6S辐射传输模型说明 - 副本

冠层反射率模型—辐射传输模型1、在冠层反射率模型中，通常分为两类，即几何光学模型与辐射传输模型。

2、一种是几何特征明显（如树木、灌丛、成垄分布的农作物等），另一种则无明显几何特征（如大面积的草地、已封垄的农作物等）。

3、由于相互融合，两类模型现在已经区分不明显了，即以几何光学为基础的模型加入了对多次散射的考虑，而以辐射传输为基础的模型加入了对热点现象的考虑。

4、热点(hot spot)现象：即当传感器与太阳位于同一方向时，传感器所接收的地面辐射最强（地面反射率最大、地面光强最强、最热）。

几何光学模型可以较好地解释热点现象。

5、热点现象产生机制：1）阴影隐藏机制，几何光学模型解释2）后向散射的相干机制，两个光线以不同的方向经过同一路径时，在后向散射方向会发生波的相干加强。

6、“碗形”分布对于水平均匀分布的植被,如果叶面积足够大,其BRF具有“碗形”分布，即反射率在星下点最小，随着天顶角的增加而增加。

原因：1）路径中散射体增加2）植被累积面积增大7、“丘形”分布在背景土壤反射率较高（如红光波段）而且植被较为稀疏的情况下，反射率会出现“丘形”分布。

原因：1）星下点背景反射率影响较大8、叶面积指数单位面积内所有叶子单面面积之总和。

也可表示为叶面面积之总和与所占面积之比。

无单位量纲，是农学、植被生态学中最重要、最常用的参数。

9、植被辐射传输模型植被遥感接收的信息是植被上界的出射辐射（不考虑大气影响），它是辐射在植被—土壤耦合体系中多次散射和吸收的结果，而辐射传输理论可以比较系统、较完整地描述该过程。

通过辐射传输理论，我们可以准确地计算植被上界的出射辐射量，或根据这一信息反演植被的光学特性和结构特性，因而从理论的高度解决了植被遥感的定量化问题。

10、植被遥感传输理论的三个里程碑成果：（1）1950年，Chandrasekhar给出辐射传输方程的具体表达式，并在大气和核物理等研究领域迅速得到应用和发展。

（2）1953年，门司正三和佐伯敏郎（Monsi and Saeki）从实测测定和理论推导两方面建立了光强对叶面积的依赖关系。

[转载]大气辐射传输模型已有 968 次阅读2010-11-6 14:31|个人分类:未分类|系统分类:科普集锦|关键词:辐射传输转自/s/blog_4b700c4c0100jgl7.html相对辐射校正和绝对辐射校正基于物理模型的绝对辐射校是利用一系列参数(例如，卫星过境时的地物反射率，大气的能见度，太阳天顶角和卫星传感器的标定参数等)将遥感图像进行校正的方法。

仪器引起的误差畸变一般在数据生产过程中由生产单位根据传感器参数进行了校正。

对于用户来所，绝对辐射校正的方法主要是辐射传输模型法，该方法校正精度较高，它是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气校正的方法。

由于有不同的不同的假设条件和适用的范围，因此产生很多可选择的大气较正模型，例如 6S模型、LOWTRAN模型、MODTRAN模型、ATCOR模型等。

基于统计模型的相对辐射校正,主要包括不变目标法、黑暗像元法与直方图匹配法等等。

不变目标法假定图像上存在具有较稳定反射辐射特性的像元，并且可确定这些像元的地理意义，那么就称这些像元为不变目标，这些不变目标在不同时相的遥感图像上的反射率将存在一种线性关系。

当确定了不变目标以及它们在不同时相遥感图像中反射率的这种线性关系，就可以对遥感图像进行大气校正。

黑暗像元法的基本原理就是在假定待校正的遥感图像上存在黑暗像元区域、地表朗伯面反射、大气性质均一，忽略大气多次散射辐照作用和邻近像元漫反射作用的前提下，反射率很小的黑暗像元由于大气的影响，而使得这些像元的反射率相对增加，可以认为这部分增加的反射率是由于大气程辐射的影响产生的。

利用黑暗像元值计算出程辐射，并代入适当的大气校正模型，获得相应的参数后，通过计算就得到了地物真实的反射率。

直方图匹配法是指如果确定某个没有受到大气影响的区域和受到大气影响的区域的反射率是相同的，并且可以确定出不受影响的区域，就可以利用它的直方图对受影响地区的直方图进行匹配处理。

