大气辐射传输模型及其软件

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1、大气辐射传输模型及其软件403∗大气辐射传输模型及其软件焦斌亮高志强李素静白云燕山大学信息科学与工程学院，河北秦皇岛066004摘要：本文主要阐述了大气辐射传输模型在大气订正中的应用，介绍了大气辐射传输原理，详细地叙述了6S、LOWTRAN、MODTRAN和FASCODE等模型，同时提到了在以上模型基础上发展起来的其它辐射传输模型及软件，并对相应的模型及软件的共同特点和主要区别进行了比较，认为大气辐射传输模型在当前的大气订正模型中依然是比较可靠而常用的方法。关键词：大气订正辐射传输6SMODTRAN1引言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

2、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来计算大气订正函数：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，它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

3、(AtmosphericRadiativeTransferModel)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。2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[

4、1]时，光谱辐射强度的变化规律可以表述为dIλ=−I(1)λkρdsλ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∗作者介绍：焦斌亮（1964—），男(汉族)，陕西户县人，燕山大学教授，主要从事光学遥感与CCD应用技术研究；高志强（1981—），男（汉族），河北鹿泉人，燕山大学硕士研究生，研究方向：大气辐射在光学遥感中的应用。386404计算机技术与应用进展·2007⎛s1⎞Iλ()s1=Iλ()0exp⎜−∫kλρds⎟

5、(2)⎝0⎠假定介质是均匀的，则kλ与距离s无关，因此定义路径长度s1μ=∫ρds(3)0则式(2)可表示为I()s=I(0)exp(−ku)(4)λ1λλ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I(s)λ1(T==exp−kμ)(5)λ()λI0λ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）

6、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dI()z;θ,ϕcosθ=−I()(z;θ,ϕ+Jz;θ,ϕ)(6)kρdz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∞τ=∫kρdz(7)z于是得到描述平面平行大气中多次散射问题的基本方程μdI()τ;μ,ϕ=I()τ;μ,ϕ−J(τ;μ,ϕ)(8)dτ3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

7、一系列辐射传输模型，如6S、LOWTRAN、MODTRAN和FASCODE模型等，下面分别介绍。3.16S模型6S（SecondSimulationoftheSatelliteSignalintheSolarSpectrum）模型估计了0.25-4.0μm波长电磁波[2]在晴空无云条件下的辐射特性，是在Tanre等人提出的5S(SimulationoftheSatelliteSignalintheSolarSpectrum)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，[3]而后Vermote又将其改进为6S模型。目前普遍

8、使用的是1997年的4.