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1、第27卷第4期2040年8月坝呀绘与空间地理信息 召口月 工4I TC亏&脚几魂2艾盛 Ll八 晒1口人乃 工 4IT口N犷五C刀刃口乙OYVo27l,No.4Aug.,2004大气辐射传 粉模型及M ODTRAN中透过率计算毛克彪,2,气覃志豪,2,3(1.农业部资源遥感与数字农业重点实验室,北京10 00 81;2.中国科学院遥感所,北京10010 1;3.南京大学国际地球系统科学研究所,江苏南京2 10 0 9 3)摘要:在用遥感影像反演地面参数时,即使天气晴朗,也要受大气、气溶胶、云的影响。因此大 气校正成为提高反演精度的主要因素之一,文中在介绍大气传输的概念模型的基础上,对遥感影像的
2、大气校正方程和参数做了介绍,同时介绍了怎样用MODTRAN获取这些参数,并做了具体分析。关键词:辐射传输,透过率,M o D TRAN模型中图分类号:P22 4文献标识码:A文章编号:1672一5867(20 04)0 4一000 1一。T heTran smissionModelofA tmo sPherieRadiationandtheComPutationofTr ansmit tanCeofMODT RA NMA oKe一biao2,3,QxNzhi一ha o,23(1.T hekeyLaboa rro叮ofRemoteSe,lsinga ndDigitalAgrieultur e,C
3、llines eM inist叮叮theA-s lieulture,Bei jing 100 08 1,C hi:,a:2.InstituLe叮RemoteSe n singA PPlicaions,Chines eAe ademyofSeiene e s,Beijing100101,C hina:3.Instituteo frInten rario na lEar th Sys*em,Nan jingIJniv e r sity,Nan l ingZ 10O93,C I,Ina)A bsr tact:Whenusingther emotesensingimagestoreversetheln
4、 adpa r amete rs,there s ultsm即bein f luene司hyh teatmosphee,aeo r-501andelo udsete.eve nifinthes unshin e.T hee ro f e rtheatmospher ice o-r ie etionssev reaso nen raina fc龟oro fra risingtheaoe u服ey仃fther e ves lio n.Thisp即e rintr odue e sd一eequa t io osandpa r ametersO fthea l mo sphe rioe or re et
5、io nso fr比mote;e nsingimagesonthebasiso fintroelueingthee o neePtualmodelo ft l leatmospherieta rn;m is sio n,a ndatthesametimede seribeshowtous etheM O ITRANtogeth le s epa rameters,a ndo onereteanalysisesa ief in allymade.Ky ewo rds:a rdiativ eta rn smissio n;tmn sxn全rtane e:MOD TFI八NInodel0引言遥感影像
6、的校正 主要有两个:一个是几何校正;另一个是大气校正。相对而言,几何校正要容易一些,因为影 响几何的因素相对容 易确定。相反,大气校正是个很复杂的问题。由干影响大气 的因素不确定,例如,大气、气溶胶、云、风、水汽以及海拔等,使得校正的过程中很多变量实时测定很困难,从而使得大气校正变得较复杂。在有些遥感应用研究中,一般忽略大气校正这一步骤。但是随着遥感研究的深人,如地表分类、温度、湿度的反演、土壤湿度的反演就需要做大气校正,否则分类、反演的精度就会大打折扣。在遥感影像信息中,除了地物将能量反射到传感器外,还包括地物环境散射、反射、大气的散射和反射。针对这些影响因素,许多研究人员在这方面做了很多研
