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MODIS大气校正数据产品参考规范(讨论稿)
内容索引:

1 主题内容与适用范围

2 大气校正模型

3 术语

4 大气校正数据产品的生产标准
5 验证工作
6 约束和限制
7 参考文献 附录:大气校正所用的公式


1 主题内容与适用范围

  • 主题内容
    本标准规定了国家对地观测系统MODIS共享平台大气校正数据产品术语、类型和产生过程,用以规范我国MODIS大气校正数据产品在产生、保藏、交换和应用中的一致性。

  • 适用范围
    本规范适用于国家科技基础条件平台对地观测系统MODIS共享平台大气校正识别、大气校正数据产品及与之相关的数据产品在数据源、数据综合、数据检验和数据交换过程中的活动规范。

2 大气校正模型

根据 MODIS数据特点,国家对地观测系统MODIS共享平台大气校正采用6S模型。 ( 6S 是 Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar 的缩写 ) 。

3 术语

大气校正

传感器接收到的大气顶部信号转换为地表反射率的过程称为大气校正 。

3.2 大气光学厚度

大气衰减系数(吸收系数和散射系数之和)与辐射经过的大气路径的乘积。

3.3 瑞利( Rayleigh )散射

当引起散射的大气粒子直径远小于入射电磁波波长时,出现瑞利散射。瑞利散射的强度与入射波长的 4 次方成反比。

3.4 朗伯( Lambert )反射

当入射能量在所有方向均匀反射,即入射能量以入射点为中心,在整个半球空间内向四周各向同性地反射能量的现象。

3.5 6S 模型

6S 是 Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar 的缩写。 6S 模型是一种大气校正模型,描述了不同遥感器、不同地面状况下,太阳光在太阳—地面目标—遥感器整个传输路径中所受的大气影响。

3.7 BRDF

双向性反射率分布函数( bi-directional reflectance distribution function )是指一个微小面积元上,特定反射光的辐照度与入射光的辐照度的比值。 BRDF 是描述表面反射特性空间分布的基本参数。

3.8 表面邻近效应
( Adjacency Effect )

高空平台上遥感器对地观测到的视反射率( apparent reflectance )中含有来自视场周围环境地表的贡献,这种现象称为邻近效应。

4 大气校正数据产品的生产标准

陆地大气校正数据产品的生产标准

  • 输入数据:经过定标和定位的MODIS数据(MOD02,MOD03),云掩膜(MOD35),气溶胶光学厚度(MOD04),可降水量(MOD05),臭氧(MOD07)和前16天数据得到的表面BRDF(MOD43)。其它的辅助数据包括:DEM,地面气压,水汽,臭氧和气溶胶光学厚度。
  • 输出数据:MOD09,其有7个波段250m(1、2波段)和500m(3~7波段)分辨率的地表反射率数据。时间频率:每天产品;旬、月度合成产品。
  • 基本原理:利用大气散射和吸收方程,对MODIS 1B数据进行辐射校正。在此基础上,利用大气点扩散函数PSF和地表BRDF与大气之间的辐射耦合效应进一步作校正。
  • 大气校正的算法流程
  • 大气校正所用公式见附录。
  • 大气校正流程

(1)在 5km × 5km 空间,使用 (气溶胶光学厚度), τ S (平流层气溶胶光学厚度), τ R (瑞利光学厚度),气溶胶模型和查找表计算 的值。使用高程调整查找表变量的瑞利成分。 τ a 、 τ S 来自 MODIS 数据产品。

(2)在 5km × 5km 网格中使用来自 MODIS 的水汽产品,利用公式( 1 ~ 2 )进行气体吸收校正。

(3)在 5km × 5km 网格中根据植被指数,查找或计算双向耦合反射函数 。函数由 MODIS 和 MISR 产品动态确定。

(4)对每一个像素使用第 3 步中的方程计算双向耦合反射函数 ,然后利用公式(4)校正 BRDF/ATM 耦合效应(如果用动态 BRDF )。

(5)对每一个像素,使用 1.38 μm 光谱波段值校正卷云效应。

(6)对每一个像素,解公式( 3 )得表面反射率

(7)对每一个像素,校正临近效应。

(8)计算每个像素第 1~7 波段的表面反射率结果。


天地表反射率产品
    以每日地表反射率产品为基础,选择8天内最为晴朗的那一天的反射率,制作八天地表反射率产品。

5 验证工作

  • 验证方法1:利用地面测量数据、机载数据、其它遥感数据进行质量验证。
  • 验证方法2:发射后的产品质量验证主要是自动生成质量标志,对时间序列进行统计分析,目视检查样品图像。

6 约束和限制

本标准仅限于陆地区域,而且使用 MODIS 气溶胶产品的光学厚度作为输入时精度最高。校正区域要有较好的茂密、色植被,还需要测量光学厚度气候值。火山喷发会造成较大偏差,这关键需要区分平流层和对流层气溶胶分布状态。太阳角和观测角处于极端情况下会产生较大误差

7. 参考文献

1]E.F.Vermote and A.Vermeulen ,1999,Atmopheric correction algrithm: spectral reflectances (MOD09)

附录:大气校正所用的公式

( 1 )考虑气体吸收,大气顶部反射率 的表达式:

( 1 )

式中: M 为空气质量, 为大气顶部到地表的总透过率, 为由地表到大气顶部沿传感器观测方向的总透过率, θ s 为太阳顶角, θ v 为视场方位角, μ s 为太阳天顶角的余弦值, μ v 是观测方向角的余弦值, ρ R 为有分子反射率, S 是大气底层向下的半球反射率, Tg ( O3 ,O2 ,CO2 ,M ) 是 O3 , O2 和 CO2 气体的透过率, 是水汽透过率。

利用 6S 模型计算每种气体在给定质量和观测角下在每个波段的透过率:

O3 通过率:

(2a)

式中: UO 3 cm/atm 单位的臭氧总量, a 是依赖于给定光谐波段响应的系数。

O 2 和 CO 2 的透过率 :

( 2b )

式中: p 是在 z 海拔高度时的压力, p o 是海平面高度的压力。氧气和二氧化碳含量一般被认为是常量,用百万分之一单位表示,可以直接利用海拔高度来获得。参数 a 、 b 、 c 、 d 是 MODIS 光谱响应的调整系数。

降水总量 [g/cm] 是一个 MODIS 产品( Gao 和 Kaumfman , 1993 )。其中假定路径辐射 ρ 0 由边界中部以上部分产生。水汽透过率公式如下:

( 2c )

式中: a , b , c 为 MODIS 光谱响应调整系数。

( 2 )使用估计的 BRDF( ) 和实际表面的 BRDF( ρ S ) 的比值校正辐射测量值。

( 3 )

式中,

( 4a )

( 4b )

( 4c )

式中: 是大气顶部观测到的反射率, 是大气程辐射反射率, ρ s 为地面反射率, φ 是太阳天顶角和观测方向角的余弦值相对方位角, 和 t d (μ s ) 分别为到达地面的太阳直射光和经大气漫射光到达地面的大气透过率, 和 t d (μ v ) 分别为观测方向地面反射直达遥感器和经大气漫射光到达遥感器的大气透过率, 是射太阳光谱从大气顶部到地面的总透过率, 是由地面到大气顶部沿传感器观测方向的总透过率, S 是大气底层向下的半球反射率, 分别为大气散射到地面的半球反射率、经地面散射到大气的地面半球反射率、经大气与地面两次散射后的地面半球射率。
(执笔:刘闯、卫亚星、陈文波、王正兴)

 

 

 
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