遥感辐射传输模型
遥感图像处理中大气校正方法综述
遥感图像处理中大气校正方法综述作者：廖吉庆章开灵来源：《科学与财富》2013年第03期摘要：本文就遥感图像处理中大气校正的一些方法进行论述，综合总结了遥感图像处理大气校正方法。
大气校正的方法主要有辐射传输模型、黑暗像元法、不变目标法、参考值大气校正法和大气阻抗植被指数法等。
关键词：遥感图像大气校正方法卫星遥感图像的大气校正，一直是遥感定量化研究的主难点之一。
近些年来，随着定量遥感技术迅速发展，特别利用多传感器、多时相遥感数据进行土地利用和土地覆盖化监测、全球资源环境分析、气候变化监测等的需要，使得感图像大气校正方法的研究越来越受到重视。
一、辐射传输模型在诸多的大气校正方法中校正精度高的方法是辐射传输模型法（Radiative transfer models）。
辐射传输模型法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。
国内很多研究者对辐射传输模型大气校正方法也作了很多研究工作。
秦益等人提出了基于辐射传输模型理论的AVHRR图像大气校正方案，并研制了软件系统。
李先华等人在讨论逐点计算遥感图像像元的大气程辐射值和大气透过率的方法和原理的基础上，提出了一个适合非均匀大气的、包括大气程辐射和大气透过率等修正内容的遥感图像广义大气校正模型。
张玉贵对TURNER模型进行改进，并对TM 图像进行了大气校正。
胡宝新等人提出了BRDF一大气订正环的大气校正方法。
这种方法首先用6S模型作基于朗伯体的大气校正，并通过一系列在不同成像几何条件的订正结果，在BRDF模型库中找到一种最能描述这些数据的模型，最后根据反演的模型参数进行基于BRDF的大气校正。
龙飞等人利用连续数天的多角度NOAA卫星数据，采用Rahman地表二向反射模型和基于地面BRDF反射率的大气校正方法反复迭代提出了多个角度大气校正后的图像。
二、黑暗像元法最理想的大气辐射校正和反射率反演方法应该是仅通过遥感影像信息，而不需要野外场地测量等辅助数据，并且能够适用于历史数据和很偏远的研究区域。
第六章 冠层反射率模型-辐射传输
8/11 植被遥感传输理论的三个里程碑成果：
• 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。 • 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。 其中所采用的理论就是辐射传输的基本定律—BeerLambert消光定律，从而开始了用辐射传输理论对植被冠 层的研究。 • 1975年，在总结前人多年工作的基础上，Ross出版了他 的论著（俄文版），正式确定了植被内部的辐射传输方程， 进而建立植被光学特性和结构特性与辐射场之间的关系。
下标 L 表示 leaf。 uL(z)对dz在 0-H 区域积分，等于？
3/12 对于叶面积密度分布，存在：
H
0
uL (z )dz L0
式中积分上限H为植被冠层深度，z的取向向下（即z=0为 植被上界，z=H为植被下界），L0为叶面积指数（无单位
量纲），是农学、植被生态学中最重要、最常用的参数。
a(θv,υv)
a(θi,υi)
O(θi,θv,υ)
7/11
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。同时 在解决问题的过程中，还可以借鉴许多辐射传输理 论的最新进展和突破，从而将使这一领域充满活力。 , L )d L 1
式中积分区域 2π+ 为上半球空间，这是因为叶片只 能计算单面。对于平面平行假设，存在 gL(r, ΩL) = gL(z, ΩL) 。 叶片在2π+空间均匀分布时， g (z, Ω ) = ?
