面向TM影像大气校正的SBDART与6S模型比较研究

E-mail:wam_gis@163.com

*通讯联系人，男，教授，博士.主要研究方向为地理信息系统与遥感应用.E-mail:zheng_jianghua@126.com

面向TM影像大气校正的SBDART与6S模型比较研究

温阿敏1,2，张彦丽3，郑江华1,2*

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐830046；

2.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐830046；

3.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃兰州730070)

摘要：利用张掖市大野口马莲滩草地站测得的2009年5月6—7日(8:15～18:45)2天不同时次的地表总辐射数据，对运用2种辐射传输模型SBDART和6S分别模拟计算获得的地表总辐射结果进行比较，验证评价其模拟精度，用大气理论分析工具对影响模拟结果的大气参数进行敏感度分析.结果表明，在天气良好状况下，SBDART模型和6S模型都是可靠的大气校正模型，但SBDART模型模拟的精度(绝对误差为0.02%～4.97%)比6S模型模拟的精度(绝对误差为-0.05%～12.66%)更高，可以更精确地反演地表真实反射率；在有云条件下，SBDART模型模拟总辐射曲线与实测总辐射曲线走势相近.通过敏感度分析得到各种大气参数对地表总辐射的具体影响程度，包括大气模式、云参数、气溶胶等.

关键词：SBDART模型；6S模型；大气校正；总辐射

收稿日期：2014-10-08;修改稿收到日期:2015-04-07

基金项目:2013年度水利部公益性行业科研专项资助项目(201301103)

作者简介：温阿敏(1988—)，女，甘肃会宁人，硕士研究生.主要研究方向为遥感技术与应用.

中图分类号：P 407.4；P 412.2文献标志码：A

Comparing SBDART and 6S models in atmospheric

corrections of TM remote sensing image

WEN A-min1,2,ZHANG Yan-li3,ZHENG Jiang-hua1,2

(1.College of Resource and Environmental Science,Xinjiang University,Urumqi 830046,Xinjiang,China;

2.Key Laboratory of Oasis Ecology,Xinjiang University,Urumqi 830046,Xinjiang,China;

3.College of Geography and Environmental Science,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,Gansu,China)

Abstract:This paper compared the meteorological data observed in the Grassland station of Dayekou Malian tan in May 6 th—7 th 2009(8∶15～18∶45),with surface solar total radiation data which is simulated respectively by 6S and SBDART models,then verified and assessed the calculation accuracy of solar total radiation.Then SBDART model is used to conduct sensitivity analysis for analyzing the impacts of various atmospheric parameters on the simulation results.The resuts showed that:in the condition of good weather and lacking of specific atmospheric parameters for every time,both 6S and SBDART models are reliable for atmospheric correction of TM image.However,the accuracy of SBDART is higher than 6S model.The absolute error of SBDART is 0.02%～4.97%,and its value of 6S is -0.05%～12.66%,respectively Thus,SBDART model is superior to 6S model for the quantitative analysis and inversion;the specific influence level of every atmospheric parameter to radiation,such as atmospheric model,cloud,and aerosol et al is obtained by sensitivity analysis.This study provides a further scientific basis for higher precision of atmospheric correction utilizing SBDART model in TM remote sensing image over the study area.

Key words:6S model;SBDART model;atmospheric correction;total radiation

0引言

大气校正是指消除大气分子、气溶胶等的吸收和散射的影响，从遥感图像反演地表真实反射率，消除地-气耦合效应的过程.大气校正是遥感影像预处理的关键步骤，是定量遥感的前提.

经过30多年的发展，产生了一大批遥感影像的大气校正方法，其中基于辐射的传输模型成为主流模型，如LOWTRAN,MORTRAN,6S,FLASSH,ATCOR和SBDART模型等[1-2].但由于遥感成像过程复杂，大气对电磁波辐射传输影响的不确定性因素多，目前的方法都存在着各自的优缺点[3].其中6S(Second simulation of the satellite signal in the solar spectrum)模型是在5S(Simulation of the satellite signal in the solar spectrum)模型基础上发展起来的一种大气精校正的模型[4]，近年来应用广泛，其可靠性和精度也得到验证[5-7]，但不能处理有云情况下的辐射问题.为了提高有云状况下大气校正精度，Ricchiazzi等[8-9]开发了SBDART(Santa Barbara DISORT atmospheric radiative transfer)模型，它是计算晴空和有云状况下地球大气和表面的平面平行大气辐射传输的程序，适合于做各种敏感性试验、卫星遥感反演计算和大气辐射能量平衡变化等方面的科学研究，是一个比较准确的辐射传输模型，因而近年来在国际上比较流行[10-13].目前国内只有少数利用SBDART模型模拟云辐射的相关研究[14-16]，潘志强等[17]采用SBDART模型与6S模型两种方法计算了平均太阳辐射强度，得出SBDART模型精度更高的结论.但SBDART模型大气校正相关研究尚未见报道，因此文中对SBDART模型在TM影像大气校正中的适用性做初探，为利用该模型实现大气校正提供依据.

