09b - 大气模型与地气传输¶

LESS 将外部辐射环境表示为大气层顶入射源与大气模型的组合。入射源只描述太阳方向和 TOA 光谱；大气模型负责地表直射、天空散射以及模型支持的上行传播。本章先说明如何选择模型，再介绍常用参数和输出。

模型选择¶

需求	推荐模型	说明
同时计算地表入射辐照度和传感器方向的大气传播	`less.Atmosphere`	内置分层大气，支持光学、SIF、热红外和路径传输
使用 6S 参数体系	`less.SixSAtmosphere`	需要可选依赖 `less3d[atmosphere]`
已知 TOA 到地表的直射与散射传输系数	`less.PrescribedAtmosphere`	严格区分束透过率与水平散射传输系数
真空或不考虑大气	`less.NoAtmosphere`	直射不衰减，漫射为零
快速生成宽光谱直射光与各向同性天空光	`less.SimpleSpectralAtmosphere`	简化光谱衰减和散射模型
可见光方向天空亮度分布	`less.HosekWilkieAtmosphere`	独立的 Hosek–Wilkie 模型

less.Atmosphere 是完整的大气边界与传播模型。其他光照类主要用于设置三维场景接收到的光，不等价于完整的地表到传感器大气传播。

内置分层大气¶

import less

scene = less.Scene()
scene.illumination = less.Illumination(
    source=less.Sun(zenith=30, azimuth=150),
    atmosphere=less.Atmosphere.standard(
        "midlatitude_summer",
        aerosol="continental",
        aot550=0.10,
        ground_altitude_km=0.0,
        streams=8,
        sky_mode="anisotropic",
    ),
)

标准大气廓线包括：

名称	典型条件
`"tropical"`	热带
`"midlatitude_summer"`	中纬度夏季
`"midlatitude_winter"`	中纬度冬季
`"subarctic_summer"`	亚北极夏季
`"subarctic_winter"`	亚北极冬季
`"us_standard"` / `"us76"`	1976 美国标准大气

气溶胶类型包括 "continental"、"maritime"、"urban"、"desert"、"biomass_burning" 和 "stratospheric"。aot550 是 550 nm 气溶胶光学厚度；数值越大，直射光衰减越强。

ground_altitude_km 是场景地面的海拔。sky_mode="isotropic" 使用各向同性天空；"anisotropic" 保留天空辐亮度随天顶角和太阳相对方位的变化。

自定义大气廓线¶

可以先取得标准廓线，再检查气压、温度和气体柱含量：

profile = less.AtmosphericProfile.standard("us76")
print(profile.surface_pressure(0.0))
print(profile.column("h2o", ground_altitude_km=0.5))

atmosphere = less.Atmosphere(
    profile=profile,
    aerosol="maritime",
    aot550=0.05,
)

自定义 AtmosphericProfile 时，高度单位为 km，气压单位为 hPa，温度单位为 K；各气体数密度使用 cm^-3。

单独求解并查看结果¶

import numpy as np
import less

atmosphere = less.Atmosphere.standard("us76", aot550=0.10)
wavelengths = np.arange(400.0, 1001.0, 5.0)
result = atmosphere.solve(
    wavelengths,
    sun_zenith=40,
    output_altitudes_km=[2.0, 8.0, 20.0],
)

direct = result.direct_normal_irradiance
diffuse = result.diffuse_horizontal_irradiance
transmittance = result.upward_transmittance(
    view_zenith=10,
    observer_altitude_km=8.0,
)

less.AtmosphereResult 中常用的量为：

字段或方法	含义
`direct_normal_irradiance`	地表法向太阳直射辐照度
`diffuse_horizontal_irradiance`	地表水平面天空散射辐照度
`direct_transmittance`	太阳直射透过率
`upward_transmittance(...)`	地表到指定观测高度的方向透过率
`path_radiance(...)`	观测方向的大气路径辐亮度
`to_observer(...)`	把地表辐亮度传播到指定高度
`directional_sky_radiance(...)`	天空方向辐亮度分布