气溶胶卫星遥感的辐射传输方程
气溶胶卫星遥感的辐射传输方程1、概述气溶胶是大气中的颗粒物质，对大气光学特性和气候变化有着重要的影响。
对于气溶胶的监测和遥感研究成为了大气科学领域中的一个热门话题。
在现代卫星遥感技术的支持下，气溶胶的遥感研究迎来了一个全新的发展阶段。
本文将重点介绍气溶胶卫星遥感的辐射传输方程。
2、气溶胶的光学特性气溶胶颗粒对太阳光的散射和吸收是其光学特性的重要表现。
光学特性决定了气溶胶颗粒对光的影响程度，进而影响了遥感观测的准确性和精度。
了解气溶胶的光学特性对于遥感研究至关重要。
3、辐射传输方程辐射传输方程描述了光在大气和气溶胶中传播的规律。
它是理解气溶胶遥感的基础，也是研究气溶胶影响的重要工具。
辐射传输方程的基本形式包括辐射传输方程、辐射传输方程、辐射传输方程和辐射传输方程。
在对气溶胶进行遥感观测时，需要根据具体的情况选择合适的辐射传输方程进行分析和计算，以获得准确的遥感结果。
4、气溶胶卫星遥感气溶胶卫星遥感是利用卫星载荷对地面上的气溶胶分布进行遥感观测的一种技术手段。
通过对大气中光谱的遥感观测，可以获取气溶胶的光学厚度、粒径分布、组成成分等信息，为大气和气候研究提供了重要的数据支持。
气溶胶卫星遥感在监测大气污染、预测天气变化、研究气候变化等方面具有重要的意义，受到了广泛关注和应用。
5、结论气溶胶卫星遥感的辐射传输方程是气溶胶遥感研究的重要基础，对于理解气溶胶在大气中的分布和变化规律具有重要意义。
通过深入研究和探讨气溶胶的光学特性和辐射传输方程，能够更好地促进气溶胶遥感技术的发展和应用，为大气环境保护和气候变化研究提供有力支持。
在气溶胶卫星遥感的发展过程中，我们需要不断完善和改进辐射传输方程的理论和方法，加强对气溶胶光学特性的研究和观测，提高遥感观测数据的准确性和可靠性，促进气溶胶遥感技术的广泛应用和推广，为人类社会的可持续发展贡献力量。
参考资料：[1] 李海平, 刘路, 肖志恒. 气溶胶遥感大气辐射传输研究资料(xxx[2] 唐祥麟, 罗钟發. 大氣环境科学(xxx[3] 刘培一, 戴世勇, 於根宏. 气溶胶光学特性及其应用(xxx、气溶胶光学特性的观测与研究气溶胶光学特性的观测和研究是气溶胶遥感技术的重要组成部分。
定量遥感-第四章植被定量遥感模型-2
1
GL (z, ) 2 2 gL (z, L ) L dL
Ω 为辐射传输方向，方向夹角的余弦：
L cos cos cos L sin sinL cos( L )
、L分别为传输方向和叶片法向的天顶角，、 L分别为两个方向的方位角。
1/27
《定量遥感》
第四章 植被定量遥感模型
武汉大学遥感信息工程学院 龚龑
第四章 植被定量遥感模型
§4.1 冠层反射率模型概述 §4.2 冠层反射率几何光学模型 §4.3 植被辐射传输模型
§4.3.1 植被辐射传输中常用参数 §4.3.2 植被辐射传输方程及解 §4.3.3 辐射传输模型改进
2
§4.3.1 植被辐射传输中常用参数
(2) G 函数
如果叶片垂直取向且方位独立，即gL(z, ΩL) = δ(μL-0)时， G 函数：
GL
(z, )
1
2
2 0
2 0
gL
(z,
L
)
L
dLdL
GL
(
z,
)
2
sin
注意绝对值 |cosυ| 在2π空间积分为4
12
§4.3.1 植被辐射传输中常用参数
(2) G 函数
当叶片均匀（或球型）取向，gL(z, ΩL) = 1
H
0 uL(z)dz L0
式中积分上限H为植被冠层深度，z的取向向下（即 z=0为植被上界，z=H为植被下界），L0为叶面积指数（无 单位量纲），是农学、植被生态学中最重要的常用参数。
叶面积指数的含义
7
§4.3.1 植被辐射传输中常用参数
遥感物理-辐射传输模型
若叶片的散射特征可以看成是两个半径不同的反射 和透射半球，即：
叶片的物理特性包括叶片尺度、叶片取向、叶表 面粗糙度以及叶片光学性质（如反射率、透过率 和吸收率）等。
考虑由叶片所组成的整体性质，需要定义一些植 被群体特性参数，它们是对植被冠层结构和光学 特征的一种提炼化描述，是对全体叶片分布统计 平均的结果。这些统计量包括叶面积密度分布、 G函数和函数。
叶面积密度分布
当然，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。
热点(hot spot)现象
所谓热点(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。 光照背景的比例
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射和吸收粒子的分布可以看成是平面平行 分布，即粒子特性仅随高度发生变化，同一高度上的 分布可以看成均一分布；而植被则在三维空间上均有 变化，植被个体间往往存在一不定期的间隙，造成其 在水平面上的不连续性，因而使问题复杂化。
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射体为粒状分布，而植被中散射体—叶片 则有一定的取向和大小。前者造成植被中的辐射不仅 与传输路径长度和路径上叶片密度有关，而且与路径 上叶片的取向有关；后者则造成明显的“热点”现象， 即当观测方向与辐射方向正好相反时，出现较强的反 射亮度。
2）植被累积面积增大
“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
大气辐射传输校正模型(5S,modtran,acorn)
在遥感的实际应用中，常用很多简化的手段，如假设地面为朗伯面，排除云的存在，采用有关标准大气模式及大气气溶胶模式等，一次产生了许多不同类型的大气辐射传输模型，主要分为两类，1）采用大气的光学参数2）直接采用大气物理参数如lowtran、modtran等大气辐射近似计算模型，而且还增加了多次散射计算1. 5s模型该模型的代码模拟计算海平面上的均匀朗伯体目标的反射率，并假定大气吸收作用与散射作用可以耦合，就像吸收粒子位于散射层的上面一样，则大气上层测量的目标反射率可以表示为，海平面处朗伯体的反射率大气透过率分子、气溶胶层的内在反射率有太阳到地表再到传感器的大气透过率S为大气的反射率大气传输辐射校正模型－3 modtran该模型是由美国空军地球物理实验室研制的大气辐射模拟计算程序，在遥感领域被广泛应用于图像的大气校正。
