MODTRAN和HYDROLIGHT辐射传输模型的耦合研究

北京师范大学

硕士学位论文

论文题目：MODTRAN和HYDROLIGHT辐射

传输模型的耦合研究

作者：高永刚

导师：王锦地教授杜克平

系别、年级：地理学与遥感科学学院 2003级

学科、专业：地图学与地理信息系统

完成日期：2006年5月

北京师范大学研究生院

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摘要

MODTRAN和HYDROLIGHT辐射传输模型的耦合研究

摘要

海洋环境问题越来越受到人们的关注，而用水色遥感的手段检测海洋环境成为海洋研究中的一个重要课题。随着人们对水色遥感研究的深入，水色遥感模型的应用也越来越多，然而水色遥感与大气息息相关，所以水色遥感离不开对大气辐射传输理论的应用。本论文通过对海洋、大气辐射传输模型的各个模块分析，用当前发展最完善的大气辐射传输模型之一MODTRAN和水体辐射传输模型 HYDORLIGHT构建了一个考虑从太阳入射到传感器接收信号的辐射传输过程的海洋遥感模型，同时加入了一个简单而真实的云模型。

耦合以后的模型用MODTRAN和单独的云处理模块代替了原来的经验半经验模型来计算水面辐亮度，特别是云模型提供了云的位置和亮度信息，所以对水面辐亮度分布的计算更加准确。从耦合模型的计算结果中发现，各波段水面反射辐亮度与入射辐照度的比值在所有的方向上都是一条很规则的曲线。由此，通过指数函数拟合这条曲线而提出了一种遥感反射率的计算方法。由于水面辐亮度分布的不同必然导致耦合前后的模型在水面上行辐亮度计算上的差别，而在大气校正绝对准确的假设下，水面上行辐射的差别会引起水体参数反演的不同。用MODIS标准叶绿素算法分析云对一类水体叶绿素反演的影响后发现离太阳越近(不遮蔽太阳)的云对叶绿素反演的影响越小，云量的大小与叶绿素反演误差大于10％的面积比成正相关关系。

关键词：MODTRAN,HYDROLIGHT,水色遥感,模型耦合,遥感反射率

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MODTRAN和HYDROLIGHT辐射传输模型的耦合研究

COUPLING STUDY OF MODTRAN AND HYDROLIGHT RADIATIVE TRANSFER MODELS

ABSTRACT

Ocean Environment attracts more and more attention and monitoring ocean environment using ocean color remote sensing has become one of the important fields in ocean study. With the deeply research of ocean color remote sensing many models have been developed and applied. Ocean color remote sensing is extremely related to atmosphere so that atmospheric radiative transfer theory must be applied to it. After analyzing each module of the radiative transfer process, the paper builds an end-to-end ocean remote sensing model using Modtran and Hydrolight, state-of-the-art atmospheric and water radiative transfer models, respectively, as well as adds a simple realistic cloud model to it.

Coupled model calculates the downward radiance on water surface using MODTRAN and independent cloud model replacing the empirical and semi-empirical models. Especially, the cloud model can supply clouds’ location and brightness that coupled model would supply more accurate radiance on water surface. It is found from the outcome of coupled model that the ratio of surface reflected radiance to irradiance in all bands is a regular curve. An exponential function is found to simulate the curve. Then a remote-sensing reflectance algorithm is developed. The different downward radiance consequentially causes the different upwelled radiance from water surface. Based on the supposition of absolutely accurate atmospheric correction, the difference of upwelled radiance would bring difference of inversed water parameters. After analyzing the effects of cloud to inversed chlorophyll concentration using MODIS standard chlorophyll algorithm in case I water, we found that the nearer the cloud to sun the smaller effect on the reversed chlorophyll caused by cloud. The area percent for chlorophyll reversing error which is more than 10% is related to the cloud mass positively.

KEY WORDS: MODTRAN, HYDROLIGHT, ocean color remote sensing, model coupling, remote-sensing reflectance

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