大气校正方法说明.docx

1、大气校正方法说明利用MODTRAN进行大气校正的方法说明一 大气校正公式、原理以及所需参数大气是介于传感器和地球表层之间由多种气体和气溶胶组成的介质层，电磁波在地物和传感器之间传输时，必然受到大气的影响。遥感对地观测时，要想得到目标的真实信息，大气校正是不可回避的。由卫星传感器获取的表观反射率可由下式表出： (1)式中： ：太阳天顶角 ， ：太阳方位角 ， ：传感器天顶角， ：传感器方位角， ：目标反射率，：大气的路径辐射项等效反射率， ：大气的光学厚度， S：大气的半球反照率，：散射透过率，。通过MODTRAN4对大气辐射传输进行模拟，求得大气校正所需参数，将所求的大气校正参数和传感器获得的

2、表观反射率一并代入大气辐射传输公式 (1)，便可计算出目标的真实反射率，从而完成大气校正的任务。在实际的工作中，我们可以用下面的公式： (2) 式中：是传感器接收到的辐射亮度，是路径辐射项，是太阳下行总辐射(是大气层顶的太阳辐照度)， =+是传感器和目标之间的透过率（是直射透过率，是散射透过率）。在已知的观测条件（太阳和传感器的几何参数，大气廓线，地表反射率等）下，设定一组值以及相应的传感器高度，通过MODTRAN4模拟得到一组辐射亮度，代入方程(2)，再经过简单的代数运算就可以求出大气校正所需的参数（路径辐射项、透过率、大气半球反照率和太阳下行总辐射）。地表反射率和相应传感器高度设置见表1：

3、(地面高程时候传感器不受大气影响,L0项去掉；1表示完全透过)模拟次数12345地表反射率00.10.20.10.2传感器高度100100100地面高程地面高程表1 地表反射率和相应的传感器高度参数设置 由(2)式，可以解出， (3) 将传感器接收的辐射亮度和MODTRAN4模拟的大气校正参数代入方程(3)就可以进行大气校正。二 MODTRAN介绍MODTRAN中等光谱分辨率大气透过率算法和计算模型，是由AFRL/VSBT和Spectral Sciences, Inc.共同研发的一个产品。MODTRAN以中等光谱分辨率，主要是2 cm-1 （紫外波段20 cm-1 ），计算0 到50000 c

4、m-1波段的大气透过率和辐射。由于LOWTRAN系列波段模型算法的光谱分辨率和精度满足不了人们对更高分辨率和精度的需求，例如处理散射问题的二流近似限制了其计算精度，与方向有关的辐射亮度计算精度不高。 MODTRAN便应运而生。除了LOWTRAN 7分子波段模型参数化之外，MODTRAN包含了LOWTRAN 7的所有功能，包括，球面折射的几何学、太阳和月亮的源函数、散射（瑞利散射，米散射，单次散射和多次散射）和默认的廓线（气体廓线，气溶胶廓线，云，雾，雨）。目前发布的是MODTRAN4，3.1版本。因为MODTRAN4是MODTRAN系列第一个申请专利、发布的，这个版本号意味着一些勘误表和物理模

5、型的加入。MODTRAN4主要的发展在于correlated-k算法的实施，大大方便了多次散射的准确计算。这在本质上允许MODTRAN4进行“真实的比尔-朗伯”辐射传输计算，并且使衰减层现在有了明确的物理意义。更加准确的透过率和辐射计算极大促进高光谱影像数据的分析。MODTRAN4提供了二向反射分布函数集，使物体表面散射逾越了朗伯体假设的局限。correlated-K和二向反射分布函数集的结合极大改进了散射计算的精度。三 如何利用MODTRAN得到大气校正所需参数 MODTRAN4的运行由当前目录下的tape5文件控制，tape5由一系列的CARDS(输入行)组成，输入参数由以下五个部分构成：

6、控制运行参数、传感器参数、大气参数、观测几何条件和地表参量。tape5文件的主要作用是：提供执行过程的参数（执行透过率的计算还是辐射的计算等）、提供计算所需的大气廓线（包括大气廓线的高度、压强、温度、水汽。CO2、气溶胶等）、控制计算结果的输入（输入文件的名称，输入文件的内容以及格式等）。 由于辐射传输算法所设计的参数很多，所以tape5文件非常复杂，而且其中每个参数都有固定的格式和具体的含义，不能有丝毫的差别。tape5文件必须严格的写入或由输入子程序生成。设定这些参数后就可以用MODTRAN来模拟大气辐射传输过程，求解大气校正参数。具体的参数设置和模拟结果由下面的例子case1和case2