lowtran7是一个光谱分辨率20cm－1，的大气辐射传输实用软件，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。
1）多次散射处理lowtran 采用改进的累加法，自海平面开始向上直至大气的上界，全面考虑整层大气和地表、云层的反射贡献，逐层确定大气分层每一界面上的综合透过率、吸收率、反射率和辐射通量。
再用得到的通量计算散射源函数，用二流近似解求辐射传输方程。
2）透过率计算该模型在单纯计算透过率或仅考虑单次散射时，采用参数化经验方法计算带平均透过率，在计算多次散射时，采用k－分布法3）光线几何路径计算考虑了地球曲率和大气折射效应，将大气看作球面分层，逐层考虑大气折射效应由于lowtran直接使用大气物理参数，因而需要按照下列方法计算出与lowtran使用的大气物理参数相对应的大气光学参数179页4.modtran辐射传输模型modtran可以计算0到50000cm－1的大气透过率和辐射亮度，它在440nm到无限大的波长范围精度是2cm－1，在22680到50000cm－1紫外波（200-440nm）范围的精度是20cm－1，在给定辐射传输驱动、气溶胶和云参数、光源与遥感器的几何立体对和地面光谱信息的基础上，根据辐射传输方程来计算大气的透过率以及辐射亮度。
遥感物理-辐射传输模型
考虑由叶片所组成的整体性质，需要定义一些植 被群体特性参数，它们是对植被冠层结构和光学 特征的一种提炼化描述，是对全体叶片分布统计 平均的结果。这些统计量包括叶面积密度分布、 G函数和函数。
叶面积密度分布
2）植被累积面积增大
“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
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。
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射和吸收粒子的分布可以看成是平面平行 分布，即粒子特性仅随高度发生变化，同一高度上的 分布可以看成均一分布；而植被则在三维空间上Байду номын сангаас有 变化，植被个体间往往存在一不定期的间隙，造成其 在水平面上的不连续性，因而使问题复杂化。
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射体为粒状分布，而植被中散射体—叶片 则有一定的取向和大小。前者造成植被中的辐射不仅 与传输路径长度和路径上叶片密度有关，而且与路径 上叶片的取向有关；后者则造成明显的“热点”现象， 即当观测方向与辐射方向正好相反时，出现较强的反 射亮度。
植被辐射传输模型的假设
• 在本节中，我们考虑连续植被分布，或者植被 个体间虽有间断，但却均匀分布（其体现的效 果相当于个体密度之和在整个平面上的平均）， 这时植被叶片密度呈平面平行分布。这种假设 符合农作物、自然草场以及一些较密的森林的 状况。
植被辐射传输模型中的三个参数
植被遥感上机课程-植被辐射传输模型
直接照射冠层
直接照射冠层与非直接照射冠层
非直接照射的冠层
5-SCALE建模
叶片 独立个体的冠层 空间分布
5-SCALE软件的特色
突出植被冠层的二向性
植被光谱的二向性？
不同观测角度，观测到 不同强度的遥感反射率
5-SCALE软件的功能
使用5-SCALE的三种模式
（1）太阳平面上的反射率二向性模式 （2）单波段反射率的二向性模式 （3）太阳平面上的反射率高光谱模式
使用5-SCALE模型，可关注针叶林的 BRDF响应。
5-SCALE模型输入参数
• • • • • • • • • • • • • 观测天顶角度 太阳天顶角 相对方位角 叶面积指数 LAI 丛生指数 树木密度 树冠垂直高度 杆高 冠层半径 冠层形状（1 圆锥加圆柱；2 椭圆） 枝叶几何参数 叶片光谱 下界面（背景）光谱
植被辐射模型上机课程
焦全军 jiaoqj@
1
植被辐射传输过程
400-2500nm： 地表反射率
植被患病变色
叶绿素 chlorophylls
叶片光谱受到叶片色素的影响
花青素anthocyanins 类胡萝卜素carotenoids 叶黄素 brown pigments
输出：
叶片反射率和透过率（400-2500nm，5nm间隔）
PROSPECT模型(WINSail软件中) 实习
从WINSail软件中 打开PROSPECT
PROSPECT 界面
叶肉结构参数N 叶绿素含量 叶片含水量 干物质含量 叶黄素含量
PROSPECT 模型的参数输入表
输入参数 描述 取值范围 默认值
第二种方式：COPY文本进入EXCEL，利用分列工具，对数据进行分列
遥感原理与应用_第4章_3 遥感影像处理-遥感影像辐射处理
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传 感 器 校 正
L d s2 E0 cos
L为地物在给定波ain
和bias分别为传感器的增益和偏移量，从图像头文件中可以读取； ρ为 反射率（即表观反射率）；ds是日地天文单位距离；E0大气顶层的太
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SWJTU
绝对定标要建立传感器测量的数字信号与对应的辐射能量之间
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传 感 器 校 正
的数量关系，该关系通常呈线性关系，建立该关系就是确定线性 关系中的系数及常数项，即定标系数。
K：传感器的增益；
Lmax：传感器达到饱和时所记录的辐射能量，即传感器记录 的最大能量；
Lmin：传感器探测并记录的最小能量；