基于6s的Sentinel影像大气校正研究摘要：Sentinel影像的高分辨率和海量数据为应用提供了广阔的空间。

然而，由于大气散射和吸收对遥感图像质量的影响，遥感图像在实际应用中经常受到大气干扰。

基于此，该文提出了一种基于Python的Sentinel影像大气校正方法。

首先，采用6S模型对大气参数进行反演，然后对影像进行辐射校正。

校正后影像光谱曲线与地面实测光谱曲线的变化趋势一致,具有较高的拟合度。

模型大气校正的结果具有较强的相关性和较高的精度。

实验结果表明，该方法能够有效地降低Sentinel影像的大气干扰，提高遥感图像的质量和信度。

关键词：Sentinel影像，大气校正，6S模型，Python1.引言Sentinel影像的高分辨率、广覆盖范围和丰富的信息量使其成为遥感领域的研究热点[1]。

然而，由于大气散射和吸收对遥感图像质量的影响，Sentinel影像在实际应用中经常受到大气干扰。

因此，在Sentinel影像的处理过程中，如何减少大气干扰，提高图像的质量和信度成为了一个重要的问题和挑战。

遥感影像大气校正是一种重要的遥感数据处理方法[2]，主要用于去除由大气介质对遥感图像所产生的影响。

这些影响包括大气散射、吸收和反射等，会导致遥感影像中的亮度和色彩变化，从而对遥感数据的定量分析和应用造成不利影响。

因此，通过大气校正，可以使遥感数据更加准确，从而提高数据的应用价值。

目前，常见的遥感影像大气校正方法主要包括：6S模型法、DOS模型法、MODIS气溶胶算法和FLAASH方法等[3]。

其中，6S模型法是最为广泛应用的一种方法[5]，主要基于一个称为“6S（Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum）”的大气辐射传输模型，并结合遥感数据进行模拟计算和校正。

此外，也有基于深度学习和卷积神经网络等技术的遥感影像大气校正方法[4]。

遥感辐射传输模型*名：**学院：地球科学与环境工程学院专业：遥感科学与技术班级：遥感一班提交时间：2015年5月10日大气订正是遥感技术的重要组成部分，主要包括大气参数估计和地表反射率反演两个方面。

如果获得了大气特性参数，进行大气订正就变得相对容易，但是获得准确的大气特性参数通常比较困难。

通常有两类方法用辐射传输方程计算大气订正函数：一种是直接的方法，对于大气透过率函数和反射率函数，通过对模型的积分来得到；另一种是间接的方法，他不是直接计算所需要的大气订正函数，而是通过辐射传输模型输出的表观反射率，结合模型输入的参数来求解。

大气订正方法有很多，比如：基于图像特征的相对订正法、基于地面线形回归模型法、大气辐射传输模型法和复合模型法等。

它是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气订正的方法。

其中，大气辐射传输模型(Atmospheric Radiative Transfer Model)法是较常用的大气订正方法，它用于模拟大气与地表信息之间耦合作用的结果，其过程可以描述为地表光谱信息与大气耦合以后，在遥感器上所获得的信息，其中考虑了光子与大气相互作用机理，物理意义明确，具有很高的反演精度。

大气辐射传输原理电磁辐射在介质中传输时，通常因其与物质的相互作用而减弱。

辐射强度的减弱主要是由物质对辐射的吸收和物质散射所造成的，有时也会因相同波长上物质的发射以及多次散射而增强，多次散射使所有其它方向的一部分辐射进入所研究的辐射方向。

当电磁辐射为太阳辐射，而且忽略多次散射产生的漫射辐射时，光谱辐射强度的变化规律可以表述为[1]（1）式中，IΛ是辐射强度， s是辐射通过物质的厚度，ρ是物质密度,KΛ表示对波长λ辐射的质量消光截面。

令在s=0 处的入射强度为Iλ（0），则在经过一定距离s1后，其出射强度可由式(1)积分得到（2）假定介质是均匀的，则kλ与距离s无关，因此定义路径长度（3）则式(2)可表示为（4）上式就是比尔定律，也称朗伯定律。

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）。

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。

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。

6S纠正模型帮助11.首先来看看太阳光线从太阳到地面传输过程中的散射问题：部分的太阳辐射在大气中就通过散射等方式直接返回太空中，这样入射到地面的辐射就会损失，同时他们到达传感器时并没有携带地面目标地物的任何信息。

部分射向地面的散射光线可以到达地面，它可以补偿部分的直射光线的损失，但是整个的到达地面的入射光线的总量还是有部分的损失。

这部分通过散射方式而到达地面的光线对于地物的反射量也做贡献。

2.在地表到传感器过程中的大气影响。

有两部分光线：地表反射的光线（太阳直射光线和散射光线到达地表的部分）和散射的光线（太阳射出的光线通过散射方式直接返回太空而射向传感器的部分）。

这些光线在射向传感器的过程中也会被散射。

这样传感器接收到的指定位置的光线有部分可能来源于其他位置的地物反射光线的散射结果。

如果地表物体较均匀，这些散射的影响较小，如果地表类型较复杂时就会在传感器中增加周围地物的噪音。

3.地表反射的光线中有部分会发生后向散射，这部分光线会重新返回地面，经过地物的反射再次射向传感器，地面与大气的后向反射会多次的往复进行，但是经过一两次的相互作用后它的光线强度会很弱，可以不予考虑了。

大气吸收的效果1.O2,O3,H2O,CO2,CH4,N2O,通常情况下认为O2, CO2,CH4,N2O的含量是固定的，同时他们在大气中是均匀分布的，O3,H2O的含量是随着时间和位置而改变的，后面的两种气体是我们研究的重点对象。

气体吸收辐射的能力跟旋转能量，震动和电子的状态有关，旋转能量较低，因此他们释放和吸收低频（长波）的光子，在微波到远红外波段。

震动方式跃迁时主要吸收近红外波段。

以电子方式跃迁时能量更大，主要吸收紫外到可见光波段。

由于跃迁发生在不连续的离散的位置，所以吸收系数随着频率的变化会有巨大的改变。

2.H2O：对光谱的吸收主要是在波长大于0.7um以上的位置，O3在0.55-0.65um和波长小于0.35um处进行强烈的吸收，所以限制了传感器接收小于0.35um的光线。