辐照度使用 W m^-2 nm^-1，光谱辐亮度使用 W m^-2 sr^-1 nm^-1。

观测高度与大气层顶¶

成像产品可以选择地表、指定海拔或大气层顶：

projection = less.Orthographic(image_size=512, view_zenith=10, view_azimuth=180)

airborne = scene.simulate(less.OpticalImager(
    projection=projection,
    bands=less.Sentinel2A(),
    spectral_resolution=5,
    observation_altitude_km=8.0,
))

toa = scene.simulate(less.OpticalImager(
    projection=projection,
    bands=less.Sentinel2A(),
    spectral_resolution=5,
    observation_level="toa",
))

observation_altitude_km 使用海拔高度；投影类的几何高度只决定三维场景中射线的起点，两者含义不同。

光学、SIF、热红外和 LiDAR¶

光学成像同时使用下行直射/散射光、上行透过率和路径辐亮度。
SIF 成像使用发射波段的上行透过率；可通过 observation_level 或 observation_altitude_km 指定观测层。
热红外计算大气下行长波、地表热发射、上行吸收和大气自身路径发射。
LiDAR 使用发射与返回路径的双程大气衰减。

6S 模型¶

安装可选依赖后，可以使用 6S 计算地表直射和散射光：

pip install "less3d[atmosphere]"

scene.illumination = less.Illumination(
    source=less.Sun(zenith=30, azimuth=150),
    atmosphere=less.SixSAtmosphere(
        atmosphere_profile="midlatitude_summer",
        aerosol_type="continental",
        aot550=0.1,
        ground_altitude=0.0,
    ),
)

可用廓线包括 tropical、midlatitude_summer、midlatitude_winter、subarctic_summer、subarctic_winter 和 us_standard。常用气溶胶包括 no_aerosols、continental、maritime、urban、desert 和 biomass_burning。

用户指定大气传输¶

scene.illumination = less.Illumination(
    source=less.Sun(
        zenith=40,
        azimuth=160,
        wavelengths=[450, 550, 650],
        irradiance=[1.85, 1.88, 1.55],  # TOA 束法向光谱，W m^-2 nm^-1
    ),
    atmosphere=less.PrescribedAtmosphere(
        wavelengths=[450, 550, 650],
        direct_beam_transmittance=[0.60, 0.70, 0.78],
        diffuse_horizontal_transmittance=[0.20, 0.14, 0.09],
    ),
)

direct_beam_transmittance 是太阳直射束透过率：

地表束法向直射辐照度 / TOA 束法向辐照度

diffuse_horizontal_transmittance 是水平散射传输系数：

地表水平散射辐照度 / TOA 太阳光在水平面上的投影辐照度

后者不是地表总光照中的散射占比，也不是直射束透过率。若 TOA 束法向辐照度为 E_toa、太阳天顶角为 θ，则地表直射束法向辐照度为 E_toa × direct_beam_transmittance，地表水平散射辐照度为 E_toa × cos(θ) × diffuse_horizontal_transmittance。两个参数均无量纲，可使用标量；使用光谱数组时应同时提供参考 wavelengths，LESS 会将系数插值到实际求解波长。被动短波大气中二者逐波段之和不得超过 1。

简化大气和地表边界模型¶

# 真空边界
scene.illumination = less.Illumination(
    source=less.Sun(zenith=30, azimuth=150),
    atmosphere=less.NoAtmosphere(),
)

# 宽光谱简化大气
scene.illumination = less.Illumination(
    source=less.Sun(zenith=30, azimuth=150),
    atmosphere=less.SimpleSpectralAtmosphere(turbidity=2.5),
)

# 可见光 Hosek–Wilkie 方向天空
scene.illumination = less.Illumination(
    source=less.Sun(zenith=30, azimuth=150),
    atmosphere=less.HosekWilkieAtmosphere(turbidity=2.5),
)

使用建议¶

地表反射率产品和卫星成像优先使用 less.Atmosphere。
需要 6S 大气传输时使用 less.SixSAtmosphere。
已知 TOA 到地表的直射和散射传输系数时使用 less.PrescribedAtmosphere。
不考虑大气衰减时使用 less.NoAtmosphere。
快速 RGB 预览可使用 less.HosekWilkieAtmosphere。