Cmax：遥感图像中的最大值（如：对无符号8位类型数据，最 大值是255）。
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传 感 器 校 正
探测元件响应度差异造成的影像色调不一致性
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SWJTU
DN值(从遥感器 得到的数字测 量值) 遥感器校正
• 光学系统特征(如边缘减光) • 光电变换系统的灵敏度特 征的偏差 • 遥感器系统的增减及偏差 相关系数(如Landsat TM和 MSS)
定量遥感-第三章辐射传输方程-1
z
0 z
z
0
uL (z)G(z, ) dz
其中 uL为叶面积密度。
在植被中，dτ与dz关系如何？ 以平面平行大气为例，比尔定律具体表达式？23
7.平面平行 (plane parallel)介质
对于平面平行大气，且忽略大气中的多次散 射和发射，则传输方程为：
dI I d
其中 μ = cosθ，τ 是光学厚度(此时已是垂直计量) 。
注意μ ，多数情况下，它会代替θ在辐射传输中出现
22
7.平面平行 (plane parallel)介质
• 对于平面平行大气，τ 的定义为由大气某 处向大气上界测量的垂直光学厚度：
(z)
z
kdz '
大气 植被冠层
• 对于水平均一植被， τ 的定 义为由冠层表面向下测量到z处的 垂直光学厚度：
忽略多次散射和发射的增量贡献，辐射 传输方程可以简化为：
dI I kds
如何获得任意厚度s处的辐射强度？
16
5.比尔-布格-朗伯定律
dI I kds
dI kds I
边界条件： s=0处的入射强度为Iλ(0)
则在s1处，其射出强度可以通过对上式积分获得
dI I k ds
2
1.Maxwell方程组与辐射传输方程
麦克斯韦方程组描述了电磁场的基本规律
• 电场特性 • 变化电场激发磁场 • 磁场特性 • 变化磁场激发电场
一般而言，波长较长的电磁波波动性较为突 出。短波部分干涉与衍射等波动现象则不明显， 而更多地表现为粒子性。
3
1.Maxwell方程组与辐射传输方程
在光学和热红外遥感领域，为方便和直观起见， 常用辐射传输方程描述电磁波与介质的相互作用。部 分辐射传输方程加入了反映波动性的修正因子。 VRT
植被遥感上机课程-植被辐射传输模型
03
植被辐射传输模型的参数
叶片结构参数
叶片厚度
叶片的厚度影响对光的吸收和反射，是决定植被辐射传输的重要因素。
叶片排列
叶片在树冠中的排列方式影响光在植被中的散射和穿透，进而影响辐射传输。
叶片表面结构
叶片表面的粗糙度和气孔分布等结构特征影响光与叶片的相互作用。
叶片色素参数
叶绿素含量
叶绿素是植物进行光合作用的主 要色素，对光的吸收和利用有重 要作用。
05
植被辐射传输模型的应用案 例
植被覆盖度估算
总结词
通过遥感数据和辐射传输模型的结合，可以估算植被覆盖度，了解地表植被的空间分布和覆盖程度。
详细描述
利用遥感数据中的光谱信息，结合植被辐射传输模型，可以反演地表植被的叶面积指数（LAI），进而估 算植被覆盖度。这种方法能够快速获取大范围的地表植被覆盖信息，对于生态保护、土地利用和气候变化 研究等领域具有重要意义。
根据实际需求和数据情况，确定模型所需 的参数，如地表反射率、大气透过率等。
模型建立与训练
数据集划分
01
将数据分为训练集、验证集和测试集，用于模型的训练、验证
和测试。
模型训练
02
利用训练集对模型进行训练，调整模型参数，优化模型性能。
模型验证
03
使用验证集对训练后的模型进行验证，评估模型的性能和泛化
能力。
植被生长状况监测
总结词
通过分析遥感数据和辐射传输模型的输出结果，可以监测植被的生长状况，了解植物的生长趋势和健康状况。
详细描述
利用遥感数据中的光谱信息，结合植被辐射传输模型，可以反演植物的生物量、叶绿素含量等信息，进而监测植 被的生长状况。这种方法能够及时发现植物生长异常，为植物保护和农业生产提供科学依据。
第四章(4)_遥感影像辐射校正
• 相当部分的散射
没有到达地面，向上通过大气直接进入传感 器，这部分辐射称为程辐射度，辐亮度为 L p。
大气影响的定量分析
可见，由于大气影响的存在，实际到达传 感器的辐射亮度是前面所分析的三项之和 ，即
L L1 L2 L p
L RT S ( E0T cos E D ) SL p
• Reflectance (field spectrum) = gain x radiance (input data) + offset • ENVI's empirical line calibration requires at least one field, laboratory, or other reference spectrum; these can come from spectral profiles or plots, spectral libraries, ROIs, statistics or from ASCII files. Input spectra will automatically be resampled to match the selected data wavelengths. • If more than one spectrum is used, then the regression for each band will be calculated by fitting the regression line through all of the spectra. • If only one spectrum is used, then the regression line will be assumed to pass through the origin (zero reflectance equals zero DN). The calibration can also be performed on a dataset using existing factors.
