大氣校正與Modtran的使用

大氣校正與Modtran的使用南京大學(xué)國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所報告人：王鳳敏2004年4月6號主要內(nèi)容大氣輻射傳輸及基本知識；大氣校正；Modtran的使用；存在問題及討論。一、大氣輻射傳輸及基本知識大氣輻射傳輸是大氣中的基本物理過程之一；發(fā)生于大氣中的輻射傳輸過程起著多方面的作用；來自太陽的電磁輻射是地球表層運(yùn)動的主要能源，太陽短波輻射和地球—大氣系統(tǒng)的長波輻射構(gòu)成了地球—大氣系統(tǒng)輻射平衡的基礎(chǔ)；大氣中各種成分對不同波長電磁波的散射吸收和發(fā)射構(gòu)成了復(fù)雜多變的輻射傳輸圖像。1、大氣輻射傳輸研究現(xiàn)狀近幾十年來，與大氣輻射傳輸有關(guān)的應(yīng)用需求增長極快，使大氣輻射傳輸?shù)倪^程研究與定量化算法研究獲得蓬勃的發(fā)展；多方面的應(yīng)用需求是促進(jìn)大氣輻射傳輸研究發(fā)展的關(guān)鍵動力。2、大氣輻射傳輸?shù)膽?yīng)用分為兩類：關(guān)于輻射能量傳輸?shù)膽?yīng)用

關(guān)于輻射信號傳輸?shù)膽?yīng)用關(guān)于輻射能量傳輸?shù)膽?yīng)用：一是太陽短波輻射和地氣系統(tǒng)的紅外長波輻射造成地表和大氣不同的加熱/冷卻率，其作用是直接以加熱/冷卻形式驅(qū)動大氣運(yùn)動；另一應(yīng)用是大氣光化反應(yīng)的能源作用，這主要是某些太陽入射（短波段）在中高層大氣中引起光化反應(yīng)和離化過程，從而對該層大氣的成分構(gòu)成起著重要作用。關(guān)于輻射信號傳輸?shù)膽?yīng)用

一是利用大氣和地表（包括自然和人工產(chǎn)物）的不同輻射特性，進(jìn)行目標(biāo)物與背景區(qū)分，達(dá)到高準(zhǔn)確度和高精度的目標(biāo)識別（以及動目標(biāo)跟蹤）；另一種應(yīng)用則是遙感，即利用大氣和地表介質(zhì)在電磁輻射傳輸中的不同特征，通過對特征性輻射的測量進(jìn)而反演提取大氣和地表的物理狀態(tài)參數(shù)以及成分結(jié)構(gòu)。正是由于上述4個方面的應(yīng)用需要的蓬勃發(fā)展，大氣輻射傳輸?shù)难芯?，包括理論研究、?shí)驗(yàn)室測量、野外觀測和驗(yàn)證試驗(yàn)等在過去幾十年中取得了長足的進(jìn)展。3、大氣輻射傳輸研究的主要內(nèi)容1）大氣中各類氣體分子的吸收光譜參數(shù)（及其隨大氣狀態(tài)參數(shù)的變化）；2）大氣中的氣溶膠粒子（廣義而言也包括云和降水粒子）的成分、粒譜結(jié)構(gòu)、形狀特征、其復(fù)折射指數(shù)隨波長的變化，由此可計(jì)算獲得的氣溶膠粒子的散射和吸收特性；3）大氣輻射傳輸方程的求解與具體算法。原則上講，一旦上述3個方面的問題得到圓滿解決，則可以由實(shí)際大氣的完整測量參數(shù)（包括大氣狀態(tài)參數(shù)、氣體和氣溶膠分布）嚴(yán)格計(jì)算獲得精確的大氣輻射傳輸參量，如輻射通量、方向輻射率、路徑衰減等隨波長的變化；事實(shí)上，上述3個方面的問題并不是已經(jīng)獲得圓滿地解決；從大氣輻射研究而言，需繼續(xù)在分子吸收光譜、粒子散射特性和包括多次散射的輻射傳輸方程的求解等方面深入研究，將理論、實(shí)驗(yàn)室測量和野外觀測結(jié)合起來。4、大氣輻射傳輸研究的中心任務(wù)由應(yīng)用需求決定要獲得的輻射參數(shù)及其精度；利用大氣輻射傳輸?shù)囊延谐晒?、已有算法及具體應(yīng)用相關(guān)的已有大氣參數(shù)數(shù)據(jù)（模式），獲得符合應(yīng)用目標(biāo)精度要求的結(jié)果。5、當(dāng)前國際國內(nèi)已有的輻射傳輸模式和算法當(dāng)前國際國內(nèi)已有多種大氣輻射傳輸?shù)哪Ｊ脚c算法，它們散見于大量的文獻(xiàn)與書籍中，有一些已形成系統(tǒng)軟件。LOWTRAN（Manley等，1972）：就低分辨率（分辨率>=20cm-1)大氣輻射傳輸模式而言，美國AFGL主編的此程序是公認(rèn)的有效而方便的算法，從一開始其目的就是為應(yīng)用而建，在20多年的發(fā)展過程中不斷擴(kuò)寬和修訂基礎(chǔ)資料，改進(jìn)算法，增加可計(jì)算的輻射傳輸結(jié)果，從原始意義上的“低分辨率大氣透過率計(jì)算模式”擴(kuò)展到目前能導(dǎo)出復(fù)雜天氣條件下多種輻射傳輸量的“低分辨率大氣輻射傳輸計(jì)算模式”，提供了許多新的應(yīng)用可能性。MODTRAN（Berk等，1989）：中光譜分辨率（2cm-1）大氣透過率及輻射傳輸算法軟件；DISORT算法（Stamnes等，1988）：多次散射輻射傳輸算法。二、大氣校正進(jìn)入大氣的太陽輻射會發(fā)生反射、折射、吸收、散射和透射，其中對傳感器接收影響較大的是吸收和散射。在沒有大氣存在時，傳感器接收的輻照度，只與太陽輻射到地面的輻照度和地物反射率有關(guān)。由于大氣的存在，輻射經(jīng)過大氣吸收和散射，透過率小于1，從而減弱了原信號的強(qiáng)度。同時大氣的散射光也有一部分直接或經(jīng)過地物反射進(jìn)人到傳感器．這兩部分輻射又增強(qiáng)廠信號，但卻不是有用的。為到達(dá)傳感器的實(shí)際輻射亮度；穿透大氣而進(jìn)入傳感器的地物的輻射亮度來自各個方向的散射重新以漫入射的形式照射地物，經(jīng)過地物的反射及反射路徑上的大氣的吸收進(jìn)入傳感器的亮度值相當(dāng)部分的散射光向上通過大氣直接進(jìn)入傳感器而形成的程輻射θ：為入射方向的天頂角；