7、给出。需要校正的是北京顺义地区ETM+图像，图像获取时间2001年4月17日，顺义的地理坐标为(,)。case1：使用的是默认的大气廓线(Mid-Latitude Summer)，采取的波段响应函数是 TM7的波段相应函数（DATA目录下的tm7_filterfunction.txt）。计算的是大气辐射。输入文件为tape5，输出结果为channels.out文件。 tape5文件和channels.out文件的内容及说明见附录一。表2列出了五次模拟的亮度值。 次数 波段1234516.31E-067.65E-069.10E-062.01E-064.16E-0624.05E-065.41E-0

8、66.84E-061.95E-064.00E-0632.49E-063.80E-065.17E-061.76E-063.61E-0641.00E-061.94E-062.92E-061.21E-062.47E-0655.65E-083.29E-076.05E-073.11E-076.26E-0769.22E-091.03E-071.97E-071.08E-072.16E-07表2 五次模拟的亮度值把这五组辐射亮度值和设置的地表反射率、传感器高度对应起来，代入方程(2),联立得到由五个方程组成的方程组： (4)将模拟的五次辐射亮度值代入上面的方程组，不难解出大气校正参数。 (5)计算结果如表3所

9、示： 参数波段 路径辐射项大气透过率大气半球反照率下行总辐射16.31E-066.71E-013.30E-011.94E-0524.05E-066.98E-012.78E-011.89E-0532.49E-067.45E-012.32E-011.72E-0541.00E-067.76E-011.68E-011.19E-0555.65E-088.76E-016.02E-023.09E-0669.22E-098.66E-013.31E-021.07E-06表3 大气校正参数case2： tape5文件写入的是自定义的大气廓线，由探空数据获取。采取的波段响应函数是 TM7的波段响应函数（DATA目录

10、下的tm7_filterfunction.txt）。计算的是大气辐射。输入文件为tape5，输出文件为channels.out。tape5文件和channels.out文件的内容及说明见附录二。最后，按照表1的设置和已知数据，用MODTRAN4模拟得到五组传感器辐射亮度，见表4： 次数 波段1234518.67E-061.17E-051.49E-054.28E-068.71E-0625.85E-069.02E-061.24E-054.21E-068.54E-0633.54E-066.45E-069.48E-063.66E-067.42E-0641.47E-063.53E-065.66E-062

11、.51E-065.07E-0658.44E-086.26E-071.17E-065.94E-071.19E-0661.70E-082.13E-074.10E-072.14E-074.29E-07表4 MODTRAN4模拟的五组传感器辐射亮度值 把这五组辐射亮度值和设置的地表反射率、传感器高度对应起来，代入方程(2),联立得到由五个方程组成的方程组(4)，利用方程组(5)解出大气校正所需参数，如表5所示： 参数波段 路径辐射项大气透过率大气半球反照率下行总辐射18.67E-067.22E-012.76E-014.07E-0525.85E-067.68E-012.39E-014.03E-0533.

12、54E-068.06E-012.04E-013.53E-0541.47E-068.32E-011.50E-012.44E-0558.44E-089.14E-015.77E-025.89E-0661.70E-089.18E-013.45E-022.13E-06表5 大气校正参数附录一：tape5文件格式：TS 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0.000 0.00tf 2f 0 365.00000 1 1 f t t f 0.000DATA/BMP99_01.BINE:daqiMod4_InputsampleDATAtm7_filterfunction.txt 2 1 0 1

13、0 0 6.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.03300 100.000 0.033 180.000 0.000 0.000 0.000 0 0 1 2 137 0 40.250 243.500 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 300 2500 1 15rn n2aa 1TS 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0.000 0.10tf 2f 0 365.00000 1 1 f t t f 0.000DATA/BMP99_01.BINE:daqiMod4_InputsampleDATAtm7_filterfu