遥感物理-辐射传输模型课件
7
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射和吸收粒子的分布可以看成是平面平行 分布，即粒子特性仅随高度发生变化，同一高度上的 分布可以看成均一分布；而植被则在三维空间上均有 变化，植被个体间往往存在一不定期的间隙，造成其 在水平面上的不连续性，因而使问题复杂化。
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植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射体为粒状分布，而植被中散射体—叶片 则有一定的取向和大小。前者造成植被中的辐射不仅 与传输路径长度和路径上叶片密度有关，而且与路径 上叶片的取向有关；后者则造成明显的“热点”现象， 即当观测方向与辐射方向正好相反时，出现较强的反 射亮度。
当然，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。
2
热点(hot spot)现象
所谓热点(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。 光照背景的比例
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散射相 函数 -- 函数
同其它辐射传输理论一样，植被中也定义了散射相 函数，记为 函数。 函数同样与散射点处的叶片取 向有关，并且不是归一化的。
首先引入叶片散射相函数γL(ΩL, Ω’ Ω)，表示当 方向为Ω’的辐射入射到法向取向为ΩL的叶片时， 被散射到Ω方向的比例。
若叶片的散射特征可以看成是两个半径不同的反射 和透射半球，即：
为：
式中 Ω 为辐射传输方向，Ω ·ΩL为两个方向矢量的点积， 即方向夹角a的余弦：
遥感物理3.1
遥感物理
第三章 土壤和冰雪遥感 第一节 土壤二向反射特性 §3.1.1 几何光学模型 √ §3.1.2 辐射传输模型 §3.1.3 经验模型
1/10
辐射传输模型
辐射传输模型是通过辐射传输理论对土壤中的辐射场 分布进行描述，进而推导出土壤二向反射特性的物理 模型。土壤辐射传输模型所采用理论与大气和植被中 的理论相似，其中一个不同点在于土壤可以看成是半 无限的介质，即来自下界的辐射为零。
3/10
散射体对电磁波的散射彼此不独立 密实散射体不满足远场条件
4/10
考虑密实散射体时，可以从波解析二阶矩方程（Maxwell方程） 出发获得形式上与经典辐射传输方程一致的结果，然而此时 的消光系数、散射相函数、单次散射反照率已有本质的改变。
比如散射相函数就需要附加一个修正项，增加散射体的密实 程度，将造成散射强度角度的再分配，尤其会抑制前向衍射 主瓣，导致前向散射受到强烈压制。
2/2 Walthall模型的形式是基于 3个基本的实验事实：
• 一般反射率随视向天顶角的增加而增加 • 最大的反射率增加发生在主平面内——热点效应 • 增加入射辐射的天顶角，一般引起反射率的增加 因此Walthall模型为：
R a2v bv cos(v s ) c
主平面？
径却以相反方向行进的散射波，
当相位差为2π的整数倍时，出现
相干现象，发生相干后向散射。
…
此时电磁波振幅会叠加。
电磁波沿Ω1方向入射，
沿Ω方向出射
当振幅均为A时，相干与否的光强分别是多少？
6/10
密实散射体中的相干后向散射在木星的冰盖卫星的天文观测 事实、颗粒细小的淤泥的热点现象中得到证实。
相干后向散射的热点效应是基于多次散射基础上的，单次散 射构不成循环，也就无法构成相干叠加。这与阴影产生的热 点效应结论正相反。
辐射传输模型在遥感教学实验中应用研究
（ ） 型 的 大 气 廓线 ： 拟 以 下６ 气 候 １典 模 种 原型： 热带 大 气 、 纬 度 夏季 、 中 中纬 度 冬 季 、
传 输 模 型 进 行 有 效 封 装 ， 之 便 于 学 生 操 副 极 地 夏 季 、 极 地 冬 季 以 及 Ｕ￥ ２ 候模 使 副 ６气 作 与 理 解 ， 必 深 入 学 习 复 杂 的 辐 射 传 输 式 。 些 模 式 大 气 广 泛 地 应 用 于 大 气 科 学 不 这 方程 ， 必 了解 模 型 内 部 机 制 ， 过 选 择 相 的 研 究 中 ， 且 提 供 包 括 气 压 、 度 、 汽 不 通 并 温 水
过Ｗｅ ｂ网页 即 可 访 问 系统 ， 生 在 课 后 及 学 实验 课 程 中 ， 据 卫 星 观 测 条 件 设 置 相 应 根
而 使 该 模 式非 常 复 杂 ， 入 参 数 繁 琐 众 多 ， 输
参 数 设 置 和 选 择 就 显得 非 常 重 要 。
图 １系统 构架
３ 辐射传输模型 教学应用
