基于SMART-G模拟优化King参数化PSF的光学卫星地球观测影像大气邻近效应校正改进模型

《Remote Sensing of Environment》：A revised model for atmospheric adjacency effect correction in optical satellite earth observation images

　　

光学卫星地球观测影像大气邻近效应校正的改进模型

• 利用SMART-G模拟优化用于邻近效应校正的参数化点扩散函数（PSF）。
• 面向大气与几何条件优化King模型参数。
• 与Gaussian和Wu模型相比，King模型改进地表反射率估计。
• 敏感性分析表明气溶胶光学厚度（AOT）和波长是PSF的主导参数。
• 向学界提供King和Gauss General PSF参数查找表（LUT）。

论文发表于《Remote Sensing of Environment》。光学卫星地球观测获取地表反射率时，即使无云，大气吸收和散射仍会显著扰动信号。大气效应可分为吸收散射衰减、大气幕以及散射造成的模糊。前两者可逐像元处理，而邻近效应（adjacency effect，邻近像元经大气散射对目标像元信号的附加贡献）必须考虑邻域贡献。高气溶胶光学厚度（AOT）暗地表场景中，邻近效应可超过总信号50%；沿海可达30 km；865 nm处有40%或60%的TOA反射率来自邻近效应。5S模型将TOA反射率表达为大气反射率、直接/漫射透射、球面反照率和环境平均反射率ρ_env；ρ_env为地表反射率ρ_s与大气点扩散函数P_5S的卷积。已有P_5S包括一次散射近似、Monte Carlo拟合、指数型、T-Mart采样PSF和双核模型。MAJA当前使用σ=330 m Gaussian PSF，不随波长、观测几何、AOT、相对湿度或高程变化，在高反射对比区可产生负地表反射率。因此研究人员利用SMART-G优化参数化PSF，改进MAJA邻近效应校正，提供随AOT、波长、气溶胶类型与垂直分布、相对湿度、地面高程变化的King模型及查找表（LUT）。

关键技术方法：使用SMART-G蒙特卡洛辐射传输模型，基于GPU加速模拟非均匀Lambertian地表上TOA反射率；大气采用6S Rayleigh分子散射廓线和CAMS气溶胶光学属性/廓线（MOPSMAP计算，h_ref=2 km）。合成训练集为200 km、50 m、3999×3999像元场景，含3个Gaussian（σ=1、5、50 km）和3个disk（r_lim=1、5、50 km）景观。以径向RMSE、99%掩膜和反距离权重优化，L-BFGS加Adam预热，比较Gauss、Moffat General、Gauss General、King，并用圈闭能量表征PSF。真实验证使用Sentinel-2 L1C/L2A影像及GLORIA现场R_rs数据集；GLORIA匹配排除云覆盖>50%、时间差>6 h和耀斑超标样本。

3.1 数值验证（Numerical validation）。3.1.1 RMSE比较：在AOT=0、0.4、0.8，λ=560、865 nm，θ_s=40°，RH=50%，硫酸盐气溶胶，θ_v=0°与16°下比较。无邻近校正、Gaussian（330 m）、Wu等采样PSF、Gauss General、King的径向RMSE表明：Gaussian较差，Wu显著改善，Gauss General和King进一步降低误差；King在高AOT常最优，θ_v=0°与16°结果相近，支持Sentinel-2范围内径向对称假设。3.1.2 反射率断面比较：对1、5、50 km圆盘景观，Gaussian仅近边界有效，远距离失败；Gauss General估计更平滑，King对比度恢复更锐利，但过渡带约1 km内过校正约0.05，随后消失。因King多数情况更优，后续采用King。

