大气校正与Modtran的使用

大气校正与Modtran的使用南京大学国际地球系统科学研究所报告人：王凤敏2004年4月6号主要内容大气辐射传输及基本知识；大气校正；Modtran的使用；存在问题及讨论。一、大气辐射传输及基本知识大气辐射传输是大气中的基本物理过程之一；发生于大气中的辐射传输过程起着多方面的作用；来自太阳的电磁辐射是地球表层运动的主要能源，太阳短波辐射和地球—大气系统的长波辐射构成了地球—大气系统辐射平衡的基础；大气中各种成分对不同波长电磁波的散射吸收和发射构成了复杂多变的辐射传输图像。1、大气辐射传输研究现状近几十年来，与大气辐射传输有关的应用需求增长极快，使大气辐射传输的过程研究与定量化算法研究获得蓬勃的发展；多方面的应用需求是促进大气辐射传输研究发展的关键动力。2、大气辐射传输的应用分为两类：关于辐射能量传输的应用

关于辐射信号传输的应用关于辐射能量传输的应用：一是太阳短波辐射和地气系统的红外长波辐射造成地表和大气不同的加热/冷却率，其作用是直接以加热/冷却形式驱动大气运动；另一应用是大气光化反应的能源作用，这主要是某些太阳入射（短波段）在中高层大气中引起光化反应和离化过程，从而对该层大气的成分构成起着重要作用。关于辐射信号传输的应用

一是利用大气和地表（包括自然和人工产物）的不同辐射特性，进行目标物与背景区分，达到高准确度和高精度的目标识别（以及动目标跟踪）；另一种应用则是遥感，即利用大气和地表介质在电磁辐射传输中的不同特征，通过对特征性辐射的测量进而反演提取大气和地表的物理状态参数以及成分结构。正是由于上述4个方面的应用需要的蓬勃发展，大气辐射传输的研究，包括理论研究、实验室测量、野外观测和验证试验等在过去几十年中取得了长足的进展。3、大气辐射传输研究的主要内容1）大气中各类气体分子的吸收光谱参数（及其随大气状态参数的变化）；2）大气中的气溶胶粒子（广义而言也包括云和降水粒子）的成分、粒谱结构、形状特征、其复折射指数随波长的变化，由此可计算获得的气溶胶粒子的散射和吸收特性；3）大气辐射传输方程的求解与具体算法。原则上讲，一旦上述3个方面的问题得到圆满解决，则可以由实际大气的完整测量参数（包括大气状态参数、气体和气溶胶分布）严格计算获得精确的大气辐射传输参量，如辐射通量、方向辐射率、路径衰减等随波长的变化；事实上，上述3个方面的问题并不是已经获得圆满地解决；从大气辐射研究而言，需继续在分子吸收光谱、粒子散射特性和包括多次散射的辐射传输方程的求解等方面深入研究，将理论、实验室测量和野外观测结合起来。4、大气辐射传输研究的中心任务由应用需求决定要获得的辐射参数及其精度；利用大气辐射传输的已有成果、已有算法及具体应用相关的已有大气参数数据（模式），获得符合应用目标精度要求的结果。5、当前国际国内已有的辐射传输模式和算法当前国际国内已有多种大气辐射传输的模式与算法，它们散见于大量的文献与书籍中，有一些已形成系统软件。LOWTRAN（Manley等，1972）：就低分辨率（分辨率>=20cm-1)大气辐射传输模式而言，美国AFGL主编的此程序是公认的有效而方便的算法，从一开始其目的就是为应用而建，在20多年的发展过程中不断扩宽和修订基础资料，改进算法，增加可计算的辐射传输结果，从原始意义上的“低分辨率大气透过率计算模式”扩展到目前能导出复杂天气条件下多种辐射传输量的“低分辨率大气辐射传输计算模式”，提供了许多新的应用可能性。MODTRAN（Berk等，1989）：中光谱分辨率（2cm-1）大气透过率及辐射传输算法软件；DISORT算法（Stamnes等，1988）：多次散射辐射传输算法。二、大气校正进入大气的太阳辐射会发生反射、折射、吸收、散射和透射，其中对传感器接收影响较大的是吸收和散射。在没有大气存在时，传感器接收的辐照度，只与太阳辐射到地面的辐照度和地物反射率有关。由于大气的存在，辐射经过大气吸收和散射，透过率小于1，从而减弱了原信号的强度。同时大气的散射光也有一部分直接或经过地物反射进人到传感器．这两部分辐射又增强厂信号，但却不是有用的。为到达传感器的实际辐射亮度；穿透大气而进入传感器的地物的辐射亮度来自各个方向的散射重新以漫入射的形式照射地物，经过地物的反射及反射路径上的大气的吸收进入传感器的亮度值相当部分的散射光向上通过大气直接进入传感器而形成的程辐射θ：为入射方向的天顶角；

E0：为波长λ的辐照度；π：是球面度；

ED：为来自个方向的散射以漫入射的S：是系统增益因子；形式照射地物的辐照度；Tθλ：在入射方向上由与入射天顶角θ和波长λ有关的透过率；TΦλ：在反射方向上由与反射天顶角Φ和波长λ有关的透过率；严格地说，去除大气影响是将上式中的附加项和附加因子求出，最终求出地物的反射率或发射率，从而恢复遥感影像中地面目标的真实面目；当大气透过率变化不大时，有时去掉含ED和Lp的数据项就可修正图像的亮度，使图像中项元之间的亮度变化真正反映不同像元地物反射率之间的变化关系，这种对大气影响的纠正是通过纠正辐射亮度的办法实现的，称作辐射校正；精确的校正公式需要找出每个波段像元亮度值与地物反射率的关系，为此需得到卫星飞行时的大气参数，以求出透过率Tθλ

、TΦλ等因子。如果不通过特别的观测，一般很难得到这些数据，所以常常采用简化的处理方法，只去掉一些主要的大气影响，使图像质量满足基本要求。三、MODTRAN的使用MODTRAN（Berk等，1989）的目的在于改进LOWTRAN光谱分辨率；它的主要改进包括发展了一种2cm-1光谱分辨率的分子吸收的算法和更新了对分子吸收的气压温度关系的处理，同时维持LOWTRAN7的基本程序和使用结构；MODTRAN软件包操作步骤参数设置运行程序结果显示1、参数设置参数设置可通过参数设置界面完成或者直接在Tape5文件中直接编辑；参数设置界面通过Tape5设置参数主要参数Card1：大气模式控制卡；Card2：气溶胶及云雨模式；Card3：探测几何方式；Card4：波段及分辨率；Card5：程序的停止或再运行；注：在通过Tape5进行参数设置时，应严格遵循所要求的格式。2、运行程序双击运行3、计算结果显示将上述Tape6、Tape7、Tape8以文本格式打开即可看到结果Tape6:程序运行的主要结果Tape7:是每个例子的光谱数据输出结果，此数据文件可提供给FILTER,SCANNING等程序处理。Tape8:根据计算方式，输出各吸收分子的透过率或黑体