大气校正6S模型简介
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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
*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。
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。
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）。
大气6S辐射模型
té 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。
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。
4 (湖水)
100 (执行大气校正，大气层顶辐亮度)
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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。
6S辐射校正模型的输入参数
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。
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10x12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工作还是反向工作。
当RAPP< -1时模式正向工作。
当RAPP>0(辐射亮度)或-1 < RAPP <0(反射率)时均决定模式是反向工作，即有大气校正进行。
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。
6S模型简介
−φv )
+
1−
T (θs ) < ρe >
S
[ρt e−τ / µv
+
<
ρe
>
td
(θv )]
（3）
< ρe > 用以下公式计算
∫ ∫ <
ρe
>=
1 td (θv )
+∞ +∞ −∞ −∞
ρ '(x,
y)e(s,
y,θv )dxdy
（4）
ρ ' (x, y) 为目标物周围某个点 M '(x, y) 反射率； e(s, y,θv ) 是单位 M ' (x, y) 均一面对 td (θv ) 上行交叉辐射透射率的贡献。
2 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，但实际情况并非如此。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 0.85 µm 波段 80%，在 0.45 µm 波段
−φv )
=
ρa (θs ,θv ,φs
− φv
)
+
ρtu 1− ρtu S
T
(θ s
)T (θv
)
式中
ρTOA (θs ,θv ,φs − φv ) 是传感器所接受的大气顶部辐射
ρa (θs ,θv ,φs − φv ) 瑞利散射和气溶胶散射引起的程辐射
S 大气球面反射率,如 E3 (τ ) ， E4 (τ ) 分别代表τ 的指数积分
6S辐射模型使用说明
6S模式使用说明一、输入参数和说明1.1几何参数（geometrical parameters）参数限制：无参数名称：igeom取值范围：0-7igeom=0：用户自己选择观测几何参数所需参数有：太阳天顶角（度）太阳方位角（度）卫星天顶角（度）卫星方位角（度）月（1-12）日（1-31）igeom=1-7分别代表以下卫星的观测：igeom=1：Meteosat卫星所需参数有：月日世界时（十进制）列数行数（图象最大尺度为5000X2500像素）igeom=2：GOES（东）卫星所需参数有：月日世界时（十进制）列数行数（图象最大尺度为17000X12000像素）igeom=3：GOES（西）卫星所需参数有：月日世界时（十进制）列数行数（图象最大尺度为17000X12000像素）igeom=4：AVHRR，下午NOAA卫星所需参数有：月日世界时（十进制）列数（1-2048）经度穿越赤道时间igeom=5：AVHRR，上午NOAA卫星所需参数有：月日世界时（十进制）列数（1-2048）经度穿越赤道时间igeom=6：HRV(SPOT)所需参数有：月日世界时（十进制）经度纬度igeom=7：TM(LANDSAT)所需参数有：月日世界时（十进制）经度纬度注：对HRV和TM，经纬度代表图象中心位置1.2 大气模式（atmospheric model）参数限制：无参数名称：idatm取值范围：0-9idatm =0：无气体吸收idatm =1：热带大气idatm =2：中纬度夏大气idatm =3：中纬度冬季idatm =4：亚北极区夏季idatm =5：亚北极区冬季idatm =6：美国标准大气（62年）idatm =7：用户定义大气廓线（34层无线电探空数据）包括：高度（km ）气压( mb ) 温度( k ) 水汽密度( g/m3) 臭氧密度(g/m3)idatm =8：输入水汽和臭氧总含量水汽( g/cm2 ) 臭氧(cm-atm)idatm =9：读入无线电探空数据文件1.3 气溶胶类型参数参数限制：无参数名称：iaer取值范围：0-12iaer=0: 无气溶胶iaer=1: 大陆型气溶胶iaer=2: 海洋型气溶胶iaer=3: 城市气溶胶iaer=5: 沙漠型气溶胶iaer=6: 生物质燃烧型iaer=7: 平流层模式iaer=4: 用户自己输入以下四种粒子所占体积百分比（0-1）c(1) ：灰尘c(2) ：水溶型c(3) ：海洋型c(4) ：烟灰iaer=8-10：用户自己按照尺度分布类型定义气溶胶模型iaer=8：多峰对数正态分布iaer=9：改进的gamma分布iaer=10：Junge幂指数律分布iaer=11：按太阳光度计测量结果定义气溶胶模型需要输入参数有：粒子半径（µm）粒径分布（d V / d (logr)，cm3/cm2/micron）和复折射指数的实部和虚部谱iaer=12：利用事先计算的结果给出文件名1.4 气溶胶含量参数（concentration）参数限制：能见度必须大于5公里参数名称：v取值范围：v=能见度（公里）v=0：输入550纳米气溶胶光学厚度taer55=550纳米气溶胶光学厚度v=-1：没有气溶胶1.5 目标高度参数（altitude of target）参数限制：无参数名称：xps取值范围：xps >=0：目标在海平面高度xps < 0：绝对值代表目标高度（公里）1.6 传感器高度参数（sensor altitude）参数限制：无参数名称：xpp取值范围：xpp= -1000：卫星观测xpp= 0：地面观测-100< xpp <0：飞机观测，绝对值代表飞机相对于目标的高度（公里）对于飞机观测，必须输入飞机和地面之间的水汽，臭氧含量和550纳米气溶胶光学厚度，如无数据则输入负值，水汽和臭氧根据62年美国标准大气内差，气溶胶则根据2公里指数廓线计算1.7 光谱参数（spectral conditions）参数限制：虽然在整个波段计算气体透射率和散射函数，但处理强吸收波段吸收与散射的相互作用不精确，因此不适合强吸收带参数名称：iwave取值范围：-2 – 70iwave=-2 – +1，用户自己定义光谱条件iwave=-2：用户输入光谱范围的下限和上限（微米），滤光片函数为1，输出文件中给出单色结果。