摘 要： 电磁波在 大气中的辐射 传输是遥 惑的物理基 础， 由于该 内容涉及 其它领域 学科知 识 ， 但 目前在遥 感教 学活动 中大 多是 定性的概念 性 质讲述 。 本文在 对Ｍ Ｄ Ｒ Ｎ辐射传输模型 特， Ｏ Ｔ Ａ 最分析 的基 础上 ， 出对ＭＯ Ｔ Ａ 进行封 装 ， 供界 面简洁 操作 方便 ， 提 Ｄ Ｒ Ｎ 提 且有利于加深对 遥 感 物理 基 础理 解 的教 学 系统 。 关 键 词 ： 感 教 学 ＭＯ ＴＲ Ｎ 辐射 传输 模 型 遥 Ｄ Ａ 中图分 类号 ： ２１ Ｇ６ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章编号 ： ６ ３ ７ ５２ １ ） ２ｂ－０ ５ ０ １ ７ —９ ９ （ ０ ０ （） ０ － ２ ２ ５ 遥 感 是 当代 空 间 信 息 科 学 的 核 心 技 术 提 包括大气、 气溶 胶 、 、 、 汽 以 及 高 程 等 作 便 于 理 解 。 供 几 个 比较 典 型 的 大 气参 云 风 水
大气辐射传输校正模型
大气辐射传输校正模型在遥感的实际应用中，常用很多简化的手段，如假设地面为朗伯面，排除云的存在，采用有关标准大气模式及大气气溶胶模式等，一次产生了许多不同类型的大气辐射传输模型，主要分为两类，1)采用大气的光学参数2)直接采用大气物理参数如lowtran、modtran等大气辐射近似计算模型，而且还增加了多次散射计算1.5s模型该模型的代码模拟计算海平面上的均匀朗伯体目标的反射率，并假定大气吸收作用与散射作用可以耦合，就像吸收粒子位于散射层的上面一样，则大气上层测量的目标反射率可以表示为，海平面处朗伯体的反射率大气透过率分子、气溶胶层的内在反射率有太阳到地表再到传感器的大气透过率S为大气的反射率2.6S模型用FORTRAN语言编写的适用于太阳反射波段(0.4-2.5um)的大气辐射传输模型，这种模式再假定大气无云的情况下考虑了水汽、二氧化碳、臭氧。
和氧气的吸收、分子和气溶胶的散射以及均一地面和双向反射率问题，它是对5s模型的改进(vermote,1997)，考虑了目标高程、表面的非朗伯体特性、新的吸收分子种类的影响(CO N2O等)，采用好的近似算法来计算大气和气溶胶的散射和吸收的影响，其中气体的吸收以10cm-1的光谱间隔来计算的，并且光谱积分的步长达到了 2.5nm，适用于可见光和近红外的多角度数据。
它可以模拟机载观测、设置地表的高度、解释brdf作用和临近效应，还采用sos(successive orderof scattering)方法计算散射作用以提高精度，但该模型的缺点是不能处理球形大气和limb(临边)观测。
需要输入的参数：1)几何参数：太阳天顶角、卫星天顶角。
太阳方位角、卫星方位角，观测时间，也可以通过输入卫星轨道与时间参数代替2)大气模式：大气组分参数，：包括水汽，灰尘颗粒度等参数，偌缺乏精确的实况数据数据，可以根据卫星数据的地理位置和时间，选用6s提供的标准模型来替代3)气溶胶模式：气溶胶组分参数，包括水分含量以及烟尘、灰尘等在空气中的百分比等参数，若缺乏情却的实况数据，可以选用6s提供的标准模型来代替4)气溶胶浓度：气溶胶的大气路径长度，一般可用当地的能见度参数表示。
【珍藏】大气辐射传输校正模型(5S,modtran,acorn)
【珍藏】大气辐射传输校正模型(5S,modtran,acorn) 在遥感的实际应用中～常用很多简化的手段～如假设地面为朗伯面～排除云的存在～采用有关标准大气模式及大气气溶胶模式等～一次产生了许多不同类型的大气辐射传输模型～主要分为两类～1,采用大气的光学参数2,直接采用大气物理参数如lowtran、modtran等大气辐射近似计算模型～而且还增加了多次散射计算1. 5s模型该模型的代码模拟计算海平面上的均匀朗伯体目标的反射率～并假定大气吸收作用与散射作用可以耦合～就像吸收粒子位于散射层的上面一样～则大气上层测量的目标反射率可以表示为～海平面处朗伯体的反射率大气透过率分子、气溶胶层的内在反射率有太阳到地表再到传感器的大气透过率S为大气的反射率大气传输辐射校正模型,3 modtran该模型是由美国空军地球物理实验室研制的大气辐射模拟计算程序～在遥感领域被广泛应用于图像的大气校正。
,1lowtran7是一个光谱分辨率20cm～的大气辐射传输实用软件～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。
1, 多次散射处理lowtran 采用改进的累加法～自海平面开始向上直至大气的上界～全面考虑整层大气和地表、云层的反射贡献～逐层确定大气分层每一界面上的综合透过率、吸收率、反射率和辐射通量。
再用得到的通量计算散射源函数～用二流近似解求辐射传输方程。