文中应用SBDART和6S两种辐射传输模型分别模拟计算研究区的地表总辐射，将模拟计算的结果与观测值实测总辐射进行对比分析，通过敏感度分析确立影响模拟精度的大气参数，为将SBDART模型运用到研究区遥感影像大气校正，从而为实现更高精度的大气校正提供进一步的科学依据.

1研究区概况

研究区位于甘肃省张掖市南部的大野口马莲滩草地站(图1).张掖市地处西北内陆的河西走廊中部，黑河中游，位于97°20′～102°20′E，37°28′～ 39°57′N，东西长210 km，南北宽50～80 km，海拔1 400 m～3 000 m，属温带大陆性干旱气候，多年平均气温7.7℃，年降水量113.30～342.70 mm，蒸发量1 453.00～2 351.00 mm.大野口马莲滩草地站位于黑河上游大野口子流域排露沟的马莲滩，试验场周围地势相对平坦开阔，地势自东南向西北略倾斜下降.马莲滩的地表为高山草地，主要生长有马莲，植被高度0.2～0.5 m.本研究中的气象数据获取站于2007年10月31日—11月1日建立，观测点的经纬度为E 100°17′45.0″，N 38°32′53.4″，海拔高度为2 817.3 m.

图1　研究区地理位置

2研究方法与数据来源

2.1数据资料及预处理

实测总辐射数据来源于张掖市大野口马莲滩草地站提供的2009年5月6日和7日(8:15～18:45)两日不同时次的气象数据.总辐射值观测传感器为CM(美国)，观测精度±10%，观测高度为1.5 m.获取太阳和卫星几何位置参数以及大气参数，根据观测点的经纬度、位置和观测时间，运用软件Solar Angle V 5.2(吉林大学遥感与 GIS系汪自军，http://bbs.06climate.com/forum.php?mod=viewthread&tid=19457)计算观测点6日和7日8:15～18:45时段不同时次的太阳天顶角和方位角(表1).根据研究区特点及气象参数，设置6S模型和SBDART模型的其他关键输入参数值(表2).

表1　不同时次的太阳天顶角和方位角(°)

表2　两种模式的其他关键输入参数

2.2总辐射计算

2.2.1SBDART模型计算总辐射SBDART模型采用平面平行辐射传输模式，处理和分析在卫星遥感和大气能量平衡中遇到的各种辐射传输问题[8].SBDART软件运行方式主要有3种：① 在线运行(http://arm.mrcsb.com/sbdart/)，用户只需要设置重要控制参数，其他参数默认.② 使用Matlab工具,通过调用sbdart主程序来实现.值得注意的是sbdart.m必须放在当前目录下才能运行.③ 可视化操作SBDART软件,采用离散坐标法求解辐射传输方程，给出了完全稳定的解析解，为公认的辐射传输精确算法的实用软件.软件包括太阳几何参数、大气剖面、气溶胶参数、云参数、模块运行及结果显示6个模块，可对每个高度整体辐射值(包括下行总辐射、上行总辐射、净辐射以及下行直接辐射)进行输出(图2).

图2　不同辐射方向上总辐射随高度变化曲线

文中运用可视化操作SBDART软件模拟计算地表总辐射.根据研究区特点，设定地表反射率为0.2，0.55 μm处的气溶胶光学厚度为0.25，太阳几何参数见表1，其他参数见表2.分别对2009年5月6日和7日两日8:15～18:45时段不同时次的下行总辐射进行模拟计算，并从软件运行模块输出结果中读出地表3 km处的总辐射通量，将模拟结果与实测数据进行对比(图3).

图3　 6日和7日SBDART模拟总辐射值与

从图3(a)发现，在8:15～11:15和14:45～16:45时间段，模拟总辐射曲线与实测值曲线基本吻合，而在11:45～14:15及17:15～18:45时间段相差较大；图3(b)在8:15～13:15时间段模拟结果较吻合，而在13:45～18:45时间段也相差较大，但模拟曲线的走势相近.根据实测总辐射值曲线以及观测站记录的天气状况的资料可知，6日和7日两日中午及午后都有天气变化，尤其是7日，云覆盖非常大，加之天气变化引起的其他因素的影响，造成地表总辐射值的波动.由于缺少每一时刻云、气溶胶、地表反射率等气象参数值，因而模拟时各参数只设定了一个值，未随时间和天气状况而变化，因此模拟的结果与实测值发生偏差.天气变化情况下模拟结果的偏差，说明了精确获取大气参数对大气精校正的重要性.