大气校正模型简述
大气辐射校正模型简介1、acorn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chandrasekhar（1960，dover）公式，描述了太阳辐射源、大气、和地表对辐射的贡献关系。
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2、lowtran模型LOWTRAN是一种低分辨率（分辨率≥20cm-1）大气辐射传输模式。
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。
大气校正6S模型简介
（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
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。
(4)光子在直接从大气顶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。
*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。
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。
基于6S模型的可见光_近红外遥感数据的大气校正
0 引 言
太阳辐射不仅是大气 、 陆表和海洋之间能量和水循环动力 ,而且是引起全球气候变化的主 要因素 。定量遥感的目的是利用遥感器有效地收集来自地物的太阳辐射能量 ,从中反演陆地 表面各种参数 ,包括双向反射率函数 (BRDF) 、 反照率 、 植被指数 、 叶面积指数 (LAI) 等 。由于电 磁波在大气中的传输和遥感器观测过程中光照条件以及大气作用等的影响 ,遥感器的测量值 与地物实际的光谱辐射率是不一样的 , 测量值发生辐射失真 。只有小部分 ( 在 0185μ m 波段 [1 ,2 ] 80 % ,在 0145 μ m 波段 50 %) 太阳辐射能反射到遥感器 。辐射损失主要发生在大气吸收和 散射过程 。辐射在太阳 — 目标物 — 遥感器之间的传输有 4 种情况 : 太阳光被大气气溶胶散射 , 部分散射到遥感器 ,其余散射到宇宙 ; 光子散射和直射到目标物后反射到遥感器 ; 在非均匀的 地表情况照射目标物周围地物的太阳光反射到遥感器 ; 在从目标物到遥感器的途径光子同样 被散射 ,部分散射到遥感器 。因此 ,地表参数的遥感定量反演研究中 ,必须纠正目标辐射的不 确定性信息 。对可见光 、 近红外波段数据来说 ,这个波段受水气吸收的影响大 ,从遥感器所接 受的大气顶部辐射中消除由瑞利散射 、 米氏散射和水汽吸收等大气效应引起的干扰是非常困 难的 。此外 ,大气气溶胶分布很不均匀 ,不可能获得当时当地每一点的大气气溶胶分布数据和 大气的光学厚度 ,只能通过对辐射传输过程进行模拟和假设 ,推导地表的真实反射率 。本研究
[3～15 ] 法 ( Contrast Reduction) 、 LUT (Look Up Table) 方法 、 6S 模型等不少方法 。上述方法大部分建
立在某种特殊的理想条件下 , 其实用性受到一定限制 。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 。 [16 ] 实现辐射订正后 ,采用公式 ( 1) 把图像灰度值转换成具有辐射意义的亮度值 。
6S辐射传输模型说明 - 副本
3
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59
2nd 2nd 3rd pan 2nd 3rd pan 2nd 3rd 4th 5th 7th 2nd 3rd 4th 2nd 3rd 4th 5th 6th 7th MODIS MODIS MODIS MODIS MODIS MODIS MODIS 2nd 2nd POLDER POLDER POLDER POLDER POLDER POLDER POLDER
band 2 (non polar( 0.4100-0.5225) band 3 (non polar( 0.5325-0.5950) band 4 P1 ( 0.6300-0.7025) band 5 (non polar( 0.7450-0.7800) band 6 (non polar( 0.7000-0.8300) band 7 P1 ( 0.8100-0.9200)
1
卫星方位角 月 1 2 3 4 5 6 7 8 （如“5”表示 5 月） 日 （Day of the month） meteosat 观测几何。需要输入月、日、十进制小时（UTC时间：hh.ddd)，列数， 行数（最大列数和行数分别为5000和2500） 自西向东飞行观测几何，需输入的参数同meteosat,但是图像最大列数和行数为 17000和12000 自东向西观测几何（goes west observation），输入参数同2 avhrr ( PM noaa ) ，输入month,day,UTC time(hh.ddd)，列号（1－2048），过 升交点的时间（小时即可）和经度。 avhrr ( AM noaa ) ，输入month,day,UTC time(hh.ddd)，列号（1－2048），过 升交点的时间（小时即可）和经度。 hrv tm etm+ ( spot ) 需输入month,day,UTC time(hh.ddd),long.,lat. ( landsat ) 需输入 month,day, UTC time(hh.ddd),long.,lat. ( landsat7) 需输入 month,day, UTC time(hh.ddd),long.,lat.
大气校正模型简述
大气辐射校正模型简介1、 acorn 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chandrasekhar (I960, dover)公式，描述了太阳辐射源、大气、和地表对辐射的贡献关系。
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2、 lowtran 模型LOWTRAN是一种低分辨率(分辨率》 20cm-1 )大气辐射传输模式。
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。
大气校正6S模型简介
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。
(4)光子在直接从大气顶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。
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。
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
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。
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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