸程序，是否進(jìn)行多次散射計(jì)算等；

（2）遙感器參數(shù)：如遙感器的波段參數(shù)，觀測(cè)的波束（波長范圍）；

（3）大氣參數(shù)：其中大氣模型通過card1中的選項(xiàng)確定，其他具體參數(shù)包括氣溶膠；

（4）觀測(cè)幾何條件：在card1中有關(guān)于幾何條件的選項(xiàng)，另外在card3中主要為幾何參數(shù)的

輸入選項(xiàng)，它通過多種方式組合來實(shí)現(xiàn)幾何參數(shù)的輸入，可根據(jù)計(jì)算的方便進(jìn)行選擇；

（5）地表參量：在card1中提供了地表參數(shù)設(shè)定的初步選項(xiàng)，所以只能在card4根據(jù)card1

中設(shè)定的參數(shù)對(duì)地表的參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)定。

所有的輸入都通過card1進(jìn)行控制，然后在由后續(xù)的card進(jìn)行具體社這設(shè)定所有參數(shù)之后，

就可以用modtran來模擬大氣輻射傳輸過程

4、5s模型

1986年，法國里爾科技大學(xué)大氣光學(xué)實(shí)驗(yàn)室TanreD.,DeuzeJ.L, 等人為了簡化大氣輻射傳輸

方程，開發(fā)了太陽光譜波段衛(wèi)星信號(hào)模擬程序5S（SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN

THE SOLAR SPECTRUM），用來模擬地氣系統(tǒng)中太陽輻射的傳輸過程并計(jì)算衛(wèi)星入瞳處輻射亮

度。

5、6S模型

1997年，美國馬里蘭大學(xué)地理系Eric Vemote對(duì)5S進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)展到6S（SECOND

SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM）,6S吸收了最新的散射計(jì)算方

法，使太陽光譜波段的散射計(jì)算精度比5S有所提高。

6S （Second Simulation of the Satellite Signal in the SolarSpectrum）大氣校正模型是Eric F.

Vermote etal.（1997）在5S模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。6S模型可以很好地模擬太陽光在太

陽－地面目標(biāo)－傳感器的傳輸過程中所受到的大氣影響。相對(duì)于5S模型，6S模型考慮了地

面目標(biāo)的海拔高度、非朗伯平面的情況和新的吸收氣體種類（CH4，N2O，CO）。通過采用

theartapproximation近似算法和SOS運(yùn)算法則，提高了瑞利和氣溶膠散射作用的計(jì)算精度。

光譜步長提高到了2.5nm。6S模型建立在輻射傳輸理論基礎(chǔ)之上,模型應(yīng)用范圍廣，不受研

究區(qū)特點(diǎn)及目標(biāo)類型等的影響。

6S描述了大氣如何影響輻射在太陽－地表－遙感器之間的傳輸。需要輸入的參數(shù)有：幾何

參數(shù)（遙感器類型、成像年月日和經(jīng)緯度；大氣中的水和臭氧濃度；氣溶膠濃度；輻射條件、

觀測(cè)波段和海拔高度；地表覆蓋類型和反射率。6S預(yù)先設(shè)置了50多種波段模型，包括MODIS，

AVHRR，TM等常見傳感器的可見光近紅外波段。

它其中主要包括以下幾個(gè)部分：

太陽、地物與傳感器之間的幾何關(guān)系；大氣模式；氣溶膠模式；傳感器的光譜特性；

地表反射率。

這5個(gè)部分便構(gòu)成了輻射傳輸模型，考慮了大氣頂?shù)奶栞椛淠芰客ㄟ^大氣傳遞到地表，以

及地表的反射輻射通過大氣到達(dá)傳感器的整個(gè)輻射傳輸過程。

6S的輸入?yún)?shù)主要有9個(gè)部分組成：

（1）幾何參數(shù)

（2）大氣模式

（3）氣溶膠模式

（4）氣溶膠濃度

（5）地面高度

（6）探測(cè)器高度

（7）探測(cè)器的光譜條件

（8）地表特性

（9）表觀反射率

6、FLAASH模型

它是ENVI下的一個(gè)模塊，FLAASH參數(shù)：

（1）圖像中心點(diǎn)坐標(biāo)

可以從相應(yīng)的HDF文件中找到，也可以從屏幕上直接讀取影像的中心坐標(biāo)，對(duì)反演結(jié)果影

響不大。當(dāng)影像位于西半球時(shí)，經(jīng)度為負(fù)值；

（2）傳感器類型

當(dāng)選擇傳感器類型時(shí)，模塊會(huì)選擇相應(yīng)的類型的傳感器波段響應(yīng)函數(shù)，同時(shí)系統(tǒng)一般會(huì)自動(dòng)

設(shè)置傳感器的高度和圖像的空間分辨率；

（3）海拔高度

海拔高度為研究區(qū)的平均海拔；

（4）數(shù)據(jù)獲取日期和衛(wèi)星過境時(shí)間；

衛(wèi)星過境時(shí)間為格林尼治時(shí)間，可以從相應(yīng)的HDF文件中找到；

（5）大氣模型

模塊提供熱帶、中緯度夏季、中緯度冬季、極地夏季、極地冬季和美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型，研究

者根據(jù)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間選擇相應(yīng)的大氣模型；

（6）水氣反演

大多數(shù)多光譜數(shù)據(jù)不推薦反演水汽含量；

（7）氣溶膠模型

可供選擇的氣溶膠模型有無氣溶膠、城市氣溶膠、鄉(xiāng)村氣溶膠、海洋氣溶和對(duì)流層氣溶膠模

型。當(dāng)能見度大于40Km時(shí)，氣溶膠類型選擇對(duì)反演沒有太多影響，一般情況下利用ASTER

數(shù)據(jù)不做氣膠反演；

7、atcor 模型

全稱：Atmospheric Correction and Haze Reduction for ERDAS IMAGINE from GEOSYSTEMS。

Erdas下的一個(gè)大氣校正的附加模塊，用于糾正地球表面地物光譜反射的變化和去除薄云及

霧霾。ATCOR2（2維）以2維的形式為大氣的影響開發(fā)模型，因此適用于平坦地區(qū)的圖像，

可以處理大量的衛(wèi)星影像。ATCOR3是ERDAS IMAGINE推出的為山區(qū)圖像進(jìn)行大氣糾正的附

加模塊，需要成像區(qū)域的DEM。