2.2.26S模型计算总辐射6S模型也可计算获得地表总辐射，输入主要参数有：太阳及卫星几何位置参数、大气参数以及地表测量参数等(表1-2).从6S运行结果文件six.out中，读取每个波段到达地面的直接辐射通量和散射辐射通量，通过计算得到地表太阳总辐射通量(总辐射通量=直接辐射通量+散射辐射通量)，将模拟结果与实测数据进行对比(图4).

图4　 6日和7日两天6S模拟总辐射值与

同样，图4中在8:15～11:15时间段，6S模型模拟计算的总辐射值与实测值较吻合，而在11:45～18:45时间段，则与实测值差别较大，尤其是7日.该结果进一步验证了6S模型不适用于有云天气的大气校正，这些差值还与模拟计算时参数的设置，选择地表反射率类型时输入均匀朗伯表面的反射率等有关.

2.3两种模型比较分析

将SBDART和6S模型模拟计算的6日和7日两日不同时次大野口马莲滩草地站550 nm光学厚度的地表总辐射值与实测总辐射值进行对比，进一步做误差分析(表3)，模型对比结果反映出两种辐射传输模型在大气校正中总辐射模拟的优越性.从表3可以看出，天气较好时段，研究区两天中不同时次下两种模型模拟总辐射结果都逼近总辐射实测值.在5月6日8:15～11:15和14:45～16:45时间段，以及在5月7日8:15～13:15时间段，SBDART模型模拟的总辐射比6S模拟值更贴近实测总辐射，呈现出SBDART模拟值的变化与气象站实测值相差较小的特征，而6S模拟值较实测观测资料偏小.以上分析说明SBDART模型较6S模型在无云天气下遥感影像大气校正中反演的地表总辐射更合理.

表3　模拟总辐射结果误差分析 (W·m -2)

从误差分析(绝对误差)结果可以看出，5月6日和7日两日中，在天气条件较好的时段，两种模型的误差都较小，都为可靠的大气校正模型.其中6S模型模拟总辐射结果的绝对误差在-0.05%～12.66%，而SBDART模型绝对误差在0.02%～4.97%.然而天气变化时，误差都较大，由于缺少大气参数的具体值，模拟过程中存在缺陷，因此无法评价其在遥感影像大气校正中的优越性和适用性.造成这一误差的主要原因是6S模型不适用于有云条件下进行大气校正；而导致SBDART模型模拟产生误差的主要原因有：① 计算太阳天顶角和方位角过程中产生的误差；② 由于总辐射实测数据获取气象站大野口马连滩所处海拔较高，天气变化显著，而实际工作中精确的大气参数很难获得，模拟过程中输入的大气参数(能见度、气溶胶光学厚度、地表反射率、云光学厚度)都是根据专家经验和气象资料设定的一个固定值，并没有考虑各参数随天气、地表类型以及时间的变化而产生的误差；③ 实际气溶胶类型与假定的大陆性气溶胶不符产生的误差；④ 气象站实测总辐射值本身存在的误差.

3敏感度分析

地表总辐射模拟精度受模型所用算法及输入的大气参数的准确性影响,文中为分析研究区大气参数对辐射值的具体影响程度，运用理论分析工具SBDART模型对影响模拟的大气参数进行敏感度分析，为研究区TM遥感影像全面而高精度地进行大气校正提供帮助.从运用2种辐射传输模型计算总辐射的过程中发现，主要的大气影响因素有大气模式(Atmospheric profiles)、地表反照率模型(Surface albedo model)、气溶胶(Background troposphere, tau)、云(云顶高度Top altitude、云底高度Bottom altitude、云光学厚度tau、水汽粒径Droplet size)等.

3.1大气模型

6S和SBDART模型都带有6种大气廓线：热带大气(Tropical)、中纬度夏季(Mid-latitude summer)、中纬度冬季(Mid-latitude winter)、亚极地夏季(Sub-arctic summer)、亚极地冬季(Sub-arctic winter)以及美国62标准大气(US-62)模式，地表总辐射模拟时，不同的大气模式下太阳下行总辐射不同，且呈非线性关系(图5).因此在TM遥感影像大气校正前，须根据研究区特点选择正确的大气模式.文中大气模型为中纬度夏季模式.