E0：為波長λ的輻照度；π：是球面度；

ED：為來自個方向的散射以漫入射的S：是系統(tǒng)增益因子；形式照射地物的輻照度；Tθλ：在入射方向上由與入射天頂角θ和波長λ有關(guān)的透過率；TΦλ：在反射方向上由與反射天頂角Φ和波長λ有關(guān)的透過率；嚴(yán)格地說，去除大氣影響是將上式中的附加項(xiàng)和附加因子求出，最終求出地物的反射率或發(fā)射率，從而恢復(fù)遙感影像中地面目標(biāo)的真實(shí)面目；當(dāng)大氣透過率變化不大時，有時去掉含ED和Lp的數(shù)據(jù)項(xiàng)就可修正圖像的亮度，使圖像中項(xiàng)元之間的亮度變化真正反映不同像元地物反射率之間的變化關(guān)系，這種對大氣影響的糾正是通過糾正輻射亮度的辦法實(shí)現(xiàn)的，稱作輻射校正；精確的校正公式需要找出每個波段像元亮度值與地物反射率的關(guān)系，為此需得到衛(wèi)星飛行時的大氣參數(shù)，以求出透過率Tθλ

、TΦλ等因子。如果不通過特別的觀測，一般很難得到這些數(shù)據(jù)，所以常常采用簡化的處理方法，只去掉一些主要的大氣影響，使圖像質(zhì)量滿足基本要求。三、MODTRAN的使用MODTRAN（Berk等，1989）的目的在于改進(jìn)LOWTRAN光譜分辨率；它的主要改進(jìn)包括發(fā)展了一種2cm-1光譜分辨率的分子吸收的算法和更新了對分子吸收的氣壓溫度關(guān)系的處理，同時維持LOWTRAN7的基本程序和使用結(jié)構(gòu)；MODTRAN軟件包操作步驟參數(shù)設(shè)置運(yùn)行程序結(jié)果顯示1、參數(shù)設(shè)置參數(shù)設(shè)置可通過參數(shù)設(shè)置界面完成或者直接在Tape5文件中直接編輯；參數(shù)設(shè)置界面通過Tape5設(shè)置參數(shù)主要參數(shù)Card1：大氣模式控制卡；Card2：氣溶膠及云雨模式；Card3：探測幾何方式；Card4：波段及分辨率；Card5：程序的停止或再運(yùn)行；注：在通過Tape5進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時，應(yīng)嚴(yán)格遵循所要求的格式。2、運(yùn)行程序雙擊運(yùn)行3、計(jì)算結(jié)果顯示將上述Tape6、Tape7、Tape8以文本格式打開即可看到結(jié)果Tape6:程序運(yùn)行的主要結(jié)果Tape7:是每個例子的光譜數(shù)據(jù)輸出結(jié)果，此數(shù)據(jù)文件可提供給FILTER,SCANNING等程序處理。Tape8:根據(jù)計(jì)算方式，輸出各吸收分子的透過率或黑體