7、究,做了许多大气模型来模拟大气的这种过程,例如,LOWT RAN、MOD T RA N、HT IRAN、65等。通过实测资料分析得出结论:用模型得到的各种参数在误差允许 范围内可以接受川。为了更好地应用这些大气模型,本文介绍了大气的概念模型、遥感影像大气校正方程和需要获取的参数,以及怎样用MOD TRAN 3获取这些参数并做了具体的分析。1大气辐射传输理论概念模型大气校正主要是针对两个不同的波段范围进行:一个是以太阳光谱为主的可见光波段;另一个主要是以地面热辐射为主 的热红外波段。对于可见光波段,信息的传递过程描叙如 图1收稿日期:2 0 0 4一0 1一1 9基金项目:国家重点基础研究发展规
8、划(97 3)项目(200 1CB 309404)汉d绘与空间地理信息42 00年所示2,钊一对这一过程,不同的研究者表达的形式有所差别,但主要思想基本相 同,这里采用Ma th t t w eHn ao s扛丫的表达法,如下式所示入*=瓦*+E*十E。*31:(入)_丁汀(人)十L。人照谱线汇编资料4几运用MoDTRA N模式进行卫星资料的大气影响校正是很有必要的,在用MODT-RAN求取大气参数时,不需要确切地知道云、气溶胶的详细情况。如果知道云和气溶胶的类别,就可求得大气总的透过率并用于大气校正性口图3所式中风入表示地表直接辐照度,E*为向下辐照度,风、*为背景散射辐照度,几人为向上 的
9、辐射亮度,:林)表示波长函数,二(人)表示透过率,入入为传感器接受的辐射亮度。地面热辐射可以描述为如图2所示2,这部分与第一部分最主要的区别在于不受太阳 的影响,理想状态下,只要 有温度的物体,都辐射长波。针对图中过程,用下面表达式描述fZ:。_。二:(入),、气=“户乙。+L凡*十风从一育丁(人)+一乙U!。(们表示目标发射率,风占、和风。分别为大气和背景达到目标的辐照度。L u二*为大气 向上的辐射亮度。示)。压 万和奚轰遣塑塾兰云、气溶胶参数输人几何光谱和路径信息输人运行模型输出云、她表、大气参数图3运用MODTRAN求云、气溶胶、地表参数凡.g3C I。自d,脱o s ro l如d肠n
10、dP aa rmete l烤沈pu te rb yu sn z iMOD TR A N图1珑.1太阳光谱能量辐射传输图rad la t iond iag r邵no fs汉a r比Ontra n血幻iSSIOn国 p以lr lllllene r留图2Rg.2o f】opg长波辐射能量传输图Tr田15由is s io n碑ig a网pWa、ea rdiav t ieenerg y2大气校正的主要参数及计算方 法大气透过率是遥感影像大气校正的主要参数。针对某一高度某种大气成分的大气透过率计算的通用公式为:一声口一c t j广m、表示大气成分的数密度,C、表示消光系数,:表示高度。将每一层的透过 率乘
11、起来,就是总透过率浓口下式:丁。=早丁k ii代表层,左代表某种大气成分。具体的计算方法有很多,本节介绍的是Ro d-g es r和 Wa l如翻的带模式方法,简称R一w带模式方法。R一w带模式方法对大气透过率的计算采用的是Go o由统计带模式计算,设吸收线位置随机分布,线强取指数分布,线型取L oe rnz t型,从而谱带的透过率与光 谱参数、吸收物质含量的关系式口如下:一,丫_Su,Su、一令几、“,=e翔L一万、十万夕在这方面已经做过大量的实验,其中的光谱参数都已侧定并汇编,式子中的光谱参数可以直接参3透过率计算过程MoDT R AN 3是在L owTRAN基础上改进的,具有更高的分辨率
12、,到达了2om一,对辐射 传输的几何路径、气溶胶模式以及透过率模式提供了更多选择,而且引入了多次散射计算方法,使得精度得以提高。从而对 大气、气溶胶、云以及遥感影像大气校正研究分析提供了有力的帮助。本文针对我国中纬度地区进行分析,热红外波段8一1 2协m的透过率进行计算分析。3.1大气资料输入MODTRAN 3界面提供了各种模式大气模型参数的选择输人。模式大气主要分为水平大气参数、热带大气、中纬度夏、冬季 大气、极地夏、冬季大气以及美国标准 大气等。大气路径选择包括水平、斜、垂直等。计算时主要需要考虑的大气成分有:水汽、臭氧、甲烷、氮化物、碳氧化物的剖面资料、计算模式等。这里选择中纬度夏季模式
13、大气,执行模式为计算透过率,其他默认中纬度夏季参数。3.2气溶胶资料输入当大气中的气溶胶含量达到一定的程度时,它对辐射传输的影响很大。MoDTRA N大气模型中考虑到这一点,在输人气溶胶参数时将气溶胶分为对流层和平流层气溶胶,同时考虑季节变化的影响,对不同模式运用及不同模型进行修正。如果选择中纬度冬季、极地冬季模式大气,就甩秋冬模型进行修正;选择热带、中纬度夏季、极地夏季和美国标准模式大气以及用户输人气溶胶参数汉吐采用春夏模型修正。同时考虑风速对气将胶的影响。另外,还考虑降雨量及海拔高度的影响。对流层有9种模式气溶胶可选取,平流层有8种模式气溶胶可供选择。当然用户还可以选取自己的气溶胶参数数据