2, 透过率计算该模型在单纯计算透过率或仅考虑单次散射时～采用参数化经验方法计算带平均透过率～在计算多次散射时～采用k,分布法3, 光线几何路径计算考虑了地球曲率和大气折射效应～将大气看作球面分层～逐层考虑大气折射效应由于lowtran直接使用大气物理参数～因而需要按照下列方法计算出与lowtran使用的大气物理参数相对应的大气光学参数179页 4.modtran辐射传输模型,1modtran可以计算0到50000cm的大气透过率和辐射亮度～它在440nm到无限,1,1大的波长范围精度是2cm～在22680到50000cm紫外波,200-440nm,范围的,1精度是20cm～在给定辐射传输驱动、气溶胶和云参数、光源与遥感器的几何立体对和地面光谱信息的基础上～根据辐射传输方程来计算大气的透过率以及辐射亮度。
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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。
它指出，通过均匀消光介质传输的辐射强度按简单的指数函数减弱，该指数函数的自变量是质量消光截面和路径长度的乘积。
它不仅适用于强度量，而且也适用于通量密度和通量。
根据式(4)我们可以定义单色透过率Tλ为（5）式中，μ为θ的余弦值。
一般在大气辐射传输实际应用中，假定局域大气为平面平行的，因此只允许辐射强度和大气参数（温度和气体分布廓线）在垂直方向（即高度和气压）上变化，这种假定在物理意义上是适当的。
如果用 z 表示距离，则定义的普遍辐射传输方程可化为（6）式中，θ 为天顶角，φ 为方位角，J 是源函数。
当考虑多次散射问题时，引进由大气上界向下测量的垂直光学厚度（7）于是得到描述平面平行大气中多次散射问题的基本方程（8）典型的大气辐射传输模型从20世纪80年代起，国外一些学者对遥感影像的大气订正研究做了许多工作，在模拟地—气过程的能力上有了很大提高，发展了一系列辐射传输模型，如6S、 LOWTRAN、 MODTRAN和FASCODE模型等，下面分别介绍。
1.1 6S模型6S（ Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum）模型估计了 0.25- 4.0μm波长电磁波在晴空无云条件下的辐射特性，是在Tanre 等人[2]提出的 5S (Simulation of the Satellite Signal in the SolarSpectrum)基础上发展而来的。
它在假设均一地表的前提下，描述了非朗伯反射地表情况下的大气影响理论，而后Vermote[3]又将其改进为 6S模型。
目前普遍使用的是1997 年的 4.1 版本（以前是 3.1 版本）。
当前若干大气订正算法利用 6S模型来计算大气订正函数，一般是通过解近似的辐射传输方程来求得所需要的各种直射、散射透过率、大气的程辐射和大气的半球反照率等参数。
其基本公式可以写为（9）此处ρt 是传感器测得的表观反射率，ρs是地表漫反射率，S为大气半球反照率，ρr+a为由分子散射和气溶胶散射所构成的大气路径辐射反射率，T g(θs,θv)为大气吸收所构成的透过率，T(θs) 与T(θv)分别代表太阳-目标与目标-传感器路径上的直线透过率，ρt为大气上界的总反射率。
6S 模型主要包括以下 5 个部分:太阳、地物与传感器之间的几何关系，大气模式，气溶胶模式，传感器的光谱特性和地表反射率，它考虑了太阳的辐射能量通过大气传递到地表，再经地表反射通过大气传递到传感器的整个传播过程。
对于吸收系数的计算公式，采用了吸收线的随机指数分布统计模式，这对于宽带传感器是一种很好的近似。
为了考虑多次散射及分子散射与气溶胶散射及其相互作用， 6S 采用最新近似(state-of-the-art) 和连续散射 SOS (Successive Order of Scattering) 方法来求解辐射传输方程。
1.2 LOWTRANLOWTRAN是由美国地球物理实验室开发的单参数，谱带模式的大气传输模型，是计算大气透过率及辐射的软件包，其原意是“低谱分辨率大气透过率计算程序”[4]，适用于从紫外、可见、红外到微波乃至更宽的电磁波谱范围内，包括云、雾、雨等多种大气状况的大气透过率及背景辐射。
目前普遍使用的是1989年2月公布的LOWTRAN7 版本。
它以 20cm-1的光谱分辨率的单参数带模式计算0cm-1 -50 000cm-1的大气透过率、大气背景辐射、单次散射的阳光和月光辐射亮度、太阳直射辐照度。
程序考虑了连续吸收，分子、气溶胶、云、雨的散射和吸收，地球曲率及折射对路径及总吸收物质含量计算的影响。
大气模式包括 13种微量气体的垂直廓线，六种参考大气模式定义了温度、气压、密度、及水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳和一氧化二氮的混合比垂直廓线。
程序用带模式计算水汽、臭氧、一氧化二氮、甲烷、一氧化碳、氧气、二氧化碳、一氧化氮和二氧化硫的透过率。
