2.2.2 6S辐射传输模型及其大气校正在线视频

下面我们看一看遥感图像的大气校正

遥感图像的大气校正方法有多种

如果进行概括的话

常用的有基于地面实测数据的大气校正

基于遥感图像分析的

直方图最小值去除法以及回归分析法等

还可以基于辐射传输方程

对大气影响进行定量分析

去除遥感图像中的大气影响

由于利用地面实测数据

进行大气校正需要获取地面观测数据

它通过比较地面实测数据

和传感器记录图像的DN值消除大气的影响

因而该方法仅适用于特定的地区及时间

致使具体实施存在一定难度

辐射传输模型法基于太阳辐射

在大气中辐射传输原理

构建大气影响的模型

对遥感图像进行大气校正

目前

辐射传输模型主要有6S 模型

LOWTRAN 模型

MODTRAN 模型

大气去除程序ATREM

紫外线和可见光辐射模型UVRAD

TURNER 大气校正模型

空间分布快速大气校正模型ATCOR 等

也就是我们讲的 后面要介绍的ATCOR

等等

有很多大气辐射传输模型

在我们这一讲中

主要介绍6S

MODTRAN

ATCOR等

基于辐射传输模型的基本原理

和大气校正流程

接下来我们介绍6S辐射传输模型

6S辐射传输模型是

20世纪90年代中后期研究人员

Vermote

在5S 模型的基础上发展起来的改进版本

模型考虑了目标物的海拔高度

地表非均匀状况

和气体对辐射的吸收影响

其中

这个吸收是以10cm-1的光谱间隔来计算

还有就是

6S模型

对分子和气溶胶散射作用

它的计算采用的是近似和逐次散射的算法

称作是SOS算法

并且它的光谱积分步长达到了2.5nm

这是6S的特点

对于在传感器的光线传输路径中

对光线受大气的影响进行了不同的描述

它不仅可以模拟地表非均一性

还可以模拟地表双向反射特性

包括了9 种较为成熟的

描述二向反射的核驱动模型

这个大气校正方法

在多种遥感数据产品中

得到了应用

比如MODIS地表反射率产品

Landsat TM数据

地表反射率产品等等

我们看一看

由辐射传输方程可知

这个里面可以把

也就是地表反射率移项

移到左边

表达为地表反射率

和其它的辐射亮度值

以及表观反射率它们之间的关系式

所以6S辐射传输模型

可以根据指定的大气条件

计算出上面辐射传输模型当中的四个大气参数

将它们应用到遥感图像的地表反射率的求算中

即得到地表反射率值

从而实现大气校正

这是6S大气校正的基本原理

实际上6S在处理整个的表达公式中

它换了另外一种表达方式

我们看到

可以表达为

这种表达方式继续进行形式变化

在分子和分母都同时除以

和乘以一定的数字

这时候可以将它表示为

其中注意一下 在这个公式当中

L

这里面牵涉到xa, xb, xc三个参量

这三个参量是单独定义出来的

其中

等于

也就是

把

表达为

然后

那么通过上面的转换表达

为了确定地表反射率的值

需要确定xa, xb, xc三参数

这里面和前面的6S的表达式相比

已经把4个参数转化为3个参数

参数的数量总体上减少了

但是 随之而来也有不足

不足之处是各参数的物理意义不明确

那怎么利用6S进行大气校正呢

6S大气校正是基于这样一个基本思路

首先是输入表观反射率初始值

通常设定初始值为0.1

根据初始值可推求此时的TOA辐射亮度L

基于设定的表观反射率初始值

根据传感器特性

大气条件

地表环境等

利用辐射传输方程

反算此时的地表反射率值

该计算过程中

可以输出三个参数值xa, xb, xc

所以整体的校正思路就是

当TOA辐射亮度值为 L 时

模拟得到的地表反射率是

那么当TOA辐射亮度为其它值时

地表反射率是多少

这就是整体的一个校正思路

具体的计算方法

利用 xa, xb, xc三个参数

将遥感图像的TOA辐射亮度值

转换为地表反射率值

下面我们来具体看一下

6S辐射传输模型