图5　不同大气条件下行总辐射随高度的变化

3.2云参数

云量、云光学厚度和云高等参数可引起辐射值的变化.为研究方便，文中在假定0.55 μm处的气溶胶光学厚度(Aerosol optical depth=0.2)不变的情况下，模拟地表总辐射随云光学厚度的变化(图6).模拟时云光学厚度(Cloud optical depth)=1,2,3，其他输入的参数包括：太阳天顶角为29.33°；大陆性气溶胶；中纬度夏季大气模型等.从图6可以看出，随着云光学厚度的增加，到达地表的总辐射值在变小，尤其对2 km以上高度辐射值的影响较大.

图6　不同云光学厚度下模拟的总辐射

3.3气溶胶光学厚度

大气中气溶胶是最不稳定的成分之一，对辐射产生重要影响，近年来反演气溶胶光学厚度的算法取得很多成果[18]，文中只模拟了气溶胶光学厚度对总辐射的影响(图7)，输入的参数主要包括：气溶胶光学厚度(Aerosol optical depth)=0.1,0.2,0.3；太阳天顶角为29.33°；大陆性气溶胶；中纬度夏季大气模型等.从图7发现，随着气溶胶光学厚度的增加，气溶胶的散射增大，因此到达地面的辐射值逐渐减小，且对0～2 km处的地表影响较大.在大气纠正时，选择合适的气溶胶类型纠正的效果会更好.

图7　气溶胶光学厚度对总辐射的影响

3.4波长

对波长变化进行模拟，进而了解可见光到近红外波段的辐射通量的变化(图8).利用SBDART模型模拟总辐射时下垫面地貌类型对结果有一定影响，因此文中给出了不同地表反射率(Reflectance=0.0,0.4,0.8)，波长范围为0.3～3 μm的辐射量随波长的变化.其他参数包括：太阳天顶角29.33°；中纬度夏季模式；大陆性气溶胶等.

从图8发现，在可见光波段，辐射随波长增加下降很快，而在0.69～0.78 μm处大气有一个较小的吸收，在近红外波段(0.76～0.96 μm)随波长增加辐射值下降较小，而在0.96～2.5 μm处波动比较大，但是地表反射率对辐射通量的影响非常小.因此在可见光和近红外波段反射率的影响对辐射模拟计算非常重要，而且随着反射率的增大，辐射通量随波长的变化越剧烈.

此外，大气中的水汽、臭氧和能见度的影响也是不可忽略的[19]，文中由于资料有限，没有做具体分析，且只分析了单一因素变化引起的辐射通量的变化.

图8　不同反射率条件下辐射亮度随波长的变化情况

综上所述，造成SBDART模型和6S模型模拟总辐射值与实测值不同的主要大气因素是云和气溶胶参数，而且在可见光和近红外波段反射率对地表辐射的影响也很重要.因此要准确模拟计算地表总辐射，进行大气校正，必须获取相关大气参数.

4结论

本研究利用面向TM遥感影像大气校正的两种辐射传输模型SBDART和6S模型，分别对地表总辐射进行反演，并与实测总辐射数据进行对比和误差分析，从而得出SBDART模型在研究区大气校正的适用性和优越性，并对影响模拟计算精度的大气参数进行了敏感度分析.通过研究得到以下结论：

1)通过2种方法SBDART和6S总辐射值模拟及对比分析，得到SBDART模型在无云条件下模拟精度更高.具体表现为，SBDART模型绝对误差为0.02%～4.97%，优于6S模型(绝对误差为-0.05%～12.66%)；对于有云条件下模型的解算精度和可靠性，在未获取充分的大气参数条件下，SBDART模型模拟总辐射的曲线比6S模型更逼近实测总辐射值曲线.

2)通过分析SBDART对大气参数的敏感度，得出云光学厚度对地表辐射的影响非常大；此外气溶胶的影响也不可忽视；在可见光和近红外波段，反射率对地表辐射计算也非常重要，而且随反射率的升高，地表辐射随波长的变化越剧烈.

本研究通过运用2种方法(SBDART和6S)反演地表总辐射，结合气象站实测总辐射资料，初步验证了SBDART模型在无云天气条件下可以更精确地反演地表真实反射率，说明其在遥感影像大气校正中的适用性优越性.通过敏感度分析，得到了各大气参数对总辐射反演结果的具体影响程度，为高精度大气较正和张掖地区大气辐射状况提供了参考，为进一步实现SBDART模型遥感影像大气校正做了基础性铺垫工作.

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(责任编辑惠松骐)