Vergleich der atmosphärischen Korrekturen zwischen MODTRAN- und 6S-Modellen

 

Ziel der atmosphärischen Korrektur ist es, den Einfluss atmosphärischer und lichtbedingter Faktoren auf die Reflexion von Bodenobjekten zu eliminieren, die realen physikalischen Modellparameter wie Reflexionsvermögen und Emissionsvermögen von Bodenobjekten sowie die Oberflächentemperatur zu ermitteln und diese zu nutzen, um den Einfluss von Wasserdampf, Sauerstoff, Kohlendioxid, Methan und Ozon in der Atmosphäre auf die Reflexion von Bodenobjekten zu eliminieren und den Einfluss von atmosphärischen Molekülen und Aerosolstreuung zu beseitigen.

6S vs. MODTRAN: Atmosphärische Korrektur und Strahlungstransfer  

6S (Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Reflective Spectrum) und MODTRAN (Moderate Resolution Atmospheric Transmission) sind zwei weit verbreitete Strahlungstransportmodelle zur atmosphärischen Korrektur und spektralen Simulation von Fernerkundungsbildern. Sie unterscheiden sich deutlich in Funktion, Anwendungsbereich und Betriebsverfahren. Der folgende Vergleich konzentriert sich auf ihre Kernfunktionen, ihren Spektralbereich und ihre Anwendungsszenarien.

01. Kernfunktionen und Problemtypen

MODTRAN: 
Durch Eingabe der Oberflächenreflexion, atmosphärischer Parameter (optische Dicke der Aerosole, AOT; Wasserdampfgehalt; Gaskonzentration usw.) und Sensorparametern kann die Strahlungsdichte oder scheinbare Reflexion am oberen Rand der Atmosphäre (TOA) simuliert werden.

Merkmale: Bietet hochpräzise Strahlungstransportsimulationen und unterstützt komplexe atmosphärische Bedingungen (wie z. B. geschichtete Atmosphäre und ungleichmäßige Aerosole).

Typische Anwendungsgebiete: Analyse hyperspektraler Daten, Sensordesign und Spektralsimulation in komplexen Umgebungen.

6S:

Durch Eingabe der scheinbaren Reflexion am oberen Rand der Atmosphäre (TOA-Reflexion) und atmosphärischer Parameter (AOT, Wasserdampf, Ozon usw.) wird die Oberflächenreflexion direkt auf Basis einer zuvor berechneten Nachschlagetabelle (LUT) invertiert.

Merkmale: Einfache Bedienung, speziell für das solare Reflexionsspektrum entwickelt, geeignet für standardisierte atmosphärische Korrektur.

Typische Anwendung: Atmosphärische Korrektur für multispektrale Satelliten (wie Landsat-8 und Sentinel-2).

02. Bandbereich

MODTRAN: 
Es deckt den Bereich von 0,2 μm bis 100 μm ab (ultraviolett, sichtbar, nahinfrarot, kurzwelliges Infrarot, mittleres Infrarot bis fernes Infrarot) und unterstützt die Simulation von thermischer Infrarotemission und -absorption.

Geeignet für hyperspektrale Daten (wie PRISMA, AVIRIS) und Breitbandanwendungen.

6S:

Es deckt den Bereich von 0,25 μm bis 4,0 μm ab (sichtbares Licht bis kurzwelliges Infrarot, solares Reflexionsspektrum), beinhaltet aber kein thermisches Infrarot.

Es wurde speziell für multispektrale und teilweise hyperspektrale Daten entwickelt und eignet sich für die Analyse von Objekten wie Vegetation und Boden in den VNIR-SWIR-Bändern.

03. Anwendbare Szenarien und Vor-/Nachteile

MODTRAN:

Vorteile: Unterstützt breite Spektralbänder und hohe Präzision, geeignet für komplexe atmosphärische Bedingungen und hyperspektrale Daten.

Nachteile: Hohe Rechenkomplexität, erfordert manuelle Inversion, lange Laufzeit, geeignet für Forschungsanwendungen.

Anwendungsszenarien: Korrektur hyperspektraler Bilder (z. B. Identifizierung von Kalksteinmineralien, 2,31–2,33 μm), Simulation der Atmosphärenchemie.