它的软件包中的各个参数的具体的

参数值的含义

这个需要参阅参数说明文档

那么如图

这个示例当中

显示了 各个不同参数它的具体的意义

这些意义的不同的代表性

需要认真阅读每一参数的设定方法

在运用6S进行大气校正的过程中

需要分步输入所需参数

这儿给大家示例的是

要输入几何条件参数

大气定义参数

等等

那么接下来在这个步骤当中

展示给大家看的是

分步输入所需的气溶胶参数

传感器的相关参数

地表的相应的参数等

最后面你还需要定义激活大气校正的方式

那么通过这种方式来对整个大气校正

驱动它去计算大气校正辐射亮度也好

还是计算它的地表反射率也好

都要进行定义

在分步输入所需参数过程中

地表参数设置稍微复杂些

它如何处理下行辐射

和地表界面之间的交互呢

首先

我们来看参数说明文档中的树结构图

在这个图上面

对于地表参数HOMO

这个代表是地表的一致性程度

它分两种情况处理

一是一致性地表（参数为0）

另外一个是非一致性地表（参数为1）

这是从地表物体的组成

和空间结构特征来划分的

再看下参数设置

一致性地表继续分为

各向同性反射（参数为0）

方向反射（参数为1）

对于各向同性地表

可定义具体地表类型

设定指定地表类型的地表反射率数值

对于一致性地表存在方向反射情况类型

可以选择BRDF模型

然后根据不同模型的要求

输入模型参数

如果是非一致性地表

则要求指出目标地物的反射率

和周围环境的反射率

并定义圆形目标地物的半径数值

我们接下来具体介绍一下

地表交互作用的基本原理和实现思路

如图所示

这里显示的地表类型

其中第一行展示的是一致性地表

第二行展示的是非一致性地表

如斑块结构模式

环形结构模式

对于一致性地表的各向同性反射

各个方向的反射相同

此时

这就是我们前面介绍的辐射传输方程

没有变化

对于一致性地表的方向反射

各个方向的反射不同

存在方向反射现象

这时候我们可以用

来进行定义

反射的

L

比上

入射的E

那么这个BRDF

和

以及

二者之间的

方位角的差值

也就是

那么在我们这个图上面

展示了

a, b, c, d, e, f

6种不同方向反射的空间分布特征

那么a当中是镜面反射

其它的都存在不同的方向反射情况

在不同的方向方面它的反射特征

强度是不一致的

这个需要通过BRDF进行模拟

在6S模型中

提供了9种BRDF供你建模选择

不同的模型选择之后需要设置不同的参数

对于非一致性地表

结合前面讲过的辐射传输模型

其表观反射率可建模为

加上

除以

中括号里面

前面的表示为

大气透过率

再加上

大气透过率

在这个公式中

采用了ρc和ρe两种反射率值

分别代表目标地物的反射率

和周围环境的反射率

如果地表是均匀分布的斑块状结构

周围环境的反射率

可以视为像元反射率的空间平均

我们把空间平均表示为

此时公式形式为

那么具体来说这个<ρ(M)>怎么对它进行定义呢

如果将上述非均一地表模型简化

表示为圆形目标地表

和周围包围的环境地物

如下图所示

中间是圆形的目标地物

它的反射率

周围为环境地物

它的反射率为

目标地物的半径为r

这时候像元反射率的空间平均

可以把它量化为

平均值

它等于

那么其中F(r)为二者反射率之间的权重因子

它可表示为圆形目标地物半径r的函数

按照步骤

输入完成所有参数后

设置激活大气校正的方式

可输出最终结果

这是输出最终结果的示例

在这个示例当中注意到最后

两行里面输出了xa, xb, xc

三个参数以及对应的计算公式

将三个参数值xa, xb, xc

用于遥感图像大气校正处理

这个就需要通过其它的软件方式进行建模

做个公式计算

那么这里面列举了

利用ERDAS 建模的

工具来进行计算

建立了这样一个模型

在图上面这个模型我们实现了从波段1到波段7

除了波段6以外的整个大气校正处理