14、,也可采用省缺形式给出的模式气溶胶,还可以将气溶胶消光系数转换为等效液态水含量形式。对不同类型气溶胶化学成分、谱分布及折射指数受湿度的影响等,具体可参考文献仁刘比,本文气溶第4期毛克彪等:大气辐射传输模型及MD T ORAN中透过率计算从图6中的数据看出,臭氧在9一1咖m吸收比较强,而在其他波段透过率几乎为1。Q 目0 0 0 0 4 6 2透过率胶模式输人为城市气溶胶,可见度为2 3km。选择春夏季节模式多按此模式 进行修正,选择天气为无云 和雨。3.3几何信息和光谱信 息输入在进行辐射传输模式计算时,要考虑辐射流方向上的单次或多次散射,因此几何路径的选取也是很重要的。根据不同要求,可选择水
15、平路径、两高度间的倾斜路径和射线倾斜路径以及路径长度和路径倾斜度 等。同时要求用户给出所求位置的地理经纬度、海拔高度等。对太阳天顶角、方位角、地球半径和所求波谱段范围的选取也要考虑,散射过程还有单次散射 和多 次散射可供选择。由 于MODTRAN模式在短波波谱上分辨率较高,而短波区有几十万条吸收谱线,因此计算结果随波数起伏较大,可 以采用软件中为模式提供一种平滑功能使计算结果相对平滑,便于进一步分析研究。本文初始高度 为3 3km,最后高度为地面0k m,路径长44km,计算波长范围为8一1 4拜m。4数据分析将模型运行后的输出数据md ou ot l导入Ex EL表中进行分析,分析过程如图4
16、一图7所示。总透过率波长/拜m()啊啊户黝犷叭耘耘H2 0透过率波长l朴。透过率算响图4水的透过率F ig.4Tr a n smia t tn ceofwa te r图4可以看出其波谱分辨率比较高,水汽的吸收谱线很多,同时,随波长起伏很大。因此为了便于分析,需要对曲线进行平滑。C0 2透过率波长/林m图7总透过率图Fig.7Totaltr an smit i姗e e图7为总透过率图,总的透过率由公式气*二少乙*算出从图7中可 以看出,吸收起伏比较大,有的波段影响也就比较 大。所以我们在进行卫星影像分析时,需要考虑这些吸收情况,针对不 同波段进行大气校正。利用M O DTRAN求透过率后的遥感影
17、像大气校正公式为:B(T)=。沼(T s)+(l一二)呱,*二+呱以式中B(T)为皇上辐射率,B(爪)是地面辐射率,B赢,、为大气向下 的辐射率,B赢,*为大气向上辐射率,二为反射率,-7为透过率。做大气校正,就是要消除上式中右边的第二和第三项,这两项都可以用M ODT RAN模拟出来,然后解方程就可以求出地面的辐射率,继而反演出地表温度。5结语随着遥感应用研究的深人,大气校正已经成为不可忽视的部分。本文对大气辐射传输模型的概念模型进行了介绍并用MO DT RA N中的大气模型对中纬度地区的热红外波段透过率进行了模拟计,模拟结果分析表明:大气对辐射通量的传输影,在不同波段中的影响不一样,有些波
18、段范围的栏栏孵”-入、透率过图5二氧化碳的透过率Fig.5Trall s而s t tn ceofCO图5说明二氧化碳随波长增 加,吸收增加,特别是在波长大于13拜m后,透过率明显减小。0 3透过率波长/补m节节节扩一一17 50 5乃。00透过率图6臭氧透过率Fig.6Tr an s而ta tnceofozone影响比较大。为了提高遥感应用的精度,在遥感应用研究中需要根据实际情况进行大气校正。参考文献:l傅炳珊,陈渭民,马丽.利用MODT R AN 3计算我国太阳直接辐射和散射辐射 仁J南 京气象 学 院学报,加0 1,2 4(1卜5 1-5 8.2Vem roteE,Ta n说D,De u
19、z6J.L.,Hem ra nM.,a ndMo r。,tteJJ,Seeondsim ulationO fth亡Satellite51,滋intheSola rSpeetu rm(6 5),6 5Us erGuideVo rsionZ,July1997,5一8.仁3Ma tthewHa noon,a t mospher iomodelingusingMOD,IRA N仁D,2 0 0 32,即1一10,h t tP:刀。w.omn ium一ga th eu rm.og r4刘长盛,刘文保.大气 辐射传输 学 M工 南京:南京大学出版社,1 99 0,5:20 7一20 9,别文军,王介民,何淑杰,辐射传输PCMo dWn i程序及应用前景评述J.遥感技术与应用,19 97,12(4):4 6一5 2.6pCModWinMa n ua l.OntarCo甲。,二tio n,No rthAndoveT,Mao 0184 5,USA,May,19 95,作者简介:毛克彪(197 7一),男,湖南沉江人,博士生,主要从事热红外,微波遥 感,空间数据挖掘及G IS应用等方面的研究。