3.2 King模型敏感性分析。3.2.1 大气参数：纯气溶胶模拟显示，黑碳较各向同性，硫酸盐和海盐前向散射强，海盐PSF更尖。AOT增加时邻近效应范围减小；训练PSF是纯大气散射与地气耦合效应的折中，耦合效应范围随AOT减小主导，故总体范围减小。AOT=0.1时约10%邻近能量超过160 km，建议考虑10 km以外，8%—25%的邻近效应超过10 km。长波下海盐AOT几乎不变，故大粒子仍可造成显著邻近效应；小粒子长波AOT降低但影响范围增大。h_ref增加会减少很短距离邻近效应，因气溶胶更均匀分布、固定散射角对应更大地面水平距离。3.2.2 几何参数：地面高程影响很小，低AOT时稍明显；太阳天顶角对Lambertian地表P_5S无影响；观测天顶角在Sentinel-2范围内几乎无影响，>60°才明显破坏对称。3.2.3 优化King参数：σ和γ可存入LUT。AOT=0时三种气溶胶σ相近且较大，560 nm约0.9 km、665 nm约0.67 km、783 nm约0.6 km；AOT>0时黑碳σ约0.33—0.39 km，硫酸盐RH=50%约0.18—0.23 km、RH=95%约0.11—0.15 km，海盐<0.06 km；γ随AOT增加。混合气溶胶可按AOT加权平均单种核近似。3.2.4 AOT误估一阶影响：真实AOT₅₆₀=0.2或0.6、假定tile均值0.4时，蓝光490 nm地表反射率RMSE最大约0.0144，长波降至10^-3以下；错误AOT校正仍比不校正好3—16倍，但比真实AOT PSF在可见光差约3—4倍，长波仅差10%—20%。3.2.5 非Lambertian完整校正评估：对Libya-4沙漠、Skukuza稀树草原、Konza高草草原，用Ross-Li Thick BRDF和MODIS MCD43A1 2020春季参数模拟。King核虽在Lambertian景观训练，各向异性使反演退化最多2.2倍，而不校正为12—16倍；残差主要来自T^↑dif和s的Lambertian假设，而非核形状。

3.3 案例研究：Cairo和Arcachon Bay。使用Sentinel-2瓦片T36RVV和T30TXQ，从L1C和MAJA参数出发，用SMART-G重建TOA并与观测比较。Cairo AOT约0.69，Gaussian在高反射区低估，重建TOA低至5.7%；Wu略过估最大2.3%、最大相对误差1.4%；King最精确，RMSE比Gaussian改善60%，比Wu改善25%。Arcachon Bay中Gaussian仍低估亮沙地，Wu和King略过估但误差多<1%。

3.4 与现场R_rs验证。使用GLORIA现场遥感反射率数据集与Sentinel-2 B2—B7匹配。排除云覆盖>50%、时间差>6 h及太阳耀斑L_glint/F₀≥1×10^-3样本；18个过境中排除8个，97样本中排除48个，余49样本、10个过境、9个站点。B2—B4无显著优势；B5起King和Wu显著降低RMSE，B7处King比未校正改善约64%、比Gaussian改善约57%、比Wu改善<11%；King和Wu的RMSE跨波段稳定。

4 结论。研究提出用于MAJA邻近效应校正的P_5S解析模型推导方法，SMART-G适合模拟非均匀Lambertian地表TOA反射率和辐射参数。King模型被确定为最合适的双参数形式，数值验证中较Wu等降低RMSE 3—11倍，较Gaussian降低一个数量级以上，并验证Sentinel-2观测角下径向对称假设。真实Sentinel-2 Cairo和Arcachon Bay验证中，King与Wu去偏性能相当，相对TOA误差多<1%，Gaussian在高对比区系统性低估。GLORIA现场验证显示King在近红外降低地表反射率RMSE，B7较Gaussian改善57%、较Wu改善11%。King参数σ、γ可存为LUT，避免每次Monte Carlo和存储大网格。敏感性分析表明AOT和气溶胶高度尺度最重要，波长和气溶胶类型显著，太阳天顶角无影响，观测天顶角在Sentinel-2视场内可忽略，地面高程除低AOT外影响小。Lambertian假设在三个各向异性地表最多使反演退化2倍，而不校正退化12—16倍。

5 展望。下一步将King P_5S业务化集成MAJA，因PSF超过50 km，计划在Fourier域用FFT卷积并镜像填充，小视场传感器需处理影像外贡献。卷积边缘效应、PSF截断、AOT空间变化、双核/非对称PSF及三维云邻近效应仍需研究。讨论部分强调：King模型优于当前Gaussian和Wu采样PSF，LUT紧凑；AOT和高度尺度主导，波长和气溶胶类型重要；非Lambertian和AOT空间变化是残余误差来源；云和三维效应是未来限制。