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遥感辐射传输模型

姓 名： 张 超 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