6S:

Vorteile: Schnell, einfach zu bedienen, geeignet für die standardisierte Korrektur multispektraler Daten und genießt umfangreiche Unterstützung durch die Community.

Nachteile: Begrenzter Bandbereich (kein thermisches Infrarot) und eingeschränkte Unterstützung komplexer atmosphärischer Bedingungen.

Szenario: Fernerkundung in der Landwirtschaft (z. B. Berechnung des Red-Edge-Position-Index), Vegetationsüberwachung.

Betriebsabläufe

1. Das FLAASH-Tool in ENVI verwendet das MODTRAN-Modell.
   Die verwendeten Daten stammen vom Satelliten XIGUANG-002 und verfügen über 150 Bänder und einen Spektralbereich von 440-840 nm.

Der Standarddatenname lautet: XIGUANG-002_20250301_0000000001_0222_0064_W106.1_N43.7_L1BF_HSI. Diese Daten enthalten die DN-Werte zur Durchführung der geometrischen Systemkorrektur.

Öffnen Sie die XML-Datei mit dem Tool XiGuang-XG02 im ENVI China Satellite-Plugin.

Automatisches Auslesen der Metadaten zur Ermittlung von Wellenlänge, FWHM und radiometrischem Kalibrierungsfaktor.

Die radiometrische Kalibrierung wurde mit dem Radiometrischen Kalibrierungstool durchgeführt.

Der Skalierungsfaktor wird so eingestellt, dass er mit dem FLAASH-Tool übereinstimmt. Nach der radiometrischen Kalibrierung ändert sich die Dateneinheit von DN-Wert zu µW/(cm2 * sr * nm).

Anschließend wird mithilfe des FLAASH-Tools eine atmosphärische Korrektur durchgeführt, wobei die Flugzeitdaten automatisch aus den Metadaten ausgelesen werden. Sensorhöhe und mittlere Höhe müssen zusätzlich aus der XML-Datei ermittelt werden. Diese entsprechen den folgenden Feldern in der XML-Datei:

485607.870514

1490,9 Meter

Bei atmosphärischen Modellen konsultieren Sie bitte die unten stehende Tabelle; bei Aerosolmodellen wählen Sie bitte je nach Art des Zielgebiets aus.

2. Das 6S-Modell wurde mithilfe der Python-Bibliothek Py6s implementiert.

Nach der Erstellung eines 6S-Modells und der Konfiguration grundlegender Informationen wie geografischer Daten, Solardaten, Atmosphärenmodell, Aerosolmodell, Sensorhöhe und Zielhöhe wird das Modell bandweise ausgeführt. Fehlende Bänder, beispielsweise Absorptionsfenster für Wasserdampf, werden durch Interpolation aufgefüllt. Das Ergebnis entspricht der Anzahl der eingegebenen Oberflächenstrahlungs- und Reflexionsdaten.

 

Ergebnisdarstellung

Nachfolgend einige Ergebnisse der atmosphärischen Korrektur für die Daten von XIGUANG-002:

Stadt Yuncheng, Provinz Shanxi, China

Salakhstan, Turkmenistan 

Nachfolgend ein Vergleich der Ergebnisse unter Verwendung zweier atmosphärischer Korrekturmodelle.

Auf der linken Seite sind die Ergebnisse des MODTRAN-Atmosphärenkorrekturmodells dargestellt (Reflektivität 10.000-fach vergrößert), auf der rechten Seite die Ergebnisse des 6S-Modells.

Da MODTRAN ein verfeinertes, auf Molekülabsorptionsspektren basierendes Modell ist und das FLAASH-Tool von ENVI eine Nachbearbeitung wie die spektrale Glättung integriert, wird die Sauerstoffabsorptionsbande in der Nähe von 760 geglättet, während das 6S-Modell auf einer physikalischen Simulation basiert, sodass jede Gasabsorptionsbande erhalten bleibt.

Insgesamt zeigen die Spektralkurven ähnliche Tendenzen, wobei das 6S-Modell eine etwas höhere absolute Reflexion aufweist. Das MODTRAN-Modell zeichnet sich durch höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit aus, während das 6S-Modell als Open-Source-Modell einfach zu implementieren und weiterzuentwickeln ist und somit die Auswahl verschiedener Korrekturmethoden je nach Anwendungsszenario ermöglicht.