Schlüsseltechnologie zur atmosphärischen Korrektur basierend auf hyperspektralen Daten des Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpeihao) – MODTRAN-Modell

Hintergrund Einführung

Im Bereich der quantitativen Fernerkundung liegt der Schlüssel zur präzisen Bestimmung der wahren Strahlungseigenschaften von Bodenobjekten in der Eliminierung des Einflusses der atmosphärischen Strahlung. Atmosphärenkorrekturverfahren auf Basis des MODTRAN-Modells führen durch die Erstellung eines präzisen Strahlungstransportmodells inverse Berechnungen der am Eintrittspupillenrand des Sensors empfangenen Gesamtstrahlung durch und eliminieren so Störungen durch atmosphärische Absorption und Streuung. Dies ist ein unerlässlicher Schritt zur Ermittlung genauer physikalischer Parameter von Bodenobjekten. In dieser Fallstudie werden Kalibrierungsdaten des Satelliten Xiguang-105 (Tianxianpei) verwendet, die am 23. September im Kalibrierungsfeld Dunhuang in der Provinz Gansu empfangen wurden, um die Strahlungsdichte am Eintrittspupillenrand zu bestimmen.

Methoden und Prinzipien

Tabelle 1. Nutzlastparameter des Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpei)

Das MODTRAN-Modell ist in die Software PcModWin integriert. Die Software verwendet eine grafische Benutzeroberfläche, um komplexe atmosphärische, aerosolbezogene und geometrische Beobachtungsparameter in standardisierte Eingabemodule zu integrieren. Kern des Modells ist die Simulation der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen von der Sonne zur Erdoberfläche und weiter zum Sensor. Dies geschieht durch die Erstellung eines physikalischen Modells des atmosphärischen Strahlungstransports, wodurch die auf die Eintrittspupille des Sensors treffende Gesamtstrahlung präzise berechnet wird. Die zentrale Gleichung des atmosphärischen Strahlungstransports im Modell lautet:

In der Formel steht I für die Strahlungsdichte, S für die Quellfunktion, τ für die optische Tiefe und μ für den Richtungskosinus. Alle diese Größen werden aus atmosphärischen, aerosol- und geometriebezogenen Parametern der Beobachtung berechnet. Die Formel zur Berechnung der Eintrittspupillenstrahlungsdichte lautet wie folgt:

In der Formel ε_SSei B(λ,T) der Emissionsgrad der Oberfläche._S) stellt die Schwarzkörperstrahlung dar, T_Sρ ist die Oberflächentemperatur, T ist die Transmission und ρ ist die Oberflächentemperatur._SE stellt das Oberflächenreflexionsvermögen dar._Sonne(λ) steht für Sonnenstrahlung.

Das Ergebnis der Schnittstelle zur Umkehrung der Eintrittspupillenstrahlung von PcModWin ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Abbildung 1 PcModWin-Modellinversionsschnittstelle

Ergebnisdarstellung

Die Ergebnisse der Inversion der Eintrittspupillenstrahlung sind in Abbildung 2 dargestellt. Die invertierte Eintrittspupillenstrahlungskurve wurde auf das Band des Satelliten Xiguang-1 05 (Tianxianpei) neu abgetastet, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 2 Vergleich zwischen der invertierten Strahlungskurve und der DN-Wertkurve am Testpunkt

Abbildung 3. Ergebnisse nach der Resampling-Methode der Strahlungsdichte

Es wurde der lineare Zusammenhang zwischen der Eintrittspupillenstrahlung nach dem Resampling und dem DN-Wert am Testpunkt berechnet, und die Kalibrierungskoeffizienten sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

Abbildung 4. Berechnungsergebnisse der absoluten Kalibrierkoeffizienten

Die Analyse der Ergebnisse der Strahlungsinversion und der Berechnung der absoluten Kalibrierkoeffizienten zeigt, dass die Strahlungsinversionsergebnisse denselben Trend wie die DN-Kurve des Testpunktes aufweisen und an wichtigen Merkmalen wie der Wasserdampf-Absorptionslinie mit dieser übereinstimmen. Auch die absoluten Kalibrierkoeffizienten zeigen an denselben Positionen die gleichen Eigenschaften.