多次散射参数化计算使用二流近似和累加法，用k-分布与带模式透过率计算衔接。
对于水汽、氮气连续吸收以及紫外和可见波段的臭氧吸收，其平均透过率用朗伯定律计算，对其它气体吸收，则采用了双指数经验公式。
1.3MODTRANMODTRAN 是LOWTRAN的改进模型，其程序的基本结构和框架保持原样。
它覆盖了 0-22 600 cm-1 (即波长 0.44μm- ∞)的光谱范围，具有 2 cm-1的光谱分辨率。
它利用二流(two steams)近似模型考虑大气多次散射效应。
MODTRAN 是一个中分辨率大气辐射传输模型，吸收带模式参数用最新HITRAN[5],[6]数据库计算而得，采用Curtis-Godson近似将多层的分层路径近似为等价的均匀路径，而且可以计算热红外的辐射亮度、辐照度等。
目前普遍使用的是MODTRAN4 版本。
1.4FASCODEFASCODE 是一个全世界公认的、以完全的逐线 Beer-Lambert 算法计算大气透过率和辐射的软件，它的分辨率很高，提供了“精确”透过率计算，并且考虑了非局地热力平衡状态的影响，原则上它的应用高度不受限制。
因此， FASCODE 通常用作评估遥感系统或参数化带模型的标准，也常用于大气精细化结构的研究。
许多大气订正模型就是在以上模型的基础上发展起来的，如SMAC （ Simplified method for theatmospheric correction）、 ATREM（ Atmospheric Removal)、HATCH (The high accuracy atmospheric correctionfor hyperspectral data)、ATCOR (Atmospheric and Topographic Correction mode1)、ACORN（AtmosphericCORrection Now）和 FLAASH(Fast line-of-sight atmospheric analysis of spectral hypercubes)模型，PcLnWin和DISORT 软件等。
此外，还有 SHARC、 UVRAD(Ultraviolet and Visible Radiation)，TURNER， UCSB 的 SBDART、 SAMM、SERTRAN 模型，三维辐射传输模型(MOD3D)等大气辐射传输模型。
四种大气辐射传输模型的共同特点和主要差别2.1各种大气辐射传输模型的共同特点6S、 LOWTRAN， MODTRAN 和 FASCODE 是根据不同应用目的而开发的宽带、窄带和逐线计算的大气辐射传输模型及其相应的应用软件，都是用 Fortran 语言编写的。
这几个大气辐射传输模型具有如下共同特点：它们以大气条件和地表条件作为输入参数，以表观反射率为输出结果，都涉及了复杂大气条件下多种辐射传输量的计算。
这些大气模型可以根据理论计算或实测资料，在这些传输模型实用程序中包括了具有代表性的大气和气溶胶的模式（如大气模式有 6 种：热带大气、中纬度夏季大气、中纬度冬季大气、亚北极区夏季大气、亚北极区冬季大气、美国标准大气），这些复杂的天气环境使它们具有更广泛的应用。
而且，还可以由用户自定义模型大气，使模型在用户指定环境下模拟和使用显得特别灵活。
此外，还包括了水平、垂直、倾斜向上和向下传输等各种复杂的几何关系，在计算大气倾斜路径及沿着传输路径衰减量时，都考虑了大气折射和地球的曲率。
提供大量的参数文件查找表 (Look up table) ,查找表把全球气溶胶划分为若干类型，每种类型的大气参数由观测者获得。
这些辐射传输模型都利用了HITRAN数据库中的基本分子常数。
在计算地表反射率时，为了描述地表的均一性和朗伯状态，都引入了点扩散函数（PSF）与典型的双向反射率分布函数（BRDF）模型。
主要输入参数也相同，有几何条件、大气模式、气溶胶模式、地面能见度、目标高度、BRDF模型和计算波长位置等。
2.2 各种大气辐射传输模型的主要区别MODTRAN把 LOWTRAN 20 cm-1 (FWHM)的光谱分辨率和在 5 cm-1光谱间隔上做分子吸收计算改进为 2 cm-1的光谱分辨率和在l cm-1光谱间隔上做分子吸收计算。
在计算分子透过率方法上， LOWTRAN 采用单参数带模式， MODTRAN 采用的带模式使用 3 个与温度相关参数：吸收系数、线密度参数和平均线宽，使之更精确地服从分子跃迁的温度和压力关系(能级粒子数和 Voigt线形)，而且可以计算热红外的辐射亮度、辐照度等。
它们在不同的波谱范围内使用， LOWTRAN 和 MODTRAN 可以在非常宽的波谱范围内使用，也可以对雨、云处理；而 6S 仅对太阳辐射中的紫外、可见光与近红外波段有效，对中远红外以外的波段无法处理，也没有考虑雨、云的情况；LOWTRAN 和 MODTRAN 能够处理朗伯体和均匀表面，而 6S 还可以处理均一非朗伯地表和不均匀地表的情形。