大气校正6S模型简介

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 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。

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。

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）。

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
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。

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