6S大气传输模型解析

一、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。此外，还有很多基于统计模型的方法，如有人提出利用小波变换的遥感图像相对辐射校正方法。该方法对源图像小波变换域的低频成分实施辐射变换,并保持高频成分不变,重构的图像具有保持高频信息的特性,因而能够较好地保留原图像中由于地物变化引起的辐射差异；也有人利用主成分分析法把遥感图像中有用的信息和大气影响噪音区分开来。

二、大气辐射传输模型6S

       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）。

这5个部分便构成了辐射传输模型，考虑了大气顶的太阳辐射能量通过大气传递到地表，以及地表的反射辐射通过大气到达传感器的整个辐射传输过程。

三、6S模型具体参数设置

3.1几何参数（geometrical parameters）

图1 几何参数设置

3.2 大气模式（atmospheric model）

参数限制：无      参数名称：idatm       取值范围：0-9

idatm=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

3.3 气溶胶类型参数

参数限制：无    参数名称：iaer    取值范围：0-12

iaer=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=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=5:沙漠型气溶胶

iaer=6:生物质燃烧型

iaer=7:平流层模式

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

3.4 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

【AOT的实测数据可根据太阳光度计或者Aerosol中国站点（https://aeronet.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/type_piece_of_map_opera_v2_new）。】

3.5 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）

3.6 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）

【注：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】

3.7 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：-2–70

iwave=-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。

iwave=-1：单色计算，用户给出单色波长（微米）

iwave=0：用户输入光谱范围的下限和上限（微米），滤光片函数为1

iwave=1：用户输入光谱范围的下限和上限（微米）并输入滤光片函数（间隔为0.0025微米。

iwave=2-70：选择下列卫星通道

【注:利用MODIS数据反演AOT时，可以选择42（红光波段）和44（蓝光波段），idl调用6S模型，分别生成两张查找表，用这两个查找表分别反演550nm处的气溶胶光学厚度，然后用波段运算做一个平均，提高气溶胶反演的精度。】

3.8 地表反射率类型（ground reflectance type）

参数限制：用户可以选择“补丁”结构的地表情况，即输入一个半径为rad的圆形目标的反射率roc和周围环境的反射率roe

参数名称：inhomo    取值范围：0，1

inhomo=0：均匀表面

所需参数：

idirec=0： 无方向效应

输入均匀朗伯表面的反射率igroun（roc=roe）

idirec=1： 有方向效应

ibrdf=0：输入太阳天顶角为thetas时10个观测天顶角（0-80度间隔10度和85度）和30个观测方位角（0-360度间隔30度）下的反射率；

               同样，输入观测天顶角为thetav时各太阳入射角度下的反射率；

               地表半球反射率；

               在所选的观测条件下（太阳天顶角，观测天顶角和相对方位角）的反射率；

ibrdf=1-9： 选择模式中储存的模式

ibrdf=1： hapke model

ibrdf=2： verstraete et al.model

ibrdf=3： Roujean et al.model

ibrdf=4： walthall et al.model

ibrdf=5： minnaertmodel

ibrdf=6： Ocean

ibrdf=7： Iaquinta and Pintymodel

ibrdf=8： Rahman et al.model

ibrdf=9： Kuusk's multispectralCR model

【注：对于上述每种地面反射率模式，还分别需要输入各自所需的参数，请参阅主程序说明。地表反射率的输入有暂时有六种形式，0为反射率不随波长变化，1为以2.5nm步长输入反射率，2为绿色植被的平均光谱反射率，3为清水的，4位沙地的，5为湖水的。

1为各向异性构建BRDF（双向反射分布函数），其中的ibrdf4 walthallmodel，不少论文使用。】

3.9 激活大气订正方式

参数限制：无   参数名称：rapp   取值范围：（确保表观反射率为正值）

【注：如果选择不校正的话，可以计算大气光学参数，即大气反射率Pa，半球反照率S，大气透过率T。当然，选择大气校正反演地面反射率时，也可计算大气光学参数，同时实现地面反射率校正。】

四、输出例子

引用一下网上的一个输出例子。

4.1、输入文件实例

下面是敦煌辐射校正场同步观测大气辐射传输模拟计算的输入文件：

反射率数据文件格式（举例）：

350.00 0.1044

351.00 0.1046

352.00 0.1048

353.00 0.1055

354.00 0.1056

355.00 0.1057

356.00 0.1062

***.** *.****

第一列为波长(纳米),第二列为反射率

4.2、输出文件举例