14、nction.txt 2 1 0 1 0 0 6.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.03300 100.000 0.033 180.000 0.000 0.000 0.000 0 0 1 2 137 0 40.250 243.500 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 300 2500 1 15rn n2aa 1TS 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0.000 0.20tf 2f 0 365.00000 1 1 f t t f 0.000DATA/BMP99_01.BINE:daqiMod4_Inputsam

15、pleDATAtm7_filterfunction.txt 2 1 0 1 0 0 6.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.03300 100.000 0.033 180.000 0.000 0.000 0.000 0 0 1 2 137 0 40.250 243.500 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 300 2500 1 15rn n2aa1TS 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0.000 0.10tf 2f 0 365.00000 1 1 f t t f 0.000DATA/BMP99_01.BINE

16、:daqiMod4_InputsampleDATAtm7_filterfunction.txt 2 1 0 1 0 0 6.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.03300 100.000 0.033 180.000 0.000 0.000 0.000 0 0 1 2 137 0 40.250 243.500 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 300 2500 1 15rn n2aa1TS 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0.000 0.20tf 2f 0 365.00000 1 1 f t t f 0.000

17、DATA/BMP99_01.BINE:daqiMod4_InputsampleDATAtm7_filterfunction.txt 2 1 0 1 0 0 6.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.03300 0.034 0.033 180.000 0.000 0.000 0.000 0 0 1 2 137 0 40.250 243.500 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 300 2500 1 15rn n2aa 0tape5文件说明：第一行CARD1: MODTRN, SPEED, MODEL, ITYPE, IEMSCT,

18、IMULT,M1, M2, M3, M4, M5, M6, MDEF, IM, NOPRNT, TPTEMP, SURREF 格式(2A1, I3, 12I5, F8.3 A7) Tape5文件的第一行和CARD1对应，表示采用的模型是MODTRAN band model，SPEED为slow(33 k values),采用的大气模式是Mid-Latitude Summer,计算的路径为斜程，程序以光谱热辐射和太阳月亮辐射模式执行，计算过程中考虑多次散射，程序以常规模式运行，设定的地表反射率为0.00。 第二行CARD1A1: DIS, DISAZM, NSTR, LSUN, ISUN, CO

19、2MX, H2OSTR, O3STR, LSUNFL, LBMNAM, LFLTNM, H2OARE, SOLCON FORMAT(2L1, I3, L1, I4, F10.5, 2A10, 4(1X,A1), 2X, F10.3) Tape5文件的第二行和CARD1A:对应，采用DISORT二流近似离散纵标多次散射算法，CO2混合比为365ppmv，第三行从CARD1A2读取band model参数,从后续的CARD1A3中读取用户定义的仪器波度响应函数。 第四行CARD1A3 FILTNM 格式（A80） Tape5文件第四行和CARD1A3对应，读取用户自定义仪器波度响应函数。 第五行C

20、ARD2: APLUS, IHAZE, CNOVAM, ISEASN, ARUSS, IVULCN, ICSTL, ICLD, IVSA, VIS, WSS, WHH, RAINRT,GNDALT 格式(A2, I3, A1, I4, A3, I2, 3I5, 5F10.5) Tape5文件的第五行和CARD2相对应，消光类型为RURAL extinction,视距6公里，对流层和平流层的季节气溶胶廓线为SPRING-SUMMER,地面高程为0.033公里。 第六行CARD3: H1, H2, ANGLE, RANGE, BETA, RO, LENN, PHI, 格式（6F10.3, I5,

21、5X, F10.3） Tape5文件的第六行和CARD3对应，表示传感器的高度为100公里，目标高程为0.033公里，传感器的天顶角为180度（垂直向下观测）。第七行CARD3A1: IPARM, IPH, IDAY, ISOURC 格式(415)Tape5文件的第七行和CARD3A1对应，观测时间在一年中是第137天，太空辐射源是太阳。 第八行CARD3A2: PARM1, PARM2, PARM3, PARM4, TIME, PSIPO, ANGLEN, G 格式（8F10.3） Tape5文件的第八行和CARD3A2对应，传感器的纬度40.25度，经度243.5度。 第九行CARD4:

22、V1, V2, DV, FWHM, YFLAG, XFLAG, DLIMIT, FLAGS 格式（4F10.0, 2A1, A8, A7） Tape5文件的第九行和CARD4对应,计算的是300nm到2500nm的大气辐射，步长为1nm,半高全宽度（FWHM）为15。 第十行CARD5: IRPT 格式（I5） Tape5文件的第十行和CARD5对应,0表示停止程序。1表示读取后续的Tape5文件参数。因此将多次模拟的参数写入同一个Tape5文件，就可以进行批处理。输出文件channels.out格式：CHAN SPECTRAL RADIANCE CHANNEL FULL CHANNEL SP

23、ECTRAL SPECTRAL CHANNEL NEL (W SR-1 CM-2 / XXXX) RADIANCE EQUIVALENT WIDTH MINIMUM MAXIMUM DESCRIPTION NO. (PER CM-1) (PER NM) (W SR-1 CM-2) (CM-1) (NM) (NM) (NM) - - - - - - - - - 1 1.436700E-07 6.306379E-06 4.237350E-04 2949.3630 67.1915 435.0000 520.0000 CENTER:464NM FWHM:44.00NM 2 1.267113E-07 4

24、.048306E-06 3.141385E-04 2479.1685 77.5975 500.0000 624.0000 CENTER:560NM FWHM:80.00NM 3 1.085361E-07 2.486430E-06 1.492019E-04 1374.6754 60.0065 614.0000 704.0000 CENTER:662NM FWHM:62.00NM 4 6.950373E-08 1.003888E-06 1.212020E-04 1743.8197 120.7326 740.0000 914.0000 CENTER:835NM FWHM:126.00NM 5 1.5

25、31583E-08 5.646331E-08 1.075310E-05 702.0906 190.4440 1504.0000 1791.0000 CENTER:1648NM FWHM:202.00NM 6 4.473961E-09 9.215902E-09 2.317407E-06 517.9766 251.4575 2001.0000 2386.0000 CENTER:2205NM FWHM:282.00NMCHAN SPECTRAL RADIANCE CHANNEL FULL CHANNEL SPECTRAL SPECTRAL CHANNEL NEL (W SR-1 CM-2 / XXX

26、X) RADIANCE EQUIVALENT WIDTH MINIMUM MAXIMUM DESCRIPTION NO. (PER CM-1) (PER NM) (W SR-1 CM-2) (CM-1) (NM) (NM) (NM) - - - - - - - - - 1 1.743712E-07 7.654005E-06 5.142840E-04 2949.3630 67.1915 435.0000 520.0000 CENTER:464NM FWHM:44.00NM 2 1.691927E-07 5.405551E-06 4.194573E-04 2479.1685 77.5975 500

27、.0000 624.0000 CENTER:560NM FWHM:80.00NM 3 1.657733E-07 3.797664E-06 2.278845E-04 1374.6754 60.0065 614.0000 704.0000 CENTER:662NM FWHM:62.00NM 4 1.346207E-07 1.944415E-06 2.347543E-04 1743.8197 120.7326 740.0000 914.0000 CENTER:835NM FWHM:126.00NM 5 8.931410E-08 3.292652E-07 6.270659E-05 702.0906 1

28、90.4440 1504.0000 1791.0000 CENTER:1648NM FWHM:202.00NM 6 4.978463E-08 1.025512E-07 2.578728E-05 517.9766 251.4575 2001.0000 2386.0000 CENTER:2205NM FWHM:282.00NMCHAN SPECTRAL RADIANCE CHANNEL FULL CHANNEL SPECTRAL SPECTRAL CHANNEL NEL (W SR-1 CM-2 / XXXX) RADIANCE EQUIVALENT WIDTH MINIMUM MAXIMUM D

29、ESCRIPTION NO. (PER CM-1) (PER NM) (W SR-1 CM-2) (CM-1) (NM) (NM) (NM) - - - - - - - - - 1 2.072413E-07 9.096831E-06 6.112297E-04 2949.3630 67.1915 435.0000 520.0000 CENTER:464NM FWHM:44.00NM 2 2.141794E-07 6.842832E-06 5.309868E-04 2479.1685 77.5975 500.0000 624.0000 CENTER:560NM FWHM:80.00NM 3 2.257958E-07 5.172707E-06 3.103960E-04 1374.6754 60.0065 614.0000 704.0000 CENTER:662NM FWHM:62.00NM 4 2.020057E-07 2.917701E-06 3.522616E-04 1743.8197 120.7326 740.0